摘要
为了提高高海拔烟区植烟土壤氮素利用效率，降低氮素损失，为高海拔地区长期施氮水平的合理选择提供理论依据。在四川省凉山州盐源县前所村，采用田间原位培养试验，探究 4 种施氮量（CK、T1、T2、T3 分别为 0、82.5、105、127.5 kg/hm2 ）下土壤氮素矿化规律。结果表明：原位培养中土壤矿化量于旺长期前升高，此后持续降低；最大矿化量于移栽后 49 d 达到峰值，为 11.01 mg/kg。增施氮肥可以提高土层中无机氮含量，且 20 ～ 40 cm 土层受到施肥的影响显著低于 0 ～ 20 cm 土层。施肥对土壤无机氮的影响主要体现在移栽 63 d 后， 0 ～ 20 cm 土层中，移栽后 77 d，T1、T2、T3 处理的无机氮含量相较于 CK 处理分别增加了 21.97%、18.21%、 39.31%；20 ～ 40 cm 土层中，各处理的无机氮含量呈现先增加后降低的趋势，其中 T3 处理在 63 d 最高，相较于 CK、T1、T2 处理分别增加了 12.03%、8.10%、3.38%。随着生育期的推进，烟株各器官氮含量呈现逐渐降低的趋势，各器官之间的氮含量和氮素积累量表现为叶 > 茎 > 根，氮素积累量也随着施氮量的增加而增加。烟株的株高、茎围、有效叶片数等农艺性状与氮素用量成正比，增加施氮量也可以一定程度上提高烟叶的经济效益，本试验中当施氮量达到 105 kg/hm2 时，产值、产量最高。综上所述，从土壤矿化规律、农艺性状、氮素积累以及烤烟经济性状分析来看，实现烤烟适产可以适当增加氮肥以促进烤烟生长发育，在本试验条件下，盐源县要实现烤烟适产优质以 T2 处理施氮量 105 kg/hm2 为宜。
Abstract
The research aimed to enhance nitrogen use efficiency in tobacco-growing soils at high altitudes，reduce nitrogen losses，and provide theoretical basis for selecting optimal long-term nitrogen application rates in high-altitude regions．This study employed in situ field incubation experiments in Qiansuo village，Yanyuan county，Liangshan Prefecture to investigate soil nitrogen mineralization patterns under four nitrogen application rates（0，82.5，105，127.5 kg/hm2 ，marked as CK，T1，T2，T3，respectively）．Results indicated that soil mineralization increased prior to the peak growth period and subsequently declined continuously．The maximum mineralization reached a peak of 11.01 mg/kg at 49 d after transplanting． Increased nitrogen application elevated soil inorganic nitrogen content，with the 20-40 cm soil layer exhibiting significantly lower response to fertilization than the 0-20 cm layer．The impact of fertilization on soil inorganic nitrogen was most evident 63 d after transplanting．In the 0-20 cm soil layer，at 77 d post-transplanting，the inorganic nitrogen content in treatments of T1，T2，and T3 increased by 21.97%，18.21%，and 39.31%，respectively，compared to the CK treatment．In the 20-40 cm soil layer，inorganic nitrogen content across treatments showed a trend of first increasing and then decreasing． Treatment T3 reached its peak at 63 d，exhibiting increases of 12.03%，8.10%，and 3.38%，compared to CK，T1，and T2，respectively．As the growth period progressed，nitrogen content in tobacco plant organs gradually decreased．Nitrogen content and accumulation followed the pattern：leaves>stems>roots．Nitrogen accumulation also increased with higher nitrogen application rates．Agronomic traits such as plant height，stem circumference，and number of effective leaves were positively correlated with nitrogen application rates．Increasing nitrogen application could also enhance tobacco economic benefits to some extent．In this trial，the highest yield and value were achieved at a nitrogen application rate of 105 kg/hm2 ． In summary，analyses of soil mineralization patterns，agronomic traits，nitrogen accumulation，and flue-cured tobacco economic traits indicated that achieving optimal tobacco production could be facilitated by appropriately increasing nitrogen fertilizer to promote growth and development．Under the conditions of this experiment，the T2 treatment nitrogen application rate of 105 kg/hm2 was recommended for achieving optimal and high-quality flue-cured tobacco production in Yanyuan county.
