Effects of Tobacco-Rape Rotation and Balanced Fertilization on Soil Available Potassium and Potassium in Tobacco Leaves

GU Huizhan, GOU Xiaomei, CAI Yan, WU Jie, LI Tao, YE Xiang, HE Jiexuan, ZHANG Qili, WANG Dong

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Journal of Agriculture ›› 2022, Vol. 12 ›› Issue (12) : 23-27. DOI: 10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2021-0052

Effects of Tobacco-Rape Rotation and Balanced Fertilization on Soil Available Potassium and Potassium in Tobacco Leaves

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Abstract

The paper aims to study the effects of different kinds of tobacco-rape rotation and balanced fertilization on soil potassium supply capacity. A two-factor split plot experiment was designed, including main factors (winter fallow, ‘Chongrongyou 1’, ‘Deyouzao 1’and ‘GSX-1’) and by-factors (conventional fertilization, nitrogen reduction and phosphorus increase), to analyze the content of soil available potassium and potassium in tobacco leaves. The results showed that tobacco-rape rotation could improve soil available potassium content to different degrees, and the effect was the most significant in the early stage of rape transplanting (30 days), which was 1.43-2.05 times that of winter fallow treatment. With the advance of rape growth period, the effect of rotation on soil available potassium content decreased sharply, and the effect of different rape varieties on soil available potassium was as follows: ‘Chongrongyou 1’> ‘GSX-1’> ‘Deyouzao 1’> winter fallow. From the early stage of transplanting to harvest of tobacco, the content of soil available potassium decreased by 15.71%-117.80%. Except individual treatments, the content of soil available potassium and tobacco leaf potassium in tobacco-rape rotation were higher than those in winter fallow treatment, and the effect of phosphorus increase on potassium increase was the best. In conclusion, the content of soil available potassium and tobacco leaf potassium are relatively high under ‘Chongrongyou 1’- tobacco rotation and phosphorus increase, which is a good local cropping system.

Key words

tobacco-rape rotation / rape variety / balanced fertilization / soil potassium content / tobacco leaf potassium content

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GU Huizhan , GOU Xiaomei , CAI Yan , WU Jie , LI Tao , YE Xiang , HE Jiexuan , ZHANG Qili , WANG Dong. Effects of Tobacco-Rape Rotation and Balanced Fertilization on Soil Available Potassium and Potassium in Tobacco Leaves. Journal of Agriculture. 2022, 12(12): 23-27 https://doi.org/10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2021-0052

0 引言

土壤速效钾包括水溶性钾和交换性钾，能被植物直接吸收利用，可用来衡量土壤钾的供应状况[1]。土壤钾素对烟草含钾量有直接效应[2]，烤烟的生长和品质受钾素影响。含钾量高的烟叶油量充足，弹性和韧性强，加工后的烟丝燃烧性和持久性好，且对焦油、烟碱等有害物质有控制作用，体现了环保与安全的价值[3⇓⇓-6]。西南地区的烤烟连作现象普遍，长期连作会造成土壤养分失衡、质量降低，而轮作是以用养结合的方式提高烤烟产质量的重要措施之一[7]。相关研究发现，连作与轮作土壤的钾素动态变化状况不一致，这可能是轮作作物不同造成的[8]。王家顺等[9]综合分析土壤有效养分变化，认为烤烟油菜轮作是最适合的轮作方式。李继福等[10]研究发现，水稻油菜轮作制度下，油菜秸秆还田可提高土壤供钾能力，油菜秸秆具有培肥的价值。因此，烤烟油菜轮作对于提高土壤钾素含量和烤烟产质量有现实意义。
此外，在施肥时采用合理的养分配比，不仅能有效提高农作物的产质量，同时也能减少养分损耗，提高农作物的经济效益。已有许多研究表明平衡施肥对烤烟产质量具有显著的提升作用[11-12]。例如，谢瑞等[13]的研究表明，缺磷使烟叶产量和品质均出现不同程度的下降，而过量施磷虽提高了烟叶产量，但也会导致烟叶品质出现下降。湖北烟区针对烟叶烟碱含量高影响口感、上部烟叶开片差、叶片内在化学成分不协调等问题，提出了根据土壤类型的不同调整施纯氮量、基追肥比和硝态氮与铵态氮比的施肥措施[14]。此外，曾成城等[15]的研究表明，广西地区烟草中水平配方肥氮、磷、钾、硼、锌施用量分别为82.8、142.5、481.5、15、15 kg/hm2时烟草产量、效益最高且有效提高了肥料利用率。可见平衡施肥的具体措施因地而异，且前人对烤烟钾素的研究多集中在轮作或施肥单一处理上，而对轮作和平衡施肥的叠加效应研究较少。本研究选择对土壤养分活化效果显著的油菜与烤烟轮作，结合平衡施肥措施（减施氮肥和增施磷肥），探究烤烟油菜轮作及平衡施肥对土壤速效钾和烟叶钾含量的影响，以期为优化种植制度和改善土壤质量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究地点为广元市烟草公司科技园区，位于广元市剑阁县(31°31'—32°17'N，105°9'—105°49'E)，地处四川盆地北部边缘，海拔为820 m，属亚热带湿润季风气候，年均气温15.4℃，年均降水量1039.4 mm，年均日照时数1328.3 h，无霜期270天。依据中国土壤分类系统，境内农田土壤类型主要为紫色土和黄壤。

