不同保水剂对土壤特性及烤烟生长的影响

2020-09-14白岗栓何登峰耿伟杜社妮黄仲江

中国农业大学学报 2020年10期

白岗栓何登峰耿伟杜社妮黄仲江

(1.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100； 2.陕西省烟草公司，西安 710065； 3.安康市烟草公司旬阳分公司，陕西旬阳 725700； 4.陕西中烟工业公司宝鸡卷烟厂，陕西宝鸡 721000)

秦巴山区位居汉江上游，海拔较高且光照充足，为陕西省优质烤烟(NicotianatabacumL.)生产基地[1]。秦巴山区土壤主要为黄棕壤和黄褐土，土层薄，蓄水保水能力差，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[2-5]。保水剂(Super absorbent polymers，SAP)具有超高的吸水和保水能力，能在土壤中形成“小水库”[6-7]，促进降水入渗[8-10]，减少地表径流，改善土壤团粒结构，降低土壤容重，提高土壤通透性，提高土壤养分和水分的利用效率[11-13]，减少环境污染[14-15]，促进作物生长[16-20]，但保水剂的应用效果与其种类、土壤质地、施用量、粒径和施用方法等密切相关[21-25]，施用不当会对土壤及作物产生不良影响[26]。保水剂可提高烤烟的光合能力、产量与品质，减少干旱对烤烟生长带来的不良影响[27-32]。有关保水剂粒径、施用量对秦巴山区黄棕壤土壤水分及烤烟生长的研究已有报道[33-34]，但有关秦巴山区黄棕壤适宜的保水剂种类未见报道。本研究于2017年监测聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺和腐殖酸钾3种保水剂对秦巴山区黄棕壤的土壤容重、土壤水分及烤烟生长的影响，旨在缓解该地区烤烟团棵期到旺长期的季节性干旱对烤烟生长带来的不良影响，以期为秦巴山区黄棕壤烟田提供适宜的保水剂种类。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于陕南秦巴山区旬阳县神河镇黑沟村，为北亚热带温暖湿润气候区，东经109°26′，北纬32°43′，海拔537 m，年均气温15.4 ℃，日照时数1 790.4 h，无霜期236 d，降雨量851 mm，蒸发量1 252.8 mm，坡度8°左右。试验地土壤为黄棕壤，土层厚度60～70 cm，耕层(0～20 cm土层)土壤有机质为18.10 g/kg，速效氮为60.24 mg/kg，速效磷为22.46 mg/kg，速效钾为134.24 mg/kg，pH 6.4，物理性粘粒为47.90%(质量百分数)，粘粒为17.30%(质量百分数)。试验地前茬作物为玉米(ZeaMays)，为雨养烟田。

1.2 供试材料

供试保水剂分别是聚丙烯酸钾(Potassium polyacrylate，K-PAM)、聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，PAM)和腐殖酸钾(Potassium humate，KHm)保水剂。

聚丙烯酸钾保水剂为细粒状，粒径1.25～2.25 mm，三维立体网状结构，其中丙烯酸钾含量为230～260 g/kg，在0.9 g/kg的NaCL溶液中的吸水倍数为100～150，在去离子水中的吸水倍数为300～500，价格为18.0元/kg，购于山东省唯信农业科技有限公司。

聚丙烯酰胺保水剂为粉末状，粒径为0.11～0.64 mm，线性结构，分子量为18×106，阴离子型，水解度为30%～32%(水解度是阴离子聚丙烯酰胺在水解过程中分子中的氨基转化为羧基的百分比)，在质量含量为9.0 g/kg的NaCL溶液中的吸水倍数为80～100，在去离子水中的吸水倍数≥500，价格为15.0元/kg，购于山东省唯信农业科技有限公司。

腐殖酸钾保水剂为颗粒状，粒径2.25～3.25 mm，含腐植酸钾40%左右，在质量含量为9.0 g/kg的NaCL溶液中的吸水倍数为50～60，在去离子水中的吸水倍数为200～300，价格为10.0元/kg，由山东华潍公司提供。

1.3 试验设计

试验以不施保水剂为对照，根据2016年的试验结果，聚丙烯酸钾保水剂的适宜施用量为60.0 kg/hm2，聚丙烯酰胺保水剂为30.0 kg/hm2，腐殖酸钾保水剂为150.0 kg/hm2。供试烤烟为‘云烟87’，采用单行起垄栽培，垄距(行距)110 cm，垄高30 cm左右，垄面宽20 cm，株距55 cm。每个小区宽4.4 m，长11.0 m，定植4行烤烟，每行20株。试验重复3次，共12个小区，不同小区随机排列。