氮素是影响烤烟生长的重要因素，同时对烤烟的品质也有重要的影响，适量、适时的氮素供应是形成优质烟叶生产的关键[1]。烟株所利用的氮素主要来源是土壤无机氮，包括硝态氮和铵态氮，两者在土壤中的含量与分布受施氮量、土壤质地以及降水量等因素影响[2-3]。土壤氮素矿化会受到土壤温度、含水率等环境因子的影响，从而影响土壤中氮素供应能力[4]。生态条件又是影响土壤养分含量以及烤烟生长的重要因素，其中海拔高度是对其有重要影响的生态因子，因此，探究土壤氮素矿化在高海拔条件的影响下是否发生改变尤为重要。研究表明，施用适量的氮肥可以提高烟叶的农艺性状以及产质量[5]，汤宏等[6]得出在贵州省黔东南苗族侗族自治州烟区烟草的最佳施氮量为 120 kg/hm2，该施氮量下烤烟农艺性状好，抗病能力强，可相对提高产量和经济效益。但随着氮肥投入数量的增加，出现了肥料利用率低、上部叶烟碱含量高等问题[7]。因此，控制氮肥用量，有助于最大化发挥肥效，改善烟叶品质，调节烤烟生长营养状况[8]。高真真等[9]通过对云南省大理市、贵州省毕节市、河南省许昌市 3 个不同海拔的典型香型产区植烟土壤氮素矿化的研究，得出不同烟区土壤的含水量以及温度对土壤氮矿化影响显著。唐维春等[10]研究表明，土壤氮素矿化量会随土壤深度的增加而降低、随温度的增加而增大。前人已研究过氮素对烟株养分吸收利用以及土壤养分的影响，明确了烤烟生长发育中养分利用效率以及土壤养分积累均受施肥的影响[11]。因此，研究土壤无机氮的动态变化规律、氮素矿化过程对认识土壤供氮能力及对烤烟精准施肥具有重要作用[12]。在海拔对氮素矿化的影响中，谭豪等[13]研究表明，在四川省栗子坪自然保护区土壤中的无机氮会随海拔梯度呈现出不同的变化；陈凌云等[14] 探究出土壤中氮含量会随着海拔的升高呈先增加后减小的趋势；张珊等[15]研究表明，土壤氮矿化量随着海拔升高呈现“W”形变化，海拔高度对土壤氮矿化影响较大。目前，针对施氮量对烟叶生长发育和品质影响的研究较多，但我国地理条件复杂多样，对高海拔地区烟株氮素利用效率的研究较少。本研究选取‘云烟 87’为研究对象，四川省凉山州盐源县为试验地点，通过研究不同施氮量对土壤无机氮变化、土壤氮素矿化量以及烟株生长发育的影响，为当地烟区合理施氮和生产优质烤烟提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
盐源县隶属四川省凉山彝族自治州，位于 27°06′～28°16′N、100°42′～102°03′E，属于亚热带季风气候，海拔 2300～2800 m，年温差小，日温差大，全年无霜期 201 d，年均气温 12.1℃，年均降水量 855.2 mm。盐源县是凉山彝族自治州的植烟区之一，2023 年种植烤烟面积约 6800 hm2。试验于 2023 年 3—10 月在盐源县前所村进行，试验品种为‘云烟 87’，移栽前耕层土壤（0～20 cm 土层）pH 为 5.97，全氮含量 1.15 g/kg，有效磷含量 31.02 mg/kg，速效钾含量 414 mg/kg，无机氮含量 48.35 mg/kg，20～40 cm 土层土壤无机氮含量 50.15 mg/kg。
1.2 试验设计
