水肥一體化條件下階段性動態水肥供應對烤煙生理特性的影響

雷 佳，張 璽，文志強，李淮源，王曉劍，鄧世媛，陳建軍*

（1.廣東中煙工業有限責任公司，廣東 廣州 510610；2.廣東煙草韶關市有限公司，廣東 韶關 512000；3.華南農業大學 煙草研究室，廣東 廣州 510642）

水肥一體化是利用各級管道設備和壓力裝置，將灌溉與施肥有機結合在一起的農業生產技術，大量的應用研究表明，水肥一體化能滿足水分和養分在時間上的同步和空間上的耦合，實現作物水分和養分的精確調控，大幅度提高水肥利用率和勞動生產率，是我國未來農業發展的重要方向［1-3］。目前，我國煙草農業正逐步由傳統的個體化、人工化向集約化、規模化方向轉變，鑒于當前煙葉生產過程中存在灌溉條件落后、肥料利用率偏低以及水肥供給不協調等矛盾，在提質增效、降本減工和維護生態的基礎上，研究水肥一體化技術在煙葉生產上的推廣和應用，是發展現代煙草農業的必然要求［4］。

近年來，針對水肥一體化技術在煙草農業上的應用與推廣，前人也開展了一定的研究。相關研究結果表明，水肥一體化在煙葉生產上的應用能顯著改善煙葉的內在品質和提高水肥的利用率，在減施肥料尤其是氮肥的條件下仍能實現煙葉產量和產值的增加［5-7］。前人的研究結果均為水肥一體化在烤煙生產上的應用奠定了良好的理論基礎，但目前的研究多集中在水肥一體化滴灌的條件下，不同灌溉用量以及施氮水平對烤煙水肥耦合效應、礦質營養吸收和煙葉產質量的影響［8］，鮮見有針對烤煙不同發育階段的水肥吸收規律，利用水肥一體化技術對烤煙進行動態水肥供給管理的研究報道。水肥一體化最顯著的技術優勢之一就是可以實現作物養分和水分的精準、適時供給。因此，依據烤煙不同生長期的水肥吸收規律，利用水肥一體化設備對田間煙株進行動態水肥供應，是對烤煙水肥一體化技術的深化和拓展。

針對烤煙在伸根期、旺長期和成熟期的水肥需求特點［9-10］，本研究利用水肥一體化設備對田間煙株進行階段性動態水肥管理，通過測定烤煙生長過程中幾個關鍵酶的活性以及烤煙主要化學成分含量的變化，以期從生理代謝的角度探究水肥一體化動態水肥供給對烤煙生長的應用效應，為初步建立基于水肥一體化的烤煙水肥綜合管理體系提供理論基礎，更為烤煙水肥一體化技術的規模化應用提供實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2018～2020年分別在華南農業大學煙草基地和廣東省始興縣馬市鎮安水村進行。供試烤煙品種為K326，土壤理化性質：pH值6.5，有機質1.4%，堿解氮149.8 mg/kg，有效磷54.8 mg/kg，速效鉀247.3 mg/kg。

試驗設備與肥料：試驗田水肥供給采用膜下滴灌的方式，滴灌肥液濃度設置為灌溉流量的0.2%，滴頭流量為1.6 L/h，間距為30 cm；試驗肥液由固體肥料溶于水中配制而成，所需肥料包括煙草復合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）、過磷酸鈣（16% P2O5）、碳酸氫銨（17% N）、硫酸鉀（50% K2O）、硝酸鉀（13.5% N、46% K2O）。

1.2 試驗設計

烤煙不同生長期所需的養分量和養分配比差異較大，伸根期、旺長期和成熟期的氮、鉀吸收量分別約占全生育期氮、鉀總吸收量的15%、70%和15%。另外，烤煙不同生育期對土壤相對含水量的要求也略有差異，還苗期要求煙田土壤相對含水量為80%、伸根期為60%、旺長期為80%、成熟期為60%～70%。基于上述烤煙不同生長期的水肥需求規律，本試驗共設置3個處理，具體如下：

（1）對照（CK）：當地常規水肥管理。全生育期施總氮165 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶1∶2，磷肥全部基施，氮、鉀肥的基追比為6∶4。

