水氮磷鉀四因素對(duì)烤煙煙堿含量的影響研究

姜俊紅，鄭榮豪，汪 軍，伍運(yùn)林，李就好

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣州 510640；2.中國煙草公司廣東省分公司煙葉管理處，廣州 510610； 3.廣東煙草韶關(guān)市有限公司，廣東 韶關(guān) 512000)

0 引 言

煙堿是煙葉質(zhì)量中最重要的化學(xué)成分，其含量直接決定煙葉內(nèi)在品質(zhì)、安全性和可用性[1]，同時(shí)也是煙葉香型劃分的重要考慮因素。作為煙草特有的化學(xué)成分，其含量受到多方面的影響，其中肥料供應(yīng)狀況和灌水量對(duì)其影響較大。目前，國內(nèi)關(guān)于水肥對(duì)煙堿含量的影響展開了許多研究，可分為水肥單因素試驗(yàn)[2-9]、水肥雙因素試驗(yàn)[10-16]及氮磷鉀肥三因素配比試驗(yàn)[17,18]，綜合考慮水、氮、磷、鉀四個(gè)因素對(duì)煙堿含量的影響及氮磷鉀水對(duì)煙堿含量的交互效應(yīng)的研究較少。水分問題一直是我國烤煙品質(zhì)落后國際優(yōu)質(zhì)煙葉的一個(gè)重要因素。我國烤煙大多種植在山區(qū)坡地，許多煙區(qū)的灌溉系統(tǒng)還不完善，煙葉生產(chǎn)中干旱現(xiàn)象較頻繁，嚴(yán)重影響煙株的正常生長發(fā)育，煙堿含量不協(xié)調(diào)；而灌水便利地區(qū)，為獲得較高產(chǎn)量大水漫灌、重施氮肥、偏施磷肥現(xiàn)象普遍，雖能獲得較高產(chǎn)量但煙葉香型特色趨弱，肥料利用率低下問題突出。從現(xiàn)有的研究可知，在煙草的生長過程中水分和肥料之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，水肥合理搭配不僅可以增加烤煙的產(chǎn)量，也可以調(diào)節(jié)烤煙的內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)，同時(shí)可減少養(yǎng)分的深層滲漏而減輕對(duì)環(huán)境的污染。因此，本文采用四元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)對(duì)水氮磷鉀四因素不同供應(yīng)量與烤煙煙堿含量的影響進(jìn)行試驗(yàn)分析，以期為能從氮、磷、鉀、水分的用量和交互作用上調(diào)控?zé)熑~煙堿含量，為優(yōu)質(zhì)烤煙的生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2014年在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)節(jié)水試驗(yàn)室遮雨棚內(nèi)進(jìn)行,遮雨大棚頂高4.5 m,為防止雨水飄進(jìn),四周設(shè)置1.5 m保護(hù)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)屬于典型亞熱帶氣候，光照充足，年降雨量1 600～1 800 mm，年平均氣溫21.6 ℃。試驗(yàn)土壤取自南雄的紫色土，質(zhì)地為砂壤土。田間持水量為FC=25.5%，土壤單位體積質(zhì)量為1.45 g/cm3。土壤主要化學(xué)成分見表1。供試烤煙品種為“粵煙98”，統(tǒng)一育苗后于2014年3月1日移栽。試驗(yàn)所用盆高40 cm，盆口30 cm×30 cm，盆缽一側(cè)距盆口10、20、30 cm處各有兩個(gè)可供TRIME-P3探針插入測量土壤體積含水量的小孔，裝土30 kg。每盆移栽1棵煙苗。移栽后，除水分、肥料用量因素外其他管理按優(yōu)質(zhì)烤煙管理規(guī)范進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用四元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)(1/2實(shí)施)，分氮、磷、鉀、水四個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)5個(gè)水平，按供應(yīng)量從低到高分別為-1.682、-1、0、1、1.682水平共23個(gè)處理組合，9次重復(fù)，207盆，隨機(jī)區(qū)組排列。緩苗移栽7 d后開始控水, 土壤含水量采用TRIME-P3 土壤含水率測量系統(tǒng)結(jié)合取土烘干法測定，隔2 d測一次，當(dāng)試驗(yàn)組含水量達(dá)到設(shè)計(jì)含水量值下限時(shí)進(jìn)行人工灌溉，灌水后土壤水分達(dá)到上限含水量。結(jié)合2011年及2012年的試驗(yàn)結(jié)果及烤煙的種植經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)各因素的具體施肥灌水量見表2。

