水肥一体化对烤烟钾吸收及产质量的影响

2022-11-30张铜津陈培钰宋正熊马君红符云鹏杨铁钊代晓燕

节水灌溉 2022年11期

张铜津，陈培钰，宋正熊，马君红，符云鹏，杨铁钊，代晓燕

（1.河南农业大学烟草学院，烟草行业烟草栽培重点实验室，郑州 450002；2.河南省烟草公司洛阳市公司，河南洛阳 471023）

0 引言

钾是植物生长必需的营养元素，也是公认的烟草品质元素[1]。充足的钾素供给不仅能保证烟草正常生长发育，还对烟叶的燃烧性、吸食品质及卷烟制品的安全性均有重要影响[2]。豫西烟区地处半湿润半干旱地区，水资源相对匮乏，加之降水时空分布不均匀，干旱频发[3]，土壤中的水溶性钾和交换性钾离子易被2∶1型黏土矿物的层间孔穴固定[4]，其使得土壤中的有效钾含量降低，导致烟株可供吸收利用和在植株体内循环的钾量降低并限制了当地烟叶钾含量的提高，制约着当地烟叶品质的提升。因此，研究缓解豫西烟区干旱、提高烟叶钾含量的栽培措施具有重要的现实意义。水肥一体化是将水与肥混匀后，利用自然高度或水泵等设备制造压力差，通过管道及滴灌带对植株进行精准施肥与灌溉的技术，可根据植物的生长规律与需肥特性定时定量施入养分，实现水肥同步管理及资源高效利用[5]。近年来水肥一体化技术已成为农作物生产的研究热点，已有报道，水肥一体化在小麦、水稻和玉米等作物试验中取得明显的增产丰收效果[6-9]。水肥一体化能够提高作物干物质积累量[10]，提高烤烟根系活力[11]，增强叶片光合作用及光能利用效率[12]，保证植物的较高水分利用率[13]。与条施或撒施相比，水肥一体化可按照作物不同生长时期养分需求精准供给养分[14]。Mohammad 等[15]研究发现，水肥一体化下南瓜氮素吸收效率显著提高。席奇亮等[11]通过南阳烟区试验表明，水肥一体化有效调控烟株对氮素的吸收，提高了氮肥利用率。Silber 等[16]通过研究生菜发现水肥一体化高频率滴灌施肥能够增强土壤中磷素向作物主根区移动，进而促进生菜对磷的吸收利用。张国桥等[17]研究发现磷肥100%随水滴灌追施，可显著提高玉米吸磷量。周健飞等[18]研究南阳烟区主栽品种云烟87 发现，水肥一体化显著提高了烟叶钾含量，有利于实现“提钾降氯”。目前，有关水肥一体化对作物氮磷钾养分吸收已有较多研究，但针对豫西烟区干旱频发、烟叶钾含量低的现状，运用水肥一体化技术进行提高烟叶钾含量及改善烟叶产质效益的研究还比较缺乏。因此，本文通过研究水肥一体化对豫西烟区主栽品种LY1306 钾吸收特性和产质量的影响，为完善豫西烟区抗旱提钾栽培技术体系提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年在河南省洛阳市洛宁县小界乡王村进行。试验地基础肥力为全氮含量0.11%、全碳含量0.75%、硝态氮11.80 mg/kg、铵态氮9.68 mg/kg、速效磷16.55 mg/kg、速效钾153.84 mg/kg、土壤pH 值为7.65。试验地肥力均匀，有灌溉条件。供试品种为LY1306，采用漂浮育苗方式，选取5叶1心生长茁壮烟苗，于5月1 号移栽。田间栽培管理措施运用优质烟叶生产技术规范进行。

