負壓灌溉對烤煙生長及水肥利用率的影響

肖海強 ,丁亞會 ,黃楚瑜 ,楊虹琦 ,管恩森 ,高凱 ,龍懷玉

1江西中煙工業責任有限公司井岡山卷煙廠,吉安,343100；2中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,北京,100081；3湖南農業大學生物科技學院,長沙,410128；4山東濰坊煙草有限公司,濰坊,262200

負壓灌溉對烤煙生長及水肥利用率的影響

肖海強1,2,3,丁亞會2,黃楚瑜3,楊虹琦3,管恩森4,高凱4,龍懷玉2

1江西中煙工業責任有限公司井岡山卷煙廠,吉安,343100；2中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,北京,100081；3湖南農業大學生物科技學院,長沙,410128；4山東濰坊煙草有限公司,濰坊,262200

為探討負壓灌溉對烤煙生長及水肥利用率的影響,采用負壓灌溉裝置設置3個不同的供水負壓,在日光溫室內以盆栽方式考察了不同負壓供水下土壤含水量的動態變化,以及負壓供水對烤煙生長、干物質積累與分配、水肥利用率的影響。結果表明：①負壓灌溉能維持土壤含水量在較穩定的范圍內,但生長過程中土壤水分含量與供水壓力沒有明顯的比例關系；②在-20～-10 kPa范圍內,隨著供水壓力的增大,煙株長勢增強,煙株的干物質量、耗水量、鉀素吸收總量及鉀肥利用率逐漸增加,根干重及水分利用效率隨供水壓力的降低而增加,氮、磷素吸收總量及其利用率隨供水壓力的降低而呈現出先增加后降低的趨勢；③以烤煙干物質積累為目標,烤煙伸根期適宜供水壓力為-20～-15 kPa、旺長期約為-10 kPa、成熟期為-15～-10 kPa。

負壓灌溉；生物量；水分利用效率；肥料吸收利用率；烤煙

我國是煙草種植大國,煙田灌溉用水量很大。在傳統的煙田灌溉模式中,普遍存在水肥使用量大、利用程度低等問題,這造成了大量資源的浪費和環境的污染,加劇了我國水肥資源短缺的危機；探索一種節水、高效的新型灌溉技術,以提高作物對水、肥等資源的利用程度是緩解這一危機的重要途徑之一[1]。基于供水壓力為正壓力的傳統灌溉,Livingston于1908年首次提出負壓灌溉的概念[2]。其基本原理是基于水總是從高水勢自動流向低水勢的原理,配以一定的儀器裝置自動補充根際土壤中被作物消耗的水分。國內外學者利用這一原理已進行了理論上的探索,并在此基礎上驗證了負壓灌溉的可行性[3-5]。2007年,劉明池等[6]將負壓灌溉應用于生產實踐中,證實了負壓灌溉具有節水、高效、節能的灌溉效果。此后,負壓灌溉技術在多種作物的盆栽試驗中得到了應用,結果表明了負壓灌溉可以促進作物的生長,起到增產提質的效果[7-10]；近年來,負壓灌溉在烤煙上的應用也有報道,但已報道的研究方向多為煙株耗水特性[11]及水分生理[12]等方面,而關于負壓灌溉對烤煙水、肥利用率影響的研究鮮見報道。因此,本試驗采用了自制的負壓灌溉裝置對烤煙進行供水,以NC55為試驗材料,研究了-20～-10 kPa范圍內不同負壓供水下植煙土壤含水量的動態變化以及負壓供水對烤煙生長、干物質積累與分配、水肥利用率的影響,并從負壓灌溉對烤煙干物質積累的響應機制方面,提出了不同生育期的適宜供水壓力,為負壓灌溉技術的推廣及應用提供一定的水分參數依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

采用負壓灌溉裝置,以供水壓力為試驗因素,設計了3個不同的水平梯度（其絕對值越大,表示該處理供水壓力越小；下同）： -10 kPa（W1）、-15 kPa（W2）及-20 kPa（W3）,并以常規灌溉為對照（CK）；同時,設置了不施肥處理,用于計算煙株養分利用情況。每個處理重復12次。

