恩施煙區烤煙上部葉總植物堿主控因素分析

鄧建強，劉利平，王洪煒，莊 濤，代 輝，陸承念，劉 俊

（1.湖北省煙草公司恩施州公司，湖北 恩施445000；2.湖北中煙工業有限責任公司三峽卷煙廠，湖北 宜昌443000）

煙草總植物堿是煙草體現有商品價值的主要因素，其作用是使吸食者獲得一種生理上的滿足，但含量過高易損害人體健康［1-3］。煙草上部煙葉存在總植物堿含量偏高、刺激性大、糖堿比偏低等化學品質不協調問題，一直是制約其成為中式混合型卷煙和低焦油卷煙主配方的主要因素［4］。為此，煙草行業一直在開展降低上部葉總植物堿，提高上部煙葉可用性的研究［5］，其主要農業措施集中在合理打頂、留葉，減氮增密，調控中微量元素，噴施外源生長調節劑，截流和斷根等技術［6，7］。但通過以上方法直接降低總植物堿含量，對煙葉產量和質量可能有顯著的負面影響［8，9］，且某些技術操作繁瑣，增加了投入成本。為此，本研究以湖北省恩施州主要核心煙區作為研究對象，布置多個烤煙大田栽培試驗，研究本區域范圍內施氮量、移栽密度和土壤化學性狀對總植物堿的影響，探討其主要的影響因素，旨在形成本區域特有的降低總植物堿調控措施，為提高當地上部葉工業可用性提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與試驗設計

恩施煙區地處鄂西南（東經109°4'48″—109°58'42″，北緯29°50'24″—30°40'00″），是湖北省煙葉的主產區，具有典型山地立體氣候特征，年均氣溫16.3℃，年均降水量1 434.9 mm，常年種煙面積3.3萬hm2左右［10］。試驗于2017年和2018年4月在恩施州不同土壤肥力條件區域布置43個烤煙試驗點，采取施氮量和移栽密度二因素三水平設計（施氮量分別為82.5、97.5、112.5 kg/hm2；移栽密度分別為13 890、15 150、16 665株/hm2），共9個處理，隨機排列，不設重復。于當年11月試驗結束，最終2017年和2018年獲得有效試驗點數分別為29個和41個。區域試驗點分布見圖1。

圖1 試驗點分布情況

1.2 測定項目與方法

移栽前30 d（未施肥），采用5點采樣法采集0～30 cm混合基礎土樣，測定土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀和pH。土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；土壤堿解氮采用堿擴散法測定；土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬藍比色法測定，pH 8.5；土壤速效鉀采用1 mol/L中性乙酸銨浸提-火焰光度法測定；pH采用電位法測定，水土比1∶1，pH計型號為奧立龍818，具體流程參見《土壤農化分析》［11］。煙葉烘烤后，取上部葉正組，采用連續流動法測定總植物堿含量［12］，流動分析儀型號為美國AAS-305D。

1.3 數據處理

數據處理在Excel 2007、SPSS 16.0、AMOS 23.0軟件和MATLAB（R2016b）平臺上進行。多重比較差異性采用新復極差法。

2 結果與分析

2.1 總植物堿與土壤因素的指標測定

由表1可知，研究區2017年和2018年的總植物堿含量分別為3.01%和3.42%，變異系數（CV）分別為15%和22%，屬于中等程度變異。土壤因素各指標中以速效鉀變異程度最高，2年均值分別為224.96、340.97 mg/kg，CV差異性較小，在40%左右。速效磷的CV有一定差異（分別為27%和45%），2017年（30.08 mg/kg）均值低于2018年（42.58 mg/kg）。2017年 堿 解 氮 均 值（149.37 mg/kg）高 于2018年（110.05 mg/kg），其CV差異不大。2年的pH和有機質CV基本無明顯差異，屬于中等變異，2017年和2018年的pH均值分別為6.20和5.79，有機質均值分別為27.65、26.38 g/kg。

表1 總植物堿與土壤因素的指標測定

2.2 施氮量和移栽密度對總植物堿的影響

以各試驗點數據為重復，對每年各處理進行方差分析。由圖2可知，相比移栽密度，施氮量是影響總植物堿的主要因素，隨著施氮量的上升，總植物堿呈上升趨勢，且2年的上升趨勢均較為明顯。同時，當施氮量≤97.5 kg/hm2時，高移栽密度16 665株/hm2，總植物堿基本為整個趨勢圖的最低點，且在2017年與最高點差異顯著。以上說明，施氮量對總植物堿的影響較大，但在中低施氮量條件下，提高移栽密度有利于降低總植物堿。

圖2 施氮量和移栽密度對煙草上部葉總植物堿的影響

同時，總植物堿受環境隨機因素的影響，且本試驗區域范圍大、土壤肥力也不同，因此，單純考慮施氮量和移栽密度對總植物堿的影響，很難充分說明施氮量和移栽密度對總植物堿的影響程度和顯著性。為此，本研究采取協方差分析法，以施氮量和移栽密度為固定因子，以年份、土壤pH、有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀為協變量綜合評價各因素對總植物堿的影響。結果（表2）顯示，協變量年份和速效磷解釋的方差較大，分別為29.39和17.18，其次為速效鉀（6.00）、pH（2.71），顯著性檢驗P均小于0.01。施氮量達到顯著水平（P＜0.05），移栽密度及二者的交互作用未達到顯著水平，其方差從大到小依次為施氮量（2.82）、移栽密度（0.94）、交互作用（0.24）。以上說明，相比移栽密度，主因素中施氮量對總植物堿影響較大，且施氮量與移栽密度無顯著的交互作用；土壤肥力因素中速效磷、速效鉀和土壤pH對總植物堿產生一定影響，而年份對總植物堿影響較大，主要與年份間的總植物堿差別較大有關。

