稳定同位素15 N示踪法在我国烤烟研究中的应用

李海江，陈廷贵，宋少堂，郭桥燕，宋观博，王红军，王正平，宋学立，赵凤霞* (．河南省

烟草公司平顶山市公司，河南平顶山467000;

2．河南省农业科学院烟草研究所，河南许昌461000;3．河南省烟草公司烟草研究所，河南许昌461000;4．河南省烟草公司许昌市公司，河南许昌461000)

烟草是我国重要的经济作物之一，具有悠久的栽培历史，其生产行业已成为国民经济的一个重要组分，也是一些地方省市的财政支柱。在特定环境条件下，施肥是提高烟叶产量和品质的核心技术［1］，其中氮素是影响烟株正常生长发育的最重要营养元素，也是对烟碱累积影响最大的元素［2］。在生长发育过程中，氮素供应适量，则烟株生长健壮，叶片厚薄适中，颜色正常，不但产量高，而且烤制后烟叶品质较好，产值、均价和上等烟比例均较高;氮素供应不足会导致烟株生长发育不良，烟叶颜色较淡，调制后烟叶较薄;氮素过量则造成烟叶肥大，营养生长期延迟，叶片落黄迟缓，贪青晚熟，或形成“黑爆烟”，还会加重病虫害的发生几率［3－5］。对烟草氮素吸收、分配和利用规律进行长期研究，有利于深入了解烟草的需肥特点，提高烟叶产量和品质，更好地解决烟草生产中存在的实际问题。

稳定同位素示踪技术在烟草研究中的应用历史可以追溯到20世纪40年代。Vickery等［6］利用15N同位素示踪技术研究烟草对氮素的吸收特性。随后该技术被广泛应用到烟株体内烟碱等物质代谢、氮素肥料的转运和分配、肥料利用效率等研究领域，为研究烤烟生长发育过程中氮素在烟株中的吸收、分配和利用规律提供重要手段。通过15N同位素示踪的方法，可以明确地分析不同来源氮素和不同形态氮素在烟株中的转移和累积规律，准确测定当季氮肥利用率。这不仅可以提高烟叶生产的经济效益、社会效益和生态效益，而且可以丰富相关科学研究的基础理论。笔者主要对15N同位素示踪技术在我国烤烟氮素吸收与分配规律研究、叶片烟碱含量研究以及不同栽培管理措施条件下氮素的利用特性3个研究方面的内容进行了综述，为烟草氮素肥料的施用提供理论参考。

1 15 N示踪在烤烟氮素吸收与分配规律方面的研究进展

通过15N同位素的方法研究氮素在烤烟中的吸收、分配和利用规律，是烤烟氮素研究的主要内容之一。早在20世纪90年代，唐年鑫等［7］就利用15N同位素示踪技术研究了烟株对氮素的吸收利用规律。他认为，烟株吸收的氮素大部分来自于土壤，肥料仅占全株总氮量的16%，且全株总含氮量的70%分布于叶片。杨宏敏等［8］研究了硝酸铵肥料的当季利用效率以及硝酸铵在土壤中的残留率。结果表明，硝酸铵施入土壤的利用率仅为17%～26%。由于硝酸根的淋失、氨的挥发和落叶、底脚叶、打顶株叉等方面的主要损失，硝酸铵亏损率均高于40%，甚至高达63%，氮素在土壤中的残留有65% ～85%集中在耕层。

罗国安等［9］通过15N标记(NH4)2SO4的方法，研究了大田和盆栽烤烟在不同施肥条件下的养分吸收特点。结果表明，烤烟叶片吸收氮素特点为团棵期＞旺长期＞现蕾期;烤烟根系吸收特点为伸根期＞团棵期＞旺长期＞现蕾期;茎的吸收特点为移栽期至团棵期较高，然后迅速下降;氮素收获量特点为化肥＞化肥+饼肥＞饼肥;肥料氮进入烟株的比例为叶＞茎＞根。

