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    水氮協(xié)作對(duì)烤煙生長(zhǎng)發(fā)育和干物質(zhì)累積的影響研究

    2018-03-21 02:43:56余志雄侯毛毛福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院福州50000江蘇省水利科學(xué)研究院南京0000福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院福州50000
    節(jié)水灌溉 2018年1期
    關(guān)鍵詞:水氮氮量葉面積

    余志雄,金 秋,侯毛毛(. 福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福州 50000;. 江蘇省水利科學(xué)研究院,南京 0000;. 福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院,福州 50000)

    烤煙是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一,水分和氮肥是影響烤煙生理生長(zhǎng)和產(chǎn)量品質(zhì)的兩大主要因素,調(diào)節(jié)水分和氮肥用量也是人們調(diào)控烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的重要手段[1]。我國(guó)化肥使用量居世界首位,據(jù)統(tǒng)計(jì)其年消耗量約占世界總量的27.4%[2]??緹熒a(chǎn)過程中,氮肥施用過度不僅導(dǎo)致報(bào)酬的遞減,還存在巨大的環(huán)境污染隱患[3]。另一方面,我國(guó)主要煙區(qū)水資源緊缺,灌溉條件差,干旱脅迫頻繁發(fā)生,制約了烤煙的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成[4,5]。目前我國(guó)主要煙區(qū)的水肥管理模式多以獲得煙葉高產(chǎn)為目標(biāo),灌溉和施肥制度不盡科學(xué),特別是灌溉量與施氮量不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象較為普遍。研究烤煙優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)的水氮協(xié)作技術(shù)及其效應(yīng),探索水分和氮肥相互作用的機(jī)理及其效應(yīng)對(duì)烤煙生長(zhǎng)發(fā)育的影響,尋求能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益雙贏的水氮協(xié)作方案,是改變煙區(qū)傳統(tǒng)水肥管理模式、節(jié)約水肥資源、提高煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)的有效方法。

    1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

    試驗(yàn)在江蘇省南京市江寧區(qū)橫溪鎮(zhèn)南京市蔬菜花卉科學(xué)研究所內(nèi)的蒸滲儀中進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)年蒸發(fā)量約為1472.5 mm,盛夏7-8月蒸發(fā)量明顯大于其他季節(jié),全年蒸發(fā)量最小值出現(xiàn)在冬季,后春大于深秋,全年以8月上旬蒸發(fā)量最大,以1月中旬最小。據(jù)1971-2000年的資料統(tǒng)計(jì),試驗(yàn)區(qū)全年日照時(shí)數(shù)為2 017.2 h,8月是全年日照時(shí)數(shù)最多的月份,日照時(shí)數(shù)達(dá)215.3 h;2月最少,日照時(shí)數(shù)為126.7 h。該區(qū)年平均降雨天數(shù)117 d,年降雨量1 106.5 mm,年平均溫度15.7 ℃,最大平均濕度81%,最大風(fēng)速19.8 m/s,無(wú)霜期237 d。

    蒸滲儀由水泥、磚塊砌成,每個(gè)蒸滲儀面積均為(4×2)m2,蒸滲儀中的土壤是原地按自然層次(測(cè)容重)回填的黃棕壤,質(zhì)地黏重,土壤基本理化性質(zhì)為:pH值5.87,有機(jī)質(zhì)含量14.35 g/kg,速效鉀153.84 mg/kg,速效磷5.39 mg/kg,堿解氮116.27 mg/kg。蒸滲儀上面安裝防雨棚,以隔絕自然降水。

    1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    試驗(yàn)選擇烤煙K326作為主要材料,利用漂浮育苗技術(shù)育苗,育苗盤規(guī)格為66×34.5×5.5 cm。幼苗長(zhǎng)出6片新葉時(shí)移栽至蒸滲儀。每個(gè)蒸滲儀中栽煙12株,行距1.2 m,株距0.5 m。

    試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3種灌溉量,3種施氮水平,共設(shè)9個(gè)水氮處理。每個(gè)處理重復(fù)3次。灌水按照烤煙伸根期,旺長(zhǎng)期,成熟期的灌水量分別占總灌水量的30%、40%和30%進(jìn)行分配,即移栽以后在蒸滲儀中每隔7 d灌水一次,把各生育階段的需灌水量平均灌至蒸滲儀土壤中(不同處理灌水次數(shù)、灌水時(shí)間均相同,僅灌水定額不同)。氮肥選用15N雙標(biāo)記NH4NO3,豐度為10.3%,氮肥施用比例按基肥∶追肥= 7∶3施用,基肥在烤煙移栽前一次性穴施,追肥時(shí)間為移栽后26 d;除氮肥外,各處理施用K2O 225 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2。各處理灌水量和施氮量如表1所示。