1.2 试验设计

采用随机区组设计，共设置3 个处理，空白对照处理CK、常规处理T1（当地施肥和灌水方式）和水肥一体化处理T2（指导施肥和灌水方式）。具体为：CK 处理除大田起垄时条施高碳基肥料375 kg/hm2，不施任何其他肥料，作空白对照。T1 处理以当地施肥量为准，即在大田起垄时条施高碳基肥料375 kg/hm2、羊粪（含N 2%）750 kg/hm2、重钙（含P2O550%）75 kg/hm2和硫酸钾（含K2O 50%）300 kg/hm2作基肥，烟株生长期总施氮量为15 kg/hm2。T2 处理大田起垄时条施高碳基肥料375 kg/hm2，通过水肥一体化滴灌系统根据烟株需水需肥规律来把所有化肥作追肥施入，追肥使用本课题组自配液体肥料，包括团棵期追肥（N-P2O5-K2O=10-25-34）共150 kg/hm2，分别在烟株移栽后30 d 和35 d 施入；旺长期追肥（N-P2O5-K2O=0-0-33）共150 kg/hm2，分别在移栽后50 d 和60 d施入；成熟期追肥（N-P2O5-K2O=0-0-33）共150 kg/hm2，分别在移栽后70 d 和80 d 施入，烟株整个生长期施入N、P2O5和K2O与T1处理保持一致。

全生长期灌水量CK、T1、T2 处理保持一致，其中CK和T1 为沟灌，全生长期共进行3 次灌溉，灌水定额为450 m3/(hm2·次)；T2 灌溉方式为滴灌，全生育期共进行9 次滴灌（其中6 次与施肥同时进行），灌水定额为150 m3/(hm2·次)。每处理重复3 次，共9 个小区。各小区面积为667 m2，每个小区种1 000 株，行株距1.3 m×0.55 m，小区周围设置保护行。除不同的施肥方案外，其他措施按当地生产技术规范进行。

1.3 测定指标和方法

1.3.1 干物质积累量

在移栽后30、40、50、60、70、80、90、100 d 时，每个处理分别挖取生长一致的烟株3～4 株，分叶、茎和根3 个部位，在105 ℃下杀青30 min，65 ℃烘干到恒重，称重后粉碎，测定干物质的积累量。

1.3.2 钾素积累量和钾素效益

取1.3.1 中粉碎后的杀青样，用0.2 mm 筛子过筛，精确称量0.1 g，用1 mmol/L 盐酸浸提植株体内钾含量，使用FP6400火焰光度计测定烟株钾素[19]，计算钾素积累量、钾肥偏生产力和钾肥表观利用率。

钾肥偏生产力（kg/kg）=施钾区产量/施钾量

钾肥表观利用率=（施钾区移栽后100 d 吸钾量-空白对照移栽后100 d吸钾量）/施钾量×100%

1.3.3 Logistic 生长模型

参考朱英华等[20]的方法，选采用Logistic 方程（1）对干物质积累量、钾积累量进行拟合。用Logistic 方程的二阶导数方程（3）等于0 时计算最大积累速率出现时间，之后带入一阶导数方程（2）来计算烟株各部位最大积累速率。

式中：y为干物质或钾积累量；t为移栽天数；e为自然对数；a、b、c为拟合方程参数，参数a、b、c通过统计软件计算获得。

1.3.4 化学成分

取不同处理烤后烟叶B2F（上部桔黄二级）、C3F（中部桔黄三级）各1.0 kg 用于化学成分测定。取其中200 g 烟叶去除主脉，然后在60 ℃下烘干、粉碎，过0.25 mm 孔径筛后用于化学成分的测定。烟叶总氮、烟碱、总糖／还原糖、钾、氯含量（质量分数）分别按照YC/T 161—2002、YC/T 160—2002、YC/T 159—2002、YC/T 173—2003、YC/T 162—2002 测定，所用仪器为AA3 型全自动连续流动化学分析仪（德国BRAN＋LUEBBE公司），再分别计算两糖比、钾氯比。

1.3.5 经济性状

烟叶成熟采收后挂牌烘烤，回潮后分别测量小区产量，采用42 级烤烟国家标准分别对其进行分级，计算产值、均价及不同等级烟叶比例[21]。

1.4 数据处理

用Excel 2016 进行数据整理，使用SPSS 22.0 进行数据统计分析，采用Duncan 新复极差法进行差异显著性检验，利用Origin 2019b进行数据拟合、求导和作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对烤烟干物质积累的影响

将各处理干物质积累和移栽天数进行拟合分析，建立Logistic 模型[见图1（a）]。由表1可知，干物质积累量拟合曲线经F检验达到极显著水平，同时拟合方程R2均在0.99 以上，说明Logistic 模型的拟合度较好，可以通过该模型对各处理干物质积累动态变化作出科学合理的解释。

图1 不同处理干物质积累量和积累速率的变化规律Fig.1 Variation pattern of dry matter accumulation and accumulation rate of different treatments

