芝麻饼肥替代化肥对翠碧一号产质量及氮素利用率的影响

Effects of sesame cake fertilizer replacing chemical fertilizers on yield，quality and nitrogen utilization efficiency of Cuibi 1

摘要

目的 明确芝麻饼肥等量替代化肥对翠碧一号烟叶产质量与氮素利用率的调控效应，筛选兼顾经济效益与生态效益的芝麻饼肥最优替代比例。 方法 在福建省龙岩市武平烟区，采用大田试验，设置5个芝麻饼肥施用量处理，即CK，0 kg/hm²，芝麻饼肥替代率为0%；T1，900 kg/hm²，芝麻饼肥替代率为24.86%；T2，1 200 kg/hm² ，芝麻饼肥替代率为33.14%；T3，1 500 kg/hm²，芝麻饼肥替代率为41.43%；T4，1 800 kg/hm²，芝麻饼肥替代率为49.71%。测定各处理土壤养分、烤烟农艺性状、干物质积累量、氮素利用率、烤后烟叶常规化学成分及经济性状等指标。 结果 随着芝麻饼肥替代率的增加，土壤养分、烟株农艺性状、干物质积累量、氮素相关效率及氮素积累量、烟叶化学成分协调性及经济性状均呈先升后降的变化趋势。在芝麻饼肥替代率为24.86%~33.14%，即芝麻饼肥施用量为900~1 200 kg/hm²时，土壤碱解氮、速效钾含量较CK显著提高，其中T2处理在旺长期分别较CK提高38.68%和15.32%；烟株茎围、最大叶面积及全株干物质积累量显著增加，成熟期T2处理全株干物质积累量较CK提高19.81%。氮素相关效率、氮素积累量等指标在芝麻饼肥替代率为29%~31%，即芝麻饼肥施用量为1 050~1 122 kg/hm²时达到峰值，其中氮素利用率最高为59.08%。芝麻饼肥替代化肥处理烟叶的化学成分得到改善，T2处理上部叶总糖、还原糖和钾含量分别较CK提高8.86%，12.54%和15.91%，糖碱比较CK提高15.80%。经济性状在芝麻饼肥替代率为29%~33%时最佳，产值、上等烟比例分别可达84 982.15 元/hm²和80.61%。过量替代的T3和T4处理则导致土壤养分下降，烟株长势减弱，氮素相关效率及经济效益降低。 结论 芝麻饼肥替代率为29%~31%，即芝麻饼肥施用量为1 050~1 122 kg/hm²时，可有效改善武平烟区烟叶品质，提升烟叶产量，适宜在武平烟区推广。

Abstract

Objective This study aims to clarify the regulatory effects of replacing chemical fertilizers with an equal amount of sesame cake fertilizer on the yield，quality and nitrogen utilization efficiency of Cuibi 1 tobacco leaves，thereby identifying the optimal substitution ratio of sesame cake fertilizer that balances both economic and ecological benefits. Method In Wuping tobacco area，Longyan city，Fujian Province，a field experiment was conducted with five treatments receiving different application rates of sesame cake fertilizer：CK （0 kg/hm²，0% substitution），T1 （900 kg/hm²，24.86%），T2 （1 200 kg/hm²，33.14%），T3 （1 500 kg/hm²，41.43%） and T4 （1 800 kg/hm²，49.71%）.Indicators including soil nutrients，agronomic traits of flue-cured tobacco，dry matter accumulation，nitrogen utilization efficiency，and the conventional chemical components and economic traits of flue-cured tobacco leaves were measured for each treatment. Result With an increasing substitution rate of sesame cake fertilizer，soil nutrients，agronomic traits of tobacco plants，dry matter accumulation，nitrogen-related efficiency and nitrogen accumulation，as well as chemical component coordination and economic traits of tobacco leaves，all exhibited a trend of first increasing and then decreasing.Within the range of 24.86% to 33.14% of the substitution rate （sesame cake fertilizer application of 900 to 1 200 kg/hm²），soil available nitrogen and available potassium contents were significantly increased compared with CK.Among them，T2 treatment increased these two indicators by 38.68% and 15.32% during the vigorous growth period，respectively.Meanwhile，stem diameter，maximum leaf area and total dry matter accumulation of tobacco plants significantly increased，with total dry matter accumulation under T2 treatment being 19.81% higher than that of CK at the maturity period.Nitrogen-related efficiency and nitrogen accumulation peaked at a substitution rate of 29% to 31% （sesame cake fertilizer application of 1 050 to 1 122 kg/hm²），with the maximum nitrogen utilization efficiency being 59.08%.Chemical components of tobacco leaves were improved，as total sugar，reducing sugar and potassium contents in upper leaves under T2 treatment were 8.86%，12.54% and 15.91% higher than those of CK，respectively，and sugar-alkali ratio increased by 15.80%.Economic traits were optimal within the substitution rate range of 29% to 33% （sesame cake fertilizer application of 1 050 to 1 122 kg/hm²），with the output value and the proportion of top-grade tobacco reaching 84 982.15 yuan/hm² and 80.61%，respectively.In contrast，excessive substitution in T3 and T4 treatments reduced soil nutrients，weakened plant growth，and lowered nitrogen-related efficiency and economic benefits. Conclusion The substitution rate of 29% to 31% for sesame cake fertilizer （application rate of 1 050 to 1 122 kg/hm²） can effectively improve the quality and yield of tobacco leaves in Wuping tobacco area，making it suitable for promotion in this area.