試驗(yàn)所使用的肥料為以煙草專用復(fù)合肥為主,增補(bǔ)的鉀肥用KO2,增補(bǔ)的磷肥用P2O5,增補(bǔ)的氮肥用硝銨磷(N含量32%，P2O5含量4.4%),分別計(jì)算每個(gè)處理的氮磷鉀元素用量，移栽前將70%的肥料做基肥拌土施入，30%的肥料移栽15 d后兌水淋施。試驗(yàn)在烤煙伸根期結(jié)束(移栽42 d)、旺長期結(jié)束(移栽70 d)取各個(gè)試驗(yàn)組的煙葉，成熟期末取各個(gè)試驗(yàn)組煙株的中部烤后煙葉(從根部開始數(shù)第7～12葉)，粉碎過60目篩后用于化學(xué)成分分析。

表2 試驗(yàn)因子水肥編碼表Tab.2 The levels of experimental factors and their codes

注：FC為土壤的田間持水率(質(zhì)量含水率)，10%FC的含義為10%的田間持水量，其他的類推。

1.3 測定方法及測定結(jié)果

煙堿參照國家煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(YC/T34)-煙草及煙草制品總植物堿的連續(xù)流動(dòng)測定方法測定。測定結(jié)果如表3。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

根據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的試驗(yàn)原理，采用DPS7.05、SPSS、MATLAB及EXCEL軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

由表3的各生育階段末煙堿含量結(jié)果可以看出,隨著生長時(shí)間的推進(jìn),烤煙煙堿含量逐漸增高;伸根期末煙堿含量在0.322%～0.653%之間；旺長期末煙堿含量在0.708%～1.264%之間；成熟期末煙堿含量在1.983%～3.083%之間，處于在一般煙堿含量的變化范圍1.5%～3.5%以內(nèi)。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及各個(gè)生育階段末煙堿含量Tab.3 Test design schemes and results of nicotine content in different growth periods of flue-cured tobacco

2.1 伸根期末煙堿含量與氮、磷、鉀肥及水分用量間的關(guān)系

利用四元二次多項(xiàng)式擬合了施氮量、 施磷量、施鉀量及灌水量4個(gè)因子xi的編碼值與伸根期末烤煙煙堿含量f的函數(shù)，但該函數(shù)其顯著性檢驗(yàn)F回=2.28，達(dá)不到0.05顯著水平，因此函數(shù)沒有實(shí)際的參考意義。同時(shí)也說明該時(shí)期的煙堿含量與施氮量、 施磷量、施鉀量及灌水量的關(guān)系不明顯。

2.2 旺長期末煙堿含量與氮、磷、鉀肥及水分用量間的關(guān)系

利用四元二次多項(xiàng)式擬合水肥四因子和旺長期末煙堿含量的函數(shù)，剔出不顯著項(xiàng)后獲得的簡易回歸模型為：

f(x1,x2,x3,x4)=1.004 38+0.145 27x1

(1)

由方程分析可知，F(xiàn)回=4.308>F0.05(11,11)=2.82，即證明模型的回歸系數(shù)達(dá)到0.05的顯著水平，能反映煙堿含量隨水肥變化的過程，可以作為旺長期煙堿預(yù)報(bào)的依據(jù)。簡化模型中的回歸系數(shù)只有一項(xiàng)，F(xiàn)1=20.97>F0.095(11,11)=4.84，達(dá)到了極其顯著的水平，說明在本試驗(yàn)條件下，施氮量對(duì)旺長期烤煙的煙堿含量有重要的影響。煙堿含量會(huì)隨著氮肥施加量的增加而增加。所建立的回歸模型中，其他三項(xiàng)因素的系數(shù)及交互向的系數(shù)都不顯著，說明在烤煙旺長期，磷、鉀、水分對(duì)煙堿含量的影響不大，且四因素的交互作用不明顯。

