不同轮作模式下氮素调控对烤烟产质量及氮肥利用的影响

陈 华，赵文军，王正旭，尹 梅，薛开政，何正海，陈检锋，王志远，王 伟，王应学，杨艳鲜，付利波

（1. 云南省农业科学院 农业环境资源研究所，云南 昆明 650205；2. 红塔烟草（集团）有限责任公司原料部，云南 玉溪 653100；3. 富宁县农业机械化技术推广站，云南 富宁 663400）

烤烟是我国重要的经济作物，种植面积大，覆盖区域广，烟草产业对我国经济发展极其重要，对农业农村发展和乡村振兴战略实施意义重大。目前，随着产业结构调整和农业生产种植技术的发展，烤烟种植区可供种植的作物种类逐渐丰富，和烤烟轮作的作物也逐渐多样化，常见的有油菜、玉米和蚕豆等。多样化的种植模式在为地方农业经济带来显著效益的同时，也对烤烟生产技术带来了新的挑战。相关研究表明，合理轮作有利于烤烟产量和质量的形成，轮作可以调节作物对土壤养分的利用率和提高土壤肥力的有效性[1]，减轻作物土传病害和连作障碍的发生[2]，有利于提高作物的产量和品质，减少化肥和农药的用量。但不同的轮作模式下，不同前作对土壤的影响差异较大[3]，前作的秸秆、施肥习惯均会影响烟田的肥力水平[4]，从而直接影响烟草的产质量及养分利用[5]。土壤养分的差异，导致了氮肥需求的差异，施氮不足或者过量，均会造成烟草体内碳、氮代谢失调和淀粉含量升高，严重影响烟叶香吃味并造成烟叶品质下降[6⁃8]，因此，合理施用氮肥，不仅可以保证烟叶的产质量，同时也是提高氮肥利用效率[9]和减少污染排放的前提[10]。目前，针对同一轮作模式下烤烟养分调控研究较多，对不同轮作模式下烤烟养分调控研究较少。鉴于此，探讨不同轮作模式下施氮量对烤烟的产质量及氮素利用效率的影响，确定氮肥适宜用量，为不同轮作模式下烤烟氮肥科学施用方案的制定提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2019—2020 年在云南省玉溪市澄江县龙街镇后香村进行，试验田地处东经102°52'55″、北纬24°38'58″，海拔1 698 m。供试土壤为水稻土，基本 理化性质：pH 值7.02、有 机质38.9 g/kg、全氮2.2 g/kg、全磷1.85 g/kg、全钾14.1 g/kg、水解性氮155.5 mg/kg、有效磷50.8 mg/kg、速效钾333 mg/kg。

供试烤烟品种为当地主栽品种K326，种植规格为行距120 cm、株距60 cm。

供试肥料：氮肥为硝酸铵钙（含N 46%）、磷肥为过磷酸钙（含P2O516%）、钾肥为硫酸钾（含K2O 50%）。

1.2 试验设计

2019 年10 月11 日，将同一试验地分为3 个大区，每个大区700 m2，分别种植油菜、玉米和蚕豆，3种作物的生产管理均按照当地农业部门推荐技术规程进行。其中，油菜N、P2O5、K2O 施用量分别为240、105、105 kg/hm2；玉米N、P2O5、K2O 施用量分别为300、150、150 kg/hm2；蚕豆N、P2O5、K2O 施用量分别为60、90、0 kg/hm2。

2020 年4 月15 日于油菜、玉米和蚕豆收获完成后进行烤烟不同施氮量试验，3 种轮作模式均设置4个处理：T1（不施氮，CK）、T2（施氮量45 kg/hm2）、T3（施氮量90 kg/hm2）、T4（施氮量135 kg/hm2）。小区面积为40 m2，随机区组排列。除施氮量不同外，P2O5、K2O用量均相同，分别为52.5、405 kg/hm2，其他生产技术均按照当地农业部门推荐技术规程进行。

1.3 样品采集与测定

烤烟收获前，在每个小区连续取样11 株，分为根、茎、叶三部分，杀青烘干后测定质量并粉碎，用凯氏定氮仪测定全N 含量，分别计算烤烟生物学产量和氮养分吸收量[11]。

