化肥减量配施油菜籽饼肥对烤烟碳氮代谢及产量的影响

聂忠扬，祖庆学，林 松，张翼飞，李国明

(1. 贵州省烟草公司贵阳市公司，贵州 开阳 550300；2. 云南省烟草公司玉溪市公司，云南 玉溪 652800)

烟草Nicotianatabacum是贵州地区主要经济作物之一，烟叶质量与烟农经济收入息息相关。在烤烟生产中，化肥发挥了重要作用[1]。烟农为获取最大的经济效益，长期单施或过量施用化肥而忽视有机肥的配合施用，造成烟田土壤板结，土壤有机质分解缓慢、团粒结构遭到破坏、养分失调等一系列问题，在一定程度上制约着烟草产业的发展[2—4]。在绿色发展为主题的时代背景下，消费者对农产品的优质安全问题愈发关注[5]。为了转变农业生产方式、实现农业的绿色可持续发展，化肥减量替代成为最重要的举措，其中有机肥替代化肥是推进这一举措的首要选择[6]。有机肥因富含丰富的氮磷钾、微量元素及有机养分，可显著提高土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机碳含量，改善植烟土壤持水能力[7—8]。唐兴莹等[9]通过连续多年有机无机肥配施，土壤有机质和活性有机碳含量大幅提高，植烟土壤脲酶、碱性磷酸酶、脱氢酶和蔗糖酶等酶活性也显著提高。有机无机肥配施有利于土壤有机成分与化肥养分的互补，改善作物营养环境[10]。随着土壤有机物料的输入，烟草根系活力显著改善，中部烟叶养分含量积累显著增加[11]。但有机肥养分释放过程较慢，与烤烟需肥规律有一定出入，因此并不能完全取代化肥[12—13]。

碳氮代谢是烟草生长发育过程中最基本的代谢，与烤烟产量与品质密不可分。而烟株碳氮代谢的强度与植烟土壤的养分、肥料使用状况密不可分[14]。无机有机肥配施技术在提高烟叶产量与品质的同时，也能达到减肥增效的目的。我国油枯(油菜籽饼)资源丰富，但关于各地油枯的合理使用标准不同。为实现合理减施化肥，明确烤烟碳氮代谢对化肥减量配施油菜籽饼肥的响应状况，探索贵州中部烟区油菜籽饼肥施用下化肥减施量的适宜比例，本文选取贵州中部烟区主栽品种云烟85 为试材，分析在化肥减量条件下油菜籽饼肥对烤烟各生育时期生理指标以及烟叶产量与品质的影响，为维持烟草产量与品质稳定及发展可持续绿色友好型农业提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验于2020 年4～9 月在贵州省烟草科学研究所龙岗试验基地(26°57′51″N，107°06′41″E，海拔639 m)进行。该区属于北亚热带季风性湿润气候，年均日照时数991.4 h，年均温13.49 ℃，年降雨量1258 mm，无霜期276.5 d。试验土壤为黄壤土，施肥前0～20 cm 土壤基础状况为pH 6.56，有机质27.51 g·kg–1，全氮2.46 g·kg–1，全磷66.23 mg·kg–1，全钾2.04 g·kg–1，碱解氮 175 mg·kg–1，速效磷13.3 mg·kg–1，速效钾184.6 mg·kg–1。

1.2 材料

供试品种为云烟85，由贵州省开阳县烟草公司提供。供试化肥烟草专用肥(N:P2O5:K2O=10:10:25)由湖北香青化肥有限公司提供，供试有机肥为优质腐熟油菜籽饼肥，C/N 为9.8:1，养分含量如表1。

1.3 试验设计

设置常规施肥(930 kg·hm–2烟草专用肥，CK)、减肥 15%+300 kg·hm–2油菜籽饼肥(T1)、减肥30%+300 kg·hm–2油菜籽饼肥(T2)、减肥 45%+300 kg·hm–2油菜籽饼肥(T3)等4 个施肥处理，各处理施肥量及养分含量见表2。大田试验采用单因素随机区组设计，每处理3 次重复，共12 个小区，每小区66.7 m2，株行距0.55 m × 1.1 m，每小区植烟110 株。油菜籽饼肥于移栽前一周做基肥一次施入，无机肥为烤烟专用复合肥，基追比按总施氮量6:4 施用，追肥分别在移栽后15 d、30 d 分2次等量施入。大田其他管理措施按照当地优质烟规范化生产进行。

