保水剂粒径对秦巴山区土壤水分及烤烟生长的影响

杜社妮， 郭胜利， 王百群，白岗栓， 何登峰， 耿 伟， 闫超超， 赵洋洋

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所， 陕西 杨凌 712100； 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100； 3.陕西省烟草公司， 陕西 西安 710065； 4.安康市烟草公司旬阳分公司， 陕西 旬阳725700； 5.商洛市烟草公司洛南分公司， 陕西 洛南 726100； 6.宝鸡市烟草公司陇县分公司， 陕西 陇县 721200)

秦巴山区位居汉江南北，为亚热带与暖温带分界线及中国南北分界线。秦巴山区以山地丘陵为主，海拔较高且光照充足，为陕西省优质烤烟(Nicotianatabacum)生产基地[1]。秦巴山区烟田多为坡地，土层薄，蓄水保水能力差且无灌溉设施，在烤烟团棵期到现蕾期易出现季节性干旱，严重影响烤烟的产量与质量[2]。合理调控土壤水分，可提高烤烟产量与质量，提高单位面积烤烟产值[3-5]。保水剂(super absorbent polymers， SAP)是利用强吸水性树脂或淀粉等合成的一种具有超高吸水、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“小水库”，增强土壤蓄水保墒能力，且吸收的水分可缓慢释放，供作物生长发育[6-9]。保水剂可促进降水入渗，减少地表径流[10-12]，并在吸水、释水的过程中改善土壤团粒结构，提高土壤通气性及土壤水分和养分的利用效率[13-17]，减少环境污染[18-19]，促进作物生长[20-24]，是继农药、化肥和地膜之后最有可能在农业生产中大面积推广应用的化学制品[25-27]。保水剂的应用效果与其种类、粒径、土壤质地及施用方法等密切相关[28-33]，施用不当会对土壤产生不良影响[34]。保水剂在烤烟生产中应用较多[35-41]，但在季节性干旱明显，土壤多为黄棕壤和黄褐土的秦巴山区则未见报道。为了缓解季节性干旱，特别是春夏交际时期的干旱对烤烟产量、质量及产值的影响，提高土壤的蓄水保水能力，2016年在秦巴山区开展了不同粒径聚丙烯酸钾保水剂对土壤水分及烤烟生长的影响研究，旨在促进秦巴山区烤烟产业持续、健康发展。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于秦巴山区东段的旬阳县神河镇丰家岭村，东经109°27′，北纬32°42′，海拔605 m，为汉江以南的大巴山区。试验地年均降雨量851 mm，年均气温15.4 ℃，最高月26.9 ℃，最低月3.3 ℃，年均日照时数1 790.4 h，无霜期236 d，年均蒸发量1 252.8 mm，为北亚热带温暖湿润气候区。试验地为坡地，坡度7°左右，前茬作物为玉米(ZeaMays)。试验地土壤为黄棕壤，厚度60—70 cm。试验地耕层(0—20 cm土层)土壤pH值6.4左右，有机质1.81%，速效氮60.24 mg/kg，速效磷22.46 mg/kg，速效钾134.24 mg/kg，物理性黏粒47.90%，黏粒17.30%。试验地无灌溉设施，为雨养烟田。

1.2 供试材料

供试保水剂为丙烯酸钾保水剂，购于山东省唯信农业科技有限公司，分别为粉末状(粒径<0.18 mm)、细粒状(粒径0.18～2.25 mm)和颗粒状(粒径2.25～3.25 mm)，均含丙烯酸钾23%～26%，去离子水的吸水倍数为300～500，0.9%NaCL溶液的吸水倍数为100～150。

供试烤烟为云烟105，五叶一心，采用井窖式移栽。

1.3 试验设计

试验以不施保水剂为对照，起垄前条施基肥时将粉末状、细粒状和颗粒状的聚丙烯酸钾保水剂均以60 kg/hm2的施用量与适量干细土搅拌均匀后均匀撒施于地表，然后整地起垄，等待降雨，当降过透雨后(降水量超过25 mm)及时对垄体进行地膜覆盖以供移栽烤烟。供试烤烟采用单行起垄栽培，垄高30 cm左右，垄面宽20 cm，垄距(行距)110 cm，株距55 cm。试验小区宽4.4 m，长11.0 m(每小区有4行烤烟，每行20株)，每小区定植烤烟80株。不同小区均采用随机排列，重复3次。供试烤烟于4月25日移栽，烟苗为5叶1心。不同处理的施肥量与当地烤烟规范化栽培相同，即N 65 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=12∶12∶18，基肥于起垄前条施，氮肥60%作为基肥，40%作为追肥，磷肥全部作为基肥，钾肥30%作为基肥，70%作为追肥，追肥在烤烟旺长初期进行，即移栽后30 d 左右降雨后及时施入。其他各项田间生产管理均按当地烤烟规范化措施进行。

