水肥一體化條件下階段性動態(tài)水肥供應(yīng)對烤煙生理特性的影響

雷 佳，張 璽，文志強(qiáng)，李淮源，王曉劍，鄧世媛，陳建軍*

（1.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510610；2.廣東煙草韶關(guān)市有限公司，廣東 韶關(guān) 512000；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草研究室，廣東 廣州 510642）

水肥一體化是利用各級管道設(shè)備和壓力裝置，將灌溉與施肥有機(jī)結(jié)合在一起的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，大量的應(yīng)用研究表明，水肥一體化能滿足水分和養(yǎng)分在時間上的同步和空間上的耦合，實現(xiàn)作物水分和養(yǎng)分的精確調(diào)控，大幅度提高水肥利用率和勞動生產(chǎn)率，是我國未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向［1-3］。目前，我國煙草農(nóng)業(yè)正逐步由傳統(tǒng)的個體化、人工化向集約化、規(guī)?；较蜣D(zhuǎn)變，鑒于當(dāng)前煙葉生產(chǎn)過程中存在灌溉條件落后、肥料利用率偏低以及水肥供給不協(xié)調(diào)等矛盾，在提質(zhì)增效、降本減工和維護(hù)生態(tài)的基礎(chǔ)上，研究水肥一體化技術(shù)在煙葉生產(chǎn)上的推廣和應(yīng)用，是發(fā)展現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的必然要求［4］。

近年來，針對水肥一體化技術(shù)在煙草農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用與推廣，前人也開展了一定的研究。相關(guān)研究結(jié)果表明，水肥一體化在煙葉生產(chǎn)上的應(yīng)用能顯著改善煙葉的內(nèi)在品質(zhì)和提高水肥的利用率，在減施肥料尤其是氮肥的條件下仍能實現(xiàn)煙葉產(chǎn)量和產(chǎn)值的增加［5-7］。前人的研究結(jié)果均為水肥一體化在烤煙生產(chǎn)上的應(yīng)用奠定了良好的理論基礎(chǔ)，但目前的研究多集中在水肥一體化滴灌的條件下，不同灌溉用量以及施氮水平對烤煙水肥耦合效應(yīng)、礦質(zhì)營養(yǎng)吸收和煙葉產(chǎn)質(zhì)量的影響［8］，鮮見有針對烤煙不同發(fā)育階段的水肥吸收規(guī)律，利用水肥一體化技術(shù)對烤煙進(jìn)行動態(tài)水肥供給管理的研究報道。水肥一體化最顯著的技術(shù)優(yōu)勢之一就是可以實現(xiàn)作物養(yǎng)分和水分的精準(zhǔn)、適時供給。因此，依據(jù)烤煙不同生長期的水肥吸收規(guī)律，利用水肥一體化設(shè)備對田間煙株進(jìn)行動態(tài)水肥供應(yīng)，是對烤煙水肥一體化技術(shù)的深化和拓展。

針對烤煙在伸根期、旺長期和成熟期的水肥需求特點(diǎn)［9-10］，本研究利用水肥一體化設(shè)備對田間煙株進(jìn)行階段性動態(tài)水肥管理，通過測定烤煙生長過程中幾個關(guān)鍵酶的活性以及烤煙主要化學(xué)成分含量的變化，以期從生理代謝的角度探究水肥一體化動態(tài)水肥供給對烤煙生長的應(yīng)用效應(yīng)，為初步建立基于水肥一體化的烤煙水肥綜合管理體系提供理論基礎(chǔ)，更為烤煙水肥一體化技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用提供實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點(diǎn)與材料

試驗于2018～2020年分別在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草基地和廣東省始興縣馬市鎮(zhèn)安水村進(jìn)行。供試烤煙品種為K326，土壤理化性質(zhì)：pH值6.5，有機(jī)質(zhì)1.4%，堿解氮149.8 mg/kg，有效磷54.8 mg/kg，速效鉀247.3 mg/kg。

