氮钼肥配施对烤烟生长发育及氮组分积累的影响

云 菲，杨永锋，马一琼，王宝林，陈红丽*

1.河南农业大学烟草学院，郑州市金水区文化路95号 450002

2.河南中烟工业有限责任公司，郑州市金水区农业东路29号 450000

近年来，由于化学氮肥的过度施用使氮肥利用率降低，土壤酸化加重，且造成我国许多地区特别是华南、华东、京津和东北大部分区域土壤有效钼严重缺乏［1-2］。河南耕地土壤平均有效钼含量为0.078 mg·kg-1，处于严重缺钼状态的土壤（有效钼含量＜0.15 mg·kg-1）面积占总耕地面积的93%以上［3-4］。烤烟作为喜钼作物，钼含量的临界值为0.13 mg·kg-1［5］，仅靠土壤中有限的钼含量不能满足烟株生长发育的需要，缺钼直接影响烟株体内氮素的吸收与利用，从而制约烟叶产质量的提高［6］。适量施用钼肥有助于调节植物体内氮素的运输与分配，叶片硝态氮同化酶和抗氧化酶活性显著提高，同时催化硝酸盐向亚硝酸盐转化，降低植物体内硝态氮的积累，从而提高植物的氮素利用率［7］。胡珍兰等［8］研究发现，施用钼肥可促进冬小麦在拔节期和抽穗期将吸收的氮素分配到生长中心。陈志青等［9］研究表明，相同氮肥施用水平下，施用离子钼和纳米钼肥可显著提高水稻各器官的氮素积累量，并提高氮肥偏生产力、氮素农学利用率、生理利用率和吸收利用率。此外，钼肥对烟株总氮、可溶性蛋白、游离氨基酸含量的影响受供氮水平的制约［10］。高氮素水平下增施钼肥可降低上部叶烟碱含量，施用钼肥对生育后期的烟叶NO3--N 含量减少具有一定的促进作用［11］。龚治翔等［12］研究表明，施用钼肥能显著增加中、高氮水平下烤烟干物质积累量及生育前期烟叶光合色素含量，且随氮素水平的提高，生育后期烟叶中硝酸还原酶活性增强，NO3--N 含量减少，低氮水平下施用钼肥对烤烟“增糖降碱提钾”具有显著促进作用。因此，合理的氮钼配施对烤后烟叶化学品质的提高具有显著的协同效应［13］。目前有关不同氮素水平下配施钼肥对烤烟氮素积累及氮组分变化的影响机制尚不明确，为此探讨了氮钼肥配施对烤烟光合特性、氮素积累、含氮化合物含量及烤后烟叶氮组分的影响，揭示烟株体内主要氮组分含量变化对氮钼互作效应的响应机制，旨在筛选出最优的氮钼肥配施方式进而为优质烤烟生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验基本情况

试验地点设置在河南农业大学许昌科教园区（北纬34°01′，东经113°49′），该地区属于暖温带季风气候。供试土壤采自河南省许昌市襄城县（北纬33°51′，东经113°28′）。土壤类型为潮土，土壤质地为砂壤土，有机质含量12.48 g·kg-1，pH 7.95，速效磷7.72 mg·kg-1，速效钾124.66 mg·kg-1，碱解氮58.46 mg·kg-1，有效钼含量0.043 mg·kg-1。土壤经风干并用胫腐康土壤消毒剂（郑州惠农有害生物防治有限公司）进行熏蒸消毒后过0.5 mm×1.0 mm 网筛，将肥料与土壤混合搅拌均匀后装盆，盆高45 cm，盆口直径40 cm，盆底直径30 cm，每盆装土20 kg，行株距120 cm×50 cm。供试烤烟品种为K326。

1.2 试验设计

采用两因素三水平完全交互试验设计，设置低、中、高3个氮素营养水平，分别为N0（0 g·kg-1土）、N0.15（0.15 g·kg-1土）、N0.3（0.30 g·kg-1土），每个氮素水平下分别设置3个钼肥梯度，分别为Mo0（0 mg·kg-1土）、Mo0.15（0.15 mg·kg-1土）、Mo0.3（0.30 mg·kg-1土），共计9个处理。其中，氮肥和钼肥分别为分析纯NH4NO3（氮含量35%）、钼酸铵［（NH4）6Mo7O24·4H2O］（钼含量54%）；各处理磷肥（KH2PO4）和钾肥（K2SO4）水平保持一致，每1 kg土中P2O5含量为0.23 g，K2O 含量为0.45 g。每处理30 盆，每盆栽烟1 株。烟苗于2019 年5月20 日移栽，按照烤烟栽培技术规程［14］进行管理。生育期内各处理灌水量保持一致，灌溉用水为去离子水，以避免其他因素对肥料施用效果的干扰。