由图1（a）所示，不同处理烤烟的干物质积累量表现出随移栽天数的推移呈“S”形曲线变化，其中在移栽后40 d 前干物质积累量比较少，40～70 d 烤烟干物质积累量快速增加，70 d后干物质积累量趋于平缓。在同一移栽时间，不同处理烤烟干物质积累量均表现为T2>T1>CK，说明水肥一体化处理能提高烟株的干物质积累量。对图1（a）进行一阶求导得干物质积累速率[见图1（b）]，结果表明不同时期各处理干物质积累速率均呈先升高后降低的单峰曲线趋势，其中施肥处理（T1、T2）干物质速率峰值明显高于CK 处理，也表现为T2>T1>CK。从积累速率上看，CK 处理的干物最大积累速率相对滞后，而T2 处理最大干物质积累速率出现时间较早，为移栽后53.370 d（见表1），较CK、T1 提前了7.884 d、5.777 d，最大干物质积累速率（见表1）为13.779 kg/（d·hm2），较CK、T1提高了70.03%、36.72%。

表1 不同处理拟合干物质参数Tab.1 Fitting dry matter parameters for different treatments

2.2 不同处理对烟株各部位钾积累和钾素效益的影响

2.2.1 烤烟各时期各部位钾积累量

由图2（a）可知，烟株中钾素积累量随着生育进程的推移呈增加趋势。从不同时期钾素积累来看，烟株移栽后30～40 d 钾素积累量较少，此间各处理钾素积累量占100 d 生育期总钾素积累量的8.44%、6.11%、8.30%；移栽后40～60 d，烟株钾素积累量增加较多，各处理钾素积累量增加了41.82、51.91、61.60 kg/hm2，占100 d 生育期总钾素积累量的56.69%、54.79%、54.10%；移栽60 d 后，钾素积累增量减缓，并在90 d后逐渐趋于平缓。在移栽后时间内不同处理烟株整株钾累积量均表现为T2>T1>CK，其中自移栽后50 d起，T2处理与CK、T1 处理差异均达到显著水平，在移栽后100 d 时T2 处理较CK和T1处理显著提高了54.37%和20.19%。

图2 不同处理各部位钾积累量Fig.2 Potassium accumulation in various parts of different treatments

由图2（b）可知，各处理烟草根系中钾积累量也表现为随着生育进程而增加的趋势，移栽后50 d前少，移栽后50～90 d钾积累量迅速持续增加，而移栽后90 d后略有下降，这一点与烟株整株钾素积累量有所不同。其中移栽后30～50 d，各处理烟草根系中钾积累量较少；移栽50 d 后，钾素积累明显加快，尤其是T2 处理增幅更为明显，各处理均于移栽90 d 达到峰值，在移栽后90 d 时T2 较CK 和T1 处理增加了71.70%、25.01%；各处理自90 d 后至100 d 积累量又略有减少。不同处理之间表现出显著的差异性，其中自移栽后40 d 后，处理施肥处理的钾素积累量显著高于CK（80 d 除外），而T2 处理烟草根系中钾素积累量又显著大于CK和T1处理。

由图2（c）可知，烟茎中钾积累量随生育进程也表现为明显“S”形曲线，与整株钾素累积量规律相似，各处理间表现为T2>T1>CK。移栽后30～40 d，烟茎积累较少；移栽后40～60 d，各处理烟株步入旺长期，烟茎钾积累量增幅明显，其中T2 处理烟茎钾积累量为30.17 kg/hm2，较CK 显著提高了44.57%，较T1 明显提高了10.09%；移栽60 d 后，烟茎钾积累增幅减缓，逐渐趋于平缓。

由图2（d）可知，钾在烟叶中的累积量也表现随生育期的进程呈增加趋势，各处理间表现为T2>T1>CK。移栽30～40 d，此间烟叶钾积累较缓慢。移栽后40～60 d，烟株步入旺长期，烟叶钾积累明显加快，其中T2 处理尤为明显，并于移栽后50、60 d时与CK和T1处理相比差异达到显著水平。移栽后60～70 d，各处理钾积累明显减缓。而自移栽后70 d 后钾积累T1 和T2 处理又呈现出一段快速积累过程，这可能与此时烟株打顶有关，到移栽后90 d 后又逐渐减缓，而此间T2 处理烟叶钾积累量均显著大于CK 和T1 处理，其中在移栽后100 d 时较CK和T1处理分别提高了71.10%和25.84%。

