施氮量与种植密度对‘中烟100’烟叶产量及化学成分的影响

王玉林孙延国高峻管恩森段旺军石屹吴元华王晓琳

(1. 中国农业科学院烟草研究所，山东 青岛 266101；2. 中国农业科学院研究生院，北京 100081；3. 四川省烟草公司凉山州公司，四川 西昌 615000；4. 山东潍坊烟草有限公司诸城分公司，山东 诸城 262200；5. 四川中烟工业有限责任公司，四川 成都 610066)

烟草是我国重要的叶用经济作物之一，烟叶品质受品种、环境条件和农艺措施的影响[1-3]。优化栽培技术可以调节烟草植株的个体发育，改善烟叶品质，提升烟叶产量和经济效益[4，5]。

施氮量与种植密度是影响烟叶产量和品质的重要栽培措施。 密植是提高单产的有效措施[6-8]。 种植密度能够改变冠层光截获和分布特征，调控株型结构，影响叶片光合特性，进而影响烟叶品质及产量水平[9，10]。 缪志建等[11]研究发现，烤烟种植密度为15152 株/hm2时产量最高。 而郭宁等[12]在更大密度区间(13500～19500 株/hm2)的研究表明，烤烟产量始终随着密度的增大而增加。刘继坤[13]在山东潍坊烟区的研究表明，种植密度在18500(行株距1.2 m×0.45 m)～27750株/hm2(行株距1.2 m×0.30 m)范围内可提高烟叶产量，解决烟草有效经济产量过低的问题。 种植密度也影响烟叶化学成分含量。 随着种植密度的减小，中上部叶总糖、还原糖含量降低，总氮、烟碱含量升高，而密度对下部叶化学成分的影响较小[14，15]。 研究表明种植密度对经济性状的影响显著，密度过大或过小都将加剧烟叶品质和产量之间的矛盾[16，17]。

氮是植株生长的必需营养元素，烟叶产量和品质与施氮量关系极为密切[18，19]。 施氮量增加时，烟草株高、叶片数、叶长和叶宽明显增加，群体叶面积指数、叶面积指数最大值呈增加趋势，光合效率提高，冠根比和各器官干物质积累量增加[20，21]。 氮素作为烟草中许多大分子化合物的组成成分，对烟叶品质的形成产生显著影响，适当增施氮肥有利于烟株的生长发育，提高化学协调性及烟叶品质[22，23]。 余小芬等[20]的研究表明，适量减氮能使烟叶总糖、还原糖显著升高，总氮、烟碱含量降低，烟叶化学成分更加协调。 但过高的施氮水平将引起上等烟比例和均价的降低[24]，因而确定最优施氮量对烟叶产量提高和品质优化具有重要意义，也是烟叶生产中的难点。

受耕地面积和经济发展水平的影响，山东烟区烟叶生产存在多年连作、土壤营养失调和灌溉、肥料等生产投入单一等问题[25，26]。 ‘中烟100’作为山东烟区的主栽品种，具有耐肥性、耐水性好、抗病毒能力强等优点，但尚未建成适宜施氮量和种植密度的可用性配套技术。 通过探索田间条件下种植密度、施氮量及其交互作用对烟草生长发育的影响，分析优化施氮量能否弥补密植导致的烟叶质量下降这一问题，从农艺措施上缓解产量和质量的矛盾，有利于提高烟叶产量和农民收入，稳定山东烟区生产。 时向东等[27]研究表明，种植密度对烤烟光合性能的影响主要表现在平顶期，其叶片碳同化能力差异最明显，是烟叶干物质积累和品质形成的关键时期。 为此，本试验以‘中烟100’为材料研究种植密度和施氮量对其平顶期株型和烤后烟叶化学成分的影响，以期确定山东烟区烟叶优质生产的适宜施氮量和种植密度。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与材料