试验采取随机区组设计，根据施氮量的不同，共设 0、82.5、105、127.5 kg/hm2 （分别用 CK、T1、 T2、T3 表示）4 个氮素水平处理。每个处理 3 次重复，共 12 个小区，每个小区 66.67 m2，小区长 4.8 m，宽 14 m，行株距为 1.2 m×0.5 m，种植密度 16665 株 /hm2。试验烤烟植株于 2023 年 3 月 28 日移栽，T2 处理的 N∶P2O5∶K2O 为 7∶5.95∶21，其余处理磷、钾肥施用量与 T2 处理相同，3 月 27 日施入基肥，生长期间于旺长期（5 月 4 日）追施 1 次烟草专用肥，大田生育期约 120 d。试验所用化肥基肥种类为烟草专用肥（N∶P2O5 ∶K2O 为 11∶20∶20）、烟草专用追肥（N∶P2O5 ∶K2O 为 9∶0∶35）、硝酸钾（N∶P2O5 ∶K2O 为 13.5∶0∶46）、过磷酸钙（P2O5 12%）、硫酸钾（K2O 52%）、硝酸铵钙（N 15%）。采用当地优质烟叶生产技术进行大田管理。
1.3 样品采集和测定
1.3.1 土壤样品采集
土壤无机氮动态样品采集：烤烟移栽后第 5 周起，每隔 2 周，至 17 周共 7 次在各小区距烟株 20 cm 内按 0～20 和 20～40 cm 土层深度采集土壤样品， 放入冰箱 4℃条件下保存。
田间原位培养土壤样品采集（埋袋法）[16]：在烤烟移栽当日，在 CK 处理烟垄上，取垄脊与垄坡两端共 3 点 0～30 cm 土层土壤样品，将其充分混合均匀，取一半放入冰箱 4℃条件下保存，另一半装入封口袋中并插入塑料软管保持通气，埋入 20 cm 土层深处进行原位培养。培养 2 周后，取出采集培养后土壤放入冰箱 4℃条件下保存，同时采样进行下一轮田间原位培养，培养自移栽后 l 周起，此后每 2 周一次至采收结束。
土壤硝态氮和铵态氮含量（土壤鲜样）用 0.01 mol/L CaCl2 溶液浸提，采用连续流动注射分析仪 （AA3）测定[17]。
1.3.2 烟株样品采集及测定
自移栽后第 5 周开始，各处理小区中选定具有代表性烟株定株，按照《烟草农艺性状调查测量方法》（YC/T142—2010）每 2 周测定烤烟的最大叶长、最大叶宽、株高、茎围以及有效叶片数等农艺性状指标。另外，从各处理小区中选定具有代表性烟株 3 株，分为根、茎、叶 3 部分，在 105℃杀青，于 60℃下烘干，称量干重。采用杜马斯燃烧法[18]，在移栽后 105 d（现蕾期）以及移栽后 119 d（圆顶期）测量根、茎、叶的全氮含量。
1.3.3 烤后烟产量及经济性状测定
烟叶成熟后，对各小区烟叶进行单采单烤，根据《烤烟》（GB 2635—1992）进行专业化分级，统计烤后烟叶产量，各级别烟叶价格参照当地烟叶收购价格，计算产量、产值、均价、上等烟比例和中上等烟比例。
1.4 数据分析
土壤无机氮 = 土壤硝态氮＋土壤铵态氮
矿化量 = 培养后土壤无机氮浓度－培养前无机氮浓度
整株干物质重 = 根干物质重＋茎干物质重＋烟叶干物质重
氮素积累量（kg/hm2）= 各器官（根、茎、叶）或整株干物质积累（kg/hm2）× 各器官或整株氮素含量（%）
采用 Excel2016 进行数据处理，利用 R 4.4.3 进行图表绘制，用 DPS 软件进行方差分析，采用 Duncan 进行数据多重比较；采用分段回归模型分析土壤氮素矿化量的动态变化，该方法通过 segmented 包实现，能有效处理非线性关系。数据分析使用 dplyr 进行预处理，关键结果通过 ggplot2 包实现可视化。
2 结果与分析
2.1 土壤氮素矿化量动态变化