不同保水剂均采用垄施，即在起垄前(2017年4月1日)条施基肥时将不同保水剂分别与适量干细土搅拌均匀，均匀撒施于不同小区，然后整地起垄，促使保水剂均匀混施于垄体土壤中。起垄后等待下雨，4月24—25日降雨量达35 mm，4月28日对垄体进行地膜覆盖。

供试烤烟采用基质育苗，5叶1心，5月1日采用井窖式移栽。不同处理的施肥量N为65.0 kg/hm2，P2O5为65.0 kg/hm2，K2O为97.5 kg/hm2，其中60%氮肥作为基肥，40%作为追肥；30%钾肥作为基肥，70%作为追肥；磷肥全部作为基肥。基肥在起垄前条施，追肥在烤烟旺长初期进行(即移栽后 40 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 测定指标

降水量：试验地旁设有自动雨量监测器，监测试验期间的降水量。

土壤容重：在烤烟生长的不同时期，每个小区在相邻烟株之间的垄面上(起垄前为平地)随机选择3个采样点，环刀法测定0～20和20～40 cm土层土壤容重。

土壤水分：在烤烟生长的不同时期，每个小区在相邻烟株之间的垄面上随机选择3个采样点，10 cm土层为一层，分层取0～60 cm土层土壤，烘干法测定土壤含水率(w)，%。

农艺性状：按照《烟草农艺性状调查测量方法》(YC/T142-2010标准)[35]，在烤烟生长的不同时期，每个小区随机选取烟株3株，测量烟株上部、中部和下部最大叶长、最大叶宽和株高、茎围及有效叶数，并计算最大叶面积，cm2。

最大叶面积=叶长×叶宽×0.634 5

经济性状：以小区烟株为基础，换算出单位面积烤烟产量。根据《中华人民共和国国家标准》(GB2635-92)[36]对烤烟进行分级，并根据当地烤烟收购价格，计算不同小区烤烟均价、产值及净增产值等。

烤烟常规化学成分：烤烟烘烤后选择中桔三(C3F)粉碎后过40目筛，总氮用凯氏定氮法、总糖用蒽酮比色法、还原糖用3，5-二硝基水杨酸比色法、烟碱采用紫外分光光度法、钾用火焰光度计法、氯用莫尔法测定，并根据测试结果计算氮碱比、糖碱比和钾氯比[37]。

1.5 数据处理

试验数据采用SPSS 19.0进行单因素方差分析，差异显著性比较采用Duncan检验。

2 结果与分析

2.1 试验期间的降水量

起垄(2017年4月1日)至烤烟采收后(2017年9月22日)175 d共计降水1 062.30 mm，日均降水6.57 mm；烤烟移栽期(5月1日)至第二次采收期(7月20日)81 d降水547.30 mm，日均降水6.76 mm。试验期间的降水量高于往年，但移栽期至还苗期、团棵期至旺长期多以雷阵雨或暴雨的形式出现，不利降水入渗，而还苗期至团棵期日均降水仅2.26 mm(图1)，影响烤烟生长发育[2-5]。

图1 试验监测期间不同生长期的日均降水量Fig.1 Daily precipitation of flue-cured tobacco in different growth stages

2.2 不同处理对土壤容重的影响

土壤的物理结构、透水性、透气性以及保水保肥能力与土壤容重密切相关[6-9]。由表1可知，起垄前不同处理的土壤容重相同，表层0～20 cm土层较轻，>20～40 cm土层较重。

还苗期至采收后，0～20和>20～40 cm土层土壤容重均表现为聚丙烯酸钾和聚丙烯酰胺处理组的显著低于(P<0.05)对照，腐殖酸钾处理组与对照处于同一水平(表1)。随着保水剂的吸水膨胀、释水收缩及人为耕作、雨滴击打等的影响，保水剂对土壤容重的影响力逐渐减弱，不同处理组的土壤容重均缓慢上升[33-34]。

表1 不同处理不同生长期的土壤容重Table 1 Soil bulk density of different treatments in different growth stages cm3