Graphical abstract

关键词

烤烟 / 翠碧一号 / 有机肥替代 / 芝麻饼肥 / 氮素利用率 / 产质量

Key words

flue-cured tobacco / Cuibi 1 / organic fertilizer replacement / sesame cake fertilizer / nitrogen utilization efficiency / yield and quality

烤烟是一种重要的经济作物，其品质直接影响烟草产业的可持续发展。长期以来，为追求高产稳产，化学肥料在烤烟种植中被过量施用，导致土壤酸化、板结、有机质含量下降及微生物群落失衡等一系列土壤健康问题，同时引起烟叶内在化学成分失调、香气物质减少，进而降低其工业可用性^［1-5］。因此推动化肥减量增效，已成为实现优质烟叶可持续生产的迫切需求。有机肥替代化肥是一项重要措施，有助于协调养分供应，改善土壤质量，提升烟叶品质。有机-无机肥配施能够增强土壤养分供应能力，改善微生物区系结构，提高烤烟根际土壤微生物数量^［6-9］，显著提高土壤有机质、过氧化氢酶活性和脲酶活性^［6］，提升香料烟的经济性状和烟叶品质^［7，10］。这些研究为有机肥替代提供了理论依据，但针对不同有机肥源及其适宜替代比例的系统研究仍待深入。作为一种常见的有机肥源，芝麻饼肥是芝麻籽榨油后的残渣经腐熟制成，富含有机碳和多种营养元素，能够为土壤微生物提供能量和养分，有助于改善土壤结构和肥力^［11］。

翠碧一号作为福建烟区特色烤烟品种，其清香型风格深受卷烟工业喜爱，且对氮素营养较为敏感。有机肥等氮替代比例过低易导致烟叶品质提升不显著，替代比例过高则可能导致烤烟前期养分不足或后期贪青晚熟。本课题组前期研究发现，施用芝麻饼肥等量替代化肥可有效提高烟叶品质^［12］，然而针对翠碧一号特色品种适宜替代比例尚不明确。为此本研究基于前期的试验结果，设置不同芝麻饼肥替代化肥比例，分析其对植烟土壤养分、烤烟农艺性状、干物质积累量、氮素利用效率、烤后烟叶化学成分及经济性状的影响，以筛选出可兼顾烟叶品质、经济效益与土壤健康的最优替代比例。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2024年在福建省龙岩市武平县象洞镇富岭村（116°23′ E，24°29′ N）进行。试验地前茬作物为水稻，土壤质地为水稻土，移栽前土壤基本理化性质为pH值5.34，有机质含量24.77 g/kg，全氮含量2.2 g/kg，全磷含量0.68 g/kg，全钾含量27.26 g/kg，碱解氮含量106.17 mg/kg，有效磷含量28.45 mg/kg，速效钾含量178.42 mg/kg。试验田地势平坦，肥力中等，排灌方便，交通便利。

