利用15 N示蹤技術探討烤煙在不同輪作方式下對氮素肥料的吸收與分配

孟源+陸引罡+周建云+陶文廣

摘要：應用15N穩定性同位素示蹤技術，研究了烤煙在不同的輪作方式下對氮素肥料的吸收利用情況。結果表明：煙株各部位總氮含量呈現葉片>莖>根，煙葉葉片總氮積累量上部葉>中部葉>下部葉的規律;通過15N的原子百分超的測定結果得到，煙株全氮中來源于吸收肥料氮的比例在不同部位的分布隨著葉位的升高而降低，來源于土壤氮的比例隨著葉位的升高而增加;不同輪作方式的氮肥利用率以烤煙—小麥輪作處理較高，為23.71%，烤煙—油菜輪作處理與烤煙—空閑輪作處理居中，二者分別為23.04%和22.3%，烤煙—黑麥草輪作處理較低，僅為18.11%，烤煙較好的輪作方式為烤煙—小麥輪作和烤煙—油菜輪作。

關鍵詞：烤煙;15N;輪作;吸收;分配

中圖分類號： S572.06 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0099-03

收稿日期：2014-05-19

基金項目：湖南中煙公司資助項目（編號：H110378）。

作者簡介：孟 源（1988—），男，碩士研究生。E-mail：mengyuan881122@126.com。

通信作者：陸引罡，教授。E-mail：agr.yglu@gzu.edu.cn。

烤煙作為一種不耐連作的作物，在種植的過程中，輪作成為煙草種植制度的主要內容。通過合理輪作，可以改善烤煙的生長環境，均衡利用土壤養分，減少病蟲害發生，提高烤煙產量和質量[1]。對煙草生產而言，輪作中的關鍵問題是前茬作物（前作）的選擇。在煙草生產中，要正確地評定茬口，為輪作選擇合理的茬口，以利于前后作相互銜接，揚長避短，趨利避害[2]。在目前的研究中，有關前作的研究主要集中在玉米、小麥、水稻、大豆等作物上[3-4]，而前作對煙草生長及品質影響的研究較少[5]。在煙草生產中，前作的選擇主要以減少煙草的病害為主，不同前作的茬口特性對煙草品質及營養的影響考慮得較少[6-7]。本研究選擇了油菜、小麥、黑麥草以及空閑作為烤煙的前作，應用穩定性同位素15N示蹤技術，探討不同前作情況下煙草對氮肥的吸收利用情況，為輪作周期中烤煙前作的選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2012—2013年在貴州省貴陽市開陽縣龍崗鎮“貴陽煙葉示范基地”進行，該地位于云貴高原地區，屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，年平均氣溫為15.3 ℃，年平均相對濕度為78%，降水主要集中在5—8月，年平均降水量 1 129.5 mm。試驗地耕層（0～20 cm）土壤pH值6.63，有機質含量 13.78 g/kg，堿解氮含量98.63 mg/kg，速效磷含量 21.52 mg/kg，速效鉀含量121.43 mg/kg，土壤容重 1.45 g/cm，最大田間持水量28.31%。供試烤煙品種為南江3號。

1.2 試驗設計

試驗共設5個處理，分別為對照（CK）、烤煙—休閑、烤煙—油菜、烤煙—小麥、烤煙—黑麥草，每個處理重復3次，共15個小區，試驗采用隨機區組排列，每小區設5個重復（微區），每個微區種植1株烤煙（在煙苗移栽前挖深0.5 m、直徑0.5 m的坑，取出全部土壤后沿坑壁圍上油毛氈，再將土壤按順序全部填回土坑），微區單獨采樣進行15N的分析，田間管理與試驗小區相同;栽煙行株距1.0 m×0.6 m，移栽密度為16 500株/hm2，小區試驗采用常規處理。田間管理按優質煙生產技術進行?？緹熕鐽、P2O5、K2O比例約為 10 ∶ 10 ∶ 25，純氮量約為6 g/株。氮肥采用15NH415NO3（豐度10.20%，由上?；ぱ芯吭禾峁??；适┯昧空际┓士偭康?0%，追肥施用量為30%。氮肥、鉀肥追肥在烤煙移栽后30 d一次性施入。

