氮、磷、钾配施对烟叶生物量和品质成分含量的影响

高嘉宁，张 丹，杨蒙岭，陈玉蓝

(1.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；2.中国科学院大学，北京 100049；3.广西博世科环保科技股份有限公司，广西 南宁 530000；4.四川省烟草公司凉山彝族自治州公司，四川 西昌 615000)

【研究意义】烟草(Nicotianatabacum)是茄科烟草属一年生或有限多年生草本植物，是我国一种重要的经济作物，广泛分布于华中、黄淮、东北和西南山区[1]。在烟草栽培时，施肥能显著影响烟叶的产量和品质[2-3]。研究发现，当烟草处于正常生长时，每增加100 kg的烟叶干重约需要吸收氮2.3～2.6 kg、磷1.2～1.5 kg、钾4.8～6.4 kg[4]。孙丽蓉等研究认为，当土壤全氮含量为0.076%～0.168%、速效氮为45～135 g/kg、速效磷为10～35 mg/kg时，更有利于提高烟叶质量[5]。从植物营养的角度来看，烟叶生长和伸展时，需要充足的肥料供应以维持自身正常的代谢和物质积累，而落黄成熟时应减少养分供应尤其是氮肥[6]。烟叶品质受遗传、环境和农业耕作措施等诸多因素的影响，而合理的养分管理决定了优质烟草的生长，对烟叶特定化学成分、致香物质的贡献仅次于品种，达25%[7-8]。因此，在特定的品种和环境条件下，合理施肥是调控烟叶产量与质量的关键。【前人研究进展】目前，关于氮磷钾配施对烟叶产量与品质影响的报道较多，但对施肥时造成烟叶安全性研究的报道较少。烟草是一种对重金属吸收较强的作物[9]。张艳玲等研究认为，我国烟草中存量最多的重金属元素是Cd，远高于Pb、Hg和As，平均含量高达2.95 mg/kg[10]。研究发现，烟草对Cd的富集能力最强，尤其是烟叶中的Cd富集系数达10以上[11-12]。烟叶的品质评价不仅包括了外观、产量和质量方面，还包括安全性评价。凉山彝族自治州是四川省著名的烟草道地产区，该地区生产的烟草因品质优良，常作为商品销售至省内和省外。然而，凉山彝族自治州的植烟区多位于紫色土坡耕地，因缺乏科学的施肥指导，加之严重的水土流失，导致该区域烟草种植在产量和质量上存在极大的不稳定性，挫伤了农民的生产积极性。【本研究切入点】本文以“云烟87”作为供试材料，以凉山彝族自治州会东县姜州镇的典型紫色土为供试土壤，通过盆栽试验，研究不同氮、磷、钾配施对烟叶生物量和品质成分含量的影响，同时分析了各施肥处理条件下，烟叶对重金属Cd的吸收与富集特性。【拟解决的关键问题】此研究结果为区域烟草栽培种植进行合理施肥提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

考虑到植烟土壤连作障碍对施肥及烟草生长带来的负面效应，本试验采用凉山彝族自治州会东县姜州镇植烟区临近的菜园土作为供试土壤。将采集的土壤(0～20 cm)过5 mm筛，去掉粗颗粒物及其它繁殖体，并对其基本理化性质进行分析测定：pH为5.89，有机质含量为22.17 mg/kg，总氮为1.65 g/kg，铵态氮与硝态氮分别为1.90和35.60 mg/kg，总磷为0.81 g/kg，重金属Cd含量为0.21 mg/kg。

1.2 试验设计

2018年4月上旬，将处理好的供试土壤以每盆13 kg的干重量装入直径50 cm，深40 cm的花盆中，并将长势相同的“云烟87”幼苗移栽至花盆内，稳定一周后，施以不同配比的氮、磷、钾肥，每个处理设置3个重复。供试肥料氮肥为硝酸铵(NH4NO3，含N 35%)、磷肥为磷酸钙Ca3(PO4)2，含P 38.7%、钾肥为硫酸钾(K2SO4，含K 42.5%)，各处理施肥水平及施肥量(表1)。

