不同輪作模式下氮素調控對烤煙產質量及氮肥利用的影響

陳 華，趙文軍，王正旭，尹 梅，薛開政，何正海，陳檢鋒，王志遠，王 偉，王應學，楊艷鮮，付利波

（1. 云南省農業科學院 農業環境資源研究所，云南 昆明 650205；2. 紅塔煙草（集團）有限責任公司原料部，云南 玉溪 653100；3. 富寧縣農業機械化技術推廣站，云南 富寧 663400）

烤煙是我國重要的經濟作物，種植面積大，覆蓋區域廣，煙草產業對我國經濟發展極其重要，對農業農村發展和鄉村振興戰略實施意義重大。目前，隨著產業結構調整和農業生產種植技術的發展，烤煙種植區可供種植的作物種類逐漸豐富，和烤煙輪作的作物也逐漸多樣化，常見的有油菜、玉米和蠶豆等。多樣化的種植模式在為地方農業經濟帶來顯著效益的同時，也對烤煙生產技術帶來了新的挑戰。相關研究表明，合理輪作有利于烤煙產量和質量的形成，輪作可以調節作物對土壤養分的利用率和提高土壤肥力的有效性[1]，減輕作物土傳病害和連作障礙的發生[2]，有利于提高作物的產量和品質，減少化肥和農藥的用量。但不同的輪作模式下，不同前作對土壤的影響差異較大[3]，前作的秸稈、施肥習慣均會影響煙田的肥力水平[4]，從而直接影響煙草的產質量及養分利用[5]。土壤養分的差異，導致了氮肥需求的差異，施氮不足或者過量，均會造成煙草體內碳、氮代謝失調和淀粉含量升高，嚴重影響煙葉香吃味并造成煙葉品質下降[6?8]，因此，合理施用氮肥，不僅可以保證煙葉的產質量，同時也是提高氮肥利用效率[9]和減少污染排放的前提[10]。目前，針對同一輪作模式下烤煙養分調控研究較多，對不同輪作模式下烤煙養分調控研究較少。鑒于此，探討不同輪作模式下施氮量對烤煙的產質量及氮素利用效率的影響，確定氮肥適宜用量，為不同輪作模式下烤煙氮肥科學施用方案的制定提供依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2019—2020 年在云南省玉溪市澄江縣龍街鎮后香村進行，試驗田地處東經102°52'55″、北緯24°38'58″，海拔1 698 m。供試土壤為水稻土，基本 理化性質：pH 值7.02、有 機質38.9 g/kg、全氮2.2 g/kg、全磷1.85 g/kg、全鉀14.1 g/kg、水解性氮155.5 mg/kg、有效磷50.8 mg/kg、速效鉀333 mg/kg。

供試烤煙品種為當地主栽品種K326，種植規格為行距120 cm、株距60 cm。

供試肥料：氮肥為硝酸銨鈣（含N 46%）、磷肥為過磷酸鈣（含P2O516%）、鉀肥為硫酸鉀（含K2O 50%）。

1.2 試驗設計

2019 年10 月11 日，將同一試驗地分為3 個大區，每個大區700 m2，分別種植油菜、玉米和蠶豆，3種作物的生產管理均按照當地農業部門推薦技術規程進行。其中，油菜N、P2O5、K2O 施用量分別為240、105、105 kg/hm2；玉米N、P2O5、K2O 施用量分別為300、150、150 kg/hm2；蠶豆N、P2O5、K2O 施用量分別為60、90、0 kg/hm2。

2020 年4 月15 日于油菜、玉米和蠶豆收獲完成后進行烤煙不同施氮量試驗，3 種輪作模式均設置4個處理：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）。小區面積為40 m2，隨機區組排列。除施氮量不同外，P2O5、K2O用量均相同，分別為52.5、405 kg/hm2，其他生產技術均按照當地農業部門推薦技術規程進行。

1.3 樣品采集與測定

烤煙收獲前，在每個小區連續取樣11 株，分為根、莖、葉三部分，殺青烘干后測定質量并粉碎，用凱氏定氮儀測定全N 含量，分別計算烤煙生物學產量和氮養分吸收量[11]。

