调亏灌溉对粤北烤烟农艺性状及耗水规律的影响

姜俊红，汪 军，劳同浩，韦歆娜，李就好

(1.华南农业大学水利与土木工程学院，广州 510640；2.中国烟草公司广东省分公司烟叶管理处，广州 510642；3.湛江市水利水电勘测设计院，广东 湛江 524200)

随着消费者对卷烟质量要求的不断提升及国家中式卷烟品牌战略的深入，卷烟企业对优质烟叶尤其是能体现卷烟产品风格的优质特色烟叶更加关注[1-3]。提高优质特色烟叶的保障能力不仅成为产区和卷烟企业实现共赢的新平台[4-6]，同时也是我国中式卷烟可持续健康稳定发展的基础。广东粤北烟区由于其得天独厚的生态条件及独特的紫色土壤造就了该地区烟叶颜色橘黄、钾离子含量高、浓香型风格特色明显的特点，是我国典型的浓香型烟区。近年为了减少与粮争地，烟叶种植区多数分布在海拔高度130～530 m的丘陵地区，大部分为旱坡地。旱坡地紫色土保水性极差，水利设施不完善，烟叶生长过程中季节性干旱较为频繁，烤烟的产量和品质年际间波动较大；而灌水较为便利的烟田，大水漫灌现在普遍，烟叶产量虽然较高但烟叶香型减弱，水分利用率较低，肥料淋失严重。

在水资源日益短缺、农业用水所占比例需逐年下降的环境下，搞清烤烟耗水规律、提高烤烟的水分利用效率对坡地烤烟可持续发展具有重要意义[7]。目前已有较多关于土壤水分与烤烟产量、品质的试验研究[8-14]，得出的结论也为烟草的种植提供了理论依据。但这些试验大都针对中部地区和北方地区的烤烟种植，试验设置多为单生育阶段干旱的盆栽试验，针对南方旱坡地浓香型烤烟生育期内水分亏缺对烤烟农艺性状、经济特性及耗水规律的研究较少。因此根据粤北地区的降雨特点和烤烟品种，研究该地区旱坡地上烤烟耗水特性及经济性状，对合理制定旱坡地灌排工程规模、降低季节性干旱影响、减少用工、提高优质烟叶生产的保障能力、实现该地区浓香型烟叶种植可持续发展具有重要的意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验概况

田间试验在广东烟草南雄科学研究所内典型的紫色土旱坡地上进行。紫色土的密度为1.45 g/cm3，田间持水率(FC)25.5%，土壤主要理化性质见表1。

试验田上共设置3个可开启式的防雨大棚，每个大棚宽5.5 m，长45 m，高度2.5 m，大棚四周0.5 m处开挖排水沟，沟深0.5 m，沟宽0.5 m，沟和大棚之间空地铺设双层塑料薄膜防止水分侧渗。试验品种为粤烟98，试验从2012年2月28日移栽开始，7月底全部烤烟采收烘烤完毕。

表1 供试土壤理化性状Tab.1 Basic physicochemical properties of soil tested

1.2 试验设计

烤烟生育阶段可划分为移栽成活期、伸根期、旺长期和成熟期等4个生育期。由于移栽成活期缺水容易死苗，为保证与烤烟实际生产一致，本阶段不进行亏水处理，保持田间持水量90%。其他生育阶段进行亏水处理,设置4种干旱等级：正常C(70%～80%FC)、轻旱L(60%～70%FC)，中旱M(50%～60%FC)，重旱H(40%～50%FC)。

结合3个生育期和4个水分等级，本试验共设置18个处理，其中1个对照(T1)、9个单生育阶段亏水处理(T2～T10)、8个双生育阶段亏水处理(T11～T16处理为旺长期和成熟期连续干旱，T17～T18处理为伸根期和成熟期双生育阶段干旱)，见表2。每个处理重复3次，在田间随机排列，每个小区面积13.2 m2。

烤烟种植以当地垄栽方式进行种植，株距60 cm、行距120 cm，每个小区种20株。

1.3 测定项目与方法

(1)土壤含水量。采用烘干法测定，取土深度40 cm，以10 cm为单位分4层取土。伸根期和成熟期每7 d测一次，旺长期每5 d测一次，降雨前后加测。

(2)田间持水量。用1000型压力膜仪测定，田间灌水法校核。

(3)农艺性状的测定。在每个处理小区内挑长势相对一致的10株烤烟，做上标记作为农艺性状测量样本。株高、叶片的长和宽每隔7 d用精度为0.1 cm的卷尺测一次，并根据公式(长×宽×经验系数0.634 5)计算叶面积；烟株直径每隔7 d用游标卡尺测一次。

