負壓灌溉下云南紅壤烤煙生長及耗水特征研究

喻科凡 代快 龍懷玉 張認連 朱國龍 王轉 李格

摘 要：為探究云南烤煙耗水規(guī)律、發(fā)展煙田高效水分管理技術，在云南玉溪市進行大棚盆栽試驗，以常規(guī)澆灌（CK）為對照，設置–5 kPa（W1）、–10 kPa（W2）兩個負壓灌溉處理，觀測不同處理下烤煙生長發(fā)育、耗水特征及光合作用。結果表明，相較于常規(guī)灌溉，負壓灌溉處理能夠顯著提高伸根期、旺長期烤煙株高，且以W1更優(yōu);在烤煙成熟期，W2的最大葉長及葉面積顯著低于CK，除莖圍外，W1的各項農藝性狀與CK均無顯著差異，莖圍表現(xiàn)為CK>W1>W2，處理間差異顯著;相較于CK，W1各器官干質量及總干質量變化不顯著，而W2顯著降低了葉干質量、莖干質量及總干質量，W2處理根質量占全株的比例顯著高于CK，不顯著高于W1;負壓灌溉降低了烤煙中后期的作物系數(shù)，顯著減少了烤煙耗水量14.1%～ 45.7%，W2的水分利用效率（WUE）較CK顯著提高28.6%，W1的WUE與CK無明顯差異;除旺長期凈光合速率（Pn）表現(xiàn)為CK>W2>W1、成熟期胞間二氧化碳濃度（Ci）表現(xiàn)為W2>CK>W1外，各光合特性數(shù)值均表現(xiàn)為CK>W1>W2。綜上，–5 kPa負壓灌溉對云南紅壤烤煙生長沒有顯著影響，?10 kPa負壓灌溉則顯著限制烤煙生長。

關鍵詞：負壓灌溉;烤煙;耗水量;作物系數(shù);水分利用效率;光合作用

Abstract： In order to explore the characteristics of water consumption of flue-cured tobacco in Yunnan and develop technology of efficient water management in tobacco field， a pot experiment in greenhouse was conducted in Yuxi City， Yunnan Province. With conventional irrigation （CK） as control， two negative pressure irrigation treatments of –5 kPa （W1） and –10 kPa （W2） were set up to observe the characteristics of water consumption， growth and development and photosynthesis of flue-cured tobacco under different treatments. The results showed that compared with conventional irrigation， negative pressure irrigation could significantly increase the plant height of flue-cured tobacco at root spreading stage and fast growing stage， and W1 treatment was better; The maximum leaf length and leaf area of W2 treatment were significantly lower than those of CK at mature stage， and except for stem circumference， there was no significant difference between W1 treatment and CK， the stem circumference was CK>W1>W2， and the difference among treatments was significant; Compared with CK， organs dry biomass and total dry biomass of W1 did not change significantly， while W2 significantly decreased leaf dry matter， stem dry matter and total matter. The proportion of root biomass of W2 was significantly higher than that of CK， but not significantly different from that of W1; negative pressure irrigation reduced the crop coefficient of flue-cured tobacco at the middle and late stages， significantly reduced the total water consumption of flue-cured tobacco by 14.4%～45.7%; Compared with CK， W2 significantly improved the water use efficiency by 28.6%， and there was no significant difference between W1 and CK; Except that the net photosynthetic rate （Pn） at fast growing stage was CK>W2>W1， and the intercellular carbon dioxide concentration （Ci） at the mature stage was W2>CK>W1， the photosynthetic characteristics were CK>W1>W2. To sum up， –5 kPa negative pressure irrigation had no significant effect on the growth of flue-cured tobacco in Yunnan red soil， while –10 kPa negative pressure irrigation significantly restricted the growth of flue-cured tobacco.

Keywords： negative pressure irrigation; flue-cured tobacco; water consumption; crop coefficient; water use efficiency; photosynthesis

負壓灌溉技術能將根區(qū)土壤水分控制在作物生長的最佳水平，持續(xù)穩(wěn)定地供水，減少耗水量，從而提高作物生產力及水肥利用效率[1-4]，近年來在茼蒿[1]、黃瓜[2]、紫葉生菜[3]、番茄[4]等作物上得到了較多的研究。但負壓灌溉的技術效果與土壤條件密切相關，向艷艷等[5]試驗表明辣椒的果長、果徑和單果重等指標在紅菜園土上的供水壓力以–5.0 kPa最好，而在潮菜園土上以–10 kPa最好。黃楚瑜等[6]研究發(fā)現(xiàn)小白菜種植在粉砂質黏土上以–10 kPa產量最高，而在粉砂質黏壤土以–5 kPa最高。這可能是由于不同土壤質地的水力傳導性和保水性不同[7-8]所導致的。WANG等[9-10]發(fā)現(xiàn)相同負壓下顆粒較大的土壤水分滲透性比細顆粒土壤更差，同一負壓下不同土壤質地的累計供水量不同，從高到低依次是粉質壤土、壤土、黏質壤土、砂質壤土、黏土。