烤煙成熟后，分小區掛牌編竿烘烤，烘烤結束后對各小區產量進行實測，并按煙葉部位和等級分別取上部葉和中部葉各2 kg 進行煙葉質量評價，按參考文獻[12?15]中的方法測定總糖、還原糖、總氮、煙堿和鉀等化學成分。煙葉外觀質量和感官質量按照參考文獻[16?17]中規定的方法進行評價。

1.4 數據分析

相關指標計算方法：氮肥利用率=（施氮區氮養分吸收量-對照區氮養分吸收量）÷施氮量×100%；氮素農學效率=（施氮區產量-對照區產量）÷施氮量；氮素經濟學利用效率=施氮區產量÷施氮區氮養分吸收量；氮素生物學利用效率=施氮區生物學產量÷施氮區氮養分吸收量。

采用SPSS 25.0和Excel進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同輪作模式下施氮量對烤煙主要農藝性狀的影響

表1為不同輪作模式下施氮量對烤煙農藝性狀的影響，在油菜-烤煙輪作模式下，T4 處理（施氮量135 kg/hm2）農藝性狀表現最好，株高、葉面積系數和節距均與T1（CK）處理有顯著差異；T2處理（施氮量45 kg/hm2）和T3 處理（施氮量90 kg/hm2）與T1 處理相比，株高和節距有顯著差異。玉米-烤煙輪作模式下，T4處理（施氮量135 kg/hm2）株高、有效葉和節距與T1 處理差異顯著；T2 處理（施氮量45 kg/hm2）和T3 處理（施氮量90 kg/hm2）與T1 處理相比，葉面積系數和節距具有顯著差異。蠶豆-烤煙輪作模式下，T4 處理（施氮量135 kg/hm2）農藝性狀表現最好，株高、葉面積系數和節距均與T1 處理差異顯著；T2 處理（施氮量45 kg/hm2）和T3 處理（施氮量90 kg/hm2）與T4 處理（施氮量135 kg/hm2）相比整體上略差。綜上，3種輪作模式下，施氮量高的處理烤煙農藝性狀表現較好。

表1 不同輪作模式下不同施氮量烤煙農藝性狀Tab.1 Agronomic traits of flue-cured tobacco with different nitrogen application under different rotation patterns

2.2 不同輪作模式下施氮量對烤煙經濟效益的影響

不同輪作模式下施氮處理的產量、產值、等級比例和均價見表2。油菜-烤煙輪作模式下，T3處理（施氮量90 kg/hm2）產量和產值最高，分別為2 775.1 kg/hm2、76 284.8 元/hm2，高于T2 處理（施氮量45 kg/hm2）和T4 處理（施氮量135 kg/hm2）；均價上等煙比例、中上等煙比例則以T2 處理（施氮量45 kg/hm2）為最高。玉米-烤煙輪作模式下，T3 處理（施氮量90 kg/hm2）產量和產值最高，分別為2 964.5 kg/hm2、82 262.4 元/hm2；均價和上等煙比例也以該處理為最高。蠶豆-烤煙輪作模式下，T2 處理（施氮量45 kg/hm2）產量和產值最高，分別為2 871.2 kg/hm2、76 826.9元/hm2，均價上等煙比例、中上等煙比例也以該處理為最高。

表2 不同輪作模式下不同施氮量烤煙的產量和經濟效益Tab.2 Yield and economic benefit of flue-cured tobacco with different nitrogen application under different rotation patterns