1.2 试验材料

供试土壤为黄壤，pH 6.68、有机质10.55 g/kg、全氮0.34 g/kg、碱解氮34.81 mg/kg、有效磷8.74 mg/kg、速效钾103.76 mg/kg。供试油菜为川渝地区广泛栽培的中早熟品种，分别为‘重蓉油1号’（成都市农林科学院选育，亲本为07GA×01 Tr47-1）、‘德油早1号’（四川省三星堆油菜研究所选育，亲本为核不育两用系9701 AB×双低品系9508）和‘GSX-1’（四川农业大学作物育种系选育，亲本为DY6AB×2H293R）。供试烤烟为‘云烟87’，由广元市烟草公司提供。

1.3 试验设计

试验采取裂区设计，主因素为油菜或冬闲，设4个水平，包括冬闲(A1)、‘重蓉油1号’(A2)、‘德油早1号’(A3)、‘GSX-1’(A4);副因素为平衡施肥制度，设3个水平，包括常规施肥(B1)、减氮施肥(B2)、增磷施肥(B3)。共12个处理，3次重复，田间随机区组排列。
试验于2015年9月15日进行油菜集中播种和育苗，苗龄50天左右，10月28日移栽。按当地习惯方式移栽，油菜行距0.6 m，株距0.4 m，小区面积为162 m2。油菜施肥量为N 14.6 kg/hm2、P2O5 0 kg/hm2、K2O 2.5 kg/hm2，均由化肥提供，所用肥料为复合肥(20-0-5) 50 kg/hm2和尿素(46-0-0) 10 kg/hm2，复合肥做基肥，尿素在移栽后40天追施。施肥方式均为穴施。
油菜收获后，将每个小区进行规整进入烤烟季。（1）烤烟季常规施肥量为N 7.0 kg/hm2、P2O5 9.2 kg/hm2、K2O 22.0 kg/hm2，基肥用复合肥(10-15-25)30 kg/hm2、商品有机肥(2.5-2-1.5)30 kg/hm2、普通过磷酸钙(0-12-0)15 kg/hm2、油枯(2-2-2)20 kg/hm2，移栽7天后施提苗肥硝酸钾(13.5-0-44.5)7 kg/hm2，30天后施追肥硫酸钾(0-0-53)12 kg/hm2、硝酸钾(13.5-0-44.5)3 kg/hm2、复合肥(10-15-25)10 kg/hm2。（2）减氮处理施肥量为N 6.0 kg/hm2、P2O5 9.2 kg/hm2、K2O 22.0 kg/hm2，基肥用复合肥(10-15-25)20 kg/hm2、磷酸二氢钾(0-52-35) 5 kg/hm2、商品有机肥(2.5-2-1.5)30 kg/hm2、普通过磷酸钙(0-12-0)15 kg/hm2、油枯(2-2-2)20 kg/hm2，提苗肥和追肥同常规施肥处理。（3）增磷处理施肥量为N 7.0 kg/hm2、P2O5 11.2 kg/hm2、K2O 22.0 kg/hm2，基肥用复合肥(10-15-25)30 kg/hm2、商品有机肥(2.5-2-1.5)30 kg/hm2、普通过磷酸钙(0-12-0)30 kg/hm2、油枯(2-2-2)20 kg/hm2，提苗肥和追肥同常规施肥处理。烤烟其他田间农艺措施同常规。

