調虧灌溉對粵北烤煙農藝性狀及耗水規律的影響

姜俊紅，汪 軍，勞同浩，韋歆娜，李就好

(1.華南農業大學水利與土木工程學院，廣州 510640；2.中國煙草公司廣東省分公司煙葉管理處，廣州 510642；3.湛江市水利水電勘測設計院，廣東 湛江 524200)

隨著消費者對卷煙質量要求的不斷提升及國家中式卷煙品牌戰略的深入，卷煙企業對優質煙葉尤其是能體現卷煙產品風格的優質特色煙葉更加關注[1-3]。提高優質特色煙葉的保障能力不僅成為產區和卷煙企業實現共贏的新平臺[4-6]，同時也是我國中式卷煙可持續健康穩定發展的基礎。廣東粵北煙區由于其得天獨厚的生態條件及獨特的紫色土壤造就了該地區煙葉顏色橘黃、鉀離子含量高、濃香型風格特色明顯的特點，是我國典型的濃香型煙區。近年為了減少與糧爭地，煙葉種植區多數分布在海拔高度130～530 m的丘陵地區，大部分為旱坡地。旱坡地紫色土保水性極差，水利設施不完善，煙葉生長過程中季節性干旱較為頻繁，烤煙的產量和品質年際間波動較大；而灌水較為便利的煙田，大水漫灌現在普遍，煙葉產量雖然較高但煙葉香型減弱，水分利用率較低，肥料淋失嚴重。

在水資源日益短缺、農業用水所占比例需逐年下降的環境下，搞清烤煙耗水規律、提高烤煙的水分利用效率對坡地烤煙可持續發展具有重要意義[7]。目前已有較多關于土壤水分與烤煙產量、品質的試驗研究[8-14]，得出的結論也為煙草的種植提供了理論依據。但這些試驗大都針對中部地區和北方地區的烤煙種植，試驗設置多為單生育階段干旱的盆栽試驗，針對南方旱坡地濃香型烤煙生育期內水分虧缺對烤煙農藝性狀、經濟特性及耗水規律的研究較少。因此根據粵北地區的降雨特點和烤煙品種，研究該地區旱坡地上烤煙耗水特性及經濟性狀，對合理制定旱坡地灌排工程規模、降低季節性干旱影響、減少用工、提高優質煙葉生產的保障能力、實現該地區濃香型煙葉種植可持續發展具有重要的意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗概況

田間試驗在廣東煙草南雄科學研究所內典型的紫色土旱坡地上進行。紫色土的密度為1.45 g/cm3，田間持水率(FC)25.5%，土壤主要理化性質見表1。

試驗田上共設置3個可開啟式的防雨大棚，每個大棚寬5.5 m，長45 m，高度2.5 m，大棚四周0.5 m處開挖排水溝，溝深0.5 m，溝寬0.5 m，溝和大棚之間空地鋪設雙層塑料薄膜防止水分側滲。試驗品種為粵煙98，試驗從2012年2月28日移栽開始，7月底全部烤煙采收烘烤完畢。

表1 供試土壤理化性狀Tab.1 Basic physicochemical properties of soil tested

1.2 試驗設計

烤煙生育階段可劃分為移栽成活期、伸根期、旺長期和成熟期等4個生育期。由于移栽成活期缺水容易死苗，為保證與烤煙實際生產一致，本階段不進行虧水處理，保持田間持水量90%。其他生育階段進行虧水處理,設置4種干旱等級：正常C(70%～80%FC)、輕旱L(60%～70%FC)，中旱M(50%～60%FC)，重旱H(40%～50%FC)。

結合3個生育期和4個水分等級，本試驗共設置18個處理，其中1個對照(T1)、9個單生育階段虧水處理(T2～T10)、8個雙生育階段虧水處理(T11～T16處理為旺長期和成熟期連續干旱，T17～T18處理為伸根期和成熟期雙生育階段干旱)，見表2。每個處理重復3次，在田間隨機排列，每個小區面積13.2 m2。

烤煙種植以當地壟栽方式進行種植，株距60 cm、行距120 cm，每個小區種20株。

1.3 測定項目與方法

(1)土壤含水量。采用烘干法測定，取土深度40 cm，以10 cm為單位分4層取土。伸根期和成熟期每7 d測一次，旺長期每5 d測一次，降雨前后加測。

(2)田間持水量。用1000型壓力膜儀測定，田間灌水法校核。

(3)農藝性狀的測定。在每個處理小區內挑長勢相對一致的10株烤煙，做上標記作為農藝性狀測量樣本。株高、葉片的長和寬每隔7 d用精度為0.1 cm的卷尺測一次，并根據公式(長×寬×經驗系數0.634 5)計算葉面積；煙株直徑每隔7 d用游標卡尺測一次。

