水氮磷钾四因素对烤烟烟碱含量的影响研究

姜俊红，郑荣豪，汪 军，伍运林，李就好

(1.华南农业大学水利与土木工程学院，广州 510640；2.中国烟草公司广东省分公司烟叶管理处，广州 510610； 3.广东烟草韶关市有限公司，广东 韶关 512000)

0 引 言

烟碱是烟叶质量中最重要的化学成分，其含量直接决定烟叶内在品质、安全性和可用性[1]，同时也是烟叶香型划分的重要考虑因素。作为烟草特有的化学成分，其含量受到多方面的影响，其中肥料供应状况和灌水量对其影响较大。目前，国内关于水肥对烟碱含量的影响展开了许多研究，可分为水肥单因素试验[2-9]、水肥双因素试验[10-16]及氮磷钾肥三因素配比试验[17,18]，综合考虑水、氮、磷、钾四个因素对烟碱含量的影响及氮磷钾水对烟碱含量的交互效应的研究较少。水分问题一直是我国烤烟品质落后国际优质烟叶的一个重要因素。我国烤烟大多种植在山区坡地，许多烟区的灌溉系统还不完善，烟叶生产中干旱现象较频繁，严重影响烟株的正常生长发育，烟碱含量不协调；而灌水便利地区，为获得较高产量大水漫灌、重施氮肥、偏施磷肥现象普遍，虽能获得较高产量但烟叶香型特色趋弱，肥料利用率低下问题突出。从现有的研究可知，在烟草的生长过程中水分和肥料之间存在复杂的耦合关系，水肥合理搭配不仅可以增加烤烟的产量，也可以调节烤烟的内在化学品质，同时可减少养分的深层渗漏而减轻对环境的污染。因此，本文采用四元二次正交旋转组合设计对水氮磷钾四因素不同供应量与烤烟烟碱含量的影响进行试验分析，以期为能从氮、磷、钾、水分的用量和交互作用上调控烟叶烟碱含量，为优质烤烟的生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2014年在华南农业大学节水试验室遮雨棚内进行,遮雨大棚顶高4.5 m,为防止雨水飘进,四周设置1.5 m保护区。试验区属于典型亚热带气候，光照充足，年降雨量1 600～1 800 mm，年平均气温21.6 ℃。试验土壤取自南雄的紫色土，质地为砂壤土。田间持水量为FC=25.5%，土壤单位体积质量为1.45 g/cm3。土壤主要化学成分见表1。供试烤烟品种为“粤烟98”，统一育苗后于2014年3月1日移栽。试验所用盆高40 cm，盆口30 cm×30 cm，盆钵一侧距盆口10、20、30 cm处各有两个可供TRIME-P3探针插入测量土壤体积含水量的小孔，装土30 kg。每盆移栽1棵烟苗。移栽后，除水分、肥料用量因素外其他管理按优质烤烟管理规范进行。

1.2 试验方案设计

采用四元二次正交旋转组合设计(1/2实施)，分氮、磷、钾、水四个因素，每个因素设5个水平，按供应量从低到高分别为-1.682、-1、0、1、1.682水平共23个处理组合，9次重复，207盆，随机区组排列。缓苗移栽7 d后开始控水, 土壤含水量采用TRIME-P3 土壤含水率测量系统结合取土烘干法测定，隔2 d测一次，当试验组含水量达到设计含水量值下限时进行人工灌溉，灌水后土壤水分达到上限含水量。结合2011年及2012年的试验结果及烤烟的种植经验，试验各因素的具体施肥灌水量见表2。

试验所使用的肥料为以烟草专用复合肥为主,增补的钾肥用KO2,增补的磷肥用P2O5,增补的氮肥用硝铵磷(N含量32%，P2O5含量4.4%),分别计算每个处理的氮磷钾元素用量，移栽前将70%的肥料做基肥拌土施入，30%的肥料移栽15 d后兑水淋施。试验在烤烟伸根期结束(移栽42 d)、旺长期结束(移栽70 d)取各个试验组的烟叶，成熟期末取各个试验组烟株的中部烤后烟叶(从根部开始数第7～12叶)，粉碎过60目筛后用于化学成分分析。