采用盆栽方式進行試驗,試驗盆（底無孔,防止水分滲漏）內徑33.0 cm,高33.0 cm,裝土15.0 kg。按照施氮量為5.12 g/株,且氮、磷、鉀肥比例為1:1.4:2.7的要求計算出每株施肥量,與供試土壤混勻后裝盆。供試品種為NC55,于5月7日移栽,移栽時澆足定根水,待還苗成活后利用負壓灌溉裝置按照試驗設計要求對煙株進行負壓供水。統一于7月16日進行打頂。

1.2 試驗地概況

試驗于2014年5～9月在山東省諸城市洛莊煙草試驗站日光溫室內進行,試驗地位于119°08′E、36°01′N。供試土壤為當地農田耕層土壤（0～30 cm土層）,土壤類型為褐土,其pH值為6.5、有機質含量7.44 g/kg、全氮0.53 g/kg、全鉀24.46 g/kg、速效磷16.67 mg/kg、速效鉀93.00 mg/kg,土壤質地為粘壤土（其顆粒組成：砂粒38.8%、粉粒29.1%、黏粒32.1%）。

1.3 負壓灌溉裝置簡介

試驗采用的負壓灌溉裝置由中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所提供（工作原理見專利[13]）,包括5部分（示意圖見圖1-a；實圖見圖1-b）：抗壓儲水桶（a）、負壓滲水器（b）、應用于農業灌溉的負壓調節裝置（c）、抗壓導水管（d）及集氣排氣裝置（e）。其中,負壓滲水器為陶瓷管,發泡點均在50kPa以上,其規格為18cm×20mm（長×外徑）。

圖1-a 負壓灌溉裝置示意圖Fig.1-a Schematic diagram of the negative-pressure irrigation device

圖1-b 試驗裝置實圖Fig.1-b Photo of the negative-pressure irrigation device

供水壓力由“應用于農業灌溉的負壓調節裝置”（以下簡稱為負壓調節器）控制,其基本原理見專利[14]；根據試驗要求設計了3種（Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類）不同型號的負壓調節器,設計控制的負壓值分別為-10 kPa、-15 kPa及-20 kPa,但實際控壓范圍要以每個負壓調節器調試后的“進氣時最大負壓值”與“平穩后負壓值”來綜合判斷。負壓調節器調試后的參數情況見表1,“進氣時最大負壓”平均值、“進氣平穩后負壓”平均值與設計控制負壓值之間誤差的絕對值≤10%。在灌溉過程中,密閉的儲水桶水位會逐漸下降,導致桶內形成真空負壓,此負壓受晝夜溫差變化的影響較大。在實際應用中負壓調節器實際控制的負壓范圍與設計值之間的誤差不超過±10%時,可認為該調節器符合負壓灌溉的控壓要求。

試驗中滲水器的具體安裝方法為：將滲水器埋深至土表層10cm處,并保持“頭部”高于“尾部”1cm左右,使其具有一定的傾斜度,以便將從灌溉水中可能逸出的氣體收集到儲水桶中,防止管道氣栓,以保證灌溉順利進行。

表1 負壓控制器調試參數情況Tab.1 Parameters of negative-pressure controller

續表1

1.4 溫室內溫濕度日變化

試驗期間溫室內溫濕度的變化見圖2。從圖中可以看出整個生育期溫室內日平均相對濕度變化較大,其變化范圍為47.6%～94.2%。 日平均溫度在20.7～31.3℃之間,且煙苗移栽后,日平均溫度整體上呈現出逐漸升高的趨勢,這有利于滿足烤煙生長對溫度的要求。

圖2 試驗溫室內溫濕度變化情況Fig.2 Changes of the temperature and humidity in the greenhouse

1.5 測量項目及方法

（1）土壤含水量：移栽后,每隔10 d利用土壤水分速測儀檢測,檢測點深度約10 cm、且與滲水器距離3 cm左右,每側檢測3個點（每次監測同一檢測點）,共6個點。每處理重復3次。