表1 试验设计和施肥量

1.3 株高和叶干重生物量的测定

各处理的烟株生长90 d后，分别对其株高和叶片生物量(上部叶、中部叶和下部叶)进行测定。并计算株高和叶干重生物量的增加率，用以评价各施肥处理的增产效果。

1.4 品质成分的测定

烟叶中的钾、烟碱、总糖(还原糖)和总氮含量的测定采用连续流动分析法，具体实验方法参照我国烟草行业标准(YC/T 217-2007[13]、YC/T 160-2002[14]、YC/T 159-2002[15]、YC/T 161-2002[16])。

1.5 烟草中的Cd含量及其富集特性

收集不同处理条件下的植物(根、茎和叶片)和土壤样品，研磨至适宜的粉末状待测。土壤样品用HNO3-HF-HClO4-HCl法消解。烟草样品采用HNO3-H2O2法消解。重金属Cd含量采用电感耦合等离子质谱法(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS，Agilent7700x，美国)测定，检测限为0.005 mg/L。通过分析标准品进行质量控制(土壤标准品为GBW-07405；植物为GBW-07603)。ICP-MS测试精度的相对标准偏差(RSD)在5%以内，标准物质回收率变化范围为95%～105%。

同时，计算烟株根部和茎部的Cd富集系数(BCF)，评价烟草对土壤重金属Cd的吸收与富集能力[17]。

(1)

1.6 数据分析

本文使用IBM SPSS 20.0和Excel 2016软件进行数据统计分析和制图。

2 结果与分析

2.1 施肥对烟草株高和叶干重生物量的影响

由表2可以看出，随氮、磷、钾肥施用量的增加，烟草株高和叶干重生物量明显增加(P<0.05)。处理N2P2K1的株高和叶干重生物量最高，分别为85.1 cm和62.8 g，与对照组(N1P1K1)相比，分别增加20.3% 和131.0%；其次是处理N2P2K2、N2P1K2、N2P1K1，株高增加率分别为16.6%、13.3%和12.9%，叶干重生物量增加率分别为126.9%、103.1%和97.1%；处理N1P2K1、N1P1K2和N1P2K2最低，株高增加率分别为10.3%、8.0% 和8.1%，叶干重生物量增加率分别为37.7%、43.2%和67.2%。分别观察高氮(N2P1K1)、高磷(N1P2K1)和高钾(N1P1K2)肥对烟草株高和叶干重生物量增加的贡献率，发现氮、磷、钾肥的贡献率分别为52.98%、25.72%和21.30%，且氮肥的增加效果显著优于磷肥和钾肥(P<0.05)，说明增施氮肥能明显促进烟草株高和叶干重生物量的增加。

表2 施肥对烟草株高和叶干重生物量的影响

2.2 施肥对烟叶品质成分的影响

2.2.1 施肥对烟叶钾含量的影响 由图1可知，各处理烟叶钾含量呈显著性差异(P<0.05)。其中以处理N2P1K2的含量最高，为3.22%，与对照组相比增加了79.80%；其次是处理N2P2K2、N1P1K2和N1P2K2，含量分别为2.89%、2.65% 和2.58%，增加率分别为59.44%、48.76% 和43.95%；处理N2P1K1、N2P2K1和N1P2K1的含量最低，分别为2.10%、2.04%和1.83%，增加率仅为16.98%、14.07%和2.92%。由此可以看出，增施钾肥能明显促进烟株对矿质元素钾的吸收，提高烟叶中的含钾量。

图1 施肥对烟叶钾含量的影响(误差为标准差)

2.2.2 施肥对烟叶烟碱和总氮含量的影响 由图2-a～b可知，各施肥处理烟碱和总氮含量呈显著性差异(P<0.05)。烟碱含量以处理N2P1K2、N2P2K1和N2P2K2最高，分别为3.05%、3.03%和2.88%，与对照组相比分别提高了61.24%、60.41%和52.47%；其次是处理N2P1K1，含量为2.78%，增加率为47.06%；处理N1P1K2、N1P2K1和N1P2K2的含量最低，分别为2.25%、2.07%和1.79%，增加率仅为11.06%、9.59%和5.29%。总氮含量以处理N2P2K1、N2P1K2和N2P2K2最高，分别为3.86%、3.76%和3.75%，与对照组相比分别提高73.80%、67.66%和67.32%；其次是处理N2P1K1，含量为3.61%，增加率为58.88%；处理N1P1K2和N1P2K1、N1P2K2的含量最低，分别为2.82%、2.73%和2.65%，增加率仅为10.87%、4.83%和1.41%。由此可以看出，高水平的氮肥组合(N2P1K2和N2P2K1)能显著提高烟叶中的烟碱和总氮含量，而单施钾肥和磷肥对烟叶烟碱和总氮含量的影响不显著(P>0.05)。