烤烟对氮素的吸收和利用受土壤肥力、施氮水平和降雨等多种因素的制约。在施氮量相同的条件下，不同施肥方法对烤烟氮肥利用率也有显著的影响。秦艳青等［10］通过田间试验和微区试验相结合的方法，研究了传统施肥和优化施肥两种施肥方法对云南玉溪烤烟生长和氮素积累的影响。研究结果表明，施纯氮120、52．5 kg/hm2后，烟株分别在打顶以后和团棵期以后以吸收土壤氮为主;52．5 kg/hm2的施氮量能保证烟株移栽到打顶的生长需求，但是氮素营养略显不足，施氮量和不同时期各部位肥料氮的含量呈正比，且在团棵期吸收肥料氮的值达到最大，团棵期后呈下降趋势。单德鑫等［11］采用15N示踪的方法研究了植烟土壤为东北黑土时烤烟对不同形态氮肥的吸收、累积和分配规律。研究结果表明，氮素在烤烟地上部的分布规律表现为中部叶＞上部叶＞下部叶，茎中氮素含量较低，与下部叶相差不大;地上部利用肥料氮的比例为下部叶＞中部叶＞上部叶，茎中肥料氮的比例仍较低，与上部叶相近;不同生育期对氮素的吸收利用率不同，团棵期吸收肥料氮的比例最高，随着生育期的推迟，烟株利用肥料氮的比例逐渐减少，现蕾期至成熟期差异不大。袁仕豪等［12］以烤烟品种K326为试材，运用15N双标NH4NO3和15N标记的KNO3同位素示踪技术，研究了湖南浏阳多雨地区烤烟不同生育期对基肥和追肥氮素的利用效率。结果表明，在伸根期和旺长期烤烟以吸收肥料氮为主要方式，在成熟期以吸收土壤氮为主要方式;在相同施氮量条件下，追肥比例越大，烤烟对追肥氮的吸收量越大，追肥的利用率越低，对基肥氮的吸收量越少，对基肥的利用率越高，但是不同生育期烤烟对追肥的利用率均显著高于基肥;在施氮量一定的情况下，随着追肥比例的增大，基肥氮在土壤中的残留量降低，追肥氮的残留量增加，肥料氮的总残留量和损失量比例减少。研究还表明，适当增加追肥比例可提高多雨地区的烤烟氮肥利用效率。

习向银等［13］以烤烟品种K326为试材，通过15N示踪法研究了大田条件下土壤氮对烤烟氮素累积的影响。结果表明，土壤氮素的比例随着叶位的上升而上升，打顶后上、中、下3个叶位和根茎中的土壤氮素随生育期推迟而显著增加。为了解水稻土植烟土壤供氮特征及其对烤烟氮素累积分配的影响，谷海红等［14］通过大田15N双标NH4NO3示踪试验，研究了云南省玉溪市红塔区水稻土烤烟整个生育期内肥料氮和土壤氮在烟株不同器官的累积分配状况，明确了水稻土烤烟对不同来源氮素的吸收和分配特征。结果表明，在施氮90 kg/hm2条件下，土壤氮是烟株整个生育期吸收氮素的主要来源，且土壤氮占总吸氮量的比例随着生育期的推迟和烟叶着生部位升高而明显增加;增施氮肥可以显著提高烟叶总氮和烟碱含量，改善烟叶品质，但是存在上部烟叶烟碱含量偏高的问题。

为充分了解有机肥氮对烤烟氮素营养的贡献及其在烟株生长过程中的动态，刘青丽等［15］应用15N同位素示踪技术研究了饼肥、秸秆肥与无机肥配施条件下烤烟对氮素的吸收与利用规律。结果表明，秸秆和饼肥对氮素营养的贡献率较低;有机肥与无机肥配施可以明显降低烟叶的烟碱含量，增加叶片糖碱比，改善烟叶的品质。

杨志晓等［16］以烤烟品种K326为材料，采用田间原位培养法和15N双标NH4NO3同位素示踪技术研究了广东南雄烟区烤烟氮素累积规律［16］、当季施入肥料氮的利用、残留和损失情况以及该地区土壤氮素矿化特征。结果表明，烟株不同器官氮素累积量高低顺序为叶片＞茎＞根;全生育期烟株吸收的氮主要来源于土壤，土壤氮占总氮的比例随着生育期延迟和叶片着生部位升高而增加;团棵期和打顶期烤烟以吸收当季肥料氮为主，到成熟期以吸收土壤氮为主;土壤氮素的矿化量随生育期推迟呈明显的先上升后下降趋势，移栽后75 d左右达到高峰。化党领［17］同样通过15N示踪的方法，研究了恩施烟区植烟黄棕土壤的供氮能力和各生长期烟株不同器官吸收氮素的来源。结果表明，烟株含氮量高低顺序为杈＞上部叶＞中部叶＞下部叶＞茎和根。不同部位叶片吸收、利用和累积氮素的来源不同，积累时期和积累规律也不尽相同。随着生育期的推迟，上部叶片积累土壤氮和肥料氮均持续升高，且土壤氮的比例逐渐增加，中部叶片积累2种氮素较平稳，下部叶片的2种氮素积累量均下降。

2 15 N示踪在烤烟叶片烟碱含量方面的研究进展

烟碱是烟叶的重要成分。烟叶中烟碱含量与其他化学成分之间保持平衡、协调，才能生产出具有良好香气的高质量香烟［18］。大量研究表明，在一定范围内，增加施氮量可以明显提高烟叶烟碱含量，降低还原糖含量［19］。王鹏等［20］利用15N双标NH4NO3示踪技术对贵州黄壤烟区烤烟各部位叶片含氮量和烟碱含量进行研究，分析了烤烟烟碱与氮含量的变化规律、烟碱中肥料氮的比例以及不同施肥方法对烟碱中氮的影响。结果显示，烤烟氮素的积累主要集中于移栽后的第5～11周，烟碱的积累开始于移栽后的第9周，直至烟叶成熟采收;烟株生长前期氮素的积累与烟碱的累积表现不一致，在烟株生长后期即移栽后第11～17周，氮素积累趋于稳定，与烟碱的积累呈正相关，此时叶片烟碱含量随着氮素积累量的增加而呈增加趋势。

