高嘉寧，張 丹，楊蒙嶺，陳玉藍

(1.中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2.中國科學院大學，北京 100049；3.廣西博世科環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，廣西 南寧 530000；4.四川省煙草公司涼山彝族自治州公司，四川 西昌 615000)

【研究意義】煙草(Nicotianatabacum)是茄科煙草屬一年生或有限多年生草本植物，是我國一種重要的經(jīng)濟作物，廣泛分布于華中、黃淮、東北和西南山區(qū)[1]。在煙草栽培時，施肥能顯著影響煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)[2-3]。研究發(fā)現(xiàn)，當煙草處于正常生長時，每增加100 kg的煙葉干重約需要吸收氮2.3～2.6 kg、磷1.2～1.5 kg、鉀4.8～6.4 kg[4]。孫麗蓉等研究認為，當土壤全氮含量為0.076%～0.168%、速效氮為45～135 g/kg、速效磷為10～35 mg/kg時，更有利于提高煙葉質(zhì)量[5]。從植物營養(yǎng)的角度來看，煙葉生長和伸展時，需要充足的肥料供應以維持自身正常的代謝和物質(zhì)積累，而落黃成熟時應減少養(yǎng)分供應尤其是氮肥[6]。煙葉品質(zhì)受遺傳、環(huán)境和農(nóng)業(yè)耕作措施等諸多因素的影響，而合理的養(yǎng)分管理決定了優(yōu)質(zhì)煙草的生長，對煙葉特定化學成分、致香物質(zhì)的貢獻僅次于品種，達25%[7-8]。因此，在特定的品種和環(huán)境條件下，合理施肥是調(diào)控煙葉產(chǎn)量與質(zhì)量的關鍵?！厩叭搜芯窟M展】目前，關于氮磷鉀配施對煙葉產(chǎn)量與品質(zhì)影響的報道較多，但對施肥時造成煙葉安全性研究的報道較少。煙草是一種對重金屬吸收較強的作物[9]。張艷玲等研究認為，我國煙草中存量最多的重金屬元素是Cd，遠高于Pb、Hg和As，平均含量高達2.95 mg/kg[10]。研究發(fā)現(xiàn)，煙草對Cd的富集能力最強，尤其是煙葉中的Cd富集系數(shù)達10以上[11-12]。煙葉的品質(zhì)評價不僅包括了外觀、產(chǎn)量和質(zhì)量方面，還包括安全性評價。涼山彝族自治州是四川省著名的煙草道地產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)生產(chǎn)的煙草因品質(zhì)優(yōu)良，常作為商品銷售至省內(nèi)和省外。然而，涼山彝族自治州的植煙區(qū)多位于紫色土坡耕地，因缺乏科學的施肥指導，加之嚴重的水土流失，導致該區(qū)域煙草種植在產(chǎn)量和質(zhì)量上存在極大的不穩(wěn)定性，挫傷了農(nóng)民的生產(chǎn)積極性。【本研究切入點】本文以“云煙87”作為供試材料，以涼山彝族自治州會東縣姜州鎮(zhèn)的典型紫色土為供試土壤，通過盆栽試驗，研究不同氮、磷、鉀配施對煙葉生物量和品質(zhì)成分含量的影響，同時分析了各施肥處理條件下，煙葉對重金屬Cd的吸收與富集特性。【擬解決的關鍵問題】此研究結(jié)果為區(qū)域煙草栽培種植進行合理施肥提供一定的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

考慮到植煙土壤連作障礙對施肥及煙草生長帶來的負面效應，本試驗采用涼山彝族自治州會東縣姜州鎮(zhèn)植煙區(qū)臨近的菜園土作為供試土壤。將采集的土壤(0～20 cm)過5 mm篩，去掉粗顆粒物及其它繁殖體，并對其基本理化性質(zhì)進行分析測定：pH為5.89，有機質(zhì)含量為22.17 mg/kg，總氮為1.65 g/kg，銨態(tài)氮與硝態(tài)氮分別為1.90和35.60 mg/kg，總磷為0.81 g/kg，重金屬Cd含量為0.21 mg/kg。

