施氮量與種植密度對‘中煙100’煙葉產量及化學成分的影響

王玉林孫延國高峻管恩森段旺軍石屹吳元華王曉琳

(1. 中國農業科學院煙草研究所，山東 青島 266101；2. 中國農業科學院研究生院，北京 100081；3. 四川省煙草公司涼山州公司，四川 西昌 615000；4. 山東濰坊煙草有限公司諸城分公司，山東 諸城 262200；5. 四川中煙工業有限責任公司，四川 成都 610066)

煙草是我國重要的葉用經濟作物之一，煙葉品質受品種、環境條件和農藝措施的影響[1-3]。優化栽培技術可以調節煙草植株的個體發育，改善煙葉品質，提升煙葉產量和經濟效益[4，5]。

施氮量與種植密度是影響煙葉產量和品質的重要栽培措施。 密植是提高單產的有效措施[6-8]。 種植密度能夠改變冠層光截獲和分布特征，調控株型結構，影響葉片光合特性，進而影響煙葉品質及產量水平[9，10]。 繆志建等[11]研究發現，烤煙種植密度為15152 株/hm2時產量最高。 而郭寧等[12]在更大密度區間(13500～19500 株/hm2)的研究表明，烤煙產量始終隨著密度的增大而增加。劉繼坤[13]在山東濰坊煙區的研究表明，種植密度在18500(行株距1.2 m×0.45 m)～27750株/hm2(行株距1.2 m×0.30 m)范圍內可提高煙葉產量，解決煙草有效經濟產量過低的問題。 種植密度也影響煙葉化學成分含量。 隨著種植密度的減小，中上部葉總糖、還原糖含量降低，總氮、煙堿含量升高，而密度對下部葉化學成分的影響較小[14，15]。 研究表明種植密度對經濟性狀的影響顯著，密度過大或過小都將加劇煙葉品質和產量之間的矛盾[16，17]。

氮是植株生長的必需營養元素，煙葉產量和品質與施氮量關系極為密切[18，19]。 施氮量增加時，煙草株高、葉片數、葉長和葉寬明顯增加，群體葉面積指數、葉面積指數最大值呈增加趨勢，光合效率提高，冠根比和各器官干物質積累量增加[20，21]。 氮素作為煙草中許多大分子化合物的組成成分，對煙葉品質的形成產生顯著影響，適當增施氮肥有利于煙株的生長發育，提高化學協調性及煙葉品質[22，23]。 余小芬等[20]的研究表明，適量減氮能使煙葉總糖、還原糖顯著升高，總氮、煙堿含量降低，煙葉化學成分更加協調。 但過高的施氮水平將引起上等煙比例和均價的降低[24]，因而確定最優施氮量對煙葉產量提高和品質優化具有重要意義，也是煙葉生產中的難點。

受耕地面積和經濟發展水平的影響，山東煙區煙葉生產存在多年連作、土壤營養失調和灌溉、肥料等生產投入單一等問題[25，26]。 ‘中煙100’作為山東煙區的主栽品種，具有耐肥性、耐水性好、抗病毒能力強等優點，但尚未建成適宜施氮量和種植密度的可用性配套技術。 通過探索田間條件下種植密度、施氮量及其交互作用對煙草生長發育的影響，分析優化施氮量能否彌補密植導致的煙葉質量下降這一問題，從農藝措施上緩解產量和質量的矛盾，有利于提高煙葉產量和農民收入，穩定山東煙區生產。 時向東等[27]研究表明，種植密度對烤煙光合性能的影響主要表現在平頂期，其葉片碳同化能力差異最明顯，是煙葉干物質積累和品質形成的關鍵時期。 為此，本試驗以‘中煙100’為材料研究種植密度和施氮量對其平頂期株型和烤后煙葉化學成分的影響，以期確定山東煙區煙葉優質生產的適宜施氮量和種植密度。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與材料

