陳培鈺,石秋環(huán),馬君紅,李麗華,李豪豪,宋正熊,代曉燕
(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院,煙草行業(yè)煙草栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450002;2.河南省煙草公司洛陽市公司,河南 洛陽 471023)
豫西煙區(qū)是優(yōu)質(zhì)煙原料的主產(chǎn)區(qū)之一,秦?zé)?6作為當(dāng)?shù)刂髟云贩N,具有較強(qiáng)的抗旱性,其優(yōu)良的品種特性深受卷煙工業(yè)的青睞[1]。近年來,隨著施肥結(jié)構(gòu)的不均衡,煙株的需肥規(guī)律與土壤養(yǎng)分礦化規(guī)律不一致[2],致使秦?zé)?6品種特性出現(xiàn)弱化,表現(xiàn)為抗病性變差,成熟落黃滯后,化學(xué)成分不協(xié)調(diào),產(chǎn)質(zhì)矛盾逐漸顯現(xiàn),制約著該品種優(yōu)質(zhì)煙葉的形成[3]。因此,結(jié)合豫西煙區(qū)生態(tài)環(huán)境,因地制宜地對主栽品種進(jìn)行關(guān)鍵栽培技術(shù)的優(yōu)化,充分發(fā)揮烤煙品種潛力,對實(shí)現(xiàn)煙葉優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)及滿足工業(yè)原料需求具有重要意義。
在特定的環(huán)境和品種條件下,養(yǎng)分管理是調(diào)控?zé)熑~產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù),協(xié)調(diào)的養(yǎng)分供給對煙葉品質(zhì)的影響僅次于品種,也是決定煙葉產(chǎn)量和產(chǎn)值的第一要素[4]。氮是影響烤煙生長及品質(zhì)形成最重要的營養(yǎng)元素[5]。已有研究表明,豫西煙區(qū)種植品種的常規(guī)施氮量一般在37.5 kg/hm2左右[6],增加氮肥用量,施用純氮60 kg/hm2時,秦?zé)?6 煙株農(nóng)藝性狀、抗病性及烤后煙葉外觀質(zhì)量表現(xiàn)較好[7]。另還有研究表明,在一定的磷鉀肥配比下,氮肥用量為45 kg/hm2時,煙株對氮素的利用率最高,施氮量超過45 kg/hm2時反而使氮素利用率明顯下降[8]。磷肥和鉀肥在烤煙生長及新陳代謝過程中發(fā)揮重要作用[9],但豫西煙區(qū)旱地堿性土壤易造成磷素沉淀,降低作物對磷肥的利用率,抑制作物的生長發(fā)育[10]。氮磷鉀綜合調(diào)控對煙葉品質(zhì)影響較大,適宜的施肥水平可產(chǎn)生積極作用。
當(dāng)前,豫西煙區(qū)“重氮輕磷”的施肥模式使土壤氮素較高,磷素偏低,煙田土壤養(yǎng)分失調(diào)及不合理的施肥管理導(dǎo)致田間煙葉貪青晚熟、成熟特征不明顯,烤后煙葉糖含量不足、香氣物質(zhì)含量下降等問題凸顯。在已有肥料研究下,對于豫西煙區(qū)秦?zé)?6氮肥的適宜用量仍較難把握,關(guān)于磷、鉀肥在產(chǎn)區(qū)煙葉生產(chǎn)中的調(diào)控管理以及氮磷鉀肥綜合運(yùn)籌模式下烤煙品質(zhì)的綜合評價體系缺少系統(tǒng)研究。因此,根據(jù)豫西煙區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行施肥結(jié)構(gòu)的調(diào)整,探索產(chǎn)區(qū)適宜的施肥水平,實(shí)現(xiàn)氮磷鉀肥互作協(xié)同效應(yīng)最大化對調(diào)控?zé)熑~生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。