鄧建強(qiáng),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(yè)有限責(zé)任公司三峽卷煙廠,湖北 宜昌443000)
煙草總植物堿是煙草體現(xiàn)有商品價(jià)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(xué)品質(zhì)不協(xié)調(diào)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(yè)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(nóng)業(yè)措施集中在合理打頂、留葉,減氮增密,調(diào)控中微量元素,噴施外源生長調(diào)節(jié)劑,截流和斷根等技術(shù)[6,7]。但通過以上方法直接降低總植物堿含量,對煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量可能有顯著的負(fù)面影響[8,9],且某些技術(shù)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(qū)作為研究對象,布置多個(gè)烤煙大田栽培試驗(yàn),研究本區(qū)域范圍內(nèi)施氮量、移栽密度和土壤化學(xué)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(qū)域特有的降低總植物堿調(diào)控措施,為提高當(dāng)?shù)厣喜咳~工業(yè)可用性提供科學(xué)依據(jù)。
恩施煙區(qū)地處鄂西南(東經(jīng)109°4'48″—109°58'42″,北緯29°50'24″—30°40'00″),是湖北省煙葉的主產(chǎn)區(qū),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(yàn)于2017年和2018年4月在恩施州不同土壤肥力條件區(qū)域布置43個(gè)烤煙試驗(yàn)點(diǎn),采取施氮量和移栽密度二因素三水平設(shè)計(jì)(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(gè)處理,隨機(jī)排列,不設(shè)重復(fù)。于當(dāng)年11月試驗(yàn)結(jié)束,最終2017年和2018年獲得有效試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)分別為29個(gè)和41個(gè)。區(qū)域試驗(yàn)點(diǎn)分布見圖1。
圖1 試驗(yàn)點(diǎn)分布情況
移栽前30 d(未施肥),采用5點(diǎn)采樣法采集0~30 cm混合基礎(chǔ)土樣,測定土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀和pH。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定;土壤堿解氮采用堿擴(kuò)散法測定;土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬藍(lán)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(jì)型號(hào)為奧立龍818,具體流程參見《土壤農(nóng)化分析》[11]。煙葉烘烤后,取上部葉正組,采用連續(xù)流動(dòng)法測定總植物堿含量[12],流動(dòng)分析儀型號(hào)為美國AAS-305D。
數(shù)據(jù)處理在Excel 2007、SPSS 16.0、AMOS 23.0軟件和MATLAB(R2016b)平臺(tái)上進(jìn)行。多重比較差異性采用新復(fù)極差法。
由表1可知,研究區(qū)2017年和2018年的總植物堿含量分別為3.01%和3.42%,變異系數(shù)(CV)分別為15%和22%,屬于中等程度變異。土壤因素各指標(biāo)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(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)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(biāo)測定
以各試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)為重復(fù),對每年各處理進(jìn)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(shí),當(dāng)施氮量≤97.5 kg/hm2時(shí),高移栽密度16 665株/hm2,總植物堿基本為整個(gè)趨勢圖的最低點(diǎn),且在2017年與最高點(diǎn)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(shí),總植物堿受環(huán)境隨機(jī)因素的影響,且本試驗(yàn)區(qū)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(xié)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(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀為協(xié)變量綜合評價(jià)各因素對總植物堿的影響。結(jié)果(表2)顯示,協(xié)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(yàn)P均小于0.01。施氮量達(dá)到顯著水平(P<0.05),移栽密度及二者的交互作用未達(dá)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(chǎn)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(guān)。
表2 施氮量和移栽密度對總植物堿的協(xié)方差分析