表2 各处理施肥量及养分含量Table 2 Fertilization amount and nutrient content of each treatment

1.4 测定指标及方法

1.4.1 烟叶干物质积累及全碳、全氮测定

分别于苗期(20 d)、团棵期(35 d)、旺长期(50 d)、现蕾期(65 d)、成熟期(80 d)各处理取3 株，冲洗干净，将地下和地上部分分开，在 105 ℃杀青15 min[15]，然后80 ℃烘干测定烟株干物质积累量。并将叶片粉碎过60 目筛。碳含量采用重铬酸钾法测定；总氮采用H2O2-浓H2SO4消化，凯式半微量定氮法测定。

1.4.2 光合速率测定

移栽后20 d、35 d、50 d、65 d、80 d，各处理分别选取3 株，采用英国ADC 公司生产的红外CO2气体分析仪LCA-4 测定自下往上第8～9 叶的光合速率，每叶片测4 次，两叶片8 组数据的平均值为一次重复。

1.4.3 碳氮代谢关键酶活测定

分别于移栽后20 d、35 d、50 d、65 d、80 d 取各处理烟株自下往上第8～9 叶冲洗干净并吸干水分，去除主脉及较大支脉，液氮速冻，–80 ℃保存，每次每处理取3 株。叶绿素含量采用乙醇浸提-比色法测定；淀粉酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定；硝酸还原酶活性采用磺胺比色法测定。

1.4.4 烤后烟叶经济性状测定

各小区成熟烟叶采用单采单烤，各小区烤后烟叶依据烤烟国家标准(GB2635-1992)单独进行分级、称重，根据2020 年烤烟收购价格以及各小区烤烟收获株数计算各处理烤烟的上中等烟率、均价、产值。

1.5 数据处理

采用DPS7.05 软件对试验数据进行方差分析，Duncan 法进行多重比较，采用R 语言的“Performance Analytics”程辑包进行相关性分析及图形可视化。利用Origin 2018 进行PCA 分析，计算各处理综合指标(成熟期理化指标及经济性状)(Xj)，并参照武晓玲等[16]的方法计算各处理综合指标的隶属函数值、权重、综合评价值。

2 结果与分析

2.1 化肥减量配施油菜籽饼肥对烟叶叶绿素含量及光合速率的影响

由图1 可知，在测定时期内，烟株叶片叶绿素含量及净光合速率随生育期推进表现为先增长后降低的趋势，移栽50 d 左右，达峰值。移栽20 d，T1处理烟株叶片叶绿素含量、净光合速率显著高于T2、T3 处理，与CK 处理间差异不显著；移栽35 d，T1、T2 处理显著高于CK、T3 处理。移栽50～80 d，各处理烟株叶片叶绿素含量及净光合速率整体表现为T1＞T2＞CK≥T3。T1 处理各时期叶绿素含量、净光合速率均处于较高水平，T3 处理则始终处于较低水平。T2 处理生育前期该两项指标低于CK，而移栽35 d 后，逐渐超过CK。可见，减施化肥15%后，施用油菜籽饼肥能显著提高生育后期叶片光合作用，但叶绿素含量过高易引起叶片贪青晚熟，不利于烟叶的成熟落黄，T2 处理更有利于烟草光合产物的生产。

图1 化肥减量配施油菜籽饼肥对烟草叶片叶绿素含量(A)与光合速率(B)的影响Fig. 1 The effects of rapeseed cake fertilizer on the chlorophyll contents (A) and photosynthetic rate (B) of tobacco leaves under reduced chemical fertilizer