    1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

    (1)烤煙農(nóng)藝性狀與葉面積指數(shù)??緹熞圃砸欢螘r(shí)間后,每隔7 d測(cè)定煙株的株高,莖圍,最大葉長(zhǎng)與葉寬,每個(gè)處理選取3株測(cè)定,烤煙單株葉面積計(jì)算方法如下[6]:

    (1)

    表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    式中:As為烤煙單株葉面積;n為烤煙葉面數(shù);Li為第i片烤煙葉片最大葉長(zhǎng);Wi為第i片葉片最大葉寬。

    烤煙葉面積指數(shù)(LAI)按照如下公式計(jì)算[7]:

    LAI=As/S

    (2)

    式中:S為單株烤煙的占地面積。

    用作物生長(zhǎng)模型模擬LAI的動(dòng)態(tài)變化[8]:

    LAI=LAIM[1+(1-β)e-α(t-τ)]-1+LAI0(1-β)

    (3)

    式中:LAI為葉面積指數(shù);LAIM為L(zhǎng)AI的理論上限;LAI0為L(zhǎng)AI的理論下限;α、β為生長(zhǎng)常數(shù);t為烤煙移栽后天數(shù);τ為烤煙LAI達(dá)到1/2LAIM值所需要的天數(shù)。

    根據(jù)模型原理,此處模擬烤煙移栽后14~84 dLAI的動(dòng)態(tài)變化。

    (2)光合指標(biāo)。在烤煙旺長(zhǎng)期測(cè)定光合指標(biāo)一次,測(cè)定時(shí)間為觀測(cè)日的10:30。每個(gè)處理測(cè)定烤煙3株,測(cè)定葉位為煙株的自上向下第5片葉。測(cè)定工具為美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合測(cè)定儀,光強(qiáng)控制在800 mol/(m2·s)。測(cè)定指標(biāo)包括烤煙葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)以及蒸騰速率(Tr)。

    (3)烤煙干物質(zhì)累積。采用烘干稱重法。煙葉成熟時(shí),將植株按根、莖、葉分開,置入烘箱,105 ℃殺青半小時(shí)后,75 ℃烘至恒溫并稱重。

    1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

    顯著性分析采用SPSS17.0軟件[9]。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 水氮協(xié)作對(duì)烤煙農(nóng)藝性狀(葉面積、株高、莖粗)的影響

    與其他經(jīng)濟(jì)作物不同,烤煙以收獲葉片為目的,葉面積是構(gòu)成烤煙群體結(jié)構(gòu)的重要因子,且葉面積的大小直接反映烤煙的產(chǎn)量及生長(zhǎng)狀況,因此,不同試驗(yàn)設(shè)計(jì)下烤煙的葉面積是烤煙基礎(chǔ)研究領(lǐng)域重要的監(jiān)測(cè)對(duì)象[10]。表2所示為不同水氮協(xié)作處理烤煙單株葉面積隨移栽后天數(shù)的變化??傮w來(lái)看,烤煙葉面積的增長(zhǎng)和生育階段密切相關(guān),分為“緩慢增長(zhǎng)”,“快速增長(zhǎng)”,“相對(duì)穩(wěn)定”3個(gè)階段。移栽后30 d,不同處理烤煙單株葉面積指數(shù)已有明顯差異,其中,W600N120和W800N120處理烤煙單株葉面積顯著高于其他處理,分別達(dá)到3 461.9和3 506.5 cm2,而W1000N120單株葉面積要遠(yuǎn)低于W600N120和W800N120,這可能由于前期灌溉量較大,部分養(yǎng)分損失或淋溶至下層土壤;不施氮處理烤煙單株葉面積處于較低水平,僅為1 145.1~2 141.2 cm2;施氮量90 kg/hm2處理不同灌溉量條件下烤煙單株葉面積相差不明顯。

    移栽后30~63 d,烤煙開始進(jìn)入旺長(zhǎng)期,葉面積大幅增長(zhǎng)。從移栽后45 d烤煙單株葉面積可看出,施氮量對(duì)葉面積增長(zhǎng)的影響十分顯著,而灌溉量與烤煙單株葉面積沒有明顯相關(guān)關(guān)系。移栽后45~63 d,各處理葉面積增幅較為一致,以W600N120烤煙單株葉面積最大,達(dá)到21 930.7 cm2,W800N120次之,為21 685.4 cm2,這充分體現(xiàn)了施氮對(duì)旺長(zhǎng)期烤煙葉片生長(zhǎng)的促進(jìn)作用;不施氮處理W600N0、W800N0與W1000N0烤煙葉面積處于較低水平,為16 473.3~19 245.8 cm2。