1.2 試驗設計

2018年4月上旬，將處理好的供試土壤以每盆13 kg的干重量裝入直徑50 cm，深40 cm的花盆中，并將長勢相同的“云煙87”幼苗移栽至花盆內(nèi)，穩(wěn)定一周后，施以不同配比的氮、磷、鉀肥，每個處理設置3個重復。供試肥料氮肥為硝酸銨(NH4NO3，含N 35%)、磷肥為磷酸鈣Ca3(PO4)2，含P 38.7%、鉀肥為硫酸鉀(K2SO4，含K 42.5%)，各處理施肥水平及施肥量(表1)。

表1 試驗設計和施肥量

1.3 株高和葉干重生物量的測定

各處理的煙株生長90 d后，分別對其株高和葉片生物量(上部葉、中部葉和下部葉)進行測定。并計算株高和葉干重生物量的增加率，用以評價各施肥處理的增產(chǎn)效果。

1.4 品質(zhì)成分的測定

煙葉中的鉀、煙堿、總糖(還原糖)和總氮含量的測定采用連續(xù)流動分析法，具體實驗方法參照我國煙草行業(yè)標準(YC/T 217-2007[13]、YC/T 160-2002[14]、YC/T 159-2002[15]、YC/T 161-2002[16])。

1.5 煙草中的Cd含量及其富集特性

收集不同處理條件下的植物(根、莖和葉片)和土壤樣品，研磨至適宜的粉末狀待測。土壤樣品用HNO3-HF-HClO4-HCl法消解。煙草樣品采用HNO3-H2O2法消解。重金屬Cd含量采用電感耦合等離子質(zhì)譜法(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS，Agilent7700x，美國)測定，檢測限為0.005 mg/L。通過分析標準品進行質(zhì)量控制(土壤標準品為GBW-07405；植物為GBW-07603)。ICP-MS測試精度的相對標準偏差(RSD)在5%以內(nèi)，標準物質(zhì)回收率變化范圍為95%～105%。

同時，計算煙株根部和莖部的Cd富集系數(shù)(BCF)，評價煙草對土壤重金屬Cd的吸收與富集能力[17]。

(1)

1.6 數(shù)據(jù)分析

本文使用IBM SPSS 20.0和Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對煙草株高和葉干重生物量的影響

由表2可以看出，隨氮、磷、鉀肥施用量的增加，煙草株高和葉干重生物量明顯增加(P<0.05)。處理N2P2K1的株高和葉干重生物量最高，分別為85.1 cm和62.8 g，與對照組(N1P1K1)相比，分別增加20.3% 和131.0%；其次是處理N2P2K2、N2P1K2、N2P1K1，株高增加率分別為16.6%、13.3%和12.9%，葉干重生物量增加率分別為126.9%、103.1%和97.1%；處理N1P2K1、N1P1K2和N1P2K2最低，株高增加率分別為10.3%、8.0% 和8.1%，葉干重生物量增加率分別為37.7%、43.2%和67.2%。分別觀察高氮(N2P1K1)、高磷(N1P2K1)和高鉀(N1P1K2)肥對煙草株高和葉干重生物量增加的貢獻率，發(fā)現(xiàn)氮、磷、鉀肥的貢獻率分別為52.98%、25.72%和21.30%，且氮肥的增加效果顯著優(yōu)于磷肥和鉀肥(P<0.05)，說明增施氮肥能明顯促進煙草株高和葉干重生物量的增加。