2.3 成熟期末烤煙煙堿含量與氮、磷、鉀肥及水分用量間關(guān)系

在a=0.25顯著水平下，剔出不顯著項(xiàng)后，成熟期末烤煙煙堿含量與氮磷鉀及水分的編碼值擬合的簡化歸回模型函數(shù)為：

f(x1,x2,x3,x4)=2.628 17+0.189 66x1+0.118 19x2-

0.094 31x3-0.141 82x4+0.051 62x21-0.089 51x22-

0.112 49x23-0.070 84x1x4-0.070 84x2x3

(2)

回歸方程的顯著性檢驗(yàn)F回=7.78>F0.05(11,11)=2.82，因此達(dá)到了0.05的極顯著水平,可以作為用于預(yù)報(bào)煙堿含量隨水肥用量變化的預(yù)報(bào)模型。

2.3.1單一因素對(duì)成熟期烤煙煙堿含量的影響

本試驗(yàn)滿足正交性，模型中各項(xiàng)偏回歸系數(shù)相互獨(dú)立，可進(jìn)行回歸模型降維處理，固定其他因素為0水平，可得到各個(gè)因素對(duì)煙堿含量的一元偏歸回模型。

施氮量：f(x1)=2.628 17+0.189 66x1+0.051 62x21(3)

施磷量：f(x2)=2.628 17+0.118 19x2-0.089 51x22(4)

施鉀量：f(x3)=2.628 17-0.094 31x3-0.112 49x23(5)

灌水量：f(x4)=2.628 17-0.141 82x4

(6)

由以上4個(gè)模型可繪制單因子與煙堿含量的關(guān)系曲線，如圖1。從圖可以看出，施氮量與煙堿含量的關(guān)系為開口向上的拋物線，兩者呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著施氮量的增加，煙堿含量增加；灌水量與煙堿含量的關(guān)系為線性關(guān)系，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著灌水量的增加煙堿含量減少；施磷量和煙堿含量的關(guān)系為開口向下的拋物線，隨著施磷量的增加煙堿含量呈現(xiàn)增加后減小。這與前人的研究結(jié)果基本一致[2,4,14，19,20]。從圖中可以看出，施鉀量與煙堿含量的關(guān)系為開口向下的拋物線，隨著施鉀量的增加，煙堿含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在-0.5水平達(dá)到極值，這與前人的研究結(jié)果稍有不同。目前部分試驗(yàn)結(jié)果證明煙堿含量隨鉀肥用量的增加而顯著降低[5,11,17,18]，也有部分研究認(rèn)為鉀肥可以增加煙堿含量或兩者之間關(guān)系不明顯[7,9]。分析本試驗(yàn)煙堿含量隨著施鉀量增加先增加后減小的原因?yàn)樵谕寥棱浰剌^低的情況增加鉀肥可以使得植株的光和及合成物的運(yùn)輸能力增強(qiáng)，使得煙堿含量提高；當(dāng)鉀元素進(jìn)一步增加時(shí)，植株大量應(yīng)吸收鉀元素降低了對(duì)氮元素的吸收，煙堿的合成受到抑制，同時(shí)施鉀后株產(chǎn)量增加產(chǎn)生稀釋效應(yīng)使得煙堿含量隨著施鉀量的上升顯著下降。

圖1 各試驗(yàn)因子對(duì)烤煙煙堿含量的影響Fig.1 Effects of experimental factors on irrigation and fertilizers content in tobacco

2.3.2雙因素對(duì)成熟期末烤煙煙堿含量的交互效應(yīng)

與單一的水肥處理不同，氮磷鉀水對(duì)煙堿的交互作用并非簡單的加和減作用，還有可能存在協(xié)同促進(jìn)或拮抗作用。在本試驗(yàn)中，共有6個(gè)交互向因素，其中達(dá)到0.01顯著水平的有x1x4、x2x3。降維法處理后可以得到如下的子模型：

f(x1,x2)=2.628 17+0.189 66x1+0.051 62x21-

0.141 82x4-0.070 83x1x4

(7)

f(x2,x3)=2.628 17+0.118 19x2-0.089 51x22-

0.094 31x3-0.112 49x23-0.070 84x2x3

(8)

