基于模糊数学法评价肥料运筹模式对豫西烤烟产质量的影响

陈培钰，石秋环，马君红，李丽华，李豪豪，宋正熊，代晓燕

（1.河南农业大学 烟草学院，烟草行业烟草栽培重点实验室，河南 郑州 450002；2.河南省烟草公司洛阳市公司，河南 洛阳 471023）

豫西烟区是优质烟原料的主产区之一，秦烟96作为当地主栽品种，具有较强的抗旱性，其优良的品种特性深受卷烟工业的青睐[1]。近年来，随着施肥结构的不均衡，烟株的需肥规律与土壤养分矿化规律不一致[2]，致使秦烟96品种特性出现弱化，表现为抗病性变差，成熟落黄滞后，化学成分不协调，产质矛盾逐渐显现，制约着该品种优质烟叶的形成[3]。因此，结合豫西烟区生态环境，因地制宜地对主栽品种进行关键栽培技术的优化，充分发挥烤烟品种潜力，对实现烟叶优质适产及满足工业原料需求具有重要意义。

在特定的环境和品种条件下，养分管理是调控烟叶产质量的关键技术，协调的养分供给对烟叶品质的影响仅次于品种，也是决定烟叶产量和产值的第一要素[4]。氮是影响烤烟生长及品质形成最重要的营养元素[5]。已有研究表明，豫西烟区种植品种的常规施氮量一般在37.5 kg/hm2左右[6]，增加氮肥用量，施用纯氮60 kg/hm2时，秦烟96 烟株农艺性状、抗病性及烤后烟叶外观质量表现较好[7]。另还有研究表明，在一定的磷钾肥配比下，氮肥用量为45 kg/hm2时，烟株对氮素的利用率最高，施氮量超过45 kg/hm2时反而使氮素利用率明显下降[8]。磷肥和钾肥在烤烟生长及新陈代谢过程中发挥重要作用[9]，但豫西烟区旱地碱性土壤易造成磷素沉淀，降低作物对磷肥的利用率，抑制作物的生长发育[10]。氮磷钾综合调控对烟叶品质影响较大，适宜的施肥水平可产生积极作用。

当前，豫西烟区“重氮轻磷”的施肥模式使土壤氮素较高，磷素偏低，烟田土壤养分失调及不合理的施肥管理导致田间烟叶贪青晚熟、成熟特征不明显，烤后烟叶糖含量不足、香气物质含量下降等问题凸显。在已有肥料研究下，对于豫西烟区秦烟96氮肥的适宜用量仍较难把握，关于磷、钾肥在产区烟叶生产中的调控管理以及氮磷钾肥综合运筹模式下烤烟品质的综合评价体系缺少系统研究。因此，根据豫西烟区生产现状进行施肥结构的调整，探索产区适宜的施肥水平，实现氮磷钾肥互作协同效应最大化对调控烟叶生产具有重要的现实意义。与此同时，为科学把握烟叶品质，完善烤烟品质综合评价体系，引入模糊数学法对烤烟多个质量指标进行综合比较对于进一步明确产区烟叶品质的区域特征十分必要。鉴于此，在产区当地常规施肥水平的基础上应用模糊数学法探讨氮磷钾肥运筹模式对烤烟生长及品质的影响，以期为豫西烤烟平衡施肥及稳质增产提供指导。

1 材料和方法

1.1 供试材料与土壤性质

试验于2021 年在河南省洛阳市宜阳县盐镇乡进行。试验地土壤为褐土，前茬为谷子。土壤基础肥力为碱解氮66.35 mg/kg、速效磷5.50 mg/kg、速效钾180.33 mg/kg、有机质17.18 g/kg，pH 值7.41。供试烤烟品种为秦烟96，于5 月10 日移栽。田间管理按照当地优质烟栽培技术标准执行。

