水氮協作對烤煙生長發育和干物質累積的影響研究

余志雄，金 秋，侯毛毛(. 福建農業職業技術學院，福州 50000；. 江蘇省水利科學研究院，南京 0000；. 福建農林大學園藝學院，福州 50000)

烤煙是我國重要的經濟作物之一，水分和氮肥是影響烤煙生理生長和產量品質的兩大主要因素，調節水分和氮肥用量也是人們調控烤煙產量和品質的重要手段[1]。我國化肥使用量居世界首位，據統計其年消耗量約占世界總量的27.4%[2]。烤煙生產過程中，氮肥施用過度不僅導致報酬的遞減，還存在巨大的環境污染隱患[3]。另一方面，我國主要煙區水資源緊缺，灌溉條件差，干旱脅迫頻繁發生，制約了烤煙的生長發育和產量形成[4,5]。目前我國主要煙區的水肥管理模式多以獲得煙葉高產為目標，灌溉和施肥制度不盡科學，特別是灌溉量與施氮量不協調的現象較為普遍。研究烤煙優質適產的水氮協作技術及其效應，探索水分和氮肥相互作用的機理及其效應對烤煙生長發育的影響，尋求能實現經濟效益和生態效益雙贏的水氮協作方案，是改變煙區傳統水肥管理模式、節約水肥資源、提高煙葉產量和品質的有效方法。

1 試驗設計

1.1 試驗區概況

試驗在江蘇省南京市江寧區橫溪鎮南京市蔬菜花卉科學研究所內的蒸滲儀中進行。試驗區年蒸發量約為1472.5 mm，盛夏7-8月蒸發量明顯大于其他季節，全年蒸發量最小值出現在冬季，后春大于深秋，全年以8月上旬蒸發量最大，以1月中旬最小。據1971-2000年的資料統計，試驗區全年日照時數為2 017.2 h，8月是全年日照時數最多的月份，日照時數達215.3 h；2月最少，日照時數為126.7 h。該區年平均降雨天數117 d，年降雨量1 106.5 mm，年平均溫度15.7 ℃，最大平均濕度81%，最大風速19.8 m/s，無霜期237 d。

蒸滲儀由水泥、磚塊砌成，每個蒸滲儀面積均為(4×2)m2，蒸滲儀中的土壤是原地按自然層次(測容重)回填的黃棕壤，質地黏重，土壤基本理化性質為：pH值5.87，有機質含量14.35 g/kg，速效鉀153.84 mg/kg，速效磷5.39 mg/kg，堿解氮116.27 mg/kg。蒸滲儀上面安裝防雨棚，以隔絕自然降水。

1.2 試驗設計

試驗選擇烤煙K326作為主要材料，利用漂浮育苗技術育苗，育苗盤規格為66×34.5×5.5 cm。幼苗長出6片新葉時移栽至蒸滲儀。每個蒸滲儀中栽煙12株，行距1.2 m，株距0.5 m。

試驗共設計3種灌溉量，3種施氮水平，共設9個水氮處理。每個處理重復3次。灌水按照烤煙伸根期，旺長期，成熟期的灌水量分別占總灌水量的30%、40%和30%進行分配，即移栽以后在蒸滲儀中每隔7 d灌水一次，把各生育階段的需灌水量平均灌至蒸滲儀土壤中(不同處理灌水次數、灌水時間均相同，僅灌水定額不同)。氮肥選用15N雙標記NH4NO3，豐度為10.3%，氮肥施用比例按基肥∶追肥= 7∶3施用，基肥在烤煙移栽前一次性穴施，追肥時間為移栽后26 d；除氮肥外，各處理施用K2O 225 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2。各處理灌水量和施氮量如表1所示。

1.3 測定項目與方法

(1)烤煙農藝性狀與葉面積指數。烤煙移栽一段時間后，每隔7 d測定煙株的株高，莖圍，最大葉長與葉寬，每個處理選取3株測定，烤煙單株葉面積計算方法如下[6]：

(1)

表1 試驗設計

式中：As為烤煙單株葉面積；n為烤煙葉面數；Li為第i片烤煙葉片最大葉長；Wi為第i片葉片最大葉寬。

烤煙葉面積指數(LAI)按照如下公式計算[7]：

LAI=As/S

(2)

式中：S為單株烤煙的占地面積。

用作物生長模型模擬LAI的動態變化[8]：

LAI=LAIM[1+(1-β)e-α(t-τ)]-1+LAI0(1-β)

(3)

式中：LAI為葉面積指數；LAIM為LAI的理論上限；LAI0為LAI的理論下限；α、β為生長常數；t為烤煙移栽后天數；τ為烤煙LAI達到1/2LAIM值所需要的天數。

