植物营养与肥料学报   2017, Vol. 23  Issue (4): 991-997 
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引用本文    doi:  http://dx.doi.org/10.11674/zwyf.16369
邓小华, 杨丽丽, 邹凯, 齐永杰, 徐文兵, 张光利, 于庆涛, 雷天义. 烟稻轮作模式下烤烟增密减氮的主要化学成分效应分析[J]. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(4): 991-997.
DENG Xiao-hua, YANG Li-li, ZOU Kai, QI Yong-jie, XU Wen-bin, ZHANG Guang-li, YU Qing-tao, LEI Tian-yi. Effect of density-increasing and nitrogen-saving on chemical components of flue-cured tobacco under tobacco-rice rotation system[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2017, 23(4): 991-997.
烟稻轮作模式下烤烟增密减氮的主要化学成分效应分析
邓小华1, 杨丽丽1, 邹凯2 , 齐永杰3, 徐文兵3, 张光利2, 于庆涛2, 雷天义2    
1. 湖南农业大学农学院，长沙市 410128;
2. 湖南省烟草公司邵阳市公司，湖南邵阳 422000;
3. 广西中烟工业有限责任公司，广西南宁 530001
收稿日期：2016-09-26; 接受日期：2017-03-18
基金项目：邵阳市烟草公司项目（sy13-15ky01）；广西中烟工业有限责任公司项目（201545000034011）资助。
作者简介：邓小华（1965—），男，湖南永州人，博士，教授，主要从事烟草科学与工程技术研究。E-mail：yzdxh@163.com
通信作者：E-mail: zouksy@hntobacco.com
摘要: 【目的】 增密减氮是一项绿色增产增效技术，明确我国南方烟稻轮作模式下烤烟增密和减氮的可行性，对指导特色优质烟叶开发具有重要意义。【方法】 在湖南邵阳烟区烟稻轮作田块进行了密度和施氮量双因素三水平完全随机田间试验。三个种植密度分别为 16667 (习惯种植密度)、18182 和 20000 株/hm2，三个施氮量分别为 N 105、120 和 135 kg/hm2。测定了烤后烟叶主要化学成分，采用隶属函数对化学成分数据进行标准化，用主成分分析计算每个成分权重，构建了烟叶化学成分可用性指数，采用 $\eta _p^2$ 分析了烤烟种植密度和施氮量及其互作对烟叶化学成分的效应。【结果】 烤烟化学成分可用性指数以种植密度 18182 株/hm2和施氮量 120 kg/hm2 组合处理最高，其次是密度 18182 株/hm2 和施氮量 135 kg/hm2 组合处理。施氮量对烟叶化学成分可用性的效应约为 46.3%，种植密度对烟叶化学成分可用性的效应约为 30.1%，种植密度和施氮量互作对烟叶化学成分可用性的效应约为 23.6%。【结论】 采用 $\eta _p^2$ 更能客观地定量分析种植密度和施氮量及其互作对烟叶化学成分的影响。种植密度、施氮量及二者互作对烟叶化学成分可用性的效应不同，以施氮量为主，其次是种植密度。与邵阳当地和我国南方类似地区现行的种植密度 (16675 株/hm2) 和施氮量 (N 135 kg/hm2) 相比，邵阳地区烤烟适当增加种植密度和减施氮肥是可行的，烟稻轮作模式下烤烟推荐种植密度和施氮量分别为 18182 株/hm2、120 kg/hm2。
关键词: 烤烟     烟叶化学成分     增密减氮     化学成分可用性指数     偏 Eta2 值 ( $\eta _p^2$ )    
Effect of density-increasing and nitrogen-saving on chemical components of flue-cured tobacco under tobacco-rice rotation system
DENG Xiao-hua1, YANG Li-li1, ZOU Kai2 , QI Yong-jie3, XU Wen-bin3, ZHANG Guang-li2, YU Qing-tao2, LEI Tian-yi2    
1. Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China;
2. Shaoyang Tobacco Company of Hunan Province, Shaoyang, Hunan 422000, China;
3. China Tobacco Guanxi Industrial Co., Ltd,, Nanning, Guangxi 530001, China
Abstract: 【Objectives】 Density-increasing and nitrogen-saving are main techniques for high yield and high quality. The feasibility of the density-increasing and nitrogen-saving in flue-cured tobacco production was studied in this paper in South China tobacco-rice rotation field. 【Methods】 A field experiment with two factor and three levels was conducted using tobacco cultivar of K326 as materials in Shaoyang tobacco-rice rotation area in Hunan Province. The three density levels were 16667 plant/hm2 (currently used)、18182 plant/hm2 and 20000 plant/hm2, and the three nitrogen application levels were 105, 120 and 135 kg/hm2. The contents of important chemical components in flue-cured tobacco leaves were measured and standardized by the membership function and the principal component analysis method, their weight to construct the chemical composition of tobacco leaf usability index of chemical composition were calculated. The effects of planting density, nitrogen level and their interaction on chemical components of flue-cured tobacco were analyzed by establishing chemical components usability index (CCUI) and adopting partial eta-squared ( $\eta _p^2$ ) value. 【Results】 The highest chemical availability index was in density treatment of 18182 plant/hm2, in nitrogen treatment of N 120 kg/hm2, and in the combination of density 18182 plant/hm2 with nitrogen 120 kg/hm2 among the respective treatment groups. The combination of density 18182 plant/hm2 and N 135 kg/hm2 showed the second highest chemical availability index. The contribution of nitrogen fertilizer on tobacco chemical components usability was about 46.3%, and that of planting density was about 30.1%, and that of the interaction of planting density and N rate was about 23.6%. 【Conclusions】 Nitrogen application rate plays major role in contents of chemical components in tobacco leaves and planting density does the secondary role. Compared with the currently planting density of 16675 plant/hm2 and nitrogen application rate of 135 kg/hm2 in southern China tobacco production areas, it is feasible to increase planting density to 18182 plant/hm2 and reduce nitrogen application rate to 120 kg/hm2.
Key words: flue-cured tobacco     chemical component content     plant density-increasing and nitrogen-saving     chemical components usability index (CCUI)     partial eta-squared ( $\eta _p^2$ )    