1.2 试验设计

试验采用L9（34）正交设计，根据产区常规施肥水平（N：60.0 kg/hm2，P2O5：67.5 kg/hm2，K2O：204.0 kg/hm2），设置施氮量（N）、施磷量（P2O5）和施钾量（K2O）3 个因素，每个因素3 个水平（表1），共9 个处理，各处理重复3 次，共27 个小区。供试肥料为烟草专用复合肥（10-12-18）、羊粪（含N 1%）、尿素（含N 46%）、重过磷酸钙（含P2O542%）、硫酸钾（含K2O 52%）。试验具体施肥情况见表2。

表1 试验因素及水平Tab.1 Factors of and levels the trial kg/hm2

表2 试验处理施肥组合Tab.2 Fertilizer application combinations for the experimental treatments kg/hm2

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质积累量的测定 在移栽后35、50、65、80、95 d 于各处理选取3 株具有代表性烟株，在105 ℃下杀青15 min，再以60 ℃烘至恒定质量，测定其根、茎、叶和整株的干质量。

1.3.2 光合指标的测定 于圆顶期在各处理选取长势均匀一致的烟株3～4株，测定烟叶光合指标，包括净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）。

1.3.3 烟叶外观质量评价 各处理选取代表性B2F、C3F 烤后烟叶，由专家对颜色、成熟度、叶片结构、身份等外观质量进行评价打分，各指标均赋值10分，总分越高，说明外观质量越好。

1.3.4 化学指标的测定及化学成分可用性的模糊计算 测定烤后烟叶的主要化学成分，包括总糖和还原糖、烟碱、钾、氯、总氮含量，分别按照标准YC/T 159—2019、YC/T 160—2002、YC/T 217—2007、YC/T 162—2011、YC/T 161—2002的方法测定；再分别计算糖碱比、氮碱比及钾氯比。应用模糊数学理论中的隶属函数，将各化学指标转换为0.1～1.0的无量纲数值，其中总糖、还原糖、烟碱、总氮、氯含量及糖碱比、氮碱比、钾氯比采用P 型隶属函数，按照公式（1）计算隶属度：

烤烟钾含量采用S型隶属函数，按照公式（2）计算隶属度：

上述公式（1）、（2）中，x代表烤烟实际化学成分含量，x1、x2、x3、x4分别为各化学指标的下临界值、上临界值、最优值下限和最优值上限（表3），参照文献[11]的方法计算化学成分可用性指数（CCUI），其值越大，说明烤烟化学成分的工业可用性越好。

表3 烤烟化学成分的隶属函数类型和拐点值Tab.3 Function types and inflection point value of chemical components of flue-cured tobacco

1.3.5 经济性状指标的测定及经济效果指数（ECI）的模糊计算 烟叶成熟采收后挂牌烘烤，回潮后分别计算小区产量，并采用42级烤烟国家标准对其进行分级，计算产值、均价及上等烟叶比例[12]。应用效果测度模型及指数和法[13]计算烟叶ECI[14]，作为烤烟经济指标的综合评价依据，其值越大，说明烤烟的经济性状越好。

1.3.6 烟叶外观质量、CCUI 及ECI 综合评价指标

根据卷烟工业企业要求对烟叶外观质量、CCUI及ECI进行模糊分析及综合评价，并参照文献[15]的方法，对外观质量、化学成分及经济指标分别进行30%、35%和35%的权重赋值后计算总分，其中经济指标中B2F 和C3F 烟叶分别按照45.45%、54.55%的权重计算，二者经济指标的贡献率以总分的35%计算。各指标综合评价的总分越高，说明其质量越好。计算公式如下：

公式（3）中，P为烟叶外观质量、化学成分和经济指标的综合评价指数，Ci和Pi分别代表第i个分指标的量化分值和相对权重。

1.3.7 中性致香物质的测定 采用内标法测定烤后B2F、C3F烟叶的中性致香物质含量（质量分数），以硝基苯为内标，使用仪器为气质联用分析仪（GC/MS，美国Agilent 公司），参照韦凤杰等[16]的方法进行前处理及GC/MS 分析，由GC/MS 鉴定结果和NIST 库检索定性。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2016 和SPSS 22.0 进行数据整理及统计分析，使用Duncan’s新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同处理对烤烟干物质积累量的影响

