氮鉬肥配施對烤煙生長發(fā)育及氮組分積累的影響

云 菲，楊永鋒，馬一瓊，王寶林，陳紅麗*

1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州市金水區(qū)文化路95號 450002

2.河南中煙工業(yè)有限責任公司，鄭州市金水區(qū)農(nóng)業(yè)東路29號 450000

近年來，由于化學(xué)氮肥的過度施用使氮肥利用率降低，土壤酸化加重，且造成我國許多地區(qū)特別是華南、華東、京津和東北大部分區(qū)域土壤有效鉬嚴重缺乏［1-2］。河南耕地土壤平均有效鉬含量為0.078 mg·kg-1，處于嚴重缺鉬狀態(tài)的土壤（有效鉬含量＜0.15 mg·kg-1）面積占總耕地面積的93%以上［3-4］。烤煙作為喜鉬作物，鉬含量的臨界值為0.13 mg·kg-1［5］，僅靠土壤中有限的鉬含量不能滿足煙株生長發(fā)育的需要，缺鉬直接影響煙株體內(nèi)氮素的吸收與利用，從而制約煙葉產(chǎn)質(zhì)量的提高［6］。適量施用鉬肥有助于調(diào)節(jié)植物體內(nèi)氮素的運輸與分配，葉片硝態(tài)氮同化酶和抗氧化酶活性顯著提高，同時催化硝酸鹽向亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化，降低植物體內(nèi)硝態(tài)氮的積累，從而提高植物的氮素利用率［7］。胡珍蘭等［8］研究發(fā)現(xiàn)，施用鉬肥可促進冬小麥在拔節(jié)期和抽穗期將吸收的氮素分配到生長中心。陳志青等［9］研究表明，相同氮肥施用水平下，施用離子鉬和納米鉬肥可顯著提高水稻各器官的氮素積累量，并提高氮肥偏生產(chǎn)力、氮素農(nóng)學(xué)利用率、生理利用率和吸收利用率。此外，鉬肥對煙株總氮、可溶性蛋白、游離氨基酸含量的影響受供氮水平的制約［10］。高氮素水平下增施鉬肥可降低上部葉煙堿含量，施用鉬肥對生育后期的煙葉NO3--N 含量減少具有一定的促進作用［11］。龔治翔等［12］研究表明，施用鉬肥能顯著增加中、高氮水平下烤煙干物質(zhì)積累量及生育前期煙葉光合色素含量，且隨氮素水平的提高，生育后期煙葉中硝酸還原酶活性增強，NO3--N 含量減少，低氮水平下施用鉬肥對烤煙“增糖降堿提鉀”具有顯著促進作用。因此，合理的氮鉬配施對烤后煙葉化學(xué)品質(zhì)的提高具有顯著的協(xié)同效應(yīng)［13］。目前有關(guān)不同氮素水平下配施鉬肥對烤煙氮素積累及氮組分變化的影響機制尚不明確，為此探討了氮鉬肥配施對烤煙光合特性、氮素積累、含氮化合物含量及烤后煙葉氮組分的影響，揭示煙株體內(nèi)主要氮組分含量變化對氮鉬互作效應(yīng)的響應(yīng)機制，旨在篩選出最優(yōu)的氮鉬肥配施方式進而為優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗基本情況

試驗地點設(shè)置在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)許昌科教園區(qū)（北緯34°01′，東經(jīng)113°49′），該地區(qū)屬于暖溫帶季風氣候。供試土壤采自河南省許昌市襄城縣（北緯33°51′，東經(jīng)113°28′）。土壤類型為潮土，土壤質(zhì)地為砂壤土，有機質(zhì)含量12.48 g·kg-1，pH 7.95，速效磷7.72 mg·kg-1，速效鉀124.66 mg·kg-1，堿解氮58.46 mg·kg-1，有效鉬含量0.043 mg·kg-1。土壤經(jīng)風干并用脛腐康土壤消毒劑（鄭州惠農(nóng)有害生物防治有限公司）進行熏蒸消毒后過0.5 mm×1.0 mm 網(wǎng)篩，將肥料與土壤混合攪拌均勻后裝盆，盆高45 cm，盆口直徑40 cm，盆底直徑30 cm，每盆裝土20 kg，行株距120 cm×50 cm。供試烤煙品種為K326。