由图1可知，土壤无机氮的净矿化量随着移栽天数的增加呈现先增高后降低的趋势，现蕾期至圆顶期净矿化量有略微增强。移栽 35 d 时，土壤氮素净矿化量约为 4.78 mg/kg，在 0～49 d，氮素净矿化量持续上升，并在第 49 d 达到峰值，接近 11.01 mg/kg，表明此阶段土壤中氮素矿化作用较强，也是分段回归模型的拐点。从 49～105 d，氮素净矿化量总体呈下降趋势，在第 77 d 降至约 0.62 mg/kg。在烟株生长发育中的关键生育期：移栽后 63 d（团棵期）、移栽后 105 d（现蕾期）以及移栽后 119 d（圆顶期）的氮素净矿化量分别为 7.12、-6.04 及 0.78 mg/kg。
图1土壤无机氮净矿化量动态变化
2.2 不同施氮水平下不同土层土壤无机氮含量动态变化
由图 2 可知，不同处理 0～20 cm 土层的无机氮含量变化与硝态氮变化相似，各个处理均呈现先增加后下降的趋势，由于 T3 处理施氮量最多，在移栽 91 d 时达到最大，为 82.93 mg/kg；移栽后 35 d，无机氮含量为 T3>T2>CK>T1，T3 处理在移栽后 66～77 d 增幅最大，为 22.33%，T1 处理在移栽后 77～91 d 增幅最大，为 7.1%。
图2不同施氮水平下不同土层无机氮分布动态
注：a 为 0～20 cm 土层，b 为 20～40 cm 土层。
不同处理 20～40 cm 土层的无机氮含量变化也与硝态氮变化相似，CK 处理在移栽后 49 d 无机氮呈下降趋势，其余施氮的各处理呈先升高后降低的变化趋势，均在移栽后 63～91 d 最高，其中 T3 处理在 63 d 最高，为 40.24 mg/kg。
2.3 不同施氮水平下烟株氮素养分积累及分配
由图3可知，不同施氮水平下烟株氮素积累量与施氮量成正比，且随着移栽时间不断增加，各个处理均在圆顶期氮素积累量达到最高，T1、T2、T3 处理相较于 CK 处理分别增加了 46.20%、34.07%、 29.14%。不同施氮水平下烟株各器官的氮素积累量分配比例呈现规律性动态变化：移栽 63 d 氮素主要分配于叶片（普遍大于 80%）；至 105 d，叶片比例下降，根系比例明显上升；到 119 d，叶片比例降至最低（普遍小于 65%），而茎秆的分配比例显著增加（普遍大于 16%），成为后期氮素分配的重由图4可知，不同处理下烟草器官总氮含量随移栽天数呈现规律性变化。在叶片中，所有处理均表现持续下降趋势：CK 处理从 63 d 的 40% 降至 119 d 的 32%，T1、T2 处理降幅显著，T3 处理团棵期最高，为 44%，圆顶期降至 34%；茎秆变化与叶片相同，各处理同步下降：CK（32% → 24%）、 T1（34% → 26%）、T2（32% → 28%）、T3（38% → 30%），其中 T3 处理始终维持最高含量；根系响应则出现分化：CK 和 T1 处理含量小幅上升，而 T2 和 T3 处理显著下降，T3 处理在 63 d 时根系氮含量最高，为 28%，但 T2 处理在 119 d 时降至最低，为 20%。
由图4可知，不同处理下烟草器官总氮含量随移栽天数呈现规律性变化。在叶片中，所有处理均表现持续下降趋势：CK 处理从 63 d 的 40% 降至 119 d 的 32%，T1、T2 处理降幅显著，T3 处理团棵期最高，为 44%，圆顶期降至 34%；茎秆变化与叶片相同，各处理同步下降：CK（32% → 24%）、 T1（34% → 26%）、T2（32% → 28%）、T3（38% → 30%），其中 T3 处理始终维持最高含量；根系响应则出现分化：CK 和 T1 处理含量小幅上升，而 T2 和 T3 处理显著下降，T3 处理在 63 d 时根系氮含量最高，为 28%，但 T2 处理在 119 d 时降至最低，为 20%。