由表4 可知，不同处理烟株各部位干物质积累量随移栽天数增加均呈升高趋势，其中T5处理烟株干物质积累量在整个生育期较高，T1处理则处于较低水平。移栽后35 d（团棵期），T5、T6、T9处理烟株各部位干物质积累量较高，其中茎干质量、叶干质量及整株干质量较T1、T4处理均显著增加。烟株进入旺长期（移栽后50 d）后，T5、T9 处理干物质积累量较大，其中T5 处理根和叶干质量较T1 分别显著增加61.93%和33.03%。旺长中后期（移栽后65 d和80 d），T5 和T6 处理烟株各部位干质量较其他处理明显增加。成熟期（移栽后95 d），T5、T6、T9处理各部位干质量均较高，以T5处理的干物质积累量最大，与T1 处理相比，T5 处理根、茎、叶及整株干质量分别显著增加47.98%、41.61%、37.38%、41.11%。

表4 不同处理对烤烟干物质积累量的影响Tab.4 Effect of different treatments on dry matter accumulation of flue-cured tobacco g

2.2 不同处理对烟叶光合指标的影响

由表5可知，T5（N2P2K3）处理上部叶净光合速率显著高于其他处理，其气孔导度和蒸腾速率较其他处理均显著提高。此外，T4、T6 处理的净光合速率也显著提高。除胞间CO2浓度外，T1 处理的其他光合指标均最低，其净光合速率、气孔导度和蒸腾速率较T5 处理分别显著降低41.33%、55.56%和49.88%。各处理烟株中部叶净光合速率及胞间CO2浓度无显著差异，但T5处理净光合速率高于其他处理。T4处理中部叶片气孔导度较T1和T8处理均显著提高54.55%，蒸腾速率较T1 和T3 分别提高39.76%和50.42%。此外，相同氮肥水平下，与低钾处理（T1、T6、T8）相比，增施钾肥处理的烤烟净光合速率均明显提高。

表5 不同处理对烟叶光合指标的影响Tab.5 Effect of different treatments on photosynthetic indicators of tobacco leaves

2.3 不同处理烤烟外观质量评价

由表6 可知，不同处理B2F、C3F 烟叶外观质量综合评价均以T5、T6、T9 处理得分较高，T1、T2、T8处理较低，其中T5处理烟叶外观质量总分最高。中等施氮水平下的烟叶外观质量较低氮和高氮水平明显提高；同一施氮水平下，高磷处理的烟叶外观质量总分基本高于低磷处理。

表6 不同处理烟叶外观质量评价Tab.6 Appearance quality evaluation of flue-cured tobacco with different treatments

续表6 不同处理烟叶外观质量评价Tab.6（Continued）Appearance quality evaluation of flue-cured tobacco with different treatments

2.4 不同处理烤烟主要化学成分指标

由表7 可知，无论上部叶还是中部叶，T1、T8 处理的烟叶总糖和还原糖含量均偏低，T5处理的两糖含量相对较高；高氮水平下，与低钾处理T8相比，高钾处理T7 的烤后烟叶两糖含量均显著增加。各处理烤烟烟碱含量均偏高，糖碱比较低，其中T1、T4处理的烟碱含量显著低于其他处理，而高氮处理下的烟碱含量明显增加。不同处理烟叶总氮含量均处在适宜范围，但钾氯比均偏低，以T5、T6处理烟叶钾含量及钾氯比相对较高；T9 处理B2F 烟叶、T5 处理C3F 烟叶氯含量显著低于其他处理，而T1 处理氯含量则明显增加，其钾含量及钾氯比均显著低于其他处理。不同处理烟叶CCUI 值存在显著差异，其中T5 处理CCUI 值显著高于其他处理，T4、T6、T9 处理CCUI值相对较高，T1、T8处理CCUI 值显著降低。