1.3 测定项目与方法

在烟株生长的关键时期（移栽后30、45、60、75和90 d），选取生长一致且受光方向相同的功能叶片进行光合指标的测定。同时，测定各时期鲜烟叶中可溶性蛋白、游离氨基酸含量及硝酸还原酶活性，并取杀青烟样用于干物质和氮素积累的计算，每处理测定3株，每株测定3次，取平均值。

1.3.1 光合指标的测定

采用LI-6400 便携式光合作用测定系统（美国LI-COR 公司）测定中部功能叶的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）。

1.3.2 氮素积累量的测定

参照标准方法YC/T 161—2002［15］测定氮含量（质量分数）。计算公式：

1.3.3 氮代谢关键酶活性及含氮化合物含量的测定

采用考马斯亮蓝G-250 法测定可溶性蛋白含量［16］，采用活体法测定硝酸还原酶活性［16］，采用茚三酮溶液显色法测定游离氨基酸含量［16］。

1.3.4 干物质积累量的测定

从移栽后30 d 开始，每隔5 d 取样1 次，每处理随机选取3株代表性烟株，将根、茎和叶分开称取鲜质量，于105 ℃杀青15 min，65 ℃恒温烘干，称其干质量，并计算干物质积累量。

1.3.5 烤后烟叶氮组分的测定

参照国标GB 2635—1992［17］对烤后烟叶进行分级，利用AA3 连续性流动分析仪（SEAL，德国BRANLUEBBE公司），参照行业标准方法测定中部烟叶烟碱［18］和总氮［15］含量。每处理重复3次，取平均值。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2013 和SPSS 19.0 软件进行数据分析和图表绘制；使用新复极差法进行数据间差异的显著性检验；利用SPSS Amos 软件建立结构模型分析相关因子与烤后烟叶主要氮组分（总氮和烟碱）含量的关系。

2 结果与分析

2.1 氮钼肥配施对烤烟气体交换参数的影响

如图1a 所示，随着氮素水平的增加，Pn 呈先增加后降低的变化趋势，中等氮素水平最有利于Pn的提高，分别较低氮、高氮处理增加4.64%～104.01%和1.38%～82.40%。整个生育期内，在移栽后60 d N0.15Mo0.15处理的Pn 达到最大值，随后下降。不同氮素条件下增施钼肥均能够促进叶片Pn的提高，且在生育前期效果较显著，施用钼肥处理的Pn分别较对照增加9.98%～58.00%（N0）、0.86%～38.39%（N0.15）和0.19%～30.17%（N0.3）。Gs 在生长前期（移栽后30 d 至60 d）呈持续上升趋势，在移栽后60 d N0.15Mo0.3处理达到最大值（0.87 mmol·m-2·s-1），生长后期（移栽后75 d 至90 d），Gs 迅速下降，导致进入气孔的光合反应原料供应不足，与之对应的Pn也随之降低。施用氮肥显著促进了Gs的提高，不同氮素处理的Gs 增加比例以移栽后45 d最高，N0、N0.15、N0.3水平下分别比移栽后30 d 增加30.03%～40.74%、83.63%～140.28%、171.12%～250.50%；同一氮素水平下，Gs随着钼肥水平的增加而增大（图1b）。整个生育期内Ci 的变化范围在212.67～306.67 μmol·mol-1之间，随着施氮量的增加Ci降低，以N0.3水平下的Ci最低。同一氮素水平下，施用钼肥量增加会引起Ci的降低，这可能是由于氮钼肥配施提高了叶片同化CO2的能力，使细胞间隙的CO2消耗速率增加，最终造成Ci下降［10］（图1c）。

图1 氮钼配施对烤烟叶片气体交换参数的影响Fig.1 Effects of combined application of nitrogen and molybdenum fertilizers on gas exchange parameters of flue-cured tobacco leaves

