种植密度和施氮量对烤烟碳氮代谢关键酶及品质的影响

黄佳 李信 王子一 艾亥麦提·艾麦尔江 杨友才

摘要：研究种植密度和施氮量对浏阳烟区烤烟碳氮代谢关键酶和品质特征的影响，以期为该地区烤烟特色原料的质量保障提供技术支撑。以烤烟G80为研究对象，采用田间裂区试验，设置3个不同种植密度（C1：15 151株/hm2、C2：16 666株/hm2、C3：18 181株/hm2），3个水平施氮量（B1：150.0 kg/hm2、B2：172.5 kg/hm2、B3：195.0 kg/hm2），分析种植密度和施氮量2个因素对烤烟G80生长过程中碳氮代谢关键酶活性和烤后烟叶品质的影响。研究结果表明，在同一种植密度下，随着施氮量增加，烟叶硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、淀粉酶（AL）活性均有所提高；烤后烟叶总糖含量、还原糖含量、糖碱比降低，烟碱、氮含量增加，氯离子、钾含量表现出先增后降的趋势。在同一施氮量下，随种植密度增大，各酶活性均表现出先升后降的趋势；烤后烟叶总糖、还原糖、糖碱比增加，烟碱含量降低。以种植密度C2（16 666株/hm2），施氮量B2（172.5 kg/hm2）相结合的C2B2处理烟叶碳氮代谢过程较为协调，各项化学成分较为适宜，有利于提高浏阳烟区烤烟G80的品质，对该产区烟叶生产可持续发展具有重要意义。

关键词：烤烟G80；种植密度；施氮量；碳氮代谢；烟叶品质

中图分类号：S572.04；S572.06  文献标志码：A  文章编号：1002-1302（2023）09-0082-06

基金项目：湖南中烟工业有限责任公司项目（编号：202043000934135）。

作者简介：黄 佳（1998—），女，湖南涟源人，硕士研究生，研究方向为农业生态学。E-mail：3540126533@qq.com。

通信作者：杨友才，博士，教授，研究方向为农业生态和作物栽培。E-mail：820132479@qq.com。

碳氮代谢是烟株生长过程中最基础的代谢过程，其代谢强度和协调程度对烟叶的化学组成与转化起着至关重要的作用［1-2］。碳、氮代谢过程紧密联系，它们共同作用于植株的生长发育。碳代谢为氮代谢供给能量与碳源，而氮代谢过程中所生成的酶、蛋白质等物质又用于碳代谢［3］。在适宜时间内及时从氮代谢、碳的固定转化代谢向碳的积累代谢过渡是生产优质烟叶的关键环节［4］。烤烟碳氮代谢过程以及烟叶品质的形成受光照、温度、施肥等多种因素的影响。种植密度作为烟田管理中的重要栽培措施，它通过改变田间小气候、群体光合效能以及烟株对水、肥等的利用状况来影响烤烟碳氮代谢过程和烟叶品质［5］。氮素是烤烟所需营养元素中限制其生长发育和品质的首要因素［6-7］。氮肥施用不合理会造成碳氮代谢不平衡、烟叶品质下降等不良后果，且会降低氮肥的利用率［8］。张嘉雯等研究发现，适宜的种植密度能增强烟叶碳氮代谢能力，提高烟叶化学品质［9］。鲁黎明等研究发现，氮肥施用量对烟叶氮代谢产物的含量、氮代谢关键酶基因的表达产生显著影响，且含氮化合物的合成受施氮量调控［10］。凡聪等研究发现，增加施氮量可以提高烟叶蔗糖转化酶、硝酸还原酶以及谷氨酰胺合成酶的活性，降低烤后烟叶糖含量，提高总氮和烟碱含量［11］。

湖南省浏阳烟区G80特色品种种植面积较大，是湖南省中烟特色原料供应的主要基地，近年来，因生态环境变化、施肥不平衡、栽培管理精准性不强等问题导致烟叶碳、氮代谢失衡，烟叶品质较差，难以满足高档卷烟对特色原料的需求。目前，有关浏阳烟区烟叶碳氮代谢的研究报道较少，且国内外有关烟叶碳氮代谢的研究多是以氮肥或其他单一因子为主，而对种植密度与施氮量结合的研究甚少。因此，本研究以浏阳烟区特色品种G80为材料，研究种植密度、施氮量对烤烟碳氮代谢关键酶活性及品质的影响，旨在明确浏阳烟区特色品种G80适宜的氮肥、密度调控栽培管理措施，为保障优质烟叶品质特征和风格特色提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点和材料

