烤烟水肥耦合效应研究进展

2013-04-29齐永杰

天津农业科学 2013年7期

关键词：展望烤烟影响

齐永杰

摘要：概述了水肥耦合的概念和机理，水肥效应的关系，包括水肥对烟田土壤养分分布和有效性、烤烟生理活性、烤烟生长发育、烤烟化学成分和烤烟产质量的影响，指出了烤烟水肥耦合研究存在的问题，展望了水肥耦合技术研究方向。

关键词：烤烟；水肥耦合；影响；展望

中图分类号：S572 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.07.007

Advance on Water and Fertilizer Coupling in Flue-cured Tobacco

QI Yong-jie1，2

（1. College of Agronomy，Hunan Agricultural University， Changsha，Hunan 410128， China；2. China Tobacco Guangxi Industrial Company Limited， Nanning， Guangxi 530001， China）

Abstract： The concept and mechanism of water-fertilizer coupling and the relationship between water and fertilizer in tobacco were summarized， including the effects of distribution of fertilizer and availability at different soil layers， physiological activities， different water-fertilizer combination on tobacco growth and development， contents of chemical components in tobacco leaves， yield and quality of tobacco； it focused on the present problems and causes of water-fertilizer coupling for research majors， as well as the prospects and directions of water-fertilizer coupling development were proposed.

Key words： flue-cured tobacco； water-fertilizer coupling； influence； prospect

我国农业生产受干旱缺水的困扰，农田水分与养分利用效率低下[1]。据统计，我国灌溉水和肥料利效率分别为40%和30%左右，远低于发达国家80%和50%～60%的水平，我国传统农业生产过程中忽视了“以水促肥，以肥调水”的运用[2]。我国部分烟区在烤烟生产期间会发生不同程度的干旱，烟叶产质量不稳定，南方烟区虽然雨量充沛，但往往降水时期与烤烟需水期不一致，旺长期前降水较多烟田渍水，严重影响烟株根系的发育，旺长后期及成熟期降水较少干旱现象时常发生，致使中上部烟叶不能正常成熟落黄，严重影响烘烤进度及烟叶的产质量[3]。自从Arnon[4]提出旱作区农作物营养的主要问题是如何在水分受到限制的情况下合理施用肥料，提高田间水分利用效率之后，水肥之间的耦合互作效应在土壤肥料界被引起重视。近年来，在国家烟草专卖局的统一部署下，烤烟水肥耦合理论与技术研究在烟草行业得到了广泛开展。

1 水肥耦合的机理

耦合是物理学上的一个概念，它是指两个（或两个以上的）体系或运动形式之间，通过各种相互作用而彼此影响的现象[5-6]，耦合效应是两个（或两个以上）体系融为一体，相互影响、相互作用而产生的结果[7]。水肥耦合则是物理学概念的借用，它是指在特定的农业生态条件下，水分与肥料或水分与肥料中的氮、磷、钾等营养元素之间互作对农作物生长发育及其对水肥利用效率的影响[8]。烤烟水肥耦合效应则是指在特定的烟田生态条件下，烟田土壤中水分与肥料中的氮、磷、钾等营养成分之间互相抵制与配合的动态平衡关系，以及这些作用对烤烟生长发育及产质量造成的影响[9]。

1.1 水分对烤烟吸收利用养分的影响

水分是烟株吸收和运输养分的载体，土壤中的养分只有溶解在土壤水中才能通过质流或扩散到达根系表面为烟株所吸收利用，土壤的水分状况在一定程度上决定了烟田施用肥料的有效性、吸收量和利用率[10]。水分是影响有机氮矿化和硝化的重要因子，在一定范围内，田间持水量与土壤硝态氮的含量成正比，水分还直接影响肥料的有效性，土壤含水率越高，肥料养分的有效释放率也越高，在田间持水率50%～100%的范围内，土壤中肥料养分的有效释放率基本相同，田间持水率低于25%时，土壤中的肥料养分释放缓慢，研究还发现，施肥效应的临界值为土壤含水量的10%，低于此值，肥料养分很难显效[5]。Viets[11]研究指出，虽然根系吸收水分和土壤中养分是两个相对独立的过程，但是水分的有效性影响着土壤中微生物及作物的生理生化过程，从而使土壤水分和肥料养分密切而复杂地联系在一起。