1.4 土壤样品采集及测定

在油菜尚未移栽前和移栽后的30、60、90、120、150、180天，以及烤烟季的30、60、90、120天采集土壤样品。每个小区均采集1个混合土样，每个混合土样由5个样点土样组成，每个采样点的取样直径为15 cm。将同样点土样混合均匀后，去除石砾及动植物残渣，自然风干后磨细过筛用于土壤速效钾的测定。此外，在烟叶成熟后，采集烤烟上部叶、中部叶及下部叶，在烤房烘烤后用粉样机粉碎，用于测定烟叶含钾量。土壤速效钾测定选用NH4OAc浸提，火焰光度法测定[1]。烟叶含钾量测定选用H2SO4-H2O2消煮，火焰光度法测定[1]。

1.5 数据处理

所有数据均采用Excel 2010整理，采用SPSS 20软件进行数据方差分析，用单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan法进行差异显著检验(P<0.05)。采用Excel 2010进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 烤烟油菜轮作对油菜季土壤速效钾的影响

由图1可知，烤烟油菜轮作可不同程度提高土壤速效钾含量，且在油菜移栽初期（30天）提升效果最显著，是冬闲处理的1.43~2.05倍。随着油菜生育期的推进，轮作对土壤速效钾的提升效果逐渐减弱，不同油菜品种对油菜季土壤速效钾提升量整体表现为‘重蓉油1号’>‘GSX-1’>‘德油早1号’>冬闲。在移栽后的60、90、120天，土壤速效钾含量在处理间的差异均未达到显著水平。在移栽后的150、180天时，轮作处理的土壤速效钾含量显著高于冬闲(P<0.05)，分别高出22.53%~24.68%、24.97%~27.71%。整体而言，‘重蓉油1号’与烤烟轮作对土壤速效钾的提升效果最佳。
图1 烤烟油菜轮作对油菜季土壤速效钾含量的影响
不同小写字母表示相同取样时间不同处理间差异达0.05显著水平

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2.2 烤烟油菜轮作及平衡施肥对烤烟季土壤速效钾的影响

由表1可知，从烤烟移栽初期到收获期，土壤速效钾含量均有所下降，降幅为15.71%~117.80%。在A1处理中，土壤速效钾含量在烤烟移栽后60、90、120天时均以B3处理最高，较对照增加了21.90%、16.11%和8.06%，而在移栽初期（30天）则以B2处理最高。在A2处理中，烤烟移栽中后期（60、90、120天），土壤速效钾含量表现为B3>B1>B2，且各施肥处理间的差异均未达到显著水平，移栽后90天例外。在A3处理中，土壤速效钾含量在烤烟生长初期（30天）以B3处理最高，生长中期（60、90天）以B2处理最高，生长后期（120天）以B1处理最高。在A4处理中，烤烟移栽后的30天时，土壤速效钾含量表现为B3>B2>B1，且B3、B2与对照差异显著(P<0.05)，而在移栽60天时以B2处理最高，90天则以B1处理最高。
表1 烤烟油菜轮作及平衡施肥对烤烟季土壤速效钾含量的影响 mg/kg
油菜品种 施肥方式 移栽30 d 移栽60 d 移栽90 d 移栽120 d
冬闲(A1) 常规施肥(B1) 149.26a 114.23a 124.24a 124.24a
减氮处理(B2) 164.28a 119.24a 99.21b 124.24a
增磷处理(B3) 159.27a 139.25a 144.26a 134.25a
重蓉油1号(A2) 常规施肥(B1) 194.30a 144.26a 99.22ab 114.23a
减氮处理(B2) 204.31a 124.24a 74.19b 89.21a
增磷处理(B3) 194.30a 164.28a 134.25a 124.24a
德油早1号(A3) 常规施肥(B1) 244.35a 149.26a 124.24a 154.27a
减氮处理(B2) 234.34a 169.28a 149.26a 129.24a
增磷处理(B3) 254.36a 134.25a 149.26a 129.24a
GSX-1(A4) 常规施肥(B1) 144.26b 174.28a 159.27a 144.26a
减氮处理(B2) 179.29a 204.31a 144.26a 154.27a
增磷处理(B3) 184.29a 199.31a 144.26a 159.27a
注：不同小写字母表示相同油菜品种不同施肥处理在P<0.05水平上差异显著，下同。