烟叶化学成分是烟叶质量的内在基础，也是烟叶质量评价的重要指标[1–2]。烟叶化学成分是由多指标构成，每个指标反映烟叶化学成分的某个质量[2]，但单指标较难完整描述烟叶化学成分状况，因而需要对烟叶化学成分进行综合评价。烟叶化学成分综合评价方法在对烟区化学成分特征研究中被广泛应用，如薛超群等[3]、丁云生等[4]和李伟等[5]采用模糊综合评判方法分别对上海集团申豫烤烟基地、大理州、湖南浓香型烟叶产区化学成分进行了综合评价。增密减氮作为一项绿色增产增效技术，已在玉米[6]、水稻[7]、油菜[8]等作物上得到较为广泛的应用。种植密度和施氮量影响烟株生长发育、产量和产值[9–12]，更影响烟叶化学成分[9–14]。张黎明等[9]、张建[10]、毛家伟等[11]、张喜峰[12]研究了种植密度和施氮量对烟叶化学成分的影响，杨跃华等[13]、刘晶等[14]采用方差分析对种植密度和施氮量的烟叶化学成分效应进行了分析，但上述研究或是没有对烟叶化学成分进行综合评价分析，或是就两者对烟叶化学成分评价指标的影响缺乏深入研究。

邵阳市位于湖南省中部略偏西南，属典型的中亚热带湿润季风气候，常年产烟 1.5 万吨左右，是湖南省浓香型烤烟的重要产烟区[15–16]，烟稻轮作是其主要种植模式。如同我国南方其他烟稻轮作地区一样，邵阳烟区烤烟种植也是普遍采用稀植和大肥大水方式，这样的种植方式虽然可以提高烟叶产量，但烟叶化学成分不协调和工业可用性差的问题日趋突出。增密减氮技术是否能够在保证产量的基础上改善烟叶化学成分和提高烟叶可用性无疑是非常值得研究的。为此，本文通过在邵阳烟区开展小区烤烟栽培试验，构建烟叶化学成分可用性指数和采用 $\eta _p^2$ (partial eta-squared, 偏 Eta2 值)，分析种植密度和施氮量及其互作对烟叶化学成分的效应，明确增密减氮栽培措施在邵阳烟区以及我国南方类似烟稻轮作区的可行性，为特色优质烟叶栽培提供参考。

