不同水氮处理对膜下滴灌烤烟叶面积指数的影响

徐 元，吴蕴玉，侯毛毛，胡润欣，邵孝侯*

(1.河海大学 大禹学院，江苏 南京 210098；2.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098；

3.福建农林大学 园艺学院，福建 福州 350000)



不同水氮处理对膜下滴灌烤烟叶面积指数的影响

徐 元1，吴蕴玉2，侯毛毛3，胡润欣2，邵孝侯2*

(1.河海大学 大禹学院，江苏 南京 210098；2.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098；

3.福建农林大学 园艺学院，福建 福州 350000)

摘要：为了研究不同水氮处理对烤烟叶面积指数的影响，依据烤烟生长习性设计了13种水氮处理方式，并且基于移栽后时间建立了余弦模型、指数模型和线性模型来对烤烟叶面积指数进行动态模拟，利用均方差、相关系数以及作物生长规律对模型进行检测与比较。结果表明：指数模型的模拟值与实测值之间均方差最小，仅为0.0712～0.1325，相关系数最高，达到0.9914～0.9975，且符合作物生长规律，能够很好地预测烤烟叶面积指数的动态变化过程；不同的水氮处理对烤烟叶面积指数产生显著影响，灌溉量和施氮量大体上与烤烟叶面积指数呈现正相关，但是两者的过多使用会在一定程度上抑制烤烟的生长发育；同时，在相同灌溉量和施氮量条件下，膜下滴灌方式所得的最大叶面积指数比传统沟灌的增大了16.76%，说明膜下滴灌技术对烤烟的生长发育起到了很好的促进作用。

关键词：烤烟；叶面积指数；模型；水氮处理；膜下滴灌

0引言

叶片是影响作物蒸发和光合作用的重要器官，叶面积的大小直接影响了作物进行光合作用的面积，进而对作物产量造成影响[1]。叶面积指数是决定作物最终产量的重要参数之一，是植物群体生长状况的一个重要指标[2]。本文试验依据烤烟的生长习性设计了13种不同水氮处理，用来研究灌溉量和施氮量对烤烟叶面积指数的影响。同时，为了更好地反映不同水氮处理对烤烟叶面积指数的影响，本文建立了余弦模型等3种模型对烤烟叶面积指数进行动态模拟，旨在选取适宜的水氮组合来提高烤烟的品质和产量。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2012年3～8月在贵州省烟草科学研究所福泉试验基地进行。试验区属亚热带季风气候华中湿润区，热量丰富、雨量充沛、无霜期长，年降雨量1033～1220 mm，多年平均气温14 ℃，年日照数1000～1150 h，年积温为4574～5609 ℃·d，无霜期245～278 d，气候年干燥指数在0.43～0.50之间，光、热、水同季。地貌类型以山地为主，丘陵次之。试验区的土壤品种为黄棕壤，0～60 cm土壤的有机质含量为14.21 g/kg，pH值为5.87，速效氮含量为129.90 mg/kg，速效磷含量为27.20 mg/kg，速效钾含量为229.90 mg/kg。

1.2试验设计

试验在蒸渗仪中进行，蒸渗仪由水泥、砖块及隔板组成，上方安装防雨棚，以隔绝自然降水。每个蒸渗仪面积均为(4×0.6)m2，栽烟(烤烟K326)4株，行距0.8 m，株距0.6 m。试验设4种灌溉量，3种施氮量，共设13个水氮处理，其中对照处理(CK)的设计主要依据贵州烟区传统的沟灌处理及施氮方式，每个处理重复3次，如表1所示。基于前期研究经验，本试验灌水按照烤烟伸根期、旺长期和成熟期的灌水量分别占总灌水量的30%、40%和30%进行分配，每个生育期灌溉10次；施肥按照基肥∶追肥=7∶3施用无机肥料，除氮肥施用量不同外，各处理磷肥与钾肥施用量均相同，分别为P2O5150 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2，基肥在烤烟移栽前一次性穴施，追肥时间为移栽后26 d，把各处理烤烟专用无机肥的用量折合成纯氮量施入蒸渗仪土壤中。