1.4 测定项目

降水量 试验地旁空地设有自动雨量计，监测起垄至烤烟采收后期间的降水量。

土壤水分 起垄整地前和烤烟还苗期、团棵期、旺长期、打顶期、成熟期和采收后，在每个小区随机选择3个点，在两株烤烟中部的垄面上(起垄前为平地)，以10 cm土层为一层，分层采取0—60 cm土层土壤，烘干法测定土壤含水率(w/%)。

土壤容重 起垄前、还苗期、旺长期和烤烟采收后，在每个小区随机选择3个点，在两株烤烟中部的垄面上(起垄前为平地)，环刀法测定耕层(0—20 cm)土壤和20—40 cm土层土壤容重。

农艺性状 按照《烟草农艺性状调查测量方法(YC/T142-2010标准)》，每个小区随机选取长势一致的5株烤烟挂牌标定，在烤烟团棵期、旺长期和打顶期测量最大叶长、最大叶宽、株高、茎围及有效叶数[42]；每次测定烤烟农艺性状时选取与挂牌标定的烤烟长势相同的烤烟5株，分层剥离土壤并收集根系并将根系冲洗干净，将根系、茎秆、叶分别在105 ℃下杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，称取根系、茎秆和叶片生物量。

最大叶面积(cm2)=叶长(cm)×叶宽(cm)×0.634 5

经济性状 以试验小区烤烟株数为基础，按照16 529株/hm2换算出单位面积烤烟产量。依照国家烤烟分级标准(GB2635-1992国标)及2016年当地烤烟收购原则及价格，计算出不同等级烤烟均价和产值等，折算出最终产量和产值。

烤烟品质 成熟期采收不同小区烤烟植株中部的叶片，烘烤后选择C3F(中桔三)粉碎后过40目筛，分析不同处理烤烟化学品质，即烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾及氯含量。其中烟碱采用紫外分光光度法测定，总糖用蒽酮比色法测定，还原糖用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，总氮用凯氏定氮法测定，钾含量用火焰光度计法测定，氯含量用莫尔法测定，根据测试结果计算氮碱比、糖碱比和钾氯比[43]。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2007制作图表，SPSS 19.0软件进行单因素方差分析；如果差异显著则采用Duncan多重比较进行检验。

2 结果与分析

2.1 试验期间的降水量

从整地起垄(3月25日)至烤烟采收后(10月30日)共计降水520 mm，其中烤烟团棵期至旺长期降水强度较大，20 d内降水111.0 mm，平均5.55 mm/d，其次是起垄期至移栽期，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，而移栽期至还苗期、还苗期至团棵期、旺长期至打顶期、打顶期至采收期(第1次采收)降水较少，分别为1.73，1.74，1.62，1.57 mm/d(图1)，移栽期至还苗期、还苗期至团棵期降水偏少，对烤烟产量影响较大。

图1 试验监测期间的降水量

2.2 不同处理对土壤水分的影响

受降水及烤烟生长的影响，烤烟生长发育期的土壤水分表现为还苗期到旺长期较高，采收期较低，采收后最高，不同处理不同生长期的土壤水分存在一定差异(图2)。

图2 不同处理烤烟不同生长期的土壤水分

起垄前不同处理的土壤水分基本一致且无显著差异。还苗期土壤水分表现为:粉末状>细颗粒状>颗粒状>对照，其中0—40 cm 土层土壤水分差异相对较大，40—60 cm差异相对较小，但不同处理之间无显著差异。团棵期0—40 cm 土层土壤水分和0—60 cm 土层土壤水分均表现为:细颗粒状>颗粒状>粉末状>对照，其中细颗粒状0—40 cm 土层土壤水分显著高于(p<0.05)对照，其他处理之间无显著差异。旺长期0—40 cm 土层土壤水分和0—60 cm 土层土壤水分均表现为:细颗粒状>对照>颗粒状>粉末状，其中细颗粒状和对照0—40 cm 土层土壤水分显著高于(p<0.05)粉末状，其他处理之间无显著差异。打顶期0—40 cm和0—60 cm 土层土壤水分均表现为细颗粒状>颗粒状>对照>粉末状，其中细颗粒状、颗粒状和对照0—40 cm土层和0—60 cm 土层土壤水分均显著高于(p<0.05)粉末状，其他处理之间无显著差异(图2)。采收期不同处理的土壤水分较低，0—40 cm和0—60 cm土层土壤水分表现为:细颗粒状≈颗粒状>粉末状>对照，不同处理间无显著差异。采收后0—40 cm和0—60 cm 土层土壤水分表现为:细颗粒状>颗粒状>粉末状>对照，不同处理间无显著差异(图2)。