與此同時,為科學(xué)把握煙葉品質(zhì),完善烤煙品質(zhì)綜合評價體系,引入模糊數(shù)學(xué)法對烤煙多個質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行綜合比較對于進(jìn)一步明確產(chǎn)區(qū)煙葉品質(zhì)的區(qū)域特征十分必要。鑒于此,在產(chǎn)區(qū)當(dāng)?shù)爻R?guī)施肥水平的基礎(chǔ)上應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)法探討氮磷鉀肥運(yùn)籌模式對烤煙生長及品質(zhì)的影響,以期為豫西烤煙平衡施肥及穩(wěn)質(zhì)增產(chǎn)提供指導(dǎo)。
試驗(yàn)于2021 年在河南省洛陽市宜陽縣鹽鎮(zhèn)鄉(xiāng)進(jìn)行。試驗(yàn)地土壤為褐土,前茬為谷子。土壤基礎(chǔ)肥力為堿解氮66.35 mg/kg、速效磷5.50 mg/kg、速效鉀180.33 mg/kg、有機(jī)質(zhì)17.18 g/kg,pH 值7.41。供試烤煙品種為秦?zé)?6,于5 月10 日移栽。田間管理按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙栽培技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。
試驗(yàn)采用L9(34)正交設(shè)計,根據(jù)產(chǎn)區(qū)常規(guī)施肥水平(N:60.0 kg/hm2,P2O5:67.5 kg/hm2,K2O:204.0 kg/hm2),設(shè)置施氮量(N)、施磷量(P2O5)和施鉀量(K2O)3 個因素,每個因素3 個水平(表1),共9 個處理,各處理重復(fù)3 次,共27 個小區(qū)。供試肥料為煙草專用復(fù)合肥(10-12-18)、羊糞(含N 1%)、尿素(含N 46%)、重過磷酸鈣(含P2O542%)、硫酸鉀(含K2O 52%)。試驗(yàn)具體施肥情況見表2。
表1 試驗(yàn)因素及水平Tab.1 Factors of and levels the trial kg/hm2
表2 試驗(yàn)處理施肥組合Tab.2 Fertilizer application combinations for the experimental treatments kg/hm2
1.3.1 干物質(zhì)積累量的測定 在移栽后35、50、65、80、95 d 于各處理選取3 株具有代表性煙株,在105 ℃下殺青15 min,再以60 ℃烘至恒定質(zhì)量,測定其根、莖、葉和整株的干質(zhì)量。
1.3.2 光合指標(biāo)的測定 于圓頂期在各處理選取長勢均勻一致的煙株3~4株,測定煙葉光合指標(biāo),包括凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。
1.3.3 煙葉外觀質(zhì)量評價 各處理選取代表性B2F、C3F 烤后煙葉,由專家對顏色、成熟度、葉片結(jié)構(gòu)、身份等外觀質(zhì)量進(jìn)行評價打分,各指標(biāo)均賦值10分,總分越高,說明外觀質(zhì)量越好。
1.3.4 化學(xué)指標(biāo)的測定及化學(xué)成分可用性的模糊計算 測定烤后煙葉的主要化學(xué)成分,包括總糖和還原糖、煙堿、鉀、氯、總氮含量,分別按照標(biāo)準(zhǔn)YC/T 159—2019、YC/T 160—2002、YC/T 217—2007、YC/T 162—2011、YC/T 161—2002的方法測定;再分別計算糖堿比、氮堿比及鉀氯比。應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論中的隸屬函數(shù),將各化學(xué)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為0.1~1.0的無量綱數(shù)值,其中總糖、還原糖、煙堿、總氮、氯含量及糖堿比、氮堿比、鉀氯比采用P 型隸屬函數(shù),按照公式(1)計算隸屬度:
烤煙鉀含量采用S型隸屬函數(shù),按照公式(2)計算隸屬度:
上述公式(1)、(2)中,x代表烤煙實(shí)際化學(xué)成分含量,x1、x2、x3、x4分別為各化學(xué)指標(biāo)的下臨界值、上臨界值、最優(yōu)值下限和最優(yōu)值上限(表3),參照文獻(xiàn)[11]的方法計算化學(xué)成分可用性指數(shù)(CCUI),其值越大,說明烤煙化學(xué)成分的工業(yè)可用性越好。
表3 烤煙化學(xué)成分的隸屬函數(shù)類型和拐點(diǎn)值Tab.3 Function types and inflection point value of chemical components of flue-cured tobacco
1.3.5 經(jīng)濟(jì)性狀指標(biāo)的測定及經(jīng)濟(jì)效果指數(shù)(ECI)的模糊計算 煙葉成熟采收后掛牌烘烤,回潮后分別計算小區(qū)產(chǎn)量,并采用42級烤煙國家標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行分級,計算產(chǎn)值、均價及上等煙葉比例[12]。應(yīng)用效果測度模型及指數(shù)和法[13]計算煙葉ECI[14],作為烤煙經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的綜合評價依據(jù),其值越大,說明烤煙的經(jīng)濟(jì)性狀越好。
1.3.6 煙葉外觀質(zhì)量、CCUI 及ECI 綜合評價指標(biāo)
根據(jù)卷煙工業(yè)企業(yè)要求對煙葉外觀質(zhì)量、CCUI及ECI進(jìn)行模糊分析及綜合評價,并參照文獻(xiàn)[15]的方法,對外觀質(zhì)量、化學(xué)成分及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分別進(jìn)行30%、35%和35%的權(quán)重賦值后計算總分,其中經(jīng)濟(jì)指標(biāo)中B2F 和C3F 煙葉分別按照45.45%、54.55%的權(quán)重計算,二者經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率以總分的35%計算。各指標(biāo)綜合評價的總分越高,說明其質(zhì)量越好。計算公式如下:
公式(3)中,P為煙葉外觀質(zhì)量、化學(xué)成分和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的綜合評價指數(shù),Ci和Pi分別代表第i個分指標(biāo)的量化分值和相對權(quán)重。
1.3.7 中性致香物質(zhì)的測定 采用內(nèi)標(biāo)法測定烤后B2F、C3F煙葉的中性致香物質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),以硝基苯為內(nèi)標(biāo),使用儀器為氣質(zhì)聯(lián)用分析儀(GC/MS,美國Agilent 公司),參照韋鳳杰等[16]的方法進(jìn)行前處理及GC/MS 分析,由GC/MS 鑒定結(jié)果和NIST 庫檢索定性。
采用Excel 2016 和SPSS 22.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及統(tǒng)計分析,使用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。