(1)施氮量和灌水量的一級(jí)交互效應(yīng)。圖2為氮水兩因素對(duì)成熟期烤煙煙堿含量的交互效應(yīng)曲線圖。由圖可以看出，當(dāng)施氮量處于0及0水平以上時(shí),煙堿含量隨著灌水量的增加而逐漸減少；當(dāng)施氮肥量處于0水平以下,煙堿含量隨著灌水量的增加呈先增加后減少的趨勢。這說明在中高氮肥施用量時(shí)，煙堿含量隨著干旱程度的增加而增加，該結(jié)論與勞同浩等人[19,20]的結(jié)論一致；而在低氮施用量時(shí)，煙堿含量與灌水量之間存在一個(gè)極大值關(guān)系，其原因可能為灌水量的增加的使得土層中原先由于干旱無法到達(dá)根系的NO-13隨著水分遷移到了煙株根系表面，提高了作物對(duì)氮的吸收利用率，使得煙堿合成能力增加含量上升，但當(dāng)水分繼續(xù)增加，水分對(duì)煙堿含量稀釋作用起到了主導(dǎo)作用，使得煙堿含量下降。圖2顯示，當(dāng)灌水量處于0.5以下水平時(shí)，煙堿含量隨著施氮量的增加而增加；當(dāng)灌水量處于0.5水平以上時(shí)，煙堿含量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，且隨著灌水量水平的增加其下降段下降的趨勢越顯著。其原因?yàn)榈貙?duì)煙堿的合成影響較大，氮元素吸收越多煙堿含量越高，但當(dāng)灌水量較大時(shí)，施氮量增加會(huì)使得煙葉植株增大，從而稀釋了植株中的煙堿含量，但當(dāng)施氮量繼續(xù)增加，氮元素合成煙堿的能力超過了稀釋作用，使得煙堿含量上升。從圖2還可以看出，當(dāng)灌水量為-1.682，施氮量為1.682時(shí)煙堿含量最高為3.421%；當(dāng)灌水量為1.682，施氮量為-0.5時(shí)，煙堿含量最低為2.257%。綜合看來，低氮高水可以降低煙堿含量，高水中低氮肥供應(yīng)可以獲得較高的煙堿含量。因此通過合理的灌水施氮可以調(diào)節(jié)煙堿含量。

圖2 施氮量和灌水量對(duì)烤煙煙堿含量的交互效應(yīng)Fig.2 Coupling effects between N fertilizer rate and irrigation amount on nicotine in flue-cured tobacco

圖3 施磷量和施鉀量對(duì)烤煙煙堿含量的交互效應(yīng)Fig.3 Coupling effects between P fertilizer rate and K fertilizer rate on nicotine in flue-cured tobacco

(2)施磷量和施鉀量的一級(jí)交互效應(yīng)。從圖3可以看出當(dāng)施鉀量一定時(shí)，煙堿含量隨著施磷量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這種后下降的出現(xiàn)會(huì)隨著施鉀量的增加而提前出現(xiàn)。當(dāng)施磷量一定時(shí)，煙堿含量隨著施鉀量的增加后降低的趨勢，且這種后下降趨勢的出現(xiàn)隨著施磷量的增加而提前出現(xiàn)，這說明在高磷的環(huán)境中鉀對(duì)煙堿的抑制做用更加的明顯。兩者對(duì)煙堿的相互影響在施肥量較低時(shí)呈先促進(jìn)作用但在中高施肥量時(shí)呈拮抗作用關(guān)系，且鉀對(duì)煙堿的抑制作用高于磷對(duì)煙堿的促進(jìn)作用。當(dāng)施磷量-1.682，施鉀量為-1.682時(shí)，煙堿含量最低為1.816，即低水平的施鉀量和施磷量可以獲得低煙堿含量;當(dāng)施磷量為1，施鉀量為-1和-0.5時(shí)，即當(dāng)施磷量為中高水平、施鉀量為中低水平時(shí)煙堿含量達(dá)到最高為2.257%。綜合來看，通過合理的調(diào)整磷鉀的供應(yīng)量可以調(diào)控?zé)熑~的煙堿含量。

2.3.3氮磷鉀水對(duì)成熟期煙堿含量的多因子交互作用

一般煙堿含量的變化范圍在1.5%～3.5%，以2.2%～2.8%含量為最佳[19]。因此，篩選出煙堿含量處于2.2%～2.8%的所有模擬方案(共計(jì)273個(gè))及盆栽試驗(yàn)(共計(jì)79.43盆)(考慮到試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)采用正交旋轉(zhuǎn)需要，0方案共設(shè)7組，該組的試驗(yàn)盆栽數(shù)是其他的7倍，因此在統(tǒng)計(jì)時(shí)將0方案的統(tǒng)計(jì)數(shù)除以7處理后并入總統(tǒng)計(jì)數(shù)中)，并對(duì)這些方案的氮磷鉀水因素的水平進(jìn)行頻率分析，如表4。