試驗于2019年在山東諸城市瑯埠農場(E 119.129°，N 36.007°，海拔112 m)進行。 供試烤煙品種為‘中煙100’。 試驗地為棕壤，耕層土壤基本理化性質:有機質含量11.67 g/kg、堿解氮52.63 mg/kg、全氮0.89 g/kg、速效磷27.61 mg/kg、全磷0.22 g/kg、速效鉀192.95 mg/kg、全鉀3.34 g/kg，pH 值6.6。

1.2 試驗設計

試驗采用施氮量、種植密度兩因素裂區設計，施氮量為主處理，設3 個水平，分別為施N 0(N1)、60(N2)、120 kg/hm2(N3)，P2O5用量均為45 kg/hm2，K2O 用量均為165 kg/hm2，所有肥料均為一次性基施；種植密度為副處理，設3 個水平，分別為27750、18500、13880 株/hm2，對應株距分別為30 cm(M1)、45 cm(M2)、60 cm(M3)，行距均為120 cm。 每處理重復4 次，其中3 個重復用于試驗過程取樣，1 個重復用于烤后煙葉取樣。 裂區在主區內縱向排布，裂區之間設0.5 m間隔，重復之間設1 m 間隔。

試驗按照當地最適移栽期移栽，于初花期打頂，留葉數均為20 片。 試驗區配備滴灌設施，保障水分供應。 其他田間管理措施均按照當地生產方案執行，保持各小區農事操作的一致性。

1.3 測定項目與方法

煙苗移栽90 d 后(平頂期)取樣，將整株有效葉片從下往上分別編號為1～20，下、中、上部葉分別為6、7、7 片。

農藝性狀:按照煙草行業標準YC/T 142—2010 于平頂期測量株高、莖圍和上、中、下葉片的長和寬。

葉綠素含量測定:利用打孔器(直徑6 mm)隨機取4 個葉圓片，浸泡在80%丙酮中，振蕩使圓片被完全浸泡，定容至10 mL，暗處理48 h，至葉片完全變白，暗處理期間每隔8 h 振蕩一次。 用紫外分光光度計(UV-2600)分別在663 nm 和646 nm 波長下測定OD 值，并計算葉綠素含量。

葉面積指數測定:平頂期測量葉長、葉寬，用單位土地面積上的煙株有效葉總面積表示葉面積指數(LAI):

式中，L 為平均葉長，D 為平均葉寬，w 為葉面積換算系數(本試驗中取0.6345)，N 為有效葉片數，n 為單位土地面積煙株數，S 為單位土地面積。

干物質積累量:于平頂期，將煙株按上部葉、中部葉、下部葉、根、莖取樣，置于105℃殺青后，80℃烘干至恒重，測定各部分干重。

記產:按小區單收，分別掛桿烘烤。 烤后按照國家標準GB 2635—92 對烤煙進行分級、稱重，計算產量、產值和等級結構。

化學成分:凱氏定氮法測定總氮含量，氣相色譜法測定煙堿含量，火焰光度法測定鉀含量，連續流動法測定還原糖、總糖、鉀、氯含量。

化學成分可用性指數(chemical components usability index，CCUI)[28，29]:運用主成分分析法，將烤煙總糖、還原糖、總氮、煙堿、鉀、氯含量和氮堿比、糖堿比、鉀氯比9 個化學成分指標進行主成分分析，提取得到3 個主要品質因子，累積方差貢獻率為88.71%，各化學成分的變量權重如表1 所示。 應用模糊數學建立隸屬函數N(x)，將化學成分指標原始數據轉換成0.1 ～1.0 的數值，不同的化學成分最適含量不一致，量綱存在差異性，因此總糖、還原糖、總氮、煙堿、氯含量以及糖堿比、氮堿比、鉀氯比采用P 型隸屬函數按照公式(1)、鉀含量采用S 型隸屬函數按照公式(2)計算隸屬度。 按照公式(3)計算CCUI 值，然后按CCUI 值≥80、80～60、60～40、＜40 將烤煙煙葉化學成分可用性分為好、較好、中等和稍差4 個檔次。

