添加外源碳對植煙土壤供氮能力及煙葉質(zhì)量的影響

李青山，彭玉龍，張玉琴，張本強，萬 軍，王德權，王 剛，王慎強

（1. 安慶師范大學 資源環(huán)境學院，安徽 安慶 246133；2. 中國科學院 南京土壤研究所/土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；3. 貴州省煙草公司遵義市公司，貴州 遵義 563000；4. 威海市農(nóng)業(yè)科學院，山東威海 264200；5. 山東中煙工業(yè)有限責任公司，山東 濟南 250100；6. 山東濰坊煙草有限公司，山東 濰坊 261205）

煙草作為我國的重要經(jīng)濟作物，種植面積大且覆蓋區(qū)域廣，煙草產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展對促進我國經(jīng)濟發(fā)展極其重要，也對偏遠地區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施具有重大意義[1]。氮素對烤煙煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量的影響顯著大于其他營養(yǎng)元素[2-4]，氮素供應不足或過多都會降低煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)中煙株旺長期至現(xiàn)蕾期土壤應有足夠的氮素供應，但在烤煙成熟收獲期土壤氮素應基本耗盡[5-6]。研究發(fā)現(xiàn)，烤煙生長后期土壤氮素供應過多是導致我國烤煙上部葉普遍偏厚、煙堿含量較高和工業(yè)可用性較差的主要原因之一[7-8]。施用氮肥是烤煙大田生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，適宜的施氮量是保證煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)的前提[9-10]，其中有效調(diào)控烤煙生長后期植煙土壤供氮水平是提高煙葉質(zhì)量的關鍵[11-12]。

微生物同化作用對土壤有效氮含量的調(diào)節(jié)至關重要[13-14]，其受土壤中有效碳含量的調(diào)控，增加土壤中有效碳含量可促進微生物同化作用[15]，添加低C/N 有機物料后土壤表現(xiàn)為氮素的凈礦化，而添加高C/N有機物料后土壤則表現(xiàn)為微生物對氮素的凈固持[16-17]。前期研究發(fā)現(xiàn)，添加葡萄糖可顯著降低土壤中礦質(zhì)氮含量[18]。室內(nèi)培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，添加有機碳源可顯著降低土壤礦質(zhì)氮含量，揭示在烤煙生長后期施加有機碳源可作為一種調(diào)控植煙土壤氮素供應的措施[19]。盆栽條件下，在烤煙生長后期施加外源有機碳可有效降低植煙土壤供氮水平，顯著降低煙葉煙堿含量[20]。但從烤煙生產(chǎn)實踐角度出發(fā)，在田間條件下于烤煙生長后期添加外源碳對土壤氮素水平的調(diào)控作用及烤煙質(zhì)量的影響尚不明確。鑒于此，開展田間試驗，初步驗證在烤煙生長后期通過添加外源碳提高煙葉質(zhì)量的可行性，并在田間條件下，通過對土壤供氮能力和煙葉質(zhì)量進行多角度分析，明確烤煙生長后期“以碳控氮”提高煙葉質(zhì)量的可行性，為優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)提供科學指導。

1 材料和方法

1.1 供試材料

試驗在山東省諸城市洛莊煙草試驗站科技示范園（36°1′17.22″N、119°6′45.46″E）進行，該試驗地處魯東丘陵區(qū)，屬溫帶季風氣候，年均日照時數(shù)2 578 h，年平均氣溫12.3 ℃，年降雨量773 mm，無霜期232 d。供試土壤為褐土，理化性狀為全氮含量1.47 g/kg、有機碳含量20.67 g/kg、C/N 14.06、pH 值7.18、可溶性總氮含量24.84 mg/kg、-N 含量1.4 mg/kg、-N 含量20.27 mg/kg、可溶性有機氮含量3.17 mg/kg。供試烤煙品種為NC55，由中國農(nóng)業(yè)科學院煙草研究所提供。

供試肥料：煙草專用復合肥（10-10-20）、農(nóng)用硫酸鉀（K2O 50%）、硝酸鉀（13.5-0-44）和發(fā)酵餅肥（1-0.2-0.4）。供試碳源為葡萄糖（C 含量為36.36%），購自西王藥業(yè)有限公司，食用級，產(chǎn)品類型為一水葡萄糖。