從表4中的回歸模型預(yù)測的數(shù)據(jù)可以看出獲得優(yōu)質(zhì)煙堿含量的方案中主要4因素的分布情況為氮肥和鉀肥分布在-1、0水平，磷肥和水分為0、1水平，與實(shí)際盆栽試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分布情況基本一致，不同在于盆栽試驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲得優(yōu)質(zhì)煙堿含量的各因素要更集中在-1水平到1水平的區(qū)間。這表明歸回模型能較好的模擬四因子對(duì)煙堿的影響，同時(shí)也說明在試驗(yàn)條件下中等偏下的氮元素(5.52～9.2 g/pot)、中等偏上的磷元素(4.6～6.44 g/pot)、中等偏下的鉀元素(11.04～18.4 g/pot)及中等偏上的水分(60%FC～70%FC)可以使得烤煙的煙堿含量處于適宜范圍。盆栽試驗(yàn)比回歸預(yù)測模型數(shù)據(jù)更集中在-1到1水平的原因可能是實(shí)際盆栽試在四因子組合時(shí)沒有全面進(jìn)行組合并實(shí)施，導(dǎo)致兩端試驗(yàn)組數(shù)偏少。

表4 成熟期煙堿含量介于2.2%～2.8%的不同水肥方案中各因子取值的頻率分布Tab 4 Frequency distribution of variable values in different irrigation and fertilizer application schemes with nicotine content between 2.2%～2.8%

3 結(jié) 語

通過盆栽試驗(yàn)，采用四元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，研究了氮磷鉀水四因素對(duì)烤煙煙堿含量的影響，得到如下結(jié)論：

(1)所建立的水肥用量與旺長期和成熟期末烤煙煙堿含量的兩個(gè)數(shù)學(xué)模型都達(dá)到顯著水平。從模型上看氮供應(yīng)量對(duì)旺長期的煙堿含量影響顯著，而成熟期末的煙堿含量受到氮磷水鉀四因素的顯著影響。伸根期末煙堿含量與4因素的關(guān)系不顯著。

(2)在試驗(yàn)施肥范圍內(nèi)，其他因子為0水平時(shí)，成熟期末煙堿含量隨著施氮量的增加而明顯上升，隨著灌水量的增加而降低，隨著施磷量的增加而先明顯增加后緩慢下降，隨著施鉀量的增加先升高后顯著下降。

(3)供氮量和灌水量及施磷量與施鉀量之間交互性明顯。供氮量和灌水量表現(xiàn)為拮抗作用，而施磷量和施鉀量在較低肥量表現(xiàn)為促進(jìn)作用而在中高肥量時(shí)表現(xiàn)為拮抗作用，其他交互作用不明顯。由交互性分析可以得出在灌水量較大、施氮量較小可以降低煙堿含量；另外合理的施鉀肥和磷肥也能降低煙堿含量。

(4)氮磷鉀水合理配施可以使得煙葉的化學(xué)成分協(xié)調(diào)，使得煙葉的煙堿含量處于適宜的范圍。過多地使用肥料不但造成生產(chǎn)成本增加、環(huán)境的污染也不利于優(yōu)質(zhì)煙葉的形成。基于本試驗(yàn)所選擇的土壤與設(shè)計(jì)的水肥供應(yīng)范圍，中低氮元素(5.52～9.2 g/pot)、中等偏上的磷元素(4.6～6.44 g/pot)、中等偏下的鉀元素(11.04～18.4 g/pot)及中等偏上的水分(60%FC～70%FC)可以使得煙葉煙堿含量最適宜。

本試驗(yàn)研究只參考了水肥供應(yīng)量與煙堿含量的關(guān)系，沒有綜合考慮水肥供應(yīng)對(duì)烤煙產(chǎn)量、產(chǎn)值、上等煙比例及其他化學(xué)品質(zhì)的影響，需進(jìn)一步分析水肥和烤煙綜合品質(zhì)的影響。

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