烤烟成熟后，分小区挂牌编竿烘烤，烘烤结束后对各小区产量进行实测，并按烟叶部位和等级分别取上部叶和中部叶各2 kg 进行烟叶质量评价，按参考文献[12⁃15]中的方法测定总糖、还原糖、总氮、烟碱和钾等化学成分。烟叶外观质量和感官质量按照参考文献[16⁃17]中规定的方法进行评价。

1.4 数据分析

相关指标计算方法：氮肥利用率=（施氮区氮养分吸收量-对照区氮养分吸收量）÷施氮量×100%；氮素农学效率=（施氮区产量-对照区产量）÷施氮量；氮素经济学利用效率=施氮区产量÷施氮区氮养分吸收量；氮素生物学利用效率=施氮区生物学产量÷施氮区氮养分吸收量。

采用SPSS 25.0和Excel进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式下施氮量对烤烟主要农艺性状的影响

表1为不同轮作模式下施氮量对烤烟农艺性状的影响，在油菜-烤烟轮作模式下，T4 处理（施氮量135 kg/hm2）农艺性状表现最好，株高、叶面积系数和节距均与T1（CK）处理有显著差异；T2处理（施氮量45 kg/hm2）和T3 处理（施氮量90 kg/hm2）与T1 处理相比，株高和节距有显著差异。玉米-烤烟轮作模式下，T4处理（施氮量135 kg/hm2）株高、有效叶和节距与T1 处理差异显著；T2 处理（施氮量45 kg/hm2）和T3 处理（施氮量90 kg/hm2）与T1 处理相比，叶面积系数和节距具有显著差异。蚕豆-烤烟轮作模式下，T4 处理（施氮量135 kg/hm2）农艺性状表现最好，株高、叶面积系数和节距均与T1 处理差异显著；T2 处理（施氮量45 kg/hm2）和T3 处理（施氮量90 kg/hm2）与T4 处理（施氮量135 kg/hm2）相比整体上略差。综上，3种轮作模式下，施氮量高的处理烤烟农艺性状表现较好。

表1 不同轮作模式下不同施氮量烤烟农艺性状Tab.1 Agronomic traits of flue-cured tobacco with different nitrogen application under different rotation patterns

2.2 不同轮作模式下施氮量对烤烟经济效益的影响

不同轮作模式下施氮处理的产量、产值、等级比例和均价见表2。油菜-烤烟轮作模式下，T3处理（施氮量90 kg/hm2）产量和产值最高，分别为2 775.1 kg/hm2、76 284.8 元/hm2，高于T2 处理（施氮量45 kg/hm2）和T4 处理（施氮量135 kg/hm2）；均价上等烟比例、中上等烟比例则以T2 处理（施氮量45 kg/hm2）为最高。玉米-烤烟轮作模式下，T3 处理（施氮量90 kg/hm2）产量和产值最高，分别为2 964.5 kg/hm2、82 262.4 元/hm2；均价和上等烟比例也以该处理为最高。蚕豆-烤烟轮作模式下，T2 处理（施氮量45 kg/hm2）产量和产值最高，分别为2 871.2 kg/hm2、76 826.9元/hm2，均价上等烟比例、中上等烟比例也以该处理为最高。

表2 不同轮作模式下不同施氮量烤烟的产量和经济效益Tab.2 Yield and economic benefit of flue-cured tobacco with different nitrogen application under different rotation patterns