表7 不同处理B2F和C3F烟叶主要化学成分指标及CCUI值Tab.7 Main chemical component indicators and usability indexes of flue-cured tobacco B2F and C3F leaves with various treatments

2.5 不同处理烤烟主要经济性状指标

由表8 可知，不同处理烟叶产值及上等烟比例均以T5 处理最高，T6、T9 处理烟叶产值次之，T8 处理产值及上等烟比例最低，且较T5处理分别显著降低49.04%和31.26%。烟叶产量以T3、T9 处理最高，T5 处理次之。不同处理烤烟ECI 值存在显著差异，T5、T6、T9 处理烟叶ECI 值较高，且以T5 处理最高，较T1、T7、T8 处理均显著增加；T8 处理ECI 值最低，与T8相比，T5处理ECI值显著增加52.93%。

表8 不同处理烟叶经济性状指标及ECI值Tab.8 Economic trait indicators and ECI of flue-cured tobacco with various treatments

2.6 不同处理烤烟外观质量、CCUI和ECI综合评价

由表9 可知，不同处理烟叶外观质量、CCUI 及ECI 的模糊综合评价中，B2F 和C3F 烟叶均以T5 处理的综合得分最高，T6 处理次之，T1、T8 处理综合得分较低。与低氮处理相比，中等施氮水平下的烟叶综合评价得分明显提高；低氮和中氮水平下，增施磷肥处理的烟叶综合得分较低磷水平明显提高。

表9 不同处理B2F和C3F烟叶外观质量、CCUI和ECI综合评价Tab.9 Comprehensive evaluation of appearance quality，CCUI and ECI of flue-cured tobacco B2F and C3F leaves with different treatments

2.7 不同处理对烤烟香气物质含量的影响

将主要香气成分进行分类可知（表10），对于上部叶，从类胡萝卜素降解产物来看，中氮及高氮水平下，增施磷肥处理的含量明显提高；非酶棕色化降解产物和苯丙氨酸降解产物含量以T4 处理明显降低，其他处理间差异不明显；西柏烷类降解产物含量以T5处理最高，且较T1处理提高100.39%。对于中部叶，从类胡萝卜素降解产物来看，同一施氮水平下，高磷处理的含量明显提高；非酶棕色化降解产物上，低氮及高氮水平下，各处理间无明显差异，中等施氮水平下，高磷处理的含量明显增加；苯丙氨酸降解产物含量以T9 处理明显增加，与T8 相比提高75.50%；西柏烷类降解产物上，在低氮和中氮水平下，该香气物质含量随磷肥的增加而提高。

表10 不同处理对烤烟香气物质含量的影响Tab.10 Effect of different treatments on the aroma content of flue-cured tobacco μg/g

无论中部叶还是上部叶，中性致香成分总量均以T5、T6 处理较高，T1 处理相对较低。上部烟叶的新植二烯含量占中性致香成分总量的比例在73.29%～76.33%，中部叶的占比在63.85%～76.95%，且各部位烟叶新植二烯的变化趋势与中性致香成分总量的变化趋势较为一致。