2.3 不同处理对土壤容重的影响

图3—4表明，不同处理的土壤容重均表现为起垄前最高，还苗期最低，还苗期到成熟期缓慢上升，且0—20 cm 土层土壤容重低于20—40 cm土层。起垄前不同处理0—20 cm及20—40 cm 土层土壤容重无显著差异。

注：柱状图上部的不同小写字母表示不同处理之间存在p<0.05的显著差异。下同。

图4 不同处理不同生长期的20-40 cm土层土壤容重

还苗期不同处理0—20 cm和20—40 cm 土层土壤容重表现为:对照>颗粒状>粉末状>细颗粒状，其中对照显著高于(p<0.05)细颗粒状。旺长期和采收后不同处理0—20 cm土层土壤容重均表现为:对照>颗粒状>粉末状>细颗粒状，20—40 cm土层表现为对照>粉末状>颗粒状>细颗粒状，其中对照0—20 cm和20—40 cm 土层土壤容重均显著高于(p<0.05)细颗粒状。

2.4 不同处理对烤烟生长的影响

由表1可知，团棵期、旺长期和打顶期不同处理的株高均处于同一水平，无显著差异；不同处理的茎围表现为:细颗粒状>粉末状>颗粒状>对照，其中细颗粒状显著高于(p<0.05)对照。不同处理的叶片数表现为:细颗粒状>粉末状>颗粒状>对照，团棵期细颗粒状显著高于(p<0.05)对照，旺长期显著高于(p<0.05)对照、颗粒状和粉末状，打顶期不同处理则无显著差异。不同处理的最大叶长、叶宽和叶面积均表现为:细颗粒状>粉末状>颗粒状>对照。团棵期细颗粒状的最大叶长、叶宽显著高于(p<0.05)对照；细颗粒状、粉末状和颗粒状的最大叶片叶面积均极显著高于(p<0.01)对照，细颗粒状显著高于(p<0.05)粉末状和颗粒状。旺长期细颗粒状的最大叶长显著高于(p<0.05)对照和颗粒状，不同处理的最大叶宽无显著差异，但细粒状的最大叶面积显著高于(p<0.05)对照和颗粒状，粉末状显著高于(p<0.05)对照。打顶期细颗粒状的最大叶长和叶面积显著高于(p<0.05)对照，其他处理之间无显著差异。不同处理的冠幅表现为细颗粒状>粉末状>颗粒状>对照，团棵期细颗粒状显著高于(p<0.05)颗粒状和对照，粉末状和颗粒状显著高于(p<0.05)对照；旺长期和打顶期细颗粒状显著高于(p<0.05)颗粒状和对照，粉末状显著高于(p<0.05)对照。

表1 不同处理不同生长期的烤烟生长状况

注：同列不同小写和大写字母分别表示不同处理同一生长期存在显著(p<0.05)和极显著(p<0.01)差异。下同。

不同处理的根系、叶片和整株生物量表现为:细颗粒状>粉末状>颗粒状>对照，但茎秆生物量在团棵期为:颗粒状>粉末状>细颗粒状>对照，在旺长期为:颗粒状>细颗粒状>粉末状>对照，在打顶期为:粉末状>颗粒状>细颗粒状>对照，不同时期的变化规律不相同。不同处理的根系、茎秆、叶片及整株生物量之间的差异随着烤烟的生长逐渐降低，如茎秆生物量在团棵期存在极显著差异，旺长期存在显著差异，打顶期则无显著差异(表1)。