1.2 試驗設(shè)計

采用兩因素三水平完全交互試驗設(shè)計，設(shè)置低、中、高3個氮素營養(yǎng)水平，分別為N0（0 g·kg-1土）、N0.15（0.15 g·kg-1土）、N0.3（0.30 g·kg-1土），每個氮素水平下分別設(shè)置3個鉬肥梯度，分別為Mo0（0 mg·kg-1土）、Mo0.15（0.15 mg·kg-1土）、Mo0.3（0.30 mg·kg-1土），共計9個處理。其中，氮肥和鉬肥分別為分析純NH4NO3（氮含量35%）、鉬酸銨［（NH4）6Mo7O24·4H2O］（鉬含量54%）；各處理磷肥（KH2PO4）和鉀肥（K2SO4）水平保持一致，每1 kg土中P2O5含量為0.23 g，K2O 含量為0.45 g。每處理30 盆，每盆栽煙1 株。煙苗于2019 年5月20 日移栽，按照烤煙栽培技術(shù)規(guī)程［14］進行管理。生育期內(nèi)各處理灌水量保持一致，灌溉用水為去離子水，以避免其他因素對肥料施用效果的干擾。

1.3 測定項目與方法

在煙株生長的關(guān)鍵時期（移栽后30、45、60、75和90 d），選取生長一致且受光方向相同的功能葉片進行光合指標的測定。同時，測定各時期鮮煙葉中可溶性蛋白、游離氨基酸含量及硝酸還原酶活性，并取殺青煙樣用于干物質(zhì)和氮素積累的計算，每處理測定3株，每株測定3次，取平均值。

1.3.1 光合指標的測定

采用LI-6400 便攜式光合作用測定系統(tǒng)（美國LI-COR 公司）測定中部功能葉的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）。

1.3.2 氮素積累量的測定

參照標準方法YC/T 161—2002［15］測定氮含量（質(zhì)量分數(shù)）。計算公式：

1.3.3 氮代謝關(guān)鍵酶活性及含氮化合物含量的測定

采用考馬斯亮藍G-250 法測定可溶性蛋白含量［16］，采用活體法測定硝酸還原酶活性［16］，采用茚三酮溶液顯色法測定游離氨基酸含量［16］。

1.3.4 干物質(zhì)積累量的測定

從移栽后30 d 開始，每隔5 d 取樣1 次，每處理隨機選取3株代表性煙株，將根、莖和葉分開稱取鮮質(zhì)量，于105 ℃殺青15 min，65 ℃恒溫烘干，稱其干質(zhì)量，并計算干物質(zhì)積累量。

1.3.5 烤后煙葉氮組分的測定

參照國標GB 2635—1992［17］對烤后煙葉進行分級，利用AA3 連續(xù)性流動分析儀（SEAL，德國BRANLUEBBE公司），參照行業(yè)標準方法測定中部煙葉煙堿［18］和總氮［15］含量。每處理重復(fù)3次，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2013 和SPSS 19.0 軟件進行數(shù)據(jù)分析和圖表繪制；使用新復(fù)極差法進行數(shù)據(jù)間差異的顯著性檢驗；利用SPSS Amos 軟件建立結(jié)構(gòu)模型分析相關(guān)因子與烤后煙葉主要氮組分（總氮和煙堿）含量的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮鉬肥配施對烤煙氣體交換參數(shù)的影響