2.2 氮钼肥配施对烤烟氮代谢关键酶及含氮化合物含量的影响

硝酸还原酶（NR）是一种水溶性钼黄蛋白，受NO3-和Mo共同诱导［19］。由图2a可知，NR活性随氮素水平的升高而增加，N0水平下，氮代谢下降时间较早，在移栽后45 d NR开始下降，叶片出现早衰；N0.15和N0.3水平下，在移栽后60 d NR 达到峰值，生育后期叶片氮代谢运转速度减慢，NR迅速降低。整个生育期内Mo0.3处理的NR 活性比对照提高8.19%～35.19%，以中等氮素水平下增加比例较高。可溶性蛋白（SP）含量的高低可反映植物对氮素的同化能力，在氮代谢过程中起着代谢库的作用［20］。低氮条件下，在移栽后45 d SP达到峰值，中、高氮处理在移栽后60 d SP达到最高值，进入成熟期后烟株光合能力下降，SP合成减弱，同时含量降低。提高氮素水平有利于SP 的合成，除移栽后30 d 外，SP 含量随着施氮量的增加而增加，中、高氮处理的SP 比低氮处理分别增加19.4%～44.98%和6.38%～31.16%。施用钼肥对SP 含量的影响受不同氮素水平的制约，以N0.15Mo0.3处理的SP含量增幅最高，移栽后45 d和60 d分别较对照增加37.75%和46.89%（图2b）。游离氨基酸（FAA）是植物体内氮素同化物的主要运输形式，与烟株体内氮素代谢和烟叶品质密切相关［21］。如图2c 所示，游离氨基酸（FAA）含量呈先升高后降低的变化趋势，除N0的FAA 最大值出现在移栽后45 d外，N0.15、N0.3均在移栽后60 d FAA达到最大值，FAA 含量随氮素水平的提高而显著增加。中、低氮水平下均以Mo0.3处理的FAA含量最高，分别较未施钼处理提高20.79%～43.41%和11.09%～95.85%。高氮水平下，则以Mo0.15处理的FAA 含量最高，比对照提高0.09%～150.87%。

图2 氮钼肥配施对烤烟叶片硝酸还原酶活性、可溶性蛋白及游离氨基酸含量的影响Fig.2 Effects of combined application of molybdenum and nitrogen fertilizers on nitrate reductase activity（NR),soluble protein（SP）content and free amino acid（FAA）content of flue-cured tobacco leaves

2.3 氮钼肥配施对烤烟各器官氮素积累和利用的影响

植株氮素积累量是植株干物质量与氮素含量的乘积，同时也是植株氮素营养丰缺水平与群体生长发育状况的综合反映指标［22-23］。叶片是烟草的收获器官，增加氮用量会显著提高氮素在叶片中的积累，其中以N0.15Mo0.3处理叶片的氮素积累量最大，比对照提高224.03%，这与其氮素吸收效率最高有关。不同氮素水平下，中、高氮肥处理的烟株氮素积累量较高，N0.15水平下，施用钼肥处理的氮素吸收效率比对照增加9.35%～76.98%；中、低氮水平下，随着施钼量的提高烟株的氮素累积量增加，施钼处理较未施钼处理分别增加24.68%～30.77%（N0）和3.69%～43.47%（N0.15）。高氮肥条件下，烟株的氮素吸收效率降低，施用钼肥处理的氮素积累量较未施钼处理降低7.57%～11.18%（N0.3）。氮钼肥以及二者的互作效应对烟株各组分（根、茎、叶）氮积累量的影响均达到显著水平（表1）。将气体交换参数、含氮化合物与烟叶氮素积累量进行皮尔逊相关分析可知，FAA、NR、Gs、Pn、Ci 均与叶片中氮素的积累呈显著相关（r=0.93**、0.89**、0.85*、0.62*、-0.95**），其中，FAA 对烟叶中氮素积累促进作用最大，Ci 则对氮素积累起到负向效应。

表1 氮钼肥配施对烤烟各器官氮素积累和利用的影响①Tab.1 Effects of combined application of nitrogen and molybdenum fertilizers on nitrogen accumulation and utilization of each organ of flue-cured tobacco

2.4 氮钼肥配施对烤烟干物质积累量的影响

如图3所示，烟株干物质积累量（DM）随生育时期的延长而增加，不同氮素水平间表现为N0.15＞N0.3＞N0，在N0和N0.15水平下干物质积累量随钼含量的升高而增加，N0Mo0.3和N0.15Mo0.3处理的干物质积累量分别比对照增加30.30%～61.01%和53.7%～171.01%，以中氮水平下增加比例最高，这与N0.15Mo0.3处理叶片的氮素积累量最大相一致。而在N0.3水平下，施用钼肥处理在生育后期表现出对干物质积累的促进效果，移栽75 d 和90 d 分别比对照增加10.37%～14.46%和11.28%～28.18%。氮、钼及其互作效应对烟株干物质积累量增加的贡献率分别为50.60%、37.65%和11.75%，说明氮素是影响烟株干物质积累量的主导因素，钼素对干物质积累有促进效应，二者共同作用有利于烟株生物量的积累和产量形成。

图3 氮钼配施对烤烟干物质积累量的影响Fig.3 Effects of combined application of nitrogen and molybdenum fertilizers on dry matter accumulation of flue-cured tobacco