表2 试验因子水肥编码表Tab.2 The levels of experimental factors and their codes

注：FC为土壤的田间持水率(质量含水率)，10%FC的含义为10%的田间持水量，其他的类推。

1.3 测定方法及测定结果

烟碱参照国家烟草行业标准(YC/T34)-烟草及烟草制品总植物碱的连续流动测定方法测定。测定结果如表3。

1.4 数据统计与分析

根据二次回归正交旋转组合设计的试验原理，采用DPS7.05、SPSS、MATLAB及EXCEL软件进行分析。

2 结果与分析

由表3的各生育阶段末烟碱含量结果可以看出,随着生长时间的推进,烤烟烟碱含量逐渐增高;伸根期末烟碱含量在0.322%～0.653%之间；旺长期末烟碱含量在0.708%～1.264%之间；成熟期末烟碱含量在1.983%～3.083%之间，处于在一般烟碱含量的变化范围1.5%～3.5%以内。

表3 试验设计方案及各个生育阶段末烟碱含量Tab.3 Test design schemes and results of nicotine content in different growth periods of flue-cured tobacco

2.1 伸根期末烟碱含量与氮、磷、钾肥及水分用量间的关系

利用四元二次多项式拟合了施氮量、 施磷量、施钾量及灌水量4个因子xi的编码值与伸根期末烤烟烟碱含量f的函数，但该函数其显著性检验F回=2.28，达不到0.05显著水平，因此函数没有实际的参考意义。同时也说明该时期的烟碱含量与施氮量、 施磷量、施钾量及灌水量的关系不明显。

2.2 旺长期末烟碱含量与氮、磷、钾肥及水分用量间的关系

利用四元二次多项式拟合水肥四因子和旺长期末烟碱含量的函数，剔出不显著项后获得的简易回归模型为：

f(x1,x2,x3,x4)=1.004 38+0.145 27x1

(1)

由方程分析可知，F回=4.308>F0.05(11,11)=2.82，即证明模型的回归系数达到0.05的显著水平，能反映烟碱含量随水肥变化的过程，可以作为旺长期烟碱预报的依据。简化模型中的回归系数只有一项，F1=20.97>F0.095(11,11)=4.84，达到了极其显著的水平，说明在本试验条件下，施氮量对旺长期烤烟的烟碱含量有重要的影响。烟碱含量会随着氮肥施加量的增加而增加。所建立的回归模型中，其他三项因素的系数及交互向的系数都不显著，说明在烤烟旺长期，磷、钾、水分对烟碱含量的影响不大，且四因素的交互作用不明显。

2.3 成熟期末烤烟烟碱含量与氮、磷、钾肥及水分用量间关系

在a=0.25显著水平下，剔出不显著项后，成熟期末烤烟烟碱含量与氮磷钾及水分的编码值拟合的简化归回模型函数为：

f(x1,x2,x3,x4)=2.628 17+0.189 66x1+0.118 19x2-

0.094 31x3-0.141 82x4+0.051 62x21-0.089 51x22-

0.112 49x23-0.070 84x1x4-0.070 84x2x3

(2)

回归方程的显著性检验F回=7.78>F0.05(11,11)=2.82，因此达到了0.05的极显著水平,可以作为用于预报烟碱含量随水肥用量变化的预报模型。

2.3.1单一因素对成熟期烤烟烟碱含量的影响

本试验满足正交性，模型中各项偏回归系数相互独立，可进行回归模型降维处理，固定其他因素为0水平，可得到各个因素对烟碱含量的一元偏归回模型。

施氮量：f(x1)=2.628 17+0.189 66x1+0.051 62x21(3)

施磷量：f(x2)=2.628 17+0.118 19x2-0.089 51x22(4)

施钾量：f(x3)=2.628 17-0.094 31x3-0.112 49x23(5)

灌水量：f(x4)=2.628 17-0.141 82x4

(6)

