15N示踪探究黄壤区稻-烟模式烤烟氮素的积累

2018-03-21魏全全周开芳左明玉苟世新郑明强肖厚军

西南农业学报 2018年2期

魏全全，赵欢，周开芳，张萌，左明玉，苟世新，郑明强，肖厚军*

(1.贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵州贵阳 550006；2.农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵州贵阳 550006；3.贵州省遵义市土壤肥料工作站，贵州遵义 553000)

【研究意义】氮素是烤烟生长的关键因子，烤烟吸收的氮素主要来源于土壤和肥料，不合理的施肥导致烤烟产量和品质降低，影响其经济效益，同时对环境造成影响[1-3]。了解烤烟对氮素的吸收及转化规律，确定适宜烤烟生长的氮肥施用量对提高烤烟产量和品质及保护环境有重要意义。15N示踪技术被广泛应用于包括烤烟在内的多种作物，该技术能够确定烤烟对氮肥的吸收、运转和代谢规律，明确施入氮肥的去向及在作物体内的分配[4-5]，可为合理施肥、提高肥料利用率提供科学依据[6]。【前人研究进展】刘青丽等[7]应用15N示踪研究不同有机物对烤烟氮素营养及品质影响表明，有机肥与无机氮肥配施可降低烟叶烟碱含量，增加糖碱比，改善烟叶品质；谢志坚等[8]通过15N示踪技术表明，湖北襄樊地区烤烟光、温条件较差的高海拔地区适当提前施用基肥，有利于提高肥料利用率，从而提高烤烟产量产值；化党领等[9]通过对恩施黄棕壤烟区烤烟的研究表明，土壤氮对烟株氮积累贡献率较大，不同部位叶片对土壤氮和肥料氮的吸收积累时期和积累规律不同；时向东等[10]研究表明，河南烟区烤烟对土壤的氮素积累显著大于肥料，且烟株各器官中累积肥料氮量占总氮比例随生育期推进而降低。【本研究切入点】黄壤作为贵州面积最大的土壤类型，土壤肥力和保肥能力较低，容易造成水土流失等现象，最终使得土壤和肥料的养分无法被作物充分吸收利用，导致肥料利用率降低[11]。稻-烟轮作是我国南方的主要耕作模式，该模式合理协调土壤养分，减少病虫害发生，促进作物优质高产及区域农业经济的可持续发展[12]。目前，关于贵州黄壤区稻-烟轮作模式下烤烟各器官氮素累积及来源的研究相对较少，因此掌握黄壤区稻-烟轮作模式下烤烟对氮素的吸收规律对烤烟合理施用氮肥意义重大。【拟解决的关键问题】探讨贵州黄壤区稻-烟轮作模式下烤烟氮素的积累与分配，研究不同生长阶段烤烟各部位氮含量、氮素累积量及其氮素来源比例，明确土壤与肥料对烤烟氮的贡献，以期为贵州黄壤区稻-烟轮作模式下烤烟氮肥的合理施用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料来源

供试烤烟品种为K326，由当地烟草部门提供。供试肥料品种分别为15N-硝酸铵(含N 35 %)、过磷酸钙(含P2O512 %)、氯化钾(含K2O 60 %)，15N硝酸铵的氮丰度为5.22 %，由上海化工研究院购入。

1.2 试验地概况

试验于2015年4月至2016年10月在贵州省遵义市绥阳县旺草镇广怀村青山组进行。该地区属亚热带季风性湿润气候，年平均气温11.5～15.0 ℃，平均降雨量为1136.9 mm。试验田块土壤为酸性黄泥土，基本理化性状为：pH 5.80，碱解氮120.3 mg/kg，有机质30.7 %，有效磷14.3 mg/kg，速效钾232.0 mg/kg。

1.3 试验设计

试验在水稻-烤烟轮作模式下进行。2015年4-10月为水稻种植季，2016年4-10月为烤烟季试验。烤烟季氮素试验于2016年4月4日育苗，5月6日移栽，种植前试验田块为冬闲田，分次采收。根据烤烟标记氮肥(15N-硝酸铵)用量，烤烟季试验设4个处理(表1)，4次重复，随机区组排列。小区面积42 m2(6 m× 7 m)。每小区54穴(折合密度12 857穴/hm2)，行距0.9 m，株距0.7 m。各小区施P2O590 kg/hm2，K2O 216 kg/hm2。其他田间管理采用当地烤烟生产技术实施。

