不同保水材料对济源烟区烤烟生长及土壤保墒能力的影响

云 菲 ，毕浩东 ，刘 天 ，金 磊 ，李静静 ，薛立新 ，李富欣 ，许 仪 ，符云鹏

（1.河南农业大学烟草学院，河南郑州450002；2.河南省烟草公司济源市公司，河南济源454650）

随着全球变暖趋势的日益加剧，干旱等极端气候灾害在世界范围内频发，使农作物产量造成严重损失[1-3]。水分匮乏是我国烟草产量提高的限制因子之一，烟草在大田生长期对水分的需求量较高，干旱胁迫会造成烟株光合作用与呼吸作用运转失常，干物质积累受阻[4-5]。济源市隶属豫西低山丘陵烟区，是典型的旱作农业区，土层浅薄且蓄水保墒能力较差，烤烟团棵期到现蕾期降雨量少且分布不均，易出现季节性干旱[6-7]。因此，提高烟田土壤水肥供应效率及该地区旱作农业生产效率，是急需解决的重要问题。保水材料作为化学调控剂的一种，能够在较短的时间内吸收其自身质量几百倍的水分，在干旱情况下缓慢释放供给植株利用，并能够改善土壤团粒结构，提高土壤通透性及土壤水分和养分的利用效率，促进作物生长[8-9]。

本试验针对济源烟区干旱缺水的生态条件，开展不同类型保水材料对烤烟生长、光合特性、干物质积累、土壤保水特性的影响及其与烟叶经济学性状的关系研究，旨在明确不同保水材料的保水效果，筛选适宜济源烟区的高效保水材料，为旱作烟区土壤改良及烟叶增产增收提供理论参考，对优化抗旱栽培技术体系、保障旱作烟区烟叶优质稳产具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2020 年5—10 月在河南济源市王屋镇（北纬 35°14′，东经 113°12′）进行。该地位于河南省西北部，地形北高南低，属暖温带季风气候；海拔617 m，年降水量94.4 mm，年均气温14～15 ℃；土壤类型为潮土，土壤质地为沙壤土，pH 值为7.95，有机质含量为12.48 g/kg，速效磷含量为7.72 mg/kg，速效钾含量为124.66mg/kg，碱解氮含量为58.46mg/kg。

1.2 试验材料

供试烤烟品种为云烟87。

保水材料聚丙烯酸盐，购自科莱恩化工（中国）有限公司，分子量4 000 万，含有聚丙烯酸铵（含氮100 mg/kg）和聚丙烯酸钾（含钾 210 mg/kg），各占50%；聚丙烯酰胺，购自河南路腾化工有限公司，有效成分99%，呈白色颗粒状晶体，颗粒直径0.85～2.00 mm；腐植酸，购自天津光复精细化工研究所，来源于风干煤，样品含碳量为41.12%，灰分含量占10%，水分含量＜8%；γ-PGA，购自山东福瑞达有限公司，物理性状为浅黄色粉末，有效含量为32.2%，pH 值为6.5，重金属含量＜20 mg/kg。

1.3 试验设计

采用田间小区试验，共设5 个处理，每个处理3 次重复，小区面积为66.7 m2。5 个处理分别为：CK.不施用保水剂；T1.75 kg/hm2聚丙烯酸盐（PAA）；T2.75 kg/hm2聚丙烯酰胺（PAM）；T3.1 500 kg/hm2腐植酸（HA）；T4.30 kg/hm2γ- 聚谷氨酸（γ-PGA）。其中，PAA、PAM、HA 均在移栽前直接撒施，然后翻耕混入耕层土壤；γ-PGA 在移栽时对水灌根，用量为200 mg/L。烟草于2020 年5 月13 日移栽，管理方法同大田优质烟叶管理方法（GB/T 23221—2008）。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 农艺性状的测定 按照《烟草农艺性状调查测量方法》（YC/T 142—2010）[10]，在烤烟生长的团棵期、现蕾期和圆顶期选择长势均匀、代表性强的烟株，测定株高、茎围、叶片数及叶片的长与宽，并计算叶面积，各处理选取3 株，取平均值进行比较。

1.4.2 光合特征参数的测定 移栽后40 d 选择受光方向一致、长势均匀的中部功能叶片，采用CIRAS-2 便携式光合作用测定仪（美国PP Systems公司）测定净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间 CO2浓度（Ci）等参数，每处理 3 次重复，取平均值。