2.3 不同处理对土壤水分的影响

土壤水分是烤烟生长发育的基础，影响烤烟的产量及品质[2-5]。起垄前不同处理均未施用保水剂，不同处理的土壤水分基本一致。移栽期至还苗期降水量较多，日均达10.09 mm，但降水形式主要是雷阵雨和暴雨，流失量大且不易入渗，0～60 cm土层土壤水分表现为聚丙烯酸钾处理组的略高，聚丙烯酰胺和腐殖酸钾处理组的居中，对照略低，不同处理组之间无显著差异。烤烟还苗期至团棵期降水量较少，日均仅2.26 mm，不同处理0～60 cm土层土壤水分表现为聚丙烯酸钾处理略高，对照居中，腐殖酸钾与聚丙烯酰胺处理略低，不同处理处于同一水平。烤烟团棵期到旺长期降水量多，日均高达15.74 mm，聚丙烯酸钾和聚丙烯酰胺处理组0～40 cm土层土壤水分均显著高于(P<0.05)对照；腐殖酸钾处理组>10～20 cm土层和>30～40 cm土层的土壤水分显著高于对照(P<0.05)，不同处理其他土层之间均无显著差异。旺长期至打顶期降水量略少，日均4.64 mm，不同处理的土壤水分表现为聚丙烯酸钾处理的略高，聚丙烯酰胺和腐殖酸钾处理的居中，对照略低，不同处理之间无显著差异。打顶期到采收期日均降水量仅为0.43 mm，不同处理的土壤水分表现为聚丙烯酸钾处理组略高，腐殖酸钾与聚丙烯酰胺处理组居中，对照略低，不同处理之间无显著差异。采收期到采收后日均降水量为6.32 mm，不同处理的土壤水分表现为腐殖酸钾处理略高，聚丙烯酸钾与聚丙烯酰胺处理居中，对照略低，不同处理处于同一水平(表2)。聚丙烯酰胺处理在烤烟生长前期对土壤的保水作用较好，腐殖酸钾处理在烤烟生长后期较好，而聚丙烯酸钾处理在烤烟整个生长期均较好。

表2 不同处理不同生长期的土壤水分含量Table 2 Soil moisture of different treatments of flue-cured tobacco in different growing stages %

2.4 不同处理对烤烟生长的影响

团棵期聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺和腐殖酸钾处理组的烟草株高显著高于对照(P<0.05)，现蕾期和园顶期则与对照无显著差异。团棵期和现蕾期聚丙烯酰胺处理组的烤烟茎围显著高于对照(P<0.05)，圆顶期聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺和腐殖酸钾处理组均显著高于对照(P<0.05)。团棵期、现蕾期及圆顶期不同处理组的叶片数基本一致，无显著差异(表3)。团棵期、现蕾期及圆顶期不同处理组烤烟上部、中部及下部的最大叶长、最大叶宽和最大叶面积之间的差异表现不一致，团棵期总体表现为聚丙烯酸钾处理组的叶片较大，依次为腐殖酸钾处理组，聚丙烯酰胺处理组，对照组最小；现蕾期和圆顶期总体表现为腐殖酸钾处理组的烤烟叶片较大，依次为聚丙烯酰胺处理组，聚丙烯酸钾处理组，对照组最小，不同处理间存在显著(P<0.05)或极显著差异(P<0.01)(表3)。受打顶的影响，圆顶期不同处理组的烤烟株高及叶数较现蕾期降低，但烤烟茎围及最大叶面积则增加。

2.5 不同处理对烤烟常规化学成分的影响

保水剂降低土壤容重，提高土壤水分，增大烤烟叶面积，对烤烟常规化学成分也产生一定影响；受土壤质地的影响，供试烤烟的钾含量低于优质烤烟，钾氯比高于优质烤烟(表4)。

不同保水剂均提高烤烟中的烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾及氯含量，其中腐殖酸钾和聚丙烯酰胺处理组的烟草烟碱含量极显著高于对照(P<0.01)，聚丙烯酸钾处理组显著高于对照(P<0.05)，且腐殖酸钾处理组显著高于聚丙烯酸钾处理组(P<0.01)。不同保水剂处理组的烟草总糖、还原糖、总氮、钾及氯含量之间均无显著差异。聚丙烯酸钾处理组和腐殖酸钾处理组的总糖、还原糖、钾含量显著高于对照(P<0.05)。聚丙烯酰胺处理组的总氮含量显著高于对照(P<0.05)；不同保水剂处理组的氯含量均显著高于对照(P<0.05)。腐殖酸钾处理组的烤烟氮碱比显著低于对照(P<0.05)、聚丙烯酸钾处理组和聚丙烯酰胺处理组。聚丙烯酰胺处理组和腐殖酸钾处理组的烤烟糖碱比显著低于聚丙烯酸钾处理组和对照(P<0.05)，不同保水剂处理组的烤烟钾氯比均与对照无显著差异(表4)。