试验于2021年在湖南省浏阳市达浒镇金田村进行，供试烟田为水稻田，地势平坦、肥力均匀、排灌便利。试验土壤pH值4.83，有机质含量 36.20 g/kg，全氮含量1.14 g/kg，碱解氮含量 148.40 mg/kg，全磷含量0.83 g/kg，速效磷含量 11.89 mg/kg，全钾含量19.38 g/kg；速效钾含量 364.80 mg/kg。供试品种为云烟G80。

1.2 试验设计

采用双因素裂区设计，种植密度为主区，施氮量为副区，种植密度设置为C1：15 151株/hm2（行距120 cm，株距55 cm）、C2：16 666株/hm2（行距 120 cm，株距50 cm）、C3：18 181株/hm2（行距 120 cm，株距45 cm）。施氮量设置为B1：150.0 kg/hm2、B2：172.5 kg/hm2、B3：195.0 kg/hm2。试验共9个处理（表1），重复3次，小区面积 39.6 m2。于2021年3月12日移栽烟苗。不同处理每个小区施加等量基肥，然后按不同施氮量处理分别分3次施加追肥，试验中所用肥料由当地烟草公司提供（专用套餐肥），氮肥用量按套餐肥中氮肥含量比例折合调整，并按照规定的氮、磷、钾比例，使用不含氮的磷钾肥进行补施，其他管理措施同当地优质烟叶生产技术要求进行。

1.3 測定指标与方法

1.3.1 碳氮代谢关键酶活性 于移栽后45、60、75、90 d选取各小区烟株8～10叶位的中部叶片，采集后立即用液氮冷冻，带回实验室置于-80 ℃冰箱内储存用于酶活测定。淀粉酶（AL）、硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）活性均采用试剂盒测定。

1.3.2 常规化学成分 选取各处理烤后中部烟叶进行化学成分检测。采用连续流动分析仪测定烟叶总糖、还原糖、烟碱、总氮、氯离子含量，采用火焰分光光度法测定钾含量［12］。糖碱比指总糖含量与烟碱含量的比值，钾氯比指钾含量和氯离子含量的比值。

1.4 数据分析

使用 Excel 2019软件进行数据处理，用SPSS 22.0 软件进行数据统计和分析，用Origin 2021软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 種植密度和施氮量对烤烟淀粉酶活性的影响

由图1可知，随着生育期推进各处理烟叶AL活性逐渐增加，移栽后75 d达峰值。随种植密度增大，AL活性表现出先增加后降低的趋势。随施氮量增加，烟叶AL活性均表现为B3>B2>B1处理。在相同种植密度下，移栽后45、75 d，B3处理AL活性显著大于B1处理，B2、B3处理之间AL活性无显著差异；移栽后60 d，B2、B3处理AL活性显著大于B1处理。在相同施氮量下，移栽后45、90 d，C2、C3处理AL活性显著高于C1处理，且C2、C3 处理之间酶活无显著差异；移栽后75 d，C2处理AL活性显著高于C1处理，C1、C3处理间AL活性无显著差异。在种植密度和施氮量共同作用下，不同时期C2B2、C2B3、C3B3处理AL活性显著较高，C1B1、C1B2、C3B1 AL活性较低。

2.2 种植密度和施氮量对烤烟硝酸还原酶活性的影响

由图2可知，随移栽时间推移，烤烟G80中部烟叶NR活性表现出先增加后降低的趋势，移栽后 60 d 最大。在同一种植密度下，随施氮量的增加，各处理NR活性升高，移栽后45、75、90 d，B1处理烟叶NR活性显著低于B3处理，B2、B3处理之间NR活性无显著差异；移栽后60 d，B2、B3处理NR活性显著高于B1处理。在同一施氮量下，随种植密度的增加，NR活性表现出先升后降的趋势。移栽后45 d，C2、C3处理NR活性显著高于C1处理；移栽后60、75、90 d，C2处理酶活显著高于C1处理。在种植密度和施氮量影响下，整个生育期内C2B3处理NR活性均较高，其次是C2B2、C3B3处理，C1B1处理NR活性显著低于其他处理。整体上而言，C2B2处理前期NR活性较高，后期活性下降，但较为稳定。