2.5 不同处理对烤烟品质的影响

烤烟品质与气候、土壤及栽培措施密切相关[2]，优质烤烟的氮碱比、糖碱比等均处于一定的适宜范围[41-42,46]。试验地烤烟钾含量低于优质烤烟标准，钾氯比高于优质烤烟标准，粉末状保水剂和细颗粒状保水剂的总糖高于优质烤烟标准，粉末状、细颗粒状和颗粒状保水剂的还原糖高于优质烤烟标准，其他品质含量符合优质烤烟标准。施用保水剂提高了烤烟中的烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾及氯含量，其中粉末状保水剂对烤烟中的总糖、还原糖含量影响较大，细颗粒状保水剂对烤烟中的烟碱、总氮、钾及氯含量影响较大，不同处理之间存在显著或极显著差异。不同处理的氮碱比为:对照>粉末状=颗粒状>细颗粒状，其中对照显著高于(p<0.05)细颗粒状。不同处理的糖碱比为:粉末状>对照>颗粒状>细颗粒状，其中粉末状显著高于(p<0.05)颗粒状和细颗粒状，对照显著高于(p<0.05)细颗粒状。不同处理的钾氯比为:细颗粒状>颗粒状>粉末状>对照，其中细颗粒状显著高于(p<0.05)对照(表2)。

表2 不同处理的烤烟品质

2.6 不同处理对烤烟经济性状的影响

粉末状、细颗粒状和颗粒状的烤烟平均价格分别比对照高2.02%，1.55%和0.33%，与对照无显著差异；产量分别比对照高4.51%，6.84%和1.51%，其中细颗粒状显著高于(p<0.05)对照；产值分别比对照高6.63%，8.50%和1.90%，其中细颗粒状显著高于(p<0.05)颗粒状和对照，粉末状显著高于(p<0.05)对照。粉末状的上等烟比例略高于对照，细颗粒状和颗粒状则略低于对照；粉末状、细颗粒状和颗粒状中等烟的比例均略高于对照，但粉末状和细颗粒状的下等烟的比例均显著低于(p<0.05)对照(表3)。

表3 不同处理的烤烟产量、产值及等级比例

3 讨 论

3.1 不同粒径保水剂对土壤水分及土壤容重的影响

土壤水分是烤烟生长发育、产量和质量形成的基础，烤烟不同生育期个体生长发育、群体大小等不同，特别是莲座期，干旱胁迫会迫使烤烟产生一系列非正常的生理生化变化，影响烤烟产量与品质[3,44-46]。保水剂是一类遇水膨胀的聚合物，具有一个庞大的聚合物“骨架”并携带大量的-COOH,-OH,-NH2等极性亲水基团，可吸附自身质量数百倍甚至更高的水分[9]，可缓解土壤干旱胁迫，促进烤烟生长发育，但保水剂的应用效果与土壤质地、土壤pH值、土壤离子浓度、土壤温度和保水剂的颗粒大小、施用方法、施用量等密切相关[9-15]。相同质量的保水剂，粒径越小，比表面积越大，吸水速率越高，吸水饱和所需的时间越短，且粒径越小，当土壤水分处于胁迫时向土壤释放水分的速率也越高，但保水剂粒径越小，吸水膨胀越完全，越不能形成较大的合力吸附更多的水分；保水剂粒径越大，其比表面积越小，与土壤水溶液的接触面积减小，土壤抑制保水剂膨胀的阻力越大，越易造成保水剂不能达到完全饱和吸附状态，吸水量则越小；只有适宜粒径的保水剂与所施土壤合理配合，才可吸附较多的土壤水分[9,29]。保水剂的吸水能力易受土壤水溶液离子浓度的影响，特别是土壤中的Na+,K+等阳离子，会置换-COOH,-OH的H+离子，降低保水剂的吸水能力[48]。保水剂粒径越小，比表面积越大，吸水膨胀后对凝胶网络上的负离子基团的吸引力越大，越易抑制凝胶网络的扩张甚至收缩，越易导致凝胶网络发生体积相变而失去吸水保水能力；保水剂颗粒越大，含有的高分子量越多，凝胶网络的抵抗力越强，凝胶网络相变出现的几率越少，因而保水剂粒径越大，失去吸水保水的能力越缓慢。随着保水剂吸水次数的增多及反复的吸水膨胀与释水收缩，导致土壤中的细小颗粒进入保水剂颗粒内部，保水剂粒径越小，土壤中的细小黏粒进入保水剂内部的几率越多，对保水剂本身结构的影响力越大，导致保水剂丧失吸水膨胀的功能越强，且温度会促使小粒径的保水剂相对较快的速率失去吸水保水能力，因而随着保水剂吸水次数的增多，保水剂粒径越小，吸水能力降低的幅度越大[29-30,47-48]。保水剂施入土壤后，保水剂吸水膨胀、释水收缩过程中土壤中的固、液、气三相组成发生不同程度的变化，土壤液相组成比例(相当于毛管孔隙度)相对增加，固相、气相组成比例则相对减少，即土壤孔隙增加，利于降水入渗，增加土壤水分[11-12]，降低土壤容重[29-30,47-48]。供试的3种不同粒径保水剂，粉末状的粒径偏小，前期吸水速率高，吸水量较大，因而在烤烟还苗期土壤水分较高，由于易受到土壤离子及本身结构等的影响，故随着吸水膨胀、释水收缩次数的增多，吸水保水的能力逐渐减弱，对土壤水分、土壤容重的影响力降低，土壤水分在烤烟打顶期略低于对照，0—20 cm及20—40 cm土层土壤容重略低于对照并与对照无显著差异；颗粒状的粒径偏大，不易发生凝胶网络体积相变，抗土壤离子等的干扰能力较强，因而颗粒状保水剂在烤烟采收后的土壤水分较高，但由于颗粒状保水剂的粒径偏大，吸收水分膨胀后易堵塞土壤部分大孔隙，降低降水入渗且保存的土壤水分有限[8,35]，且粒径较大，吸水膨胀度易受土壤颗粒的挤压，吸水保水量相对较少，因而颗粒状保水剂的土壤水分在烤烟生长前期处于较低水平且土壤容重与对照无显著差异(略低于对照)；细颗粒状保水剂的粒径较适中，除在还苗期的土壤水分略低于粉末状外，土壤水分一直处于较高水平且土壤容重显著低于对照，这与马鑫等人的研究结果相一致[29]。

