保水劑粒徑對秦巴山區土壤水分及烤煙生長的影響

杜社妮， 郭勝利， 王百群，白崗栓， 何登峰， 耿 偉， 閆超超， 趙洋洋

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100； 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100； 3.陜西省煙草公司， 陜西 西安 710065； 4.安康市煙草公司旬陽分公司， 陜西 旬陽725700； 5.商洛市煙草公司洛南分公司， 陜西 洛南 726100； 6.寶雞市煙草公司隴縣分公司， 陜西 隴縣 721200)

秦巴山區位居漢江南北，為亞熱帶與暖溫帶分界線及中國南北分界線。秦巴山區以山地丘陵為主，海拔較高且光照充足，為陜西省優質烤煙(Nicotianatabacum)生產基地[1]。秦巴山區煙田多為坡地，土層薄，蓄水保水能力差且無灌溉設施，在烤煙團棵期到現蕾期易出現季節性干旱，嚴重影響烤煙的產量與質量[2]。合理調控土壤水分，可提高烤煙產量與質量，提高單位面積烤煙產值[3-5]。保水劑(super absorbent polymers， SAP)是利用強吸水性樹脂或淀粉等合成的一種具有超高吸水、保水能力的高分子聚合物，能吸收大量的土壤水分并在土壤中形成大量的“小水庫”，增強土壤蓄水保墑能力，且吸收的水分可緩慢釋放，供作物生長發育[6-9]。保水劑可促進降水入滲，減少地表徑流[10-12]，并在吸水、釋水的過程中改善土壤團粒結構，提高土壤通氣性及土壤水分和養分的利用效率[13-17]，減少環境污染[18-19]，促進作物生長[20-24]，是繼農藥、化肥和地膜之后最有可能在農業生產中大面積推廣應用的化學制品[25-27]。保水劑的應用效果與其種類、粒徑、土壤質地及施用方法等密切相關[28-33]，施用不當會對土壤產生不良影響[34]。保水劑在烤煙生產中應用較多[35-41]，但在季節性干旱明顯，土壤多為黃棕壤和黃褐土的秦巴山區則未見報道。為了緩解季節性干旱，特別是春夏交際時期的干旱對烤煙產量、質量及產值的影響，提高土壤的蓄水保水能力，2016年在秦巴山區開展了不同粒徑聚丙烯酸鉀保水劑對土壤水分及烤煙生長的影響研究，旨在促進秦巴山區烤煙產業持續、健康發展。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于秦巴山區東段的旬陽縣神河鎮豐家嶺村，東經109°27′，北緯32°42′，海拔605 m，為漢江以南的大巴山區。試驗地年均降雨量851 mm，年均氣溫15.4 ℃，最高月26.9 ℃，最低月3.3 ℃，年均日照時數1 790.4 h，無霜期236 d，年均蒸發量1 252.8 mm，為北亞熱帶溫暖濕潤氣候區。試驗地為坡地，坡度7°左右，前茬作物為玉米(ZeaMays)。試驗地土壤為黃棕壤，厚度60—70 cm。試驗地耕層(0—20 cm土層)土壤pH值6.4左右，有機質1.81%，速效氮60.24 mg/kg，速效磷22.46 mg/kg，速效鉀134.24 mg/kg，物理性黏粒47.90%，黏粒17.30%。試驗地無灌溉設施，為雨養煙田。

1.2 供試材料

供試保水劑為丙烯酸鉀保水劑，購于山東省唯信農業科技有限公司，分別為粉末狀(粒徑<0.18 mm)、細粒狀(粒徑0.18～2.25 mm)和顆粒狀(粒徑2.25～3.25 mm)，均含丙烯酸鉀23%～26%，去離子水的吸水倍數為300～500，0.9%NaCL溶液的吸水倍數為100～150。