2.2.2 不同处理各时期各部位钾积累量动态模型

Logistic 模型拟合后曲线如图3所示，相关参数见表2，烟株、烟茎、烟叶钾积累量随生育期进程呈现明显“S”形曲线，而烟草根系钾积累呈明显直线上升趋势，且经F检验达到极显著水平，R2均大于0.95。说明Logistic 模型的拟合较好，可以科学解释钾积累量，方便掌握钾积累量动态。

图3 不同处理各部位钾积累量拟合曲线Fig.3 Fitting curve of potassium accumulation in each part of different treatments

表2 不同处理各部位钾积累量拟合参数Tab.2 Fitting parameters for potassium accumulation in each part of the different treatments

2.2.3 不同处理各时期各部位钾积累速率

根据图3拟合曲线进行一阶求导，结果如图4所示，相关参数见表3。由图4（a）可知，烟株钾积累速率呈现先升高后降低的单峰曲线，各处理表现为T2>T1>CK，于55 d 左右达到峰值。由表3可知，T2处理最大积累速率较CK和T1处理明显提高了42.78%和18.93%，同时平均钾积累速率提高了56.70%和21.48%。

如图4（b）所示，各处理烟草根系的钾累积速率也表现为先升高后降低的趋势，且每个时期均表现为T2>T1>CK，但CK和T1处理的钾积累速率与T2处理相比相对平缓。由表3可知，T2 处理烟草根系最大钾积累速率出现于移栽后62.975 d，较CK 和T1 处理提前了7.285 d 和8.776 d，最大积累速率提高了72.28%和33.72%，平均速率提高了64.67%和18.36%。可见，水肥一体化处理能够促进烟株根系对钾吸收，有利于提高烟叶的钾含量。

图4 不同处理各部位钾积累速率Fig.4 Accumulation rate of potassium in each part of different treatments

表3 不同处理各部位拟合钾积累速率Tab.3 Proposed potassium accumulation rates for each part of the different treatments

如图4（c）所示，烟茎钾积累速率趋势同烟株钾积累速率，不同处理之间钾积累最大速率表现为T2>T1>CK。由表3可知，T2 处理平均钾积累速率分别较CK 和T1 处理提高了44.42%和11.21%。移栽后53.566 d，T2 处理烟叶出现钾最大积累速率，为2.044 kg/（d·hm2），较CK 和T1 处理提前了1.875 d和0.123 d。

由图4（d）所示，CK 处理烟叶钾积累速率先快速上升达到峰值（最大钾积累速率）后又快递下降，其最大钾积累速率明显高于T1 处理，与T2 处理基本持平；T1 和T2 处理趋势一致，钾积累速率达到最大值后下降曲线较为平缓，且T2 烟叶钾积累速率始终大于T1 处理。由表3可知，T2 处理平均钾积累速率分别较CK 和T1 处理提高了79.62%和29.10%，最大积累速率较T1处理提高了30.98%。

2.2.4 不同处理钾素效益

由表4可以看出，T1 和T2 处理钾肥表观利用率均偏低，其与豫西烟区干旱频发、土壤钾素被固定导致的土壤有效钾含量降低密切相关。与T1 处理相比，T2 处理可显著提高烟株的移栽后100 d吸钾量，其钾肥表观利用率提高了91.27%，钾肥偏生产力也明显增加。

表4 不同处理钾素效益比较Tab.4 Comparison of potassium benefits of different treatments

2.3 不同处理对烤后烟叶常规化学成分的影响

如表5所示，上部叶方面，与CK 处理相比，T1、T2 处理的总糖、还原糖含量显著降低，烟碱、氯和钾含量显著增加；相较于常规施肥处理（T1），T2处理上部叶烤后烟叶的烟碱含量显著增加，还原糖、氯含量显著降低，钾氯比明显提高了30.84%。中部叶的总糖、还原糖均表现为T2>T1>CK，烟碱、总氮均表现为CK>T1>T2，且差异均达到显著水平，此外，T2 处理钾含量较CK、T1 显著提高了33.70%、20.59%，钾氯比较CK 提高了31.60%。综上，水肥一体化处理可明显提高中上部钾氯比值，有利于改善烟叶的燃烧性；改善烤烟碳水化合物的合成，促进烤后烟叶化学成分的更加协调。