1.2 試驗設計

試驗共設3 個葡萄糖添加量處理：不添加葡萄糖（CK）、添加葡萄糖11.25 t/hm2（T1）和添加葡萄糖22.5 t/hm2（T2）。每個處理3次重復，隨機區(qū)組排列，共9 個小區(qū)，每個小區(qū)面積為12 m2，烤煙移栽行距1.2 m、株距0.5 m。葡萄糖于煙苗移栽后90 d 添加，將葡萄糖配成溶液后，沿煙株莖底部澆灌于植煙土壤中，每株烤煙葡萄糖添加量為單位面積葡萄糖總施加量與單位面積植煙株數(shù)的比值；CK澆灌葡萄糖溶液配制所需的等體積水。施氮量為75 kg/hm2，磷肥和鉀肥用量按照m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=1∶1∶3的比例施加，氮、磷、鉀肥在起壟時一次性作基肥施入。2020年4月28日移栽，待田間50%以上煙株中心花開放時進行打頂，留葉數(shù)為22 片，其他田間管理按照當?shù)乜緹熒a(chǎn)技術規(guī)程進行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤樣品采集與土壤氮水平測定 分別在添加碳源后3、14、28、33、40、60 d，利用土鉆采集煙壟中心位置0～20 cm 深土壤樣品（采集點距煙株20 cm），挑除雜物，過2 mm 篩后保存于4 ℃冰箱（14 d 內(nèi)完成樣品測定）。采用2 mol/L KCl 溶液浸提土壤（液土比為5∶1），浸提液過濾后用SEAL AA3連續(xù)流動分析儀測定-N 和-N 含量，礦質(zhì)氮含量為-N和-N含量之和。

1.3.2 烤煙采收、烘烤與煙葉質(zhì)量測定 中部（CM）和上部（BM）煙葉成熟后分別進行采收，其采收成熟標準分別為8～9 成黃和9～10 成黃。每個小區(qū)的中部葉和上部葉各編煙1 竿，置于標準燃煤密集烤房中層按照“8 點式”精準式烘烤工藝進行烘烤[21]。

烤后煙葉外觀質(zhì)量評價按照GB 2635—92《烤煙》分級技術標準進行，主要評價項目包括煙葉顏色、成熟度、組織結(jié)構(gòu)、身份、油分和色度等，按照文獻[22]中的賦值標準對烤后煙葉外觀質(zhì)量進行打分。

選擇烤后中部煙葉和上部煙葉各10～12 片，烘干后粉碎成末過0.42 mm 篩，采用Aataris Ⅱ近紅外光譜儀（Thermo Fisher 公司）測定主要化學成分（總氮、煙堿、淀粉、鉀、氯、總糖和還原糖）含量，并計算糖堿比（還原糖/煙堿）和鉀氯比（鉀/氯）。

煙葉化學成分可用性指數(shù)參照文獻[23]的方法進行計算。

烤后煙葉經(jīng)濟性狀：按照國家煙葉分級標準（GB 2635—92《烤煙》）對煙葉進行分級，計算烤后煙葉的等級結(jié)構(gòu)（上中等煙比例為上等煙比例和中等煙比例之和），并按當年煙區(qū)烤煙收購價格計算均價（均價為各部位煙葉不同等級價格的加權平均值）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2019 和SPSS 24.0 軟件對數(shù)據(jù)進行處理和統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析和LSD法進行差異顯著性檢驗（P＜0.05），使用Excel 2019 進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加碳源對植煙土壤氮水平的影響

由圖1 可以看出，3 個處理土壤硝態(tài)氮含量隨時間推移均呈不斷降低的趨勢。與CK 相比，T1 和T2 處理土壤硝態(tài)氮含量遠小于CK。CK 土壤銨態(tài)氮含量呈先增大后減小的趨勢，而T1 和T2 處理則呈先增大后降低再增大的趨勢；與CK 相比，T1處理土壤銨態(tài)氮含量在添加碳源后60 d 顯著增加641.3%，T2 處理土壤銨態(tài)氮含量在添加碳源后3～60 d均顯著增加，增幅為58.2%～620.5%。

由圖1 可以看出，CK 土壤礦質(zhì)氮含量為52.64～92.36 mg/kg，T1、T2 處理土壤礦質(zhì)氮含量分別為13.03～61.25、15.93～23.42 mg/kg，添加碳源顯著降低了植煙土壤中礦質(zhì)氮含量。與CK 相比，土壤礦質(zhì)氮含量的降幅隨碳源添加量的增多而增大，在添加碳源后14 d，T1和T2處理土壤礦質(zhì)氮含量降幅分別為18.0%和65.1%；但隨時間的推移，T1 和T2 處理土壤礦質(zhì)氮含量降幅差異趨于變小，在添加碳源后33 d分別為71.1%和69.4%。CK土壤礦質(zhì)氮含量隨時間的推移呈不斷減小的趨勢，而T1 和T2 處理則呈先減?。ㄌ砑犹荚春?0 d 達到最小值）后增大的趨勢，添加碳源后60 d T1 和T2 處理土壤礦質(zhì)氮含量較添加碳源后40 d分別增加166.8%和76.3%。