2.3 不同輪作模式下施氮量對烤煙化學成分的影響

由表3 可知，油菜-烤煙輪作模式下，施氮處理中T2 處理（施氮量45 kg/hm2）總糖和還原糖含量較高，與其他施氮處理差異顯著；煙堿和總氮以T4 處理（施氮量135 kg/hm2）較高。玉米-烤煙輪作模式下，還原糖以T4 處理（施氮量135 kg/hm2）為最高；T3 處理（施氮量90 kg/ hm2）和T4處理（施氮量135 kg/hm2）的煙堿和總氮含量較高。蠶豆-烤煙輪作模式下，總糖以T2 處理（施氮 量45 kg/hm2）為 最 高；T4 處 理（施 氮 量135 kg/hm2）煙堿含量最高，并與其他處理差異顯著；總氮以T3 處理（施氮量90 kg/hm2）和T4 處理（施氮量135 kg/hm2）較高，與T1 處理和T2 處理（施氮量45 kg/hm2）處理差異顯著。綜上，3 種輪作模式下，施氮量對總糖、還原糖、鉀含量影響不大，但增施氮肥處理煙堿和總氮含量較適宜，利于提高烤煙感官質量的勁頭和刺激性。油菜-烤煙和玉米-烤煙輪作模式下，施氮量90 kg/hm2處理煙葉品質較好，蠶豆-烤煙模式下施氮量45 kg/hm2處理煙葉品質較好。

表3 不同輪作模式下不同施氮量烤煙化學成分Tab.3 Chemical constituents of flue-cured tobacco with different nitrogen application under different rotation patterns

2.4 不同輪作模式下施氮量對烤煙外觀質量的影響

由圖1—2可見，油菜-烤煙和玉米-烤煙輪作模式下，均表現為T2 處理（施氮量45 kg/hm2）和T3 處理（施氮量90 kg/hm2）的中部葉和上部葉得分較高，整體上與其他2 個處理差異顯著。蠶豆-烤煙輪作模式下，T2 處理（施氮量45 kg/hm2）中部葉得分最高，與其他處理差異顯著；上部葉為T2處理（施氮量45 kg/hm2）和T3 處理（施氮量90 kg/hm2）得分較高，與其他2 個處理差異顯著。3 種輪作模式下，施氮量對煙葉外觀質量的影響較大，施氮量不足和過高都顯著影響煙葉外觀質量得分。

2.5 不同輪作模式下施氮量對烤煙感官質量的影響

中部葉和上部葉感官質量評價（圖3—4）表明，油菜-烤煙輪作模式下，T3 處理（施氮量90 kg/hm2）中部葉和上部葉得分最高。玉米-烤煙輪作模式下，中部葉得分以T3 處理（施氮量90 kg/hm2）為最高；上部葉得分較高的為T2 處理（施氮量45 kg/hm2）和T3 處理（施氮量90 kg/hm2）。蠶豆-烤煙輪作模式下，中部葉和上部葉得分均以T2 處理（施氮量45 kg/hm2）為最高。綜上，3 種輪作模式下，施氮量均對煙葉感官評吸質量有較大影響。

2.6 不同輪作模式下施氮量對烤煙氮素養分利用的影響

由表4可知，油菜-烤煙輪作模式下，T4處理（施氮量135 kg/hm2）生物學產量和氮養分吸收量最高，且與其他處理整體上有顯著差異；氮素農學效率、氮素經濟學利用效率和氮素生物學利用效率均以T2處理（施氮量45 kg/hm2）為最高，分別為12.9、28.1、53.4 kg/kg；T4處理（施氮量135 kg/hm2）氮肥利用率最高，為40.4%。在玉米-烤煙輪作模式下，T4處理（施氮量135 kg/hm2）生物學產量、氮養分吸收量、氮肥利用率最高，其中，氮肥利用率為42.2%；氮素農學效率、氮素經濟學利用效率和氮素生物學利用效率均以T2處理（施氮量45 kg/hm2）為最高，分別為11.4、28.9、52.7 kg/kg。蠶豆-烤煙輪作模式下，T4 處理（施氮量135 kg/hm2）生物學產量、氮養分吸收量最高；氮素農學效率、氮素經濟學利用效率、氮素生物學利用效率和氮肥利用率均以T2處理（施氮量45 kg/hm2）為最高，分別為17.0 kg/kg、31.0 kg/kg、54.3 kg/kg、40.9%。綜上，3種模式下，增加施氮量，生物學產量和氮養分吸收量相應增加，氮素農學效率、氮素經濟學利用效率和氮素生物學利用效率則與施氮量呈負相關，但不同輪作模式下氮肥利用率表現出一定差異。

表4 不同輪作模式下不同施氮量對氮素利用的影響Tab.4 Effects of different nitrogen amounts on N utilization of flue-cured tobacco under different cropping rotation patterns