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(yàn)點(diǎn)總植物堿的平均值為基礎(chǔ),與其土壤因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)相關(guān)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(fù)相關(guān)(P<0.01),其他指標(biāo)在分年度統(tǒng)計(jì)中均未達(dá)到顯著相關(guān),說明土壤速效磷與總植物堿有顯著關(guān)系。同時(shí),以pH、有機(jī)質(zhì)、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(fā)現(xiàn)回歸模型均極顯著通過了整體檢驗(yàn)(P<0.01),R2分別為0.16和0.28。由表4可知,僅有速效磷進(jìn)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(guān)分析
表4 煙草上部葉總植物堿的逐步回歸參數(shù)統(tǒng)計(jì)
進(jìn)一步探討土壤速效磷與總植物堿之間的內(nèi)在聯(lián)系,采取基于結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)的路徑分析方法檢測此類聯(lián)系是否真實(shí)存在,并評價(jià)土壤速效磷是否通過其他因素對總植物堿產(chǎn)生間接影響。結(jié)構(gòu)方程建模在AMOS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件中,采取最大似然估計(jì)進(jìn)行建模。通過表5可知,模型的x2/df為0.99,相應(yīng)的P為0.41(>0.05),其他擬合指數(shù)也均符合評判標(biāo)準(zhǔn),故認(rèn)為所建模型合理。在結(jié)構(gòu)方程模型(圖3)中單箭頭表示路徑,其值為標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)(r),表明正或負(fù)影響作用的相對大??;雙箭頭表示二者的相關(guān)性,其值為相關(guān)系數(shù)。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(qiáng)(r=0.59、P=0.000),主要與2年的數(shù)據(jù)具有一定差別有關(guān);堿解氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀和pH的r均未達(dá)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(shù)顯著(r=-0.11,P=0.034),與速效鉀間接路徑系數(shù)較大,為-0.086,占間接路徑系數(shù)的80%左右,可通過速效鉀間接對總植物堿產(chǎn)生影響。
表5 結(jié)構(gòu)方程模型擬合指數(shù)
圖3 主要土壤因素與煙草上部葉總植物堿的結(jié)構(gòu)方程模型
本研究協(xié)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(zhì)有關(guān)。在總植物堿中氮含量高達(dá)17.3%,其中,肥料氮對總植物堿合成的平均貢獻(xiàn)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(shí),雖然移栽密度與總植物堿之間關(guān)聯(lián)未達(dá)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(dāng)施氮量提高時(shí),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(diào)控的次要因素有關(guān)。綜上所述,煙葉生產(chǎn)中適度控制氮肥用量,在部分總植物堿較高區(qū)域采取高移栽密度措施,將對總植物堿偏高產(chǎn)生一定的抑制作用。
值得關(guān)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(qū)域總植物堿的首要因素,根據(jù)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(shù)據(jù),也得出了類似結(jié)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(shí),已有研究證實(shí),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(shí)繼續(xù)施磷可降低總植物堿[17]。以上現(xiàn)象可能歸因于以下幾點(diǎn):①磷是一種直接調(diào)控根系發(fā)育的信號(hào)物質(zhì)[18,19],對作物根系構(gòu)造產(chǎn)生影響,提高磷素供應(yīng)量將降低不定根數(shù)量[20],減少了總植物堿合成的位點(diǎn)數(shù)[21,22];②磷加速合成煙堿之前的硝酸鹽還原等過程,促進(jìn)煙株生長[23],縮短植株達(dá)到成熟的時(shí)間,從而減少打頂?shù)匠墒斓臅r(shí)間[24],縮短了總植物堿累積時(shí)間;③在供應(yīng)滿足煙葉基本生理需求的條件下,磷素可與土壤中其他養(yǎng)分產(chǎn)生交互作用,進(jìn)而對總植物堿產(chǎn)生影響[25],本研究中速效磷的間接路徑系數(shù)達(dá)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(shí)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
通過協(xié)方差分析發(fā)現(xiàn),施氮量對總植物堿的影響達(dá)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(chǎn)中,適度控制氮肥用量,在部分總植物堿易高區(qū)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(fā)現(xiàn),速效磷能直接顯著降低總植物堿,且間接路徑系數(shù)顯著,與速效鉀的間接路徑系數(shù)較大(占總間接路徑系數(shù)的80%),可通過土壤速效鉀間接地增強(qiáng)對總植物堿的影響。