（2）處理1（T1）：當地常規施肥管理+動態水分供給。施肥管理與CK相同，煙田灌溉采用滴灌方式，利用土壤水分儀進行動態監測，還苗期保證土壤相對含水量為70%～80%、伸根期為60%、旺長期為80%、成熟期為60%～70%，若土壤相對含水量低于該生育期設定值則滴灌。

（3）處理2（T2）：減肥條件下水肥一體化動態水肥管理。全生育期施總氮量為CK的80%，N∶P2O5=1∶1，磷肥全部基施，氮肥的基追比為4∶6，追肥以水肥一體化方式進行，伸根期施氮占追施總氮量的15%；旺長期和成熟期分別占70%和15%，基肥和第1次追肥的N∶K2O比為1∶1；第2次和第3次追肥的N∶K2O比為1∶3；灌溉方式及要求與T1一致。

每處理重復3次，隨機區組排列，小區面積210 m2，株行距0.6 m×1.1 m，其他田間管理措施參照當地優質煙葉生產技術進行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 煙葉光合速率和蒸騰速率的測定 在煙株旺長期和成熟期，采用LI-6400光合儀測定煙葉的凈光合速率和蒸騰速率。

1.3.2 煙葉碳氮代謝的關鍵酶活性和主要化學成分含量的測定 從移栽45 d開始，取各處理煙株具代表性煙葉作為樣品，采用酒精提取，分光光度法測定煙葉的葉綠素含量［11］；采用3，5-二硝基水楊酸法測定煙葉的淀粉酶活性；采用活體法測定硝酸還原酶活性；采用3，5-二硝基水楊酸法測定還原糖含量；采用蒽酮比色法測定總糖和淀粉含量；采用紫外分光光度法測定煙堿含量［12］。每隔15 d測定1次，連續測定5次。

1.4 數據統計與分析

采用Excel 2007和SPSS 22軟件對數據進行統計和分析，采用Graph Pad軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對田間煙葉葉綠素含量的影響

由圖1可知，各處理的葉綠素含量隨著生育期的推進而均呈現先增加后下降趨勢，各處理的葉綠素含量均于移栽后75 d達到最大值。移栽后45和60 d，T1的葉綠素含量顯著高于CK和T2，而CK和T2的葉綠素含量則較為接近。移栽75 d及之后，CK的葉綠素含量在同一時間點均顯著高于T1和T2。采收前，CK、T1和T2的葉綠素含量較移栽75 d時分別下降了50.0%、52.5%和66.2%，此時，各處理的葉綠素含量表現為CK＞T1＞T2，且各處理間差異顯著。

圖1 不同處理對田間煙葉葉綠素含量的影響

2.2 不同處理對田間煙葉凈光合速率和蒸騰速率的影響

由表1可知，T1與CK相比，在施肥量相同的條件下，T1的凈光合速率較CK提高了22.73%；另外，T1的凈光合速率也顯著高于T2，其光合速率較T2提高了15.94%。T2與CK相比，在施肥量減少的情況下，T2的凈光合速率仍比CK高出5.85%。進入成熟期后，CK的凈光合速率反而顯著高于T1和T2，達到了15.15 μmol/（m2·s）；T1的凈光合速率也顯著高于T2。就蒸騰速率而言，不同處理的蒸騰速率在煙株旺長期差異顯著，在旺長期，T1和T2的蒸騰速率均顯著高于CK，隨著成熟期降雨量的增多，不同處理煙葉的蒸騰速率較為接近，但差異不顯著。

表1 不同處理對田間煙葉的凈光合速率和蒸騰速率的影響

2.3 不同處理對田間煙葉碳氮代謝關鍵酶活性的影響

淀粉酶是催化分解淀粉的主要酶類，對煙葉的碳代謝過程有著重要的影響。由圖2可知，各處理的淀粉酶活性在生育期內先增強后減弱，其酶活性峰值均出現在移栽后75 d。T1和T2的淀粉酶活性在煙株生育期內均高于CK，移栽后75 d時，T1的淀粉酶活性最高，其次為T2，分別較CK增加了16.7%和10.1%，且差異顯著。移栽后75 d及之前，T1的淀粉酶活性均高于T2，隨著煙葉的逐漸成熟，T1和T2的淀粉酶活性逐漸下降，至采收前，兩者的淀粉酶活性基本處于同一水平。

