烤烟对稻-烟轮作水稻季不同施氮后效的响应

肖厚军，魏全全，赵 欢，周开芳，左明玉，张 萌，邵代兴

(1. 贵州省农业科学院土壤肥料研究所，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；2. 贵州省遵义市土肥站，贵州 遵义 553000)

烤烟是我国重要的经济作物之一，发展烟草产业对促进我国经济发展具有重要作用。然而受耕地有限和土地流转困难的制约及经济利益的驱使，烤烟连作现象越来越严重，连作显著降低烤烟根、茎、叶的生物量[1]，连作烤烟上等烟比例、中上等烟比例与非连作烤烟相比显著下降[2]。连作烟叶总糖、还原糖和钾含量也下降，烟碱含量则增加，评吸质量下降[3-5]。相关研究指出，连作烤烟产质量明显下降的原因是连作后植烟土壤产生诸如土壤pH值下降[6]，土壤有效养分明显增加，且烟地养分比例失调[2,7]，土壤中真菌数量增加，细菌和放线菌数量减少[8-9]，烟草病虫害增加[10]等一系列问题。这些问题已成为影响烤烟生产可持续发展的主要原因之一[11]，不利于现代烟草产业的可持续发展。烤烟轮作能有效改善植烟土壤微生态环境[12]，是实现烟草农业可持续发展的重要保障。目前，烤烟轮作模式主要有烤烟-水稻、烤烟-玉米、烤烟-绿肥等。烤烟-水稻是一种重要的水旱轮作制度，对减轻土壤病虫害的发生有积极作用[13]，同时提高烟叶产质量，实现烟稻双增产[14]。然而近年来我国农业耕作种植过程中氮素效率却远低于国际平均水平[15]，由于忽视土壤、环境及过量施肥的影响，我国主要粮食作物的氮肥利用率平均仅为27.5%[15-16]。研究表明，施入土壤的氮肥除被作物吸收带走及淋失损失外，还有一大部分残留于土壤中[17]，通常占施氮量的15%～30%，最高可达48%[18-20]，其有效性明显高于土壤本身固有的氮素[21]。李志宏等[22]在小麦-玉米体系的研究表明，在考虑小麦季氮肥后效的情况下，玉米季施氮量应下调6.5%。稻-烟轮作是我国南方主要的耕作方式，季节性的干湿交替影响耕作区的氮素养分循环，水稻收获后土壤残留的氮素可能对后茬烟草的生长有较大影响，有关水稻季施氮后土壤留存氮对下茬烤烟的影响和下季烤烟氮肥如何施用的研究报道较少。本研究探讨烤烟对稻-烟轮作水稻季不同施氮后效的响应，寻求稻-烟轮作的最佳施肥量，为下季烤烟氮肥合理施用提供依据，制定科学的稻-烟轮作施肥技术。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2015年4月～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。供试土壤为酸性黄泥土，2015年4～10月为水稻试验，各小区起垄用塑料薄膜隔开，水稻后试验地为冬闲田，不种植任何作物，2016年4～10月为烤烟试验，试验地土壤(水稻种植前)基本理化性质如表1所示。

表1 土壤基本理化性质

供试烤烟品种为“K326”；供试烤烟肥料为过磷酸钙(P2O512%)和硫酸钾(K2O 50%)。

1.2 试验设计

试验为水稻和烤烟轮作种植，水稻季施肥，烤烟季所有试验小区不施氮肥，研究观测水稻施氮后效。试验水稻季共设4个施氮处理，分别为(1)不施氮处理，N0；(2)施用90 kg/hm2氮肥处理，N90；(3)施用180 kg/hm2氮肥处理，N180；(4)施用270 kg/hm2氮肥处理，N270。各处理施肥见表2。烤烟季各小区施用P2O5为90 kg/hm2，K2O为216 kg/hm2。试验处理设置3个重复，随机区组排列，试验小区面积为42 m2(长×宽= 7 m×6 m)，烤烟种植密度为每小区54穴(6行×9穴/行，12 857穴/hm2)，烟株行距为0.86 m，株距为0.7 m。试验的其他田间生产管理均采用当地烤烟生产技术实施。

烤烟于2016年5月6日移栽，分次采收。

表2 水稻季不同处理肥料施用量 (kg/hm2)

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤样品的采集与测定

土壤样品分别在烤烟种植前和收获后采集。每试验小区均匀布点5个，用不锈钢土钻采集垄侧处0～20 cm土壤，实验室风干、磨细、过筛后，分别测定土壤pH值、碱解氮、硝态氮、铵态氮[23]。