表1 烤煙不同輪作方式氮素肥料試驗方案

處理 輪作方式

總施氮量（g/株）

基肥（70%） 追肥（30%）

1 CK 0 0

2 烤煙—休閑 11.5 4.9

3 烤煙—油菜 11.5 4.9

4 烤煙—小麥 11.5 4.9

5 烤煙—黑麥草 11.5 4.9

1.3 取樣及測定

分4個不同時期進行整株取樣，分成根、莖、下部葉、中部葉、上部葉等5個部位，洗凈切碎，放烘箱于105 ℃殺青，60～70 ℃烘干，稱質量后磨碎成粉待測。15N樣品送國家海洋局第三海洋所用質譜法測15N豐度以及全氮含量。

煙株各組織器官全N量中分別來自15N-肥料和土壤的百分比的計算[8-10]：

煙株吸收的肥料氮占總吸氮量的百分比（Ndff%）=（煙株的15N原子百分超/肥料的15N原子百分超）×100%。

Ndfs% =1-Ndff%。

（1）

式中：Ndff指來自于肥料的氮（簡稱肥料氮）;Ndfs指來自于土壤的氮（簡稱土壤氮）。

肥料利用率的計算[8]：

（2）

RN=m1×C1×A1m2×C2×A2×100%。

式中：RN為氮肥利用率（%）;m1為植株干質量;m2為施入的15N標記肥料質量;C1為植株含氮量;C2為肥料含氮量;A1為植株15N原子百分超;A2為標記肥料的原子百分超。

2 結果與分析

2.1 不同輪作方式下不同前作對烤煙生物量的影響

表2結果表明，施肥的4個處理的總干質量顯著高于對照，對照（CK）平均為261.91 g/株，烤煙—空閑、烤煙—油菜、烤煙—小麥、烤煙—黑麥草平均總干質量分別比對照增加48.71%、59.99%、65.96%和35.89%。施肥增產顯著，4種輪作處理處理之間的生物量差異也比較顯著，總干質量、根系干質量以及地上部干質量由高到低順序為小麥>空閑>油菜>黑麥草，說明小麥田的肥料殘留較低，黑麥草田的肥料殘留較高。同時，通過根系干質量以及地上部干質量的差異比較結果可知，烤煙—油菜與CK、烤煙—空閑以及烤煙—黑麥草之間的差異達顯著水平;而與烤煙—小麥之間的差異性不顯著，說明這2種輪作方式處理的植株長勢相差不大，且肥料的殘留較低，適宜烤煙的生長，可以明顯提高烤煙的產量。

表2 不同輪作方式下的烤煙生物量

處理 根系干

質量

（g） 相對

生物量

（%） 地上部

干質量

（g） 相對

生物量

（%） 總干

質量

（g） 相對

生物量

（%）

CK 42.7c 100.00 219.21d 100.00 261.91e 100.00

烤煙—空閑 66.23b 155.11 323.26b 147.47 389.49c 148.71

烤煙—油菜 69.44a 162.62 345.50ab 157.61 419.03b 160.00

烤煙—小麥 70.41a 164.89 364.27a 166.17 434.67a 165.96

烤煙—黑麥草 47.87c 112.11 308.03c 140.51 355.90d 135.88

注：相對生物量=烤煙各部位的生物量/對照時烤煙各部位的生物量×100%。同列數據后不同小寫字母表示差異顯著（P<0.05）。表5同。

2.2 不同輪作方式下不同前作對烤煙體內總氮含量的影響

從表3可以看出，在不同的輪作方式下，煙株各部位總氮的含量存在差異。其中烤煙—小麥輪作方式下煙株總氮、各部位氮的含量較高，而烤煙—黑麥草輪作方式的含量較低，表明在相同的施肥水平下，不同前作的茬口影響了煙株總氮以及各部位氮的含量。同時，煙株各部位總氮含量呈現葉片>莖>根，煙葉葉片總氮積累量為上部葉>中部葉>下部葉的規律，說明煙株總氮在不同部位的分布是隨著葉位的升高而升高的。4種不同輪作方式的全株含氮量與CK之間的差異性也達到極顯著水平。因此，煙株各部位總氮的含量受前作的影響，而且不同的前作對煙株總氮含量的影響與施氮與否有關。不同輪作方式下煙株各部位的全氮含量如圖1所示。