1.2 试验材料

供试烤烟品种为翠碧一号，由福建省烟草公司龙岩市公司提供。供试肥料包括提苗肥，N+P₂O₅≥50%，V（N）∶V（P₂O₅）=20∶30，购自福建桑玛作物营养科技有限公司；烟草专用复合肥，总养分≥38%，V（N）∶V（P₂O₅）∶V（K₂O）=10∶7∶21，购自龙岩鑫叶农资有限公司；芝麻饼肥，有机质≥50%，N+P₂O₅+K₂O≥6%，V（N）∶V（P₂O₅）∶V（K₂O）=29∶15∶7，购自河南全友农业科技发展有限公司；磷酸二氢钾，KH₂PO₄≥96%，P₂O₅≥50%，K₂O≥33.2%，购自贵州毕节灵丰复合肥有限公司；硝酸钾，总养分≥58%，V（N）∶V（K₂O）=12∶46，云南金兰化工股份有限公司；硫酸钾，K₂O≥52%，S≥17%，Cl^-≤1.5%，购自国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司。

1.3 试验设计

试验于2024年1月至7月进行。以芝麻饼肥用量为试验因素，试验设置5个施氮量梯度处理，0 kg/hm²（芝麻饼肥替代率0%，CK）、900 kg/hm²（芝麻饼肥替代率24.86%，T1）、1 200 kg/hm²（芝麻饼肥替代率33.14%，T2）、1 500 kg/hm²（芝麻饼肥替代率41.43%，T3）、1 800 kg/hm²（芝麻饼肥替代率49.71%，T4），并设置空白处理（不施肥），用于计算烟株氮素利用率、氮素当季回收率、氮素积累量和氮素吸收效率。每个处理设置3次重复，采用随机区组排列，共计18个小区，每个小区种植烤烟48株，株行距120 cm×48 cm，种植密度为16 500株/hm²。采用等量替代原则，总施氮量为105 kg/hm²，在施用饼肥基础上，控制氮、磷、钾（N、P₂O₅和K₂O质量比1︰0.71︰3.79）用量一致，计算补充无机肥用量。施肥分基肥、追肥两阶段实施，均按当时施肥方案进行。基肥：整地时一次性施用，各处理基肥中烟草专用复合肥用量依次为412.79，297.08，258.51，219.93和181.36 kg/hm²，硝酸钾用量依次为143.51，109.44，98.08，86.72和75.37 kg/hm²，硫酸钾用量依次为152.94，223.05，246.42，269.80和293.18 kg/hm²。追肥：各处理追肥中提苗肥、磷酸二氢钾用量统一为37.5和30 kg/hm²，烟草专用复合肥用量依次为275.20，198.05，172.34，146.62和120.91 kg/hm²，硝酸钾用量依次为95.67，72.96，65.39，57.82和50.24 kg/hm²，硫酸钾用量依次为101.96，148.70，164.28，179.87和195.45 kg/hm²。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤理化性质

土壤理化性质的测定均参照文献［13］的方法进行。分别于旺长期和成熟期，采用五点取样法对每个小区烤烟的根际土壤进行取样。土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；有机质含量由有机碳测定值乘以系数1.724得到；全氮含量采用凯氏定氮法测定；碱解氮含量采用碱解-扩散法测定；全磷含量采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；全钾含量采用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定。

1.4.2 烤烟农艺性状

在各小区选取5株长势良好、均匀、有代表性的烟株进行挂牌标记，参照烟草农艺性状调查测量方法（YC/T 142-2010），在旺长期和成熟期定株调查株高、茎围、节距、最大叶长、最大叶宽，并计算最大叶面积（最大叶面积=最大叶长×最大叶宽×0.634 5）。

1.4.3 烤烟干物质积累量

分别在旺长期和成熟期，于每小区随机挖取3株烟株，装入网袋洗净。分别将3株烟株的根、茎、叶放入烘箱105 °C杀青30 min后80 °C烘干至恒质量，粉碎过筛（孔径0.25 mm），用于干物质积累量和氮含量测定。氮含量测定使用全自动凯氏定氮仪Kjeltec^TM 8400（丹麦FOSS公司）。