圖2 不同處理對田間煙葉碳氮代謝關鍵酶活性的影響

硝酸還原酶是植物氮同化過程的關鍵酶類，其活性的大小能夠反映煙株體內的氮代謝狀況。隨著烤煙生育期的推進，不同處理煙葉的硝酸還原酶活性均呈先升高后下降的變化趨勢，其中T1和T2的酶活性峰值出現在移栽后60 d，而CK的酶活性峰值則出現在移栽后75 d。煙株生長的前期，T1的硝酸還原酶活性最高，其次為T2，最小的為CK；移栽后60 d時，T1和T2的酶活性均顯著高于CK，增幅分別為37.4%和29.5%。旺長過后，煙葉進入成熟階段，T1和T2的硝酸還原酶活性均逐漸降低，而CK的硝酸還原酶活性卻在移栽后75 d才開始下降，至煙葉采收前，CK的煙葉硝酸還原酶活性反而顯著高于T1和T2。

2.4 不同處理對田間煙葉主要化學成分含量的影響

由圖3可知，不同處理煙葉的總糖含量在煙株整個生育期內均不斷上升；移栽后45和60 d，T1的總糖含量顯著高于CK和T2；移栽后75 d及往后，T1的總糖含量雖然仍高于T2，但兩者之間差異并不顯著，且T1和T2的總糖含量均顯著高于CK；至采收前，T1的總糖含量較CK增加了16.1%，而T2的總糖含量則較CK增加了11.5%。

圖3 不同處理對田間煙葉主要化學成分含量的影響

不同處理煙葉的還原糖含量變化規律與總糖類似，移栽后60 d之前，煙葉的還原糖含量處于較低水平，煙株進入成熟期后，各處理煙葉的還原糖含量大幅增加。在整個生育期內，T1的還原糖含量均顯著高于CK，雖然進入成熟期后T1的還原糖含量仍較T2高，但兩者并沒有明顯差異。

移栽60 d及此前，T1的淀粉含量顯著高于CK和T2；移栽后75和90 d，3個處理煙葉的淀粉含量互相之間并無顯著差異；移栽后105 d，T1和T2的淀粉含量較此前均有所下降，而CK煙葉的淀粉含量則較此前繼續上升；采收前，CK煙葉的淀粉含量分別較T1和T2高5.3%和7.4%。

不同處理煙葉的煙堿含量在移栽75 d及以前均較低，隨著煙葉逐漸成熟，不同處理的煙堿含量大幅增加；移栽后75 d時，T1的煙堿含量最高，T2次之，CK最低；隨著生育期繼續的推進，CK的煙堿含量反而超過了T2，至采收前，各處理的煙堿含量表現為T1＞CK＞T2，且各處理之間均差異顯著。

3 討論與結論

在烤煙的種植過程中，科學的水肥管理是保證煙株大田正常生長的關鍵［13-14］。汪耀富等［9］指出：煙株不同生育期對土壤水分相對含量要求各有不同，具體為還苗期達70%～80%、伸根期達60%、旺長期達80%、成熟期達60%～70%，并以此為基礎，提出了烤煙優化灌溉施氮產值模型。另外，李志宏等［10］根據我國各大煙區烤煙的養分吸收規律，總結出了我國烤煙養分吸收積累的模式，即伸根期煙株吸收的氮、鉀量分別占其全生育期氮、鉀總量的11%和10%，旺長期則分別為67%和60%，而成熟期則分別為21%和29%。本試驗以水肥一體化技術為水肥供給載體，通過分析烤煙不同生育期的階段性水肥需求，動態地對田間煙株進行水分和養分的精準供給。