表3 氮素在煙株中不同部位的分布

處理 全株含N量

（g）

根 莖 下部葉 中部葉 上部葉

含N量

（g） 占全株N

（%） 含N量

（g） 占全株N

（%） 含N量

（g） 占全株N

（%） 含N量

（g） 占全株N

（%） 含N量

（g） 占全株N

（%）

CK 2.79e 0.25 8.96 0.43 15.41 0.57 20.43 0.68 24.37 0.86 30.82

烤煙—空閑 3.96c 0.47 11.87 0.64 16.16 0.78 19.70 0.95 23.99 1.12 28.28

烤煙—油菜 4.61b 0.57 12.36 0.78 16.92 0.82 17.79 1.15 24.95 1.29 27.98

烤煙—小麥 4.85a 0.61 12.58 0.76 15.67 0.94 19.38 1.19 24.54 1.35 27.84

烤煙—黑麥草 3.63d 0.39 10.74 0.55 15.15 0.73 20.11 0.87 23.97 1.09 30.03

2.3 不同輪作方式下不同前作對15N在烤煙體內分布的影響

從表4可以看出，在不同的輪作方式下，煙株各部位氮來自肥料和土壤的比例存在差異?？緹煛筒撕涂緹煛←溳喿鞣绞较聼熤旮鞑课坏牡獊碜杂诜柿系谋壤^高，而烤煙—黑麥草輪作方式下煙株各部位的氮來自于肥料的比例較低，來源于土壤氮的比例與之相反。同時，通過15N的原子百分超的測定結果（見表4）可以看出，煙株全氮中來源于吸收肥料氮的比例在不同部位的分布是隨著葉位升高而降低的，來源于土壤氮的比例隨著葉位的升高而增加，說明肥料中15N可優先向生長旺盛的器官中轉移。

綜合表4和圖1結果可知，來源于肥料提供的氮素在煙草體內各部位的分配比例與葉片著生部位高低關系密切，而與各部位干物質積累關系不大。在烤煙—小麥輪作中，上部葉片全氮中肥料所占比例為19.33%，而下部葉中肥料所占的比例為26.03%，兩者相差很大，但是上部葉中含氮量明顯高于下部葉。由此可見，肥料氮所占比例與全氮含量有密切的關系，而葉片的不同著生部位直接影響全氮的含量。

2.4 不同輪作方式下不同前作對氮素肥料利用率的影響

從表5中可以看出，不同前作影響著煙株對氮肥的利用率，烤煙—小麥輪作利用率最高，烤煙—油菜輪作和烤煙—休閑輪作次之，烤煙—黑麥草輪作氮肥利用率最低。因此，煙株對氮肥的利用率同樣受到前作影響。氮肥利用率差異性分析的結果顯示，烤煙—小麥和烤煙—黑麥草在成熟期時，不同輪作方式間的氮肥利用率差異達到了極顯著水平，特別是烤煙黑麥草輪作的氮肥利用率僅為烤煙—小麥輪作的76.38%;對不同的輪作方式來說，烤煙—小麥輪作和烤煙—油菜輪作的氮肥利用率較高，烤煙—黑麥草輪作的氮肥利用率最低;前