2.3 烤烟油菜轮作及平衡施肥对烤烟季烟叶钾含量的影响

含钾量在2%以上称为优质烟叶[5-6]。由表2可知，本研究大多数烟叶钾含量高于2%，属于优质烟叶。在A1处理中，B3处理的提钾效果最好，3个部位的烟叶钾含量均最高，与对照差异显著(P<0.05)，分别为对照的1.17、1.22、1.19倍。在A2处理中，上部叶和下部叶的钾含量以B2处理最高(2.44%、2.19%)，中部叶以B3处理最高(2.38%)。在A3处理中，上部叶和中部叶的钾含量表现为B3>B2>B1，且处理间差异显著，而下部叶以B2处理最高，但处理间的差异未达到显著水平。在A4处理中，上部叶和下部叶的钾含量以B3处理最高(2.35%、2.12%)，较对照增幅为9.30%和3.41%，下部叶以B2处理最高(2.40%)，显著高于B1和B3。
表2 烤烟油菜轮作及平衡施肥对烤烟季烟叶钾含量的影响 %
油菜品种 施肥方式 上部叶 中部叶 下部叶
冬闲(A1) 常规施肥(B1) 1.64b 1.58b 1.62b
减氮处理(B2) 1.77ab 1.78ab 1.78ab
增磷处理(B3) 1.92a 1.93a 1.93a
重蓉油1号(A2) 常规施肥(B1) 1.94b 1.91b 2.12a
减氮处理(B2) 2.44a 2.32a 2.19a
增磷处理(B3) 2.39a 2.38a 1.88a
德油早1号(A3) 常规施肥(B1) 2.25c 2.25c 1.91a
减氮处理(B2) 2.67b 2.44b 2.16a
增磷处理(B3) 2.82a 2.55a 2.04a
GSX-1(A4) 常规施肥(B1) 2.15b 2.05a 2.08b
减氮处理(B2) 2.11b 2.11a 2.40a
增磷处理(B3) 2.35a 2.12a 2.12b

3 结论

烤烟油菜轮作可不同程度提高土壤速效钾含量，且在油菜移栽初期（30天）提升效果最显著。随着油菜生育期的推进，轮作对土壤速效钾的提升效果逐渐减弱，不同油菜品种对油菜季土壤速效钾提升量整体表现为‘重蓉油1号’>‘GSX-1’>‘德油早1号’>冬闲。从烤烟移栽初期到收获期，土壤速效钾含量有所下降，降幅为15.71%~117.80%。除个别处理外，烤烟油菜轮作的土壤速效钾和烟叶钾含量相较冬闲处理有所增加，且以增施磷肥提钾效果最佳。综上，‘重蓉油1号’油菜与烤烟轮作和增施磷肥时土壤速效钾及烟叶钾含量较高，是当地最优的种植模式。