3.2 不同粒径保水剂对烤烟生长及品质的影响

烤烟的生长发育、产量和品质由遗传因素、生态环境和栽培因素共同决定。其中生态环境是影响烤烟生长发育的重要因素，气候、土壤等生态环境因素的变化均会对烤烟的产量和品质产生较大影响[2,50]。生物碱和糖含量是烟叶的重要质量要素，直接影响烟草的生理强度、烟气特征和安全性[50]。烤烟第一朵中心花开时根系开始合成烟碱，烟碱的大量合成和积累主要出现在打顶之后[51]。根系是烤烟吸收土壤水分、养分及合成植物激素、烟碱和部分氨基酸的主要器官，影响烤烟产量与品质[52]。与温度、光照等气候因子相比，土壤水分对烤烟烟碱含量的影响最大[51]。莲座期和旺长期保持良好的土壤水分，烤烟才能健康生长发育[4-5]。团棵期和旺长期，施用保水剂提高了土壤中的水分，降低了土壤容重，改善了土壤的通透环境，特别是细粒状保水剂，对土壤水分及土壤通透性影响较大，利于促进烤烟根系生长和植株发育，提高烤烟总糖、还原糖的含量，降低烟碱、总氮和氯离子的含量，促进化学成分协调，改善烟叶品质[50]。成熟期适度干旱对烤烟品质有很大的促进作用[4-5]，粉末状保水剂在烤烟生长前期提高土壤水分，在烤烟生长后期则对土壤水分影响较弱，而颗粒状保水剂在烤烟生长后期对土壤水分影响较强，且颗粒状保水剂颗粒较大，吸水膨胀后影响土壤通透性，不利于作物根系生长[8,35,53]，故粉末状保水剂上等烟的比例高于对照，颗粒状保水剂则略低于对照且其烤烟产量略低于细颗粒状保水剂。

4 结 论

(1) 不同粒径保水剂均可提高秦巴山区坡地黄棕壤烟田的土壤水分，除还苗期粉末状保水剂0—40 cm土层土壤水分略高于细颗粒状保水剂外，从团棵期到采收后，细颗粒状保水剂的土壤水分均高于颗粒状、粉末状保水剂及对照。不同粒径保水剂均可降低烟田0—20 cm土层及20—40 cm 土壤容重，其中细颗粒状保水剂降低幅度较大。

(2) 不同粒径保水剂均可促进烤烟生长，提高烤烟产量与产值，其中细颗粒状保水剂对烤烟最大叶片、根系生长、产量及产值影响较大，但粉末状保水剂对上等烟的比例影响较大。

(3) 不同粒径保水剂均可提高烤烟中的烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾及氯的含量，并使糖碱比、氮碱比处于适宜水平。不同粒径保水剂中，细颗粒状保水剂对烟碱、总氮、钾及氯的影响较大，粉末状保水剂对总糖和还原糖影响较大。

秦巴山区黄棕壤烟田施用聚丙烯酸钾保水剂应选用细颗粒状的聚丙烯酸钾保水剂，不但可提高土壤水分，降低土壤容重，而且可提高烤烟产量、产值及品质。