施钾量对烤烟品质及钾吸收利用的影响

2020-03-20李向阳王建伟刘伦沛严红光曾掌权

江西农业学报 2020年2期

汤宏，李向阳*，王建伟*，邓洁，刘伦沛，严红光，曾掌权

(1.凯里学院大健康学院，贵州凯里 556011；2.湖南省林业科学院/湖南衡山森林生态系统定位观测研究站，湖南长沙 410004)

钾是烤烟必需的三大营养元素之一，烤烟是需钾量较大的作物，对其生长发育产生极其重要的影响，而且是烟叶主要的品质指标，是公认的烟草品质元素[1]。烟叶的焦油产生量、燃烧性、阴燃持火力、香气质和香气量均直接决定于其中钾含量的高低[2-3]。国外优质烟叶的含钾量都在2%以上[4]，而我国大部分地区烟叶的含钾量一般都在2%以下[5]，较低的烟叶含钾量成为我国烤烟生产中亟待解决的技术问题，是制约我国烟叶质量进一步提升的主要限制因子之一。长期以来，我国烟草生产中普遍存在钾肥施用不合理的现象，存在钾肥施用方式和时期不能满足烤烟生长发育的需要，施用量不足或过多等问题。钾肥的不合理施用打破了土壤中原有钾固定与释放的平衡，致使土壤固钾量增加，导致土壤供钾量不足，钾肥的利用率降低[6-7]。适宜的钾肥施用量不仅有利于提高烟叶的含钾量，协调烟叶化学成分，提升烟叶的品质，而且有利于提高钾肥利用效率[2-3]。调查发现，烤烟是贵州省黔东南州最主要的经济作物之一，是当地的重要经济支柱，烤烟生产在促进农民增收和脱贫致富中起着举足轻重的作用。但在目前的烤烟生产中，烟农片面追求高的烟叶产量和经济效益，亦普遍存在钾肥施用不合理的现象，非但没有提高烤烟的经济效益，反而降低了净收益。在当地烤烟种植区有关不同施钾量对烤烟品质及钾吸收利用效率方面的研究鲜有报道。因此，在当地开展有关烟草钾素营养的试验研究很有必要且紧迫，探讨不同钾肥施用量对烤烟品质及钾吸收利用效率的影响，以期为当地烤烟生产合理施用钾肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于贵州省黔东南州麻江县东南部的龙山镇大塘村，地处云贵高原向湘桂丘陵过渡的斜坡地带，海拔885 m，26°27′ N，107°43′ E，年平均气温15.8 ℃，年降雨量1300 mm，相对湿度80%左右，无霜期长达298 d，属典型亚热带季风湿润气候区，冬无严寒、夏无酷暑、雨量充沛、四季分明。大塘村主要以种植水稻、玉米等粮食作物和种植烤烟等经济作物为主，是龙山镇烤烟种植示范村，并有多个优质烟示范点，是该镇烤烟主要种植区。

1.2 试验材料

供试烟草品种：云烟87，由贵州省黔东南州麻江县烟草专卖局(烟草公司)提供。

供试肥料：尿素(含N 46.00%)、过磷酸钙(含P2O512.00%)和硫酸钾(含K2O 50.00%)，均购自当地农资公司，有机肥料为菜枯(用M表示)，购自当地榨油厂，菜枯的氮、磷、钾含量分别为4.50%、1.88%、1.04%(N∶P2O5∶K2O=4.50∶1.88∶1.04)。

供试土壤：试验田土壤类型为中壤质黄壤，试验开始时耕层土壤有机质21.90 g/kg、全氮1.40 g/kg、碱解氮120.00 mg/kg、全磷0.62 g/kg、有效磷20.60 mg/kg、全钾11.10 g/kg、速效钾95.00 mg/kg、pH值7.01、阳离子交换量14.00 cmol/kg。