1.4.4 氮素积累量及氮素利用率

氮素积累量及氮素利用率的计算参考文献［14-15］的方法。

氮素积累量=叶氮素积累量+茎氮素积累量+根氮素积累量=叶氮含量×叶干质量+茎氮含量×茎干质量+根氮含量×根干质量；

氮素利用率=（施氮区植株氮素积累量-空白区植株氮素积累量）/施氮量×100%；

氮素当季回收率=（施氮区地上部分氮素积累量-空白区植株氮素积累量）/施氮量×100%；

氮素吸收效率=（施氮区植株全氮积累量-不施氮区植株全氮积累量）/施氮量×100%。

1.4.5 烟叶常规化学成分

待烟叶成熟后，按当地烘烤方案在当地烤房进行烘烤，各处理取上部叶、中部叶烤后烟样2 kg，粉碎过筛（孔径0.25 mm），用于烤后烟叶样品化学成分测定。烟碱含量参照行业标准YC/T 160-2002^［16］测定；总糖和还原性糖含量参照行业标准YC/T 159-2019^［17］测定；总氮含量参照行业标准YC/T 161-2002^［18］测定；氯含量参照行业标准YC/T 162-2011^［19］测定；钾含量参照行业标准YC/T 217-2007^［20］测定。各指标平行测定3次，取平均值。

1.4.6 烤烟经济性状

采烤前，每个小区标记30株烟株作为测产对象，单独采收、编竿，下烤后按国家分级标准烤烟（GB 2635-1992）^［21］进行分级称质量，按当地2024年烤烟收购价格统计产量、产值、均价、上等烟比例、中上等烟比例和上部叶比例，每公顷产量和产值由小区数据折算。

1.5 数据分析

采用Excel 2010、SPSS 27.0.1软件进行数据处理和方差分析，采用Origin 2024进行绘图。

2 结果与分析

2.1 芝麻饼肥梯度等量替代化肥对植烟土壤养分含量的影响

由表1可知，随芝麻饼肥等量替代化肥比例的增加，土壤养分各项指标均呈现先升高后降低的趋势，在T2处理达到最大值。在旺长期，与CK相比，T1和T2处理土壤有效磷、碱解氮、全钾和速效钾含量显著增加，其中T2处理分别显著提高了6.00%，38.68%，22.59%和15.32%。在成熟期，与CK相比，T1和T2处理土壤全磷、有效磷、全氮和全钾含量均显著提高，其中T2增幅最大，分别显著提高了13.46%，6.35%，6.93%和20.21%。

2.2 芝麻饼肥梯度等量替代化肥对翠碧一号农艺性状的影响

由表2可知，随芝麻饼肥等量替代化肥比例的增加，烟草农艺性状各项指标均呈现先升高后降低的趋势。在旺长期，与CK相比，T1和T2处理烟草的茎围、最大叶长、最大叶宽、最大叶面积显著提高，其中T2处理茎围显著提高了18.46%，T1处理最大叶长、最大叶宽、最大叶面积分别显著提高了4.02%，10.07%和14.54%。在成熟期，与CK相比，T1处理烟草的茎围、T2处理烟草的最大叶宽、T1和T2处理烟草的最大叶长和最大叶面积均显著提高。

2.3 芝麻饼肥梯度等量替代化肥对翠碧一号干物质积累量的影响

由表3可知，随芝麻饼肥等量替代化肥比例的增加，烟草植株各部分的干物质积累量均呈现先升高后降低的趋势。在旺长期，与CK相比，T2处理烟草的根和叶干物质积累量分别显著提高了35.72%和10.13%；在成熟期，与CK相比，T2处理烟草的茎和叶干物质积累量分别显著提高了12.77%和28.78%。