根據模型原理，此處模擬烤煙移栽后14～84 dLAI的動態變化。

(2)光合指標。在烤煙旺長期測定光合指標一次，測定時間為觀測日的10：30。每個處理測定烤煙3株，測定葉位為煙株的自上向下第5片葉。測定工具為美國LI-COR公司生產的LI-6400便攜式光合測定儀，光強控制在800 mol/(m2·s)。測定指標包括烤煙葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)以及蒸騰速率(Tr)。

(3)烤煙干物質累積。采用烘干稱重法。煙葉成熟時，將植株按根、莖、葉分開，置入烘箱，105 ℃殺青半小時后，75 ℃烘至恒溫并稱重。

1.4 統計與分析

顯著性分析采用SPSS17.0軟件[9]。

2 結果與分析

2.1 水氮協作對烤煙農藝性狀(葉面積、株高、莖粗)的影響

與其他經濟作物不同，烤煙以收獲葉片為目的，葉面積是構成烤煙群體結構的重要因子，且葉面積的大小直接反映烤煙的產量及生長狀況，因此，不同試驗設計下烤煙的葉面積是烤煙基礎研究領域重要的監測對象[10]。表2所示為不同水氮協作處理烤煙單株葉面積隨移栽后天數的變化。總體來看，烤煙葉面積的增長和生育階段密切相關，分為“緩慢增長”，“快速增長”，“相對穩定”3個階段。移栽后30 d，不同處理烤煙單株葉面積指數已有明顯差異，其中，W600N120和W800N120處理烤煙單株葉面積顯著高于其他處理，分別達到3 461.9和3 506.5 cm2，而W1000N120單株葉面積要遠低于W600N120和W800N120，這可能由于前期灌溉量較大，部分養分損失或淋溶至下層土壤；不施氮處理烤煙單株葉面積處于較低水平，僅為1 145.1～2 141.2 cm2；施氮量90 kg/hm2處理不同灌溉量條件下烤煙單株葉面積相差不明顯。

移栽后30～63 d，烤煙開始進入旺長期，葉面積大幅增長。從移栽后45 d烤煙單株葉面積可看出，施氮量對葉面積增長的影響十分顯著，而灌溉量與烤煙單株葉面積沒有明顯相關關系。移栽后45～63 d，各處理葉面積增幅較為一致，以W600N120烤煙單株葉面積最大，達到21 930.7 cm2，W800N120次之，為21 685.4 cm2，這充分體現了施氮對旺長期烤煙葉片生長的促進作用；不施氮處理W600N0、W800N0與W1000N0烤煙葉面積處于較低水平，為16 473.3～19 245.8 cm2。

移栽后63～77d，烤煙進入成熟期，此時烤煙單株葉面積增長逐漸放緩并趨向穩定。從不同處理烤煙移栽后77 d的單株葉面積可看出，對于施氮量90 kg/hm2處理與施氮量120 kg/hm2處理，W600N90與W800N120分別處于最高水平，說明600 mm灌溉量結合90 kg/hm2施氮量與800 mm灌溉量結合120 kg/hm2施氮量更有利于氮素從肥料態向速效態轉化，從而促進烤煙對氮素養分的吸收。另外，在這一階段，W1000N120烤煙單株葉面積漲幅最大，這可能由于隨著根系的下扎，淋溶至深層次土壤的氮素被烤煙吸收。

圖1為不同水氮協作處理下烤煙株高隨移栽后天數的變化。從圖1中可以看出，烤煙株高在45～63 d時增幅最大，63～77 d增幅較小，趨于平穩。移栽后30 d，W600N120處理烤煙株高最高，達到28.9 cm，W1000N90、W600N120與W800N120烤煙株高顯著高于其他處理；移栽后45～63 d，烤煙進入旺長期，此時是烤煙需水需肥的關鍵時期，根系迅速向縱深和橫向發展，莖迅速長高加粗，至移栽后63 d，各處理烤煙株高均達到較高水平，其中W600N120烤煙株高顯著高于其他處理；移栽63～77 d，烤煙逐漸進入成熟期，此時煙株由營養生長轉變為生殖生長，各處理烤煙株高增幅不大，至移栽后77 d，施氮量90 kg/hm2處理烤煙株高比不施氮處理高出6.76%～30.25%，施氮量120 kg/hm2處理烤煙株高比不施氮處理高出12.66%～27.31%。總體來看，施氮量與烤煙株高呈顯著的正相關關系，而灌溉量與烤煙株高關系不明顯。