表2 烤煙不同生育階段的虧缺處理方案Tab.2 Water treatment scheme of flue-curedtobacco under different growth stages

(4)經濟性狀。根據國家烤煙分級標準對烤后煙葉進行分級，統計各個處理的產量、產值和上等煙比例。

1.4 數據處理方法

利用Excel、Spss、Matlab等相關軟件對烤煙的農藝性狀、產量、水分效率、上等煙比例進行處理和統計分析。

(1)葉面積指數計算。

葉面積指數=煙株的總葉面積/種植面積

(1)

(2)水分效率計算。

水分效率=產量/總耗水量

(2)

(3)耗水量計算。用簡化農田水分平衡方程進行計算，即：

(3)

式中：ET為一定時段內的實際蒸散量，mm；n為取土層次；Hi為第i層土層厚度，cm；γi為第i層土壤密度，g/cm3；θt，θo分別為時段開始和結束時第i層土壤含水量，以土壤干重百分率的分子表示；M為同時段內灌水量，mm；P為同時段內降雨量，mm；K為同時段內地下水補給量，mm；C為同時段內地下水排水量，mm。

由于該旱坡地海拔較高，地下水位較深，實驗在遮雨棚內并且小區隔離，所以不用考慮降雨量、地下水補給量和排水量，即可以認為P=K=C=0，即某一時段內的耗水量方程式為：

(4)

2 試驗結果與分析

2.1 調虧處理對烤煙灌水量的影響

不同水分虧缺處理后各個生育期及全生育階段的灌水量及灌水次數如表3所示。從表3中可以看出，旺長期各處理灌水總量均大于成熟期，成熟期的灌水量大于伸根期。在各生長期，灌水量均隨著土壤含水量下限的降低而減小，階段灌水次數也相應的減小。當伸根期干旱脅迫、旺長期恢復正常灌溉，其灌水次數在旺長期比正常處理多，而到成熟期灌水次數與正常處理相同；旺長期干旱脅迫的處理在成熟期的灌水次數與正常處理相等。各處理的全生育階段的灌水量各不相同，與T1相比較，調虧處理的灌水量都相應的減少，伸根期調虧處理平均減少8.38%，旺長期平均減少13.98%，成熟期平均減少5.42%，其中旺長期重旱、成熟期輕旱處理的灌水量減少幅度最大，達到24.55%。因此通過合理的調虧灌溉可以達到節約用水及減少用工的目的。

表3 各個生育期灌水次數及灌水量 m3/hm2

2.2 調虧處理對烤煙農藝性狀的影響

(1)調虧處理對伸根期烤煙農藝性狀的影響。伸根期單階段水分虧缺處理與T1的煙株農藝性狀見表4。從表4中可知，隨著干旱程度的增加，煙株株高增值、莖圍、葉片數、單株葉面積增值及葉面積指數都相應的減少，且各處理間差異顯著。因此伸根期土壤相對含水量保持70%以上對烤煙這個時期的生長最有利，T4處理的株高增值、莖圍、單株葉面積增值、葉面積指數相對于T1減少64.5%、59.6%、49.4%、46.4%，明顯抑制該階段烤煙的正常生長。

表4 調虧處理煙株伸根期主要農藝性狀Tab.4 Major agronomic traits in the root extending stage for different water stress levels

注：在移栽后第9天煙株平均株高9.55 cm,平均葉面積208.45 cm2；同列數據后不同字母表示處理間經Duncan法測驗差異達到0.05顯著水平。以下類同。

(2)調虧處理對旺長期烤煙農藝性狀的影響。T5、T6、T7為旺長期單階段水分虧缺處理，與對照T1的煙株農藝性狀見表5。從表5可知， T5、T6、T7處理的各項農藝性狀呈逐級遞減的趨勢，即隨著干旱程度的增加對農藝性狀負面影響越大，尤其是中旱和重旱處理的各項農藝性狀下降幅度高達23.8%以上(莖圍除外)。從表5中可以看出，T5的各項農藝性狀數值與T1都差異顯著，即旺長期土壤相對含水量低于70%，影響到烤煙的正常生長。

表5 調虧處理煙株旺長期主要農藝性狀Tab.5 Major agronomic traits in the vigorous growing stage for different water stress levels