1.4 测定项目

1.4.1 土壤样品的采集与测定土壤样品分别于烤烟种植前与收获后采集。烤烟播种前，在整个试验田均匀布点15个，采集0～20 cm耕层土壤，实验室风干磨细过筛后测定理化指标；烤烟收获后，在每小区均匀布点5个，采集0～20 cm耕层土壤，实验室风干磨细过筛后供基础理化性质测定[13]。

1.4.2 烤烟地上部生物量的测定烤烟移栽后37、56、75、95和117 d各小区分别选取代表性植株2株，105 ℃下杀青30 min，60 ℃烘箱中烘至恒重，记录干重，依次折算根、茎、叶和烤烟植株总生物量。

1.4.3 植株氮含量的测定烤烟移栽后37、56、75、95和117 d各小区分别选取的有代表性植株，分别分取根、茎和叶片，105 ℃下杀青30 min，60 ℃烘箱烘至恒重，磨碎混匀，植株全氮采用德国AA3连续流动分析仪测定，15N原子百分超委托深圳市华科精信检测科技有限公司采用(DELTA V Advantage)同位素比率质谱仪测定。

表1 烤烟季不同处理标记氮肥施用量Table 1 Nitrogen fertilization in tobacco (kg/hm2)

1.5 计算方法

烟株氮素来自肥料氮的占比=(烟株中的15N原子百分超-0.365 %)/(肥料15N原子百分超-0.365 %)×100 %，式中，0.365 %是自然界中15N含量；烟株各部位累积的肥料氮量=烟株氮素来自肥料氮的百分比×烟株各部位累积的总氮量；烟株各部位来自于土壤氮的比例= 100 %-该部位来自肥料氮的百分比；烟株各部位累积的土壤氮量=烟株各部位累积的总氮量-烟株各部位累积的肥料氮量。

数据处理与分析采用Microsoft Excel 2003及SPSS17.0进行，LSD法检验P<0.05水平上的差异显著性；制图采用Origin8.0软件。

2 结果与分析

2.1 不同时期烤烟各器官的全氮含量

随着生育期的推进，不同施氮处理烤烟的根、茎和叶片全氮含量均呈先下降后小幅上升趋势。由图1可知，根全氮含量在不同生育期均以N270处理最大，显著高于N0处理；随着生育期推进，根全氮含量呈下降趋势，在移栽后95 d达最低值，N0～N270各处理的根全氮最低含量分别为0.52 %、0.64 %、0.67 %和0.69 %， N0处理根全氮含量显著低于其他处理。各时期茎全氮含量均以N270处理最大，显著高于N0处理；随着生育期推进，茎全氮含量呈下降趋势，在移栽后95 d达最低值，N0～N270处理茎全氮最低含量分别为0.45 %、0.48 %、0.54 %和0.62 %。叶全氮含量以N270处理为最大，移栽37 d达3.63 %，显著高于其余处理；随着生育期推进，叶全氮含量呈下降趋势，在移栽后75 d达最低值，N0～N270处理叶片氮最低含量分别为0.92 %、0.99 %、1.01 %和1.04 %。

相同施氮条件下，烤烟不同部位的全氮含量均表现为叶片﹥根﹥茎；随着施氮量的增加，各部位全氮含量变化趋势相似，各部位全氮含量均在N270处理时达最大值。

2.2 不同时期烤烟各器官氮素累积量

由图2可知，随着生育期推进，烤烟各部位氮素累积量呈先增后降趋势。其中，根氮素累积量在不同生育期均以N270处理最大，移栽后37～117 d各时期的最高积累量分别为0.54、0.69、0.73、0.94和0.87 g/株；根氮素累积量在不同时期均表现为N270﹥N180﹥N90﹥N0。随着生育期推进，各处理根氮素累积量均在移栽后95 d达最大值，N0～N270处理根氮素最高累积量分别为0.38、0.50、0.69和0.94 g/株，其中N270处理显著高于N180和N0处理。茎氮素累积量在不同生育期均以N270处理为最大，移栽后37～117 d各时期的最高积累量分别为0.81、0.98、1.02、1.13和1.09 g/株；茎氮素累积量在不同生育期均表现为N270﹥N180﹥N90﹥N0；随着生育期推进，各处理茎氮素累积量均在移栽后95 d达最大值，N0～N270处理茎氮素最高累积量分别为0.35、0.61、0.81和1.13 g/株。叶片氮素累积量在不同生育期均以N270处理最大，移栽后37～117 d各时期的最高积累量分别为1.85、1.92、2.19、2.93和2.51 g/株，叶片氮素累积量在不同生育时期均为N270﹥N180﹥N90﹥N0；随着生育期推进，各处理叶片氮素累积量均在移栽后95 d达最大值，N0～N270处理叶片氮素最高累积量分别为1.27、1.46、2.47和3.57 g/株，显著高于其他处理。不同生育期，植株氮素累积量均以N270处理最大，各时期分别为3.21、3.58、3.80、5.64和5.25 g/株，均显著高于其他处理，不同处理植株氮素累积量均在移栽后95 d达最大，各施氮处理分别为2.00、2.57、3.97和5.64 g/株，不同处理之间差异显著。

