余志雄，金 秋，侯毛毛(. 福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福州 50000；. 江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 0000；. 福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福州 50000)

烤煙是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，水分和氮肥是影響烤煙生理生長和產(chǎn)量品質(zhì)的兩大主要因素，調(diào)節(jié)水分和氮肥用量也是人們調(diào)控烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的重要手段[1]。我國化肥使用量居世界首位，據(jù)統(tǒng)計(jì)其年消耗量約占世界總量的27.4%[2]。烤煙生產(chǎn)過程中，氮肥施用過度不僅導(dǎo)致報(bào)酬的遞減，還存在巨大的環(huán)境污染隱患[3]。另一方面，我國主要煙區(qū)水資源緊缺，灌溉條件差，干旱脅迫頻繁發(fā)生，制約了烤煙的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成[4,5]。目前我國主要煙區(qū)的水肥管理模式多以獲得煙葉高產(chǎn)為目標(biāo)，灌溉和施肥制度不盡科學(xué)，特別是灌溉量與施氮量不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象較為普遍。研究烤煙優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)的水氮協(xié)作技術(shù)及其效應(yīng)，探索水分和氮肥相互作用的機(jī)理及其效應(yīng)對(duì)烤煙生長發(fā)育的影響，尋求能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益雙贏的水氮協(xié)作方案，是改變煙區(qū)傳統(tǒng)水肥管理模式、節(jié)約水肥資源、提高煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)的有效方法。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在江蘇省南京市江寧區(qū)橫溪鎮(zhèn)南京市蔬菜花卉科學(xué)研究所內(nèi)的蒸滲儀中進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)年蒸發(fā)量約為1472.5 mm，盛夏7-8月蒸發(fā)量明顯大于其他季節(jié)，全年蒸發(fā)量最小值出現(xiàn)在冬季，后春大于深秋，全年以8月上旬蒸發(fā)量最大，以1月中旬最小。據(jù)1971-2000年的資料統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)區(qū)全年日照時(shí)數(shù)為2 017.2 h，8月是全年日照時(shí)數(shù)最多的月份，日照時(shí)數(shù)達(dá)215.3 h；2月最少，日照時(shí)數(shù)為126.7 h。該區(qū)年平均降雨天數(shù)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(fēng)速19.8 m/s，無霜期237 d。

蒸滲儀由水泥、磚塊砌成，每個(gè)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(cè)容重)回填的黃棕壤，質(zhì)地黏重，土壤基本理化性質(zhì)為：pH值5.87，有機(jī)質(zhì)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(yàn)設(shè)計(jì)

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

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3種灌溉量，3種施氮水平，共設(shè)9個(gè)水氮處理。每個(gè)處理重復(fù)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(jìn)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(shù)、灌水時(shí)間均相同，僅灌水定額不同)。氮肥選用15N雙標(biāo)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(shí)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(cè)定項(xiàng)目與方法

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

(1)

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

式中：As為烤煙單株葉面積；n為烤煙葉面數(shù)；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(shù)(LAI)按照如下公式計(jì)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(dòng)態(tài)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(shù)；LAIM為LAI的理論上限；LAI0為LAI的理論下限；α、β為生長常數(shù)；t為烤煙移栽后天數(shù)；τ為烤煙LAI達(dá)到1/2LAIM值所需要的天數(shù)。

根據(jù)模型原理，此處模擬烤煙移栽后14～84 dLAI的動(dòng)態(tài)變化。

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

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

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

顯著性分析采用SPSS17.0軟件[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮協(xié)作對(duì)烤煙農(nóng)藝性狀(葉面積、株高、莖粗)的影響

與其他經(jīng)濟(jì)作物不同，烤煙以收獲葉片為目的，葉面積是構(gòu)成烤煙群體結(jié)構(gòu)的重要因子，且葉面積的大小直接反映烤煙的產(chǎn)量及生長狀況，因此，不同試驗(yàn)設(shè)計(jì)下烤煙的葉面積是烤煙基礎(chǔ)研究領(lǐng)域重要的監(jiān)測(cè)對(duì)象[10]。表2所示為不同水氮協(xié)作處理烤煙單株葉面積隨移栽后天數(shù)的變化。總體來看，烤煙葉面積的增長和生育階段密切相關(guān)，分為“緩慢增長”，“快速增長”，“相對(duì)穩(wěn)定”3個(gè)階段。移栽后30 d，不同處理烤煙單株葉面積指數(shù)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(dá)到3 461.9和3 506.5 cm2，而W1000N120單株葉面積要遠(yuǎn)低于W600N120和W800N120，這可能由于前期灌溉量較大，部分養(yǎng)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(jìn)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(duì)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(guān)關(guān)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(dá)到21 930.7 cm2，W800N120次之，為21 685.4 cm2，這充分體現(xiàn)了施氮對(duì)旺長期烤煙葉片生長的促進(jìn)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(jìn)入成熟期，此時(shí)烤煙單株葉面積增長逐漸放緩并趨向穩(wěn)定。從不同處理烤煙移栽后77 d的單株葉面積可看出，對(duì)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(jié)合90 kg/hm2施氮量與800 mm灌溉量結(jié)合120 kg/hm2施氮量更有利于氮素從肥料態(tài)向速效態(tài)轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)烤煙對(duì)氮素養(yǎng)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(xié)作處理下烤煙株高隨移栽后天數(shù)的變化。從圖1中可以看出，烤煙株高在45～63 d時(shí)增幅最大，63～77 d增幅較小，趨于平穩(wěn)。移栽后30 d，W600N120處理烤煙株高最高，達(dá)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(jìn)入旺長期，此時(shí)是烤煙需水需肥的關(guān)鍵時(shí)期，根系迅速向縱深和橫向發(fā)展，莖迅速長高加粗，至移栽后63 d，各處理烤煙株高均達(dá)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(jìn)入成熟期，此時(shí)煙株由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)變?yōu)樯成L，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(guān)關(guān)系，而灌溉量與烤煙株高關(guān)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(shù)的變化