1 材料与方法 1.1 试验地点和材料

小区栽培试验于 2014 年在湖南省邵阳县金称市镇金洲村 (26.84°N，111.15°E) 烟稻轮作田块进行。烤烟品种为 K326，试验地土壤质地为粘壤土，pH 5.93、有机质 39.50 g/kg、碱解氮 142.32 mg/kg、有效磷 15.42 mg/kg、速效钾 188.72 mg/kg。供试肥料包括湖南金叶众望科技股份有限公司生产的烟草专用基肥 (N–P2O5–K2O 为 8%–10%–11%)、生物发酵饼肥 (N–P2O5–K2O 为 5%–0.8%–1%)、提苗肥 (N–P2O5 为 20%–9%) 和专用追肥 (N–P2O5–K2O 为 10.0%–5.0%–29.0%)；新疆罗布泊钾盐有限责任公司生产的硫酸钾 (K2O 为 51%)。

1.2 试验设计

试验采用双因素随机区组设计，设置三个种植密度 (A)：A1 (CK)，邵阳烟区烤烟习惯种植密度，16667 株/hm2，行距 120 cm × 株距 50 cm；A2，18182 株/hm2，行距 110 cm × 株距 50 cm；A3，20000 株/hm2，行距 100 cm × 株距 50 cm。三个施氮量 (B)：B1，纯氮 105 kg/hm2；B2，施纯氮 120 kg/hm2；B3，邵阳烟区习惯施氮量，施纯氮 135 kg/hm2。合计 9 个处理，每个处理设置 3 次重复，共 27 个小区，小区面积 60 m2。采用漂浮育苗，3 月 24 日移栽。各处理施氮、磷、钾肥比例为 1∶1∶2.8。60% 的专用基肥和生物发酵饼肥在起垄前条施于垄底，其余在移栽前 10～15 d 穴施。移栽后约 1 周和 2 周分别浇施一半的提苗肥，约 3 周穴施烟草专用追肥，约 4 周穴施硫酸钾。初花期打顶，留叶数 16～18 片。按邵阳市优质烤烟生产标准开展其他田间管理。

1.3 化学成分测定项目及方法

按照标准[17]选取具有代表性的中部烟叶 C3F 等级进行化学成分测定。采用荷兰 SKALAR San++ 间隔流动分析仪测定烤后烟叶总糖、还原糖、烟碱、总氮和氯含量[18]，火焰光度法测定烟叶钾含量。

1.4 化学成分可用性指数构建

烟叶化学成分属于多指标，为寻找主要化学成分综合表现好的试验处理，采用隶属函数、加权指数和法构建化学成分可用性指数 (chemical components usability index，CCUI)，依据化学成分可用性指数高低判断不同处理优劣，其值越大，化学成分综合表现越好[5]。

第一步，烟叶化学成分数据的标准化。烟叶化学成分不同指标的最适值范围不一致。运用模糊数学理论中的隶属函数将各化学成分指标的原始数据转换为 0～1 的标准化数值，其标准化公式与参数如下：

烟叶总糖、还原糖、总氮、烟碱、氯含量采用抛物线型 (parabola，简称 P) 隶属函数[3–5]，按以下公式计算隶属度，

$N(x) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{0.1}\! & {x\! <\! {x_1}; x\! >\! {x_2}}\\{0.9(x - {x_1})/({x_3} - {x_1}) + 0.1} & {{x_1} \leqslant x < {x_3}}\\{1.0} & {{x_3} \leqslant x \leqslant {x_4}}\\{1.0 - 0.9(x - {x_4})/({x_2} - {x_4})} & {{x_4} < x \leqslant {x_2}}\end{array}} \right.$

烟叶钾含量采用 S 型隶属函数[3–5]，按以下公式计算隶属度，

$N(x) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{1.0} & {x > {x_2}}\\{0.9(x - {x_1})/({x_2} - {x_1}) + 0.1} & {{x_1} \leqslant x \leqslant {x_2}}\\{0.1} & {x < {x_1}}\end{array}} \right.$

式中：x 为烟叶化学成分实际检测值，x1、x2、x3、x4 分别代表各化学成分的下临界值、上临界值、最优值下限、最优值上限，其值参考相关文献[3, 5]确定 (表 1)。

表1 烟叶化学成分的隶属函数类型和拐点值 Table 1 Function types and inflection point of chemical components of flue-cured tobacco

第二步，烟叶化学成分各指标权重的确定。烟叶化学成分不同指标各自具有相对重要性，在综合评价中应赋予权重，采用主成分分析方法进行[5, 19]。烟叶化学成分球形假设检验表明 Bartlett 值为 84.453，P < 0.05，说明烟叶化学成分 6 个指标非独立，可进行主成分分析；提取主成分累积贡献率达 88.7% 的前 3 个主成分计算载荷矩阵。计算出总糖、还原糖、烟碱、总氮、钾、氯的权重分别为 14.4%、15.9%、27.8%、24.6%、10.4%、6.9%。