2.3 不同轮作模式下施氮量对烤烟化学成分的影响

由表3 可知，油菜-烤烟轮作模式下，施氮处理中T2 处理（施氮量45 kg/hm2）总糖和还原糖含量较高，与其他施氮处理差异显著；烟碱和总氮以T4 处理（施氮量135 kg/hm2）较高。玉米-烤烟轮作模式下，还原糖以T4 处理（施氮量135 kg/hm2）为最高；T3 处理（施氮量90 kg/ hm2）和T4处理（施氮量135 kg/hm2）的烟碱和总氮含量较高。蚕豆-烤烟轮作模式下，总糖以T2 处理（施氮 量45 kg/hm2）为 最 高；T4 处 理（施 氮 量135 kg/hm2）烟碱含量最高，并与其他处理差异显著；总氮以T3 处理（施氮量90 kg/hm2）和T4 处理（施氮量135 kg/hm2）较高，与T1 处理和T2 处理（施氮量45 kg/hm2）处理差异显著。综上，3 种轮作模式下，施氮量对总糖、还原糖、钾含量影响不大，但增施氮肥处理烟碱和总氮含量较适宜，利于提高烤烟感官质量的劲头和刺激性。油菜-烤烟和玉米-烤烟轮作模式下，施氮量90 kg/hm2处理烟叶品质较好，蚕豆-烤烟模式下施氮量45 kg/hm2处理烟叶品质较好。

表3 不同轮作模式下不同施氮量烤烟化学成分Tab.3 Chemical constituents of flue-cured tobacco with different nitrogen application under different rotation patterns

2.4 不同轮作模式下施氮量对烤烟外观质量的影响

由图1—2可见，油菜-烤烟和玉米-烤烟轮作模式下，均表现为T2 处理（施氮量45 kg/hm2）和T3 处理（施氮量90 kg/hm2）的中部叶和上部叶得分较高，整体上与其他2 个处理差异显著。蚕豆-烤烟轮作模式下，T2 处理（施氮量45 kg/hm2）中部叶得分最高，与其他处理差异显著；上部叶为T2处理（施氮量45 kg/hm2）和T3 处理（施氮量90 kg/hm2）得分较高，与其他2 个处理差异显著。3 种轮作模式下，施氮量对烟叶外观质量的影响较大，施氮量不足和过高都显著影响烟叶外观质量得分。

2.5 不同轮作模式下施氮量对烤烟感官质量的影响

中部叶和上部叶感官质量评价（图3—4）表明，油菜-烤烟轮作模式下，T3 处理（施氮量90 kg/hm2）中部叶和上部叶得分最高。玉米-烤烟轮作模式下，中部叶得分以T3 处理（施氮量90 kg/hm2）为最高；上部叶得分较高的为T2 处理（施氮量45 kg/hm2）和T3 处理（施氮量90 kg/hm2）。蚕豆-烤烟轮作模式下，中部叶和上部叶得分均以T2 处理（施氮量45 kg/hm2）为最高。综上，3 种轮作模式下，施氮量均对烟叶感官评吸质量有较大影响。

2.6 不同轮作模式下施氮量对烤烟氮素养分利用的影响

由表4可知，油菜-烤烟轮作模式下，T4处理（施氮量135 kg/hm2）生物学产量和氮养分吸收量最高，且与其他处理整体上有显著差异；氮素农学效率、氮素经济学利用效率和氮素生物学利用效率均以T2处理（施氮量45 kg/hm2）为最高，分别为12.9、28.1、53.4 kg/kg；T4处理（施氮量135 kg/hm2）氮肥利用率最高，为40.4%。在玉米-烤烟轮作模式下，T4处理（施氮量135 kg/hm2）生物学产量、氮养分吸收量、氮肥利用率最高，其中，氮肥利用率为42.2%；氮素农学效率、氮素经济学利用效率和氮素生物学利用效率均以T2处理（施氮量45 kg/hm2）为最高，分别为11.4、28.9、52.7 kg/kg。蚕豆-烤烟轮作模式下，T4 处理（施氮量135 kg/hm2）生物学产量、氮养分吸收量最高；氮素农学效率、氮素经济学利用效率、氮素生物学利用效率和氮肥利用率均以T2处理（施氮量45 kg/hm2）为最高，分别为17.0 kg/kg、31.0 kg/kg、54.3 kg/kg、40.9%。综上，3种模式下，增加施氮量，生物学产量和氮养分吸收量相应增加，氮素农学效率、氮素经济学利用效率和氮素生物学利用效率则与施氮量呈负相关，但不同轮作模式下氮肥利用率表现出一定差异。

表4 不同轮作模式下不同施氮量对氮素利用的影响Tab.4 Effects of different nitrogen amounts on N utilization of flue-cured tobacco under different cropping rotation patterns

