水氮协作对烤烟生长发育和干物质累积的影响研究

余志雄，金 秋，侯毛毛(. 福建农业职业技术学院，福州 50000；. 江苏省水利科学研究院，南京 0000；. 福建农林大学园艺学院，福州 50000)

烤烟是我国重要的经济作物之一，水分和氮肥是影响烤烟生理生长和产量品质的两大主要因素，调节水分和氮肥用量也是人们调控烤烟产量和品质的重要手段[1]。我国化肥使用量居世界首位，据统计其年消耗量约占世界总量的27.4%[2]。烤烟生产过程中，氮肥施用过度不仅导致报酬的递减，还存在巨大的环境污染隐患[3]。另一方面，我国主要烟区水资源紧缺，灌溉条件差，干旱胁迫频繁发生，制约了烤烟的生长发育和产量形成[4,5]。目前我国主要烟区的水肥管理模式多以获得烟叶高产为目标，灌溉和施肥制度不尽科学，特别是灌溉量与施氮量不协调的现象较为普遍。研究烤烟优质适产的水氮协作技术及其效应，探索水分和氮肥相互作用的机理及其效应对烤烟生长发育的影响，寻求能实现经济效益和生态效益双赢的水氮协作方案，是改变烟区传统水肥管理模式、节约水肥资源、提高烟叶产量和品质的有效方法。

1 试验设计

1.1 试验区概况

试验在江苏省南京市江宁区横溪镇南京市蔬菜花卉科学研究所内的蒸渗仪中进行。试验区年蒸发量约为1472.5 mm，盛夏7-8月蒸发量明显大于其他季节，全年蒸发量最小值出现在冬季，后春大于深秋，全年以8月上旬蒸发量最大，以1月中旬最小。据1971-2000年的资料统计，试验区全年日照时数为2 017.2 h，8月是全年日照时数最多的月份，日照时数达215.3 h；2月最少，日照时数为126.7 h。该区年平均降雨天数117 d，年降雨量1 106.5 mm，年平均温度15.7 ℃，最大平均湿度81%，最大风速19.8 m/s，无霜期237 d。

蒸渗仪由水泥、砖块砌成，每个蒸渗仪面积均为(4×2)m2，蒸渗仪中的土壤是原地按自然层次(测容重)回填的黄棕壤，质地黏重，土壤基本理化性质为：pH值5.87，有机质含量14.35 g/kg，速效钾153.84 mg/kg，速效磷5.39 mg/kg，碱解氮116.27 mg/kg。蒸渗仪上面安装防雨棚，以隔绝自然降水。

1.2 试验设计

试验选择烤烟K326作为主要材料，利用漂浮育苗技术育苗，育苗盘规格为66×34.5×5.5 cm。幼苗长出6片新叶时移栽至蒸渗仪。每个蒸渗仪中栽烟12株，行距1.2 m，株距0.5 m。

试验共设计3种灌溉量，3种施氮水平，共设9个水氮处理。每个处理重复3次。灌水按照烤烟伸根期，旺长期，成熟期的灌水量分别占总灌水量的30%、40%和30%进行分配，即移栽以后在蒸渗仪中每隔7 d灌水一次，把各生育阶段的需灌水量平均灌至蒸渗仪土壤中(不同处理灌水次数、灌水时间均相同，仅灌水定额不同)。氮肥选用15N双标记NH4NO3，丰度为10.3%，氮肥施用比例按基肥∶追肥= 7∶3施用，基肥在烤烟移栽前一次性穴施，追肥时间为移栽后26 d；除氮肥外，各处理施用K2O 225 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2。各处理灌水量和施氮量如表1所示。

1.3 测定项目与方法

(1)烤烟农艺性状与叶面积指数。烤烟移栽一段时间后，每隔7 d测定烟株的株高，茎围，最大叶长与叶宽，每个处理选取3株测定，烤烟单株叶面积计算方法如下[6]：

(1)

表1 试验设计

式中：As为烤烟单株叶面积；n为烤烟叶面数；Li为第i片烤烟叶片最大叶长；Wi为第i片叶片最大叶宽。

烤烟叶面积指数(LAI)按照如下公式计算[7]：

LAI=As/S

(2)

式中：S为单株烤烟的占地面积。

用作物生长模型模拟LAI的动态变化[8]：

LAI=LAIM[1+(1-β)e-α(t-τ)]-1+LAI0(1-β)

(3)

式中：LAI为叶面积指数；LAIM为LAI的理论上限；LAI0为LAI的理论下限；α、β为生长常数；t为烤烟移栽后天数；τ为烤烟LAI达到1/2LAIM值所需要的天数。