第三步，化学成分可用性指数计算。采用加权指数和法计算不同处理烟叶化学成分可用性指数。其计算公式[5]如下：

${\rm {CUUI}} = \sum\limits_{j = 1}^6 {{N_{ij}} \times {W_{ij}}} $

式中：Nij 和 Wij 分别表示第 i 个样本、第 j 个指标的标准化值和权重系数，其中 0 < Nij ≤ 1，0 < Wij ≤ 1，且满足 $\sum\limits_{j = 1}^6 {{W_{ij}} = 1} 00$ 。

1.5 数据统计分析

采用 Microsoft Excel 2013 软件初步整理试验数据后，用 IBM Statistics SPSS17.0 统计软件进行方差分析，多重比较采用新复极差法。当方差分析结果为显著性差异时，同时引入 $\eta _p^2$ (偏 Eta2 值) 来比较种植密度和施氮量及其互作对烟叶化学成分指标变异的贡献率大小。当 0.01 < $\eta _p^2$ ≤ 0.06 表示低度影响效应，0.06 < $\eta _p^2$ ≤ 0.14 表示中度影响效应， $\eta _p^2$ >0.14 为高度影响效应[20–21]。种植密度和施氮量及其互作的烟叶化学成分指标 $\eta _p^2$ 求和后转换为百分率，其结果便是种植密度和施氮量及其互作对烟叶化学成分总变异贡献率的大小。

2 结果与分析 2.1 对烤烟产量的影响

从表 2 看，A2 和 A1 处理的产值极显著高于 A3 处理，但产量差异不显著，这表明适中密度的产值最高。施氮量处理多重比较结果显示，B3 处理的产量、产值极显著高于 B1，这表明适当的减氮 (B2 处理)，其产量和产值与高施氮量没有显著差异。以上分析说明，与习惯的种植密度和施氮量相比，推荐的种植密度和施氮量可以维持或提高烤烟的产量和产值。

表2 种植密度和施氮量对烟叶产量和产值的影响 Table 2 Effect of nitrogen level and planting density on the yield and output value of flue-cured tobacco
2.2 种植密度和施氮量对烟叶化学成分的影响

由表 3 可知，总糖含量三个密度处理之间差异不显著，还原糖含量 A3 处理显著高于 A2 和 A1 处理。烟碱含量各处理表现为 A1 > A2 > A3，总氮含量各处理是 A3 > A2、A1，钾含量各处理是 A3、A2 > A1，氯含量各处理是 A2 > A3 > A1，三者之间差异显著。从化学成分可用性指数 (CCUI) 看，A2 处理显著高于 A3 和 A1 处理，表明适中密度的化学成分可用性指数最高。

表3 不同种植密度下烟叶化学成分含量 Table 3 Chemical component contents of flue-cured tobacco under different planting densities

由表 4 可知，总糖和还原糖含量是 B1 > B2 > B3，三者之间差异显著；烟碱、总氮、钾和氯含量是 B3 > B2 > B1，三者之间差异显著。从化学成分可用性指数看，B2 > B3 > B1，三者之间差异显著，表明适中施氮量的化学成分可用性指数最高。

表4 不同施氮量下烟叶化学成分含量 Table 4 Contents of chemical components of flue-cured tobacco under different nitrogen levels
2.3 种植密度和施氮量组合对烟叶化学成分的影响

由表 5 可知，从总糖和还原糖含量看，以 A3B1 处理最高，其次是 A2B1 处理，A1B3 处理最低，不同处理之间差异不显著。不同处理之间烟碱含量差异显著，以 A1B3 处理最高，其次是 A2B3、A1B2、A2B2 和 A3B3 处理，A2B1 和 A3B1 处理相对较低。不同处理之间总氮含量差异显著，以 A3B3、A2B3 和 A1B3 处理相对较高，A1B1 处理相对较低。不同处理之间钾含量差异显著，以 A3B3 和 A2B3 处理相对较高，A1B1 处理相对较低。不同处理之间氯含量差异显著，以 A2B3、A3B3 和 A2B2 处理相对较高，A1B3、A3B2 和 A1B1 处理相对较低。从化学成分可用性指数看，A2B2 最高，A2B3 次之，两者显著高于其他处理，A1B3 处理最低。