試驗設(shè)備與肥料：試驗田水肥供給采用膜下滴灌的方式，滴灌肥液濃度設(shè)置為灌溉流量的0.2%，滴頭流量為1.6 L/h，間距為30 cm；試驗肥液由固體肥料溶于水中配制而成，所需肥料包括煙草復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）、過磷酸鈣（16% P2O5）、碳酸氫銨（17% N）、硫酸鉀（50% K2O）、硝酸鉀（13.5% N、46% K2O）。

1.2 試驗設(shè)計

烤煙不同生長期所需的養(yǎng)分量和養(yǎng)分配比差異較大，伸根期、旺長期和成熟期的氮、鉀吸收量分別約占全生育期氮、鉀總吸收量的15%、70%和15%。另外，烤煙不同生育期對土壤相對含水量的要求也略有差異，還苗期要求煙田土壤相對含水量為80%、伸根期為60%、旺長期為80%、成熟期為60%～70%?；谏鲜隹緹煵煌L期的水肥需求規(guī)律，本試驗共設(shè)置3個處理，具體如下：

（1）對照（CK）：當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)水肥管理。全生育期施總氮165 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶1∶2，磷肥全部基施，氮、鉀肥的基追比為6∶4。

（2）處理1（T1）：當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥管理+動態(tài)水分供給。施肥管理與CK相同，煙田灌溉采用滴灌方式，利用土壤水分儀進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，還苗期保證土壤相對含水量為70%～80%、伸根期為60%、旺長期為80%、成熟期為60%～70%，若土壤相對含水量低于該生育期設(shè)定值則滴灌。

（3）處理2（T2）：減肥條件下水肥一體化動態(tài)水肥管理。全生育期施總氮量為CK的80%，N∶P2O5=1∶1，磷肥全部基施，氮肥的基追比為4∶6，追肥以水肥一體化方式進(jìn)行，伸根期施氮占追施總氮量的15%；旺長期和成熟期分別占70%和15%，基肥和第1次追肥的N∶K2O比為1∶1；第2次和第3次追肥的N∶K2O比為1∶3；灌溉方式及要求與T1一致。

每處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積210 m2，株行距0.6 m×1.1 m，其他田間管理措施參照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 煙葉光合速率和蒸騰速率的測定 在煙株旺長期和成熟期，采用LI-6400光合儀測定煙葉的凈光合速率和蒸騰速率。

1.3.2 煙葉碳氮代謝的關(guān)鍵酶活性和主要化學(xué)成分含量的測定 從移栽45 d開始，取各處理煙株具代表性煙葉作為樣品，采用酒精提取，分光光度法測定煙葉的葉綠素含量［11］；采用3，5-二硝基水楊酸法測定煙葉的淀粉酶活性；采用活體法測定硝酸還原酶活性；采用3，5-二硝基水楊酸法測定還原糖含量；采用蒽酮比色法測定總糖和淀粉含量；采用紫外分光光度法測定煙堿含量［12］。每隔15 d測定1次，連續(xù)測定5次。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2007和SPSS 22軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，采用Graph Pad軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對田間煙葉葉綠素含量的影響

由圖1可知，各處理的葉綠素含量隨著生育期的推進(jìn)而均呈現(xiàn)先增加后下降趨勢，各處理的葉綠素含量均于移栽后75 d達(dá)到最大值。移栽后45和60 d，T1的葉綠素含量顯著高于CK和T2，而CK和T2的葉綠素含量則較為接近。移栽75 d及之后，CK的葉綠素含量在同一時間點(diǎn)均顯著高于T1和T2。采收前，CK、T1和T2的葉綠素含量較移栽75 d時分別下降了50.0%、52.5%和66.2%，此時，各處理的葉綠素含量表現(xiàn)為CK＞T1＞T2，且各處理間差異顯著。