试验于2019年在山东诸城市琅埠农场(E 119.129°，N 36.007°，海拔112 m)进行。 供试烤烟品种为‘中烟100’。 试验地为棕壤，耕层土壤基本理化性质:有机质含量11.67 g/kg、碱解氮52.63 mg/kg、全氮0.89 g/kg、速效磷27.61 mg/kg、全磷0.22 g/kg、速效钾192.95 mg/kg、全钾3.34 g/kg，pH 值6.6。

1.2 试验设计

试验采用施氮量、种植密度两因素裂区设计，施氮量为主处理，设3 个水平，分别为施N 0(N1)、60(N2)、120 kg/hm2(N3)，P2O5用量均为45 kg/hm2，K2O 用量均为165 kg/hm2，所有肥料均为一次性基施；种植密度为副处理，设3 个水平，分别为27750、18500、13880 株/hm2，对应株距分别为30 cm(M1)、45 cm(M2)、60 cm(M3)，行距均为120 cm。 每处理重复4 次，其中3 个重复用于试验过程取样，1 个重复用于烤后烟叶取样。 裂区在主区内纵向排布，裂区之间设0.5 m间隔，重复之间设1 m 间隔。

试验按照当地最适移栽期移栽，于初花期打顶，留叶数均为20 片。 试验区配备滴灌设施，保障水分供应。 其他田间管理措施均按照当地生产方案执行，保持各小区农事操作的一致性。

1.3 测定项目与方法

烟苗移栽90 d 后(平顶期)取样，将整株有效叶片从下往上分别编号为1～20，下、中、上部叶分别为6、7、7 片。

农艺性状:按照烟草行业标准YC/T 142—2010 于平顶期测量株高、茎围和上、中、下叶片的长和宽。

叶绿素含量测定:利用打孔器(直径6 mm)随机取4 个叶圆片，浸泡在80%丙酮中，振荡使圆片被完全浸泡，定容至10 mL，暗处理48 h，至叶片完全变白，暗处理期间每隔8 h 振荡一次。 用紫外分光光度计(UV-2600)分别在663 nm 和646 nm 波长下测定OD 值，并计算叶绿素含量。

叶面积指数测定:平顶期测量叶长、叶宽，用单位土地面积上的烟株有效叶总面积表示叶面积指数(LAI):

式中，L 为平均叶长，D 为平均叶宽，w 为叶面积换算系数(本试验中取0.6345)，N 为有效叶片数，n 为单位土地面积烟株数，S 为单位土地面积。

干物质积累量:于平顶期，将烟株按上部叶、中部叶、下部叶、根、茎取样，置于105℃杀青后，80℃烘干至恒重，测定各部分干重。

记产:按小区单收，分别挂杆烘烤。 烤后按照国家标准GB 2635—92 对烤烟进行分级、称重，计算产量、产值和等级结构。

化学成分:凯氏定氮法测定总氮含量，气相色谱法测定烟碱含量，火焰光度法测定钾含量，连续流动法测定还原糖、总糖、钾、氯含量。

化学成分可用性指数(chemical components usability index，CCUI)[28，29]:运用主成分分析法，将烤烟总糖、还原糖、总氮、烟碱、钾、氯含量和氮碱比、糖碱比、钾氯比9 个化学成分指标进行主成分分析，提取得到3 个主要品质因子，累积方差贡献率为88.71%，各化学成分的变量权重如表1 所示。 应用模糊数学建立隶属函数N(x)，将化学成分指标原始数据转换成0.1 ～1.0 的数值，不同的化学成分最适含量不一致，量纲存在差异性，因此总糖、还原糖、总氮、烟碱、氯含量以及糖碱比、氮碱比、钾氯比采用P 型隶属函数按照公式(1)、钾含量采用S 型隶属函数按照公式(2)计算隶属度。 按照公式(3)计算CCUI 值，然后按CCUI 值≥80、80～60、60～40、＜40 将烤烟烟叶化学成分可用性分为好、较好、中等和稍差4 个档次。