圖1 添加碳源后植煙土壤中的氮素水平Fig.1 Nitrogen levels in tobacco-growing soils after carbon source addition

2.2 添加碳源對烤后煙葉外觀質(zhì)量的影響

由圖2 可以看出，烤煙生長后期施加外源碳使中部葉和上部葉的外觀質(zhì)量得分分別顯著提高20.9%～22.5%和21.4%。在中部和上部煙葉的油分、身份和組織結(jié)構(gòu)方面，T1 和T2 處理均好于CK；但在成熟度、顏色和色度方面，各處理間差異不大。其中，與CK 相比，T1、T2 處理中部葉組織結(jié)構(gòu)和身份得分均提高28.6%（P＜0.05），油分得分分別提高了60.0%、70.0%（P＜0.05）；T1、T2 處理上部葉組織結(jié)構(gòu)和身份得分均提高33.3%（P＜0.05），油分得分分別提高了40.0%、50.0%（P＜0.05）。

圖2 不同處理中部（A）和上部（B）烤后煙葉的外觀評價Fig.2 Appearance evaluation of middle（A）and upper（B）flue-cured tobacco leaves under different treatments

2.3 添加碳源對烤后煙葉經(jīng)濟性狀的影響

由圖3 可以看出，T1、T2 處理中部葉的上中等煙比例較CK分別顯著提高11.1%、19.6%，上部葉的上中等煙比例較CK分別顯著提高了4.40%、7.50%，且上部葉的上等煙比例較CK 分別顯著提高37.0%、35.8%。與CK 相比，T1、T2 處理均顯著提高了中部煙葉和上部煙葉的橘色煙比例，且顯著降低了中部和上部煙葉的雜色煙比例，降幅分別為31.9%～56.5%和19.4%～33.1%。T1、T2處理較CK顯著降低了中部和上部煙葉的下等煙比例。

圖3 不同處理中部（A）和上部（B）烤后煙葉的等級結(jié)構(gòu)Fig.3 Grade structures of middle（A）and upper（B）flue-cured tobacco leaves under different treatments

由圖4 可以看出，與CK 相比，T1、T2 處理總體上顯著增加了中部煙葉和上部煙葉的均價。T1、T2處理中部煙葉均價較CK 分別提高1.8、2.8 元/kg，上部煙葉均價較CK分別顯著提高1.2、1.4元/kg。

2.4 添加碳源對烤后煙葉主要化學成分含量及協(xié)調(diào)性的影響

由表1可以看出，與CK相比，T1和T2處理顯著降低了中部煙葉的煙堿、總氮和淀粉含量，顯著提高中部煙葉鉀含量、糖堿比和鉀氯比。其中，與CK相比，T1、T2 處理中部煙葉煙堿含量分別降低17.1%、19.5%，淀粉含量分別降低63.7%、67.6%，總氮含量分別降低16.4%、16.9%，鉀含量分別提高65.2%、53.0%，糖堿比分別增加24.6%、28.7%，鉀氯比分別增加106.9%、66.3%。

表1 烤后煙葉主要化學成分含量及協(xié)調(diào)性Tab.1 Contents and coordination of main chemical components of flue-cured tobacco leaves

由表1 可以看出，與CK 相比，T1、T2 處理顯著降低了上部煙葉的煙堿含量，顯著提高了上部煙葉的還原糖、氯含量以及糖堿比。其中，T1、T2處理的上部煙葉煙堿含量分別降低21.6%、25.4%，還原糖含量分別增加32.8%、26.2%，糖堿比分別增加70.6%、83.7%。

2.5 添加碳源對烤后煙葉化學成分可用性的影響

由圖5 可以看出，與CK 相比，T1、T2 處理烤后中部煙葉的化學成分可用性指數(shù)分別顯著提高6.5%、4.7%，上部煙葉化學成分可用性指數(shù)分別顯著提高29.0%、28.1%。相比中部煙葉，烤后上部煙葉化學成分可用性指數(shù)的提升幅度更大。

圖5 不同處理中部（A）和上部（B）烤后煙葉的化學成分可用性指數(shù)Fig.5 Availability indexes of chemical compositions of middle（A）and upper（B）flue-cured tobacco leaves under different treatments