如圖1a 所示，隨著氮素水平的增加，Pn 呈先增加后降低的變化趨勢，中等氮素水平最有利于Pn的提高，分別較低氮、高氮處理增加4.64%～104.01%和1.38%～82.40%。整個生育期內(nèi)，在移栽后60 d N0.15Mo0.15處理的Pn 達到最大值，隨后下降。不同氮素條件下增施鉬肥均能夠促進葉片Pn的提高，且在生育前期效果較顯著，施用鉬肥處理的Pn分別較對照增加9.98%～58.00%（N0）、0.86%～38.39%（N0.15）和0.19%～30.17%（N0.3）。Gs 在生長前期（移栽后30 d 至60 d）呈持續(xù)上升趨勢，在移栽后60 d N0.15Mo0.3處理達到最大值（0.87 mmol·m-2·s-1），生長后期（移栽后75 d 至90 d），Gs 迅速下降，導(dǎo)致進入氣孔的光合反應(yīng)原料供應(yīng)不足，與之對應(yīng)的Pn也隨之降低。施用氮肥顯著促進了Gs的提高，不同氮素處理的Gs 增加比例以移栽后45 d最高，N0、N0.15、N0.3水平下分別比移栽后30 d 增加30.03%～40.74%、83.63%～140.28%、171.12%～250.50%；同一氮素水平下，Gs隨著鉬肥水平的增加而增大（圖1b）。整個生育期內(nèi)Ci 的變化范圍在212.67～306.67 μmol·mol-1之間，隨著施氮量的增加Ci降低，以N0.3水平下的Ci最低。同一氮素水平下，施用鉬肥量增加會引起Ci的降低，這可能是由于氮鉬肥配施提高了葉片同化CO2的能力，使細胞間隙的CO2消耗速率增加，最終造成Ci下降［10］（圖1c）。

圖1 氮鉬配施對烤煙葉片氣體交換參數(shù)的影響Fig.1 Effects of combined application of nitrogen and molybdenum fertilizers on gas exchange parameters of flue-cured tobacco leaves

2.2 氮鉬肥配施對烤煙氮代謝關(guān)鍵酶及含氮化合物含量的影響

硝酸還原酶（NR）是一種水溶性鉬黃蛋白，受NO3-和Mo共同誘導(dǎo)［19］。由圖2a可知，NR活性隨氮素水平的升高而增加，N0水平下，氮代謝下降時間較早，在移栽后45 d NR開始下降，葉片出現(xiàn)早衰；N0.15和N0.3水平下，在移栽后60 d NR 達到峰值，生育后期葉片氮代謝運轉(zhuǎn)速度減慢，NR迅速降低。整個生育期內(nèi)Mo0.3處理的NR 活性比對照提高8.19%～35.19%，以中等氮素水平下增加比例較高?？扇苄缘鞍祝⊿P）含量的高低可反映植物對氮素的同化能力，在氮代謝過程中起著代謝庫的作用［20］。低氮條件下，在移栽后45 d SP達到峰值，中、高氮處理在移栽后60 d SP達到最高值，進入成熟期后煙株光合能力下降，SP合成減弱，同時含量降低。提高氮素水平有利于SP 的合成，除移栽后30 d 外，SP 含量隨著施氮量的增加而增加，中、高氮處理的SP 比低氮處理分別增加19.4%～44.98%和6.38%～31.16%。施用鉬肥對SP 含量的影響受不同氮素水平的制約，以N0.15Mo0.3處理的SP含量增幅最高，移栽后45 d和60 d分別較對照增加37.75%和46.89%（圖2b）。游離氨基酸（FAA）是植物體內(nèi)氮素同化物的主要運輸形式，與煙株體內(nèi)氮素代謝和煙葉品質(zhì)密切相關(guān)［21］。如圖2c 所示，游離氨基酸（FAA）含量呈先升高后降低的變化趨勢，除N0的FAA 最大值出現(xiàn)在移栽后45 d外，N0.15、N0.3均在移栽后60 d FAA達到最大值，F(xiàn)AA 含量隨氮素水平的提高而顯著增加。中、低氮水平下均以Mo0.3處理的FAA含量最高，分別較未施鉬處理提高20.79%～43.41%和11.09%～95.85%。高氮水平下，則以Mo0.15處理的FAA 含量最高，比對照提高0.09%～150.87%。

圖2 氮鉬肥配施對烤煙葉片硝酸還原酶活性、可溶性蛋白及游離氨基酸含量的影響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 氮鉬肥配施對烤煙各器官氮素積累和利用的影響