根据模型原理，此处模拟烤烟移栽后14～84 dLAI的动态变化。

(2)光合指标。在烤烟旺长期测定光合指标一次，测定时间为观测日的10：30。每个处理测定烤烟3株，测定叶位为烟株的自上向下第5片叶。测定工具为美国LI-COR公司生产的LI-6400便携式光合测定仪，光强控制在800 mol/(m2·s)。测定指标包括烤烟叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)以及蒸腾速率(Tr)。

(3)烤烟干物质累积。采用烘干称重法。烟叶成熟时，将植株按根、茎、叶分开，置入烘箱，105 ℃杀青半小时后，75 ℃烘至恒温并称重。

1.4 统计与分析

显著性分析采用SPSS17.0软件[9]。

2 结果与分析

2.1 水氮协作对烤烟农艺性状(叶面积、株高、茎粗)的影响

与其他经济作物不同，烤烟以收获叶片为目的，叶面积是构成烤烟群体结构的重要因子，且叶面积的大小直接反映烤烟的产量及生长状况，因此，不同试验设计下烤烟的叶面积是烤烟基础研究领域重要的监测对象[10]。表2所示为不同水氮协作处理烤烟单株叶面积随移栽后天数的变化。总体来看，烤烟叶面积的增长和生育阶段密切相关，分为“缓慢增长”，“快速增长”，“相对稳定”3个阶段。移栽后30 d，不同处理烤烟单株叶面积指数已有明显差异，其中，W600N120和W800N120处理烤烟单株叶面积显著高于其他处理，分别达到3 461.9和3 506.5 cm2，而W1000N120单株叶面积要远低于W600N120和W800N120，这可能由于前期灌溉量较大，部分养分损失或淋溶至下层土壤；不施氮处理烤烟单株叶面积处于较低水平，仅为1 145.1～2 141.2 cm2；施氮量90 kg/hm2处理不同灌溉量条件下烤烟单株叶面积相差不明显。

移栽后30～63 d，烤烟开始进入旺长期，叶面积大幅增长。从移栽后45 d烤烟单株叶面积可看出，施氮量对叶面积增长的影响十分显著，而灌溉量与烤烟单株叶面积没有明显相关关系。移栽后45～63 d，各处理叶面积增幅较为一致，以W600N120烤烟单株叶面积最大，达到21 930.7 cm2，W800N120次之，为21 685.4 cm2，这充分体现了施氮对旺长期烤烟叶片生长的促进作用；不施氮处理W600N0、W800N0与W1000N0烤烟叶面积处于较低水平，为16 473.3～19 245.8 cm2。

移栽后63～77d，烤烟进入成熟期，此时烤烟单株叶面积增长逐渐放缓并趋向稳定。从不同处理烤烟移栽后77 d的单株叶面积可看出，对于施氮量90 kg/hm2处理与施氮量120 kg/hm2处理，W600N90与W800N120分别处于最高水平，说明600 mm灌溉量结合90 kg/hm2施氮量与800 mm灌溉量结合120 kg/hm2施氮量更有利于氮素从肥料态向速效态转化，从而促进烤烟对氮素养分的吸收。另外，在这一阶段，W1000N120烤烟单株叶面积涨幅最大，这可能由于随着根系的下扎，淋溶至深层次土壤的氮素被烤烟吸收。

图1为不同水氮协作处理下烤烟株高随移栽后天数的变化。从图1中可以看出，烤烟株高在45～63 d时增幅最大，63～77 d增幅较小，趋于平稳。移栽后30 d，W600N120处理烤烟株高最高，达到28.9 cm，W1000N90、W600N120与W800N120烤烟株高显著高于其他处理；移栽后45～63 d，烤烟进入旺长期，此时是烤烟需水需肥的关键时期，根系迅速向纵深和横向发展，茎迅速长高加粗，至移栽后63 d，各处理烤烟株高均达到较高水平，其中W600N120烤烟株高显著高于其他处理；移栽63～77 d，烤烟逐渐进入成熟期，此时烟株由营养生长转变为生殖生长，各处理烤烟株高增幅不大，至移栽后77 d，施氮量90 kg/hm2处理烤烟株高比不施氮处理高出6.76%～30.25%，施氮量120 kg/hm2处理烤烟株高比不施氮处理高出12.66%～27.31%。总体来看，施氮量与烤烟株高呈显著的正相关关系，而灌溉量与烤烟株高关系不明显。