2.2 化肥减量配施油菜籽饼肥对烟株干物质积累的影响

由图2 可知，各处理烟株干物质量随生育推进均呈逐渐增长趋势，尤以移栽35～65 d 增长速率最大。除移栽20 d 外，T3 处理均低于其余三个处理。移栽35～50 d，T1、T2 处理干物质量显著高于CK；移栽50 d 后，T1 处理干物质积累速率逐渐低于CK，而T2 处理烟株干物质积累量提升最快，其烟株干物质积累量显著高于其他各个处理。移栽65～80 d，烟株干物质量积累均表现为T2＞CK≥T1＞T3。

图2 化肥减量配施油菜籽饼肥对烟株干物质积累的影响Fig. 2 The effects of rapeseed cake fertilizer on dry matter accumulation of tobacco plants under reduced chemical fertilizer

2.3 化肥减量配施油菜籽饼肥对烟叶碳代谢的影响

2.3.1 碳积累

表3 可知，随生育时期的进程，烟株叶片碳含量及碳积累量均呈现增长趋势。移栽20 d，T1 处理叶片碳含量较其余三个处理显著提升，其中比CK提高13.23%；减化肥配施油菜籽饼肥处理叶片碳素积累量均显著低于CK。移栽35 d，CK 处理叶片碳含量均高于减化肥配施油菜籽饼肥处理；T1、T2 处理叶片碳积累量较CK 分别提高16.83%、8.17%，且差异显著，T3 处理则显著低于CK。移栽50 d，减化肥配施油菜籽饼肥处理叶片碳含量均显著高于CK，以T2 处理440.66 g·kg–1最高；除T3 处理外，其他处理之间叶片碳积累量无显著差异。移栽65～80 d，烟株叶片碳素含量及碳素积累量均表现为T1＞T2≥CK＞T3。

表3 各处理烟株叶片各生育期的碳含量及碳积累量Table 3 Carbon content and carbon accumulation of tobacco leaves in each growth period of each treatment

2.3.2 淀粉酶活性

由图3 可知，随生育期的进程，烤烟叶片淀粉酶活性呈先升高后降低趋势，在移栽后65 d 左右达到顶峰。移栽20 d，烟株叶片淀粉酶活性以纯施用无机化肥的CK 处理最高。移栽35 d，各处理烟株叶片淀粉酶活性表现为T2≥T3＞T1≥CK；T2 处理叶片淀粉酶活性较CK 处理提升17.92%。移栽50 d，T1、T2 处理较CK 分别提高23.89%、26.93%，且差异显著。移栽65 d，T2 处理叶片淀粉酶活性最高，达6.33 mg·kg–1·min–1。移栽80 d，烤烟叶片淀粉酶活性迅速下降，各处理间淀粉酶活性无显著差异。

图3 化肥减量配施油菜籽饼肥对烟叶淀粉酶活性的影响Fig. 3 The effects of rapeseed cake fertilizer on tobacco leaf amylase under reduced chemical fertilizer

2.4 化肥减量配施油菜籽饼肥对烟叶氮代谢的影响

2.4.1 氮积累

由表4 可知，在测定时期内，随烟株生育期的进程，叶片氮含量逐渐下降，而氮素积累量却呈逐渐升高趋势。移栽20 d，T3 处理叶片氮素积累量显著低于CK 处理，CK、T1、T2 三处理间氮素含量差异不显著；CK 处理的叶片氮素积累量显著高于其他处理。移栽35 d，各处理间氮素含量规律与移栽20 d 相似；T1、T2 两处理较CK 叶片氮素积累量分别提高20.83%、18.75%。移栽50 d，各处理叶片氮素含量无显著差异；T2、T3 处理氮素积累量显著低于CK。移栽65～80 d，各处理烟株叶片氮素含量均表现为T2≥T3＞T1＞CK，而烟株氮素积累量则表现为T2≥CK＞T1＞T3。可见，纯施用无机化肥的处理更有利于烟株在生育早期叶片氮素的累积，而在生育后期，适量减少无机化肥的施用量，同时再施用一定量的油菜籽饼肥更有利于叶片氮素的累积。