1.3.2 烤烟生物性状的调查

于烤烟脚叶收获期(移栽后117 d)，各小区分别选取有代表性植株，测定烟株株高、茎围、最大叶长、最大叶宽及总叶片数。

1.3.3 烤烟生物量和产量的测定

于烤烟移栽后37 d(6月12日)、移栽后56 d(7月1日)、移栽后75 d(7月20日，封顶期)，各小区分别选取长势相对一致，有代表性植株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、茎秆、叶片和烤烟植株总生物量。各个小区烤烟实收分期采收烘烤，各个时期实际采收烘烤量相加即为小区的实际产量。

1.3.4 烤烟品质和氮磷钾的测定

于烤烟收获期(移栽后117 d)，选取不同处理烟株中部长势相对一致的烟叶样品，烘烤后测定烟碱、总糖、还原糖、淀粉和蛋白质等品质指标[23]。同时，取剩余叶片，于105℃下杀青30 min，60℃烘箱烘至恒重，磨碎混匀，分别测定氮、磷和钾含量[23]。

1.4 数据处理与分析

试验数据处理采用Excel 2003软件进行，采用DPS数据处理软件进行数据的统计分析，结果则采用LSD法在P< 0.05水平上进行显著性分析，制图采用Origin 8.0软件。

2 结果与分析

2.1 不同施肥后效对烤烟生物性状的影响

由表3可知，水稻季施氮肥后效明显。施肥处理提高了烤烟株高、茎围、最大叶长、最大叶宽及总叶片数，且均以N270处理为最大。N270处理株高为114.0 cm，显著高于N0和N180处理，与N90处理差异不显著；茎围以N270处理为最大，达到8.0 cm，显著高于N0、N90和N180处理；N270处理的最大叶长为56.7 cm，显著高于N0和N90处理，与N180处理差异不显著；最大叶宽以N270处理最大，为21.0 cm，显著高于N0处理，与N90和N180处理差异不显著；N270处理总叶片数为21.8片，显著高于N0处理，但与N90和N180处理差异不显著。

表3 水稻季不同施肥处理后效对烤烟生物性状的影响

注：同列不同小写字母表示达到5%的差异显著水平，下同。

2.2 不同施肥后效对烤烟生物量消长动态的影响

由图1可知，随着生育期的推进，到烤烟封顶期，烤烟根、茎秆、叶片和植株总干重均呈现增加的趋势，且均以N270处理为最大。从烤烟根干重来看，初次取样时，根干重以N270处理最大，为27.4 g，N0处理最低，为11.7 g，随着生育期的推进，不同处理烤烟根干重均呈现增加的趋势，并在第3次取样(7月20日)时期烤烟处于封顶期，烤烟生物量达到最大值，N0、N90、N180和N270处理根干重分别为47.8、50.7、67.4和98.6 g，N270处理为最大；茎秆、叶片和植株总生物量均呈现相同的趋势，并在第3次取样(7月20日)封顶期达到最大值，且不同处理生物量均表现为N270>N180>N90>N0。

图1 水稻季不同施肥后效对烤烟生物量的影响

从烤烟干重来看，水稻季施氮肥越多，烤烟季养分的后效越强，不同时期烤烟根、茎秆、叶片和植株总干重均表现为N270>N180>N90>N0。

2.3 不同施肥处理后效对烤烟产量及经济效益的影响

由表4可知，增加水稻季氮肥用量，其后效显著增加烤烟产量。N0处理的烤烟产量为861 kg/hm2，与N0相比，施肥处理N90、N180、N270烤烟产量分别增产13.9%、38.5%和34.9%；其中N180处理烤烟产量最高，达到1 193 kg/hm2，显著高于N0和N90处理，与N270处理差异不显著。

进一步计算烤烟的经济效益，N90处理可出售烤烟为703 kg/hm2，高于其他处理；上等烟以N90处理最大，达到405 kg/hm2，每公顷分别比N0、N180和N270处理高48、38和119 kg，各处理上等烟叶分别占可出售烤烟量的41.5%、41.3%、30.8%和34.6%；中等烟以N270处理最大，为373 kg/hm2，每公顷分别高于N0、N90和N180处理123、75和52 kg，各处理中等烟叶分别占可出售烤烟量的29.0%、30.4%、26.9%和32.1%；中上等烟叶百分率为N90(71.6%)>N0(70.5%)>N180(57.7%)>N270(56.7%)。从经济效益来看，N90处理烤烟产值最高，为21 234元/hm2，每公顷分别高于N0、N180、N270处理2 846、667和2 013元。