表5 不同种植密度和施氮量组合下烟叶化学成分含量 Table 5 Content of chemical components in flue-cured tobacco under different N levels and planting densities
2.4 种植密度和施氮量及其互作对烟叶化学成分的贡献率

将表 5 中 6 个化学成分的种植密度和施氮量及其互作的 $\eta _p^2$ 乘以各自的权重，求和，并转换为百分率，得出施氮量对烟叶化学成分的影响最大，施氮量对烟叶化学成分的变异贡献率为 46.3%，其次是种植密度，为 30.1%，而两者互作最低，为 23.6% (表6)。

表6 种植密度和施氮量对烟叶化学成分的影响 Table 6 Effect of planting density and nitrogen level on chemical component of flue-cured tobacco
3 讨论

目前，南方烟稻轮作地区的烟农习惯采用稀植和大肥大水管理方式，烤烟种植密度在 16667 株/hm2 以下，施氮量在 N 135 kg/hm2 以上，旨在通过提高单叶重、增加单株产量来获得较好经济效益。但这种方式烤烟用氮量高，造成氮肥利用率低，不但增加烤烟种植成本，更加重环境污染的威胁。从本研究来看，以 18182 株/hm2 烤烟化学成分可用性指数最高，表明适当增加密度是可行的；从施氮水平看，以施氮量 120 kg/hm2 烤烟化学成分可用性指数最高，表明适当减少氮肥施用也是可行的。综合来看，适当增加烤烟种植密度和减少氮肥施用可以改善烟叶化学成分协调性。但需要指出的是，我国不同烟区的气候和土壤条件不同，烤烟种植方式不同，得出的化学成分指标隶属函数拐点值和权重可能也不同[3–5]，导致其烤烟种植密度和施氮量不同。如张黎明等[9]指出湖南省龙山烟区以施纯氮 120 kg/hm2、移栽密度为 15159 株/hm2 的烤烟产值最高；张建[10]认为贵州省毕节烟区以施纯氮 90 kg/hm2、移栽密度为 16230 株/hm2 的初烤烟叶产值、产量、外观质量等最佳；杨跃华等[13]提出云南省玉溪烟区烤烟种植密度 16680 株/hm2 及施氮量 90 kg/hm2 较适宜；周文亮等[22]研究表明广西自治区百色烟区烤烟合理种植密度 16680 株/hm2 及施氮量 112.5 kg/hm2 能够得到较好的经济效益和烟叶质量。本试验从烟叶化学成分研究认为，邵阳稻茬烤烟以种植密度 18182 株/hm2、施氮量 120 kg/hm2 的烟叶化学成分可用性指数最高。上述结果表明各烟区在制定合理种植密度和施氮量方案时，不能机械地照搬其他地方的模式，必须充分考虑本地的实情，通过大田试验获取适宜的参数。

一般可以用平方和 (SS) 或 F 值粗略比较多变量效应强弱[23–25]，但 $\eta _p^2$ 更能客观地反映变量效应强弱[22–23]。本研究利用 $\eta _p^2$ 值表明，种植密度和施氮量及其互作对烟叶化学成分具有重要影响，施氮量、种植密度、两者互作的影响分别约为 46%、30% 和 24%，这表明在烤烟生产中，同时考虑控制氮肥用量和适当提高种植密度，是可以在稳定或提高产量的前提下，改善烟叶化学成分的可用性。

烟叶化学成分指标在反映烟叶内在质量优劣的时候存在最优区间。单一指标或凭经验进行的判断难免会存在一定的偏差。采用隶属函数模型对化学成分指标进行归一化处理后获取综合得分(化学成分可用性指数)，不仅使复杂多指标问题得到简化，而且计算和判断更为便捷和客观。

4 结论

本研究表明，采用 $\eta _p^2$ 能更为客观地定量分析种植密度和施氮量及其互作对烟叶化学成分的影响。种植密度和施氮量及其互作对烟叶化学成分的效应不一样，施氮量的影响最大 (约 46.3%)，种植密度次之 (约 30.1%)，两者互作最低 (约 23.6%)。邵阳稻作烟区以种植密度 18182 株/hm2、施氮量 120 kg/hm2 烟叶化学成分可用性指数最高，其次是种植密度 18182 株/hm2、施氮量 135 kg/hm2，与我国南方和当地现行的种植密度 (16675 株/hm2) 和施氮量 (N 135 kg/hm2) 相比，就化学成分而言，增密减氮技术是可以用于烤烟种植生产的。

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