谢志坚等［21］应用15N双标NH4NO3同位素示踪技术研究了移栽前30、15 d和移栽当天3个氮肥施用时间对烤烟烟碱含量的影响。结果表明，烤烟烟碱含量随着生育期的推迟而逐渐升高，叶片烟碱含量在打顶前随着叶位上升而下降，打顶后随着叶位下降而上升;提前施用基肥提高了下部叶片的烟碱含量，但不会影响中上部烟叶的烟碱含量。叶片烟碱氮中来源于肥料氮的比例随生育期的推进和叶位的上升而下降。

3 15 N示踪在烤烟不同栽培管理措施下氮素利用特性方面的研究进展

不同栽培管理条件下烤烟氮素的利用特性存在很大差异。15N示踪技术为人们研究栽培管理措施对烤烟氮素利用特性的影响提供一个便捷的方式。刘泓等［22］通过15N标记的NH4NO3研究了氮肥用量与留叶数对烤烟氮素吸收的影响以及对烟叶氮素分布和烟碱含量的影响。结果显示，不同施氮量与留叶数对烤烟氮素吸收、分配和利用效率均有明显的影响，对烟株的生长发育、干物质积累和叶片烟碱含量也有较大影响。烤烟吸收的约1/2肥料氮被分配到烟叶部分，上部烟叶含量高于中下部烟叶。控制氮肥施入量和留叶数可以在一定程度上降低上部烟叶的含氮量，进而控制烟碱含量。徐照丽等［23］同样应用15N示踪技术，采用田间微区和小区试验相结合的方法，研究了不同前茬作物对烤烟氮肥利用的影响。研究表明，前茬作物种类、氮素水平以及二者的互作均会显著影响烤烟的氮肥利用效率，进而影响上等烟比例、产量和产值等经济性状。前茬种洋葱的烟田当季氮肥利用效率最低，烤烟吸收的氮素主要来源于土壤;在大麦田烤烟，随着肥料施入量的增加，增产效应也更加明显，当季氮肥的利用效率较高;甜脆豌豆烟田的肥料残留量偏高。

烟田土壤肥力存在差异，氮素利用特性也不尽相同。马兴华等［24］以中烟100为试材，通过15N标记的NH4NO3示踪技术研究了不同土壤肥力条件下烤烟对氮素的吸收、分配和利用规律。结果表明，在不同土壤肥力条件下，烤烟吸收的土壤氮均多于肥料氮，土壤氮占70．68% ～81．33%，肥料氮占18．67% ～29．32%。随着生育期的推迟，肥料氮占总氮的比例降低，土壤氮占总氮的比例升高;在生长发育前期，低肥力烟田种植的烟株吸收的肥料氮和土壤氮量均高于高肥力烟田，生育中后期趋势相反，高肥力烟田烟株各器官氮素积累量都高于低肥力的，高肥力烟田烟叶的氮素分配比例略高于低肥力的，根的分配比例低于低肥力的;在成熟过程中，烤烟叶片氮的累积量和分配比例均降低，而茎的累积量和分配比例均升高。

4 存在的问题及展望

15N稳定同位素示踪技术为土壤肥料氮素利用规律的研究提供新的方法和手段，并且在该研究领域取得广阔的发展前景。由于15N不具放射性，没有衰变，在分离、标记化合物合成及后续相关研究中均不需要防护，可以在大田进行农作物整个生育期的研究试验，操作简便，使用安全。目前，15N稳定同位素的测定方法有十足的发展和进一步的改良，质谱和核磁共振等方法均具有较高的灵敏度，测试结果精确;稳定性同位素的来源充沛，15N标记合成较简单，可以在绝大多数氮素肥料中进行标记，提高15N肥料应用方法的普遍性。但是，该方法仍然存在不足之处，如带有同位素标记的肥料和同位素标记后的试材测定价格较昂贵，限制了该方法使用的广泛性;另外，它只能以量化的方式追踪物质，而不能像放射性同位素示踪一样，从视觉角度追踪物质的发展变化途径。

今后，烟草研究中15N稳定同位素示踪技术的应用应更加侧重于以下方面。首先，目前我国15N稳定同位素的研究方法在烟草上主要应用于栽培管理措施及生理生化研究等方面，比如氮素吸收、分配和利用规律的研究以及各种不同栽培管理措施下氮素的利用特性研究等，而对细胞、分子标记等方面的研究较少。烟草科研工作者应提高相关研究的水平，与国际领先的研究层次接轨。

第二，稳定性同位素在烟草上的研究主要侧重于烟株生长发育过程阶段。在烘烤过程、植物保护过程中的应用较少。今后，应拓宽同位素示踪方法在烟草中的研究范围，将该方法引进烘烤过程中含氮物质的变化规律研究以及病虫草害的预防和控制等研究领域。

随着稳定同位素示踪技术的不断完善，该方法在烟草研究中的应用范围不断扩大，其在烟草生产和理论研究等方面将会发挥越来越重要的作用。

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