图2 施肥对烟叶烟碱(a)和总氮(b)含量的影响

2.2.3 施肥对烟叶还原糖和总糖含量的影响 由图3a,3-b可知，随氮、磷、钾施肥量的增加，烟叶中的还原糖和总糖含量均出现降低，且各处理含量间存在显著性差异(P<0.05)。处理N2P1K1和N2P2K1的还原糖含量最低，分别为18.45%和18.50%，较对照组分别降低了64.10%和63.64%；其次是处理N2P2K2、N1P2K2、N1P2K1和N1P1K2，含量分别为19.55%、20.70%、22.21%和22.58%，降低率分别为54.88%、46.28%、36.29%和34.10%；处理N2P1K2的含量最高，为25.89%，降低率仅为16.97%。各施肥处理总糖含量变化与还原糖存在相同的趋势。其中以处理N2P1K2的总糖含量较高，为27.74%，降低率为23.26%。上述研究结果表明，增施氮肥使烟叶中的还原糖和总糖含量明显降低，一定程度上不利于烟叶中糖类物质的合成和积累。

图3 施肥对烟叶还原糖(a)和总糖(b)含量的影响

2.2.4 施肥对烟草吸收、富集重金属Cd的影响 由图4-a可以看出，氮、磷、钾配施对烟草根部Cd含量和Cd富集系数具有显著影响。处理N2P2K1、N2P1K1和N1P2K1根部Cd含量最高，分别为3.38、2.33和2.86 mg/kg，其含量显著高于其它施肥处理(P<0.05)。同时，处理N2P2K1、N2P2K2和N1P2K1根部Cd富集系数最高，分别为0.34、0.42和0.30。由图4-b可知，不同施肥处理烟草茎部Cd含量也存在相同的趋势，其中，处理N2P2K1、N1P2K1和N1P2K2茎部Cd含量最高，分别为2.02、1.75和1.89 mg/kg，其含量显著高于其它施肥处理(P<0.05)。而随施肥量的增加，茎部Cd的富集系数略有降低。由此可以看出，高水平的氮、磷肥能明显促进烟草根部对Cd的吸收与富集，而烟株茎部的Cd富集特性可能与植物内部的转运机制有关。另外，钾肥对烟株吸收富集Cd的影响不显著。

a.烟草根部Cd含量；b.烟草茎部Cd含量；c.烟叶Cd含量。BCF-R为烟草根富集系数，BCF-S为烟草茎富集系数；不同小写字母为同一烟叶部位不同施肥处理间的差异

由图4-c可以看出，各施肥处理下部烟叶Cd含量最高，均值为2.06 mg/kg，其次为中部叶，均值为1.58 mg/kg，上部叶Cd含量最低，均值为1.16 mg/kg。可以看出，各施肥处理烟叶中的重金属Cd含量表现为下部叶>中部叶>上部叶。同时，各施肥处理烟叶Cd含量的方差分析结果表明，处理N2P2K1和N2P2K2下、中、上部烟叶Cd含量最高，其含量值显著高于其它施肥处理(P<0.05)。其中，处理N2P2K1下、中、上部叶Cd含量分别为2.69、1.75和1.44 mg/kg，处理N2P2K2下、中、上部叶Cd含量分别为2.09、1.66和1.42 mg/kg。而处理N2P1K2下、中、上部叶Cd含量最低，分别为1.57、1.37和1.11 mg/kg。由此可以看出，高水平的氮、磷肥增加烟叶产量的同时，也能促进烟叶对重金属Cd的吸收富集，进而使烟叶中的Cd含量明显增加，而钾肥对烟叶Cd含量的影响不显著。