供試烤煙為云煙105，五葉一心，采用井窖式移栽。

1.3 試驗設計

試驗以不施保水劑為對照，起壟前條施基肥時將粉末狀、細粒狀和顆粒狀的聚丙烯酸鉀保水劑均以60 kg/hm2的施用量與適量干細土攪拌均勻后均勻撒施于地表，然后整地起壟，等待降雨，當降過透雨后(降水量超過25 mm)及時對壟體進行地膜覆蓋以供移栽烤煙。供試烤煙采用單行起壟栽培，壟高30 cm左右，壟面寬20 cm，壟距(行距)110 cm，株距55 cm。試驗小區寬4.4 m，長11.0 m(每小區有4行烤煙，每行20株)，每小區定植烤煙80株。不同小區均采用隨機排列，重復3次。供試烤煙于4月25日移栽，煙苗為5葉1心。不同處理的施肥量與當地烤煙規范化栽培相同，即N 65 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=12∶12∶18，基肥于起壟前條施，氮肥60%作為基肥，40%作為追肥，磷肥全部作為基肥，鉀肥30%作為基肥，70%作為追肥，追肥在烤煙旺長初期進行，即移栽后30 d 左右降雨后及時施入。其他各項田間生產管理均按當地烤煙規范化措施進行。

1.4 測定項目

降水量 試驗地旁空地設有自動雨量計，監測起壟至烤煙采收后期間的降水量。

土壤水分 起壟整地前和烤煙還苗期、團棵期、旺長期、打頂期、成熟期和采收后，在每個小區隨機選擇3個點，在兩株烤煙中部的壟面上(起壟前為平地)，以10 cm土層為一層，分層采取0—60 cm土層土壤，烘干法測定土壤含水率(w/%)。

土壤容重 起壟前、還苗期、旺長期和烤煙采收后，在每個小區隨機選擇3個點，在兩株烤煙中部的壟面上(起壟前為平地)，環刀法測定耕層(0—20 cm)土壤和20—40 cm土層土壤容重。

農藝性狀 按照《煙草農藝性狀調查測量方法(YC/T142-2010標準)》，每個小區隨機選取長勢一致的5株烤煙掛牌標定，在烤煙團棵期、旺長期和打頂期測量最大葉長、最大葉寬、株高、莖圍及有效葉數[42]；每次測定烤煙農藝性狀時選取與掛牌標定的烤煙長勢相同的烤煙5株，分層剝離土壤并收集根系并將根系沖洗干凈，將根系、莖稈、葉分別在105 ℃下殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，稱取根系、莖稈和葉片生物量。

最大葉面積(cm2)=葉長(cm)×葉寬(cm)×0.634 5

經濟性狀 以試驗小區烤煙株數為基礎，按照16 529株/hm2換算出單位面積烤煙產量。依照國家烤煙分級標準(GB2635-1992國標)及2016年當地烤煙收購原則及價格，計算出不同等級烤煙均價和產值等，折算出最終產量和產值。

烤煙品質 成熟期采收不同小區烤煙植株中部的葉片，烘烤后選擇C3F(中桔三)粉碎后過40目篩，分析不同處理烤煙化學品質，即煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀及氯含量。其中煙堿采用紫外分光光度法測定，總糖用蒽酮比色法測定，還原糖用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，總氮用凱氏定氮法測定，鉀含量用火焰光度計法測定，氯含量用莫爾法測定，根據測試結果計算氮堿比、糖堿比和鉀氯比[43]。

1.5 數據處理

試驗數據采用Excel 2007制作圖表，SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析；如果差異顯著則采用Duncan多重比較進行檢驗。

2 結果與分析

2.1 試驗期間的降水量

從整地起壟(3月25日)至烤煙采收后(10月30日)共計降水520 mm，其中烤煙團棵期至旺長期降水強度較大，20 d內降水111.0 mm，平均5.55 mm/d，其次是起壟期至移栽期，32 d降水75.6 mm，平均2.36 mm/d，采收期(第1次采收)至采收后平均降水2.20 mm/d，而移栽期至還苗期、還苗期至團棵期、旺長期至打頂期、打頂期至采收期(第1次采收)降水較少，分別為1.73，1.74，1.62，1.57 mm/d(圖1)，移栽期至還苗期、還苗期至團棵期降水偏少，對烤煙產量影響較大。