2.3 种植密度和施氮量对烤烟谷氨酰胺合成酶活性的影响

由图3可知 各处理GS活性均在60 d达最大值，然后随着生育期的推进活性降低，结合NR活性表明前期是氮代谢的旺盛时期。在同一种植密度下，不同时期GS活性随着施氮量的增加而增加，移栽后45、90 d，B1 处理GS活性显著低于B2、B3处理；移栽后60、75 d，B1处理GS活性显著低于B3处理。在同一施氮量下，GS活性表现为C2>C3>C1处理；移栽后45、60、90 d，C2处理GS活性显著高于C1处理；移栽后75 d，C2处理GS活性显著高于C1、C3处理，且C1、C3处理间GS活性无显著差异。在种植密度和施氮量影响下，移栽后45、90 d，C1B1处理GS活性显著较低，移栽后45、75、90 d C2B3处理GS活性最高，与C2B2处理间无显著差异，但与其他处理间相比显著较高。

2.4 种植密度和施氮量对烤后烟叶品质的影响

由表2可知，种植密度和施氮量对烤后烟叶总糖、还原糖、烟碱、总氮、钾含量、糖碱比调控主效应均达显著或极显著水平，2个因素交互效应对烤后烟叶氯离子、钾含量产生显著影响，对其他化学成分影响均不显著。种植密度和施氮量对烤后烟叶钾氯比无显著影响。

一般认为，优质烟叶化学成分标准为：总糖含量为23%～29%，还原糖含量为18%～22%，烟碱含量为2.5%～3.0%，总氮含量为1.5%～3.5%，氯含量低于0.8%，钾含量在2%以上，糖碱比为8～10，钾氯比为4～10［13］。由表2可知，G80烤后烟叶总糖和还原糖含量随施氮量的增加而降低，随种植密度的增加而增加。烟叶总糖含量在25.51%～31.88%之间，还原糖含量在21.23%～24.29%之间。以C1B2、C1B3、C2B2、C2B3处理的总糖、还原糖含量较为适宜。烟碱含量随种植密度的增加而降低，随施氮量的增加而增加。烟叶烟碱含量在2.63%～3.78%之间，其中C2B1、C2B2、C3B1、C3B2处理的烟碱含量较为适宜，其余处理烟碱含量过高，会增强烟叶的刺激性。烟叶总氮含量随种植密度的增加呈现出先增后降的趋势，随施氮量增加而增加。烟叶总氮含量偏低，在1.21%～1.45%之间，其中C2B2、C2B3处理的总氮含量显著较高。烟叶氯离子含量和钾含量在合适范围内，均以C2B2处理较高，其次是C1B2、C3B2处理。烟叶糖碱比随种植密度增加而增加，随施氮量增加而降低。烟叶糖碱比在6.77～12.24之间，以C1B1、C2B2、C3B3处理的烟叶糖碱比较为适宜。C2B2处理的烟叶钾氯比最高，显著高于C1B3、C2B1处理，与其他处理之间无显著差异。总体上来看，C2B2处理烤后烟叶化学成分较为适宜。

2.5 烟叶碳氮代谢关键酶活性与烤后烟叶化学成分的相关性分析

由表3可知，移栽后60 d烟叶NR活性与烤后烟叶总糖含量呈显著负相关；45、75 d GS活性及60、75 d NR活性与还原糖含量均呈显著负相关；不同时期烟叶酶活性与总氮含量均呈极显著正相关；90 d AL活性与氯离子含量、钾含量呈显著正相关，烟叶碳氮代谢酶活与烤后烟叶烟碱含量、钾氯比、糖碱比之间均无显著相关性。

2.6 烤后烟叶化学成分间的相关性分析

由表4可知，烤后烟叶总糖含量与还原糖含量呈极显著正相关；总糖、还原糖含量与烟碱含量均呈极显著负相关，与糖碱比呈极显著正相关；烟碱含量与糖碱比呈极显著负相关；总氮含量与其他烟叶化学成分之间的相关性不显著；氯离子含量与钾含量呈极显著正相关；钾含量与钾氯比呈极显著正相关。