表2 不同水氮处理烤烟单株叶面积

注：不同字母表示不同处理差异显著(p<0.05)，下同。

注：不同字母表示不同处理差异显著(p<0.05)，下同。图1 烤烟株高随移栽后天数的变化

图2所示为不同水氮协作处理下烤烟茎粗随移栽后天数的变化。图2中可以看出，烤烟茎粗的差异没有株高明显，移栽后30 d，以W800N120烤烟茎粗最大，达到2.06 cm，W1000N90次之，不施氮处理W1000N0最小；移栽后63 d，W600N90、W800N90、W600N120和W800N120烤烟茎粗显著高于其他处理，1 000 mm灌溉量处理W1000N90与W1000N120烤烟茎粗相对较小，这说明1 000 mm灌溉量对烤烟旺长期茎粗的增长不利；移栽后77 d，以W800N120烤烟茎粗最大，达到3.27 cm，此时施氮量90 kg/hm2处理烤烟茎粗比不施氮处理高出8.46%～24.50%，施氮量120 kg/hm2处理烤烟茎粗比不施氮处理高出6.99%～ 31.33%。总体来看，在相同灌溉量条件下，施氮量越大，烤烟茎粗越粗；而相同施氮量条件下，800 mm灌溉量对烤烟茎粗的增长最有利。

图2 烤烟茎粗随移栽后天数的变化

2.2 水氮协作对烤烟LAI的影响及模型模拟

水氮协作条件下烤烟全生育期LAI的动态变化如图3所示，图3中可以看出，烤烟LAI随移栽后天数的变化为单峰曲线。W800N120烤烟LAI在全生育期均处于最高水平；W1000N120处理烤烟LAI在14～63 d处于较低水平，但63 d后表现出较好的长势；此外，W1000N90处理烤烟LAI也处于较低水平，移栽77 d后尤为明显，这说明烤烟LAI与施氮量密切相关，与灌水量相关性不大。施氮量90 kg/hm2处理中，以W600N90烤烟LAI的峰值最大，在84 d时达到3.698；施氮量120 kg/hm2处理中，以W800N120烤烟LAI的峰值最大，在84 d时达到4.124。从图3中还可以看出，各处理烤烟LAI的动态变化大致可以分为3个阶段：第一阶段，从移栽后14～35 d，烤烟LAI处于缓慢增长期，各处理LAI值相差不大；第二阶段，从移栽后35～84 d，烤烟LAI处于快速增长期，W800N120烤烟LAI在该阶段增长优势明显；第三阶段，移栽84 d后，随着烤烟进入成熟期及对烟叶的采摘，LAI值出现衰退现象，各处理LAI降幅基本一致。

图3 烤烟LAI随移栽后天数的变化

烤烟LAI的模型研究可为模拟烤烟群体生长发育及进一步提高烤烟产量提供依据，同时亦可为烤烟种植的数字化决策和动态化调控建立基础数据[6]。作物生长模型参数个数较多，但能够为决策提供较多有益信息，其模拟精度亦处于较高水平，相关系数达到0.987 5～0.998 1(表3)。从拟合出的LAIM值可发现，在相同灌溉量条件下，施氮量120 kg/hm2烤烟LAI的理论最大值要高于施氮量90 kg/hm2烤烟LAI的。而相同施氮量条件下，灌溉量对于烤烟LAI理论最大值没有明显的作用，施氮量90 kg/hm2处理中，W600N90烤烟LAI理论最大值最大，达到3.866；施氮量120 kg/hm2处理中，W800N120烤烟LAI理论最大值最大，达到4.356。另外，从τ值可看出，不同水氮协作处理烤烟LAI到达1/2LAIM值所需要的时间也有差异，但相差不大，其中W800N120处理到达1/2 LAIM值所需要的时间最短，为45.29 d；W1000N90处理到达1/2LAIM值所需要的时间最长，为57.30 d。就LAI0和LAIM值来看，W800N120为最优水氮协作处理。

表3 作物生长模型模拟结果

2.3 水氮协作对旺长期烤烟光合特性的影响

表4所示为水氮协作对旺长期烤烟光合特性的影响。由于是瞬时特征，当天的水分状态或叶绿素状态可能对不同处理烤烟光合指标产生较大影响[11]。从表4中可看出，旺长期烤烟光合速率Pn值以W800N120较高，达到19.25 μmol/(m2·s)，并显著高于其他处理(P<0.05)；不施氮处理W600N0、W800N0和W1000N0烤烟Pn值总体处于较低水平。总体来看，在试验设计灌溉量范围内，施氮有利于提高旺长期烤烟Pn。在90和120 kg/hm2施氮量条件下，分别以600和800 mm灌溉量旺长期烤烟Pn值最高。