图3不同施氮水平下烟株氮素积累量和各器官氮素积累量分配比例
图4不同施氮水平下的烟株各器官总氮含量
2.4 不同施氮水平下烤烟干物质积累动态变化
图5表现出不同施氮水平下烤烟各器官干物质积累的不同动态变化，各个处理的茎、叶以及整株干物质积累量均呈现出逐渐上升，移栽 91 d 后增速最快，而各个处理的根干物质积累量在移栽前 77 d 几乎没有波动，直至 77 d 后才呈现逐步上升的趋势。移栽后 105～119 d，T2、T3 处理根积累速率均达到最大，分别为 5.06、5.10 g/（株·d），累积量分别为 113.81 和 115.63 g/ 株； 移栽 119 d 后，各个处理的根干物质积累量达到最大，T1、T2、T3 处理显著高于 CK 处理。移栽 119 d 后，茎干物质积累量由高到低为 T3（142.05 g/ 株）、T1（133.25 g/ 株）、T2（122.97 g/ 株）、CK （109.40 g/ 株）
图5不同施氮水平下烤烟各器官干物质积累动态变化
关键生育期分析（图6）进一步揭示氮素剂量效应：从团棵期至圆顶期，随施氮水平提升，各器官积累量增幅达 80%～300%，现蕾期响应最剧烈，其中 T3 处理较 CK 处理根干物质积累量增加 230%、茎增加 195%。器官积累模式呈现规律性分配：叶片始终占主导，现蕾期 T3 处理叶积累量分别是茎的 1.8 倍、根的 2.5 倍，在圆顶期期驱动物质向库器官转移：根、茎合计占比约 46%，根、茎积累量较 T1、T2 处理分别提高 37.95%、14.76%。
2.5 不同处理烤烟农艺性状
由表1可知，各个时期的株高、茎围、最大叶长和叶宽以及叶片数均随着生育期的推进而增长。团棵期时，T1、T2、T3 处理的株高、最大叶长、最大叶宽以及叶片数均显著高于 CK 处理，T3 处理的茎围显著高于其他处理，且 T3 处理的农艺性状各个指标均最大；现蕾期时，T1、T2、T3 处理的株高显著大于 CK 处理，茎围、叶片数最大均为 T3 处理，分别为 11.23 cm、24.77 片；圆顶期时，T2、 T3 处理的茎围均显著高于 CK 处理，CK 处理的株高、茎围、最大叶长以及叶片数均最小，分别为 123.33、11.2、84.8 cm 以及 18 片。因此，施加氮素的 T3 处理在各个时期的农艺性状均较大，表现出一定的优异性。
图6不同施氮水平下关键生育期烤烟各器官干物质积累量
表1不同氮素用量对烤烟农艺性状的影响
续表
注：不同小写字母表示在 P<0.05 水平差异显著。
2.6 不同施氮水平对烤后烟经济效益的影响
表2为不同处理的烤后烟经济效益，随着施氮量的增加，烤烟的经济效益呈现先增加后降低的趋势，其中 T2 处理的产量最高，达到 2154.91 kg/ hm2，且上等烟比例最高为 T2 处理，占比 48.82%， CK 处理的产值、产量均最低，T2 处理的产值与均价最高，分别为 70163.87 元 /hm2、32.56 元 /kg，相较于 CK 处理，产值与均价分别增加了 28.33%、 22.79%。CK → T1 的边际效益为正值，表明初始氮素投入显著提升产值。T1 → T2 边际效益最高，为 220.65 元 /kg N，表明此阶段氮素投入效率最优。 T2 → T3 的边际效益为负值（-67.53 元 /kg N），表明氮素投入过高导致产值下降，可能存在过量氮素引起的收益递减或负面影响。