表4 各处理烟株叶片不同生育期的氮含量及氮积累量Table 4 Nitrogen content and nitrogen accumulation of tobacco leaves in different growth stages of each treatment

2.4.2 氮代谢酶活性

由图4 可知，在测定时期内，随生育时期的进程，烟株叶片硝酸还原酶(NR)活性呈先升高再降低趋势，各处理叶片硝酸还原酶在移栽35 d 左右达到峰值。移栽20 d，CK 处理烟株叶片硝酸还原酶活性较高，达40.62 μg·h–1·g–1FW，除T1 处理外均显著低于CK。移栽35 d，烟株叶片硝酸还原酶活性表现为T1＞T2＞CK＞T3，T1 处理硝酸还原酶活性较CK 提高30.36%。移栽50 d，除T3 处理外，减化肥增施油菜籽饼肥的处理硝酸还原酶活性均显著高于CK。移栽65 d，T1、T2 处理的硝酸还原酶活性较高，达到18.52 μg·h–1·g–1FW。移栽80 d，T3 处理烟株硝酸还原酶活性显著低于CK 处理，T2 处理的硝酸还原酶活性则显著高于CK。

图4 化肥减量配施油菜籽饼肥对烟叶硝酸还原酶活性的影响Fig. 4 The effects of rapeseed cake fertilizer on nitrate reductase activities in tobacco leaves under reduced chemical fertilizer

2.5 不同处理烟株各指标的相关性分析

由图5 可知，对4 个处理烤烟不同生育期9 项理化指标进行相关性分析，发现烟株在各生育期内9 项指标同一生育期内均无显著负相关关系，可见在同一生育期内烟株碳氮代谢之间主要起协同作用，即长势旺盛的烟株碳氮代谢均有不同程度的提升。纵观整个生育期(20～80 d)，随生长时间的发展，硝酸还原酶与氮含量呈显著正相关，与碳含量和淀粉酶的活性呈显著负相关。叶片碳含量与淀粉酶活性呈显著正相关，此外，烟株干物质积累量、叶片碳素积累量、碳素含量、氮素积累量四项指标之间均极显著正相关，其中以烟株干物质积累量与碳素积累量之间相关性最高，相关系数达0.98。可见，随着烟株干物质积累量的增加叶片碳素及氮素也随之增加。

图5 不同生育期烟株各项指标的相关性分析Fig. 5 Correlation analysis among tobacco plant indicators in different growth stages

2.6 化肥减量配施油菜籽饼肥对烤烟经济性状的影响

表5 可知，各处理烤后烟叶经济性状各不相同，其中烟叶产量以T1 处理最高，达2619.80 kg·hm–2，较CK 提高15.02%，显著高于其他处理；产值、均价及上中等烟叶比例均以T2 处理最高，分别为48460.21 元·hm–2、20.23 元·kg–1和87.77%。可见，T1 处理可显著增加烤烟产量，但烤后烟叶的均价及上中等烟率均显著下降，致使烤烟产值不高。烤烟经济性状以T2 处理最好。

表5 各处理烤烟经济性状分析Table 5 Analysis of economic characters of flue-cured tobacco in each treatment

2.7 不同施肥处理烤烟综合评价

通过对成熟期理化指标及烤后烟叶经济指标进行主成分分析，以前三个主成分作为各处理的综合指标X1、X2、X3。根据公式u(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)计算每处理各综合指标的隶属函数值u(X1)、u(X1)、u(X3)，根据各综合指标贡献率可知三个综合指标的权重是0.524、0.305、0.170。计算各处理烤烟综合评价值(D 值)，并根据D 值对各处理烤烟的综合性状排序(表6)，其中T2 处理的D 值最大，为0.803，表明该处理综合性状最优，T3 处理的D 值最小，仅为0.237，表明其综合性状较差。

表6 不同处理的综合指标值、权重、u( Xj)值及综合评价值(D)Table 6 Comprehensive index value, index weight, u( Xj) value and comprehensive evaluation (D) of different treatments