4 讨论

烤烟长期连作会增加土壤自毒物质和病原微生物，产生连作障碍，导致烟叶品质低劣、含钾量降低[16]，而轮作是以用养结合的方式提高烤烟产质量的重要措施之一[7]。罗云等[17]研究表明，烤烟长期连作会使土壤速效钾含量下降，导致烟叶含钾量低下，而轮作能保持土壤较高的供钾水平，从而促进烟叶吸收，提高烟叶含钾量，这与本研究结果一致。此外，在本研究中，油菜季土壤速效钾含量在生长初期（移栽后30天）均最高，随着生育期的推进，速效钾含量急剧下降，且处理间的差异未达到显著水平（个别时期除外）。这是因为当地种植油菜的基肥和追肥（移栽后30天）中施用了较高量的钾素，随着油菜生长过程中的吸收，土壤速效钾含量降低。
氮磷钾平衡施肥是根据土壤提供氮磷钾的丰欠程度，结合不同作物对其吸收量的大小，补充相应的氮磷钾，提出合理施肥措施，使作物达到高产量、优良经济效益的施肥方式[18]。潘文杰等[19]研究表明，长期连作使土壤氮素显著增加，为了改良连作土壤，提高烤烟质量，促进烟叶化学成分吸收，应适当降低土壤供氮量。在轮作周期中，因为单一地追求作物产质量的提高，忽视平衡施肥而对作物过量施肥，尤其是过量施用氮肥，会导致生产过程氮量富余[20-21]。张艳等[22]研究表明，在玉米-休闲-烤烟轮作中，减施氮肥能提高烤烟产质量，减少病虫害。本试验的供试土壤经长期连作导致氮素过剩，且油菜季中增施了氮肥，导致氮素富余，经烤烟季减施氮肥处理后，烟叶含钾量相较冬闲处理有所提高，这与潘文杰等[19]和张艳[22]的研究结果一致。化党领等[23]研究表明，土壤供磷水平过高或过低都会降低烤烟对钾素的吸收积累。肖庆孔等[24]研究发现，烤烟在低磷土壤上适当增施磷肥，能够增加烟草对钾素的吸收，提高其含钾量。在本研究中，油菜季无磷投入，且油菜是喜磷作物，可能会造成烤烟季土壤缺磷的状况，经烤烟季增磷施肥处理后，其土壤速效钾含量和烟叶含钾量均得到提高，这与崔志燕等[25]和翟优雅等[26]的结果一致。
综上，本研究结果表明,‘重蓉油1号’油菜与烤烟轮作和增施磷肥时土壤速效钾及烟叶钾含量较高，是当地最优的种植模式。而油菜烤烟轮作及平衡施肥对土壤钾素形态的影响尚待研究。

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探究了华南砂泥田土壤有机肥C/N优化下钾肥用量和基追比对烤烟生物量、钾素吸收、土壤有效钾含量及香气品质改善的影响。采用裂区设计，主处理为3个施钾水平，K1（120.0 kg/hm<sup>2</sup>）、K2（240.0 kg/hm<sup>2</sup>）和K3（360.0 kg/hm<sup>2</sup>）；副处理为钾肥不同基追比：S1（7：3）、S2（5：5）和S3（3：7）。结果表明：旺长期-成熟期烟叶生物量随施钾量增加而提高，而随钾追肥比例增加，烟叶生物量降低；K2和K3水平下，基追比S1处理成熟期上部烟叶钾离子含量低，但基追比S2和S3处理上部烟叶钾供应充足，表明钾肥后移有利于钾离子从下部叶向中、上部叶转移。随施钾量提高，根际土壤速效钾和缓效钾含量增加；K2水平旺长期、现蕾期根际土壤速效钾含量最高，成熟期时S3基追比处理低于基追比S1和S2处理；K3水平下，根际土壤速效钾在4个生育期内无显著差异。与其他处理相比，K2水平S3处理显著增加烟叶总氮、总烟碱和蛋白质含量，改善糖碱比和氮碱比。K1水平上部叶中性致香物质含量在不同基追比间无显著差异；而K2、K3水平下，基追比S3处理显著提高烟叶（特别上部烟叶）中性致香物质含量，尤其是K2水平下，基追比S3处理烟叶香气质、香气量、浓度最优，劲头适中。综上所述，有机肥C/N优化条件下，华南砂泥田土壤钾肥推荐量为240.0 kg/hm<sup>2</sup>，其中基肥（移栽前条施后覆膜）72.0 kg/hm<sup>2</sup>，追肥168.0 kg/hm<sup>2</sup>（基追比为3：7），能够有效提高烟叶钾离子含量，并改善烟叶尤其是上部烟叶的品质。
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