圖1 試驗監測期間的降水量

2.2 不同處理對土壤水分的影響

受降水及烤煙生長的影響，烤煙生長發育期的土壤水分表現為還苗期到旺長期較高，采收期較低，采收后最高，不同處理不同生長期的土壤水分存在一定差異(圖2)。

圖2 不同處理烤煙不同生長期的土壤水分

起壟前不同處理的土壤水分基本一致且無顯著差異。還苗期土壤水分表現為:粉末狀>細顆粒狀>顆粒狀>對照，其中0—40 cm 土層土壤水分差異相對較大，40—60 cm差異相對較小，但不同處理之間無顯著差異。團棵期0—40 cm 土層土壤水分和0—60 cm 土層土壤水分均表現為:細顆粒狀>顆粒狀>粉末狀>對照，其中細顆粒狀0—40 cm 土層土壤水分顯著高于(p<0.05)對照，其他處理之間無顯著差異。旺長期0—40 cm 土層土壤水分和0—60 cm 土層土壤水分均表現為:細顆粒狀>對照>顆粒狀>粉末狀，其中細顆粒狀和對照0—40 cm 土層土壤水分顯著高于(p<0.05)粉末狀，其他處理之間無顯著差異。打頂期0—40 cm和0—60 cm 土層土壤水分均表現為細顆粒狀>顆粒狀>對照>粉末狀，其中細顆粒狀、顆粒狀和對照0—40 cm土層和0—60 cm 土層土壤水分均顯著高于(p<0.05)粉末狀，其他處理之間無顯著差異(圖2)。采收期不同處理的土壤水分較低，0—40 cm和0—60 cm土層土壤水分表現為:細顆粒狀≈顆粒狀>粉末狀>對照，不同處理間無顯著差異。采收后0—40 cm和0—60 cm 土層土壤水分表現為:細顆粒狀>顆粒狀>粉末狀>對照，不同處理間無顯著差異(圖2)。

2.3 不同處理對土壤容重的影響

圖3—4表明，不同處理的土壤容重均表現為起壟前最高，還苗期最低，還苗期到成熟期緩慢上升，且0—20 cm 土層土壤容重低于20—40 cm土層。起壟前不同處理0—20 cm及20—40 cm 土層土壤容重無顯著差異。

注：柱狀圖上部的不同小寫字母表示不同處理之間存在p<0.05的顯著差異。下同。

圖4 不同處理不同生長期的20-40 cm土層土壤容重

還苗期不同處理0—20 cm和20—40 cm 土層土壤容重表現為:對照>顆粒狀>粉末狀>細顆粒狀，其中對照顯著高于(p<0.05)細顆粒狀。旺長期和采收后不同處理0—20 cm土層土壤容重均表現為:對照>顆粒狀>粉末狀>細顆粒狀，20—40 cm土層表現為對照>粉末狀>顆粒狀>細顆粒狀，其中對照0—20 cm和20—40 cm 土層土壤容重均顯著高于(p<0.05)細顆粒狀。