公式(1)和(2)中，x 为烤烟样品的化学成分实际含量，x1、x2、x3、x4分别代表各化学成分指标的下临界值、上临界值、最优值下限、最优值上限(表1)。 公式(3)中Nik、Wik表示第i 个样品第k 个指标的隶属度值和权重系数。

表1 烤烟化学成分指标的隶属函数类型和拐点值

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016、SPSS 18.0 软件进行数据处理与分析，LSD 法进行差异显著性检验(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 施氮量与种植密度互作对烟株各器官干物质积累量的影响

由表2 可知，相同施氮量处理下随种植密度增大，根、茎及叶片干物质积累量减小，且处理间存在显著性差异。 M1 种植密度下，根、茎及中、上部叶干物质积累顺序均表现为N2＞N3＞N1；M2、M3 种植密度下，根、茎、叶干物质积累量呈现出随施氮量增加而增加趋势，即N3＞N2＞N1。 方差分析表明，施氮量对根和下、中、上部叶干物质量产生显著影响，对茎干物质量产生极显著影响；种植密度对根、茎、叶干物质量均产生极显著影响。 种植密度对平顶期各器官干物质积累的影响大于施氮量。 施氮量与种植密度互作对茎干物质量产生显著影响，对其余指标无显著影响。

表2 施氮量与种植密度互作对平顶期烟株干物质积累量的影响 (g/株)

2.2 施氮量与种植密度互作对烟草株型特征的影响

由图1 看出，所有处理叶长均随叶位的升高呈先增加后减少趋势。 随施氮量的增加，不同密度处理的中、上部叶片长度较下部叶增加幅度更大，且最大叶长叶位升高；不同密度处理间下部叶叶长趋于一致，中、上部叶叶长随种植密度的增大而减小。 纵向比较分析，随施氮量的增加，不同种植密度处理间中、上部叶叶长差异变大，且最大叶长位置也有增高趋势。

图1 平顶期烟株不同叶位的叶长对种植密度的响应

平顶期不同处理烟株的农艺性状如表3 所示。 随着施氮量的增加，不同密度处理主茎呈增高变粗趋势，中、下部叶叶长、叶宽增大，而上部叶在不同施氮量与种植密度处理下叶长、叶宽变化均不明显。 方差分析表明，施氮量对株高和下部叶叶长产生极显著影响，对中、上部叶叶长、下部叶叶宽产生显著影响，种植密度对茎围产生极显著影响，其交互作用对茎围产生显著影响，对其余指标无显著影响。

表3 施氮量与种植密度互作对平顶期烟株农艺性状的影响

2.3 施氮量与种植密度互作对平顶期不同叶位叶片叶绿素含量的影响

由表4 看出，叶片叶绿素含量随叶位升高均表现出逐渐增加趋势。 随施氮量的增加，同一叶位叶片叶绿素a、叶绿素b 及总叶绿素含量均升高，且存在显著性差异；种植密度对同一叶位叶绿素a、叶绿素b 及总叶绿素含量的影响较小，不存在显著性差异。 方差分析表明，施氮量对下部叶叶绿素a 及所有叶位的总叶绿素产生极显著影响，对中、上部叶叶绿素a、下部叶叶绿素b 产生显著影响；种植密度对叶绿素a、叶绿素b 和总叶绿素含量无显著影响；施氮量与种植密度交互作用仅对中部叶总叶绿素含量有显著影响，而对其他部位叶绿素含量影响不显著。

表4 施氮量与种植密度互作对平顶期不同叶位叶片叶绿素含量的影响

2.4 施氮量与种植密度互作对群体叶面积指数的影响

由表5 看出，随着种植密度的增大，烤烟群体叶面积指数和下部叶占群体叶面积指数的比例增加，且存在显著性差异。 M1 种植密度下，N2、N3处理群体叶面积指数均显著高于N1，N2、N3 之间无显著性差异；M2、M3 种植密度下，不同施氮量下群体叶面积指数趋于一致，不存在显著性差异。方差分析表明，种植密度对群体叶面积指数的影响大于施氮量，施氮量对群体叶面积指数有显著影响，对中、上部位的分布比例产生极显著影响；种植密度对群体叶面积指数和各部位的分布比例均产生极显著影响；而施氮量和种植密度交互作用对上部叶的分布比例有极显著影响。