表4 水稻季不同施肥处理对下季烤烟产量及经济效益的影响

2.4 不同处理施肥后效对烤烟品质的影响

由表5可知，随着水稻季施氮量的增加，各处理烤烟的烟碱含量基本表现为N270>N180>N90>N0，其中N0处理烟碱含量为1.929%，低于其他各施肥处理；烤烟总糖方面，N90处理烤烟总糖为29.422%，略高于N0、N180和N270处理，其中N180处理烤烟总糖含量最低，为28.172%；N0处理烤烟还原糖为19.225%，高于N90、N180、N270处理3.912、3.025和3.987个百分点；淀粉含量以N180处理最大，为4.775%，分别高于其他处理，其中N270处理烤烟淀粉含量最低，为4.574%；蛋白质含量以N270处理最大，达到10.602%，其中N0处理烤烟蛋白质含量最小，为6.952%，各处理总糖和淀粉含量差异不大；糖蛋比和糖碱比均以N0处理最大，分别为4.138和14.912，分别高于N90、N180和N270处理0.753、3.423、4.847和1.001、3.423和4.847；N90处理烤烟氮碱比为0.644，高于其他处理，其中N0处理最低，为0.576。

研究表明，优质烤烟一般要求烟碱1.8%～2.8%，总糖20%～26%，还原糖18%～22%，总氮1.5%～2.5%，蛋白质6.5%～8.5%，淀粉≤5%，糖碱比8～12，氮碱比0.8～0.9，糖蛋比(施木克值)2～4[24]。与不施用氮肥相比，水稻季施用氮肥后效增加了烤烟烟碱含量、蛋白质含量和氮碱比，降低了还原糖、糖蛋比和糖碱比；除个别处理外，烤烟烟碱、还原糖、淀粉、糖蛋比和糖碱比含量处于合理范围内，总糖和蛋白质含量略微偏高，总体化学成分含量合理，内在协调。

表5 水稻季不同施肥处理对下季烤烟品质的影响

2.5 不同施肥处理后效对烟叶氮磷钾含量的影响

表6结果表明，水稻季施氮肥后效显著影响下季烟叶的氮磷钾含量，随着施氮量的增加，烤烟氮和磷含量呈现增加的趋势，钾含量呈现降低的趋势。烤烟氮含量方面，N0处理最低，为1.112%，分别低于N90、N180和N270处理22.6%、40.0%和52.5%；N0处理烤烟磷含量最低，为0.172%，N270处理烤烟磷含量最大，为0.302%；钾含量以N0处理最大，达到2.700%，分别高于N90、N180和N270处理9.8%、16.9%和25.6%。总体来看，水稻季施氮后效增加下季烤烟对氮、磷的吸收，降低对钾的吸收。

表6 水稻季不同施氮肥处理下季烟叶氮磷钾含量 (%)

2.6 不同施肥处理后效对烤烟收获后土壤pH值及速效养分的影响

由表7可知，在烤烟季不施氮肥的情况下，烤烟种植前和收获后不同处理耕层土壤养分含量变化明显。pH方面，烤烟收获后土壤pH值略有降低，各处理分别降低0.14、0.04、0.02和0.04个单位，其中，N0和N90处理在烤烟收获后土壤pH值低于基础土壤，N180和N270处理土壤pH值高于基础土样；较烤烟种植前，土壤碱解氮、硝态氮和铵态氮在烤烟收获后均具有不同程度的降低，且以N270处理降幅最大，其中各处理碱解氮的降幅为3.7～22.8 mg/kg，硝态氮降幅为4.54～5.35 mg/kg，铵态氮降幅为2.28～3.23 mg/kg；与基础土壤相比，各处理碱解氮、硝态氮和铵态氮均降低，其中碱解氮降幅为6.7～15.0 mg/kg，硝态氮降幅为3.36～5.76 mg/kg，铵态氮降幅为1.74～2.65 mg/kg，施肥量越高，降幅越大，后效越强；土壤氮素降低是由于烤烟季所有小区均不施用氮肥，烤烟生长吸收土壤氮素造成的。

表7 水稻季不同施氮肥处理下季烤烟收获后土壤速效养分变化

3 讨论

与烤烟连作相比，稻-烟轮作能提高水稻和烟草的产量和品质，同时对减轻土壤病虫害的发生有积极作用，然而在轮作体系中盲目过量的施肥会造成肥料利用率和作物品质的降低，并导致环境污染，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保护环境，配合农业部化肥“零增长”的发展目标[25]。氮肥具有一定的后效作用，能提高作物氮肥利用率，氮肥的后效随着施氮量的增加而增大[17,26]。卜容燕等[27]对水稻-油菜轮作的研究表明，水稻季氮肥具有显著后效，对后茬油菜显著增产107～644 kg/hm2，相当于油菜季施氮5～33 kg/hm2的增产效果，氮肥后效与施氮量呈正比。本研究烤烟不施氮肥，研究利用前作水稻施氮后残留于土壤中的氮素后效，残留氮素对烤烟后效明显，烤烟产量随水稻季施氮量的增加呈现先增加后降低的趋势，以N180处理(N180 kg/hm2)为最大，显著高于低氮处理，但其烤烟产量明显低于烤烟常年产量水平(1 800 kg/hm2)，只有常年产量54%～66%，也就是土壤供肥支撑的产量，因此还需补充相当于烤烟产量34%～46%的氮肥以达到烤烟的较为理想的产量而不会引起肥料的浪费和环境问题。