由表4 可知,不同處理煙株各部位干物質(zhì)積累量隨移栽天數(shù)增加均呈升高趨勢,其中T5處理煙株干物質(zhì)積累量在整個生育期較高,T1處理則處于較低水平。移栽后35 d(團(tuán)棵期),T5、T6、T9處理煙株各部位干物質(zhì)積累量較高,其中莖干質(zhì)量、葉干質(zhì)量及整株干質(zhì)量較T1、T4處理均顯著增加。煙株進(jìn)入旺長期(移栽后50 d)后,T5、T9 處理干物質(zhì)積累量較大,其中T5 處理根和葉干質(zhì)量較T1 分別顯著增加61.93%和33.03%。旺長中后期(移栽后65 d和80 d),T5 和T6 處理煙株各部位干質(zhì)量較其他處理明顯增加。成熟期(移栽后95 d),T5、T6、T9處理各部位干質(zhì)量均較高,以T5處理的干物質(zhì)積累量最大,與T1 處理相比,T5 處理根、莖、葉及整株干質(zhì)量分別顯著增加47.98%、41.61%、37.38%、41.11%。
表4 不同處理對烤煙干物質(zhì)積累量的影響Tab.4 Effect of different treatments on dry matter accumulation of flue-cured tobacco g
由表5可知,T5(N2P2K3)處理上部葉凈光合速率顯著高于其他處理,其氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率較其他處理均顯著提高。此外,T4、T6 處理的凈光合速率也顯著提高。除胞間CO2濃度外,T1 處理的其他光合指標(biāo)均最低,其凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率較T5 處理分別顯著降低41.33%、55.56%和49.88%。各處理煙株中部葉凈光合速率及胞間CO2濃度無顯著差異,但T5處理凈光合速率高于其他處理。T4處理中部葉片氣孔導(dǎo)度較T1和T8處理均顯著提高54.55%,蒸騰速率較T1 和T3 分別提高39.76%和50.42%。此外,相同氮肥水平下,與低鉀處理(T1、T6、T8)相比,增施鉀肥處理的烤煙凈光合速率均明顯提高。
表5 不同處理對煙葉光合指標(biāo)的影響Tab.5 Effect of different treatments on photosynthetic indicators of tobacco leaves
由表6 可知,不同處理B2F、C3F 煙葉外觀質(zhì)量綜合評價均以T5、T6、T9 處理得分較高,T1、T2、T8處理較低,其中T5處理煙葉外觀質(zhì)量總分最高。中等施氮水平下的煙葉外觀質(zhì)量較低氮和高氮水平明顯提高;同一施氮水平下,高磷處理的煙葉外觀質(zhì)量總分基本高于低磷處理。
表6 不同處理煙葉外觀質(zhì)量評價Tab.6 Appearance quality evaluation of flue-cured tobacco with different treatments
續(xù)表6 不同處理煙葉外觀質(zhì)量評價Tab.6(Continued)Appearance quality evaluation of flue-cured tobacco with different treatments
由表7 可知,無論上部葉還是中部葉,T1、T8 處理的煙葉總糖和還原糖含量均偏低,T5處理的兩糖含量相對較高;高氮水平下,與低鉀處理T8相比,高鉀處理T7 的烤后煙葉兩糖含量均顯著增加。各處理烤煙煙堿含量均偏高,糖堿比較低,其中T1、T4處理的煙堿含量顯著低于其他處理,而高氮處理下的煙堿含量明顯增加。不同處理煙葉總氮含量均處在適宜范圍,但鉀氯比均偏低,以T5、T6處理煙葉鉀含量及鉀氯比相對較高;T9 處理B2F 煙葉、T5 處理C3F 煙葉氯含量顯著低于其他處理,而T1 處理氯含量則明顯增加,其鉀含量及鉀氯比均顯著低于其他處理。不同處理煙葉CCUI 值存在顯著差異,其中T5 處理CCUI 值顯著高于其他處理,T4、T6、T9 處理CCUI值相對較高,T1、T8處理CCUI 值顯著降低。
表7 不同處理B2F和C3F煙葉主要化學(xué)成分指標(biāo)及CCUI值Tab.7 Main chemical component indicators and usability indexes of flue-cured tobacco B2F and C3F leaves with various treatments