表5 施氮量与种植密度互作对平顶期叶面积指数及空间分布比例的影响

2.5 施氮量与种植密度互作对烟叶产量和产值的影响

相同密度处理下随施氮量的增加，单叶重呈增加趋势，中上等烟比例、均价、产量、产值(N3M3 除外)也呈增加趋势；同一施氮量条件下随着种植密度的增大单叶重呈下降趋势，中上等烟比例、均价(N3M3 除外)均呈下降趋势，因而虽然产量显著增加，但由于均价下降，产值变化不明显(表6)。 低种植密度下，过度施用氮肥，反而会造成均价、产量、产值下降(N3M3 处理)，可能是因为高氮处理烟叶烘烤性较差，虽然烤前烟叶干物质积累较高，但烤后有效烟叶产量下降。 方差分析表明，施氮量与种植密度均对中上等烟比例、单叶重、均价、产量、产值产生极显著影响；施氮量与种植密度对中上等烟比例、产值存在极显著交互作用，对均价、产量存在显著交互作用。

表6 施氮量与种植密度互作对烤烟产量和主要经济性状的影响

2.6 施氮量与种植密度互作对烟叶品质的影响

同一种植密度下，随施氮量增加，下部叶总糖、还原糖含量减少；总氮、烟碱含量上升，糖碱比减小且存在显著性差异:N2、N3 处理的CCUI 值均显著高于N1，N2、N3 之间差异不显著。 同一施氮量下，不同种植密度对各项指标均无显著影响(表7)。 方差分析表明，施氮量对下部叶化学成分的影响大于种植密度，施氮量对还原糖、总糖、烟碱、总氮、糖碱比、CCUI 有极显著影响，种植密度及其交互作用对化学成分无显著影响。 其中N2M1、N2M2、N3M1、N3M2 处理的CCUI 值大于80 分，烟叶的化学可用性更好。

表7 施氮量与种植密度互作对下部叶化学成分的影响

随着施氮量的增加，中部叶总糖、还原糖含量减少，总氮、烟碱含量上升，糖碱比减小，且存在显著性差异；N2、N3 处理的CCUI 值均显著高于N1。 同一施氮量下，随密度降低，糖碱比减小，且存在显著性差异，而CCUI 值变化不显著(表8)。方差分析表明，施氮量对中部叶化学成分的影响大于种植密度，其中施氮量对还原糖、总糖、烟碱、总氮、糖碱比、CCUI 有极显著影响，种植密度对烟碱、糖碱比产生极显著影响，其交互作用对化学成分无显著影响。 其中N2M2、N2M3、N3M1、N3M2、N3M3 处理的CCUI 值大于80 分，烟叶的化学可用性更好。

表8 施氮量与种植密度互作对中部叶化学成分的影响

随着施氮量增加，上部叶总糖、还原糖含量减少，总氮、烟碱含量上升，糖碱比减小，且存在显著性差异，CCUI 呈上升趋势。 随密度降低，还原糖、总糖、糖碱比减小，烟碱含量升高，且存在显著性差异，CCUI 变化不显著(表9)。 方差分析表明，施氮量对上部叶还原糖、总糖、烟碱、总氮、糖碱比、CCUI 有极显著或显著影响，种植密度对还原糖、总糖、烟碱、糖碱比产生极显著影响，其交互作用对化学成分无显著影响。 其中N2M3、N3M1、N3M2、N3M3 处理的CCUI 值大于80 分，烟叶的工业可用性更好。