2.4 芝麻饼肥梯度等量替代化肥对翠碧一号氮素相关效率及氮素积累量的影响

由图1可知，芝麻饼肥替代率与氮素利用率、氮素当季回收率、氮素积累量、氮素吸收效率的Gauss函数拟合曲线均呈现正态分布的趋势，且R²>0.5。同一施氮量条件下，随着芝麻饼肥替代率的增加，氮素利用率、氮素当季回收率、氮素积累量、氮素吸收效率均呈先上升后下降的趋势。当芝麻饼肥替代率分别为29.64%，30.27%，29.77%和29.63%时，氮素利用率、氮素当季回收率、氮素积累量、氮素吸收效率均达到最高，所对应的峰值分别为59.08%，30.68%，5.87 g/株和0.84%。以上结果表明，当芝麻饼肥替代率为29%~31%（芝麻饼肥施用量为1 050~1 122 kg/hm²）时，氮素相关效率与氮素积累量较高。

2.5 芝麻饼肥梯度等量替代化肥对翠碧一号常规化学成分的影响

由表4可以看出，随芝麻饼肥等量替代化肥比例的增加，烤后烟叶上部叶与中部叶的烟碱和总氮含量均呈现先下降后上升的趋势，而总糖、还原糖和钾含量则相反，呈现先上升后下降的趋势。对上部叶，T2处理的总糖含量、还原糖含量、糖碱比、钾含量、氮碱比较CK分别显著提高了8.86%，12.54%，15.80%，15.91%和20.00%；T2、T3和T4处理烟碱和总氮含量较CK显著降低。对中部叶，T1和T2处理的总糖含量、还原糖含量和糖碱比较CK均显著提高，其中T2处理的总糖和还原糖含量增幅最大，分别为23.21%和30.82%。

2.6 芝麻饼肥梯度等量替代化肥对翠碧一号经济性状的影响

由图2可知，芝麻饼肥替代率与烤烟的产量、产值、均价、上等烟比例、中上等烟比例、上部叶比例的Gauss函数拟合曲线均呈现正态分布的趋势，且R²≥0.5。同一施氮量条件下，随着芝麻饼肥代替率的增加，烟叶经济性状均呈先上升后下降的趋势。当芝麻饼肥替代率为29.69%，29.81%，30.86%，32.78%，32.76%和32.44%时，其产量、产值、均价、上等烟比例、中上等烟比例、上部叶比例均达到最高，所对应的峰值分别为2 332.29 kg/hm²，84 982.15 元/hm²，36.51元/kg，80.61%，97.09%和34.16%。以上结果表明，当芝麻饼肥替代率为29%~33%（芝麻饼肥施用量为1 050~1 195 kg/hm²）时，烟叶的经济性状较高。

3 讨论与结论

有机肥适量代替化肥可以促进烟株生长发育。本研究在前期试验结果的基础上，明确了芝麻饼肥替代化肥比例存在一个优化区间，而非比例越高越好，在此范围内土壤养分的供应模式与翠碧一号养分需求规律最为匹配，从而在保障烟株正常生长的同时，有效提升了土壤养分、烟叶的干物质积累量、氮素利用率、化学协调性及经济价值。

芝麻饼肥的施用对烤烟生长发育及产质量有较大影响。研究发现芝麻饼肥不仅促进了土壤中氮营养的释放和利用，而且还能提高NO₃-N的利用率^［22］。本试验结果表明，随着芝麻饼肥替代量的增加，植烟土壤养分含量均呈现先上升后下降的趋势，当芝麻饼肥替代率为24.86%~33.14%（芝麻饼肥施用量为900~1 200 kg/hm²）时，土壤养分达到峰值，而过量替代则导致土壤养分含量下降。推测可能是芝麻饼肥中的氮素主要以有机氮形式存在，需经过矿化作用转化为铵态氮或硝态氮后才能被烟株吸收利用；而化学肥料中的无机氮可直接被作物利用^［23］。适量的芝麻饼肥投入，为土壤微生物提供了充足的碳源和能源，显著增强了其活性，促进了土壤有机质的矿化和养分的缓慢释放，从而构建了一个稳定而有效的养分库^［24］。然而当替代比例过高时，有机肥过高的C/N值可能刺激微生物大量繁殖，为构建自身体细胞而固定土壤中的有效氮素，导致在烤烟生长关键期出现短暂的“氮饥饿”现象^［25］，反而影响了养分的及时供应。