公式(1)和(2)中，x 為烤煙樣品的化學成分實際含量，x1、x2、x3、x4分別代表各化學成分指標的下臨界值、上臨界值、最優值下限、最優值上限(表1)。 公式(3)中Nik、Wik表示第i 個樣品第k 個指標的隸屬度值和權重系數。

表1 烤煙化學成分指標的隸屬函數類型和拐點值

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016、SPSS 18.0 軟件進行數據處理與分析，LSD 法進行差異顯著性檢驗(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 施氮量與種植密度互作對煙株各器官干物質積累量的影響

由表2 可知，相同施氮量處理下隨種植密度增大，根、莖及葉片干物質積累量減小，且處理間存在顯著性差異。 M1 種植密度下，根、莖及中、上部葉干物質積累順序均表現為N2＞N3＞N1；M2、M3 種植密度下，根、莖、葉干物質積累量呈現出隨施氮量增加而增加趨勢，即N3＞N2＞N1。 方差分析表明，施氮量對根和下、中、上部葉干物質量產生顯著影響，對莖干物質量產生極顯著影響；種植密度對根、莖、葉干物質量均產生極顯著影響。 種植密度對平頂期各器官干物質積累的影響大于施氮量。 施氮量與種植密度互作對莖干物質量產生顯著影響，對其余指標無顯著影響。

表2 施氮量與種植密度互作對平頂期煙株干物質積累量的影響 (g/株)

2.2 施氮量與種植密度互作對煙草株型特征的影響

由圖1 看出，所有處理葉長均隨葉位的升高呈先增加后減少趨勢。 隨施氮量的增加，不同密度處理的中、上部葉片長度較下部葉增加幅度更大，且最大葉長葉位升高；不同密度處理間下部葉葉長趨于一致，中、上部葉葉長隨種植密度的增大而減小。 縱向比較分析，隨施氮量的增加，不同種植密度處理間中、上部葉葉長差異變大，且最大葉長位置也有增高趨勢。

圖1 平頂期煙株不同葉位的葉長對種植密度的響應

平頂期不同處理煙株的農藝性狀如表3 所示。 隨著施氮量的增加，不同密度處理主莖呈增高變粗趨勢，中、下部葉葉長、葉寬增大，而上部葉在不同施氮量與種植密度處理下葉長、葉寬變化均不明顯。 方差分析表明，施氮量對株高和下部葉葉長產生極顯著影響，對中、上部葉葉長、下部葉葉寬產生顯著影響，種植密度對莖圍產生極顯著影響，其交互作用對莖圍產生顯著影響，對其余指標無顯著影響。

表3 施氮量與種植密度互作對平頂期煙株農藝性狀的影響

2.3 施氮量與種植密度互作對平頂期不同葉位葉片葉綠素含量的影響

由表4 看出，葉片葉綠素含量隨葉位升高均表現出逐漸增加趨勢。 隨施氮量的增加，同一葉位葉片葉綠素a、葉綠素b 及總葉綠素含量均升高，且存在顯著性差異；種植密度對同一葉位葉綠素a、葉綠素b 及總葉綠素含量的影響較小，不存在顯著性差異。 方差分析表明，施氮量對下部葉葉綠素a 及所有葉位的總葉綠素產生極顯著影響，對中、上部葉葉綠素a、下部葉葉綠素b 產生顯著影響；種植密度對葉綠素a、葉綠素b 和總葉綠素含量無顯著影響；施氮量與種植密度交互作用僅對中部葉總葉綠素含量有顯著影響，而對其他部位葉綠素含量影響不顯著。

表4 施氮量與種植密度互作對平頂期不同葉位葉片葉綠素含量的影響

2.4 施氮量與種植密度互作對群體葉面積指數的影響

由表5 看出，隨著種植密度的增大，烤煙群體葉面積指數和下部葉占群體葉面積指數的比例增加，且存在顯著性差異。 M1 種植密度下，N2、N3處理群體葉面積指數均顯著高于N1，N2、N3 之間無顯著性差異；M2、M3 種植密度下，不同施氮量下群體葉面積指數趨于一致，不存在顯著性差異。方差分析表明，種植密度對群體葉面積指數的影響大于施氮量，施氮量對群體葉面積指數有顯著影響，對中、上部位的分布比例產生極顯著影響；種植密度對群體葉面積指數和各部位的分布比例均產生極顯著影響；而施氮量和種植密度交互作用對上部葉的分布比例有極顯著影響。