不同水氮处理旺长期烤烟气孔导度Gs值以W800N120较高，达到0.584 4 mol/(m2·s)；W1000N120次之，达到0.573 4 mol/(m2·s)，与W800N120之间没有显著差异(P>0.05)。旺长期烤烟Gs值受灌溉量影响较大，与施氮量的关系并不明显，这可能由于不同的供水量使得土壤供水状况和空气湿度发生差异，引起Gs的变化，调节了烟株的气孔导度从而对光合作用产生影响[12]。然而，气孔导度虽对光合进行调节，但其主要功能是用来调节烟叶的蒸腾强度[13]。

旺长期烤烟胞间二氧化碳浓度Ci以W800N120较高，达到304.49 μmol/mol；除不施氮处理外，各水氮处理旺长期烤烟Ci没有显著差异(P>0.05)。W600N120和W1000N90处理烤烟Pn和Gs均显著高于W800N90，而Ci值与W800N90差异不大，这可能由于进入细胞间隙的CO2浓度太多，但合成能力有限而略有盈余[14]。

旺长期烤烟蒸腾速率Tr以W1000N120最高，达到6.05 mmol/(m2·s)；W800N120和W1000N120没有显著差异(P>0.05)；不施氮处理旺长期烤烟Tr总体处于较低水平。与Pn相似，水氮协作对旺长期烤烟Tr有明显影响。相同灌溉量条件下，旺长期烤烟Tr总体与施氮量呈正相关(600 mm灌溉量除外)；而在90和120 kg/hm2施氮量条件下，分别以600和1 000 mm旺长期烤烟Tr较高。

表4 水氮协作对旺长期烤烟光合特性的影响

2.4 水氮协作对烤烟干物质累积的影响

表5所示为水氮协作处理对收获时烤烟不同器官干物质累积的影响。不同处理烤烟根部干重以W800N120最高，达到85.00 g/株，并显著高于其他处理(P<0.05)；W600N120次之，为77.04 g/株；W1000N0处理最低，烤烟根部干重仅为43.25 g/株，显著低于其他处理(P<0.05)。总体来看，相同灌溉量条件下高施氮量有助于提高烤烟根部干重。烤烟茎部干重以W600N120处于最高水平，达到83.01 g/株，W600N120、W800N90以及W800N120处理烤烟茎部干重差异并不显著(P>0.05)；W1000N0处理烤烟茎部干重最低，仅为49.46 g/株。相同灌溉量条件下，烤烟茎部干重与施氮量呈明显的正相关；相同施氮量条件下，烤烟茎部干重总体上以800 mm灌溉量最高。烤烟叶部干重为120.59～163.07 g/株，以W800N120处理最高，W800N120、W800N90和W1000N120差异并不显著(P>0.05)；不施氮处理W600N0、W800N0和W1000N0烤烟叶部干重总体处于较低水平，其中W1000N0显著低于其他处理(P<0.05)。不同水氮协作处理烤烟全株干物质量为213.29～328.57 g/株。从上述结果分析可知：烤烟各器官干物质累积受施氮量影响更大；根与茎的干物质积累、全株干物质的积累与叶干物质积累并无必然联系，全株干重高的处理其根或茎或叶的干重未必大，某个器官占全株干重大的处理，其他器官占全株干重的比例也不一定大，这一结果与丁福章[15]的研究结果相似。

表5 不同水氮协作处理烤烟器官的干物质累积量

3 结论与讨论

(1)收获期不同处理以W800N120处理烤烟单株叶面积最高。作物生长模型拟合烤烟LAI的精度较高，达到0.987 5～0.998 1。在相同灌溉量条件下，施氮量120 kg/hm2烤烟LAI的理论最大值要高于施氮量90 kg/hm2。而相同施氮量条件下，灌溉量对于烤烟LAI理论最大值没有明显影响。

(2)后期水分和氮素过多会使得烟叶贪青晚熟，影响烟叶的分层落黄。中水高氮处理W800N120烟叶净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率等指标总体处于较优水平。

(3)烤烟各器官干物质累积受施氮量影响更大，不同水氮协作处理以W800N120烤烟叶部干物质累积量最高。根与茎的干物质积累、全株干物质的积累与叶干物质积累无必然联系。相比而言，高水低氮处理烤烟叶片干重占总干重的比例较大。

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