穩(wěn)定同位素15 N示蹤法在我國烤煙研究中的應(yīng)用

李海江，陳廷貴，宋少堂，郭橋燕，宋觀博，王紅軍，王正平，宋學(xué)立，趙鳳霞* (．河南省

煙草公司平頂山市公司，河南平頂山467000;

2．河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，河南許昌461000;3．河南省煙草公司煙草研究所，河南許昌461000;4．河南省煙草公司許昌市公司，河南許昌461000)

煙草是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，具有悠久的栽培歷史，其生產(chǎn)行業(yè)已成為國民經(jīng)濟(jì)的一個重要組分，也是一些地方省市的財(cái)政支柱。在特定環(huán)境條件下，施肥是提高煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)的核心技術(shù)［1］，其中氮素是影響煙株正常生長發(fā)育的最重要營養(yǎng)元素，也是對煙堿累積影響最大的元素［2］。在生長發(fā)育過程中，氮素供應(yīng)適量，則煙株生長健壯，葉片厚薄適中，顏色正常，不但產(chǎn)量高，而且烤制后煙葉品質(zhì)較好，產(chǎn)值、均價(jià)和上等煙比例均較高;氮素供應(yīng)不足會導(dǎo)致煙株生長發(fā)育不良，煙葉顏色較淡，調(diào)制后煙葉較薄;氮素過量則造成煙葉肥大，營養(yǎng)生長期延遲，葉片落黃遲緩，貪青晚熟，或形成“黑爆煙”，還會加重病蟲害的發(fā)生幾率［3－5］。對煙草氮素吸收、分配和利用規(guī)律進(jìn)行長期研究，有利于深入了解煙草的需肥特點(diǎn)，提高煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)，更好地解決煙草生產(chǎn)中存在的實(shí)際問題。

穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)在煙草研究中的應(yīng)用歷史可以追溯到20世紀(jì)40年代。Vickery等［6］利用15N同位素示蹤技術(shù)研究煙草對氮素的吸收特性。隨后該技術(shù)被廣泛應(yīng)用到煙株體內(nèi)煙堿等物質(zhì)代謝、氮素肥料的轉(zhuǎn)運(yùn)和分配、肥料利用效率等研究領(lǐng)域，為研究烤煙生長發(fā)育過程中氮素在煙株中的吸收、分配和利用規(guī)律提供重要手段。通過15N同位素示蹤的方法，可以明確地分析不同來源氮素和不同形態(tài)氮素在煙株中的轉(zhuǎn)移和累積規(guī)律，準(zhǔn)確測定當(dāng)季氮肥利用率。這不僅可以提高煙葉生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益，而且可以豐富相關(guān)科學(xué)研究的基礎(chǔ)理論。筆者主要對15N同位素示蹤技術(shù)在我國烤煙氮素吸收與分配規(guī)律研究、葉片煙堿含量研究以及不同栽培管理措施條件下氮素的利用特性3個研究方面的內(nèi)容進(jìn)行了綜述，為煙草氮素肥料的施用提供理論參考。

1 15 N示蹤在烤煙氮素吸收與分配規(guī)律方面的研究進(jìn)展

通過15N同位素的方法研究氮素在烤煙中的吸收、分配和利用規(guī)律，是烤煙氮素研究的主要內(nèi)容之一。早在20世紀(jì)90年代，唐年鑫等［7］就利用15N同位素示蹤技術(shù)研究了煙株對氮素的吸收利用規(guī)律。他認(rèn)為，煙株吸收的氮素大部分來自于土壤，肥料僅占全株總氮量的16%，且全株總含氮量的70%分布于葉片。楊宏敏等［8］研究了硝酸銨肥料的當(dāng)季利用效率以及硝酸銨在土壤中的殘留率。結(jié)果表明，硝酸銨施入土壤的利用率僅為17%～26%。由于硝酸根的淋失、氨的揮發(fā)和落葉、底腳葉、打頂株叉等方面的主要損失，硝酸銨虧損率均高于40%，甚至高達(dá)63%，氮素在土壤中的殘留有65% ～85%集中在耕層。

羅國安等［9］通過15N標(biāo)記(NH4)2SO4的方法，研究了大田和盆栽烤煙在不同施肥條件下的養(yǎng)分吸收特點(diǎn)。結(jié)果表明，烤煙葉片吸收氮素特點(diǎn)為團(tuán)棵期＞旺長期＞現(xiàn)蕾期;烤煙根系吸收特點(diǎn)為伸根期＞團(tuán)棵期＞旺長期＞現(xiàn)蕾期;莖的吸收特點(diǎn)為移栽期至團(tuán)棵期較高，然后迅速下降;氮素收獲量特點(diǎn)為化肥＞化肥+餅肥＞餅肥;肥料氮進(jìn)入煙株的比例為葉＞莖＞根。