3 讨论与结论

AL是衡量烟叶碳代谢的关键指标，它可将叶片中的淀粉转化成单糖等物质，从而调节叶片的淀粉积累量［14-16］。王冠等的研究表明，不同施氮水平下AL活性变化规律不一样，低氮水平条件下，AL活性在整个生育期内不断上升，高氮水平条件下，AL活性呈现出先降后升的趨势［17］。本研究结果表明，在烟株生长过程中，烟叶AL活性前期较低 随着叶片的生长和成熟，AL活性不断增强，移栽后75 d AL活性最高，后期AL活性下降，说明烟叶碳的合成积累代谢在后期逐渐增强，这与刘国顺等的研究结果［18］相同。随施氮量增加AL活性逐渐增强，表明增施氮肥能提高烟叶AL活性，且在烟叶成熟期，B3处理AL活性下降较快，相对来说B2处理AL活性下降较为缓慢，烟叶处于稳定的碳代谢水平，对优质烟叶的形成更为有利，这与高琴等的研究结果［19］一致。在同一施氮量下，AL活性随着种植密度增大表现出先升后降的趋势，以C2处理AL活性较高，可能是C2处理种植密度下形成的田间小气候较好，碳代谢强度增强，有利于碳水化合物的合成和转化［9］。

NR和GS都是参与氮代谢过程的关键酶［20-21］。NR是氮代谢过程中氮素同化的限速酶，GS参与合成氨基酸［22］。Weybrew等的研究表明，在适当的水分和施肥条件下，烟株开花期是烟叶从硝酸盐还原代谢转化为淀粉积累代谢的过渡期［23］。本研究结果表明，NR和GS活性在移栽后60 d达到峰值，随着烟叶的成熟酶活性降低，表明烟叶生长前期氮代谢旺盛，后期氮代谢减弱，酶活下降，这与康雪莉等的研究结果［24］相同。烟叶NR和GS活性随施氮量的增加而增加，表明增加施氮量能增强烟叶氮代谢水平，但氮肥施用量过少，烟叶酶活较低，氮代谢较弱，影响烟叶的正常生长发育；而氮肥施用量过高，烟叶NR和GS活性始终保持在较高水平，不利于氮代谢向碳代谢转化，易造成烟叶晚熟、不易落黄等不良影响［25-26］。在相同施氮量下，NR和GS活性随种植密度的增加呈现出先增后降的趋势，可能是由于烟株在高密度种植下前期根系生长发育较弱，对氮的吸收和同化作用较小，导致氮代谢强度较弱［27］。C2处理种植密度下酶活较高，氮代谢过程较强，有利于烟叶的生长发育。

烤后烟叶的化学成分及其协调性与烟叶品质紧密联系。烤后烟叶总糖、还原糖、总氮、烟碱和氯离子含量可以衡量烟叶的香吃味，糖碱比反映烟叶酸碱平衡，钾氯比影响烟叶燃烧性，这些都是决定烟叶品质的重要指标［28-29］。相关研究表明，种植密度和施氮量等因素对烤后烟叶品质的形成有较好的调节作用［30-31］。夏玉珍等的研究表明，增加施氮量可以提高烟叶氮含量、降低糖含量［32］。本研究结果表明，在同一施氮量下，随种植密度增大，总糖、还原糖、糖碱比增加，总氮含量呈先增后降的趋势，这与高升的研究结果［33］一致。烟碱含量随种植密度增大而降低，可能是因为植烟密度过大，田间温度相对较低，湿度相对较高，烟碱的合成积累较少［34］。在同一种植密度下，随施氮量增加，烟碱、总氮含量增加，总糖、还原糖含量减少，糖碱比下降，这与晏玲等的研究结果［35-36］一致，可能是因为增加施氮量，能够有效促进烟株对氮素的吸收，氮素同化作用增强，烟叶光合作用加强，烟叶碳固定和转化代谢强度增大，糖分形式减弱。钾、氯离子含量随施氮量增加表现出先增后降的趋势，说明适宜的施氮量可以提高烤后烟叶钾、氯离子含量。

本研究相关性结果表明，不同时期烟叶碳氮代谢酶活性与烤后烟叶还原糖、总氮、钾、氯离子含量之间存在显著或极显著相关性，说明烟株生长发育过程中碳氮代谢影响烟叶化学成分的转化合成，且烤后烟叶各成分之间存在一定关联性，它们共同影响烤后烟叶品质的形成［24］。

种植密度和施氮量对烤烟G80碳氮代谢关键酶活性以及烟叶品质均产生显著影响。综合来看，种植密度为16 666株/hm2，施氮量为172.5 kg/hm2组合的C2B2处理烟叶碳氮代谢关键酶活性较高，碳代谢与氮代谢转化平衡，且烤后烟叶化学成分最为协调，可作为烤烟特色品种G80在浏阳烟区种植的适宜氮密组合。

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