圖1 不同處理對田間煙葉葉綠素含量的影響

2.2 不同處理對田間煙葉凈光合速率和蒸騰速率的影響

由表1可知，T1與CK相比，在施肥量相同的條件下，T1的凈光合速率較CK提高了22.73%；另外，T1的凈光合速率也顯著高于T2，其光合速率較T2提高了15.94%。T2與CK相比，在施肥量減少的情況下，T2的凈光合速率仍比CK高出5.85%。進(jìn)入成熟期后，CK的凈光合速率反而顯著高于T1和T2，達(dá)到了15.15 μmol/（m2·s）；T1的凈光合速率也顯著高于T2。就蒸騰速率而言，不同處理的蒸騰速率在煙株旺長期差異顯著，在旺長期，T1和T2的蒸騰速率均顯著高于CK，隨著成熟期降雨量的增多，不同處理煙葉的蒸騰速率較為接近，但差異不顯著。

表1 不同處理對田間煙葉的凈光合速率和蒸騰速率的影響

2.3 不同處理對田間煙葉碳氮代謝關(guān)鍵酶活性的影響

淀粉酶是催化分解淀粉的主要酶類，對煙葉的碳代謝過程有著重要的影響。由圖2可知，各處理的淀粉酶活性在生育期內(nèi)先增強(qiáng)后減弱，其酶活性峰值均出現(xiàn)在移栽后75 d。T1和T2的淀粉酶活性在煙株生育期內(nèi)均高于CK，移栽后75 d時，T1的淀粉酶活性最高，其次為T2，分別較CK增加了16.7%和10.1%，且差異顯著。移栽后75 d及之前，T1的淀粉酶活性均高于T2，隨著煙葉的逐漸成熟，T1和T2的淀粉酶活性逐漸下降，至采收前，兩者的淀粉酶活性基本處于同一水平。

圖2 不同處理對田間煙葉碳氮代謝關(guān)鍵酶活性的影響

硝酸還原酶是植物氮同化過程的關(guān)鍵酶類，其活性的大小能夠反映煙株體內(nèi)的氮代謝狀況。隨著烤煙生育期的推進(jìn)，不同處理煙葉的硝酸還原酶活性均呈先升高后下降的變化趨勢，其中T1和T2的酶活性峰值出現(xiàn)在移栽后60 d，而CK的酶活性峰值則出現(xiàn)在移栽后75 d。煙株生長的前期，T1的硝酸還原酶活性最高，其次為T2，最小的為CK；移栽后60 d時，T1和T2的酶活性均顯著高于CK，增幅分別為37.4%和29.5%。旺長過后，煙葉進(jìn)入成熟階段，T1和T2的硝酸還原酶活性均逐漸降低，而CK的硝酸還原酶活性卻在移栽后75 d才開始下降，至煙葉采收前，CK的煙葉硝酸還原酶活性反而顯著高于T1和T2。

2.4 不同處理對田間煙葉主要化學(xué)成分含量的影響

由圖3可知，不同處理煙葉的總糖含量在煙株整個生育期內(nèi)均不斷上升；移栽后45和60 d，T1的總糖含量顯著高于CK和T2；移栽后75 d及往后，T1的總糖含量雖然仍高于T2，但兩者之間差異并不顯著，且T1和T2的總糖含量均顯著高于CK；至采收前，T1的總糖含量較CK增加了16.1%，而T2的總糖含量則較CK增加了11.5%。

圖3 不同處理對田間煙葉主要化學(xué)成分含量的影響

不同處理煙葉的還原糖含量變化規(guī)律與總糖類似，移栽后60 d之前，煙葉的還原糖含量處于較低水平，煙株進(jìn)入成熟期后，各處理煙葉的還原糖含量大幅增加。在整個生育期內(nèi)，T1的還原糖含量均顯著高于CK，雖然進(jìn)入成熟期后T1的還原糖含量仍較T2高，但兩者并沒有明顯差異。