烤煙對氮素的吸收和利用受土壤肥力、施氮水平和降雨等多種因素的制約。在施氮量相同的條件下，不同施肥方法對烤煙氮肥利用率也有顯著的影響。秦艷青等［10］通過田間試驗(yàn)和微區(qū)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了傳統(tǒng)施肥和優(yōu)化施肥兩種施肥方法對云南玉溪烤煙生長和氮素積累的影響。研究結(jié)果表明，施純氮120、52．5 kg/hm2后，煙株分別在打頂以后和團(tuán)棵期以后以吸收土壤氮為主;52．5 kg/hm2的施氮量能保證煙株移栽到打頂?shù)纳L需求，但是氮素營養(yǎng)略顯不足，施氮量和不同時(shí)期各部位肥料氮的含量呈正比，且在團(tuán)棵期吸收肥料氮的值達(dá)到最大，團(tuán)棵期后呈下降趨勢。單德鑫等［11］采用15N示蹤的方法研究了植煙土壤為東北黑土?xí)r烤煙對不同形態(tài)氮肥的吸收、累積和分配規(guī)律。研究結(jié)果表明，氮素在烤煙地上部的分布規(guī)律表現(xiàn)為中部葉＞上部葉＞下部葉，莖中氮素含量較低，與下部葉相差不大;地上部利用肥料氮的比例為下部葉＞中部葉＞上部葉，莖中肥料氮的比例仍較低，與上部葉相近;不同生育期對氮素的吸收利用率不同，團(tuán)棵期吸收肥料氮的比例最高，隨著生育期的推遲，煙株利用肥料氮的比例逐漸減少，現(xiàn)蕾期至成熟期差異不大。袁仕豪等［12］以烤煙品種K326為試材，運(yùn)用15N雙標(biāo)NH4NO3和15N標(biāo)記的KNO3同位素示蹤技術(shù)，研究了湖南瀏陽多雨地區(qū)烤煙不同生育期對基肥和追肥氮素的利用效率。結(jié)果表明，在伸根期和旺長期烤煙以吸收肥料氮為主要方式，在成熟期以吸收土壤氮為主要方式;在相同施氮量條件下，追肥比例越大，烤煙對追肥氮的吸收量越大，追肥的利用率越低，對基肥氮的吸收量越少，對基肥的利用率越高，但是不同生育期烤煙對追肥的利用率均顯著高于基肥;在施氮量一定的情況下，隨著追肥比例的增大，基肥氮在土壤中的殘留量降低，追肥氮的殘留量增加，肥料氮的總殘留量和損失量比例減少。研究還表明，適當(dāng)增加追肥比例可提高多雨地區(qū)的烤煙氮肥利用效率。

習(xí)向銀等［13］以烤煙品種K326為試材，通過15N示蹤法研究了大田條件下土壤氮對烤煙氮素累積的影響。結(jié)果表明，土壤氮素的比例隨著葉位的上升而上升，打頂后上、中、下3個葉位和根莖中的土壤氮素隨生育期推遲而顯著增加。為了解水稻土植煙土壤供氮特征及其對烤煙氮素累積分配的影響，谷海紅等［14］通過大田15N雙標(biāo)NH4NO3示蹤試驗(yàn)，研究了云南省玉溪市紅塔區(qū)水稻土烤煙整個生育期內(nèi)肥料氮和土壤氮在煙株不同器官的累積分配狀況，明確了水稻土烤煙對不同來源氮素的吸收和分配特征。結(jié)果表明，在施氮90 kg/hm2條件下，土壤氮是煙株整個生育期吸收氮素的主要來源，且土壤氮占總吸氮量的比例隨著生育期的推遲和煙葉著生部位升高而明顯增加;增施氮肥可以顯著提高煙葉總氮和煙堿含量，改善煙葉品質(zhì)，但是存在上部煙葉煙堿含量偏高的問題。

為充分了解有機(jī)肥氮對烤煙氮素營養(yǎng)的貢獻(xiàn)及其在煙株生長過程中的動態(tài)，劉青麗等［15］應(yīng)用15N同位素示蹤技術(shù)研究了餅肥、秸稈肥與無機(jī)肥配施條件下烤煙對氮素的吸收與利用規(guī)律。結(jié)果表明，秸稈和餅肥對氮素營養(yǎng)的貢獻(xiàn)率較低;有機(jī)肥與無機(jī)肥配施可以明顯降低煙葉的煙堿含量，增加葉片糖堿比，改善煙葉的品質(zhì)。