表2不同处理烤后烟经济效益
3 讨论
3.1 土壤无机氮含量变化及氮素矿化对氮肥施入的响应
增施氮肥可以提高 0～20 cm 土层的无机氮含量，这与前人研究结果相同[21]；本试验表明，移栽后 35～49 d，各处理的硝态氮含量无明显变化，可能由于土壤肥力较强，微生物活性较高，因此土壤矿化量前期较高[22]；移栽后 49～63 d，土壤矿化量降低，土壤无机氮含量无明显变化，姚显紫等[23]研究表明，氮素矿化与土壤水分、温度及耕作方式等密切相关，而适宜的土壤水分通过增加土壤的通透性来促进土壤中氮素的转化，因此，可能是由于试验地较为干旱，而干旱胁迫可通过降低微生物的数量、活性以及土壤通透性等影响土壤氮素矿化速率，进而限制土壤有效氮的供给[24]。移栽 63 d 后，进入雨季，施用的化学氮肥在一定程度上促进了土壤氮素矿化，各个处理的无机氮含量有所增加[25]，随后，烟株进入旺长期，大量吸收土壤中的氮素，各个处理无机氮含量均处于降低状态[26]。在 20～40 cm 土层中，无机氮的变化以及该土层的供氮高峰明显低于 0～20 cm 土层，说明施加氮肥对 0～20 cm 土层的影响更大[27]。随着土层加深，土壤更加紧实，孔隙度及空气含量逐渐减小，抑制了微生物的活动，进而抑制了土壤氮素的转化[28]。移栽后期，土壤氮素矿化量持续下降，可能受后期降雨量较多的影响[28]，并且在后期易分解有机氮库和能源物质逐渐耗尽，微生物活性受到了制约[29]。
3.2 烟株生长发育及氮素养分积累对氮肥施入的响应
高海拔种植烤烟，日平均气温和极端最高温下降，烟株生育期较长[30]。潘义宏等[31]对云南省宣威市高海拔烟区与蔡超群等[32]在中高海拔烟区的研究均表明，烤烟农艺性状与氮肥施用量成正比，这与本研究结果相似。提高施肥水平能够促进烟株个体的生长发育和产量的形成。施加适量的氮肥对作物的干物质积累、产量和品质都有显著的影响[33]。刘青丽等[34]在我国西南烟区中低海拔研究了烤烟氮素吸收规律，烤烟氮素累积量达到 100 kg/hm2 时，烟叶干物质产量趋于稳定，化学成分协调，有利于上部烟叶品质的形成。本试验在高海拔地区不同施氮水平表明，施入氮素为 127.5 kg/hm2，烤烟的干物质积累最多。氮素是影响作物产量及品质最重要的营养元素之一，作物对其吸收及利用受生态条件和氮肥的影响显著[35]。秦宇坤等[36]研究表明，施氮 0～240 kg/hm2，棉花株高、茎粗、单株干物质量，以及叶片氮含量随施氮量增加而增加。本研究表明，旺长期后土壤无机氮含量下降，矿化量有所增加，此时烟株的根、茎、叶的氮素积累量增多，且各个处理之间氮素积累量随着氮素的提高而增加。这与邹宇傲等[37]的研究结果相似，增施氮肥可以提高作物对养分的吸收与利用，增加氮素积累量。
4 结论
综上所述，增施氮肥可以提高土层中无机氮含量、促进烤烟生长发育，烟株的株高、茎围、有效叶片数等农艺性状指标与氮素用量成正比，氮素积累量也随着施氮量的增加而增加。增加施氮量也可以一定程度上提高烟叶的经济效益，提高烟叶的产值、产量，在本试验条件下，盐源县要实现烤烟适产优质以 T2 处理施氮量 105 kg/hm2 为宜。