（2）烤煙農藝性狀：移栽后,分別于移栽后30 d、60 d、90 d等3個時期參照行業標準[15]測定株高、莖圍、節距、有效葉數及最大葉長寬等。

（3）煙株耗水量：從儲水桶直接讀取水位高度,與上一次記錄的結果比較得出高度差（Δh）,再乘以儲水桶橫截面積S即可計算出灌溉水的體積。根據文獻[11]可知,單株灌溉量即為單株耗水量（ET0）,用kg表示。

（4）干物質積累量：采用殺青烘干稱重法,分別于移栽后30 d、60 d、90 d等3個時期取3株長勢一致的煙株,分別收集根、莖、葉,取其平均值表示該時期干物質積累量（g）；干物質增量為該時期干物質積累量與前一時期干物質積累量之差（g）。

（5）水分利用效率：單株水分利用效率（WUE）為煙株消耗單位水量所積累的干物質量,計算公式為：

式中：WUE為煙株水分利用效率（g/kg）；Y為煙株干物質量（g）；ET0為煙株耗水量（kg）。

（6）養分利用率的測定：分別收集煙株根、莖、葉等器官干物質作為待測樣品；N含量采用連續流動分析儀測定[16],P含量采用鉬銻抗比色法[17]（以P2O5計）,K含量采用火焰光度計法測定[17]（以K2O計）；養分吸收利用率采用差減法[18]計算,用%表示。其計算方法為：

1.6 數據分析

利用Microsoft Excel 2010及DPS 7.05軟件進行數據整理和方差分析,采用最小顯著差異法（LSD,Least-signi fi cant Di ff erence）在0.05水平上進行樣本的比較分析。

2 結果與分析

2.1 土壤含水量的動態變化

從圖3可知,全生育期內CK土壤含水量變化波動較大,呈現“旱—澇”循環的變化趨勢；采用負壓灌溉的各處理,土壤含水量波動幅度較小,其變化范圍在13.35%～21.46%之間。這表明了負壓灌溉可使根系處于較穩定的土壤水分環境中,可避免煙株因遭受旱澇脅迫而產生的危害。

圖3 各處理土壤含水量的變化Fig.3 Moisture content in different soil at each treatment

全生育期內,不同負壓供水對土壤含水量在不同時期的影響不同。移栽后0～50 d,土壤含水量隨供水壓力的增大而增加,表現為W1＞W2＞W3；之后則表現為以W2為最大、W1為最小。這表明在-20～-10 kPa范圍內煙株生長過程中,土壤含水量與供水負壓無明顯比例關系。其中,移栽后60～80 d,W1土壤含水量先增加后降低,在70 d時達到最大,其值為22.2%,但80～110 d其土壤水分含量保持在較低范圍內。

2.2 不同負壓供水對烤煙農藝性狀的影響

從表2中可以看出,不同處理烤煙農藝性狀各指標受供水壓力的影響較大,各生育期內株高、有效葉片數及最大葉生長情況（移栽后60 d時葉寬及葉面積除外）與供水壓力呈正相關趨勢,且差異顯著（P＜0.05）,均表現出W1＞W2＞W3；移栽后60 d及90 d時,莖圍和節距亦是如此。同時,除移栽后30 d時W3（-20 kPa處理）煙株農藝性狀表現較常規澆灌處理（CK）較差外,其他生育期內負灌溉處理的煙株長勢均較CK優良。這表明在-10～-20 kPa之間的負壓灌溉比常規澆灌更有利于烤煙的生長發育。

表2 不同負壓供水對烤煙農藝性狀的影響Tab.2 Agronomic traits of fl ue-cured tobacco under different negative pressure of water supplying