3 結(jié)論與討論

在優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)中，煙株旺長期至現(xiàn)蕾期土壤應有足夠的氮素供應，而烤煙成熟采收期土壤氮素應基本耗盡[5-6]?？緹熒L后期土壤氮素供應較多將引起鮮煙葉貪青晚熟，不但增加其烘烤難度，還將導致煙葉化學成分協(xié)調(diào)性較差。研究發(fā)現(xiàn)，微生物同化作用在調(diào)節(jié)土壤有效氮含量方面起關鍵作用[13]。增加土壤有效碳含量，將刺激微生物利用無機氮進行同化作用，將無機氮轉(zhuǎn)化為微生物量氮，暫時儲存于微生物體內(nèi)[15，18]。在前期研究中，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗已證明向土壤中添加有機碳源可顯著降低土壤礦質(zhì)氮含量，表明在烤煙生長后期施加有機碳源可作為調(diào)控植煙土壤氮素供應的一種措施[19]；并通過盆栽試驗明確了在烤煙生長后期施加外源有機碳可有效降低植煙土壤供氮水平，且能顯著降低煙葉煙堿含量[20]。本研究在田間條件下于烤煙生長后期向植煙土壤中添加碳源，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與CK 相比，添加碳源顯著降低土壤礦質(zhì)氮含量；添加碳源后3～40 d，T1、T2 處理和CK 土壤礦質(zhì)氮含量分別為13.03～61.25、15.93～23.42 mg/kg 和52.64～92.36 mg/kg。

煙堿含量是評價烤煙煙葉質(zhì)量的關鍵指標之一。如何降低烤煙上部葉煙堿含量一直是我國煙草行業(yè)最關注的一個重要課題。煙堿主要在煙株根部合成，通過木質(zhì)部運輸?shù)降厣喜?，并在煙葉中累積[24]。根部合成煙堿的量與土壤中的氮素水平密切相關[25]。這是因為氮素作為煙堿的重要組成成分（煙堿含氮17.3%），是影響煙堿合成與累積的最重要的營養(yǎng)元素[26]。研究表明，在同等氮肥水平下，煙株對氮素的吸收提高，將導致煙葉中總氮和煙堿的過多積累[27]。煙堿在煙株體內(nèi)大量累積的轉(zhuǎn)折點是打頂[28]，即煙堿開始進行大量合成發(fā)生在煙株打頂之后。有研究證明，在煙草生長后期控制土壤氮素供應可降低煙葉煙堿含量[29]。本研究中得出了同樣的結(jié)果，添加外源碳處理均顯著降低了中、上部葉的煙堿含量。與CK相比，T1、T2處理中部葉和上部葉煙堿含量分別降低了17.1%～19.5%和21.6%～25.4%，符合優(yōu)質(zhì)烤后煙葉對于煙堿含量的要求。綜上，可以認為烤煙生長后期添加外源碳降低土壤供氮水平，進而可降低烤煙煙葉煙堿含量。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)，添加外源碳提高了烤后煙葉的外觀質(zhì)量、化學成分可用性指數(shù)和上等煙比例。這也證實了前人的觀點，即有效調(diào)控烤煙生長后期土壤氮素水平將是提高煙葉質(zhì)量的關鍵[11-12]。本研究中，與CK 相比，添加外源碳處理均顯著降低了烤后中部煙葉和上部煙葉的煙堿含量，且顯著增加了烤后中部煙葉的鉀含量、糖堿比和鉀氯比，顯著增加了上部煙葉還原糖含量、氯含量和糖堿比，但對上部煙葉鉀氯比沒有顯著影響。另外，依據(jù)煙葉化學成分可用性指數(shù)可判定煙葉主要化學成分的綜合表現(xiàn)[23]。煙葉化學成分可用性指數(shù)越大，說明煙葉化學成分的綜合表現(xiàn)越好[30]。在本研究中，添加外源碳顯著提高了烤后中、上部煙葉的化學成分可用性指數(shù)?？竞笾胁繜熑~和上部煙葉的化學成分可用性指數(shù)較CK分別提高4.7%～6.5%和28.1%～29.0%。相較于中部煙葉，添加外源碳提高上部煙葉化學成分可用性指數(shù)的幅度更大。

本研究通過大田試驗證實了烤煙生長后期添加外源碳可顯著降低植煙土壤的礦質(zhì)氮水平。相較于CK，添加外源碳處理土壤礦質(zhì)氮供應水平更契合優(yōu)質(zhì)烤煙的需氮規(guī)律，進而提高烤后煙葉質(zhì)量，表現(xiàn)在煙堿含量降低，外觀質(zhì)量、化學成分可用性指數(shù)、中上等煙比例和均價提高。因此，認為在烤煙生長后期通過向植煙土壤施加外源碳調(diào)控植煙土壤氮素水平是提高烤煙質(zhì)量的一項有效措施。