表1　试验设计

1.3测定项目和方法

自烤烟移栽后每7 d测1次叶片最大的长×宽，每种处理方式选取4株，然后按照以下公式计算叶面积及叶面积指数。

叶面积计算公式：

(1)

叶面积指数计算公式：

(2)

式(1)、式(2)中：k：叶面积校正系数，取值为0.6345[13]；LA：单株叶面积；m：植烟株数；A：植烟面积。

2模型的建立与检验

2.1烤烟叶面积指数LAI动态变化特征

图1为膜下滴灌条件下13种水氮处理对烤烟叶面积指数的影响，从图中可看出，烤烟叶面积指数的变化可分为3个阶段：移栽后14～28d为缓慢增长阶段、移栽后28～84d为快速增长阶段、移栽后84～104d为衰退阶段，正好分别对应了烤烟生长的3个阶段：伸根期、旺长期和成熟期[3]。移栽后84d，各处理烤烟LAI(叶面积指数)达到峰值，T5处理烤烟LAI最高，达到4.83；T9次之，为4.73；CK最低，仅为3.52。

图1　膜下滴灌条件下水氮协作对

2.2模型的建立

叶面积指数受品种特性、气象条件、栽培措施等诸多因素影响，综合考虑起来十分复杂。本文主要基于移栽后时间(t)建立烤烟叶面积指数模型[4]，分析不同水氮协作方式对烤烟叶面积指数的影响程度。将13种不同水氮处理所得的叶面积指数实测值利用MATLAB、CurveExpert1.4等软件进行拟合，依据烤烟叶面积指数LAI动态变化特征得到了余弦模型、指数模型以及线性模型3种拟合效果较好的模型。模拟公式及结果如表2、表3、表4所示，这3种模型的相关系数分别达到0.9770～0.9941、0.9914～0.9975和0.9779～0.9955，表明了这3种模型都能够很好地模拟烤烟叶面积指数的动态变化过程。

表2　余弦模型模拟结果

注：表中LAI为叶面积指数；ω=2π/T，该参数反映了叶面积指数变化速率的快慢；M为调整中值；A为振幅，代表了叶面积指数的变化幅度[5]。

2.3模型的检验与比较

将13个不同水氮处理得到的叶面积指数实测值与模拟值进行分析，主要采用均方差(RMSE)与相关系数(R2)对3种模型进行评价(表5)。均方差越小，相关系数越大，则模型与实际情况的符合度就越高。模型检验的计算公式如下：

(3)

(4)

表3　指数模型模拟结果

表4　线性模型模拟结果

表5　3种模型模拟值与实测值之间关系

从表中可以看出，3种模型的相关系数基本一致，但是均方差却相差较大。其中余弦模型所得模拟值的均方差最大，范围在0.1706～0.3971，而指数模型及余弦模型的均方差分别控制在0.0712～0.1325和0.0996～0.2767之间，这说明余弦模型的模拟值与实测值仍有一定差别，符合度并非很高。另外，从3种模型每种水氮处理方式的相关系数可以看出，指数模型与线性模型的相关系数基本都大于余弦模型，这进一步说明了这2种模型比余弦模型的精度要高。

此外，从作物生长规律角度[6]可知：当t=0时，叶片还未发育，LAI应该为0；当t→∞,叶片会凋落枯萎，LAI也应该为0。从3种模型的计算结果可以得到：当t=0时，余弦模型、指数模型及线性模型的LAI分别为0.737～1.1485、0.013～0.024和0.743～1.814，表明了指数模型最符合实际情况；当t→∞时，3种模型也仅有指数模型的LAI为0。综合上述考虑，可以说明指数模型是3种模型中的最优模型，其符合度最高。

3结果与分析

3.1同一施氮量条件下不同灌溉量对烤烟叶面积指数的影响

本试验中共设4种灌溉量，并将贵州烟区传统的沟灌处理及施氮方式(CK)作为对比。图2为T1、T4、T7和T104种处理方式(施氮量都为4 g/株条件下，4种不同灌溉量)对烤烟叶面积指数的影响曲线，采用模拟效果最好的指数模型对该过程进行分析。