植株氮素積累量是植株干物質(zhì)量與氮素含量的乘積，同時也是植株氮素營養(yǎng)豐缺水平與群體生長發(fā)育狀況的綜合反映指標［22-23］。葉片是煙草的收獲器官，增加氮用量會顯著提高氮素在葉片中的積累，其中以N0.15Mo0.3處理葉片的氮素積累量最大，比對照提高224.03%，這與其氮素吸收效率最高有關(guān)。不同氮素水平下，中、高氮肥處理的煙株氮素積累量較高，N0.15水平下，施用鉬肥處理的氮素吸收效率比對照增加9.35%～76.98%；中、低氮水平下，隨著施鉬量的提高煙株的氮素累積量增加，施鉬處理較未施鉬處理分別增加24.68%～30.77%（N0）和3.69%～43.47%（N0.15）。高氮肥條件下，煙株的氮素吸收效率降低，施用鉬肥處理的氮素積累量較未施鉬處理降低7.57%～11.18%（N0.3）。氮鉬肥以及二者的互作效應(yīng)對煙株各組分（根、莖、葉）氮積累量的影響均達到顯著水平（表1）。將氣體交換參數(shù)、含氮化合物與煙葉氮素積累量進行皮爾遜相關(guān)分析可知，F(xiàn)AA、NR、Gs、Pn、Ci 均與葉片中氮素的積累呈顯著相關(guān)（r=0.93**、0.89**、0.85*、0.62*、-0.95**），其中，F(xiàn)AA 對煙葉中氮素積累促進作用最大，Ci 則對氮素積累起到負向效應(yīng)。

表1 氮鉬肥配施對烤煙各器官氮素積累和利用的影響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 氮鉬肥配施對烤煙干物質(zhì)積累量的影響

如圖3所示，煙株干物質(zhì)積累量（DM）隨生育時期的延長而增加，不同氮素水平間表現(xiàn)為N0.15＞N0.3＞N0，在N0和N0.15水平下干物質(zhì)積累量隨鉬含量的升高而增加，N0Mo0.3和N0.15Mo0.3處理的干物質(zhì)積累量分別比對照增加30.30%～61.01%和53.7%～171.01%，以中氮水平下增加比例最高，這與N0.15Mo0.3處理葉片的氮素積累量最大相一致。而在N0.3水平下，施用鉬肥處理在生育后期表現(xiàn)出對干物質(zhì)積累的促進效果，移栽75 d 和90 d 分別比對照增加10.37%～14.46%和11.28%～28.18%。氮、鉬及其互作效應(yīng)對煙株干物質(zhì)積累量增加的貢獻率分別為50.60%、37.65%和11.75%，說明氮素是影響煙株干物質(zhì)積累量的主導(dǎo)因素，鉬素對干物質(zhì)積累有促進效應(yīng)，二者共同作用有利于煙株生物量的積累和產(chǎn)量形成。

圖3 氮鉬配施對烤煙干物質(zhì)積累量的影響Fig.3 Effects of combined application of nitrogen and molybdenum fertilizers on dry matter accumulation of flue-cured tobacco

2.5 氮鉬肥配施對烤后煙葉主要氮組分含量的影響

由圖4可知，煙株NR、FAA和DM是影響烤后煙葉總氮（Total N）、煙堿（Nicotine）含量的主要因素。其中，DM 直接影響煙葉總氮和煙堿含量（路徑系數(shù)分別為0.60 和0.65）；NR 每提高1個標準單位，總氮和煙堿含量分別增加0.58個和0.24個標準單位。除直接效應(yīng)外，NR 還通過影響FAA 和SP 間接影響煙葉總氮和煙堿含量；Gs 不僅直接影響煙葉總氮和煙堿含量，還能通過影響FAA和Pn間接影響煙葉氮組分含量；Ci 對煙葉總氮和煙堿含量的影響呈顯著的負效應(yīng)，并通過影響DM 和Pn 間接影響煙葉總氮和煙堿含量。將烤后煙葉總氮和煙堿含量作為因變量與含氮化合物、氣體交換參數(shù)等相關(guān)因子進行回歸分析，得到最優(yōu)回歸方程，見表2。對方程求R2并進行顯著性測驗，結(jié)果與圖4相對應(yīng)，煙株干物質(zhì)積累量對總氮和煙堿含量的影響顯著，可解釋其含量變化的86.1%和81.5%。

圖4 氮鉬配施條件下相關(guān)因子對烤后煙葉主要氮組分(總氮和煙堿)影響的結(jié)構(gòu)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 烤后煙葉主要氮組分與影響因子間的回歸分析Tab.2 Regression analysis of main nitrogen components and impact factor for flue-cured tobacco leaves