作為植物光合作用最重要的色素，葉綠素含量的高低直接影響著葉片光合同化作用的強弱［15］。有研究表明，增加施肥量可以提高葉綠素含量，同時凈光合速率也會隨著施肥量的增加而升高［16］。煙株生長前期，T1（當地常規施肥+動態水分供給）和T2（80%常規施肥量+動態水肥供給）的葉綠素含量以及凈光合速率均顯著高于CK（當地常規水肥），動態水分供給能夠協調煙株生長前期的水肥耦合關系，避免季節性干旱限制肥效的發揮，養分吸收利用轉化充分，能顯著增加葉綠素含量和凈光合速率。另外，由于階段性水肥動態供給大大提升了水肥的利用效率，T2基于較少的養分投入也能滿足煙株生長發育所需［7，17］。煙葉進入成熟期后，葉綠素的分解速率總體大于其合成速率，因而葉綠素含量逐漸降低；在煙株生長后期，CK的葉綠素含量和凈光合速率反而顯著高于T1和T2，并且隨著成熟期的推進，CK的葉綠素含量降幅也顯著低于T1和T2。在常規水肥管理條件下，烤煙生育前期的降雨偏少，且施肥澆灌次數有限，這限制了澆灌條件下養分的利用。隨著廣東煙區烤煙生育后期的降雨逐漸增多，土壤相對含水量增加，CK的養分重新大量釋放而被吸收，從而延緩了葉綠素含量和光合速率的降低，但過高的葉綠素含量反而不利于煙葉的正常落黃成熟，加大了晚熟的可能性。

碳代謝和氮代謝是烤煙的兩大基礎代謝過程，其強度、協調程度及其在煙葉生長和成熟過程中的變化，直接或間接地影響到煙葉的化學成分含量及其比例，這對煙葉品質的形成具有重要作用［18］。本研究結果表明，不同處理煙葉的硝酸還原酶（NR）和淀粉酶（AM）活性在煙株生育期內均呈現先上升后下降的趨勢。其中，T1和T2的AM活性在煙株生長期內均高于CK；不同處理的NR活性對比，在煙株生長前期，T1的硝酸還原酶活性最高，其次為T2，最低的為CK；T1和T2的NR活性峰值均比CK提前，但生育后期CK的NR活性反而顯著高于T1和T2。已有研究表明，單獨滴灌或者水肥一體化均能促進植株對氮肥的吸收［19］。在本研究中，T1通過動態水分供給提高了土壤養分與水分的互作水平，T2則通過動態水肥供給實現了煙株水肥的同步管理，通過水肥的動態調控，T1和T2處理均能在煙株生長前期尤其是旺長期，提高煙株根系附近養分的供給水平及其有效性，煙株對養分吸收水平的提高使得氮代謝較為旺盛，含氮化合物積累增加；隨著煙葉的生理成熟，以及T1和T2生育后期土壤氮素的調虧，煙葉的碳代謝逐漸增強，并占據主導地位。碳氮代謝的順利轉變有利于淀粉的積累更多地向分解方向轉變，由此增加了煙葉中的可溶性糖類物質含量；另外，氮代謝的減弱使得煙堿等含氮化合物的含量不至于過高，進而增加了煙葉的可用性，并提高了煙葉化學成分的協調性。此外，值得注意的是，T1在常規施肥量條件下，通過動態水分供給，其煙葉的總糖、還原糖、淀粉、煙堿含量均高于T2，其中兩者的煙堿含量差異顯著。因此，在水肥一體化條件下，若繼續沿用傳統灌溉施肥模式下的施肥量，可能會對煙葉的品質產生一定的影響，例如，導致烤煙的煙堿含量過高，甚至出現貪青晚熟。

4 結論

水肥一體化階段性的動態水肥管理能緊密結合烤煙不同生長階段的水肥需求，對煙株進行精準的營養供給，適宜的土壤水分調控以及水肥同步均能大大增強養分的有效性，并提高養分的利用率。本試驗結果表明：（1）動態水肥管理能顯著提高煙株生長前期葉片的葉綠素含量，提高煙葉的凈光合速率，加快土壤養分的利用速度，避免煙株成熟后期因降雨較多導致的養分重新釋放而造成煙株難以落黃成熟的問題；（2）動態水肥管理能顯著增強煙株全生育期的淀粉酶活性和生長前期的硝酸還原酶活性，通過成熟后期養分調虧，煙株的硝酸還原酶活性迅速下降，有利于煙株成熟期的碳氮代謝順利轉換；（3）減肥條件下動態水肥管理使煙葉化學成分含量均低于常規施肥配合動態水分供給處理，其中煙堿含量差異顯著；階段性動態水肥供給應在常規施肥量的基礎上酌情減少肥料用量，從而提升煙葉的內在品質，達到優質、適產的生產目標。