楊志曉等［16］以烤煙品種K326為材料，采用田間原位培養(yǎng)法和15N雙標(biāo)NH4NO3同位素示蹤技術(shù)研究了廣東南雄煙區(qū)烤煙氮素累積規(guī)律［16］、當(dāng)季施入肥料氮的利用、殘留和損失情況以及該地區(qū)土壤氮素礦化特征。結(jié)果表明，煙株不同器官氮素累積量高低順序?yàn)槿~片＞莖＞根;全生育期煙株吸收的氮主要來源于土壤，土壤氮占總氮的比例隨著生育期延遲和葉片著生部位升高而增加;團(tuán)棵期和打頂期烤煙以吸收當(dāng)季肥料氮為主，到成熟期以吸收土壤氮為主;土壤氮素的礦化量隨生育期推遲呈明顯的先上升后下降趨勢，移栽后75 d左右達(dá)到高峰。化黨領(lǐng)［17］同樣通過15N示蹤的方法，研究了恩施煙區(qū)植煙黃棕土壤的供氮能力和各生長期煙株不同器官吸收氮素的來源。結(jié)果表明，煙株含氮量高低順序?yàn)殍荆旧喜咳~＞中部葉＞下部葉＞莖和根。不同部位葉片吸收、利用和累積氮素的來源不同，積累時(shí)期和積累規(guī)律也不盡相同。隨著生育期的推遲，上部葉片積累土壤氮和肥料氮均持續(xù)升高，且土壤氮的比例逐漸增加，中部葉片積累2種氮素較平穩(wěn)，下部葉片的2種氮素積累量均下降。

2 15 N示蹤在烤煙葉片煙堿含量方面的研究進(jìn)展

煙堿是煙葉的重要成分。煙葉中煙堿含量與其他化學(xué)成分之間保持平衡、協(xié)調(diào)，才能生產(chǎn)出具有良好香氣的高質(zhì)量香煙［18］。大量研究表明，在一定范圍內(nèi)，增加施氮量可以明顯提高煙葉煙堿含量，降低還原糖含量［19］。王鵬等［20］利用15N雙標(biāo)NH4NO3示蹤技術(shù)對貴州黃壤煙區(qū)烤煙各部位葉片含氮量和煙堿含量進(jìn)行研究，分析了烤煙煙堿與氮含量的變化規(guī)律、煙堿中肥料氮的比例以及不同施肥方法對煙堿中氮的影響。結(jié)果顯示，烤煙氮素的積累主要集中于移栽后的第5～11周，煙堿的積累開始于移栽后的第9周，直至煙葉成熟采收;煙株生長前期氮素的積累與煙堿的累積表現(xiàn)不一致，在煙株生長后期即移栽后第11～17周，氮素積累趨于穩(wěn)定，與煙堿的積累呈正相關(guān)，此時(shí)葉片煙堿含量隨著氮素積累量的增加而呈增加趨勢。

謝志堅(jiān)等［21］應(yīng)用15N雙標(biāo)NH4NO3同位素示蹤技術(shù)研究了移栽前30、15 d和移栽當(dāng)天3個氮肥施用時(shí)間對烤煙煙堿含量的影響。結(jié)果表明，烤煙煙堿含量隨著生育期的推遲而逐漸升高，葉片煙堿含量在打頂前隨著葉位上升而下降，打頂后隨著葉位下降而上升;提前施用基肥提高了下部葉片的煙堿含量，但不會影響中上部煙葉的煙堿含量。葉片煙堿氮中來源于肥料氮的比例隨生育期的推進(jìn)和葉位的上升而下降。