負壓灌溉技術在烤煙上也得到了少量研究，劉學勇等[11]通過對田間試驗進行二次曲線回歸擬合，推斷烤煙伸根期、旺長期及成熟期最適供水壓力分別為–19.7 ～ –18.5 kPa、–13.94 ～ –12.47 kPa、–16.79～ –16.15 kPa。肖海強等[12]認為烤煙伸根期適宜供水壓力為–20 ～ –15 kPa、旺長期約為–10 kPa、成熟期為–15 ～ –10 kPa。丁亞會等[13]發(fā)現(xiàn)負壓灌溉下水鉀一體模式能促進烤煙中后期的生長發(fā)育、干物質積累和煙葉鉀素的吸收，且明顯提高了水肥利用效率。但以往負壓灌溉在煙草上的研究均在山東地區(qū)[11-13]進行，試驗用土為褐土，土壤質地為黏壤，尚未發(fā)現(xiàn)在其他土壤類型、土壤質地上的相關研究，因此有必要在更多的土壤類型、土壤質地上開展試驗。云南是我國最大煙葉產區(qū)，其主要地形是山地，灌溉條件差，生產主要靠自然降雨，而降雨在時空分布上嚴重不均，這就導致了煙株生長前期常遇階段性干旱，對煙株生長發(fā)育和產質量的提升十分不利。因此，有必要在該地區(qū)采用一種適宜的節(jié)水灌溉技術，合理利用有限的水資源。玉溪地區(qū)土壤大部分屬于紅壤，質地類型為壤質黏土，與已有研究的土壤類型、土壤質地差異很大，故本試驗通過研究云南玉溪紅壤下不同負壓供水對烤煙耗水規(guī)律、水分利用效率及干物質積累量等的影響，探究此土壤質地下烤煙適宜的負壓供水條件，從而為實現(xiàn)水資源的高效利用、促進煙草節(jié)水灌溉技術的發(fā)展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2019年9—12月在云南省玉溪市烤煙生產技術研究中心遮雨大棚（E 102.52°，N 24.38°）內進行，供試土壤為紅壤（砂粒40%、粉粒17%、黏粒43%），田間持水量FC為30%，pH 5.3，有機質含量28.1 g/kg，全氮1.5 g/kg，全磷1.0 g/kg，全鉀11.3 g/kg，水解性氮167.3 mg/kg，有效磷80.4 mg/kg，速效鉀272.9 mg/kg，緩效鉀110.6 mg/kg。土壤風干后過2 mm篩，每盆裝土19.0 kg，容重為1.3 g/cm3。煙草品種為K326，由玉溪烤煙生產技術研究中心提供。負壓灌水系統(tǒng)由控壓裝置（重液式負壓閥）、儲水桶（內半徑：13.0 cm）、灌水器（陶土管）3部分組成。

1.2 試驗設計

試驗共設3個處理（W1，–5 kPa供水;W2，–10 kPa供水;CK，人工澆水至60%～70% FC），每處理3個重復。CK，每天測量土壤含水量，當小于等于60% FC時澆水至70% FC。移栽前每盆均施入10 g復合肥[m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=12∶6∶24]作基肥，氮肥與磷肥除基肥施入外，其余以硝酸磷銨[m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=30∶6∶0]及過磷酸鈣進行追肥。鉀肥除基肥施入外，以硫酸鉀進行追施。共施N 4.5 g/盆，P2O5 2.3 g/盆，K2O 18.2 g/盆。于2019年7月31日在基質托盤中播種育苗，2019年9月20日選取長勢均勻的煙苗進行移栽，移栽后每盆澆水至80% FC，待還苗成活后進行負壓供水，在第一朵中心花開時打頂，12月21日收獲。

1.3 主要氣象條件

當?shù)販貪穸鹊淖兓鐖D1所示。10月11日（開始控水）時，大棚兩側塑料膜晝夜均為打開狀態(tài)，棚內外溫濕度基本相同。直至11月初（控水第25天左右）會關閉大棚兩側塑料膜，以保持大棚溫暖，棚內夜間溫度會高于外界溫度。12月2日（控水第53天）直至試驗結束大棚兩側塑料膜晝夜均保持關閉，據(jù)符國槐等[14]的研究，冬季大棚內外溫差極大，日均氣溫相差最高達到12 ℃，此時棚內溫度遠高于棚外，以溫差5 ℃來估算，棚內溫度在9.0～17.4 ℃，平均溫度為13.3 ℃，能滿足煙草生長。