土壤含水量过高会影响烤烟对养分的吸收和利用，一是土壤中的硝态氮和微量元素会淋融流失，降低肥料的利用效率；二是土壤透气性变差，造成土壤缺氧，在嫌气的环境中引起反硝化作用，造成脱氨损失[12]；三是抑制根系向耕层纵深发展，致使根系分布浅，根量少，烟株抗倒伏性、抗旱性下降，不利于烟株根系对养分特别是土壤深层养分的吸收与利用。

1.2 养分对烤烟利用水分的影响

适量的施肥可以提高烤烟根系的数量与活力，扩大根系觅取水分和养分的空间，对烟株充分吸收利用土壤水分有促进作用[13]。相关研究发现，当土壤干旱胁迫条件时，氮素供应适量能提高烤烟叶片中叶绿素和束缚水的含量，从而提高烤烟的抗旱性，因此，干旱条件下缺氮烟株水分损失高于供氮适量的植株。研究还发现，施用有机肥能改善烟田土壤理化性状，减小土壤容重，改善土壤的通透性、蓄水性和结构性，协调肥力因素，促进作物烟株根系的伸展和微生物的活动，进而提高烟田水分的利用效率，促进烤烟生长发育[14]。烤烟生产上使用的无机肥料一般属于无机盐类，在土壤含水量较低时施用量过大，会导致烟株根系局部肥料养分浓度过高而造成盐害[15]，旺长期以前烟株组织柔弱，营养抗性较差，对土壤盐害较为敏感。

干旱胁迫条件下，施肥能提高土壤水势，降低叶片水势，促进烤烟对土壤水分的吸收利用，使烤烟生长过程中部分“无效水”变成“有效水”，从而达到降低叶片蒸腾速率，减少耗水量，节水的目的[16]。陈亚等[17]研究发现，施肥可显著增加烤烟田间叶面积指数，但田间耗水量会随着田间叶面积指数的增加而增加，在干旱胁迫条件下，旺长后期会因大田前期较大的耗水量而发生更为严重的水分胁迫，尽管适量施肥可在一定程度上减轻干旱对烤烟生长发育及产质量的影响，但却不能从根本上解决这种负面影响，反而会导致烤烟产质量和水分利用效率的下降，由此可见，水肥耦合协作效应有适宜的范围，超过这一范围，水肥之间会产生交互负效应。

2 烤烟水肥耦合效应研究进展

国内外已有较多关于水肥耦合理论与应用方面的研究报道，但多集中于水稻、小麦等关乎人类温饱的粮食作物上[18-19]，且多为水氮耦合效应方面，总结出了较多关于水分和氮肥之间相互协作、相互影响的结论，建立了许多水氮耦合模型。在烤烟生产方面，以往研究大多集中在施氮量、不同氮肥配比或施氮方式对烤烟产质量的影响，而对烟田土壤水分丰缺状况考虑较少，更忽略了水分与氮肥之间的耦合效应。

2.1 水肥耦合对烟田土壤养分分布和有效性的影响

通过对不同水肥条件下不同耕层烟田土壤速效养分的分析测定发现，在烤烟整个生育期内，速效氮养分主要聚积在犁底层以上，且随耕作层深度增加速效氮养分的含量有减小趋势，施用氮肥会对烟田不同耕层土壤速效氮的含量产生影响，施氮能提高团棵期以后烟田20～40 cm耕层土壤的速效氮养分含量，降低0～20 cm和40～60 cm耕层土壤的速效氮养分含量，烤烟整个生育期内适量灌水能促进烟株对硝态氮和铵态氮等速效氮养分的吸收，但灌水量过大土壤中的速效氮养分会发生淋洗下移[20]。河南农业大学在四川省凉山州的研究表明[5]，大田烟株现蕾以后，不同耕层烟田土壤碱解氮含量以10～20 cm最高，0～10 cm耕层次之，其他随耕层的加深有逐渐降低趋势；烟叶采收结束后，各耕层土壤碱解氮含量仍以施氮量高的处理含量较高，施氮量为90 kg·hm-2的处理含量相对较低。在施氮量一定的条件下，烟田各耕层土壤碱解氮含量均随灌水量的增加而增加，在灌水量一定的条件下，各耕层土壤碱解氮含量随施氮量的提高而提高，大田氮肥综合利用率也随灌水量的增加而提高，施氮量在90～105 kg·hm-2范围内，氮肥综合利用率随施氮量的增加而提高，但当施氮量超过120 kg·hm-2时，大田氮肥综合利用率开始降低，由此可见，适量灌水可以促进烤烟对氮肥养分的吸收利用，但氮肥肥效在灌水量不足时往往难以充分发挥[20]。