3 结论与讨论

氮素是作物产量提高的限制性因素[18]。由于质量方面的要求，烤烟对氮的需求阈值较窄，氮供应不足，会减少烟叶干物质积累和降低烟叶烟碱含量，氮过量则会引起烤烟贪青晚熟，且烘烤过程中不利于香气物质的形成，亦即氮肥过多过少均会明显降低烟叶品质[19⁃21]。本研究中，增施氮肥能明显促进烤烟生长，3 种模式下，施氮水平最高的T4 处理（施氮量135 kg/hm2）农艺性状均表现较好，生物学产量也最高，说明氮肥仍是保证烤烟产量的基础，但烤烟的生物学产量并不是决定其经济产值的唯一要素，烟叶的外观及品质也很重要[22⁃23]，油菜-烤烟和玉米-烤烟轮作模式下，施氮量为90 kg/hm2（T3 处理）时产值最高，继续增施氮肥则开始下降，但在前作为蚕豆的模式下，施氮量为45 kg/hm2（T2处理）时，其产量、产值、均价、中上等烟比例和上等烟比例表现最好，说明不同的轮作模式下，烤烟对氮肥的需求量也有所不同。

有研究表明，施氮量与烟叶的化学成分有极其重要的关系[24]，对烟叶外观和感官质量有一定的调控作用[25⁃27]，本研究结果表明，不同施氮处理对烟碱和总氮影响较大，3 种轮作模式下整体上均表现为随施氮量的增加而增加。施氮量对烟叶外观和感官质量的影响也较大，施氮量过低或过高均会影响烟叶外观质量和感官评吸质量。综合考虑，油菜-烤烟和玉米-烤烟2 种轮作模式下T3 处理（施氮量90 kg/hm2）烟叶整体质量较好，蚕豆-烤烟轮作模式下T2处理（施氮量45 kg/hm2）烟叶整体质量较好。

有研究表明，不同轮作模式下土壤养分、酶活性和微生物数量有差异[28]，从而对下季作物生产环境造成不同影响，进而影响土壤氮素供应及作物对氮肥的利用。由于蚕豆为豆科作物，本身就具有固氮特性，通过轮作或间作能增加土壤氮素含量和促进下季作物对土壤氮素的吸收利用[29⁃30]，因此，玉米和油菜对氮素的消耗要高于蚕豆。3 种轮作模式下，氮肥用量越少，其氮素农学效率、氮素经济学利用效率和氮素生物学利用效率越高。同等施氮量条件下，3 种轮作模式中烤烟对氮肥的吸收和利用具有一定差异。其中，油菜-烤烟和玉米-烤烟轮作模式下，氮肥利用率整体上表现为随施氮量的增加而增加，推测是增施氮肥明显增加了烤烟生物学产量所致；但蚕豆-烤烟轮作模式下，氮肥利用率则表现相反，以T2 处理（施氮量45 kg/hm2）为最高，推测是由于蚕豆的固氮效应，提高了土壤氮素供应能力，而减少了对化学氮肥的依赖，从而降低了对外源投入氮肥的利用率。

本研究结果表明，在3种轮作模式下，增施氮肥有利于促进烟株田间长势，农艺性状整体表现较好。氮肥用量对烤烟的产量、产值和烟叶质量影响较大，油菜-烤烟和玉米-烤烟轮作模式下，氮肥用量为90 kg/hm2时，烤烟的经济效益、化学成分和烟叶品质均表现较好；蚕豆-烤烟模式下，在氮肥用量为45 kg/hm2时，烤烟的经济效益、化学成分和烟叶品质表现较好。氮肥用量为45 kg/hm2时，3 种轮作模式下氮素农学效率、氮素经济学利用效率和氮素生物学利用效率均最高；油菜-烤烟和玉米-烤烟轮作模式下，施氮量135 kg/hm2时氮肥利用率最高，蚕豆-烤烟轮作模式下，则为施氮量45 kg/hm2时最高。综上，油菜-烤烟和玉米-烤烟轮作模式下，氮肥用量以90 kg/hm2为宜；蚕豆-烤烟轮作模式下，氮肥用量以45 kg/hm2为宜。