水面蒸發(fā)量的測定采用20 cm直徑的小型蒸發(fā)皿，試驗期間溫室內的蒸發(fā)量變化情況如圖2所示。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 農藝性狀的測定 烤煙移栽后，于烤煙伸根期、旺長期和成熟期測量烤煙葉片數(shù)、株高、最大葉長及葉寬等指標（參照煙草行業(yè)標準YC/T 142—2010），并計算最大葉面積（最大葉長×葉寬× 0.634 5）。

1.4.2 煙株各器官干物質量及占全株比例 烤煙成熟期分別取根、莖和葉于烘箱105 ℃殺青30 min，然后80 ℃下烘干至恒重，獲取干生物量，計算各器官干物質分配比例。

1.4.3 土壤含水量的測定 在煙草負壓控水形成后每隔兩天在距莖10 cm處均勻取3點進行測定，取平均值。測量深度為0～15 cm，時間為17：00—18：00，測定儀器為AZS-100土壤水分速測儀。

1.4.4 光合作用的測定 于伸根期用Li-6400測從上往下數(shù)完全展開葉的第4～6片葉，旺長期與成熟期測從下往上第7～9片，取其平均值。

1.5 數(shù)據(jù)計算與處理

1.5.1 灌水量 每天17：00根據(jù)儲水桶的水位刻度讀取水位，水位差與橫截面積之積即為灌水量，單位L。

1.5.2 植株耗水量

（1）式中：ETci為第i時間段結束時烤煙的耗水量（L），Mi為第i時間段灌水量（L），ΔW為土壤儲水量變化量（L），θmi為第i時刻土壤的質量含水量（%），θmi-1為第i時間段起始時土壤的質量含水量（%），ms為盆缽中土體質量（kg），ρw為水的密度（kg/L）。

1.5.3 耗水模數(shù) 耗水模數(shù)=各生育階段耗水量（L）/總耗水量（L）[15]

1.5.4 水分利用效率（WUE） 煙株水分利用效率（g/kg）=煙株干物質量（g）/煙株耗水量（kg）。

1.5.5 作物系數(shù)Kc、土壤水分脅迫系數(shù)Ks、土壤蒸發(fā)系數(shù)Ke、基本作物系數(shù)Kcb 以聯(lián)合國糧農組織1998年出版的灌溉排水手冊（FAO-56） [16]中的蒸發(fā)皿蒸發(fā)法及雙作物系數(shù)法進行計算：

式（2）中ET0為參考作物蒸散量（mm/d）;Kp為蒸發(fā)皿系數(shù)，取云南多年平均值0.72[17];Epan為蒸發(fā)皿蒸發(fā)量（mm/d），大棚中測得;式（3）中ETc為作物蒸散量（mm/d），即作物需水量，由于沒有滲漏及徑流，以作物耗水量代替。式（4）中，Ks為土壤水分脅迫系數(shù)，充分灌溉條件下Ks=1，存在水分脅迫時，0<Ks<1;Ke為土壤蒸發(fā)系數(shù);Kcb為基本作物系數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)處理方法

用SPSS 25.0進行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，Duncan新復極差法進行差異顯著性檢驗（p<0.05），Origin 2018與Excel 2016制作圖表。

2 結 果

2.1 農藝性狀

由表1可知，伸根期葉片數(shù)、株高均表現(xiàn)為W1>W2>CK，W1、W2與CK差異顯著，但W1、W2二者間無顯著差異;W1、W2與CK間最大葉長、葉寬及葉面積均未達到顯著差異。旺長期，株高表現(xiàn)為W1>W2>CK，處理間差異顯著;W1處理的最大葉長及葉寬與CK差異不顯著，但二者的最大葉面積均顯著高于W2;各處理的葉片數(shù)、最大葉寬均未達到顯著水平。成熟期，負壓灌溉處理的葉片數(shù)、最大葉寬與CK無顯著差異，W1的株高、最大葉長與CK差異不顯著，但分別顯著高出W2 31.7%、13.1%，W2的最大葉面積顯著較CK低22.5%，而W1的最大葉面積與CK無顯著差異，莖圍表現(xiàn)為CK>W1>W2，處理間差異顯著。這表明負壓灌溉供水壓力為?5 kPa時能維持烤煙多數(shù)農藝指標的正常。