表2 施氮量和移栽密度對總植物堿的協方差分析

2.3 土壤因素對總植物堿的影響

為了更直觀地描述土壤因素對總植物堿的影響，剔除施氮量與移栽密度因素，以各試驗點總植物堿的平均值為基礎，與其土壤因素進行統計分析。根據相關分析（表3）可知，2017年和2018年速效磷均與總植物堿呈極顯著負相關（P＜0.01），其他指標在分年度統計中均未達到顯著相關，說明土壤速效磷與總植物堿有顯著關系。同時，以pH、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀為自變量，分年度建立因變量為總植物堿的逐步回歸模型，發現回歸模型均極顯著通過了整體檢驗（P＜0.01），R2分別為0.16和0.28。由表4可知，僅有速效磷進入了2017年和2018年逐步回歸模型，說明速效磷對總植物堿起重要控制作用。

表3 煙草上部葉總植物堿與土壤因素的Pearson相關分析

表4 煙草上部葉總植物堿的逐步回歸參數統計

進一步探討土壤速效磷與總植物堿之間的內在聯系，采取基于結構方程模型（SEM）的路徑分析方法檢測此類聯系是否真實存在，并評價土壤速效磷是否通過其他因素對總植物堿產生間接影響。結構方程建模在AMOS 23.0統計軟件中，采取最大似然估計進行建模。通過表5可知，模型的x2/df為0.99，相應的P為0.41（＞0.05），其他擬合指數也均符合評判標準，故認為所建模型合理。在結構方程模型（圖3）中單箭頭表示路徑，其值為標準化路徑系數（r），表明正或負影響作用的相對大小；雙箭頭表示二者的相關性，其值為相關系數。由圖3可知，隨著速效磷的增加，總植物堿的降低趨勢顯著（r=-0.34、P=0.003）；年份對總植物堿的作用性較強（r=0.59、P=0.000），主要與2年的數據具有一定差別有關；堿解氮、有機質、速效鉀和pH的r均未達到顯著，對總植物堿的影響不明顯，但是速效磷的間接路徑系數顯著（r=-0.11，P=0.034），與速效鉀間接路徑系數較大，為-0.086，占間接路徑系數的80%左右，可通過速效鉀間接對總植物堿產生影響。

表5 結構方程模型擬合指數

圖3 主要土壤因素與煙草上部葉總植物堿的結構方程模型

3 討論

本研究協方差分析中，施氮量可顯著提高總植物堿（P=0.022＜0.05），這主要與氮是合成總植物堿的主要物質有關。在總植物堿中氮含量高達17.3%，其中，肥料氮對總植物堿合成的平均貢獻為21.0%～25.5%，隨著肥料氮施用量的上升，總植物堿具有上升趨勢［13，14］，表明采取施肥控氮措施對降低總植物堿具有一定的效果。同時，雖然移栽密度與總植物堿之間關聯未達到顯著水平（P=0.28＞0.05），且與施氮量也無顯著的交互作用，但高移栽密度對總植物堿具有降低作用，尤其是2017年在施氮量≤97.5 kg/hm2，此方法可顯著降低總植物堿，但當施氮量提高時，高移栽密度降堿作用的差異顯著性消失，與在栽培措施中施氮量為控制總植物堿因素，移栽密度為調控的次要因素有關。綜上所述，煙葉生產中適度控制氮肥用量，在部分總植物堿較高區域采取高移栽密度措施，將對總植物堿偏高產生一定的抑制作用。

值得關注的是，磷素雖不直接參與煙葉總植物堿的合成［15］，但其是影響本區域總植物堿的首要因素，根據回歸方程測算，土壤速效磷每上升10 mg/kg，總植物堿絕對含量降低約0.13%～0.22%。對比歷史數據，也得出了類似結果（圖4），2002—2008年由于土壤速效磷含量較低，其總植物堿顯著高于2013—2017年。同時，已有研究證實，土壤磷素的提高對總植物堿積累不利［16］，在土壤速效磷＞20 mg/kg時繼續施磷可降低總植物堿［17］。以上現象可能歸因于以下幾點：①磷是一種直接調控根系發育的信號物質［18，19］，對作物根系構造產生影響，提高磷素供應量將降低不定根數量［20］，減少了總植物堿合成的位點數［21，22］；②磷加速合成煙堿之前的硝酸鹽還原等過程，促進煙株生長［23］，縮短植株達到成熟的時間，從而減少打頂到成熟的時間［24］，縮短了總植物堿累積時間；③在供應滿足煙葉基本生理需求的條件下，磷素可與土壤中其他養分產生交互作用，進而對總植物堿產生影響［25］，本研究中速效磷的間接路徑系數達到顯著水平，圖5也直觀地顯示出速效磷通過速效鉀對總植物堿影響較大。

圖4 時間尺度上土壤速效磷對煙草上部葉總植物堿的影響

圖5 土壤速效磷與其他因素對煙草上部葉總植物堿的影響

4 結論

通過協方差分析發現，施氮量對總植物堿的影響達到顯著水平，而施氮量和移栽密度間的交互作用不顯著，但在中低施氮量條件下，提高移栽密度將有助于降低總植物堿。因此，在煙葉生產中，適度控制氮肥用量，在部分總植物堿易高區域采取高移栽密度措施，有利于降低總植物堿。通過SEM的路徑分析發現，速效磷能直接顯著降低總植物堿，且間接路徑系數顯著，與速效鉀的間接路徑系數較大（占總間接路徑系數的80%），可通過土壤速效鉀間接地增強對總植物堿的影響。