3 討論

①本試驗條件下，不同氮素水平對Pn的影響表現(xiàn)為N0.15＞N0.3＞N0，增施鉬肥可促進3 種氮素水平下葉片Pn的提高，說明合理的氮鉬配施可提高光系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高煙葉光合碳同化能力，緩解氮素虧缺或過量條件下由于光合抑制物增加導(dǎo)致的光合作用受阻［24-25］，進而為煙株生物量的增加奠定基礎(chǔ)。與N0、N0.15相比，高氮條件下產(chǎn)生報酬遞減效應(yīng)，施用鉬肥處理的Pn增長速率反而較低，這與胡珍蘭等［8］、王曉林等［26］的研究結(jié)果相似。②本研究中發(fā)現(xiàn)，低氮條件下由于煙株光合碳同化能力較弱，光合產(chǎn)物積累較少，為NR本身或為還原反應(yīng)過程提供的還原力有限，氮代謝下降時間較早，但隨著施用鉬肥量的增加，NR 活性、SP 和FAA 含量提高，促進了煙株體內(nèi)氮素營養(yǎng)的吸收與轉(zhuǎn)化，從而緩解了葉片早衰對煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生的不利影響；NR活性隨著氮用量的增加而提高，但當還原速度低于硝態(tài)氮的積累速度時會造成煙葉內(nèi)硝酸鹽的累積，中、高氮條件下煙株氮代謝旺盛，配施鉬肥可提高NR 活性，加速硝態(tài)氮向銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化，減少硝酸鹽的積累，進而提高煙葉安全性。這與劉紅耀［27］、Moussa等［28］、門中華等［29］的研究結(jié)果相似。③由于煙株打頂后莖不再生長，而葉片和根系繼續(xù)生長，因此施氮處理的烤煙各部位氮素積累量表現(xiàn)為葉片＞根部＞莖部。煙株優(yōu)先將大部分氮素分配到葉片中，有利于光合作用效率的提高，進而促進了葉片生物量的增加［30-31］。氮鉬肥及其互作效應(yīng)對煙株干物質(zhì)積累量增加的貢獻率分別為50.60%、37.65%和11.75%，說明氮素是影響煙株干物質(zhì)積累量的主導(dǎo)因素，鉬素對干物質(zhì)積累也有促進效應(yīng)，二者的協(xié)同增效有利于煙株產(chǎn)量的形成。N0.15Mo0.3處理的生物量最高，這與中等氮素水平下配施鉬肥的葉片氮素吸收效率最大相一致，說明在適宜的氮素水平下配施鉬肥可優(yōu)化氮素在葉片中的供給與分配，增強烤煙的光合碳同化能力，最終促進煙株生長及物質(zhì)積累，這與胡承孝等［32］、崔國明等［33］的研究結(jié)果相似。④烤后煙葉中主要氮組分總氮和煙堿含量受DM 及NR 的影響較大，此外，氣體交換參數(shù)中Gs不僅直接影響主要氮組分含量，還通過Pn和FAA間接影響總氮和煙堿含量。綜上所述，合理的氮鉬配施可通過提高Pn 和Gs 進而促進煙株光合碳同化能力提高，優(yōu)化氮素在各組分中的分配，從而調(diào)控NR活性、FAA、DM含量，最終促進干物質(zhì)的積累，協(xié)調(diào)烤后煙葉氮組分含量，提高煙葉品質(zhì)。

4 結(jié)論

合理的氮鉬肥配施能夠顯著提高煙葉的凈光合速率，促進光合碳同化能力及氮素吸收效率提高，有利于煙株各組分生物量的積累。本試驗條件下，以N0.15Mo0.3處理最有利于煙株生長和干物質(zhì)積累。氮鉬肥配施還可以通過調(diào)控煙葉中NR 活性、FAA 和DM 含量，進而協(xié)調(diào)烤后煙葉中氮組分含量。因此，在煙葉生產(chǎn)過程中，針對缺鉬煙田可通過氮肥與鉬肥配施促進煙株氮素的吸收轉(zhuǎn)化，緩解低氮條件下煙葉早衰，避免高氮水平下硝酸鹽積累，從而在一定程度上改善烤后煙葉品質(zhì)。