由以上4个模型可绘制单因子与烟碱含量的关系曲线，如图1。从图可以看出，施氮量与烟碱含量的关系为开口向上的抛物线，两者呈正相关关系，即随着施氮量的增加，烟碱含量增加；灌水量与烟碱含量的关系为线性关系，两者呈负相关关系，即随着灌水量的增加烟碱含量减少；施磷量和烟碱含量的关系为开口向下的抛物线，随着施磷量的增加烟碱含量呈现增加后减小。这与前人的研究结果基本一致[2,4,14，19,20]。从图中可以看出，施钾量与烟碱含量的关系为开口向下的抛物线，随着施钾量的增加，烟碱含量呈现先增加后减少的趋势，在-0.5水平达到极值，这与前人的研究结果稍有不同。目前部分试验结果证明烟碱含量随钾肥用量的增加而显著降低[5,11,17,18]，也有部分研究认为钾肥可以增加烟碱含量或两者之间关系不明显[7,9]。分析本试验烟碱含量随着施钾量增加先增加后减小的原因为在土壤钾素较低的情况增加钾肥可以使得植株的光和及合成物的运输能力增强，使得烟碱含量提高；当钾元素进一步增加时，植株大量应吸收钾元素降低了对氮元素的吸收，烟碱的合成受到抑制，同时施钾后株产量增加产生稀释效应使得烟碱含量随着施钾量的上升显著下降。

图1 各试验因子对烤烟烟碱含量的影响Fig.1 Effects of experimental factors on irrigation and fertilizers content in tobacco

2.3.2双因素对成熟期末烤烟烟碱含量的交互效应

与单一的水肥处理不同，氮磷钾水对烟碱的交互作用并非简单的加和减作用，还有可能存在协同促进或拮抗作用。在本试验中，共有6个交互向因素，其中达到0.01显著水平的有x1x4、x2x3。降维法处理后可以得到如下的子模型：

f(x1,x2)=2.628 17+0.189 66x1+0.051 62x21-

0.141 82x4-0.070 83x1x4

(7)

f(x2,x3)=2.628 17+0.118 19x2-0.089 51x22-

0.094 31x3-0.112 49x23-0.070 84x2x3

(8)

(1)施氮量和灌水量的一级交互效应。图2为氮水两因素对成熟期烤烟烟碱含量的交互效应曲线图。由图可以看出，当施氮量处于0及0水平以上时,烟碱含量随着灌水量的增加而逐渐减少；当施氮肥量处于0水平以下,烟碱含量随着灌水量的增加呈先增加后减少的趋势。这说明在中高氮肥施用量时，烟碱含量随着干旱程度的增加而增加，该结论与劳同浩等人[19,20]的结论一致；而在低氮施用量时，烟碱含量与灌水量之间存在一个极大值关系，其原因可能为灌水量的增加的使得土层中原先由于干旱无法到达根系的NO-13随着水分迁移到了烟株根系表面，提高了作物对氮的吸收利用率，使得烟碱合成能力增加含量上升，但当水分继续增加，水分对烟碱含量稀释作用起到了主导作用，使得烟碱含量下降。图2显示，当灌水量处于0.5以下水平时，烟碱含量随着施氮量的增加而增加；当灌水量处于0.5水平以上时，烟碱含量随着施氮量的增加呈现先降低后增加的趋势，且随着灌水量水平的增加其下降段下降的趋势越显著。其原因为氮元素对烟碱的合成影响较大，氮元素吸收越多烟碱含量越高，但当灌水量较大时，施氮量增加会使得烟叶植株增大，从而稀释了植株中的烟碱含量，但当施氮量继续增加，氮元素合成烟碱的能力超过了稀释作用，使得烟碱含量上升。从图2还可以看出，当灌水量为-1.682，施氮量为1.682时烟碱含量最高为3.421%；当灌水量为1.682，施氮量为-0.5时，烟碱含量最低为2.257%。综合看来，低氮高水可以降低烟碱含量，高水中低氮肥供应可以获得较高的烟碱含量。因此通过合理的灌水施氮可以调节烟碱含量。

图2 施氮量和灌水量对烤烟烟碱含量的交互效应Fig.2 Coupling effects between N fertilizer rate and irrigation amount on nicotine in flue-cured tobacco

图3 施磷量和施钾量对烤烟烟碱含量的交互效应Fig.3 Coupling effects between P fertilizer rate and K fertilizer rate on nicotine in flue-cured tobacco