表2 施肥對煙草株高和葉干重生物量的影響

2.2 施肥對煙葉品質(zhì)成分的影響

2.2.1 施肥對煙葉鉀含量的影響 由圖1可知，各處理煙葉鉀含量呈顯著性差異(P<0.05)。其中以處理N2P1K2的含量最高，為3.22%，與對照組相比增加了79.80%；其次是處理N2P2K2、N1P1K2和N1P2K2，含量分別為2.89%、2.65% 和2.58%，增加率分別為59.44%、48.76% 和43.95%；處理N2P1K1、N2P2K1和N1P2K1的含量最低，分別為2.10%、2.04%和1.83%，增加率僅為16.98%、14.07%和2.92%。由此可以看出，增施鉀肥能明顯促進煙株對礦質(zhì)元素鉀的吸收，提高煙葉中的含鉀量。

圖1 施肥對煙葉鉀含量的影響(誤差為標準差)

2.2.2 施肥對煙葉煙堿和總氮含量的影響 由圖2-a～b可知，各施肥處理煙堿和總氮含量呈顯著性差異(P<0.05)。煙堿含量以處理N2P1K2、N2P2K1和N2P2K2最高，分別為3.05%、3.03%和2.88%，與對照組相比分別提高了61.24%、60.41%和52.47%；其次是處理N2P1K1，含量為2.78%，增加率為47.06%；處理N1P1K2、N1P2K1和N1P2K2的含量最低，分別為2.25%、2.07%和1.79%，增加率僅為11.06%、9.59%和5.29%?？偟恳蕴幚鞱2P2K1、N2P1K2和N2P2K2最高，分別為3.86%、3.76%和3.75%，與對照組相比分別提高73.80%、67.66%和67.32%；其次是處理N2P1K1，含量為3.61%，增加率為58.88%；處理N1P1K2和N1P2K1、N1P2K2的含量最低，分別為2.82%、2.73%和2.65%，增加率僅為10.87%、4.83%和1.41%。由此可以看出，高水平的氮肥組合(N2P1K2和N2P2K1)能顯著提高煙葉中的煙堿和總氮含量，而單施鉀肥和磷肥對煙葉煙堿和總氮含量的影響不顯著(P>0.05)。

圖2 施肥對煙葉煙堿(a)和總氮(b)含量的影響

2.2.3 施肥對煙葉還原糖和總糖含量的影響 由圖3a,3-b可知，隨氮、磷、鉀施肥量的增加，煙葉中的還原糖和總糖含量均出現(xiàn)降低，且各處理含量間存在顯著性差異(P<0.05)。處理N2P1K1和N2P2K1的還原糖含量最低，分別為18.45%和18.50%，較對照組分別降低了64.10%和63.64%；其次是處理N2P2K2、N1P2K2、N1P2K1和N1P1K2，含量分別為19.55%、20.70%、22.21%和22.58%，降低率分別為54.88%、46.28%、36.29%和34.10%；處理N2P1K2的含量最高，為25.89%，降低率僅為16.97%。各施肥處理總糖含量變化與還原糖存在相同的趨勢。其中以處理N2P1K2的總糖含量較高，為27.74%，降低率為23.26%。上述研究結(jié)果表明，增施氮肥使煙葉中的還原糖和總糖含量明顯降低，一定程度上不利于煙葉中糖類物質(zhì)的合成和積累。

圖3 施肥對煙葉還原糖(a)和總糖(b)含量的影響

2.2.4 施肥對煙草吸收、富集重金屬Cd的影響 由圖4-a可以看出，氮、磷、鉀配施對煙草根部Cd含量和Cd富集系數(shù)具有顯著影響。處理N2P2K1、N2P1K1和N1P2K1根部Cd含量最高，分別為3.38、2.33和2.86 mg/kg，其含量顯著高于其它施肥處理(P<0.05)。同時，處理N2P2K1、N2P2K2和N1P2K1根部Cd富集系數(shù)最高，分別為0.34、0.42和0.30。由圖4-b可知，不同施肥處理煙草莖部Cd含量也存在相同的趨勢，其中，處理N2P2K1、N1P2K1和N1P2K2莖部Cd含量最高，分別為2.02、1.75和1.89 mg/kg，其含量顯著高于其它施肥處理(P<0.05)。而隨施肥量的增加，莖部Cd的富集系數(shù)略有降低。由此可以看出，高水平的氮、磷肥能明顯促進煙草根部對Cd的吸收與富集，而煙株莖部的Cd富集特性可能與植物內(nèi)部的轉(zhuǎn)運機制有關。另外，鉀肥對煙株吸收富集Cd的影響不顯著。