2.6 不同处理对烤烟经济性状的影响

2017年烤烟还苗期到团棵期、旺长期至打顶期、打顶期至采收期降水偏少，烤烟产量及上等烟的比例仅为常年的70%左右。聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺和腐殖酸钾处理组的烤烟产量较对照分别提高5.71%、0.95%和3.08%，其中聚丙烯酸钾处理组显著高于对照(P<0.05)；平均价格分别提高6.39%、-3.05%和-1.87%，其中聚丙烯酸钾处理组显著高于对照(P<0.05)；产值分别提高12.46%、-2.12%和1.16%，其中聚丙烯酸钾处理组极显著高于聚丙烯酰胺处理组、腐殖酸钾处理组和对照(P<0.01)。不同保水剂中，腐殖酸钾的费用最高，聚丙烯酰胺的最低，之间存在极显著差异(P<0.01)。聚丙烯酸钾处理组极显著提高烤烟的净增产值(P<0.01)，而聚丙烯酰胺和腐殖酸钾处理组则极显著降低烤烟的净增产值(P<0.01)，见表5。

聚丙烯酸钾处理组的上等烟比例较对照提高8.78%，达显著差异(P<0.05)；而腐殖酸钾处理组的上等烟比例较对照降低9.41%，显著低于对照(P<0.05)；聚丙烯酰胺处理组的上等烟比例较对照降低4.11%，略低于对照。聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺和腐殖酸钾处理组的中等烟比例分别较对照提高0.42%、-1.26%和2.79%，与对照无显著差异。聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺和腐殖酸钾处理组的下等烟比例分别较对照降低16.53%、-10.41%和-9.56%，与对照形成极显著(P<0.01)及显著差异(P<0.05)(表5)。聚丙烯酸钾处理组提高上等烟比例，而腐殖酸钾处理组和聚丙烯酰胺处理组则降低上等烟的比例。

3 讨论

3.1 不同保水剂对土壤容重及土壤水分的影响

烤烟生长发育、产量形成和质量形成与土壤质地、土壤水分密切相关，特别是团棵期和旺长期，土壤干旱胁迫会导致烤烟产生一系列非正常的生理生化变化，影响烤烟品质与产量[3,38-40]。保水剂可吸附自身质量数百倍甚至更高的水分[7]，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤通透性及蓄水、保水能力[6,20,26,41]，但保水剂的应用效果与保水剂种类、施用量及土壤质地、土壤pH值和土壤离子浓度等密切相关[7-11]。当保水剂种类、施用量适宜时，土壤中的液相组成比例 (相当于毛管孔隙度)会相对增加，固相和气相组成比例则会相对减少，可降低土壤容重[21-22,41-43]，利于降水入渗，增加土壤水分[9-10]；当保水剂种类不适宜，保水剂吸水膨胀后会阻塞土壤孔隙，增加土壤容重[20,26,41]，降低土壤通透性，不利于降水入渗，易导致土壤板结。只有适宜、适量的保水剂与所施土壤合理配合，才可吸附较多的土壤水分[26,41]。

本试验中，聚丙烯酰胺的粒径小，吸水速率快，吸水倍率高，在烤烟生长前期对土壤水分有一定的影响，但持续期短，在烤烟旺长期至打顶期对土壤水分的影响力小，且聚丙烯酰胺为线性结构，膨胀后易阻塞土壤孔隙，造成土壤板结，增加土壤容重[44]。腐殖酸钾保水剂的粒径大，吸水膨胀后会对土壤颗粒产生一定的挤压，不利于提高土壤的通透性，降低土壤容重[33]；腐殖酸钾保水剂的吸水倍率低，吸水速率慢，在烤烟生长前期难以吸附足够的水分，对土壤水分的影响能力弱，不利于烤烟生长发育；腐殖酸钾保水剂吸水和保水的有效期持续期长，在烤烟生长后期吸附较多的土壤水分，易造成烤烟徒长，不利于提高烤烟质量[33-34]。聚丙烯酸钾为三维网状结构，粒径较聚丙烯酰胺大，较腐殖酸钾小，能与土壤颗粒有效结合，降低土壤容重，增加土壤的蓄水保水能力，对土壤水分和土壤容重的影响能力相对较大且相对稳定[22,33-34]。

聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺和腐殖酸钾3种保水剂的结构及支链上的吸水官能团不同，受土壤质地和土壤离子浓度的影响也不同，且粒径越小，越易受到土壤中的阳离子干扰，降低保水剂的吸水和保水能力[6,26,41]，因而随着时间的持续，不同保水剂对土壤水分和土壤容重的影响力逐渐变小。除旺长期外，不同保水剂对烤烟土壤水分的影响均未达到显著差异，主要是烤烟生长前期降水相对较多，烤烟植株较小，消耗的土壤水分较少，土壤中含有较多的水分，造成不同保水剂的吸水和保水能力不易体现；后期降水量偏少而烤烟生长量较大，消耗土壤水分较多，保水剂难以吸收、保持足够的土壤水分；旺长期降水量多，烤烟生长量大，消耗的土壤水分较多，不同保水剂的吸水和保水能力出现差异。

3.2 不同保水剂对烤烟生长及常规化学成分的影响

土壤是植物生长的基础[45]。保水剂不但可提高土壤的通气性及土壤水分、养分的利用效率，提高土壤团聚体含量[11-13]，而且可吸附土壤养分，延缓土壤养分释放，抑制、减少土壤养分流失[11-13,45]。烤烟旺长期的土壤干旱对烟叶产量的影响较大[3-5]。施用保水剂在烤烟旺长期提高了烟田土壤水分，特别是烤烟旺长期至打顶期、打顶期至采收期提高土壤的保水性、通气性及保肥性，为烤烟生长提供相对良好的土壤环境[11-15]，因而促进烤烟生长[27-32]。不同保水剂中，聚丙烯酰胺为线性结构，吸水膨胀的长链尾端易堵塞土壤孔隙，对土壤水分及土壤容重的影响能力弱，缓解干旱的能力较差，而腐殖酸钾的粒径大，吸水速率慢，吸水倍数小，降水量小或降水持续时间短时不易吸附足够的土壤水分，对土壤水分的影响力弱，且腐殖酸钾的吸水、保水持续期长，在烤烟生长后期易吸附大量的土壤水分，且充分吸水膨胀后会对土壤颗粒产生一定程度的挤压，造成土壤缺氧，不利于烤烟根系生长及对土壤养分、水分的吸收[20,26,41]，而烤烟根系的生长状况往往影响烤烟的化学成分[46-47]。聚丙烯酸钾的化学成分、结构及粒径及与秦巴山区的黄棕壤配合比较合理，不但可吸附、保持较多土壤水分，而且对土壤容重影响较大，能有效提高烤烟根系生长活力，促进烤烟生长发育[33]，提高烤烟质量、产量及产值。

烤烟的生长发育、品质及产量由遗传因素、生态环境和栽培因素共同决定[2,45]。根系是烤烟吸收土壤养分、水分及合成植物激素、烟碱和部分氨基酸的主要器官，影响烤烟品质与产量[46-47]。生物碱和糖含量直接影响烟草的生理强度、烟气特征和安全性[45]。土壤水分对烤烟根系生长发育和烟碱含量的影响最大[46-47]。团棵期和旺长期保持良好的土壤水分，烤烟根系才能健康生长发育[4-5]。烤烟根系大量合成和积累烟碱主要出现在打顶期之后[46-47]。施用保水剂改善土壤的通透环境，特别是施用聚丙烯酸钾保水剂，对土壤水分及土壤通透性影响较大，促进烤烟根系及植株的生长发育[33-34]，故提高了烤烟烟碱、总氮和氯离子的含量，增加了总糖、还原糖的含量，改善了烟叶品质[45]。成熟期适度干旱对烤烟品质有很大的促进作用[4-5]，而腐殖酸钾保水剂在烤烟生长后期则提高了土壤水分，不利于优质烤烟的形成，因而降低了上等烟的比例。

保水剂提高土壤中的水分和养分含量，改善土壤中的通气环境，减少土壤养分流失，促进烤烟根系生长，而烟碱合成与根系生理代谢密切相关[45-47]，因而施用保水剂提高烤烟烟碱、总糖及还原糖含量，并促使氮碱比和糖碱比等处于适宜范围内。聚丙烯酸钾保水剂相对提高土壤水分，降低土壤容重，促进烤烟植株生长，从而相对增加烤烟叶片的总糖、还原糖和钾含量。不同处理组烤烟叶片的钾和氯含量都较低，钾氯比较高，主要是由于当地土壤中钾和氯含量都较低造成的[48]。