從表5可以看出，T2、T3在旺長期復水后補償效果顯著。其中T2處理的各種農藝性狀都超過對照處理，T3處理的株高增量、葉面積增量超過對照處理，其原因為在伸根期經受輕、中度干旱脅迫，促進根系深扎，在旺長期恢復充分灌溉后，株高、莖圍、葉片擴展等受到激發，彌補前期干旱造成的損失，具有超補償效應。而T4處理由于前期干旱影響較大，除單株葉面積增值與對照差異不顯著外其余株高、莖圍、葉面積指數等農藝性狀都落后于對照處理。

(3)調虧處理對成熟期烤煙農藝性狀的影響。T8、T9、T10為成熟期單干旱處理。從表6可知，該生育階段水分虧缺處理對煙株莖圍影響不顯著，對株高增值、單株葉面積增值及葉面積指數影響顯著。與T1相比，隨著干旱程度的加深，單株葉面積增值減少15.8%、25.8%、42%，這主要是因為成熟期干旱脅迫會導致上部葉開片程度降低，葉片細小狹長，單株葉面積增值減小。3種干旱水分處理的葉面積指數減少1.5%、6.0%、11.3%，除輕旱處理與對照處理差異不顯著外，其余差異顯著。因此該時期土壤含水量保持在60%～70%FC可保證不減產；當供水不足時，土壤含水量保持50%FC可確保不大幅度減產。

表6 調虧處理對烤煙成熟期的農藝性狀Tab.6 Major agronomic traits in the mature stage for different water stress levels

注：旺長期結束、開花前根據生產的需要進行煙株打頂，留葉18～20片，因此統計表中無葉片數統計。

從表6可知，伸根期干旱處理的T2、T3、T4在成熟期末其莖圍與T1已無顯著性差異；在單株葉面積增值、株高增值上都大于T1，因此其補償效應一直延續到成熟期結束；在葉面積指數上，T2處理超過T14.7%，T3處理比T1低1.5%但兩者差異不顯著，T4相對T1減少了5.8%。因此伸根期輕旱處理(60%～70%FC)可以獲得較高的產量，當供水不足時土壤含水量在50%FC以上可避免減產。

旺長期干旱處理的T5、T6、T7在成熟期復水后其單株葉面積增值高于T1，而株高增值、莖圍、葉面積指數都低于T1，說明復水后農藝性狀有一定補償，但其補償有限，無法彌補旺長期干旱對其照成的影響；該階段干旱處理的葉面積指數均值為2.281 2，小于伸根期虧水處理的葉面積指數均值2.675 1，也小于成熟期虧水處理的葉面積指數均值2.530，因此旺長期土壤水分對烤煙產量影響最大；與T1相比，T5、T6、T7的葉面積指數分別減少4.6%、16.0%、24.3%，差異顯著，因此為保證產量不減產應保持土壤含水量在70%FC以上。

(4)多生育階段調虧處理對烤煙農藝性狀的影響。從表5可知，伸根期和成熟期干旱處理的T17、T18與T1相比，葉面積指數減少0.5%、11.9%，T17與T1差異不顯著，因此伸根期和成熟期土壤含水量維持60%FC以上可不影響產量。T11、T12、T13、T14、T15、T16為旺長期和成熟期連續虧水處理。從這些處理可以看出，旺長期受輕旱脅迫，煙株葉面積指數隨著成熟期虧水脅迫程度的加深表現愈差。T6、T14、T15都為旺長期中旱處理，與T6相比T14、T15的葉面積指數分別減少1.3%和4.5%，差異不顯著；T7、T16都為旺長期重旱處理，兩者葉面積指數相差1.2%，差異不顯著。因此旺長期中旱以上干旱脅迫后，成熟期灌水量大小對烤煙葉面積指數的影響差異不顯著。這說明旺長期是煙草葉面積的主要形成期，應盡可能保證水分的充足供應。若發生水分脅迫，應保證旺長期土壤含水量在60%FC以上，否則后期如何灌水都無法彌補。

2.3 調虧處理對烤煙經濟性狀的影響

(1)調虧處理對烤煙產量、水分效率的影響。不同水分調虧處理的烤煙產量、水分效率見圖1。從圖1中可以看出，旺長期成熟期連續干旱對烤煙產量的影響大于對應的單生育階段干旱的影響，而伸根期和成熟期2階段干旱處理對烤煙產量的影響與對應單生育階段干旱的影響差距較小；單生育階段干旱時，旺長期干旱對烤煙產量的負面影響大于成熟期，伸根期輕旱處理反而有利于提高烤煙的產量；T2、T3、T4、T5、T8、T9、T17、T18的水分利用效率都高于T1。因此伸根期輕、中、重旱，旺長期輕旱，成熟期輕、中旱都有利于提高水分效率。伸根期虧水處理的水分效率都大于0.8 kg/m3，為最高，即伸根期干旱對提高水分效率最為有效。T7、T16處理的產量及水分效率最低，因此旺長期重旱處理對產量和水分效率最為不利。