2.3 不同負壓供水對烤煙干物質積累的影響

從表3中可知,移栽至移栽后30 d,莖器官干物質積累量表現為W3＞W1＞W2＞CK,整株重及葉干重則表現出隨供水壓力降低而顯著減少的趨勢,根干重則隨供水壓力的降低反而增加,且各處理之間也表現出顯著差異性（P＜0.05）。此時期CK根系干重占全株重比例為32.57%,與W1相當；但CK全株干重及根干重分別為23.76 g和7.74 g,明顯少于負壓灌溉各處理的干物質積累量。

移栽至移栽后60 d,干物質積累總量隨供水壓力的降低而減少,且負壓灌溉各處理整株重均大于CK,表現為CK＜W3＜W2＜W1；根器官干物質積累量則表現相反趨勢,且此時期根干重占全株重比例以CK為最大,其值達29.10%,W3與之相當。莖干重隨供水壓力的降低呈現出先減少后增加的趨勢,但增加趨勢不顯著；而葉干物質積累則表現出與莖干物質積累規律相反的趨勢。此時期,在-15～-10 kPa范圍內隨供水壓力降低,莖干重比降低了6.77個百分點,而葉干重比增加了3.47個百分點；在-20～-15 kPa范圍內隨供水壓力的降低,葉干重比隨之降低,降低幅度達7.03個百分點,莖干重比反而有增加的趨勢。這說明旺長期適當增大供水壓力,能夠有效促地上部進干物質向葉器官轉移。

移栽至移栽后90 d,煙株干物質積累總量、葉干重及莖干重隨供水壓力的降低而減少,具體表現為CK＜W3＜W2＜W1；根干重則隨供水壓力的降低表現出先減少后增加的趨勢,但CK根干重較其他處理明顯要小。此時期,葉干重比也表現出隨供水壓力的降低而降低,其中W1、W2葉干重比差異較小,其值分別約為64.8%和64.5%。

表3 不同負壓供水對煙株干物質積累與分配的影響Tab.3 Effects on dry matter accumulation and allocation of fl ue-cured tobacco under different negative pressure of water supplying

2.4 不同負壓供水下烤煙的水分利用效率

從表4中可以看出,在同一生育期內各處理煙株單株耗水量隨供水壓力的降低而逐漸減少,且差異顯著。但同一處理煙株耗水量隨生育期的推移而增加,即伸根期＜旺長期＜成熟期；不同處理間煙株WUE隨供水壓力的降低而增大,表現為CK＜W1＜W2＜W3；就不同生育期而言,相同負壓供水條件下的WUE均表現出旺長期最大、伸根期其次、成熟期最小。

從表中還可知,在烤煙全生育期內,與常規澆灌（CK）比較,負壓灌溉供水處理可使烤煙單株耗水量降低12.29～26.20 kg,節水幅度達22.1%～47.2%,且全生育期內煙株WUE提高了1.53 ～2.57 g/kg。

表4 不同負壓供水下烤煙的水分利用效率Tab.4 Water utilization ef fi ciency of fl ue-cured tobacco under different negative pressure of water supplying

2.5 不同負壓供水對烤煙養分吸收利用的影響

從表5中可知,不同負壓供水下烤煙的N、P的吸收總量及其利用率隨供水壓力的降低而呈現出先增加后降低的趨勢,且各處理均高于CK,但差異不顯著；其中W2為最高,N、P的吸收總量分別達到34.96 kg/hm2和11.01 kg/hm2。各處理煙株對K的吸收總量及其利用率均表現為W1＞W2＞W3＞CK,其中負壓灌溉各處理吸鉀總量較CK提高了11.09%～47.92%。

同時,負壓灌溉各處理N、P、K的利用率較CK均有所提高,其中煙株在適宜的供水負壓下N、P、K的最大利用率較CK分別提高了7.82、2.73和11.54個百分點。

表5 不同負壓供水對烤煙養分吸收利用的影響Tab.5 Effects on the nutrient utilization of fl ue-cured tobacco under different negative pressure of water supplying