表5 不同处理各部位烤后烟叶常规化学成分Tab.5 Conventional chemical composition of post-baking tobacco leaves in each part of the different treatments

2.4 不同处理对经济性状的影响

由表6可知，常规施肥处理（T1）经济性状明显高于不施肥处理（CK），其中产值方面较CK 显著提高了29.27%。在3个处理条件下，水肥一体化处理（T2）下烤后烟叶的经济性状均为最高。T2 处理的产量、产值、均价和中上等烟比例较CK 处理显著提高，其中产值提高了50.45%；与T1 相比，T2处理的产值显著增加了9 521.25 元/hm2，其他经济性状指标明显提高但无显著差异。

表6 不同处理经济性状Tab.6 Economic traits of different treatments

3 讨论

作物产量的形成与干物质积累密切相关，量化作物生产过程中干物质积累的动态变化规律，是揭示作物产量形成和掌握高产作物关键指标的重要内容[22]。Logistic 模型已用于分析小麦、水稻和玉米等作物的干物质积累动态变化特征[23-26]。在本研究中，以移栽天数为自变量，干物质积累量、钾积累量分别为因变量，运用Logistic 生长模型进行拟合，发现干物质积累量和钾素积累量均呈现“慢-快-慢”的变化规律，这与前人的研究结果相一致[27]，表明Logistic 拟合曲线能够阐明干物质积累和移栽天数、钾素积累量和移栽天数的变化规律。本试验研究发现，施肥可以提高烤烟的干物质积累量和积累速率，而水肥一体化技术不仅可以提高植株的干物质积累速率和积累量，而且与当地生产常规施肥处理相比能促使最大干物质积累时间提前，其原因可能与水肥一体化的合理滴灌促使烟草根系生长，提高根系活力，进而促进烟株的生长发育及干物质积累，为改善烟叶品质和促进烟叶的落黄成熟奠定了良好的基础。

本试验发现烤烟各部位钾素积累速率随生育期进程呈先升高后降低的单峰趋势，这与丁亚会等[28]研究结果相似，同时发现各部位钾素积累速率趋势不尽相同，烟茎钾素积累速率表现为T1和T2处理大于CK处理，T1、T2处理间差异不明显；烟叶钾素积累速率主要表现为T2>T1 处理；烟株和烟草根系钾素积累速率方面，各处理明显表现为T2＞T1＞CK。表明常规施肥可以通过增加钾素用量来提高烟株、烟草根系和烟茎钾积累速率，而水肥一体化在常规施肥的基础上，通过分次施钾、水肥同施进一步提高烟株、烟草根系和烟叶钾素积累速率，其原因可能是水肥一体化通过分次施钾，减少了钾肥在土壤中的停留时间，减少了因豫西烟区干旱频发而造成的钾固定；水肥一体化通过水肥同施，在缓解豫西烟区干旱的同时提高了钾肥吸收利用率，达到以水促肥的效果。本研究还发现相较于常规施肥，水肥一体化能够有效提前烟草各部位最大钾积累速率出现时间，其中烟草根系尤为明显，说明水肥一体化能够加快烤烟对钾的吸收，促进烟株早发快长，在提高钾素肥料利用率上有明显的作用。

本试验研究分析结果表明：水肥一体化技术能改善烟叶化学成分协调性，但上、中部叶化学成分变化不尽相同。上部叶方面，与常规施肥（T1 处理）相比，水肥一体化处理明显增加了钾、还原糖和总氮含量，降低了总糖、氯含量，提高了两糖比、钾氯比；对于中部叶，水肥一体化处理总糖、还原糖、氯和钾含量显著大于T1 处理，烟碱、总氮含量显著小于T1处理，两糖比、钾氯比较T1处理明显增加。其原因可能是水肥一体化处理下烤烟上部叶生长过大，对中部叶造成遮荫，进而导致上、中部叶化学成分的差异[29]。通过对经济性状分析表明：水肥一体化处理能够提高豫西烟区烟叶产量、产值、中上等烟比例，尤其是在产值方面，这与何佳[30]在豫中烟区结果相一致，说明水肥一体化能够提高当地烟叶经济效益。