表2 烤烟不同生育阶段的亏缺处理方案Tab.2 Water treatment scheme of flue-curedtobacco under different growth stages

(4)经济性状。根据国家烤烟分级标准对烤后烟叶进行分级，统计各个处理的产量、产值和上等烟比例。

1.4 数据处理方法

利用Excel、Spss、Matlab等相关软件对烤烟的农艺性状、产量、水分效率、上等烟比例进行处理和统计分析。

(1)叶面积指数计算。

叶面积指数=烟株的总叶面积/种植面积

(1)

(2)水分效率计算。

水分效率=产量/总耗水量

(2)

(3)耗水量计算。用简化农田水分平衡方程进行计算，即：

(3)

式中：ET为一定时段内的实际蒸散量，mm；n为取土层次；Hi为第i层土层厚度，cm；γi为第i层土壤密度，g/cm3；θt，θo分别为时段开始和结束时第i层土壤含水量，以土壤干重百分率的分子表示；M为同时段内灌水量，mm；P为同时段内降雨量，mm；K为同时段内地下水补给量，mm；C为同时段内地下水排水量，mm。

由于该旱坡地海拔较高，地下水位较深，实验在遮雨棚内并且小区隔离，所以不用考虑降雨量、地下水补给量和排水量，即可以认为P=K=C=0，即某一时段内的耗水量方程式为：

(4)

2 试验结果与分析

2.1 调亏处理对烤烟灌水量的影响

不同水分亏缺处理后各个生育期及全生育阶段的灌水量及灌水次数如表3所示。从表3中可以看出，旺长期各处理灌水总量均大于成熟期，成熟期的灌水量大于伸根期。在各生长期，灌水量均随着土壤含水量下限的降低而减小，阶段灌水次数也相应的减小。当伸根期干旱胁迫、旺长期恢复正常灌溉，其灌水次数在旺长期比正常处理多，而到成熟期灌水次数与正常处理相同；旺长期干旱胁迫的处理在成熟期的灌水次数与正常处理相等。各处理的全生育阶段的灌水量各不相同，与T1相比较，调亏处理的灌水量都相应的减少，伸根期调亏处理平均减少8.38%，旺长期平均减少13.98%，成熟期平均减少5.42%，其中旺长期重旱、成熟期轻旱处理的灌水量减少幅度最大，达到24.55%。因此通过合理的调亏灌溉可以达到节约用水及减少用工的目的。

表3 各个生育期灌水次数及灌水量 m3/hm2

2.2 调亏处理对烤烟农艺性状的影响

(1)调亏处理对伸根期烤烟农艺性状的影响。伸根期单阶段水分亏缺处理与T1的烟株农艺性状见表4。从表4中可知，随着干旱程度的增加，烟株株高增值、茎围、叶片数、单株叶面积增值及叶面积指数都相应的减少，且各处理间差异显著。因此伸根期土壤相对含水量保持70%以上对烤烟这个时期的生长最有利，T4处理的株高增值、茎围、单株叶面积增值、叶面积指数相对于T1减少64.5%、59.6%、49.4%、46.4%，明显抑制该阶段烤烟的正常生长。

表4 调亏处理烟株伸根期主要农艺性状Tab.4 Major agronomic traits in the root extending stage for different water stress levels

注：在移栽后第9天烟株平均株高9.55 cm,平均叶面积208.45 cm2；同列数据后不同字母表示处理间经Duncan法测验差异达到0.05显著水平。以下类同。

(2)调亏处理对旺长期烤烟农艺性状的影响。T5、T6、T7为旺长期单阶段水分亏缺处理，与对照T1的烟株农艺性状见表5。从表5可知， T5、T6、T7处理的各项农艺性状呈逐级递减的趋势，即随着干旱程度的增加对农艺性状负面影响越大，尤其是中旱和重旱处理的各项农艺性状下降幅度高达23.8%以上(茎围除外)。从表5中可以看出，T5的各项农艺性状数值与T1都差异显著，即旺长期土壤相对含水量低于70%，影响到烤烟的正常生长。