3 討論

負壓灌溉裝置是一個密閉的系統。從能量角度分析,當系統達到平衡且不存在水分流動時,Ψ水（儲水桶內水勢）與Ψ土（土壤基質勢）存在對應關系,即供水負壓可表示為土壤基質勢[19]。在應用過程中,煙株不斷吸水,打破了這一平衡關系,此時Ψ土小于供水負壓,灌溉水自動地補充到植煙根層土壤,導致全生育期內土壤水分含量處于動態的變化過程。本研究表明,較常規灌溉而言,負壓灌溉能維持土壤含水量在較穩定范圍內,這與以往的研究結論基本一致[20-21]；但在-20～-10 kPa范圍內,烤煙生長過程中的土壤水分含量與供水負壓無明顯的比例關系,這與前人的研究結果不同[22]。如果不考慮作物對土壤水分的影響,土壤含水量應隨供水負壓的增大而增大[6],但圖3表明-10 kPa處理的土壤水分含量在前期均大于其他負壓灌溉處理,進入成熟期后反而為最小,這可能原因是-10 kPa處理的煙株生長旺盛,進入成熟期后需水量較大,而此時滲水器的供水速率沒有跟上。因此,探索一種親水性強、滲水速率大的新型微孔材料,是目前完善負壓灌溉體系的重點研究方向之一。

土壤水分條件是烤煙生產中重要的生態因子之一,直接關系到煙株的生長發育及煙葉的產質量。常規灌溉方式為間歇式灌溉,易造成土壤含水量較大幅度的波動（見圖3）,即旱澇循環現象,這一現象限制了煙株同化物的供應能力[23],不利于煙株的生長發育及煙葉產質量的形成。本試驗結果也表明負壓灌溉各處理煙株長勢及各器官干物質積累量均較常規灌溉處理表現較好,且在-20～-10 kPa范圍內,增大供水壓力能夠顯著促進烤煙生長,有利于煙葉潛在產量的形成。不同生育期內烤煙耗水特性不同[24-25],決定了不同生育期適宜烤煙生長的土壤含水量也不同[26],即負壓灌溉的供水壓力應在不同生育期內不同。就煙株干物質積累和分配規律而言,伸根期供水負壓為-20～-15 kPa時,根干物質積累量較大,促進根系發育及形態建成,為煙株旺長奠定基礎；旺長期供水負壓約為-10 kPa時,煙株干物質積累總量最大,且根系干物質分配率最小,能有效改善干物質在地上部與地下部各器官之間存在競爭關系[23]；成熟期供水負壓為-15～-10 kPa時,能提高煙株同化物的形成能力,并促進干物質向葉器官轉移,對煙葉產量的形成有積極意義。

負壓灌溉利用了作物耗水特性及土壤張力特性,實現了作物因需的灌溉目的,有利于改善根際土壤水分環境,為水分的高效利用奠定了基礎。本研究結果表明較常規灌溉而言,對煙株進行負壓供水能明顯提高WUE,且這一趨勢隨供水壓力的降低而越明顯；但同一負壓供水條件下,單株耗水量隨生育期的推移而增加,這與汪耀富等[27]研究結果不同,可能是由于試驗所處的環境不同而導致的。同時,負壓灌溉維持的根際土壤水分始終處于非飽和狀態,這樣既在很大程度上減少了土壤表面蒸散、滲漏等無效水的消耗,又避免了土壤養分因水分過多而產生的無效流失,從而實現節水、節肥、高效的灌溉目的。本研究結果證明,全生育期內負壓供水的煙株耗水量隨供水負壓的降低而顯著減少,且煙株耗水量顯著少于常規灌溉處理。在植煙生態系統中,土壤水分與肥料之間存在相互影響的動態平衡關系,適宜的土壤水分條件能夠促進煙株的生長發育,從而提高煙株對肥料的吸收利用程度。采用負壓灌溉的各處理煙株對營養元素的吸收利用程度也高于常規灌溉處理,尤其在-10 kPa～-20 kPa范圍內增大供水壓力能明顯提高鉀肥的吸收利用率。