1.3 试验设计

试验于2016年夏秋季在贵州省黔东南州麻江县龙山镇大塘村进行，试验前茬种植作物为夏玉米，冬季休闲。试验田的土壤肥力均匀，田间的排灌条件良好。采用田间小区试验，设置MNPKi(i=0,1,2,3)4个不同施肥处理，3次重复，共12个小区，随机区组排列，小区面积为36 m2，并设置保护行，植烟行距为120 cm，株距为50 cm。本试验中各处理的化学钾肥施用量不同，化学氮肥和磷肥的施用量一致(表1)。各处理均按当地有机肥(菜枯，用M表示)施用习惯和平均施用水平施用，将有机肥在翻耕整地时作基肥一次性施用，并保证各小区有机肥施用品种、方法和施用量完全一致。各处理化学肥料的施用量按表1中所列的量施用。磷肥在翻耕整地时作基肥一次性施用，钾肥和氮肥分基肥和追肥施用，钾肥和氮肥的基追比分别为4∶6和6∶4。作基肥的钾肥和氮肥在翻地时一次性施用，追肥分别在烟草移栽后的还苗期和旺长期分2次施用，第1次追施量均为追肥的15%，于烟草的还苗期内追施，剩余的追肥在烟草的旺长期内一次性追施，追施方法均为灌施。试验烟苗由黔东南州麻江县烟草公司统一提供，于4月17日移栽，其田间栽培管理措施均与当地优质烤烟生产采用的管理措施完全一致。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 烟株鲜质量、干质量及各器官全钾含量的测定烟苗移栽后，每小区选取长势中等且基本一致的烤烟5株挂牌标记。在烤烟成熟期采收时，用土铲挖取每小区挂牌标记的5株烤烟，包括烟株整个根系，根据烟株根系实际再延伸挖坑的大小，尽量做到不伤根，并在土壤中捡尽肉眼可见的根系。将烟株样品带回实验室后，用自来水冲洗干净后再用吸水纸吸干水分，然后用剪刀将烟株根系、茎、烟叶分开。用电子天平分别称重得到其鲜质量，然后分别放入已烘干并已称重和编好号的牛皮纸袋内，再放入105 ℃烘箱中杀青30 min后，将温度降至70 ℃下烘干至恒重，用电子天平称重即为烟叶、茎和根的干质量。烘干后的烟叶、茎和根分别用植物粉碎机磨碎后过0.5 mm塑料筛用于测定各自全钾含量。烟叶、茎和根的全钾含量及基础土样基本理化性质的测定参照《土壤农业化学分析方法》[8]一书中所列的方法。

表1 试验处理设置及其施肥量

1.4.2 烟叶化学成分分析和感官品质鉴定各小区烟叶单独采收、编竿、烘烤、分级和计产，并分炕次按烤烟国家分级标准《烤烟(GB 2635─1992)》定级，记录每次采收各等级烟叶产量，并计算单位面积产量。抽取各小区上桔二(B2F)、中桔三(C3F)和下桔二(X2F)等级烟叶样品各500 g，再用植物粉碎机磨碎制备成分析样，用于检测其主要化学成分。烟叶总糖和还原糖的测定参考YC/T 159─2002所列的方法(还原糖采用沸水浸提-铜还原-直接滴定法，总糖采用铜还原-直接滴定法)。烟碱、钾和氯分别按照YC/T 160─2002、YC/T 173─2003和YC/T 162─2011中所列标准方法测定,并计算两糖比(还原糖/总糖)、两糖差(总糖-还原糖)、糖碱比(还原糖/烟碱)、氮碱比(总氮/烟碱)和钾氯比(钾/氯)。按照农业农村部烟草产品质量监督检验测试中心备案的方法标准NY/YCT 008─2002和YC/T 138─1998对各小区样品进行烟叶感官评吸指标鉴定，按香气质(0.15)、香气量(0.20)、余味(0.25)、杂气(0.18)、刺激性(0.12)、燃烧性(0.05)和灰分(0.05)7项指标及相应权重计算评吸总分。

1.4.3 计算参数及方法[9-10]钾素积累量(AAK)/(kg/hm2)=烟叶钾素积累量+茎钾素积累量+根钾素积累量=烟叶含钾量×烟叶干质量+烟茎含钾量×烟茎干质量+烟根含钾量×烟根干质量

钾肥吸收利用率(UEK)/%=(施钾区烟株钾素积累量-未施钾区烟株钾素积累量)/施钾量×100%

钾肥农学利用率(AEK)/(kg/kg)=(施钾区烟叶产量-未施钾区烟叶产量)/施钾量

钾肥偏生产力(PFPK)/(kg/kg)=施钾区烟叶产量/施钾量

钾肥生理利用率(PEK)/%=(施钾区烟叶产量-未施钾区烟叶产量)/(施钾区地上部分含钾量-未施钾区地上部分含钾量)