烟叶中主要化学成分的含量及其之间的比值是评价烤烟品质的关键指标。本试验条件下，除个别处理外，烤烟烟碱、还原糖、淀粉、糖蛋比和糖碱比含量处于合理范围内，总糖和蛋白质含量略微偏高，氮碱比略低，总体化学成分含量合理，内在协调。糖碱比随施氮量的增加而降低，与前人研究结果一致[28]，而优质烟叶糖碱比的范围为8～12[24]，N0和N90处理均高于优质烟叶糖碱比的范围，可能是由于烤烟季不施肥，水稻施氮后效满足不了烤烟生长所需的氮量造成的；氮碱比适宜范围一般在0.8～0.9[24]，本试验条件下烤烟氮碱比均低于优质烤烟范围，可能是烤烟生长后期缺肥所导致。水稻季氮肥后效不能满足烤烟季烤烟生长所需氮素，应及时补充氮肥，以免造成烤烟因缺肥而造成的烟草品质的降低。综合考虑烤烟的品质和产量，水稻季残留养分不能满足烤烟生长所需氮肥，需要补充施足氮肥，烤烟常年施氮量为90 kg/hm2，当地烤烟产值为25 000～26 000元/hm2，仅靠水稻季养分后效达不到理想产值，因此应在烤烟季适当补充氮素，当水稻季氮肥用量为N 270、180或90 kg/hm2时，烤烟季需补施N 30、45或60 kg/hm2。

氮肥具有一定的后效，但是同时氮肥的后效随着种植年限的增加而减小[17,26]。李双来等[29]的研究表明，潮土性水稻土上油-稻-稻种植模式下，氮肥对油菜的生长具有显著的促进作用，同时对下季早稻的后效效果明显，但对晚稻无增产作用。巨晓棠等[30]通过对冬小麦-夏玉米轮作体系的研究表明，第二茬作物的后效达到7.5 %，至施肥后第3茬作物，仅有少部分肥料氮残留于土壤，后效作用不明显。董娴娴等[31]的研究表明，潮褐土冬小麦-夏玉米轮作体系下，在小麦当季，高施氮量条件下肥料主要残留在土壤中，后茬作物可以吸收土壤残留氮肥，随着茬口的增多有垂直向下运移的趋势。另外，随着农村劳动力的流转，劳动力成本上涨，烤烟-水稻轮作两年一轮的模式用工较多，若改进为烟-烟-稻三年一轮效果可能会更好。

4 结论

本试验研究稻-烟轮作系统水稻季施氮肥后对烤烟季烤烟生物性状、生物量、养分含量、产量及经济效益、品质和土壤理化性质的影响，不同氮素投入水平在后季作物的转移量。具体的结果如下：

(1)水稻季施氮肥后效显著增加烤烟生物量和经济效益。与N0相比，施氮处理提高了烤烟株高、茎围、最大叶长和最大叶宽，且均以N270处理最大；不同时期烤烟根、茎秆、叶片和植株总干重均表现为N270>N180>N90>N0；烤烟产量表现为N180>N270>N90>N0，明显低于烤烟常年产量；经济效益表现为N90>N180>N270>N0。

(2)水稻季施氮肥后效影响烟叶品质。与N0相比，其中烤烟烟碱含量、蛋白质含量及氮碱比有所提高，还原糖、糖蛋比和糖碱比降低，总糖和淀粉的含量变化不大；烤烟烟碱、还原糖、淀粉、糖蛋比和糖碱比含量处于合理范围内，总糖和蛋白质含量略微偏高，总体化学成分含量合理，内在协调。

(3)在烤烟季不施氮肥的情况下，土壤碱解氮、硝态氮和铵态氮较烤烟种植前呈现降低的趋势，降幅分别为3.7～22.8、4.54～5.35和2.28～3.23 mg/kg；与基础土样相比，各指标降幅分别为6.7～15.0、3.36～5.76和1.74 ～2.65 mg/kg，施肥量越高，降幅越大，后效越强。

综合来看，水稻季施氮90 kg/hm2，其后效的烤烟产值最高，但产值明显低于正常年景下烤烟产值，烤烟生长季应该在充分考虑前茬水稻氮肥后效的基础上进行优化推荐施氮。

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