1.4.3 烟株相对含水率及干物质积累量的测定 从烟株移栽后40 d 开始，每隔10 d 取一次样品，至移栽后80 d 结束。每处理随机选取3 株，将根、茎、叶分开称鲜质量，计算烟株总鲜质量，并于105 ℃杀青15 min，65 ℃恒温烘干至恒质量后称干质量，取平均值，计算烟株的相对含水率。烘干后烟株根、茎、叶的质量总和即为干物质积累量。

1.4.4 土壤含水率的测定 在团棵期、现蕾期和圆顶期取 0～10、10～20、20～30 cm 的土样，称取土样鲜质量，烘干后称取土样干质量，按照吕贻忠等[11]的方法计算土壤含水率。

1.4.5 经济性状的测定 烟叶成熟采收调制后，称质量计产，烤烟分级后计算上等烟和中等烟比例，并计算各处理产值。

1.5 数据统计与分析

利用Microsoft Excel 2019 绘制表格和作图；使用SPSS 21.0 软件进行显著性分析（P＜0.05）和相关性分析；多重比较差异采用LSD 法。

2 结果与分析

2.1 不同保水材料对烤烟农艺性状的影响

由图1 可知，随着生育期的推进，烤烟的株高、茎围、叶片数及叶面积均呈逐渐增大的趋势。进入现蕾期后各处理的株高增加幅度最大，施用保水剂处理的株高显著高于 CK（P＜0.05），T1、T2、T3、T4 处理分别较CK 增加了7.29%、3.86%、1.27%、1.24%，以T1 处理增加最高。整个生育期内，茎围呈逐渐加粗的趋势，现蕾期从大到小排序为T3＞T2＞T4＞T1，圆顶期则以T1、T2 处理的茎围较大。团棵期除T3、T4 处理叶片数低于CK 外，其他时期各处理叶片数均高于CK，圆顶期T2 处理的叶片数最多，说明施用聚丙烯酰胺（PAM）对于烟叶的促生效果较高。叶面积除T4 处理在团棵期低于CK 外，T1、T2、T3 处理分别比 CK 增加 14.03%、26.93%、17.16%；现蕾期施用保水剂处理的叶面积均高于CK，增幅达到5.24%～17.99%；烟株的叶面积在圆顶期达到最大，4 种保水剂处理的叶面积增幅最高，较CK 增加了2.93%～23.67%。施用保水材料在一定程度上促进了烟草叶面积的增大。

2.2 不同保水材料对烤烟光合特性的影响

由表1 可知，不同处理间净光合速率（Pn）从大到小排序为T1＞T3＞T2＞T4＞CK，施用保水材料的 T1、T2、T3、T4 处理分别较 CK 增加 60.49%、23.54%、31.74%、12.77%，以T1 处理增加的幅度最高，说明聚丙烯酸盐的施用能够使叶片保持较强的光合能力；4 种保水剂处理的蒸腾速率（Tr）均显著高于 CK（P＜0.05），气孔导度（Gs）以 T1、T2 处理较高，T3、T4 处理次之，与 CK 相比，4 种保水剂处理的Gs 和Tr 分别增加了5.56%～66.67%和14.36%～44.89%；胞间 CO2浓度（Ci）的变化趋势则与 Pn 相反，以T1 处理最低，较CK 显著降低33.54%。相关分析结果表明，净光合速率与气孔导度、蒸腾速率呈正相关关系（r＝0.87**，r＝0.75**）。

表1 不同保水材料对烟草光合特性的影响

2.3 不同保水材料对烟株相对含水率的影响

由图2 可知，烟株生长前期叶片含水量较高，随着生育期的推进逐渐下降；从移栽后50 d 开始，施用保水剂处理的相对含水率显著高于CK，不同保水剂间比较，移栽后 50、60、80 d 均以 T2 处理的相对含水率最高，分别较CK 增加了3.45%、3.05%和4.06%，且差异均达显著水平（P＜0.05）。可见，相对含水率增加的比例随移栽天数的增加而降低。移栽后80 d，烟株相对含水率大体呈现出T2＞T3＞T1＞T4＞CK 的变化趋势。