2.3 烟叶品质成分的相关分析

由表3可以看出，株高与还原糖和总糖含量呈极显著正相关(P<0.01)，与K和Cd含量呈显著负相关(P<0.05)；叶干重生物量与烟碱、还原糖和总糖含量呈显著正相关(P<0.05)，与K含量呈极显著负相关(P<0.01)。烟叶K含量与总氮呈极显著正相关(P<0.01)，与烟碱、还原糖和总糖含量呈极显著负相关(P<0.01)；烟碱含量与Cd含量呈极显著正相关(P<0.01)，与总氮含量呈极显著负相关(P<0.01)；总氮含量与还原糖、总糖和Cd含量呈显著负相关(P<0.05)；还原糖和总糖呈极显著正相关(P<0.01)。由此可以看出，烟草株高、叶干重生物量和各品质成分含量两两间存在显著相关性。其中，重金属Cd对烟草生长产生明显的抑制作用，能显著降低烟叶中的总氮含量，但有利于烟叶盐碱含量的合成和积累。

表3 烟叶生理与生化指标的相关系数

3 讨 论

本研究表明，施肥能显著影响烟株长势，对烟草株高和叶干重生物量的影响程度为氮肥>磷肥>钾肥，这与化党领和陈义强等人的研究结果一致[18-19]。已有研究证实，增施氮肥使烟株的农艺性状协调，抗病力增强，且产量明显增加[20-21]。贾兴华等研究发现，氮肥能提高烟草体内代谢酶活性，提高碳氮代谢，从而增加干物质的积累量，但施用量过高时，会导致烟草体内代谢过程紊乱[22]。本研究发现，增施氮肥(高氮肥处理)能显著提高烟叶中的烟碱和总氮含量，但不利于烟叶总糖和还原糖成分的合成和积累，这与邓小鹏等的研究结果相一致[23]。研究认为，烟叶适宜的糖碱比为5～10，糖氮比为4～10，糖碱比和糖氮比过高或过低都会影响吸烟口感[1]。通过分析各施肥处理烟叶糖碱比和糖氮比，结果发现低氮肥处理使烟叶的糖碱比和糖氮比过高，而高氮肥处理使烟叶糖碱比和糖氮比更趋协调，即糖碱比介于6.93～9.84，糖氮比介于5.44～10.38。由此可以看出，增施氮肥虽然降低了烟叶中的还原糖和总糖含量，但有利于促进烟叶糖、烟碱和总氮含量配比协调，其中以处理N2P1K2的糖碱比和糖氮比最佳，分别为9.10和7.38。但值得注意的是，汤宏等通过田间小区试验研究黔东南烟草种植区的最佳施氮量，发现高水平的氮肥使烟叶中的还原糖含量提高了4.67%～9.66%，总糖含量提高了8.57%～14.18%，这与本文的研究结果存在明显差异，可能是有机和无机氮肥共同作用的结果[24]。研究认为，适当配比的有机、无机氮肥是优质高产烟叶的必要条件[25]，无机氮肥配施有机肥促使烟叶各品质成分的比例更趋协调，能有效提升烟叶香气质和香气量，降低刺激性和杂气，同时增加烟株氮素吸收量，提高肥料氮的利用率[24, 26]。

磷肥也能促进烟株生长和烟叶干重生物量的增加，但对烟叶品质含量的肥效作用不明显。在很大程度上磷肥是通过与氮肥或钾肥配合施用，从而起到协调烟叶致香物质含量、提高烟叶产量与质量的效果[19]。钾是影响烟草物质代谢和能量代谢的重要品质元素之一，直接影响烟叶的香气量、香气质、香气型和燃烧性，是评价烟叶质量的一个重要指标[27-28]。本研究发现，钾肥能明显促进烟株对矿质元素钾的吸收，且烟叶钾含量和累积量随施肥量的增加而增加。王亚虹等研究发现，烟叶含钾量与钾肥的施用量呈显著正相关性，且钾肥分次追施的肥效作用优于一次性基施[29]。胡国松等研究发现，进入旺长期的烟株钾含量随施肥量的增加而增加，且烟草对钾素的吸收高峰略前于干物质的累积高峰[30]。张为涛通过研究普通钾肥和控释钾肥对烟草养分吸收、产量及土壤养分的影响，发现在烟草旺长期控释硝酸钾和氯化钾处理的土壤速效钾含量较普通施肥处理显著提高了12.5% 和11.4%，明显提高了土壤钾素的供应强度，满足了旺长期烟株对钾素的需求，使成熟期烟草各农艺性状更加协调，烟叶中的钾含量明显提高[31]。因此，从上述研究结果可以看出，钾素是烟草生长过程中不可或缺的重要养分，持续的钾素供应使烟叶钾含量显著提高，明显提升烟叶品质。