表5 施氮量與種植密度互作對平頂期葉面積指數及空間分布比例的影響

2.5 施氮量與種植密度互作對煙葉產量和產值的影響

相同密度處理下隨施氮量的增加，單葉重呈增加趨勢，中上等煙比例、均價、產量、產值(N3M3 除外)也呈增加趨勢；同一施氮量條件下隨著種植密度的增大單葉重呈下降趨勢，中上等煙比例、均價(N3M3 除外)均呈下降趨勢，因而雖然產量顯著增加，但由于均價下降，產值變化不明顯(表6)。 低種植密度下，過度施用氮肥，反而會造成均價、產量、產值下降(N3M3 處理)，可能是因為高氮處理煙葉烘烤性較差，雖然烤前煙葉干物質積累較高，但烤后有效煙葉產量下降。 方差分析表明，施氮量與種植密度均對中上等煙比例、單葉重、均價、產量、產值產生極顯著影響；施氮量與種植密度對中上等煙比例、產值存在極顯著交互作用，對均價、產量存在顯著交互作用。

表6 施氮量與種植密度互作對烤煙產量和主要經濟性狀的影響

2.6 施氮量與種植密度互作對煙葉品質的影響

同一種植密度下，隨施氮量增加，下部葉總糖、還原糖含量減少；總氮、煙堿含量上升，糖堿比減小且存在顯著性差異:N2、N3 處理的CCUI 值均顯著高于N1，N2、N3 之間差異不顯著。 同一施氮量下，不同種植密度對各項指標均無顯著影響(表7)。 方差分析表明，施氮量對下部葉化學成分的影響大于種植密度，施氮量對還原糖、總糖、煙堿、總氮、糖堿比、CCUI 有極顯著影響，種植密度及其交互作用對化學成分無顯著影響。 其中N2M1、N2M2、N3M1、N3M2 處理的CCUI 值大于80 分，煙葉的化學可用性更好。

表7 施氮量與種植密度互作對下部葉化學成分的影響

隨著施氮量的增加，中部葉總糖、還原糖含量減少，總氮、煙堿含量上升，糖堿比減小，且存在顯著性差異；N2、N3 處理的CCUI 值均顯著高于N1。 同一施氮量下，隨密度降低，糖堿比減小，且存在顯著性差異，而CCUI 值變化不顯著(表8)。方差分析表明，施氮量對中部葉化學成分的影響大于種植密度，其中施氮量對還原糖、總糖、煙堿、總氮、糖堿比、CCUI 有極顯著影響，種植密度對煙堿、糖堿比產生極顯著影響，其交互作用對化學成分無顯著影響。 其中N2M2、N2M3、N3M1、N3M2、N3M3 處理的CCUI 值大于80 分，煙葉的化學可用性更好。

表8 施氮量與種植密度互作對中部葉化學成分的影響

隨著施氮量增加，上部葉總糖、還原糖含量減少，總氮、煙堿含量上升，糖堿比減小，且存在顯著性差異，CCUI 呈上升趨勢。 隨密度降低，還原糖、總糖、糖堿比減小，煙堿含量升高，且存在顯著性差異，CCUI 變化不顯著(表9)。 方差分析表明，施氮量對上部葉還原糖、總糖、煙堿、總氮、糖堿比、CCUI 有極顯著或顯著影響，種植密度對還原糖、總糖、煙堿、糖堿比產生極顯著影響，其交互作用對化學成分無顯著影響。 其中N2M3、N3M1、N3M2、N3M3 處理的CCUI 值大于80 分，煙葉的工業可用性更好。