图1 不同时期烤烟各器官氮素含量Fig.1 Effects of different nitrogen treatments on nitrogen content in tobacco in the different growth stages

图2 不同时期烤烟各器官氮素的累积量Fig.2 Effects of different nitrogen treatments on nitrogen accumulation in tobacco in the different growth stages

相同施氮条件下，烤烟不同部位氮素累积量均表现为叶﹥茎﹥根；随着施氮量增加，烤烟各部位氮含量变化趋势相似，且各部位氮含量均表现为叶片最高，茎次之，根最小。各部位氮含量在N270处理时达最大值。

2.3 烤烟植株及各部位从土壤和肥料中吸收氮肥数量的分布

图3显示，随着生育期的推进，不同施氮处理的根、茎、叶片和植株来自土壤的氮素均呈先升高后降低趋势，均在移栽后95 d达最大值；在烤烟整个生育时期，根、茎、叶片和植株来自土壤的氮素均以N270处理最大，N180处理次之，N90处理最小。茎、叶片和植株来自肥料的氮素在移栽后37～56 d略有增加，56 d后随烤烟生育期的推进呈降低趋势，均在移栽后117 d降至最低；在烤烟整个生育期，根、茎、叶片和植株来自肥料的氮素均表现为N270﹥N180﹥N90。

烤烟植株吸收的氮素仍以土壤氮素为主，随着施氮量增加，烤烟来自肥料的氮素也增加。

2.4 烤烟各器官积累氮中来源于土壤氮和肥料氮比例

由图4可知，在烤烟的各个生长期，烤烟根、茎和叶片吸收的肥料氮素占总氮素的比例均以N270处理最大，N180处理次之，N90处理最小。吸收土壤氮素比例则相反，表现为N90﹥N180﹥N270。从整个生育期看，各处理烤烟吸收肥料氮素比例随生育时期推进呈下降趋势，在移栽后117 d达最小值，N0～N270处理烤烟根、茎和叶最低吸收肥料氮素比例分别为12.21 %～18.25 %、11.61 %～15.60 %和11.39 %～14.51 %；而各处理烤烟吸收土壤氮素比例随生育期推进表现为上升，同样在移栽后117 d时达最大值，N0～N270处理烤烟根、茎和叶吸收的最高土壤氮素比例分别为81.75 %～87.79 %、84.40 %～88.39 %和85.49 %～88.61 %。

图3 不同时期烤烟各器官氮素累积量来源分布Fig.3 Effects of different nitrogen treatments on nitrogen source in tobacco in the different growth stages

后期各处理烤烟根、茎和叶片吸收土壤氮素比例逐渐增大而吸收肥料氮比例逐渐减小。表明，烤烟从土壤中吸收的氮素明显高于肥料氮素，土壤氮素贡献率高于肥料。

3 讨论

氮素是烤烟生长的大量元素之一，其不仅来源于当季施用的氮肥，同时也来源于土壤中的氮素营养，明确不同时期烤烟氮素吸收来源，对烤烟的合理施肥有重要作用。本研究应用15N示踪技术，对稻烟轮作模式下的烤烟不同生育时期不同部位氮素的分配及施氮效应的差异进行比较，表明在烤烟各个生长时期，不同施氮处理各部位吸收的氮素以土壤氮为主，随着施氮量增加，烤烟来自肥料的氮素也增加，不同部位吸收的氮素为叶片﹥茎﹥根，这与封幸兵等[14]、时向东等[10]的研究结果一致。烤烟植株总氮素来源为土壤氮大于肥料氮，说明烟株生育期吸收的氮素主要来源于土壤，土壤氮素贡献率高于肥料氮，并且随着生育期推进，土壤氮源比例逐步增大，不同时期土壤氮素占总氮的比例均超过50 %，这与谷海红等[15-16]的结果相似，但与化党领等[9]的研究结果略有不同，可能是与贵州黄壤类型和气候有关，同时也说明在烤烟生长期，应注意土壤氮供应，其对提高烤烟产量和质量[15]具有重要意义。