a.煙草根部Cd含量；b.煙草莖部Cd含量；c.煙葉Cd含量。BCF-R為煙草根富集系數(shù)，BCF-S為煙草莖富集系數(shù)；不同小寫字母為同一煙葉部位不同施肥處理間的差異

由圖4-c可以看出，各施肥處理下部煙葉Cd含量最高，均值為2.06 mg/kg，其次為中部葉，均值為1.58 mg/kg，上部葉Cd含量最低，均值為1.16 mg/kg?？梢钥闯觯魇┓侍幚頍熑~中的重金屬Cd含量表現(xiàn)為下部葉>中部葉>上部葉。同時，各施肥處理煙葉Cd含量的方差分析結(jié)果表明，處理N2P2K1和N2P2K2下、中、上部煙葉Cd含量最高，其含量值顯著高于其它施肥處理(P<0.05)。其中，處理N2P2K1下、中、上部葉Cd含量分別為2.69、1.75和1.44 mg/kg，處理N2P2K2下、中、上部葉Cd含量分別為2.09、1.66和1.42 mg/kg。而處理N2P1K2下、中、上部葉Cd含量最低，分別為1.57、1.37和1.11 mg/kg。由此可以看出，高水平的氮、磷肥增加煙葉產(chǎn)量的同時，也能促進煙葉對重金屬Cd的吸收富集，進而使煙葉中的Cd含量明顯增加，而鉀肥對煙葉Cd含量的影響不顯著。

2.3 煙葉品質(zhì)成分的相關分析

由表3可以看出，株高與還原糖和總糖含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與K和Cd含量呈顯著負相關(P<0.05)；葉干重生物量與煙堿、還原糖和總糖含量呈顯著正相關(P<0.05)，與K含量呈極顯著負相關(P<0.01)。煙葉K含量與總氮呈極顯著正相關(P<0.01)，與煙堿、還原糖和總糖含量呈極顯著負相關(P<0.01)；煙堿含量與Cd含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與總氮含量呈極顯著負相關(P<0.01)；總氮含量與還原糖、總糖和Cd含量呈顯著負相關(P<0.05)；還原糖和總糖呈極顯著正相關(P<0.01)。由此可以看出，煙草株高、葉干重生物量和各品質(zhì)成分含量兩兩間存在顯著相關性。其中，重金屬Cd對煙草生長產(chǎn)生明顯的抑制作用，能顯著降低煙葉中的總氮含量，但有利于煙葉鹽堿含量的合成和積累。

表3 煙葉生理與生化指標的相關系數(shù)