3 15 N示蹤在烤煙不同栽培管理措施下氮素利用特性方面的研究進(jìn)展

不同栽培管理?xiàng)l件下烤煙氮素的利用特性存在很大差異。15N示蹤技術(shù)為人們研究栽培管理措施對烤煙氮素利用特性的影響提供一個便捷的方式。劉泓等［22］通過15N標(biāo)記的NH4NO3研究了氮肥用量與留葉數(shù)對烤煙氮素吸收的影響以及對煙葉氮素分布和煙堿含量的影響。結(jié)果顯示，不同施氮量與留葉數(shù)對烤煙氮素吸收、分配和利用效率均有明顯的影響，對煙株的生長發(fā)育、干物質(zhì)積累和葉片煙堿含量也有較大影響。烤煙吸收的約1/2肥料氮被分配到煙葉部分，上部煙葉含量高于中下部煙葉?？刂频适┤肓亢土羧~數(shù)可以在一定程度上降低上部煙葉的含氮量，進(jìn)而控制煙堿含量。徐照麗等［23］同樣應(yīng)用15N示蹤技術(shù)，采用田間微區(qū)和小區(qū)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了不同前茬作物對烤煙氮肥利用的影響。研究表明，前茬作物種類、氮素水平以及二者的互作均會顯著影響烤煙的氮肥利用效率，進(jìn)而影響上等煙比例、產(chǎn)量和產(chǎn)值等經(jīng)濟(jì)性狀。前茬種洋蔥的煙田當(dāng)季氮肥利用效率最低，烤煙吸收的氮素主要來源于土壤;在大麥田烤煙，隨著肥料施入量的增加，增產(chǎn)效應(yīng)也更加明顯，當(dāng)季氮肥的利用效率較高;甜脆豌豆煙田的肥料殘留量偏高。

煙田土壤肥力存在差異，氮素利用特性也不盡相同。馬興華等［24］以中煙100為試材，通過15N標(biāo)記的NH4NO3示蹤技術(shù)研究了不同土壤肥力條件下烤煙對氮素的吸收、分配和利用規(guī)律。結(jié)果表明，在不同土壤肥力條件下，烤煙吸收的土壤氮均多于肥料氮，土壤氮占70．68% ～81．33%，肥料氮占18．67% ～29．32%。隨著生育期的推遲，肥料氮占總氮的比例降低，土壤氮占總氮的比例升高;在生長發(fā)育前期，低肥力煙田種植的煙株吸收的肥料氮和土壤氮量均高于高肥力煙田，生育中后期趨勢相反，高肥力煙田煙株各器官氮素積累量都高于低肥力的，高肥力煙田煙葉的氮素分配比例略高于低肥力的，根的分配比例低于低肥力的;在成熟過程中，烤煙葉片氮的累積量和分配比例均降低，而莖的累積量和分配比例均升高。

4 存在的問題及展望

15N穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)為土壤肥料氮素利用規(guī)律的研究提供新的方法和手段，并且在該研究領(lǐng)域取得廣闊的發(fā)展前景。由于15N不具放射性，沒有衰變，在分離、標(biāo)記化合物合成及后續(xù)相關(guān)研究中均不需要防護(hù)，可以在大田進(jìn)行農(nóng)作物整個生育期的研究試驗(yàn)，操作簡便，使用安全。目前，15N穩(wěn)定同位素的測定方法有十足的發(fā)展和進(jìn)一步的改良，質(zhì)譜和核磁共振等方法均具有較高的靈敏度，測試結(jié)果精確;穩(wěn)定性同位素的來源充沛，15N標(biāo)記合成較簡單，可以在絕大多數(shù)氮素肥料中進(jìn)行標(biāo)記，提高15N肥料應(yīng)用方法的普遍性。但是，該方法仍然存在不足之處，如帶有同位素標(biāo)記的肥料和同位素標(biāo)記后的試材測定價(jià)格較昂貴，限制了該方法使用的廣泛性;另外，它只能以量化的方式追蹤物質(zhì)，而不能像放射性同位素示蹤一樣，從視覺角度追蹤物質(zhì)的發(fā)展變化途徑。

今后，煙草研究中15N穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)更加側(cè)重于以下方面。首先，目前我國15N穩(wěn)定同位素的研究方法在煙草上主要應(yīng)用于栽培管理措施及生理生化研究等方面，比如氮素吸收、分配和利用規(guī)律的研究以及各種不同栽培管理措施下氮素的利用特性研究等，而對細(xì)胞、分子標(biāo)記等方面的研究較少。煙草科研工作者應(yīng)提高相關(guān)研究的水平，與國際領(lǐng)先的研究層次接軌。

第二，穩(wěn)定性同位素在煙草上的研究主要側(cè)重于煙株生長發(fā)育過程階段。在烘烤過程、植物保護(hù)過程中的應(yīng)用較少。今后，應(yīng)拓寬同位素示蹤方法在煙草中的研究范圍，將該方法引進(jìn)烘烤過程中含氮物質(zhì)的變化規(guī)律研究以及病蟲草害的預(yù)防和控制等研究領(lǐng)域。

隨著穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)的不斷完善，該方法在煙草研究中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，其在煙草生產(chǎn)和理論研究等方面將會發(fā)揮越來越重要的作用。

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