在缓慢增长阶段中(移栽后14～28 d)，不同灌溉量对烤烟叶面积指数的影响并不明显，增长幅度基本控制在2.01%～2.40%(CK处理除外)，大体上呈现增幅随施氮量的增加而微小增加的趋势。在快速增长阶段中(移栽后28～84 d)，不同灌溉量对烤烟叶面积指数产生显著影响。从图1可以看出，T5处理在84 d时得到的LAI值最大，达到4.83，这说明烤烟叶面积指数并非全部在灌溉量最大时达到最大值。从表6也可以看出，当灌溉量达到最大值时，T11和T12处理的叶面积指数增幅反而降低。另外，通过方差分析发现，灌水量为500 mm和灌水量为600 mm的烤烟叶面积指数差异并不显著，说明灌溉量已达到临界值，过高的灌溉量反而会抑制烤烟的生长发育。在衰退阶段中(移栽后84～104 d)，烤烟叶面积指数的衰退幅度基本与快速增长阶段增长幅度保持一致，LAIM越大其衰退幅度越大，从图1中可以发现，在104 d时，各种处理方式的烤烟基本成熟完全，13种水氮处理的LAI在1.87～2.23之间。

图2　相同施氮量下不同灌溉量

表6指数模型下每个阶段烤烟叶面积指数的增长幅度

%

3.2同一灌溉量条件下不同施氮量对烤烟叶面积指数的影响

由图1可知，烤烟叶面积指数与氮素呈正相关，在同一种灌溉水平下，当施氮量达到最大时，每种处理的LAIM也达到了最大，这是因为氮是蛋白质、核酸、磷脂、叶绿素和酶的成分，对烤烟的生长快慢以及叶片的大小有着重要的影响[7]。另外，从表6也可以看出，施氮量的不同也对烤烟的生长速度产生了不同的影响，在快速增长阶段，T1～T3处理的增幅在不同施氮水平条件下从5.86%增大到了6.13%，T4～T6处理的增幅从6.70%增大到了7.25%，T7～T9处理的增幅从6.41%增大到7.55%，T10～T12处理从6.93%增大到7.32%，4种灌溉量处理下的烤烟生长速度均增大，说明了施氮量的增加对烤烟的生长速度起到了促进作用。

但是从试验中观察烤烟叶片情况发现，施氮过多，叶片比较粗糙，叶片含糖量明显减少，氮化物显著增加[8]，这是由于氮素使用过多导致烤烟内在的化学成分不协调，从而使烟草品质下降；而灌溉量与氮素使用恰当合理(如T5处理)，会促进烤烟生长发育，使得烟株生长健壮，叶片大小、薄厚适中，品质良好。

3.3不同灌溉方式对烤烟叶面积指数的影响

不同的灌溉方式对烤烟叶面积指数产生了十分显著的影响。从图1可以看出，无论灌溉量与施氮量的多少，每个阶段的膜下滴灌处理得到的LAI都比传统的沟灌方式(CK)大得多。图3为相同灌溉量和施氮量条件下两种不同灌溉方式对烤烟叶面积指数的影响曲线，在84 d时，CK处理的LAI达到最大，仅为3.52，T4处理达到的最大值为4.11，相比CK处理增大了16.76%。从表6可以发现，在缓慢增长阶段，两种灌溉方式的增幅基本一致，分别为1.86%和2.20%，这说明在伸根期两种不同的灌溉方式对烤烟的生长速度影响并不显著，在快速增长阶段，两者增幅的差异较为明显，CK、T4达到的增幅分别为5.73%和6.70%，这反映了在旺长期膜下滴灌对烤烟的生长发育有明显的促进作用。

4结论

本文基于时间尺度建立了余弦模型、指数模型和线性模型这3种动态模型，这3种模型都能够很好地模拟烤烟的动态变化过程，相关系数分别达到了0.9770～0.9941、0.9914～0.9975和0.9779～0.9955。利用均方差、相关系数及作物生长规律对3种模型进行检验，经过对比发现，基于移栽后时间建立的指数模型的均方差最小，相关系数最高，并且符合作物生长规律，能够很好地预测烤烟叶面积变化过程。