2.2 水肥耦合对烤烟生理活性的影响

刘玉青[21]研究表明，氮肥施用量与烤烟叶面积指数的增长速率呈正相关关系，在氮肥施用量相同条件下，调控土壤含水量下降，烤烟叶面积指数的增长速率显著降低。在水分供应充足条件下，烤烟现蕾期以前的蒸腾速率、光合速率等指标随氮肥施用量的增加而增加，但当氮肥施用量超过67.5 kg·hm-2，蒸腾速率、光合速率等指标呈降低趋势，由此可见，在干旱胁迫条件下，适当的增施氮肥能促进烤烟的光合作用、蒸腾作用等物质代谢和能量代谢的生命活动，但氮肥施用超过一定的量，则会抑制烤烟的生命活动。旺长期和成熟期烤烟叶片细胞液浓度与施氮量成正比，但当施氮量超过67.5 kg·hm-2时，细胞液浓度呈逐渐降低趋势，细胞液浓度日变化的极值出现在12：00—14：00之间，但随氮肥施用量的增加最大值出现时间呈现延后现象。

刘国顺等[22]在氮磷钾肥及水分因子对烤烟叶片叶黄素影响的研究中指出，水分与氮肥间的互作中存在一个阈值，水氮间低于此阈值的互作对烤后烟叶叶黄素含量的影响表现为协同促进作用，高于此阈值的互作对烤后烟叶叶黄素含量的影响表现为拮抗作用，氮磷钾之间合理配比（1∶1.3∶3.1）施用、适时适量灌水均能有效促进鲜烟叶黄素的积累。当烟田氮肥施用量偏少时增施磷元素肥料和适量灌水，当磷肥施用量偏少时增施氮钾复合肥和适量灌水，以及烟田干旱胁迫时增施氮钾复合肥均能有效提高鲜烟叶黄素含量，由此表明，烟田在高氮肥、高钾肥、中等磷肥配合适量灌水均能显著促进鲜烟叶黄素的积累。

2.3 水肥耦合对烤烟生长发育的影响

水分和肥料是影响烤烟生长发育最重要的两大因素，合理的田间水肥管理有利于烤烟的优质稳产，而不科学的田间管理将导致水肥资源的浪费和生态环境的污染[23]。国家烟草栽培生理生化研究基地在河南省洛阳市烟区采用田间遮雨棚研究了不同水肥组合对烤烟生长发育的影响[24]，结果表明，在干旱胁迫和低氮条件下，烟株生长发育不良，尤其旺长后期表现突出，不同处理烤烟株高、茎围和单株叶面积等植物学性状均随灌水和施肥量增加而增加；土壤缺水条件下，合理的氮肥施用量能有效促进烤烟的生长发育，但如果氮肥施用量过高，烤烟的生长发育将受到一定程度的抑制，这是由于土壤氮肥养分浓度过高导致渗透势过高，烤烟根系对水分吸收受到阻碍，烟株整体含水量降低。相关研究表明[23-24]，在相同氮肥施用量条件下，灌水能有效促进烤烟各器官的生长发育，在适量施肥及灌水优化组合下，土壤中烤烟生长发育所需的各营养成分浓度适宜，可以有效促进烤烟生长发育；在适量灌水条件，较高的氮肥施用量使大田烟株生长发育较快，长势较正常烟株有偏旺趋势。根、茎、叶等器官的干物质积累量是反映烤烟生长发育状况的重要指标，烤烟各部位干物质积累量均表现为随灌水量和氮肥施用量的增加而增加，因此灌水和氮肥施用量均较大的处理干物积累量较高。不同水氮组合对烤烟根、茎的干物质积累均有一定程度影响，灌水量偏大对烤烟根、茎和下部叶的生长发育均产生不利影响，对试验不同处理根冠比的测定表明，在土壤含水量相同条件下，根冠比随氮肥施用量的提高而降低，干旱胁迫的影响则相反，增加氮肥施用量和灌水量，根冠比均有减小趋势，由此表明，氮肥施用量过高对烟株地上部器官的促进作用大于对根系的促进作用。