表4 氮素在煙株體內各部位的分布比例

%

處理

根 莖 下部葉 中部葉 上部葉

Ndff% Ndfs% Ndff% Ndfs% Ndff% Ndfs% Ndff% Ndfs% Ndff% Ndfs%

CK 0.00 100.00 0.00 100.00 0.00 100.00 0.00 100.00 0.00 100.00

烤煙—空閑 11.55 88.45 13.45 86.55 19.13 80.87 11.97 88.03 10.94 89.06

烤煙—油菜 15.42 84.58 17.57 82.43 23.93 76.07 18.55 81.45 16.44 83.56

烤煙—小麥 18.41 81.59 21.30 78.70 26.03 73.97 21.07 78.93 19.33 80.67

烤煙—黑麥草 7.24 92.76 8.88 91.12 11.50 88.50 7.76 92.24 7.13 92.87

作、施肥對氮肥利用率的影響均達到了極顯著水平。不同輪作方式下不同時期烤煙對氮素肥料的利用率如圖2所示。

表5 不同時期烤煙對氮素肥料的利用率

處理

氮素利用率（%）

團棵期 旺長期 現蕾期 成熟期

烤煙—空閑 6.31b 12.66c 18.05c 22.3b

烤煙—油菜 6.61b 13.77b 19.33b 23.04a

烤煙—小麥 7.99a 15.93a 21.42a 23.71a

烤煙—黑麥草 5.75c 11.6d 16.2d 18.11c

3 討論

在煙草輪作周期中，前作的選擇是輪作成敗的關鍵。不同的前作由于生長周期不同、對營養元素的吸收存在差異等因素，導致前作收獲后，形成了不同的土壤環境，即茬口特性，作物種類不同，茬口特性的表現不同[7]。從作物與土壤養分關系的角度來看，各類作物對于磷、鉀、鈣等都是消耗的，但對于氮和碳卻有消耗和增加的區別[11]。禾本科作物小麥富碳耗氮，在一般的產量水平下，吸氮量大，導致茬口中土壤氮素虧缺，土壤中殘留的氮素較少[12];油菜屬于半養地作物，雖然吸收的氮素較多，但返回田地的物質（莖、根茬等）也較多，在一定程度上減少了對養分的消耗，增加了土壤氮素，是較好的前作作物[13];黑麥草對水肥條件敏感，尤其喜氮肥，對氮的消耗量較大，收獲后帶走的養分也較多，因此，土壤中殘留的氮素不多，且營養元素之間不平衡[14]。不同作物殘留氮量的不同，主要體現在對烤煙生長的影響上，在不施氮的情況下，總干質量由高到低的順序依次為小麥>油菜>空閑>黑麥草。

不同的前作下，烤煙對氮肥的吸收利用存在差異。不同前作煙株各部位氮來自肥料的比例有差異，在相同的施肥水平下，烤煙—黑麥草輪作方式下煙株各部位氮來自肥料的比例均較低，氮肥的利用率最低，說明在黑麥草茬口上，烤煙利用的氮肥主要來自于土壤氮?？緹煛←溳喿鞣绞较?，氮肥的增產效應很明顯，說明前作為小麥時，種植烤煙時肥料較易調控。輪作方式為烤煙—空閑時，由于肥料殘留偏高，通過施肥來進行調控比較困難。筆者之前試驗研究得到，在正常降水年份情況下，幾種不同輪作方式中以烤煙—油菜輪作方式較好，烤煙—空閑輪作方式較差。但進入2013年5月份以后，由于受到北方冷空氣和南方暖濕氣流的影響，試驗地區出現了歷史罕見的連續性大雨、暴雨、特大冰雹以及低溫寡照天氣，降水較多，氣溫較低，導致烤煙生育前期氣溫低，肥料流失嚴重，并且影響到根系的生長發育，對養分的吸收產生不利影響，特別是對烤煙—黑麥草輪作方式的影響較為突出。4種不同輪作方式處理中氮肥利用率以烤煙—小麥輪作較高，烤煙—油菜輪作和烤煙—休閑輪作居中，烤煙—黑麥草輪作較低。由此得到，在雨水多的年份提倡烤煙—小麥輪作，在雨水少的年份提倡烤煙—油菜輪作比較利于煙株正常生長發育，提高肥料利用率。

不同的輪作方式不僅影響烤煙對氮素的吸收、利用和分布，而且影響烤煙的產量、質量。因此，在烤煙的輪作周期中，要根據前作的茬口特性來選擇前作，盡量選用前作肥料殘留較少、茬口較好的地塊，如小麥田、油菜田等，盡量不要選用肥料殘留過多的地塊，如空閑田、黑麥草田等。另外，還必須根據前作收獲后的土壤肥力特點來確定烤煙的施肥水平，從而實現烤煙的優質生產。此外，由于烤煙屬于比較特殊的經濟作物，有關不同前作對烤煙生產影響的研究還不夠系統、深入[15]。在本研究中，筆者僅研究了不同前作的氮肥效應對烤煙的影響，具體前作的茬口特性是如何影響烤煙的產量、質量的[16]，還缺乏必要的理論支撐，需要進一步深入研究。

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