負壓灌溉可通過控制供水負壓來調節根際土壤的含水量,并使之維持在穩定范圍內,是一種精準的控水模式,這為煙草的水分生理等方面的深入研究提供了前提條件。同時,本試驗還發現常規施肥下負壓灌溉各處理煙株的肥料吸收利用率仍處于較低水平（見表5）,這說明有必要繼續深入探索負壓灌溉下適宜煙株生長的施肥模式。由于負壓灌溉的供水頭裝置為多孔隙材料,水分子及礦質養分離子等小分子物質可自由通過,因此,在下一步研究中可采用“水-肥一體”的方式對煙株進行水肥管理,以期通過水、肥對煙株的相互促進作用來達到節水、節肥、高效的煙田水肥管理效果,為煙葉生產提供一種新型的煙田水肥管理模式。

4 結論

采用負壓灌溉對烤煙進行供水,能維持土壤含水量在較穩定的范圍內,但在生長過程中土壤水分含量與供水壓力沒有明顯的比例關系。

在-20～-10 kPa范圍內,隨著供水壓力的增大,煙株長勢優良,整株干物質量、煙株耗水量、鉀素吸收總量及鉀素吸收利用率逐漸增加,根干重及WUE隨供水負壓的降低而增加,而氮、磷素吸收總量及其利用率隨供水壓力的降低而呈現出先增加后降低的趨勢。

根據負壓灌溉對烤煙干物質積累的響應規律分析,認為不同生育期的適宜供水壓力不同：伸根期為-20～-15 kPa、旺長期約為-10 kPa、成熟期為-15～-10 kPa。

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E ff ect of negative-pressure irrigation on water fertilizer utilization and fl ue-cured tobacco growth

XIAO Haiqiang1,2,3, DING Yahui2, HUANG Chuyu3, YANG Hongqi3, GUAN En’sen4, GAO Kai4, LONG Huaiyu2
1 Jinggangshan Cigarette Factory, China Tobacco Jiangxi Industrial Co. Ltd., Ji’an 343100, Jiangxi, China;2 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;3 Bioscience Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China;4 Shandong Weifang Tobacco Company, Weifang 262200, Shandong, China

E ff ect of negative-pressure irrigation on the growth and water fertilizer utilization rate of fl ue-cured tobacco was investigated.Pot experiments in sunlight greenhouse were carried out by using a negative-pressure irrigation device with three pressure levels. The dynamic change of soil moisture content, dry matter accumulation and distribution, and water fertilizer utilization rate were studied.Results showed：①Soil moisture could be maintained in a stable range by using negative-pressure irrigation, but there was no signi fi cant proportional relationship between soil moisture content and negative pressure at all stages. ②When water pressure increased from -20kPa to -10 kPa, growth of tobacco was enhanced, and dry weight, water consumption, total amount of K-uptake and rate of K utilization increased gradually, but root dry weight and water use efficiency decreased. N-uptake, P-uptake and its utilization rate showed a trend from decline to rise. ③ The suitable water supplying pressure at root stretch stage, fast growing stage and mature stage were -20～-15 kPa, -10 kPa and -15～-10 kPa respectively for dry matter accumulation.

negative-pressure irrigation; biomass; water use efficiency; fertilizer utilization rate; fl ue-cured tobacco

肖海強,丁亞會,黃楚瑜,等.負壓灌溉對烤煙生長及水肥利用率的影響[J].中國煙草學報,2016,22（2）

國家煙草專賣局特色優質煙葉開發重大專項“低危害煙葉開發” [1102011010006(ts-06)]

肖海強(1987—),碩士研究生,烤煙栽培及生理, Email：xiaohaiqiang91@163.com

龍懷玉（1969—）,Email：hylong@caas.ac.cn

2015-06-01

: XIAO Haiqiang, DING Yahui, HUANG Chuyu, et al. E ff ect of negative-pressure irrigation on water fertilizer utilization and fl uecured tobacco growth [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2016, 22(2)