3 討 論

本研究表明，施肥能顯著影響煙株長勢，對煙草株高和葉干重生物量的影響程度為氮肥>磷肥>鉀肥，這與化黨領和陳義強等人的研究結(jié)果一致[18-19]。已有研究證實，增施氮肥使煙株的農(nóng)藝性狀協(xié)調(diào)，抗病力增強，且產(chǎn)量明顯增加[20-21]。賈興華等研究發(fā)現(xiàn)，氮肥能提高煙草體內(nèi)代謝酶活性，提高碳氮代謝，從而增加干物質(zhì)的積累量，但施用量過高時，會導致煙草體內(nèi)代謝過程紊亂[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，增施氮肥(高氮肥處理)能顯著提高煙葉中的煙堿和總氮含量，但不利于煙葉總糖和還原糖成分的合成和積累，這與鄧小鵬等的研究結(jié)果相一致[23]。研究認為，煙葉適宜的糖堿比為5～10，糖氮比為4～10，糖堿比和糖氮比過高或過低都會影響吸煙口感[1]。通過分析各施肥處理煙葉糖堿比和糖氮比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低氮肥處理使煙葉的糖堿比和糖氮比過高，而高氮肥處理使煙葉糖堿比和糖氮比更趨協(xié)調(diào)，即糖堿比介于6.93～9.84，糖氮比介于5.44～10.38。由此可以看出，增施氮肥雖然降低了煙葉中的還原糖和總糖含量，但有利于促進煙葉糖、煙堿和總氮含量配比協(xié)調(diào)，其中以處理N2P1K2的糖堿比和糖氮比最佳，分別為9.10和7.38。但值得注意的是，湯宏等通過田間小區(qū)試驗研究黔東南煙草種植區(qū)的最佳施氮量，發(fā)現(xiàn)高水平的氮肥使煙葉中的還原糖含量提高了4.67%～9.66%，總糖含量提高了8.57%～14.18%，這與本文的研究結(jié)果存在明顯差異，可能是有機和無機氮肥共同作用的結(jié)果[24]。研究認為，適當配比的有機、無機氮肥是優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)煙葉的必要條件[25]，無機氮肥配施有機肥促使煙葉各品質(zhì)成分的比例更趨協(xié)調(diào)，能有效提升煙葉香氣質(zhì)和香氣量，降低刺激性和雜氣，同時增加煙株氮素吸收量，提高肥料氮的利用率[24, 26]。

磷肥也能促進煙株生長和煙葉干重生物量的增加，但對煙葉品質(zhì)含量的肥效作用不明顯。在很大程度上磷肥是通過與氮肥或鉀肥配合施用，從而起到協(xié)調(diào)煙葉致香物質(zhì)含量、提高煙葉產(chǎn)量與質(zhì)量的效果[19]。鉀是影響煙草物質(zhì)代謝和能量代謝的重要品質(zhì)元素之一，直接影響煙葉的香氣量、香氣質(zhì)、香氣型和燃燒性，是評價煙葉質(zhì)量的一個重要指標[27-28]。本研究發(fā)現(xiàn)，鉀肥能明顯促進煙株對礦質(zhì)元素鉀的吸收，且煙葉鉀含量和累積量隨施肥量的增加而增加。王亞虹等研究發(fā)現(xiàn)，煙葉含鉀量與鉀肥的施用量呈顯著正相關性，且鉀肥分次追施的肥效作用優(yōu)于一次性基施[29]。胡國松等研究發(fā)現(xiàn)，進入旺長期的煙株鉀含量隨施肥量的增加而增加，且煙草對鉀素的吸收高峰略前于干物質(zhì)的累積高峰[30]。張為濤通過研究普通鉀肥和控釋鉀肥對煙草養(yǎng)分吸收、產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分的影響，發(fā)現(xiàn)在煙草旺長期控釋硝酸鉀和氯化鉀處理的土壤速效鉀含量較普通施肥處理顯著提高了12.5% 和11.4%，明顯提高了土壤鉀素的供應強度，滿足了旺長期煙株對鉀素的需求，使成熟期煙草各農(nóng)藝性狀更加協(xié)調(diào)，煙葉中的鉀含量明顯提高[31]。因此，從上述研究結(jié)果可以看出，鉀素是煙草生長過程中不可或缺的重要養(yǎng)分，持續(xù)的鉀素供應使煙葉鉀含量顯著提高，明顯提升煙葉品質(zhì)。