2.4 不同處理對烤煙生長的影響

由表1可知，團棵期、旺長期和打頂期不同處理的株高均處于同一水平，無顯著差異；不同處理的莖圍表現為:細顆粒狀>粉末狀>顆粒狀>對照，其中細顆粒狀顯著高于(p<0.05)對照。不同處理的葉片數表現為:細顆粒狀>粉末狀>顆粒狀>對照，團棵期細顆粒狀顯著高于(p<0.05)對照，旺長期顯著高于(p<0.05)對照、顆粒狀和粉末狀，打頂期不同處理則無顯著差異。不同處理的最大葉長、葉寬和葉面積均表現為:細顆粒狀>粉末狀>顆粒狀>對照。團棵期細顆粒狀的最大葉長、葉寬顯著高于(p<0.05)對照；細顆粒狀、粉末狀和顆粒狀的最大葉片葉面積均極顯著高于(p<0.01)對照，細顆粒狀顯著高于(p<0.05)粉末狀和顆粒狀。旺長期細顆粒狀的最大葉長顯著高于(p<0.05)對照和顆粒狀，不同處理的最大葉寬無顯著差異，但細粒狀的最大葉面積顯著高于(p<0.05)對照和顆粒狀，粉末狀顯著高于(p<0.05)對照。打頂期細顆粒狀的最大葉長和葉面積顯著高于(p<0.05)對照，其他處理之間無顯著差異。不同處理的冠幅表現為細顆粒狀>粉末狀>顆粒狀>對照，團棵期細顆粒狀顯著高于(p<0.05)顆粒狀和對照，粉末狀和顆粒狀顯著高于(p<0.05)對照；旺長期和打頂期細顆粒狀顯著高于(p<0.05)顆粒狀和對照，粉末狀顯著高于(p<0.05)對照。

表1 不同處理不同生長期的烤煙生長狀況

注：同列不同小寫和大寫字母分別表示不同處理同一生長期存在顯著(p<0.05)和極顯著(p<0.01)差異。下同。

不同處理的根系、葉片和整株生物量表現為:細顆粒狀>粉末狀>顆粒狀>對照，但莖稈生物量在團棵期為:顆粒狀>粉末狀>細顆粒狀>對照，在旺長期為:顆粒狀>細顆粒狀>粉末狀>對照，在打頂期為:粉末狀>顆粒狀>細顆粒狀>對照，不同時期的變化規律不相同。不同處理的根系、莖稈、葉片及整株生物量之間的差異隨著烤煙的生長逐漸降低，如莖稈生物量在團棵期存在極顯著差異，旺長期存在顯著差異，打頂期則無顯著差異(表1)。

2.5 不同處理對烤煙品質的影響

烤煙品質與氣候、土壤及栽培措施密切相關[2]，優質烤煙的氮堿比、糖堿比等均處于一定的適宜范圍[41-42,46]。試驗地烤煙鉀含量低于優質烤煙標準，鉀氯比高于優質烤煙標準，粉末狀保水劑和細顆粒狀保水劑的總糖高于優質烤煙標準，粉末狀、細顆粒狀和顆粒狀保水劑的還原糖高于優質烤煙標準，其他品質含量符合優質烤煙標準。施用保水劑提高了烤煙中的煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀及氯含量，其中粉末狀保水劑對烤煙中的總糖、還原糖含量影響較大，細顆粒狀保水劑對烤煙中的煙堿、總氮、鉀及氯含量影響較大，不同處理之間存在顯著或極顯著差異。不同處理的氮堿比為:對照>粉末狀=顆粒狀>細顆粒狀，其中對照顯著高于(p<0.05)細顆粒狀。不同處理的糖堿比為:粉末狀>對照>顆粒狀>細顆粒狀，其中粉末狀顯著高于(p<0.05)顆粒狀和細顆粒狀，對照顯著高于(p<0.05)細顆粒狀。不同處理的鉀氯比為:細顆粒狀>顆粒狀>粉末狀>對照，其中細顆粒狀顯著高于(p<0.05)對照(表2)。

表2 不同處理的烤煙品質

2.6 不同處理對烤煙經濟性狀的影響

粉末狀、細顆粒狀和顆粒狀的烤煙平均價格分別比對照高2.02%，1.55%和0.33%，與對照無顯著差異；產量分別比對照高4.51%，6.84%和1.51%，其中細顆粒狀顯著高于(p<0.05)對照；產值分別比對照高6.63%，8.50%和1.90%，其中細顆粒狀顯著高于(p<0.05)顆粒狀和對照，粉末狀顯著高于(p<0.05)對照。粉末狀的上等煙比例略高于對照，細顆粒狀和顆粒狀則略低于對照；粉末狀、細顆粒狀和顆粒狀中等煙的比例均略高于對照，但粉末狀和細顆粒狀的下等煙的比例均顯著低于(p<0.05)對照(表3)。