3 讨论

烟叶经济性状的改善是烟草生产的重要目的，烟草生育进程中干物质的积累决定烟叶产量，而碳氮代谢在影响产量的同时，对烟草品质形成也起着重要的作用[17]。

施用有机肥可以显著改善植烟土壤性状、酶活性、微生物数量和烟草各项农艺指标[18]。本实验表明，在施用300 kg·hm–2油菜籽饼肥的情况下，化肥减施15%～30%，烟株干物质积累量、叶绿素含量及净光合速率较高，尤以移栽35 d 后效果最显著；当化肥减施50%时，烟株干物质积累量、叶绿素含量及净光合速率显著下降。这可能是植烟土壤施入油菜籽饼肥后，一方面有机肥作为养分来源之一向植物提供其生长发育所必需的营养物质；另一方面，有机肥可以增加土壤中微生物的种群和数量，提高土壤酶活，同时有机肥腐解过程中产生的中间产物具有生理活性，可以促进烟株根系生长，进而提高烟株吸收养分和水分的能力[19—20]。但是油菜籽饼肥腐解速率较慢，故移栽35 d 后其对烟株干物质积累及叶绿素合成的促进效果才更加明显，移栽80 d，化肥减量15%配施油菜籽饼肥处理(T1)的烟叶叶绿素含量仍处于较高水平，不利于烟株的成熟落黄。因此，T1 处理烟叶较高的叶绿素含量及干物质积累量使其获得最高的烟叶产量，而化肥减量45% (T3)时，烟株难以获得维持自身生长发育所需的养分[21]，干物质积累量显著下降。

C 和N 是植物、动物和微生物中最重要的必需元素，也是作物生长和产量的限制因素，因此作物的碳氮代谢进程对农业实践非常重要[22]。本研究表明，烟株叶片碳素含量及积累量随生育期不断增加；淀粉酶可将淀粉水解成多种糖类物质，一定程度上调控着整个光合碳固定的强度[23]，烟株移栽后65 d左右淀粉酶的活性达到峰值，表明此时烟株碳代谢活跃。烟草叶片氮含量随生育期却呈下降趋势，移栽后35 d，叶片硝酸还原酶的活性最高，硝酸还原酶在氮代谢过程中起到关键的调节和限速作用，故硝酸还原酶活性的强弱一定程度上反映氮代谢的强弱[24]。对烟株碳氮代谢几项理化指标进行相关性分析，进一步表明碳氮代谢之间即存在激烈的竞争，又存在紧密的协同关系。烟叶碳含量与氮含量、硝酸还原酶活性显著负相关，而氮含量也与淀粉酶的活性负相关，这与霍常富等[25]对水曲柳Fraxinus mandshurica的研究相似，可能是叶片为维持较高的糖分含量而以牺牲叶片氮同化为代价的结果。前人研究表明，有机肥可显著提高烟叶淀粉酶、硝酸还原酶等碳氮代谢酶的活性[26]，化肥的施用水平也与之呈正相关[27]。本研究在施用300 kg·hm–2油菜籽饼肥的情况下，化肥减施15%～30%可显著提高烟株叶片碳氮代谢关键酶活性，碳素及氮素积累量进一步提升。但化肥减施15%，烟叶后期不能顺利成熟落黄，因此，不利于烤后烟叶品质的形成，降低了烟叶的上中等烟叶率，而减肥30%+300 kg·hm–2油菜籽饼肥处理在保证烟叶不减产的情况下，较好的C/N 平衡显著高了上中等烟率。

4 结论

综上所述，植烟土壤施用油菜籽饼肥可有效提高烟株碳氮的积累，调控烟株叶片碳氮代谢，提高烟叶产量与品质、改善烟叶感官质量及评吸效果，但油菜籽饼肥的腐解速率较慢，致使烟株在生育早期表现不如纯施化肥；减施化肥烟株的干物质积累量及碳氮代谢均会受到不同程度的影响，而配施油菜籽饼肥可以显著改善因减施化肥对烟株造成的不利情况。在本试验条件下，化肥减量 30%+300 kg·hm–2油菜籽饼肥的烟叶综合评价最好。