煙葉是整個煙株最具經(jīng)濟價值的部位，煙葉中的Cd含量是評價煙草品質(zhì)安全的重要指標。有研究認為，大量的Cd富集能打破煙葉體內(nèi)礦質(zhì)元素平衡，從而間接影響煙葉品質(zhì)質(zhì)量[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，Cd對煙草生長產(chǎn)生了明顯的抑制作用，能顯著降低煙葉中的總氮含量，但有利于煙葉鹽堿含量的合成和積累，從而進一步影響煙葉的感官質(zhì)量和安全性[33]。各施肥處理煙葉中的Cd含量均值為下部葉(2.06 mg/kg)>中部葉(1.58 mg/kg)>上部葉(1.16 mg/kg)，這與吳玉萍等人的研究結(jié)果相一致[34]，且其含量均顯著低于煙草Cd的限量閾值(3.0 mg/kg)[35]。同時，高水平的氮、磷肥能顯著提高和活化土壤中的Cd含量，促進煙草根部對Cd的吸收和富集。已有研究證實，施用化肥與不施肥土壤相比Cd和Pb含量明顯增加，且增施磷肥對農(nóng)田土壤Cd、As和Pb含量增加的貢獻率最大[36-37]。趙晶等研究認為，肥料本身的酸堿性以及肥料在土壤中發(fā)生成分轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的酸性和堿性物質(zhì)能顯著影響土壤pH值，進而使土壤中的有效鎘含量發(fā)生變化[38]。上述研究結(jié)果表明，氮肥和磷肥對土壤總Cd含量和Cd的生物有效性均具有明顯影響，這可能是高氮和高磷處理條件下煙草根、莖、葉Cd含量增加的主要原因。另外，鉀肥對煙株吸收富集Cd的影響不顯著，這與晏哲等人的研究結(jié)果相一致[39]。

4 結(jié) 論

施肥能顯著影響煙草地上部生物量和品質(zhì)成分含量。從地上部生物量的積累來看，氮、磷、鉀肥對煙草株高和葉干重生物量的影響程度為N>P>K，氮肥的增加效果最明顯，其次是磷肥，鉀肥最差。從品質(zhì)成分的含量與配比來看，增施鉀肥能明顯提高煙葉的含鉀量，增施氮肥能顯著提高煙葉煙堿和總氮含量，且有利于促進煙葉糖堿和糖氮的配比協(xié)調(diào)。

在本試驗條件下，各施肥處理煙葉中的Cd含量均值表現(xiàn)為下部葉(2.06 mg/kg)>中部葉(1.58 mg/kg)>上部葉(1.16 mg/kg)。高水平的氮、磷肥配施能顯著促進煙株對土壤Cd的吸收與富集，從而使煙葉中的Cd含量明顯增加，而鉀肥對煙株吸收富集Cd的影響不顯著。相關性分析結(jié)果表明，Cd對煙草生長產(chǎn)生了明顯的抑制作用，能顯著降低煙葉中的總氮含量，但有利于煙葉鹽堿含量的合成和積累。

綜合考慮煙株地上生物量、煙葉品質(zhì)配比及重金屬Cd含量，本研究推薦的最佳施肥處理為N2P1K2，即N∶P∶K為1∶0.45∶2.06。獲得優(yōu)質(zhì)煙草平均株高和葉干重生物量分別為79.2 cm和55.2 g；煙葉鉀、煙堿、總氮、還原糖、總糖含量分別為3.22%、3.05%、3.76%、25.89%和27.74%，糖堿比為9.10，糖氮比為7.38；下、中、上部葉Cd含量分別為1.57、1.37和1.11 mg/kg，均顯著低于煙草Cd的限量閾值(3.0 mg/kg)。因此，認為該施肥方案可以在涼山彝族自治州各煙區(qū)推廣應用，同時可為相近地區(qū)的煙草施肥提供參考。但本研究還存在一些不足：如只考慮了無機化肥對煙草生物量和品質(zhì)成分的影響，而忽略了有機肥在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收方面的作用；忽略了氣候、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和農(nóng)業(yè)管理措施(如灌溉和種植制度)等對煙草生物量和品質(zhì)成分含量的影響。建議在今后的研究中，進一步優(yōu)化實驗方案，結(jié)合大田試驗，研究區(qū)域優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的最佳施肥量和施肥配比。