    移栽后63~77d,烤煙進(jìn)入成熟期,此時(shí)烤煙單株葉面積增長(zhǎng)逐漸放緩并趨向穩(wěn)定。從不同處理烤煙移栽后77 d的單株葉面積可看出,對(duì)于施氮量90 kg/hm2處理與施氮量120 kg/hm2處理,W600N90與W800N120分別處于最高水平,說(shuō)明600 mm灌溉量結(jié)合90 kg/hm2施氮量與800 mm灌溉量結(jié)合120 kg/hm2施氮量更有利于氮素從肥料態(tài)向速效態(tài)轉(zhuǎn)化,從而促進(jìn)烤煙對(duì)氮素養(yǎng)分的吸收。另外,在這一階段,W1000N120烤煙單株葉面積漲幅最大,這可能由于隨著根系的下扎,淋溶至深層次土壤的氮素被烤煙吸收。

    圖1為不同水氮協(xié)作處理下烤煙株高隨移栽后天數(shù)的變化。從圖1中可以看出,烤煙株高在45~63 d時(shí)增幅最大,63~77 d增幅較小,趨于平穩(wěn)。移栽后30 d,W600N120處理烤煙株高最高,達(dá)到28.9 cm,W1000N90、W600N120與W800N120烤煙株高顯著高于其他處理;移栽后45~63 d,烤煙進(jìn)入旺長(zhǎng)期,此時(shí)是烤煙需水需肥的關(guān)鍵時(shí)期,根系迅速向縱深和橫向發(fā)展,莖迅速長(zhǎng)高加粗,至移栽后63 d,各處理烤煙株高均達(dá)到較高水平,其中W600N120烤煙株高顯著高于其他處理;移栽63~77 d,烤煙逐漸進(jìn)入成熟期,此時(shí)煙株由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樯成L(zhǎng),各處理烤煙株高增幅不大,至移栽后77 d,施氮量90 kg/hm2處理烤煙株高比不施氮處理高出6.76%~30.25%,施氮量120 kg/hm2處理烤煙株高比不施氮處理高出12.66%~27.31%??傮w來(lái)看,施氮量與烤煙株高呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,而灌溉量與烤煙株高關(guān)系不明顯。

    表2 不同水氮處理烤煙單株葉面積

    注:不同字母表示不同處理差異顯著(p<0.05),下同。

    注:不同字母表示不同處理差異顯著(p<0.05),下同。圖1 烤煙株高隨移栽后天數(shù)的變化

    圖2所示為不同水氮協(xié)作處理下烤煙莖粗隨移栽后天數(shù)的變化。圖2中可以看出,烤煙莖粗的差異沒有株高明顯,移栽后30 d,以W800N120烤煙莖粗最大,達(dá)到2.06 cm,W1000N90次之,不施氮處理W1000N0最??;移栽后63 d,W600N90、W800N90、W600N120和W800N120烤煙莖粗顯著高于其他處理,1 000 mm灌溉量處理W1000N90與W1000N120烤煙莖粗相對(duì)較小,這說(shuō)明1 000 mm灌溉量對(duì)烤煙旺長(zhǎng)期莖粗的增長(zhǎng)不利;移栽后77 d,以W800N120烤煙莖粗最大,達(dá)到3.27 cm,此時(shí)施氮量90 kg/hm2處理烤煙莖粗比不施氮處理高出8.46%~24.50%,施氮量120 kg/hm2處理烤煙莖粗比不施氮處理高出6.99%~ 31.33%。總體來(lái)看,在相同灌溉量條件下,施氮量越大,烤煙莖粗越粗;而相同施氮量條件下,800 mm灌溉量對(duì)烤煙莖粗的增長(zhǎng)最有利。