钾素吸收速率(URK)/[kg/(hm2·d)]=烟株钾素累积量/天数

钾收获指数(HIK)/%=烟叶钾积累量/烟株总钾积累量

1.5 数据处理与统计分析

试验数据经Excel 2010软件整理后，应用SPSS 23.0统计软件进行数据统计分析。方差分析多重比较采用最小显著差异法(LSD法)。

2 结果与分析

2.1 不同处理烟叶的化学成分

由表2可知，各处理烟叶随施钾量增加，总糖、还原糖和钾的含量整体呈增加的变化趋势，总糖和还原糖以MNPK3处理最高，钾以MNPK2处理最高。烟叶中烟碱、蛋白质、总氮和氯的含量随施钾量的增加整体呈降低的变化趋势，且以MNPK0处理最高。烟叶糖碱比、糖氮比和钾氯比均以MNPK2处理最高，氮碱比和两糖比均以MNPK0处理最高，两糖差以MNPK3处理最高。相对于MNPK0处理，MNPK2处理的烟叶中总糖、还原糖、钾、糖碱比、糖氮比、两糖差和钾氯比分别增加了13.22%、7.37%、33.76%、18.32%、21.15%、52.69%和212.02%，烟叶中烟碱、蛋白质、总氮、氯、氮碱比和两糖比分别降低了9.25%、21.81%、11.37%、46.51%、2.34%和5.17%；MNPK3与MNPK0处理相比，烟叶中总糖、还原糖、钾、糖碱比、糖氮比、两糖差和钾氯比分别增加了14.35%、8.64%、33.17%、17.00%、20.42%、52.82%和203.85%，烟叶中烟碱、蛋白质、总氮、氯、氮碱比和两糖比分别降低了7.15%、23.40%、9.79%、45.20%、2.84%和4.99%。

表2 不同处理烟叶的主要化学成分

注:同列数字后不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。*表示差异显著(P<0.05)；**表示差异极显著(P<0.01)；ns表示差异不显著。下同。

2.2 不同处理烟叶的评吸质量

对烘烤后不同处理烟叶的评吸品质品鉴表明(表3)，评吸品质随施钾量的增加基本呈逐渐向好的变化趋势，MNPKi(i=1,2,3)处理的评吸品质明显优于MNPK0处理；所有处理中，评吸品质最好的是MNPK2处理，其次是MNPK3处理，它们的得分分别为86.35和85.62分；评吸品质最差的是MNPK0处理，稍差的是MNPK1处理，它们的得分分别为74.83和79.57分。

表3 不同施肥处理烟叶的评吸品质分

注:香气质：15～13为好，12～10为较好，9～7为中等，<7为较差；香气量：18～20为足，15～17为较足，12～14为尚足，9～11为有，<9为较少；余味：22～25为舒适，18～21较舒适，14～17尚舒适，10～13欠适，<10差；杂气：16～18微有，13～15较轻，10～12有，7～9略重，<7重；刺激性：11～12为轻，9～10为微有、有，7～8有，5～6略大，<5大；燃烧性：5为强，4较强，3中等，2较差，0熄灭；灰分：5为白色，3为灰白，<2为黑灰。

2.3 不同处理烟株钾素积累量及钾素利用率

从烟株的钾素吸收量来看，随着施钾量的增加，各处理烟株总吸钾量逐渐增加(表4)。MNPKi(i=1,2,3)各处理烟株的总吸钾量和根茎叶各器官的吸钾量均显著高于MNPK0处理(P<0.05)，MNPK3处理吸钾量最高，为155.72 kg/hm2，MNPK0处理总吸钾量最低，为69.05 kg/hm2，MNPK1、MNPK2和MNPK3处理烟株的总吸钾量分别为MNPK0处理的1.45、1.96和2.26倍；根、茎、叶各器官的吸钾量均以MNPK3处理最高，MNPK0处理最低。施钾量不仅影响烟株根茎叶各器官对钾素的吸收量，同时也影响钾素在各器官中的分配，各处理烟叶吸钾量明显高于茎和根，钾素在根、茎、叶中分配率差异明显，表现为叶>茎>根。

表4 不同处理烟株不同器官钾素的吸收与分配

烟株钾肥利用率随施钾量的增加呈先增后降的变化趋势(表5)，MNPK2处理烟株的钾素利用率显著高于MNPK1和MNPK3处理(P<0.05)，分别高出MNPK1和MNPK3处理3.25和2.46个百分点。烤烟钾素积累量、钾肥农学利用率、钾肥生理利用率和钾素吸收速率均随施钾量的增加而增加，MNPK2和MNPK3处理均显著高于MNPK1处理(P<0.05)。钾肥偏生产力随施钾量的增加而显著下降，MNPK1处理钾肥偏生产力分别为MNPK2和MNPK3的1.71和2.25倍。各处理钾收获指数随施钾量的增加先增后降，其差异没有统计学意义上的差异。