移栽60 d及此前，T1的淀粉含量顯著高于CK和T2；移栽后75和90 d，3個處理煙葉的淀粉含量互相之間并無顯著差異；移栽后105 d，T1和T2的淀粉含量較此前均有所下降，而CK煙葉的淀粉含量則較此前繼續(xù)上升；采收前，CK煙葉的淀粉含量分別較T1和T2高5.3%和7.4%。

不同處理煙葉的煙堿含量在移栽75 d及以前均較低，隨著煙葉逐漸成熟，不同處理的煙堿含量大幅增加；移栽后75 d時，T1的煙堿含量最高，T2次之，CK最低；隨著生育期繼續(xù)的推進(jìn)，CK的煙堿含量反而超過了T2，至采收前，各處理的煙堿含量表現(xiàn)為T1＞CK＞T2，且各處理之間均差異顯著。

3 討論與結(jié)論

在烤煙的種植過程中，科學(xué)的水肥管理是保證煙株大田正常生長的關(guān)鍵［13-14］。汪耀富等［9］指出：煙株不同生育期對土壤水分相對含量要求各有不同，具體為還苗期達(dá)70%～80%、伸根期達(dá)60%、旺長期達(dá)80%、成熟期達(dá)60%～70%，并以此為基礎(chǔ)，提出了烤煙優(yōu)化灌溉施氮產(chǎn)值模型。另外，李志宏等［10］根據(jù)我國各大煙區(qū)烤煙的養(yǎng)分吸收規(guī)律，總結(jié)出了我國烤煙養(yǎng)分吸收積累的模式，即伸根期煙株吸收的氮、鉀量分別占其全生育期氮、鉀總量的11%和10%，旺長期則分別為67%和60%，而成熟期則分別為21%和29%。本試驗以水肥一體化技術(shù)為水肥供給載體，通過分析烤煙不同生育期的階段性水肥需求，動態(tài)地對田間煙株進(jìn)行水分和養(yǎng)分的精準(zhǔn)供給。

作為植物光合作用最重要的色素，葉綠素含量的高低直接影響著葉片光合同化作用的強(qiáng)弱［15］。有研究表明，增加施肥量可以提高葉綠素含量，同時凈光合速率也會隨著施肥量的增加而升高［16］。煙株生長前期，T1（當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥+動態(tài)水分供給）和T2（80%常規(guī)施肥量+動態(tài)水肥供給）的葉綠素含量以及凈光合速率均顯著高于CK（當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)水肥），動態(tài)水分供給能夠協(xié)調(diào)煙株生長前期的水肥耦合關(guān)系，避免季節(jié)性干旱限制肥效的發(fā)揮，養(yǎng)分吸收利用轉(zhuǎn)化充分，能顯著增加葉綠素含量和凈光合速率。另外，由于階段性水肥動態(tài)供給大大提升了水肥的利用效率，T2基于較少的養(yǎng)分投入也能滿足煙株生長發(fā)育所需［7，17］。煙葉進(jìn)入成熟期后，葉綠素的分解速率總體大于其合成速率，因而葉綠素含量逐漸降低；在煙株生長后期，CK的葉綠素含量和凈光合速率反而顯著高于T1和T2，并且隨著成熟期的推進(jìn)，CK的葉綠素含量降幅也顯著低于T1和T2。在常規(guī)水肥管理條件下，烤煙生育前期的降雨偏少，且施肥澆灌次數(shù)有限，這限制了澆灌條件下養(yǎng)分的利用。隨著廣東煙區(qū)烤煙生育后期的降雨逐漸增多，土壤相對含水量增加，CK的養(yǎng)分重新大量釋放而被吸收，從而延緩了葉綠素含量和光合速率的降低，但過高的葉綠素含量反而不利于煙葉的正常落黃成熟，加大了晚熟的可能性。