    圖2 烤煙莖粗隨移栽后天數(shù)的變化

    2.2 水氮協(xié)作對(duì)烤煙LAI的影響及模型模擬

    水氮協(xié)作條件下烤煙全生育期LAI的動(dòng)態(tài)變化如圖3所示,圖3中可以看出,烤煙LAI隨移栽后天數(shù)的變化為單峰曲線。W800N120烤煙LAI在全生育期均處于最高水平;W1000N120處理烤煙LAI在14~63 d處于較低水平,但63 d后表現(xiàn)出較好的長(zhǎng)勢(shì);此外,W1000N90處理烤煙LAI也處于較低水平,移栽77 d后尤為明顯,這說(shuō)明烤煙LAI與施氮量密切相關(guān),與灌水量相關(guān)性不大。施氮量90 kg/hm2處理中,以W600N90烤煙LAI的峰值最大,在84 d時(shí)達(dá)到3.698;施氮量120 kg/hm2處理中,以W800N120烤煙LAI的峰值最大,在84 d時(shí)達(dá)到4.124。從圖3中還可以看出,各處理烤煙LAI的動(dòng)態(tài)變化大致可以分為3個(gè)階段:第一階段,從移栽后14~35 d,烤煙LAI處于緩慢增長(zhǎng)期,各處理LAI值相差不大;第二階段,從移栽后35~84 d,烤煙LAI處于快速增長(zhǎng)期,W800N120烤煙LAI在該階段增長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)明顯;第三階段,移栽84 d后,隨著烤煙進(jìn)入成熟期及對(duì)煙葉的采摘,LAI值出現(xiàn)衰退現(xiàn)象,各處理LAI降幅基本一致。

    圖3 烤煙LAI隨移栽后天數(shù)的變化

    烤煙LAI的模型研究可為模擬烤煙群體生長(zhǎng)發(fā)育及進(jìn)一步提高烤煙產(chǎn)量提供依據(jù),同時(shí)亦可為烤煙種植的數(shù)字化決策和動(dòng)態(tài)化調(diào)控建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[6]。作物生長(zhǎng)模型參數(shù)個(gè)數(shù)較多,但能夠?yàn)闆Q策提供較多有益信息,其模擬精度亦處于較高水平,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.987 5~0.998 1(表3)。從擬合出的LAIM值可發(fā)現(xiàn),在相同灌溉量條件下,施氮量120 kg/hm2烤煙LAI的理論最大值要高于施氮量90 kg/hm2烤煙LAI的。而相同施氮量條件下,灌溉量對(duì)于烤煙LAI理論最大值沒有明顯的作用,施氮量90 kg/hm2處理中,W600N90烤煙LAI理論最大值最大,達(dá)到3.866;施氮量120 kg/hm2處理中,W800N120烤煙LAI理論最大值最大,達(dá)到4.356。另外,從τ值可看出,不同水氮協(xié)作處理烤煙LAI到達(dá)1/2LAIM值所需要的時(shí)間也有差異,但相差不大,其中W800N120處理到達(dá)1/2 LAIM值所需要的時(shí)間最短,為45.29 d;W1000N90處理到達(dá)1/2LAIM值所需要的時(shí)間最長(zhǎng),為57.30 d。就LAI0和LAIM值來(lái)看,W800N120為最優(yōu)水氮協(xié)作處理。

    表3 作物生長(zhǎng)模型模擬結(jié)果

    2.3 水氮協(xié)作對(duì)旺長(zhǎng)期烤煙光合特性的影響

    表4所示為水氮協(xié)作對(duì)旺長(zhǎng)期烤煙光合特性的影響。由于是瞬時(shí)特征,當(dāng)天的水分狀態(tài)或葉綠素狀態(tài)可能對(duì)不同處理烤煙光合指標(biāo)產(chǎn)生較大影響[11]。從表4中可看出,旺長(zhǎng)期烤煙光合速率Pn值以W800N120較高,達(dá)到19.25 μmol/(m2·s),并顯著高于其他處理(P<0.05);不施氮處理W600N0、W800N0和W1000N0烤煙Pn值總體處于較低水平??傮w來(lái)看,在試驗(yàn)設(shè)計(jì)灌溉量范圍內(nèi),施氮有利于提高旺長(zhǎng)期烤煙Pn。在90和120 kg/hm2施氮量條件下,分別以600和800 mm灌溉量旺長(zhǎng)期烤煙Pn值最高。

    不同水氮處理旺長(zhǎng)期烤煙氣孔導(dǎo)度Gs值以W800N120較高,達(dá)到0.584 4 mol/(m2·s);W1000N120次之,達(dá)到0.573 4 mol/(m2·s),與W800N120之間沒有顯著差異(P>0.05)。旺長(zhǎng)期烤煙Gs值受灌溉量影響較大,與施氮量的關(guān)系并不明顯,這可能由于不同的供水量使得土壤供水狀況和空氣濕度發(fā)生差異,引起Gs的變化,調(diào)節(jié)了煙株的氣孔導(dǎo)度從而對(duì)光合作用產(chǎn)生影響[12]。然而,氣孔導(dǎo)度雖對(duì)光合進(jìn)行調(diào)節(jié),但其主要功能是用來(lái)調(diào)節(jié)煙葉的蒸騰強(qiáng)度[13]。