表5 调亏处理烟株旺长期主要农艺性状Tab.5 Major agronomic traits in the vigorous growing stage for different water stress levels

从表5可以看出，T2、T3在旺长期复水后补偿效果显著。其中T2处理的各种农艺性状都超过对照处理，T3处理的株高增量、叶面积增量超过对照处理，其原因为在伸根期经受轻、中度干旱胁迫，促进根系深扎，在旺长期恢复充分灌溉后，株高、茎围、叶片扩展等受到激发，弥补前期干旱造成的损失，具有超补偿效应。而T4处理由于前期干旱影响较大，除单株叶面积增值与对照差异不显著外其余株高、茎围、叶面积指数等农艺性状都落后于对照处理。

(3)调亏处理对成熟期烤烟农艺性状的影响。T8、T9、T10为成熟期单干旱处理。从表6可知，该生育阶段水分亏缺处理对烟株茎围影响不显著，对株高增值、单株叶面积增值及叶面积指数影响显著。与T1相比，随着干旱程度的加深，单株叶面积增值减少15.8%、25.8%、42%，这主要是因为成熟期干旱胁迫会导致上部叶开片程度降低，叶片细小狭长，单株叶面积增值减小。3种干旱水分处理的叶面积指数减少1.5%、6.0%、11.3%，除轻旱处理与对照处理差异不显著外，其余差异显著。因此该时期土壤含水量保持在60%～70%FC可保证不减产；当供水不足时，土壤含水量保持50%FC可确保不大幅度减产。

表6 调亏处理对烤烟成熟期的农艺性状Tab.6 Major agronomic traits in the mature stage for different water stress levels

注：旺长期结束、开花前根据生产的需要进行烟株打顶，留叶18～20片，因此统计表中无叶片数统计。

从表6可知，伸根期干旱处理的T2、T3、T4在成熟期末其茎围与T1已无显著性差异；在单株叶面积增值、株高增值上都大于T1，因此其补偿效应一直延续到成熟期结束；在叶面积指数上，T2处理超过T14.7%，T3处理比T1低1.5%但两者差异不显著，T4相对T1减少了5.8%。因此伸根期轻旱处理(60%～70%FC)可以获得较高的产量，当供水不足时土壤含水量在50%FC以上可避免减产。

旺长期干旱处理的T5、T6、T7在成熟期复水后其单株叶面积增值高于T1，而株高增值、茎围、叶面积指数都低于T1，说明复水后农艺性状有一定补偿，但其补偿有限，无法弥补旺长期干旱对其照成的影响；该阶段干旱处理的叶面积指数均值为2.281 2，小于伸根期亏水处理的叶面积指数均值2.675 1，也小于成熟期亏水处理的叶面积指数均值2.530，因此旺长期土壤水分对烤烟产量影响最大；与T1相比，T5、T6、T7的叶面积指数分别减少4.6%、16.0%、24.3%，差异显著，因此为保证产量不减产应保持土壤含水量在70%FC以上。

(4)多生育阶段调亏处理对烤烟农艺性状的影响。从表5可知，伸根期和成熟期干旱处理的T17、T18与T1相比，叶面积指数减少0.5%、11.9%，T17与T1差异不显著，因此伸根期和成熟期土壤含水量维持60%FC以上可不影响产量。T11、T12、T13、T14、T15、T16为旺长期和成熟期连续亏水处理。从这些处理可以看出，旺长期受轻旱胁迫，烟株叶面积指数随着成熟期亏水胁迫程度的加深表现愈差。T6、T14、T15都为旺长期中旱处理，与T6相比T14、T15的叶面积指数分别减少1.3%和4.5%，差异不显著；T7、T16都为旺长期重旱处理，两者叶面积指数相差1.2%，差异不显著。因此旺长期中旱以上干旱胁迫后，成熟期灌水量大小对烤烟叶面积指数的影响差异不显著。这说明旺长期是烟草叶面积的主要形成期，应尽可能保证水分的充足供应。若发生水分胁迫，应保证旺长期土壤含水量在60%FC以上，否则后期如何灌水都无法弥补。