表9 施氮量与种植密度互作对上部叶化学成分的影响

3 讨论

合理密植是提高作物光热资源利用率和发挥增产潜力的重要措施[9]。 本研究表明，种植密度对烟叶单位面积产量的影响大于施氮量，对烟叶单位面积产值的影响小于施氮量，说明产量主要受种植密度影响，产值受施氮量影响较大。 随着种植密度增大，烟叶产量显著增加，产值虽然呈增加趋势，但差异不显著；随着施氮量增加，烟叶产量、产值均显著增加(N3M3 除外)。 密植由于增加了单位面积株数，导致叶片数增加，总体产量提高，但由于烟叶均价和单叶重的下降，密植处理产值增幅较小。 当种植密度过低时，增加施氮量也会造成产量、产值的下降，这可能是因为增加施氮量会导致单株供氮量较大，烟叶烘烤性较差，虽然烟叶干物质积累较高，但烘烤加工后有效烟叶产量下降；而种植密度较大时，增加施氮量缓解了株间养分竞争，有利于植株生长。

培育烤烟理想株型的目的在于塑造烟株的形态特征和空间排列方式，改善群体结构和受光态势，以充分利用光能，协调源库关系，保障烟叶产量和化学成分的协调[30，31]。 密植可有效增强群体的光合生产潜力。 本研究中群体叶面积指数和下部叶占群体叶面积指数的比例随种植密度的增加而增加。 但由于密植后单株的生长空间变小，导致烟株茎围变小，中上部叶片变小，最大叶片叶位降低，根、茎及各部位叶片干物质积累均下降，导致单株生产力水平下降。 因此，密植的增产效应主要是通过提高烤烟群体的光合生产力，而非单株生产力。 随着施氮量的增加，各部位叶片叶绿素含量升高，烟叶光合效率提高，同时烟株增高变粗，叶片变大，增加了光合生产面积，有利于单株干物质生产力的提高。 同时，增加施氮量更有利于营养物质向中、上部叶片分配，其干物质积累量增加，下部叶片干物质积累变化不明显。 总体来说，密植有利于群体产量的提高，但单株生产力下降，施氮量能够提高单株生产力，但对群体的增产效果不明显。

烟叶的品质主要由单叶物质积累和化学成分含量决定。 本研究中密植导致烟草单株物质积累量降低，总糖、还原糖无明显变化，但糖碱比增大，CCUI 值降低。 而施氮水平直接影响烟叶的碳氮代谢和多种化合物的合成，是烟叶质量调控的关键[32-34]。 方差分析表明，施氮量对烟叶化学成分的影响大于种植密度，并且随施氮量增加，不同部位烟叶化学成分可用性指数先升高后降低，因而可以通过优化施氮量来提升烟叶品质。 可知，优化烟草栽培的行、株距和施氮量水平，是协调烟叶化学成分，提高烟叶品质的重要手段。 本研究中，从化学成分可用性指数来看，以N2M3、N3M1 和N3M2 处理的烟叶品质较佳，其上、中、下部叶CCUI 值均大于80 分。

4 结论

施氮量与种植密度均对烤烟个体发育、冠层结构及群体产质量产生重要影响。 提高种植密度显著增加群体叶面积指数，提高产量，但烟叶品质下降；提高施氮量增加叶长、叶宽及叶绿素含量，烤后烟叶烟碱、总氮含量增加，还原糖、总糖含量降低，化学协调性先增加后降低。 施氮量与种植密度的交互作用对产量、产值有显著影响，适当增加施氮量能够在一定程度上缓解密植导致的品质下降。 本研究以施氮量120 kg/hm2、种植密度27750 株/hm2处理的烟叶产量和品质最为适宜，各部位烟叶化学成分可用性指数均大于85 分，但过高的种植密度可能增加用苗和用工成本。 综合考虑烟叶产量、品质和经济效益，山东烟区‘中烟100’适宜的施氮量为120 kg/hm2，种植密度为18500 株/hm2。