碳代謝和氮代謝是烤煙的兩大基礎(chǔ)代謝過程，其強(qiáng)度、協(xié)調(diào)程度及其在煙葉生長和成熟過程中的變化，直接或間接地影響到煙葉的化學(xué)成分含量及其比例，這對煙葉品質(zhì)的形成具有重要作用［18］。本研究結(jié)果表明，不同處理煙葉的硝酸還原酶（NR）和淀粉酶（AM）活性在煙株生育期內(nèi)均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。其中，T1和T2的AM活性在煙株生長期內(nèi)均高于CK；不同處理的NR活性對比，在煙株生長前期，T1的硝酸還原酶活性最高，其次為T2，最低的為CK；T1和T2的NR活性峰值均比CK提前，但生育后期CK的NR活性反而顯著高于T1和T2。已有研究表明，單獨(dú)滴灌或者水肥一體化均能促進(jìn)植株對氮肥的吸收［19］。在本研究中，T1通過動態(tài)水分供給提高了土壤養(yǎng)分與水分的互作水平，T2則通過動態(tài)水肥供給實現(xiàn)了煙株水肥的同步管理，通過水肥的動態(tài)調(diào)控，T1和T2處理均能在煙株生長前期尤其是旺長期，提高煙株根系附近養(yǎng)分的供給水平及其有效性，煙株對養(yǎng)分吸收水平的提高使得氮代謝較為旺盛，含氮化合物積累增加；隨著煙葉的生理成熟，以及T1和T2生育后期土壤氮素的調(diào)虧，煙葉的碳代謝逐漸增強(qiáng)，并占據(jù)主導(dǎo)地位。碳氮代謝的順利轉(zhuǎn)變有利于淀粉的積累更多地向分解方向轉(zhuǎn)變，由此增加了煙葉中的可溶性糖類物質(zhì)含量；另外，氮代謝的減弱使得煙堿等含氮化合物的含量不至于過高，進(jìn)而增加了煙葉的可用性，并提高了煙葉化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性。此外，值得注意的是，T1在常規(guī)施肥量條件下，通過動態(tài)水分供給，其煙葉的總糖、還原糖、淀粉、煙堿含量均高于T2，其中兩者的煙堿含量差異顯著。因此，在水肥一體化條件下，若繼續(xù)沿用傳統(tǒng)灌溉施肥模式下的施肥量，可能會對煙葉的品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，例如，導(dǎo)致烤煙的煙堿含量過高，甚至出現(xiàn)貪青晚熟。

4 結(jié)論

水肥一體化階段性的動態(tài)水肥管理能緊密結(jié)合烤煙不同生長階段的水肥需求，對煙株進(jìn)行精準(zhǔn)的營養(yǎng)供給，適宜的土壤水分調(diào)控以及水肥同步均能大大增強(qiáng)養(yǎng)分的有效性，并提高養(yǎng)分的利用率。本試驗結(jié)果表明：（1）動態(tài)水肥管理能顯著提高煙株生長前期葉片的葉綠素含量，提高煙葉的凈光合速率，加快土壤養(yǎng)分的利用速度，避免煙株成熟后期因降雨較多導(dǎo)致的養(yǎng)分重新釋放而造成煙株難以落黃成熟的問題；（2）動態(tài)水肥管理能顯著增強(qiáng)煙株全生育期的淀粉酶活性和生長前期的硝酸還原酶活性，通過成熟后期養(yǎng)分調(diào)虧，煙株的硝酸還原酶活性迅速下降，有利于煙株成熟期的碳氮代謝順利轉(zhuǎn)換；（3）減肥條件下動態(tài)水肥管理使煙葉化學(xué)成分含量均低于常規(guī)施肥配合動態(tài)水分供給處理，其中煙堿含量差異顯著；階段性動態(tài)水肥供給應(yīng)在常規(guī)施肥量的基礎(chǔ)上酌情減少肥料用量，從而提升煙葉的內(nèi)在品質(zhì)，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、適產(chǎn)的生產(chǎn)目標(biāo)。