圖1 各調虧處理方案的產量及水分效率Fig.1 Yield, water use efficiency for different water stress levers

(2)調虧處理對烤煙上等煙比例的影響。上等煙比例在一定程度上反映了烤煙的品質好壞。如圖2所示，伸根期輕、中旱處理，成熟期輕旱處理及對照處理的上等煙比例相對較高，達55%以上，其中成熟期輕旱處理的T8及T17的上等煙比例最高；旺長期中、重旱處理，成熟期重旱處理的上等煙比例較低，其中旺長期重旱處理的 T7最低。因此伸根期輕旱成熟期輕旱處理有利于提高烤煙的品質，而旺長期重旱處理對烤煙品質負面影響最大。從圖2可知T14、T15、T16處理的上等煙比例隨著干旱程度的增加而略有增加，其原因為旺長期中、重旱處理后，煙葉生長受到嚴重影響，能達到上等煙等級的葉片數量和重量3個處理接近相等，而在總產量上，旺長期中旱成熟期輕旱的T14>旺長期重旱成熟期重旱的T15>旺長期重旱成熟期輕旱的T16，其上等煙比例就出現了與隨著干旱程度增加而增加的現象。因此該段曲線不能真實反映烤煙實際的品質好壞。

圖2 各調虧處理方案的上等煙比例Fig.2 High-class-leaf proportion under different water stress levels

2.4 耗水量與上等煙比例、水分效率、烤煙產量的關系

(1)耗水量與上等煙比例、水分效率、烤煙產量的函數。對煙農而言高產出低投入是其最終的追求。在水資源有限、季節性干旱頻繁發生的大環境下，如何有效提高水分利用效率和上等煙比例是粵北煙區高產穩產的保障。通過前面分析可知，為避免大面積減產和品質下降，旺長期烤煙土壤含水量應保持在60%FC以上，伸根期和成熟期土壤含水量應保持在50%FC以上。因此將處理T1、T2、T3、T5、T8、T9、T11、T12、T13、T17、T18的耗水量和產量、耗水量與上等煙比例、耗水量與水分利用效率進行擬合，可以得到如下3組函數關系。

(1)產量函數。

y1=-0.002 46x2+14.54x-19 127R=0.93

(5)

(2)上等煙比例函數。

y2=-0.000 066 6x2+0.391 5x-515.9R=0.84

(6)

(3)水分效率函數。

y3=-0.000 000 826x2+0.004 62x-5.657R=0.71

(7)

式中：y1為計算的產量，kg/hm2；y2為計算的上等煙比例；y3為計算的水分效率； 為耗水量，m3/hm2。

從上述分析中可以看出，產量、上等煙比例和水分效率為具有極大值的二次函數。當灌水量為2 955 m3/hm2時產量達到最大值2 357.9 kg/hm2；當灌水量為2 939.2 m3/hm2時，上等煙比例達到最高59.5%；當灌水量為2 796.6 m3/hm2時，水分效率達到最大值0.80 kg/m3。從三者達到極值的灌水量上可以發現，水分效率先達到極值，其后為上等煙比例，最后是產量達到極大值。因此當產量最高時烤煙的品質和水分效率已經開始下降，既不能獲得較高的品質又浪費了水資源和人工。因此實際生產中應控制烤煙的灌水量在2 939.2 m3/hm2以下。

(2)基于Jenssen模型的烤煙生產函數。各個生育階段的水分虧缺對烤煙的影響程度差異明顯，因此利用全生育階段的耗水總量來預估烤煙的產量有其模型本身無法彌補的不足。而Jenssen模型能反映各個生育階段水分虧缺對烤煙產量的綜合影響，因此本文利用18個試驗處理的各個生育階段的耗水量和產量計算烤煙水分生產函數：

Ya/Ym=(ETa1/ETm1)0.092 2(ETa2/ETm2)0.937 4×

(ETa3/ETm3)0.591 0R=0.82

(8)