由表8 可知,不同處理煙葉產(chǎn)值及上等煙比例均以T5 處理最高,T6、T9 處理煙葉產(chǎn)值次之,T8 處理產(chǎn)值及上等煙比例最低,且較T5處理分別顯著降低49.04%和31.26%。煙葉產(chǎn)量以T3、T9 處理最高,T5 處理次之。不同處理烤煙ECI 值存在顯著差異,T5、T6、T9 處理煙葉ECI 值較高,且以T5 處理最高,較T1、T7、T8 處理均顯著增加;T8 處理ECI 值最低,與T8相比,T5處理ECI值顯著增加52.93%。
表8 不同處理煙葉經(jīng)濟(jì)性狀指標(biāo)及ECI值Tab.8 Economic trait indicators and ECI of flue-cured tobacco with various treatments
由表9 可知,不同處理煙葉外觀質(zhì)量、CCUI 及ECI 的模糊綜合評價中,B2F 和C3F 煙葉均以T5 處理的綜合得分最高,T6 處理次之,T1、T8 處理綜合得分較低。與低氮處理相比,中等施氮水平下的煙葉綜合評價得分明顯提高;低氮和中氮水平下,增施磷肥處理的煙葉綜合得分較低磷水平明顯提高。
表9 不同處理B2F和C3F煙葉外觀質(zhì)量、CCUI和ECI綜合評價Tab.9 Comprehensive evaluation of appearance quality,CCUI and ECI of flue-cured tobacco B2F and C3F leaves with different treatments
將主要香氣成分進(jìn)行分類可知(表10),對于上部葉,從類胡蘿卜素降解產(chǎn)物來看,中氮及高氮水平下,增施磷肥處理的含量明顯提高;非酶棕色化降解產(chǎn)物和苯丙氨酸降解產(chǎn)物含量以T4 處理明顯降低,其他處理間差異不明顯;西柏烷類降解產(chǎn)物含量以T5處理最高,且較T1處理提高100.39%。對于中部葉,從類胡蘿卜素降解產(chǎn)物來看,同一施氮水平下,高磷處理的含量明顯提高;非酶棕色化降解產(chǎn)物上,低氮及高氮水平下,各處理間無明顯差異,中等施氮水平下,高磷處理的含量明顯增加;苯丙氨酸降解產(chǎn)物含量以T9 處理明顯增加,與T8 相比提高75.50%;西柏烷類降解產(chǎn)物上,在低氮和中氮水平下,該香氣物質(zhì)含量隨磷肥的增加而提高。
表10 不同處理對烤煙香氣物質(zhì)含量的影響Tab.10 Effect of different treatments on the aroma content of flue-cured tobacco μg/g
無論中部葉還是上部葉,中性致香成分總量均以T5、T6 處理較高,T1 處理相對較低。上部煙葉的新植二烯含量占中性致香成分總量的比例在73.29%~76.33%,中部葉的占比在63.85%~76.95%,且各部位煙葉新植二烯的變化趨勢與中性致香成分總量的變化趨勢較為一致。
不同氮磷鉀施肥模式對植物光合特性具有不同程度的影響[17]。本研究表明,優(yōu)化配方施肥模式有利于調(diào)節(jié)煙葉氣孔導(dǎo)度,提高煙株光合作用與蒸騰速率。隨施氮量的增加,煙株凈光合速率呈先升高后降低的趨勢,施氮水平2(純氮60.0 kg/hm)可有效促進(jìn)光合速率的提高,這與張軍倉等[18]的研究結(jié)果一致,說明適當(dāng)增施氮肥更利于烤煙光合作用的進(jìn)行。本研究中烤煙葉片氣孔導(dǎo)度的變化趨勢與凈光合速率相一致,光合速率的降低可能是由氣孔導(dǎo)度的下降所引起的二氧化碳供應(yīng)不足,或是施氮過多抑制了光合作用的氣孔和非氣孔因素所導(dǎo)致的[19]。已有研究表明[20],缺鉀可使光合關(guān)鍵酶含量及活化酶活性下降,不利于烤煙凈光合速率及產(chǎn)量的提高。本研究發(fā)現(xiàn),在同一施氮水平下,低鉀處理(T1、T6、T8)烤煙的凈光合速率明顯降低,而在中等供氮水平下,增施磷、鉀肥,煙株的光合速率顯著提 高,表 現(xiàn) 為T5(N2P2K3)>T4(N2P1K2)>T6(N2P3K1),表明在磷肥和鉀肥影響下,增施鉀肥可提高烤煙的光飽和點(diǎn),促進(jìn)煙株的光合作用[21]。