烟株的干物质积累是其全生育期营养水平的综合体现。王新月等^［26］研究表明，施用有机肥可提高烟株干物质积累量，并促进干物质向烟叶分配。本研究进一步明确了实现这一效应的最佳替代比例范围，当芝麻饼肥替代率为24.86%~33.14%（芝麻饼肥施用量为900~1 200 kg/hm²）时，可以促进烟株生长，提高烟株最大叶长、最大叶宽、最大叶面积和干物质积累量，直接印证了该比例下土壤养分供应最为协调，能够满足烤烟“前期足量、中期稳定、后期适量”的养分需求规律。反之，过高芝麻饼肥替代率下，可能由于生长前期速效氮供应不足，限制烟株的早期快速生长，即使后期矿化释放养分，也难以弥补前期生长受阻造成的损失，最终导致生物量下降。

氮素利用效率是衡量施肥合理性的核心指标。在本研究中，当芝麻饼肥替代率为29%~31%（芝麻饼肥施用量为1 050~1 122 kg/hm²）时，氮素利用率、氮素当季回收率、氮素积累量、氮素吸收效率均显著提高。这主要归因于有机-无机肥配施实现了“速效与缓效”养分的优势互补。化学氮肥的快速启动效应保障了烤烟早期的氮素需求，而芝麻饼肥在微生物作用下逐步矿化释放的氮素则有效支撑了中后期的生长，避免了单施化肥可能造成的后期脱肥问题，同时减少了因氮素过早集中释放而导致的淋溶和挥发损失^［27-29］。这表明，适宜的芝麻饼肥替代不仅是一种增产提质措施，更是一项高效的资源利用和环境友好的施肥策略。

烤烟常规化学成分含量及其相互协调性是评价其品质的关键指标之一，直接影响烤烟的外观特征与感官品质。本研究中，芝麻饼肥替代率为33.14%（T2，芝麻饼肥施用量为1 200 kg/hm²）时，表现出最高的总糖、还原糖、钾含量及最适宜的糖碱比，这得益于该比例下平稳而持续的氮素供应模式使烟株碳氮代谢趋于平衡。此外，有机肥改善了土壤结构，促进了根系发育，可能增强了烟株对钾离子的吸收能力，进而提升了烟叶钾含量。而当有机肥替代量过高时并不利于烤后烟叶化学品质的提高与协调，这与叶协锋等^［30］和曾祥难等^［31］的研究结果一致。

烤烟生产的经济效益是各项农艺与生理指标的综合体现。本试验中，芝麻饼肥替代比例为29%~33%时，烤烟的产量、产值、均价及上等烟比例、上部叶比例均达到峰值。这一最优经济性状的形成，是前述土壤养分有效供应、烟株干物质充分积累、氮素高效利用以及烤后烟叶化学成分协调共同作用的结果。李学芹^［32］研究表明，适宜的有机肥与无机肥进行配施有利于烤烟生长发育，优化等级结构，从而提高烤烟的产量与产值。适当的有机无机氮肥配施比例能够保持和提高作物的产量，有利于其生长发育，优化等级结构，从而提高产量与产值，但有机肥的替代量超过一定阈值反而会降低作物产量^［33-37］。本研究揭示了芝麻饼肥替代化肥比例存在明确的效应阈值，超过33%的替代率可能会因前期养分供应不足而影响烟叶的产量和等级，最终导致经济效益下降。因此，推荐替代率29%~33%（芝麻饼肥施用量为1 050~1 195 kg/hm²）为兼顾烤烟生态效益与经济效益的芝麻饼肥最优替代区间。

综上所述，芝麻饼肥替代率为29%~31%（芝麻饼肥施用量为1 050~1 122 kg/hm²）时，可有效改善武平烟区烟叶品质，提升烟叶产量，适宜在福建省龙岩市推广应用。

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基金资助

广东中烟工业有限责任公司科技项目(2023440000340013)

福建省烟草公司龙岩市公司科技项目(2023350800240041)

福建省烟草公司龙岩市公司科技项目(2022350824240020)

广东省基础与应用基础研究基金省市联合基金项目(2024A1515011304)