表3 不同處理的烤煙產量、產值及等級比例

3 討 論

3.1 不同粒徑保水劑對土壤水分及土壤容重的影響

土壤水分是烤煙生長發育、產量和質量形成的基礎，烤煙不同生育期個體生長發育、群體大小等不同，特別是蓮座期，干旱脅迫會迫使烤煙產生一系列非正常的生理生化變化，影響烤煙產量與品質[3,44-46]。保水劑是一類遇水膨脹的聚合物，具有一個龐大的聚合物“骨架”并攜帶大量的-COOH,-OH,-NH2等極性親水基團，可吸附自身質量數百倍甚至更高的水分[9]，可緩解土壤干旱脅迫，促進烤煙生長發育，但保水劑的應用效果與土壤質地、土壤pH值、土壤離子濃度、土壤溫度和保水劑的顆粒大小、施用方法、施用量等密切相關[9-15]。相同質量的保水劑，粒徑越小，比表面積越大，吸水速率越高，吸水飽和所需的時間越短，且粒徑越小，當土壤水分處于脅迫時向土壤釋放水分的速率也越高，但保水劑粒徑越小，吸水膨脹越完全，越不能形成較大的合力吸附更多的水分；保水劑粒徑越大，其比表面積越小，與土壤水溶液的接觸面積減小，土壤抑制保水劑膨脹的阻力越大，越易造成保水劑不能達到完全飽和吸附狀態，吸水量則越小；只有適宜粒徑的保水劑與所施土壤合理配合，才可吸附較多的土壤水分[9,29]。保水劑的吸水能力易受土壤水溶液離子濃度的影響，特別是土壤中的Na+,K+等陽離子，會置換-COOH,-OH的H+離子，降低保水劑的吸水能力[48]。保水劑粒徑越小，比表面積越大，吸水膨脹后對凝膠網絡上的負離子基團的吸引力越大，越易抑制凝膠網絡的擴張甚至收縮，越易導致凝膠網絡發生體積相變而失去吸水保水能力；保水劑顆粒越大，含有的高分子量越多，凝膠網絡的抵抗力越強，凝膠網絡相變出現的幾率越少，因而保水劑粒徑越大，失去吸水保水的能力越緩慢。隨著保水劑吸水次數的增多及反復的吸水膨脹與釋水收縮，導致土壤中的細小顆粒進入保水劑顆粒內部，保水劑粒徑越小，土壤中的細小黏粒進入保水劑內部的幾率越多，對保水劑本身結構的影響力越大，導致保水劑喪失吸水膨脹的功能越強，且溫度會促使小粒徑的保水劑相對較快的速率失去吸水保水能力，因而隨著保水劑吸水次數的增多，保水劑粒徑越小，吸水能力降低的幅度越大[29-30,47-48]。保水劑施入土壤后，保水劑吸水膨脹、釋水收縮過程中土壤中的固、液、氣三相組成發生不同程度的變化，土壤液相組成比例(相當于毛管孔隙度)相對增加，固相、氣相組成比例則相對減少，即土壤孔隙增加，利于降水入滲，增加土壤水分[11-12]，降低土壤容重[29-30,47-48]。供試的3種不同粒徑保水劑，粉末狀的粒徑偏小，前期吸水速率高，吸水量較大，因而在烤煙還苗期土壤水分較高，由于易受到土壤離子及本身結構等的影響，故隨著吸水膨脹、釋水收縮次數的增多，吸水保水的能力逐漸減弱，對土壤水分、土壤容重的影響力降低，土壤水分在烤煙打頂期略低于對照，0—20 cm及20—40 cm土層土壤容重略低于對照并與對照無顯著差異；顆粒狀的粒徑偏大，不易發生凝膠網絡體積相變，抗土壤離子等的干擾能力較強，因而顆粒狀保水劑在烤煙采收后的土壤水分較高，但由于顆粒狀保水劑的粒徑偏大，吸收水分膨脹后易堵塞土壤部分大孔隙，降低降水入滲且保存的土壤水分有限[8,35]，且粒徑較大，吸水膨脹度易受土壤顆粒的擠壓，吸水保水量相對較少，因而顆粒狀保水劑的土壤水分在烤煙生長前期處于較低水平且土壤容重與對照無顯著差異(略低于對照)；細顆粒狀保水劑的粒徑較適中，除在還苗期的土壤水分略低于粉末狀外，土壤水分一直處于較高水平且土壤容重顯著低于對照，這與馬鑫等人的研究結果相一致[29]。