表2 不同水氮處理烤煙單株葉面積

注：不同字母表示不同處理差異顯著(p<0.05)，下同。

注：不同字母表示不同處理差異顯著(p<0.05)，下同。圖1 烤煙株高隨移栽后天數的變化

圖2所示為不同水氮協作處理下烤煙莖粗隨移栽后天數的變化。圖2中可以看出，烤煙莖粗的差異沒有株高明顯，移栽后30 d，以W800N120烤煙莖粗最大，達到2.06 cm，W1000N90次之，不施氮處理W1000N0最小；移栽后63 d，W600N90、W800N90、W600N120和W800N120烤煙莖粗顯著高于其他處理，1 000 mm灌溉量處理W1000N90與W1000N120烤煙莖粗相對較小，這說明1 000 mm灌溉量對烤煙旺長期莖粗的增長不利；移栽后77 d，以W800N120烤煙莖粗最大，達到3.27 cm，此時施氮量90 kg/hm2處理烤煙莖粗比不施氮處理高出8.46%～24.50%，施氮量120 kg/hm2處理烤煙莖粗比不施氮處理高出6.99%～ 31.33%。總體來看，在相同灌溉量條件下，施氮量越大，烤煙莖粗越粗；而相同施氮量條件下，800 mm灌溉量對烤煙莖粗的增長最有利。

圖2 烤煙莖粗隨移栽后天數的變化

2.2 水氮協作對烤煙LAI的影響及模型模擬

水氮協作條件下烤煙全生育期LAI的動態變化如圖3所示，圖3中可以看出，烤煙LAI隨移栽后天數的變化為單峰曲線。W800N120烤煙LAI在全生育期均處于最高水平；W1000N120處理烤煙LAI在14～63 d處于較低水平，但63 d后表現出較好的長勢；此外，W1000N90處理烤煙LAI也處于較低水平，移栽77 d后尤為明顯，這說明烤煙LAI與施氮量密切相關，與灌水量相關性不大。施氮量90 kg/hm2處理中，以W600N90烤煙LAI的峰值最大，在84 d時達到3.698；施氮量120 kg/hm2處理中，以W800N120烤煙LAI的峰值最大，在84 d時達到4.124。從圖3中還可以看出，各處理烤煙LAI的動態變化大致可以分為3個階段：第一階段，從移栽后14～35 d，烤煙LAI處于緩慢增長期，各處理LAI值相差不大；第二階段，從移栽后35～84 d，烤煙LAI處于快速增長期，W800N120烤煙LAI在該階段增長優勢明顯；第三階段，移栽84 d后，隨著烤煙進入成熟期及對煙葉的采摘，LAI值出現衰退現象，各處理LAI降幅基本一致。

圖3 烤煙LAI隨移栽后天數的變化

烤煙LAI的模型研究可為模擬烤煙群體生長發育及進一步提高烤煙產量提供依據，同時亦可為烤煙種植的數字化決策和動態化調控建立基礎數據[6]。作物生長模型參數個數較多，但能夠為決策提供較多有益信息，其模擬精度亦處于較高水平，相關系數達到0.987 5～0.998 1(表3)。從擬合出的LAIM值可發現，在相同灌溉量條件下，施氮量120 kg/hm2烤煙LAI的理論最大值要高于施氮量90 kg/hm2烤煙LAI的。而相同施氮量條件下，灌溉量對于烤煙LAI理論最大值沒有明顯的作用，施氮量90 kg/hm2處理中，W600N90烤煙LAI理論最大值最大，達到3.866；施氮量120 kg/hm2處理中，W800N120烤煙LAI理論最大值最大，達到4.356。另外，從τ值可看出，不同水氮協作處理烤煙LAI到達1/2LAIM值所需要的時間也有差異，但相差不大，其中W800N120處理到達1/2 LAIM值所需要的時間最短，為45.29 d；W1000N90處理到達1/2LAIM值所需要的時間最長，為57.30 d。就LAI0和LAIM值來看，W800N120為最優水氮協作處理。

表3 作物生長模型模擬結果

2.3 水氮協作對旺長期烤煙光合特性的影響

表4所示為水氮協作對旺長期烤煙光合特性的影響。由于是瞬時特征，當天的水分狀態或葉綠素狀態可能對不同處理烤煙光合指標產生較大影響[11]。從表4中可看出，旺長期烤煙光合速率Pn值以W800N120較高，達到19.25 μmol/(m2·s)，并顯著高于其他處理(P<0.05)；不施氮處理W600N0、W800N0和W1000N0烤煙Pn值總體處于較低水平。總體來看，在試驗設計灌溉量范圍內，施氮有利于提高旺長期烤煙Pn。在90和120 kg/hm2施氮量條件下，分別以600和800 mm灌溉量旺長期烤煙Pn值最高。