2.4 水肥耦合对烤烟化学成分的影响

水肥耦合能有效促进烤烟对烟田水分和肥料的综合利用，合理的水肥条件在一定程度上能够改善烤后烟叶的化学成分，进而对烟叶的内在品质产生影响[3]。罗慧等[25]在广西百色烟区研究了灌水方式对不同施肥水平烤烟产质量的影响，研究结果表明，交替隔沟灌水能显著提高烤后烟叶总糖、还原糖、钾、氮和粗蛋白的含量，与常规每沟灌水相比，在低肥时交替隔沟灌水处理烤后烟叶总糖、还原糖、钾、氮和粗蛋白的含量分别提高了4.0%，1.9%，23.8%，3.8%，2.2%，在高肥时分别提高了4.0%，6.6%，40.1%，5.0%，9.7%；与常规每沟灌水相比，在低肥时交替隔沟灌水处理烤后烟叶烟碱和氯含量分别下降了7.4%和4.8%，在高肥时分别下降了22.8%和7.1%，由此可见，合理的水肥耦合效应不仅能提高烤烟单产，而且能在一定程度上改善烤后烟叶的外观及内在质量。

2.5 水肥耦合对烤烟产量和质量的影响

汪耀富等[26]研究表明，烤烟各生育期尤其在旺长期干旱对烤烟产量有显著的影响，干旱胁迫下，氮肥施用量与烤后烟叶主要化学成分之间的关系有明显的规律性，随氮肥施用量增加，烤后烟叶还原糖含量降低，总氮和总植物碱含量增大；其他条件相同情况下，施氮处理与不施氮处理烤后烟叶化学成分间差异达到显著水平，且烤烟产量、上等烟比例和产值等主要经济性状随灌水量和氮肥施用量的增加而增加，但灌水量和氮肥施用量超过一定数值，上等烟比例和产值逐渐降低。陈义强等[27]分别在盆栽和大田条件下研究了氮、磷、钾、水4因素互作对烤烟产值的影响，研究结果表明，随着氮水供应水平的提高，烤烟产值表现为先升后降的趋势，而随磷钾供给水平的提高，烤烟产值则表现为持续增加的趋势。袁仕豪等[24]研究结果也表明，烤烟产值的极值分别出现在水分供应充分，施氮量适中的区域，钾肥施用量最高和灌水量较大的区域和磷肥施用量最高和灌水量适中的区域。

3 烤烟水肥耦合研究中存在的问题

我国是世界上最缺水的13个国家之一，作为生命之源的水资源日益受到人们的重视，农业上水肥耦合效应与机制的研究也必将更为活跃[28]。我国绝大部分烟区烟叶生产基础设施比较落后，烟水配套工程跟不上，在很大程度上是靠天吃饭，很容易造成自然降水与烤烟生长需水在时空上的矛盾[29]，如时间上，在需水相对较少的团棵期和成熟期，往往降水较多，尤其是成熟期易发生涝害，而在需水相对较多的旺长期，往往降水较少，甚至不降水，造成的时期性旱灾较为普遍，而在烟田空间分布上也经常出现盆地易涝，山地丘陵易旱的现象。

目前，尽管人们已对烤烟生长过程中水肥耦合效应进行了一些研究，但多为水氮耦合方面的单因素试验，即在控制灌水量的条件下探索不同施肥水平、不同施肥方式对烤烟吸收、分配养分及其烤后烟叶产质量的影响，或者在控制施肥量的情况下研究不同灌水方式对烤烟产量和品质的影响[30]。现阶段从时间和空间上对烤烟水肥耦合进行的交互研究还比较少，还没有将根区局部交替隔垄灌溉，交替灌水的起始时间、交替的间隔时间及灌水量等方面做一些定性、系统的研究，还没有合理的指标体系，也就无法对烤烟水肥耦合协调程度进行精确的描述，也就无法探讨烤烟水肥耦合机制的基本规律及其与产质量形成之间的关系[31]。