3.2 不同粒徑保水劑對烤煙生長及品質的影響

烤煙的生長發育、產量和品質由遺傳因素、生態環境和栽培因素共同決定。其中生態環境是影響烤煙生長發育的重要因素，氣候、土壤等生態環境因素的變化均會對烤煙的產量和品質產生較大影響[2,50]。生物堿和糖含量是煙葉的重要質量要素，直接影響煙草的生理強度、煙氣特征和安全性[50]。烤煙第一朵中心花開時根系開始合成煙堿，煙堿的大量合成和積累主要出現在打頂之后[51]。根系是烤煙吸收土壤水分、養分及合成植物激素、煙堿和部分氨基酸的主要器官，影響烤煙產量與品質[52]。與溫度、光照等氣候因子相比，土壤水分對烤煙煙堿含量的影響最大[51]。蓮座期和旺長期保持良好的土壤水分，烤煙才能健康生長發育[4-5]。團棵期和旺長期，施用保水劑提高了土壤中的水分，降低了土壤容重，改善了土壤的通透環境，特別是細粒狀保水劑，對土壤水分及土壤通透性影響較大，利于促進烤煙根系生長和植株發育，提高烤煙總糖、還原糖的含量，降低煙堿、總氮和氯離子的含量，促進化學成分協調，改善煙葉品質[50]。成熟期適度干旱對烤煙品質有很大的促進作用[4-5]，粉末狀保水劑在烤煙生長前期提高土壤水分，在烤煙生長后期則對土壤水分影響較弱，而顆粒狀保水劑在烤煙生長后期對土壤水分影響較強，且顆粒狀保水劑顆粒較大，吸水膨脹后影響土壤通透性，不利于作物根系生長[8,35,53]，故粉末狀保水劑上等煙的比例高于對照，顆粒狀保水劑則略低于對照且其烤煙產量略低于細顆粒狀保水劑。

4 結 論

(1) 不同粒徑保水劑均可提高秦巴山區坡地黃棕壤煙田的土壤水分，除還苗期粉末狀保水劑0—40 cm土層土壤水分略高于細顆粒狀保水劑外，從團棵期到采收后，細顆粒狀保水劑的土壤水分均高于顆粒狀、粉末狀保水劑及對照。不同粒徑保水劑均可降低煙田0—20 cm土層及20—40 cm 土壤容重，其中細顆粒狀保水劑降低幅度較大。

(2) 不同粒徑保水劑均可促進烤煙生長，提高烤煙產量與產值，其中細顆粒狀保水劑對烤煙最大葉片、根系生長、產量及產值影響較大，但粉末狀保水劑對上等煙的比例影響較大。

(3) 不同粒徑保水劑均可提高烤煙中的煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀及氯的含量，并使糖堿比、氮堿比處于適宜水平。不同粒徑保水劑中，細顆粒狀保水劑對煙堿、總氮、鉀及氯的影響較大，粉末狀保水劑對總糖和還原糖影響較大。

秦巴山區黃棕壤煙田施用聚丙烯酸鉀保水劑應選用細顆粒狀的聚丙烯酸鉀保水劑，不但可提高土壤水分，降低土壤容重，而且可提高烤煙產量、產值及品質。