2.2 干物質積累與分配

由表2可知，W2總干質量比CK、W1分別顯著減少了30.0%、28.3%，而W1雖然總干質量比CK減少了2.4%，但差異不顯著，表明過低壓力的負壓灌溉將引起烤煙干質量減少，且壓力越低減少量越大。W1處理的葉、莖干質量分別顯著高出W2 52.2%、38.1%，與CK差異不顯著，葉、莖占全株質量的比例在各供水處理間無顯著差異。根干質量及其占全株比例表現(xiàn)為W2>W1>CK，但各處理間根干質量差異不顯著，而W2處理根質量占全株的比例顯著高于CK，表明負壓灌溉能提高根部干物質的分配比，促進根系發(fā)育。

2.3 烤煙耗水及作物系數(shù)

表3顯示，伸根期及旺長期的耗水量表現(xiàn)為CK>W1>W2，W1、W2在伸根期比CK減少了3.7%～9.4%，但差異不顯著，在旺長期比CK顯著減少了23.4%～41.9%。成熟期耗水量表現(xiàn)為W1>CK>W2，W1比CK增加了4.8%。W1、W2的耗水模數(shù)變化趨勢與CK一致，均表現(xiàn)為先增加后減少。

從圖3來看，烤煙生長前期（第1～18天），W1、W2處理的作物系數(shù)呈上升趨勢，且高于CK;在第25～66天各時間段作物系數(shù)均表現(xiàn)為CK>W1>W2，W1、W2處理的作物系數(shù)均在第31～36天達到最高，此后總體表現(xiàn)為下降趨勢，表明負壓灌溉中后期會降低烤煙作物系數(shù);CK整個生育期內烤煙作物系數(shù)在0.52～6.41間變化，變化幅度較大。

試驗前期負壓灌溉土壤水分尚未達到動態(tài)平衡，到第18天時，土壤水分逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時負壓灌溉表層土壤接近風干土狀態(tài)，由于土壤蒸發(fā)量隨土壤含水量的降低而線性減少，因此負壓灌溉的蒸發(fā)遠小于常規(guī)澆灌，幾乎為0[18]，故可以認為此時的土壤蒸發(fā)系數(shù)（Ke）約為0。同時，CK的干物質量與W1沒有顯著差異（表2），因此可以認為–5 kPa無明顯水分脅迫，Ks為1，而Kcb主要取決于遺傳性狀，理論上不同處理均相同。由以上分析計算后結果如表4所示，從中可知，W1與CK的作物系數(shù)Kc先增加后減少，W2則逐漸減少。W2各階段的水分脅迫系數(shù)Ks均小于1.0，表明–10 kPa在各時期均產生一定程度的水分脅迫，不利于烤煙生長發(fā)育;且W2的水分脅迫系數(shù)Ks后期要小于中期，說明隨著時間的延長–10 kPa下的水分脅迫更加嚴重。W1、W2的Ke為0，而CK的Ke占作物系數(shù)的20.98%～27.90%，表明負壓灌溉能有效地阻斷土壤水分蒸發(fā)，常規(guī)澆灌的節(jié)水空間還相當大。CK的土壤蒸發(fā)系數(shù)Ke中后期相差不大，說明在本試驗條件下，常規(guī)澆灌下土壤蒸發(fā)力比較穩(wěn)定，作物系數(shù)的變化主要取決于烤煙本身生長發(fā)育狀況。

2.4 水分利用效率

表5顯示，W1、W2處理總耗水量均較CK顯著降低，分別減少了14.1%、45.7%，且W2較W1顯著減少了36.7%?？緹熒锪克掷眯剩╓UE）以W2最高，顯著高出CK 28.6%，與W1無顯著差異，表明適當?shù)呢搲汗喔葔毫δ茱@著提高烤煙WUE，且WUE隨負壓灌溉壓力減小而增大。

2.5 光合作用

如表6所示，凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）及蒸騰速率（Tr）在伸根期均表現(xiàn)為W2<W1<CK，除Pn在CK與W1之間差異不顯著外，其他指標在各處理間均差異顯著。旺長期時，W2處理的Gs、Ci、Tr顯著低于CK，W1處理的Ci、Tr與CK無顯著差異，但其處理的Gs顯著低于CK，與W2無顯著差異。成熟期時，W2處理的Pn分別比W1、CK顯著低89.2%、92.6%，W1與CK間無顯著差異;Gs、Tr均表現(xiàn)為W2<W1<CK，且三者間具有顯著差異;W2處理的Ci顯著高于W1 62.4%，與CK無顯著差異?？傮w而言，相對于常規(guī)灌溉，負壓灌溉顯著降低了光合指標的數(shù)值，而且壓力越小降低程度越大。