(2)施磷量和施钾量的一级交互效应。从图3可以看出当施钾量一定时，烟碱含量随着施磷量的增加呈现先增加后降低的趋势，这种后下降的出现会随着施钾量的增加而提前出现。当施磷量一定时，烟碱含量随着施钾量的增加后降低的趋势，且这种后下降趋势的出现随着施磷量的增加而提前出现，这说明在高磷的环境中钾对烟碱的抑制做用更加的明显。两者对烟碱的相互影响在施肥量较低时呈先促进作用但在中高施肥量时呈拮抗作用关系，且钾对烟碱的抑制作用高于磷对烟碱的促进作用。当施磷量-1.682，施钾量为-1.682时，烟碱含量最低为1.816，即低水平的施钾量和施磷量可以获得低烟碱含量;当施磷量为1，施钾量为-1和-0.5时，即当施磷量为中高水平、施钾量为中低水平时烟碱含量达到最高为2.257%。综合来看，通过合理的调整磷钾的供应量可以调控烟叶的烟碱含量。

2.3.3氮磷钾水对成熟期烟碱含量的多因子交互作用

一般烟碱含量的变化范围在1.5%～3.5%，以2.2%～2.8%含量为最佳[19]。因此，筛选出烟碱含量处于2.2%～2.8%的所有模拟方案(共计273个)及盆栽试验(共计79.43盆)(考虑到试验方案设计时采用正交旋转需要，0方案共设7组，该组的试验盆栽数是其他的7倍，因此在统计时将0方案的统计数除以7处理后并入总统计数中)，并对这些方案的氮磷钾水因素的水平进行频率分析，如表4。

从表4中的回归模型预测的数据可以看出获得优质烟碱含量的方案中主要4因素的分布情况为氮肥和钾肥分布在-1、0水平，磷肥和水分为0、1水平，与实际盆栽试验统计数据的分布情况基本一致，不同在于盆栽试验数据中获得优质烟碱含量的各因素要更集中在-1水平到1水平的区间。这表明归回模型能较好的模拟四因子对烟碱的影响，同时也说明在试验条件下中等偏下的氮元素(5.52～9.2 g/pot)、中等偏上的磷元素(4.6～6.44 g/pot)、中等偏下的钾元素(11.04～18.4 g/pot)及中等偏上的水分(60%FC～70%FC)可以使得烤烟的烟碱含量处于适宜范围。盆栽试验比回归预测模型数据更集中在-1到1水平的原因可能是实际盆栽试在四因子组合时没有全面进行组合并实施，导致两端试验组数偏少。

表4 成熟期烟碱含量介于2.2%～2.8%的不同水肥方案中各因子取值的频率分布Tab 4 Frequency distribution of variable values in different irrigation and fertilizer application schemes with nicotine content between 2.2%～2.8%

3 结 语

通过盆栽试验，采用四元二次正交旋转组合设计，研究了氮磷钾水四因素对烤烟烟碱含量的影响，得到如下结论：

(1)所建立的水肥用量与旺长期和成熟期末烤烟烟碱含量的两个数学模型都达到显著水平。从模型上看氮供应量对旺长期的烟碱含量影响显著，而成熟期末的烟碱含量受到氮磷水钾四因素的显著影响。伸根期末烟碱含量与4因素的关系不显著。

(2)在试验施肥范围内，其他因子为0水平时，成熟期末烟碱含量随着施氮量的增加而明显上升，随着灌水量的增加而降低，随着施磷量的增加而先明显增加后缓慢下降，随着施钾量的增加先升高后显著下降。

(3)供氮量和灌水量及施磷量与施钾量之间交互性明显。供氮量和灌水量表现为拮抗作用，而施磷量和施钾量在较低肥量表现为促进作用而在中高肥量时表现为拮抗作用，其他交互作用不明显。由交互性分析可以得出在灌水量较大、施氮量较小可以降低烟碱含量；另外合理的施钾肥和磷肥也能降低烟碱含量。

(4)氮磷钾水合理配施可以使得烟叶的化学成分协调，使得烟叶的烟碱含量处于适宜的范围。过多地使用肥料不但造成生产成本增加、环境的污染也不利于优质烟叶的形成。基于本试验所选择的土壤与设计的水肥供应范围，中低氮元素(5.52～9.2 g/pot)、中等偏上的磷元素(4.6～6.44 g/pot)、中等偏下的钾元素(11.04～18.4 g/pot)及中等偏上的水分(60%FC～70%FC)可以使得烟叶烟碱含量最适宜。

本试验研究只参考了水肥供应量与烟碱含量的关系，没有综合考虑水肥供应对烤烟产量、产值、上等烟比例及其他化学品质的影响，需进一步分析水肥和烤烟综合品质的影响。

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