該函數檢驗值F=10.3>F0.05=5.04，達到顯著水平。從計算出來的水分敏感性指數可以看出旺長期對水分最為敏感(0.937 4)，這個時期的干旱缺水會給產量帶來顯著的降低，其次是成熟期為0.591 0。伸根期對水分最不敏感為0.092 2，該時期的水分虧缺對產量的影響較小。結論與前面的農藝性狀的結論一致。根據上述模型預測18個試驗方案的烤煙產量，并與實際產量進行對比，見圖3。從圖3可以看出預測值和實際值趨勢一致，數值上除旺長期中旱和重旱及旺長期成熟期連續干旱的預測值與實際產量差距較大外(平均相對誤差27.1%)，其余的預測值和實際值差值較小(平均相對誤差6.4%)。而旺長期中旱和重旱及旺長期成熟期連續干旱是我們在實際烤煙生產中應設法避免的，因此實際生產中可用該模型對烤煙產量進行預測。

圖3 實測產值與預測產值對比Fig.3 The actual yield and calculated yield quantitative comparison

3 結 論

(1)伸根期不同程度干旱處理旺長期復水后補償效果顯著，中、重旱的補償效應一直持續到成熟期；旺長期不同程度干旱處理成熟期復水后有一定的補償，但補償有限，該階段干旱處理對烤煙的農藝性狀和經濟性狀負面影響最為顯著；成熟期干旱處理對烤煙的莖圍影響不顯著，隨著干旱程度的增加株高、葉面積等降低。

(2)伸根期和成熟期都為輕旱處理(60%～70%FC)時可以在不減產的情況下獲得較高的水分效率和上等煙比例。旺長期是煙草葉面積的主要形成期，應盡可能的保證水分的充足供應(70%～80%FC)。若干旱發生，至少要保證旺長期土壤含水量在60%FC以上，否則后期如何灌水都無法彌補，而伸根期和旺長期維持在50%FC以上可保持產量和品質不大幅下降。

(3)產量、上等煙比例和水分效率與耗水量的關系為具有極大值的二次函數，產量的極值偏后于水分效率和上等煙比例的極值。實際生產中應控制烤煙的灌水量在2 939.2 m3/hm2以下。利用18個試驗數據所建立的水分生產函數與烤煙生理需水要求一致，能用于烤煙產量預測。

[1] 張保振.開言路、集眾智, 攜手打造中式卷煙——關于開展中式卷煙征文討論的引言[J].煙草科技,2004，(4):3-4.

[2] 朱尊權.從卷煙發展史看“中式卷煙”[J].中國煙草學報,2004,11(2):1-5.

[3] 王彥亭.依靠科技進步促進中式卷煙發展[J〗.中國煙草學報, 2005,12(1):8-12.

[4] 趙偉才,邱妙文,陳 杰,等.烤煙新品種粵煙98的選育及其特征特性[J].中國煙草學報,2013,19(4):35-40.

[5] 周冀衡. 發展特色煙葉是重點骨干品牌和優質煙區實現共贏的合作平臺[J]. 中國煙草學報,2009,15(16)：70-74.

[6] 姜林燦. 對煙葉原料保障上水平的探討[J].中國煙草科學,2011,32(6):90-93.

[7] 高華軍，汪耀富，邵孝侯.烤煙節水灌溉的研究進展[J].2005,(5):33-36.

[8] 汪耀富,蔡寒玉, 張曉海,等.分根交替灌溉對烤煙生理特性和煙葉產量的影響[J].干旱地區農業研究，2006，24(5)：93-98.

[9] 胡秀君,季旭輝.灌水量對烤煙產量和水分利用效率的影響[J].排水機械工程學報,2015,33(1):73-77.

[10] 李繼新，袁有波，蘇賢坤.土壤水分對烤煙耗水特征及煙葉產量和品質的影響[J].河海大學學報(自然科學版)，2008,36(4):520-524.

[11] 崔保偉,陸引罡,張振中,等.不同生育期水分脅迫對烤煙生理特性及化學品質的影響[J].中國煙草科學,2009，30(3):19-23.

[12] 崔保偉,陸引罡,張振中,等.水分脅迫下施氮量度烤煙生理特性及化學成分的影響[J].煙草科技,2009,5(1):60-65.

[13] 勞同浩，李就好，姜俊紅，等.土壤水分對南雄煙區烤煙耗水特征及產量的影響[J].現代農業科技，2012,23(1):20-25.

[14] 周永波，邵孝侯，蘇賢坤，等.水分調控對烤煙生長、干物質積累和養分吸收的影響[J].灌溉排水學報，2010,29(1):56-60.