干物質(zhì)積累測定結(jié)果表明,在整個生育期內(nèi)煙株干質(zhì)量均以T5、T6、T9 處理較高,T1(N1P1K1)處理最低。成熟期T5處理的煙株干物質(zhì)積累量最大,且低水平磷、鉀處理的煙株干質(zhì)量在同一施氮水平下均較低,這與光合指標(biāo)的規(guī)律一致,說明低水平氮磷鉀肥處理不利于煙株干物質(zhì)的積累,適宜的肥料用量可使煙株在生育后期仍保持一定的生理代謝強(qiáng)度,以促進(jìn)光合產(chǎn)物的增加,從而提高烤煙的干物質(zhì)積累量。
氮磷鉀肥綜合運(yùn)籌可有效提高煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)[22]。本研究中,中氮水平下烤煙的糖含量和煙堿含量較為適宜,糖堿比較為協(xié)調(diào),而高氮處理使C3F 煙葉的煙堿含量顯著增加,且不利于總糖和還原糖的積累,這與高嘉寧等[23]的研究結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn),在同一施氮水平下,與低磷處理相比,高磷處理的烤煙氯含量顯著降低,鉀氯比顯著提高,C3F 煙葉的致香物質(zhì)總量也明顯提高。說明磷肥可通過與氮、鉀肥的配合施用實(shí)現(xiàn)提高煙葉質(zhì)量、協(xié)調(diào)煙葉香氣物質(zhì)含量的目的,且在高氮水平下增施磷肥對烤煙香氣物質(zhì)含量的影響較鉀肥明顯。本試驗(yàn)中,與N3P2K1 處理相比,N2P2K3 處理的煙葉產(chǎn)值和ECI 值分別顯著提高96.22% 和52.93%,高氮水平下,高鉀處理的產(chǎn)值及ECI 值較低鉀處理均顯著增加,考慮到煙區(qū)土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分中磷、鉀水平偏低,氮素殘留較高,在配方施肥中控施氮肥,增施磷、鉀肥可有效提高烤煙的經(jīng)濟(jì)效益。
本研究中,應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)對烤煙不同指標(biāo)的分析結(jié)果與煙葉品質(zhì)綜合評價結(jié)果表現(xiàn)較為一致,說明本研究采用的模糊數(shù)學(xué)綜合分析方法具有客觀科學(xué)性,可系統(tǒng)且全面地反映不同處理間煙葉各指標(biāo)及整體品質(zhì)的優(yōu)劣。本試驗(yàn)不同指標(biāo)模糊分析結(jié)果均以中等施氮處理的得分較高,低氮和高氮水平下,增加磷、鉀2 種肥料用量的煙葉品質(zhì)更好,說明煙葉品質(zhì)并非隨單一肥料施用量的增加而提高,氮磷鉀肥綜合運(yùn)籌可明顯改善烤煙品質(zhì)。綜合考慮烤煙物質(zhì)累積、光合特性及煙葉品質(zhì),在當(dāng)?shù)爻R?guī)施肥水平(純氮60.0 kg/hm2、P2O567.5 kg/hm2、K2O 204.0 kg/hm2)的基礎(chǔ)上,推薦配方施肥模式為N2P2K3處理,即純氮60.0 kg/hm2、P2O5120.0 kg/hm2、K2O 354.0 kg/hm2,相當(dāng)于補(bǔ)充磷肥52.5 kg/hm2、鉀肥150.0 kg/hm2,可在豫西煙區(qū)推廣應(yīng)用。
綜上所述,在豫西煙區(qū)中肥力地塊種植秦?zé)?6,可通過養(yǎng)分調(diào)控達(dá)到改善煙葉品質(zhì),提高煙葉可用性的目的。本研究條件下,T5(N2P2K3)處理的配方施肥模式符合煙株的營養(yǎng)需求,有利于煙株生長發(fā)育及烤后煙葉品質(zhì)的提高。因此,該產(chǎn)區(qū)主栽烤煙品種的推薦施肥模式為純氮60.0 kg/hm2、P2O5120.0 kg/hm2、K2O 354.0 kg/hm2。