    旺長(zhǎng)期烤煙胞間二氧化碳濃度Ci以W800N120較高,達(dá)到304.49 μmol/mol;除不施氮處理外,各水氮處理旺長(zhǎng)期烤煙Ci沒有顯著差異(P>0.05)。W600N120和W1000N90處理烤煙Pn和Gs均顯著高于W800N90,而Ci值與W800N90差異不大,這可能由于進(jìn)入細(xì)胞間隙的CO2濃度太多,但合成能力有限而略有盈余[14]。

    旺長(zhǎng)期烤煙蒸騰速率Tr以W1000N120最高,達(dá)到6.05 mmol/(m2·s);W800N120和W1000N120沒有顯著差異(P>0.05);不施氮處理旺長(zhǎng)期烤煙Tr總體處于較低水平。與Pn相似,水氮協(xié)作對(duì)旺長(zhǎng)期烤煙Tr有明顯影響。相同灌溉量條件下,旺長(zhǎng)期烤煙Tr總體與施氮量呈正相關(guān)(600 mm灌溉量除外);而在90和120 kg/hm2施氮量條件下,分別以600和1 000 mm旺長(zhǎng)期烤煙Tr較高。

    表4 水氮協(xié)作對(duì)旺長(zhǎng)期烤煙光合特性的影響

    2.4 水氮協(xié)作對(duì)烤煙干物質(zhì)累積的影響

    表5所示為水氮協(xié)作處理對(duì)收獲時(shí)烤煙不同器官干物質(zhì)累積的影響。不同處理烤煙根部干重以W800N120最高,達(dá)到85.00 g/株,并顯著高于其他處理(P<0.05);W600N120次之,為77.04 g/株;W1000N0處理最低,烤煙根部干重僅為43.25 g/株,顯著低于其他處理(P<0.05)??傮w來(lái)看,相同灌溉量條件下高施氮量有助于提高烤煙根部干重??緹熐o部干重以W600N120處于最高水平,達(dá)到83.01 g/株,W600N120、W800N90以及W800N120處理烤煙莖部干重差異并不顯著(P>0.05);W1000N0處理烤煙莖部干重最低,僅為49.46 g/株。相同灌溉量條件下,烤煙莖部干重與施氮量呈明顯的正相關(guān);相同施氮量條件下,烤煙莖部干重總體上以800 mm灌溉量最高??緹熑~部干重為120.59~163.07 g/株,以W800N120處理最高,W800N120、W800N90和W1000N120差異并不顯著(P>0.05);不施氮處理W600N0、W800N0和W1000N0烤煙葉部干重總體處于較低水平,其中W1000N0顯著低于其他處理(P<0.05)。不同水氮協(xié)作處理烤煙全株干物質(zhì)量為213.29~328.57 g/株。從上述結(jié)果分析可知:烤煙各器官干物質(zhì)累積受施氮量影響更大;根與莖的干物質(zhì)積累、全株干物質(zhì)的積累與葉干物質(zhì)積累并無(wú)必然聯(lián)系,全株干重高的處理其根或莖或葉的干重未必大,某個(gè)器官占全株干重大的處理,其他器官占全株干重的比例也不一定大,這一結(jié)果與丁福章[15]的研究結(jié)果相似。

    表5 不同水氮協(xié)作處理烤煙器官的干物質(zhì)累積量

    3 結(jié)論與討論

    (1)收獲期不同處理以W800N120處理烤煙單株葉面積最高。作物生長(zhǎng)模型擬合烤煙LAI的精度較高,達(dá)到0.987 5~0.998 1。在相同灌溉量條件下,施氮量120 kg/hm2烤煙LAI的理論最大值要高于施氮量90 kg/hm2。而相同施氮量條件下,灌溉量對(duì)于烤煙LAI理論最大值沒有明顯影響。

    (2)后期水分和氮素過多會(huì)使得煙葉貪青晚熟,影響煙葉的分層落黃。中水高氮處理W800N120煙葉凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率等指標(biāo)總體處于較優(yōu)水平。

    (3)烤煙各器官干物質(zhì)累積受施氮量影響更大,不同水氮協(xié)作處理以W800N120烤煙葉部干物質(zhì)累積量最高。根與莖的干物質(zhì)積累、全株干物質(zhì)的積累與葉干物質(zhì)積累無(wú)必然聯(lián)系。相比而言,高水低氮處理烤煙葉片干重占總干重的比例較大。

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