3 結論與討論

氮素是作物產量提高的限制性因素[18]。由于質量方面的要求，烤煙對氮的需求閾值較窄，氮供應不足，會減少煙葉干物質積累和降低煙葉煙堿含量，氮過量則會引起烤煙貪青晚熟，且烘烤過程中不利于香氣物質的形成，亦即氮肥過多過少均會明顯降低煙葉品質[19?21]。本研究中，增施氮肥能明顯促進烤煙生長，3 種模式下，施氮水平最高的T4 處理（施氮量135 kg/hm2）農藝性狀均表現較好，生物學產量也最高，說明氮肥仍是保證烤煙產量的基礎，但烤煙的生物學產量并不是決定其經濟產值的唯一要素，煙葉的外觀及品質也很重要[22?23]，油菜-烤煙和玉米-烤煙輪作模式下，施氮量為90 kg/hm2（T3 處理）時產值最高，繼續增施氮肥則開始下降，但在前作為蠶豆的模式下，施氮量為45 kg/hm2（T2處理）時，其產量、產值、均價、中上等煙比例和上等煙比例表現最好，說明不同的輪作模式下，烤煙對氮肥的需求量也有所不同。

有研究表明，施氮量與煙葉的化學成分有極其重要的關系[24]，對煙葉外觀和感官質量有一定的調控作用[25?27]，本研究結果表明，不同施氮處理對煙堿和總氮影響較大，3 種輪作模式下整體上均表現為隨施氮量的增加而增加。施氮量對煙葉外觀和感官質量的影響也較大，施氮量過低或過高均會影響煙葉外觀質量和感官評吸質量。綜合考慮，油菜-烤煙和玉米-烤煙2 種輪作模式下T3 處理（施氮量90 kg/hm2）煙葉整體質量較好，蠶豆-烤煙輪作模式下T2處理（施氮量45 kg/hm2）煙葉整體質量較好。

有研究表明，不同輪作模式下土壤養分、酶活性和微生物數量有差異[28]，從而對下季作物生產環境造成不同影響，進而影響土壤氮素供應及作物對氮肥的利用。由于蠶豆為豆科作物，本身就具有固氮特性，通過輪作或間作能增加土壤氮素含量和促進下季作物對土壤氮素的吸收利用[29?30]，因此，玉米和油菜對氮素的消耗要高于蠶豆。3 種輪作模式下，氮肥用量越少，其氮素農學效率、氮素經濟學利用效率和氮素生物學利用效率越高。同等施氮量條件下，3 種輪作模式中烤煙對氮肥的吸收和利用具有一定差異。其中，油菜-烤煙和玉米-烤煙輪作模式下，氮肥利用率整體上表現為隨施氮量的增加而增加，推測是增施氮肥明顯增加了烤煙生物學產量所致；但蠶豆-烤煙輪作模式下，氮肥利用率則表現相反，以T2 處理（施氮量45 kg/hm2）為最高，推測是由于蠶豆的固氮效應，提高了土壤氮素供應能力，而減少了對化學氮肥的依賴，從而降低了對外源投入氮肥的利用率。

本研究結果表明，在3種輪作模式下，增施氮肥有利于促進煙株田間長勢，農藝性狀整體表現較好。氮肥用量對烤煙的產量、產值和煙葉質量影響較大，油菜-烤煙和玉米-烤煙輪作模式下，氮肥用量為90 kg/hm2時，烤煙的經濟效益、化學成分和煙葉品質均表現較好；蠶豆-烤煙模式下，在氮肥用量為45 kg/hm2時，烤煙的經濟效益、化學成分和煙葉品質表現較好。氮肥用量為45 kg/hm2時，3 種輪作模式下氮素農學效率、氮素經濟學利用效率和氮素生物學利用效率均最高；油菜-烤煙和玉米-烤煙輪作模式下，施氮量135 kg/hm2時氮肥利用率最高，蠶豆-烤煙輪作模式下，則為施氮量45 kg/hm2時最高。綜上，油菜-烤煙和玉米-烤煙輪作模式下，氮肥用量以90 kg/hm2為宜；蠶豆-烤煙輪作模式下，氮肥用量以45 kg/hm2為宜。