表5 不同处理肥料钾的表观利用率

3 讨论

3.1 施钾量对烤烟品质的影响

烟叶品质包括外观质量、物理性质、内在化学成分、感官评吸质量等。烟叶内在化学成分的协调性是衡量烟叶品质优劣的重要因素，每种化学成分含量的高低影响烟叶的品质，但烟叶的品质并不在于某种或某几种化学成分绝对含量的多少，而在于一系列有关物质的相对比例及彼此间的协调关系[11]。总糖是烟叶烘烤后含量最高,对品质影响影响较大的化学成分之一。在一定的范围内，一般在20%～24%较好[12]，总糖含量越高，烟叶品质越好，总糖含量太低，会破坏烟叶化学成分平衡性，吃味刺呛，而太高则会导致烟气的酸性过强[13]。还原糖能够消除蛋白质燃烧时产生的不良气味，有平衡烟叶质量的作用，含量一般在16%～22%之间为宜，总糖含量一般在20%～24%之间为宜[12]。研究表明，在一定范围内随着钾肥施用量的增加，烤后烟叶中总糖和还原糖的含量都有增高的变化趋势[14-15]，钾营养有利于烤烟碳水化合物的合成和积累，本研究也有相似的结果。其原因可能是随着施钾量的增加，在烟株生长的中后期，烟株能吸收到更多的钾，钾离子可以活化烟株体内碳代谢关键酶活性，促进成熟期单糖合成蔗糖和淀粉，发生由主要的氮代谢活动向主要的碳代谢活动的转变，满足在烟株生长的中后期大量碳骨架的需要[16]。如果烟株钾供应不足，会降低碳氮代谢关键酶的活性，烟株的光合作用受到抑制，碳氮代谢作用受阻[17-18]。烟叶中烟碱含量过高则劲头大、刺激性强、辛辣味足，过低则劲头小、吸味平淡，均不利于良好品质的形成；蛋白质含量的高低影响烟叶的抽吸质量。本研究中，随施钾量的增加，烟叶中氮代谢主要产物和氮的含量呈降低的变化趋势，可能是因为随着施钾量的增加和生育期的后移，降低硝酸还原酶的活性，碳代谢增强，氮代谢减弱，导致烟碱、蛋白质和氮含量下降[17-18]；也有可能是施钾增加促进干物质增长产生的稀释效应[19]及钾与铵态氮竞争从而降低了对氮素的吸收[20]。钾是烟叶的品质元素，其含量高低直接影响烟叶的外观质量、化学成分和燃烧性[21]。研究表明，烟叶含钾量随钾肥施用量增加而提高[22]，氯含量降低，钾氯比值增大[23]。本研究中，烟叶含钾量随施钾量增加而呈增加的变化趋势，氯含量呈降低的变化趋势，钾氯比值增大；同时，烟叶的糖碱比、氮碱比和糖氮比处于适宜范围，烟叶的评吸品质随施钾量增加而提高(表3、表4)；但本研究结果还显示，综合来看，施钾可明显改善烟叶品质，但并没有随施钾量增加而进一步提高，MNPK2处理烟叶的品质还略优于MNPK3，其原因可能是发生了钾元素的“奢侈消耗”[24]，出现钾元素使用的不经济和无效。

3.2 施钾量对烤烟钾吸收利用的影响

研究表明，一定范围内，烟叶含钾量随施钾量的增加而增加，但超过此范围后，含钾量增加缓慢，最后趋于平缓甚至略微降低[25]，烟株钾积累量则随施钾量的增加而增加。钾在烤烟体内主要分配于烟叶中，其次是茎，根中最少[26]。本研究中，各处理烟株的叶、茎和根各器官钾素吸收量的大小关系均表现为叶>茎>根，钾素在叶、茎和根各器官中的分配率大小关系均为叶>茎>根，但过量施用钾肥对提高烟叶含钾量的作用不大。MNPKi(i=1,2,3)各处理烟株钾素吸收总量显著高MNPK0(P<0.05)，以MNPK3处理最高。

肥料钾素利用率主要受肥料种类、供钾水平、土壤条件和田间管理等因素的影响。合理施肥能够提高肥料钾的利用效率，降低钾的损失，对提高和保持土壤肥力具有产生重要作用。研究表明,土壤速效钾的含量随施钾量的提高而增加[28]，同时被雨水淋溶损失和土壤胶体吸附转化为缓效钾的量也多，当土壤钾供量不足时，缓效钾转化为速效钾，被烟株吸收利用[28-29]。可见，适宜的钾肥施用量不但有利于提高烟叶钾含量，而且有利于提高钾肥利用率。本研究中，钾肥利用率随施钾量增加先升高再降低，MNPK2处理烤烟钾肥的利用率最高，而随着施钾量的进一步提高，钾肥利用率反而降低，其原因可能是存在于土壤中各种形态钾之间的动态平衡被施入的外源钾破坏，土壤固定的钾增多，致使钾肥利用率降低[29-30]。本试验研究表明，适宜的钾肥施用量可提高钾肥利用率。