表9 施氮量與種植密度互作對上部葉化學成分的影響

3 討論

合理密植是提高作物光熱資源利用率和發揮增產潛力的重要措施[9]。 本研究表明，種植密度對煙葉單位面積產量的影響大于施氮量，對煙葉單位面積產值的影響小于施氮量，說明產量主要受種植密度影響，產值受施氮量影響較大。 隨著種植密度增大，煙葉產量顯著增加，產值雖然呈增加趨勢，但差異不顯著；隨著施氮量增加，煙葉產量、產值均顯著增加(N3M3 除外)。 密植由于增加了單位面積株數，導致葉片數增加，總體產量提高，但由于煙葉均價和單葉重的下降，密植處理產值增幅較小。 當種植密度過低時，增加施氮量也會造成產量、產值的下降，這可能是因為增加施氮量會導致單株供氮量較大，煙葉烘烤性較差，雖然煙葉干物質積累較高，但烘烤加工后有效煙葉產量下降；而種植密度較大時，增加施氮量緩解了株間養分競爭，有利于植株生長。

培育烤煙理想株型的目的在于塑造煙株的形態特征和空間排列方式，改善群體結構和受光態勢，以充分利用光能，協調源庫關系，保障煙葉產量和化學成分的協調[30，31]。 密植可有效增強群體的光合生產潛力。 本研究中群體葉面積指數和下部葉占群體葉面積指數的比例隨種植密度的增加而增加。 但由于密植后單株的生長空間變小，導致煙株莖圍變小，中上部葉片變小，最大葉片葉位降低，根、莖及各部位葉片干物質積累均下降，導致單株生產力水平下降。 因此，密植的增產效應主要是通過提高烤煙群體的光合生產力，而非單株生產力。 隨著施氮量的增加，各部位葉片葉綠素含量升高，煙葉光合效率提高，同時煙株增高變粗，葉片變大，增加了光合生產面積，有利于單株干物質生產力的提高。 同時，增加施氮量更有利于營養物質向中、上部葉片分配，其干物質積累量增加，下部葉片干物質積累變化不明顯。 總體來說，密植有利于群體產量的提高，但單株生產力下降，施氮量能夠提高單株生產力，但對群體的增產效果不明顯。

煙葉的品質主要由單葉物質積累和化學成分含量決定。 本研究中密植導致煙草單株物質積累量降低，總糖、還原糖無明顯變化，但糖堿比增大，CCUI 值降低。 而施氮水平直接影響煙葉的碳氮代謝和多種化合物的合成，是煙葉質量調控的關鍵[32-34]。 方差分析表明，施氮量對煙葉化學成分的影響大于種植密度，并且隨施氮量增加，不同部位煙葉化學成分可用性指數先升高后降低，因而可以通過優化施氮量來提升煙葉品質。 可知，優化煙草栽培的行、株距和施氮量水平，是協調煙葉化學成分，提高煙葉品質的重要手段。 本研究中，從化學成分可用性指數來看，以N2M3、N3M1 和N3M2 處理的煙葉品質較佳，其上、中、下部葉CCUI 值均大于80 分。

4 結論

施氮量與種植密度均對烤煙個體發育、冠層結構及群體產質量產生重要影響。 提高種植密度顯著增加群體葉面積指數，提高產量，但煙葉品質下降；提高施氮量增加葉長、葉寬及葉綠素含量，烤后煙葉煙堿、總氮含量增加，還原糖、總糖含量降低，化學協調性先增加后降低。 施氮量與種植密度的交互作用對產量、產值有顯著影響，適當增加施氮量能夠在一定程度上緩解密植導致的品質下降。 本研究以施氮量120 kg/hm2、種植密度27750 株/hm2處理的煙葉產量和品質最為適宜，各部位煙葉化學成分可用性指數均大于85 分，但過高的種植密度可能增加用苗和用工成本。 綜合考慮煙葉產量、品質和經濟效益，山東煙區‘中煙100’適宜的施氮量為120 kg/hm2，種植密度為18500 株/hm2。