不同水氮處理旺長期烤煙氣孔導度Gs值以W800N120較高，達到0.584 4 mol/(m2·s)；W1000N120次之，達到0.573 4 mol/(m2·s)，與W800N120之間沒有顯著差異(P>0.05)。旺長期烤煙Gs值受灌溉量影響較大，與施氮量的關系并不明顯，這可能由于不同的供水量使得土壤供水狀況和空氣濕度發生差異，引起Gs的變化，調節了煙株的氣孔導度從而對光合作用產生影響[12]。然而，氣孔導度雖對光合進行調節，但其主要功能是用來調節煙葉的蒸騰強度[13]。

旺長期烤煙胞間二氧化碳濃度Ci以W800N120較高，達到304.49 μmol/mol；除不施氮處理外，各水氮處理旺長期烤煙Ci沒有顯著差異(P>0.05)。W600N120和W1000N90處理烤煙Pn和Gs均顯著高于W800N90，而Ci值與W800N90差異不大，這可能由于進入細胞間隙的CO2濃度太多，但合成能力有限而略有盈余[14]。

旺長期烤煙蒸騰速率Tr以W1000N120最高，達到6.05 mmol/(m2·s)；W800N120和W1000N120沒有顯著差異(P>0.05)；不施氮處理旺長期烤煙Tr總體處于較低水平。與Pn相似，水氮協作對旺長期烤煙Tr有明顯影響。相同灌溉量條件下，旺長期烤煙Tr總體與施氮量呈正相關(600 mm灌溉量除外)；而在90和120 kg/hm2施氮量條件下，分別以600和1 000 mm旺長期烤煙Tr較高。

表4 水氮協作對旺長期烤煙光合特性的影響

2.4 水氮協作對烤煙干物質累積的影響

表5所示為水氮協作處理對收獲時烤煙不同器官干物質累積的影響。不同處理烤煙根部干重以W800N120最高，達到85.00 g/株，并顯著高于其他處理(P<0.05)；W600N120次之，為77.04 g/株；W1000N0處理最低，烤煙根部干重僅為43.25 g/株，顯著低于其他處理(P<0.05)。總體來看，相同灌溉量條件下高施氮量有助于提高烤煙根部干重。烤煙莖部干重以W600N120處于最高水平，達到83.01 g/株，W600N120、W800N90以及W800N120處理烤煙莖部干重差異并不顯著(P>0.05)；W1000N0處理烤煙莖部干重最低，僅為49.46 g/株。相同灌溉量條件下，烤煙莖部干重與施氮量呈明顯的正相關；相同施氮量條件下，烤煙莖部干重總體上以800 mm灌溉量最高。烤煙葉部干重為120.59～163.07 g/株，以W800N120處理最高，W800N120、W800N90和W1000N120差異并不顯著(P>0.05)；不施氮處理W600N0、W800N0和W1000N0烤煙葉部干重總體處于較低水平，其中W1000N0顯著低于其他處理(P<0.05)。不同水氮協作處理烤煙全株干物質量為213.29～328.57 g/株。從上述結果分析可知：烤煙各器官干物質累積受施氮量影響更大；根與莖的干物質積累、全株干物質的積累與葉干物質積累并無必然聯系，全株干重高的處理其根或莖或葉的干重未必大，某個器官占全株干重大的處理，其他器官占全株干重的比例也不一定大，這一結果與丁福章[15]的研究結果相似。

表5 不同水氮協作處理烤煙器官的干物質累積量

3 結論與討論

(1)收獲期不同處理以W800N120處理烤煙單株葉面積最高。作物生長模型擬合烤煙LAI的精度較高，達到0.987 5～0.998 1。在相同灌溉量條件下，施氮量120 kg/hm2烤煙LAI的理論最大值要高于施氮量90 kg/hm2。而相同施氮量條件下，灌溉量對于烤煙LAI理論最大值沒有明顯影響。

(2)后期水分和氮素過多會使得煙葉貪青晚熟，影響煙葉的分層落黃。中水高氮處理W800N120煙葉凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率等指標總體處于較優水平。

(3)烤煙各器官干物質累積受施氮量影響更大，不同水氮協作處理以W800N120烤煙葉部干物質累積量最高。根與莖的干物質積累、全株干物質的積累與葉干物質積累無必然聯系。相比而言，高水低氮處理烤煙葉片干重占總干重的比例較大。

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