4 烤烟水肥耦合技术的研究展望

4.1 开展水肥一体化研究

所谓水肥一体化就是根据作物需水需肥规率，将灌溉与施肥融为一体，把肥料直接溶于灌溉用水，利用现代设施灌溉技术，将水肥定时定量定比例同时供给作物根系。肥耦合主要强调的是作物生产中水分和肥料两大因素的协同互作效应，但在目前的烤烟生产中，灌水和施肥两项重要的农事操作一般是分开独立进行的，费工费时，这不但增加了烟农的劳动用工，与国家烟草专卖局倡导的烟叶生产需进一步减工降本相违背，而且人为的造成施肥和灌水在时间和空间上的分离与错位，导致水分和养分的耦合互作效应不能得到及时发挥，水肥利用率较低[32]。为此，各烟区应根据当地生态气候条件，并结合烤烟的需水需肥规律因地制宜的开展研究，通过长期的田间试验示范，探索当地烤烟生产水肥一体化供应适宜的供给时间、供给次数、每次供应的水肥比例，并逐步建立、完善指导当地烤烟生产的水肥一体化量化指标体系。

4.2 水肥耦合技术与节水灌溉技术相结合

烤烟生产是一项涉及面广、工序繁琐的系统工程，各环节之间相互影响、相互制约。当前及今后烤烟水肥耦合的研究方向是水肥耦合技术与节水灌溉技术相结合，其中分根交替灌溉和调亏灌溉是烤烟生产节水灌溉主要的研究方向。当前，各主要烤烟产区应结合自身生态气候条件，着重研究烤烟分根交替灌溉的灌水时期、灌水定额和灌水指标，同时，产区技术中心要结合自身科研力量前瞻性的对调亏灌溉进行系统研究，研究适度的调亏灌溉是否影响烤烟的产质量，如调亏灌溉不影响烤烟的产量和品质，则进一步研究清楚本产区烤烟生产最佳的调亏时期、亏水历时和亏水度。在以上研究成果的基础上，进一步研究节水灌溉条件下烤烟的水肥互作，从而在节水节肥的基础上持续提高烤烟产质量，保障我国烟叶生产的可持续发展。

4.3 因地制宜建立水肥高效管理系统

在对不同生态类型烟区、不同土壤质地烟田水肥耦合机理研究的基础上，运用以电子信息技术为基础的MIS（管理信息系统）技术、GIS（地理信息系统）技术，将烤烟生长发育状况、水肥条件与环境状况三者有机结合起来，建立高效的烟田水肥管理信息系统[33]。不同烟区之间因光照、温度和降水等生态条件不同，其水肥耦合机理也存在差异，所以在一个烟区研究建立的水肥耦合互馈效应模型，只能在该烟区或相似烟区使用，在另一烟区用的效果不理想或不适用，所以，要建立适合某烟区特殊生态条件的水肥耦合模型指导烤烟生产，必须通过长期的田间试验与示范。

4.4 水肥耦合与现代烟草农业相结合

我国烤烟生产发展的方向是原料供应基地化、烟叶品质特色化、生产方式现代化，生产方式现代化的实质就是烤烟生产过程实现较高的资源利用率和劳动生产率。烤烟水肥耦合理论与技术研究从本质上说是为了提高水肥利用率，实现对烤烟生产灌溉和施肥过程的精准控制，为此，对未来烤烟生产的水肥一体化灌溉设备提出了较高的要求[34]。传统的灌溉水是从地表面进入田间并借重力和毛细管作用浸润土壤，这种灌水方式耗水量大、水的利用力较低，易造成了烟田土壤结构的破坏，并且难以根据气候条件及烤烟不同时期水肥的需求特点进行定时定量灌水，因此，各烟区充分利用行业加强基础设施建设的良好契机，大力发展与现代烟草农业相配套的设施灌溉，如喷灌、滴灌、微喷及其与之相配套的电子信息与自动化控制技术，以充分发挥烟叶生产各环节的水肥互作效应，提高水肥资源综合利用效率。

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