2.5 氮钼肥配施对烤后烟叶主要氮组分含量的影响

由图4可知，烟株NR、FAA和DM是影响烤后烟叶总氮（Total N）、烟碱（Nicotine）含量的主要因素。其中，DM 直接影响烟叶总氮和烟碱含量（路径系数分别为0.60 和0.65）；NR 每提高1个标准单位，总氮和烟碱含量分别增加0.58个和0.24个标准单位。除直接效应外，NR 还通过影响FAA 和SP 间接影响烟叶总氮和烟碱含量；Gs 不仅直接影响烟叶总氮和烟碱含量，还能通过影响FAA和Pn间接影响烟叶氮组分含量；Ci 对烟叶总氮和烟碱含量的影响呈显著的负效应，并通过影响DM 和Pn 间接影响烟叶总氮和烟碱含量。将烤后烟叶总氮和烟碱含量作为因变量与含氮化合物、气体交换参数等相关因子进行回归分析，得到最优回归方程，见表2。对方程求R2并进行显著性测验，结果与图4相对应，烟株干物质积累量对总氮和烟碱含量的影响显著，可解释其含量变化的86.1%和81.5%。

图4 氮钼配施条件下相关因子对烤后烟叶主要氮组分(总氮和烟碱)影响的结构模型Fig.4 Structural equation model for effects of related factors on main nitrogen components of flue-cured tobacco treated with combined application of nitrogen and molybdenum fertilizers

表2 烤后烟叶主要氮组分与影响因子间的回归分析Tab.2 Regression analysis of main nitrogen components and impact factor for flue-cured tobacco leaves

3 讨论

①本试验条件下，不同氮素水平对Pn的影响表现为N0.15＞N0.3＞N0，增施钼肥可促进3 种氮素水平下叶片Pn的提高，说明合理的氮钼配施可提高光系统的稳定性，提高烟叶光合碳同化能力，缓解氮素亏缺或过量条件下由于光合抑制物增加导致的光合作用受阻［24-25］，进而为烟株生物量的增加奠定基础。与N0、N0.15相比，高氮条件下产生报酬递减效应，施用钼肥处理的Pn增长速率反而较低，这与胡珍兰等［8］、王晓林等［26］的研究结果相似。②本研究中发现，低氮条件下由于烟株光合碳同化能力较弱，光合产物积累较少，为NR本身或为还原反应过程提供的还原力有限，氮代谢下降时间较早，但随着施用钼肥量的增加，NR 活性、SP 和FAA 含量提高，促进了烟株体内氮素营养的吸收与转化，从而缓解了叶片早衰对烟叶产量和品质产生的不利影响；NR活性随着氮用量的增加而提高，但当还原速度低于硝态氮的积累速度时会造成烟叶内硝酸盐的累积，中、高氮条件下烟株氮代谢旺盛，配施钼肥可提高NR 活性，加速硝态氮向铵态氮转化，减少硝酸盐的积累，进而提高烟叶安全性。这与刘红耀［27］、Moussa等［28］、门中华等［29］的研究结果相似。③由于烟株打顶后茎不再生长，而叶片和根系继续生长，因此施氮处理的烤烟各部位氮素积累量表现为叶片＞根部＞茎部。烟株优先将大部分氮素分配到叶片中，有利于光合作用效率的提高，进而促进了叶片生物量的增加［30-31］。氮钼肥及其互作效应对烟株干物质积累量增加的贡献率分别为50.60%、37.65%和11.75%，说明氮素是影响烟株干物质积累量的主导因素，钼素对干物质积累也有促进效应，二者的协同增效有利于烟株产量的形成。N0.15Mo0.3处理的生物量最高，这与中等氮素水平下配施钼肥的叶片氮素吸收效率最大相一致，说明在适宜的氮素水平下配施钼肥可优化氮素在叶片中的供给与分配，增强烤烟的光合碳同化能力，最终促进烟株生长及物质积累，这与胡承孝等［32］、崔国明等［33］的研究结果相似。④烤后烟叶中主要氮组分总氮和烟碱含量受DM 及NR 的影响较大，此外，气体交换参数中Gs不仅直接影响主要氮组分含量，还通过Pn和FAA间接影响总氮和烟碱含量。综上所述，合理的氮钼配施可通过提高Pn 和Gs 进而促进烟株光合碳同化能力提高，优化氮素在各组分中的分配，从而调控NR活性、FAA、DM含量，最终促进干物质的积累，协调烤后烟叶氮组分含量，提高烟叶品质。

4 结论

合理的氮钼肥配施能够显著提高烟叶的净光合速率，促进光合碳同化能力及氮素吸收效率提高，有利于烟株各组分生物量的积累。本试验条件下，以N0.15Mo0.3处理最有利于烟株生长和干物质积累。氮钼肥配施还可以通过调控烟叶中NR 活性、FAA 和DM 含量，进而协调烤后烟叶中氮组分含量。因此，在烟叶生产过程中，针对缺钼烟田可通过氮肥与钼肥配施促进烟株氮素的吸收转化，缓解低氮条件下烟叶早衰，避免高氮水平下硝酸盐积累，从而在一定程度上改善烤后烟叶品质。