土壤类型是烤烟对矿质营养吸收和利用最重要的影响因素之一[17]，因烟地土壤水肥气热的差异，将会影响烤烟对氮素的吸收和利用。黄壤是贵州特色土壤，保水保肥能力较差，占贵州植烟土壤的80 %左右[18]。研究结果表明，在贵州黄壤种植烤烟，其吸收的氮以土壤氮为主，与前人[19]在黏壤土、壤土和砂壤的研究结果不同，但与马兴华等[20]在褐土上的研究结果相似，可能与黄壤特有的土壤类型和土体环境有关。随着施肥量的增加，烤烟吸收的肥料氮增加，土壤氮比例下降，原因可能是肥料氮对土壤氮库有稀释作用，使施氮作物较不施氮作物少吸收土壤氮，且随氮肥施用量的增加作物吸收的土壤氮进一步减少[21]。烤烟对氮素的吸收主要以无机氮的形式，同时与氮肥品种、施肥时期、试验地海拔、土壤类型与质地和土壤温度等有关[3, 22]，因此，烤烟合理施肥应考虑以上诸多因素的影响。

图4 不同时期烤烟氮素来源分布比例Fig.4 Effects of different nitrogen treatments on nitrogen source proportion in tobacco in the different growth stages

稻-烟轮作能提高水稻和烟草的产量和品质[23]，同时对减轻土壤病虫害的发生有积极作用[24]，但在轮作体系中盲目过量的施肥会造成肥料利用率降低，且污染环境，因此应在轮作系统中合理利用前茬作物收获后土壤残留的氮素养分，适当减少后茬作物的施氮量，在化肥减量施用的前提下进行精准施肥，提高肥料的利用率并有利于环境保护，符合农业部化肥零增长的发展目标。

4 结论

(1)通过15N标记法研究稻-烟轮作系统烤烟季烤烟氮素含量、养分累积量及15N分布，结果表明，不同施氮处理烤烟根、茎和叶片的氮含量变化趋势相同，均随生育时期的推进呈先降低后趋于平衡的趋势，且不同施氮处理的根、茎和叶片氮含量为N270﹥N180﹥N90﹥N0；相同施氮处理的烤烟根、茎和叶片的氮含量表现为叶片﹥根﹥茎。

(2)不同施氮处理烤烟根、茎和叶片的氮素累积量均表现为先增加后降低的趋势，不同处理间的根、茎和叶片氮含量均为N270﹥N180﹥N90﹥N0；相同施肥处理的烤烟根、茎和叶片的氮素累积量为叶片﹥根﹥茎。

(3)不同施氮处理烤烟根、茎和叶片的吸收氮的数量以土壤氮为主，且在移栽后95 d达最大值；吸收来自肥料的氮素在移栽后37～56 d略有增加，56 d后随着烤烟生育期的推进呈降低趋势。烤烟根、茎及叶片的吸收氮的比例为土壤氮﹥肥料氮。

(4) 综合看，烤烟植株吸收的氮主要来源于土壤，且随着生育期的推进，土壤氮素比例增加。因此，稻-烟轮作系统烤烟施氮时应充分考虑土壤氮供应及植株对土壤氮素的吸收。

[1]黄崇峻,黄武,刘树海,等. 不同氮肥对烤烟产质量及氮肥利用率的影响[J]. 贵州农业科学,2016,44(4):39-42.

[2]MARCHETTI R, CASTELLI F. Nitrogen requirements for flue-cured tobacco[J]. Agronomy Journal, 2006, 98(2):666-674.

[3]许东亚,鲁耀,谢永辉,等. 氮素前移对烤烟生长发育以及烟叶质量的影响[J].贵州农业科学,2017,45(4):48-53.

[4]刘泓,熊德中,许茜.氮肥用量与留叶数对烤烟氮吸收及烟碱含量的影响研究[J].中国生态农业学报, 2006,14(2):85-87.

[5]苏帆,付利波,陈华,等.应用15N研究烤烟对饼肥氮素的吸收利用规律[J].中国生态农业学报, 2008,16(2):335-339.

[6]王巧兰,吴礼树,赵竹青.15N示踪技术在植物N素营养研究中的应用及进展[J]. 华中农业大学学报, 2007, 26(1):127-132.

[7]刘青丽,石俊雄,张云贵,等.应用15N示踪研究不同有机物对烤烟氮素营养及品质的影响[J]. 中国农业科学, 2010,43(22):4642-4651.

[8]谢志坚,涂书新,李进平,等.基肥(15N)施用时间对烤烟产量、产值及氮素利用率的影响[J]. 核农学报, 2010,24(4):829-834.

[9]化党领,张诗卉,王瑞,等.土壤氮和15N肥料氮在不同生长期烤烟各器官的积累[J].中国烟草学报, 2013,19(1):32-36.