3 结论与讨论

不同氮磷钾施肥模式对植物光合特性具有不同程度的影响[17]。本研究表明，优化配方施肥模式有利于调节烟叶气孔导度，提高烟株光合作用与蒸腾速率。随施氮量的增加，烟株净光合速率呈先升高后降低的趋势，施氮水平2（纯氮60.0 kg/hm）可有效促进光合速率的提高，这与张军仓等[18]的研究结果一致，说明适当增施氮肥更利于烤烟光合作用的进行。本研究中烤烟叶片气孔导度的变化趋势与净光合速率相一致，光合速率的降低可能是由气孔导度的下降所引起的二氧化碳供应不足，或是施氮过多抑制了光合作用的气孔和非气孔因素所导致的[19]。已有研究表明[20]，缺钾可使光合关键酶含量及活化酶活性下降，不利于烤烟净光合速率及产量的提高。本研究发现，在同一施氮水平下，低钾处理（T1、T6、T8）烤烟的净光合速率明显降低，而在中等供氮水平下，增施磷、钾肥，烟株的光合速率显著提 高，表 现 为T5（N2P2K3）＞T4（N2P1K2）＞T6（N2P3K1），表明在磷肥和钾肥影响下，增施钾肥可提高烤烟的光饱和点，促进烟株的光合作用[21]。

干物质积累测定结果表明，在整个生育期内烟株干质量均以T5、T6、T9 处理较高，T1（N1P1K1）处理最低。成熟期T5处理的烟株干物质积累量最大，且低水平磷、钾处理的烟株干质量在同一施氮水平下均较低，这与光合指标的规律一致，说明低水平氮磷钾肥处理不利于烟株干物质的积累，适宜的肥料用量可使烟株在生育后期仍保持一定的生理代谢强度，以促进光合产物的增加，从而提高烤烟的干物质积累量。

氮磷钾肥综合运筹可有效提高烟叶的产量和品质[22]。本研究中，中氮水平下烤烟的糖含量和烟碱含量较为适宜，糖碱比较为协调，而高氮处理使C3F 烟叶的烟碱含量显著增加，且不利于总糖和还原糖的积累，这与高嘉宁等[23]的研究结果一致。本研究还发现，在同一施氮水平下，与低磷处理相比，高磷处理的烤烟氯含量显著降低，钾氯比显著提高，C3F 烟叶的致香物质总量也明显提高。说明磷肥可通过与氮、钾肥的配合施用实现提高烟叶质量、协调烟叶香气物质含量的目的，且在高氮水平下增施磷肥对烤烟香气物质含量的影响较钾肥明显。本试验中，与N3P2K1 处理相比，N2P2K3 处理的烟叶产值和ECI 值分别显著提高96.22% 和52.93%，高氮水平下，高钾处理的产值及ECI 值较低钾处理均显著增加，考虑到烟区土壤基础养分中磷、钾水平偏低，氮素残留较高，在配方施肥中控施氮肥，增施磷、钾肥可有效提高烤烟的经济效益。

本研究中，应用模糊数学对烤烟不同指标的分析结果与烟叶品质综合评价结果表现较为一致，说明本研究采用的模糊数学综合分析方法具有客观科学性，可系统且全面地反映不同处理间烟叶各指标及整体品质的优劣。本试验不同指标模糊分析结果均以中等施氮处理的得分较高，低氮和高氮水平下，增加磷、钾2 种肥料用量的烟叶品质更好，说明烟叶品质并非随单一肥料施用量的增加而提高，氮磷钾肥综合运筹可明显改善烤烟品质。综合考虑烤烟物质累积、光合特性及烟叶品质，在当地常规施肥水平（纯氮60.0 kg/hm2、P2O567.5 kg/hm2、K2O 204.0 kg/hm2）的基础上，推荐配方施肥模式为N2P2K3处理，即纯氮60.0 kg/hm2、P2O5120.0 kg/hm2、K2O 354.0 kg/hm2，相当于补充磷肥52.5 kg/hm2、钾肥150.0 kg/hm2，可在豫西烟区推广应用。

综上所述，在豫西烟区中肥力地块种植秦烟96，可通过养分调控达到改善烟叶品质，提高烟叶可用性的目的。本研究条件下，T5（N2P2K3）处理的配方施肥模式符合烟株的营养需求，有利于烟株生长发育及烤后烟叶品质的提高。因此，该产区主栽烤烟品种的推荐施肥模式为纯氮60.0 kg/hm2、P2O5120.0 kg/hm2、K2O 354.0 kg/hm2。