圖2所示為不同水氮協(xié)作處理下烤煙莖粗隨移栽后天數(shù)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(dá)到2.06 cm，W1000N90次之，不施氮處理W1000N0最??；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(duì)較小，這說明1 000 mm灌溉量對(duì)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(dá)到3.27 cm，此時(shí)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%?？傮w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(duì)烤煙莖粗的增長最有利。

圖2 烤煙莖粗隨移栽后天數(shù)的變化

2.2 水氮協(xié)作對(duì)烤煙LAI的影響及模型模擬

水氮協(xié)作條件下烤煙全生育期LAI的動(dòng)態(tài)變化如圖3所示，圖3中可以看出，烤煙LAI隨移栽后天數(shù)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(xiàn)出較好的長勢(shì)；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(guān)，與灌水量相關(guān)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(shí)達(dá)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(shí)達(dá)到4.124。從圖3中還可以看出，各處理烤煙LAI的動(dòng)態(tài)變化大致可以分為3個(gè)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(yōu)勢(shì)明顯；第三階段，移栽84 d后，隨著烤煙進(jìn)入成熟期及對(duì)煙葉的采摘，LAI值出現(xiàn)衰退現(xiàn)象，各處理LAI降幅基本一致。

圖3 烤煙LAI隨移栽后天數(shù)的變化

烤煙LAI的模型研究可為模擬烤煙群體生長發(fā)育及進(jìn)一步提高烤煙產(chǎn)量提供依據(jù)，同時(shí)亦可為烤煙種植的數(shù)字化決策和動(dòng)態(tài)化調(diào)控建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[6]。作物生長模型參數(shù)個(gè)數(shù)較多，但能夠?yàn)闆Q策提供較多有益信息，其模擬精度亦處于較高水平，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.987 5～0.998 1(表3)。從擬合出的LAIM值可發(fā)現(xiàn)，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(duì)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(dá)到3.866；施氮量120 kg/hm2處理中，W800N120烤煙LAI理論最大值最大，達(dá)到4.356。另外，從τ值可看出，不同水氮協(xié)作處理烤煙LAI到達(dá)1/2LAIM值所需要的時(shí)間也有差異，但相差不大，其中W800N120處理到達(dá)1/2 LAIM值所需要的時(shí)間最短，為45.29 d；W1000N90處理到達(dá)1/2LAIM值所需要的時(shí)間最長，為57.30 d。就LAI0和LAIM值來看，W800N120為最優(yōu)水氮協(xié)作處理。

表3 作物生長模型模擬結(jié)果

2.3 水氮協(xié)作對(duì)旺長期烤煙光合特性的影響

表4所示為水氮協(xié)作對(duì)旺長期烤煙光合特性的影響。由于是瞬時(shí)特征，當(dāng)天的水分狀態(tài)或葉綠素狀態(tài)可能對(duì)不同處理烤煙光合指標(biāo)產(chǎn)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(dá)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?？傮w來看，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)灌溉量范圍內(nèi)，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(dǎo)度Gs值以W800N120較高，達(dá)到0.584 4 mol/(m2·s)；W1000N120次之，達(dá)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(guān)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(fā)生差異，引起Gs的變化，調(diào)節(jié)了煙株的氣孔導(dǎo)度從而對(duì)光合作用產(chǎn)生影響[12]。然而，氣孔導(dǎo)度雖對(duì)光合進(jìn)行調(diào)節(jié)，但其主要功能是用來調(diào)節(jié)煙葉的蒸騰強(qiáng)度[13]。

旺長期烤煙胞間二氧化碳濃度Ci以W800N120較高，達(dá)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(jìn)入細(xì)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(dá)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(xié)作對(duì)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(guān)(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(xié)作對(duì)旺長期烤煙光合特性的影響

2.4 水氮協(xié)作對(duì)烤煙干物質(zhì)累積的影響

表5所示為水氮協(xié)作處理對(duì)收獲時(shí)烤煙不同器官干物質(zhì)累積的影響。不同處理烤煙根部干重以W800N120最高，達(dá)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(dá)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(guān)；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(xié)作處理烤煙全株干物質(zhì)量為213.29～328.57 g/株。從上述結(jié)果分析可知：烤煙各器官干物質(zhì)累積受施氮量影響更大；根與莖的干物質(zhì)積累、全株干物質(zhì)的積累與葉干物質(zhì)積累并無必然聯(lián)系，全株干重高的處理其根或莖或葉的干重未必大，某個(gè)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(jié)果與丁福章[15]的研究結(jié)果相似。

表5 不同水氮協(xié)作處理烤煙器官的干物質(zhì)累積量

3 結(jié)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(dá)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(duì)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(huì)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(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率等指標(biāo)總體處于較優(yōu)水平。

(3)烤煙各器官干物質(zhì)累積受施氮量影響更大，不同水氮協(xié)作處理以W800N120烤煙葉部干物質(zhì)累積量最高。根與莖的干物質(zhì)積累、全株干物質(zhì)的積累與葉干物質(zhì)積累無必然聯(lián)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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