2.4 不同保水材料对不同土层土壤含水率的影响

由图3 可知，不同时期土壤含水率的变化呈先降低后增加的趋势，这可能与团棵期至现蕾期烟株正值旺长阶段，植株需水量较大有关；随着生育期的推进烟叶进入成熟期，土壤含水率稍有增加，是由于成熟阶段烟株需水量减少引起的土壤相对含水量增加；团棵期施用保水剂后，不同土层间以0～10 cm 土层的含水率增加幅度最大，4 种保水剂处理土壤含水率较CK 增加2.28%～32.99%，除T4处理与CK 间差异不显著外，其余处理均显著高于CK（P＜0.05）；现蕾期 0～10、10～20 cm 土层只有T1、T2 处理的含水率显著高于 CK（P＜0.05），20～30 cm 土层则表现为保水剂处理 T1、T2、T3、T4 分别比 CK 增加 23.85%、18.47%、3.94%、20.57%，以T1 处理增加比例最高；圆顶期时，施用保水剂对土壤含水率的影响在各个土层均表现为显著效果，0～10 cm 土层增幅为 6.35%～27.38%，10～20 cm土层增幅为6.15%～17.82%，20～30 cm 土层增幅最高，达到10.44%～36.50%。综合各土层及各生育时期情况来看，T1、T2 处理对土壤含水率的促进效果较佳。

2.5 不同保水材料对烟株干物质积累的影响

从图4 可以看出，烟株的干物质量积累量随着移栽后天数的增加逐渐增大，生长前期施用保水剂对烟株干物质的促进效果并不明显；移栽后60 d施用 4 种保水剂 T1、T2、T3、T4 处理的干物质积累量分别比 CK 增加 54.13%、46.68%、30.01%、46.65%，以T1 处理干物质积累增加最多，且显著高于其他处理（P＜0.05）；保水剂处理与CK 差异达到显著水平（P＜0.05）。整个生育期内，施用保水剂处理的干物质积累量在移栽后70 d 增幅最大，达到22.33%～67.16%，其中以 T1（67.16%）、T2（64.76%）处理的促进效果较为显著，但2 个处理间差异不显著；移栽后80 d 各处理的干物质积累量总体表现为T1＞T2＞T3＞T4＞CK，与CK 相比，施用保水剂处理的干物质积累量增加了6.60%～16.05%，保水剂处理的生物量均显著高于CK（P＜0.05），但4 种保水剂处理间的差异不显著。整个生长阶段，施用聚丙烯酸盐和聚丙烯酰胺对烟株干物质积累有较好的促进作用。

2.6 不同保水材料对烤烟经济性状的影响

从表2 可以看出，各处理烤烟上等烟比例为58.03%～64.05%，中等烟比例为29.75%～32.09%，产量达到1 830.21～2 055.07 kg/hm2，均价为24.30～24.63 元 /kg，产值在 44 475.15～50 616.75 元 /hm2。4 种保水剂处理的上等烟比例、中等烟比例、产量、产值及均价分别比 CK 增加 3.57%～10.37%、2.76%～7.87%、3.31%～12.29%、3.71%～13.81%、0.01%～1.36%，说明施用保水材料对提高上等烟比例的促进效果较为显著，并且能够增加烟叶的产量及产值，在改善烟叶等级结构的同时实现了烟农增收。综合来看，烟叶经济性状总体上表现为T1＞T2＞T3＞T4＞CK，不同保水剂处理间以施用聚丙烯酸盐和聚丙烯酰胺对上等烟比例的改善作用最佳，有利于促进旱作烟区的烟叶达到丰产的效果。