烟叶是整个烟株最具经济价值的部位，烟叶中的Cd含量是评价烟草品质安全的重要指标。有研究认为，大量的Cd富集能打破烟叶体内矿质元素平衡，从而间接影响烟叶品质质量[32]。本研究发现，Cd对烟草生长产生了明显的抑制作用，能显著降低烟叶中的总氮含量，但有利于烟叶盐碱含量的合成和积累，从而进一步影响烟叶的感官质量和安全性[33]。各施肥处理烟叶中的Cd含量均值为下部叶(2.06 mg/kg)>中部叶(1.58 mg/kg)>上部叶(1.16 mg/kg)，这与吴玉萍等人的研究结果相一致[34]，且其含量均显著低于烟草Cd的限量阈值(3.0 mg/kg)[35]。同时，高水平的氮、磷肥能显著提高和活化土壤中的Cd含量，促进烟草根部对Cd的吸收和富集。已有研究证实，施用化肥与不施肥土壤相比Cd和Pb含量明显增加，且增施磷肥对农田土壤Cd、As和Pb含量增加的贡献率最大[36-37]。赵晶等研究认为，肥料本身的酸碱性以及肥料在土壤中发生成分转化产生的酸性和碱性物质能显著影响土壤pH值，进而使土壤中的有效镉含量发生变化[38]。上述研究结果表明，氮肥和磷肥对土壤总Cd含量和Cd的生物有效性均具有明显影响，这可能是高氮和高磷处理条件下烟草根、茎、叶Cd含量增加的主要原因。另外，钾肥对烟株吸收富集Cd的影响不显著，这与晏哲等人的研究结果相一致[39]。

4 结 论

施肥能显著影响烟草地上部生物量和品质成分含量。从地上部生物量的积累来看，氮、磷、钾肥对烟草株高和叶干重生物量的影响程度为N>P>K，氮肥的增加效果最明显，其次是磷肥，钾肥最差。从品质成分的含量与配比来看，增施钾肥能明显提高烟叶的含钾量，增施氮肥能显著提高烟叶烟碱和总氮含量，且有利于促进烟叶糖碱和糖氮的配比协调。

在本试验条件下，各施肥处理烟叶中的Cd含量均值表现为下部叶(2.06 mg/kg)>中部叶(1.58 mg/kg)>上部叶(1.16 mg/kg)。高水平的氮、磷肥配施能显著促进烟株对土壤Cd的吸收与富集，从而使烟叶中的Cd含量明显增加，而钾肥对烟株吸收富集Cd的影响不显著。相关性分析结果表明，Cd对烟草生长产生了明显的抑制作用，能显著降低烟叶中的总氮含量，但有利于烟叶盐碱含量的合成和积累。

综合考虑烟株地上生物量、烟叶品质配比及重金属Cd含量，本研究推荐的最佳施肥处理为N2P1K2，即N∶P∶K为1∶0.45∶2.06。获得优质烟草平均株高和叶干重生物量分别为79.2 cm和55.2 g；烟叶钾、烟碱、总氮、还原糖、总糖含量分别为3.22%、3.05%、3.76%、25.89%和27.74%，糖碱比为9.10，糖氮比为7.38；下、中、上部叶Cd含量分别为1.57、1.37和1.11 mg/kg，均显著低于烟草Cd的限量阈值(3.0 mg/kg)。因此，认为该施肥方案可以在凉山彝族自治州各烟区推广应用，同时可为相近地区的烟草施肥提供参考。但本研究还存在一些不足：如只考虑了无机化肥对烟草生物量和品质成分的影响，而忽略了有机肥在农业增产增收方面的作用；忽略了气候、土壤养分转化和农业管理措施(如灌溉和种植制度)等对烟草生物量和品质成分含量的影响。建议在今后的研究中，进一步优化实验方案，结合大田试验，研究区域优质烟叶生产的最佳施肥量和施肥配比。