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)，–5 kPa負壓灌溉供水的農藝性狀和光合特征總體上要顯著優(yōu)于–10 kPa，這與現(xiàn)有研究規(guī)律相同，供水壓力越大作物的光合作用越強、生長越旺盛[19-20]。但本研究中負壓灌溉處理成熟期期的農藝性狀和各時期的光合作用等指標要低于常規(guī)澆灌，與朱國龍等[19]、王轉等[20]的研究結果不同，可能是受試驗時間、土壤水分含量等因素的綜合影響。

前人研究發(fā)現(xiàn)，–10 kPa ～ –5 kPa負壓灌溉相比常規(guī)澆灌能提高作物的干物質量，其中–5 kPa相比其他供水壓力更有利于作物干物質的積累[19-20]，而本研究結果表明，–5 kPa處理的各器官干質量和總干質量與常規(guī)澆灌差異不顯著，而–10 kPa處理顯著降低了烤煙的葉、莖和總干質量，與前人研究結果有所不同，這再次說明作物適宜的負壓供水壓力會因作物、土壤以及氣候的不同而不同[21]。

作物系數(shù)（Kc）是估算作物蒸散量（ETc）的重要參數(shù)，對田間灌溉管理十分重要[22]。本試驗結果表明負壓灌溉相比常規(guī)澆灌降低了烤煙中后期的作物系數(shù)，在烤煙需水量較多的中后期減少了耗水量。而本文中烤煙Kc明顯地大于段淑輝[23]的試驗值（生育期內作物系數(shù)為0.38～1.06），這是由于本試驗是盆栽試驗，進行ETc計算時采用的是盆栽土面面積，實際單株煙草植被覆蓋面積大于盆面，而以大田種植1.8×104株/hm2來算則每株煙平均占地0.55 m2，是盆面的7.6倍，因此耗水量相同情況下，耗水量與面積之比遠高于傳統(tǒng)的大田試驗，作物系數(shù)很高。而本試驗Kc高于同樣是盆栽試驗的劉學勇[24]的試驗值（1～16周作物系數(shù)為0.1～1.6），這是由于本試驗的日蒸發(fā)量在棚內測得，多在1.0～2.5 mm，而劉學勇的日蒸發(fā)量是露天測得，多在2.0～5.0 mm，幾乎成二倍關系，因此本試驗Kc更高。

水分利用效率（WUE）是衡量作物生物量與耗水量關系的重要指標。相比常規(guī)澆灌，–5 kPa和–10 kPa的耗水量分別顯著減少14.1%、45.7%，而煙株總干質量分別減少2.4%、30.0%，耗水量的降低程度高于總干質量的降低程度，因此負壓灌溉的WUE得到提高。負壓灌溉能大量減少耗水量主要原因有兩個：一方面，從作物系數(shù)各參數(shù)可知，常規(guī)澆灌的土壤蒸發(fā)系數(shù)占作物系數(shù)的20.98%～27.90%，因此常規(guī)澆灌大部分耗水用于土壤蒸發(fā)，而負壓灌溉則能減少大量表土的無效水分蒸發(fā);另一方面從烤煙光合作用可知，負壓灌溉處理相比常規(guī)澆灌具有更低的氣孔導度與蒸騰速率，因此減少了烤煙的蒸騰耗水。其中–10 kPa的WUE雖然比–5 kPa更高，但總干質量很小，耗水量降低程度更大是其WUE提高的主要原因，這與邊云等[25]的研究結果相一致，WUE隨供水壓力的減少而增大，但過低的供水壓力會影響作物產量的形成，因此需要兼顧高產與高效選擇適合的供水壓力，在本研究中以–5 kPa更佳。由于棚內溫濕度環(huán)境與大田相差較大，適宜于當?shù)靥镩g的負壓灌溉方式有待進一步研究確定。

4 結 論

本研究發(fā)現(xiàn)，相比于常規(guī)澆灌，負壓灌溉更有利于減少烤煙的耗水量、提高其水分利用效率，且會降低烤煙中后期的作物系數(shù)，但對耗水模數(shù)在生育期內的變化規(guī)律無明顯影響。其中–5 kPa能維持較高的光合速率和各器官干質量，而–10 kPa顯著降低了烤煙的光合速率、葉干質量、莖干質量和總干質量，因此從提高烤煙水分利用效率和干物質量的角度考慮，–5 kPa負壓灌溉是本試驗條件下云南紅壤烤煙種植較優(yōu)的灌溉方式。

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