表2 不同保水材料对烤烟经济性状的影响

3 结论与讨论

烤烟农艺性状上的差异可以直观地反映出不同保水材料对烟株田间长势的影响。汪耀富等[12]研究发现，在豫西旱区烟田施用聚丙烯酰胺后，烟叶的叶面积增大，产量、产值、均价和上等烟比例提高。左广玲等[13]、彭菊等[14]研究表明，烟田施加保水剂后植株高大、茎围增加，叶片数及单株叶面积等也都不同程度增加。本试验研究发现，保水剂对烟株农艺性状的影响效果在团棵期表现并不显著，当烟株进入现蕾期后施用保水剂处理的株高增幅变大，现蕾期叶面积及叶片数均达到最大，分别以T1（聚丙烯酸盐）、T2（聚丙烯酰胺）处理较高。这对以叶片为收获对象的烤烟来说，是促进产量形成的基础。植物的光合作用是受干旱胁迫影响最明显的过程之一，烤烟光合生产能力是决定其生物量积累和经济产量形成的生理基础[15-16]。赵铭钦等[17]研究结果表明，保水剂可以通过调节叶片的气孔导度，进而提升净光合速率，最终促进光合能力增强。陈芳泉等[18]研究表明，适宜的保水剂用量能够促进烟株净光合速率、PSⅡ最大光化学量子产量（Fv/Fm）、光系统Ⅱ有效量子产量（ΦPSII）和光化学淬灭系数（qP）的增加，改善其光合特性，提高烟株在干旱条件下的自我保护能力。郭猛等[19]研究发现，施用γ- 聚谷氨酸可以提高丹参苗的净光合速率。本研究发现，与对照相比，4 种保水剂处理Pn 增幅达到12.77%～60.49%，Tr 均显著高于 CK，Gs 以 T1、T2 处理较高，T3、T4 处理次之，Ci 的变化趋势则与 Pn 相反。这可能是由于在干旱胁迫下，通过施用保水剂，烟株吸收和运输水分的动力增强，叶肉细胞的光合活性及Pn 增强，对胞间CO2的利用能力更好，从而导致了Ci 降低。

保水剂能够改善土壤理化性能、增强土壤保水性、改良土壤结构。肇普兴等[20]研究表明，聚丙烯酰胺保水材料有显著的保水性能。史文娟等[21]研究表明，γ-PGA 具有良好的水溶性，对土壤水分的吸持作用可达到30～80 倍。腐植酸保水剂可使土壤中形成较多和较大的团粒结构，改善土壤的透水性和透气性，有效提高土壤的蓄水能力，使土壤中的有效水分含量增加[22]。本研究中，烟株生长前期叶片含水量较高，随着生育期的推进逐渐下降，这与烟株逐渐衰老、叶片落黄、生理代谢减弱有关。移栽后50、60、80 d 均以T2 处理的相对含水率最高，分别比CK 显著增加了3.45%、3.05%和4.06%。可见，聚丙烯酰胺具有高吸水和保水能力，对烟株水分利用的促进效果最显著，这与张蕊等[23]的研究结果一致。不同土层间保水剂对土壤含水率的影响存在一定差异，团棵期以0～10 cm 土层的含水率增加幅度最大，现蕾期保水剂的促进效果则随土层深度增加而提高，圆顶期20～30 cm 土层施用保水剂处理的含水率增加比例最高，达到10.44%～36.50%。综合各土层及各生育时期情况来看，T1（聚丙烯酸盐）处理对土壤含水率的促进效果最佳。值得注意的是，随着生长时间的延长，部分保水材料可能阻塞了土壤孔隙，降低了土壤通透性，因而，至圆顶采收期保水剂对土壤含水率的影响效果会在一定程度上减弱。

不同土壤质地，种植作物种类不同、所用保水剂的种类、用量不同等对提高产量、改善品质的效果也存在很大差异[24-27]。刘迎超等[28]以烤烟品种云烟87 为研究对象，结果发现，施用保水剂能够显著提升烟叶的产量、产值，同时提高均价和上等烟比例，改善了整株的经济性状。王宗恒等[29]研究表明，保水剂施用量为180 kg/hm2时对云烟87 烟叶质量提升效果较为明显，烤后烟的质量和经济效益最好。杨苹等[30]研究表明，保水剂处理后烤烟的产量和产值均明显高于对照，具有明显的提质增产的效果，每公顷产量和产值分别增加7.68%和11.53%。本试验中，移栽后80 d 各处理烟株的总干物质量积累量大小表现为T1＞T2＞T3＞T4＞CK，施用保水剂处理的干物质积累量比对照增加了6.60%～16.05%。4 种保水剂处理的烤后烟叶产量增加了3.31%～12.29%，这与施用保水材料提高烟株的抗旱性，促进烟叶稳健生长保持较旺盛的生理代谢，光合作用积累的含碳化合物增加有关。保水剂处理对提高烟叶经济性状的促进效果较为显著，4 种保水剂处理的上等烟比例达到60.10%～64.05%，比对照增加了3.57%～10.37%，产值提高了3.71%～13.81%。保水剂的施用提高了土壤的保水能力，在干旱胁迫条件下能够及时释放为烟株提供水分和养分，有利于烟株中上部叶片扩展，形成良好的株型结构，因此，提高了上、中等烟叶的比例。整个生长阶段，施用聚丙烯酸盐和聚丙烯酰胺对烟株干物质积累及产量形成具有较好的促进作用。