图3　相同灌溉量与施氮量下两种不同灌溉方式

不同灌溉量与施氮量对烤烟叶面积指数的影响差距较大，只有在合理的灌溉和施氮条件下，才能使烤烟品质达到最佳。基于本次试验条件下，T5处理(灌溉量400 mm，施氮量5 g/株)可作为较适宜的水氮组合。

通过比较传统沟灌和膜下滴灌方式发现，在相同的灌溉量和施氮量条件下，两种灌溉方式下的最大叶面积指数LAIM分别为3.52和4.11，后者比前者增大了16.76%，说明膜下滴灌方式对烤烟的生长发育起到很好的促进作用，可以在今后的生产中大力推广使用。

参考文献：

[1] 贾彪,钱瑾,马富裕.氮素对膜下滴灌棉花叶面积指数的影响[J].农业机械学报,2015,46(2):80-87.

[2] 李向岭,赵明,李从锋,等.玉米叶面积系数动态特征及其积温模型的建立[J].作物学报,2011,37(2):321-330.

[3] 侯毛毛,邵孝侯,袁有波,等.水氮耦合条件下烤烟叶面积指数变化的模型研究[J].灌溉排水学报,2012(1):106-108,116.

[4] 刁明,戴剑锋,罗卫红,等.温室甜椒叶面积指数形成模拟模型[J].应用生态学报,2008,29(10):2277-2283.

[5] 冯丹,王志强,罗莎丽,等.基于Excel的余弦模型实现[J].中国医院统计,2003,10(4):227-228.

[6] 张宾,赵明,董志强,等.作物高产群体LAI动态模拟模型的建立与检验[J].作物学报,2007,33(4):612-619.

[7] 何文高.施氮量和留叶数对贵州烤烟生理及株型特征的影响研究[D].重庆:西南大学,2014:13-48.

[8] 李立丹.水氮耦合效应对烤烟产量和品质的影响[D].郑州:河南农业大学,2009:19-41.

(责任编辑：许晶晶)

Effect of Different Water and Nitrogen Coupling Treatments on Leaf Area Index of Flue-cured Tobacco under Condition of Under-mulch Drip Irrigation

XU Yuan1, WU Yun-yu2, HOU Mao-mao3, HU Run-xin2, SHAO Xiao-hou2*

(1. College of Dayu, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. College of Horticulture, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350000, China)

Abstract：In order to study the influence of different water and nitrogen coupling on the leaf area index (LAI) of flue-cured tobacco, thirteen water and nitrogen coupling treatments were designed according to the growth habit of flue-cured tobacco, dynamic simulation was conducted for the leaf area index of flue-cured tobacco by establishing cosine model, exponential model and linear model on the basis of time (t) after transplantation, detection and comparison were carried out for the models by utilizing root-mean-square error (RMSE), correlation coefficient (R-square) and crop growth law. The results showed that root-mean-square error between the simulated value and measured value of exponential model was the smallest, only 0.0712～0.1325, the correlation coefficient was the highest, reached 0.9914～0.9975, which meet the crop growth law and could predict the dynamic change process of flue-cured tobacco leaf area index. Different water and nitrogen coupling existed an obvious influence on the leaf area index of flue-cured tobacco, the irrigation volume and nitrogen application rate present positive correlation with the leaf area index of flue-cured tobacco, but excessive application of irrigation volume and nitrogen would restrict the growth and development of flue-cured tobacco to some extent. Under the same irrigation volume and nitrogen application rate, the maximum leaf area index (LAIspan) gained via drip irrigation under membrane increases by 16.76% compared with the traditional furrow irrigation, drip irrigation technique under membrane could promote the growth and development of flue-cured tobacco.

Key words：Flue-cured tobacco; Leaf area index; Model; Water and nitrogen coupling; Drip irrigation under membrane

中图分类号：S572

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)02-0065-05

作者简介：徐元(1995─)，男，江苏连云港人，从事农业水土工程方面的研究。*通讯作者：邵孝侯。

基金项目：国家自然科学基金项目(51179054)；教育部重点实验室农业水土环境保护研究团队建设基金(2014B04814)。

收稿日期：2015-07-29