2.3 调亏处理对烤烟经济性状的影响

(1)调亏处理对烤烟产量、水分效率的影响。不同水分调亏处理的烤烟产量、水分效率见图1。从图1中可以看出，旺长期成熟期连续干旱对烤烟产量的影响大于对应的单生育阶段干旱的影响，而伸根期和成熟期2阶段干旱处理对烤烟产量的影响与对应单生育阶段干旱的影响差距较小；单生育阶段干旱时，旺长期干旱对烤烟产量的负面影响大于成熟期，伸根期轻旱处理反而有利于提高烤烟的产量；T2、T3、T4、T5、T8、T9、T17、T18的水分利用效率都高于T1。因此伸根期轻、中、重旱，旺长期轻旱，成熟期轻、中旱都有利于提高水分效率。伸根期亏水处理的水分效率都大于0.8 kg/m3，为最高，即伸根期干旱对提高水分效率最为有效。T7、T16处理的产量及水分效率最低，因此旺长期重旱处理对产量和水分效率最为不利。

图1 各调亏处理方案的产量及水分效率Fig.1 Yield, water use efficiency for different water stress levers

(2)调亏处理对烤烟上等烟比例的影响。上等烟比例在一定程度上反映了烤烟的品质好坏。如图2所示，伸根期轻、中旱处理，成熟期轻旱处理及对照处理的上等烟比例相对较高，达55%以上，其中成熟期轻旱处理的T8及T17的上等烟比例最高；旺长期中、重旱处理，成熟期重旱处理的上等烟比例较低，其中旺长期重旱处理的 T7最低。因此伸根期轻旱成熟期轻旱处理有利于提高烤烟的品质，而旺长期重旱处理对烤烟品质负面影响最大。从图2可知T14、T15、T16处理的上等烟比例随着干旱程度的增加而略有增加，其原因为旺长期中、重旱处理后，烟叶生长受到严重影响，能达到上等烟等级的叶片数量和重量3个处理接近相等，而在总产量上，旺长期中旱成熟期轻旱的T14>旺长期重旱成熟期重旱的T15>旺长期重旱成熟期轻旱的T16，其上等烟比例就出现了与随着干旱程度增加而增加的现象。因此该段曲线不能真实反映烤烟实际的品质好坏。

图2 各调亏处理方案的上等烟比例Fig.2 High-class-leaf proportion under different water stress levels

2.4 耗水量与上等烟比例、水分效率、烤烟产量的关系

(1)耗水量与上等烟比例、水分效率、烤烟产量的函数。对烟农而言高产出低投入是其最终的追求。在水资源有限、季节性干旱频繁发生的大环境下，如何有效提高水分利用效率和上等烟比例是粤北烟区高产稳产的保障。通过前面分析可知，为避免大面积减产和品质下降，旺长期烤烟土壤含水量应保持在60%FC以上，伸根期和成熟期土壤含水量应保持在50%FC以上。因此将处理T1、T2、T3、T5、T8、T9、T11、T12、T13、T17、T18的耗水量和产量、耗水量与上等烟比例、耗水量与水分利用效率进行拟合，可以得到如下3组函数关系。

(1)产量函数。

y1=-0.002 46x2+14.54x-19 127R=0.93

(5)

(2)上等烟比例函数。

y2=-0.000 066 6x2+0.391 5x-515.9R=0.84

(6)

(3)水分效率函数。

y3=-0.000 000 826x2+0.004 62x-5.657R=0.71

(7)

式中：y1为计算的产量，kg/hm2；y2为计算的上等烟比例；y3为计算的水分效率； 为耗水量，m3/hm2。

从上述分析中可以看出，产量、上等烟比例和水分效率为具有极大值的二次函数。当灌水量为2 955 m3/hm2时产量达到最大值2 357.9 kg/hm2；当灌水量为2 939.2 m3/hm2时，上等烟比例达到最高59.5%；当灌水量为2 796.6 m3/hm2时，水分效率达到最大值0.80 kg/m3。从三者达到极值的灌水量上可以发现，水分效率先达到极值，其后为上等烟比例，最后是产量达到极大值。因此当产量最高时烤烟的品质和水分效率已经开始下降，既不能获得较高的品质又浪费了水资源和人工。因此实际生产中应控制烤烟的灌水量在2 939.2 m3/hm2以下。

(2)基于Jenssen模型的烤烟生产函数。各个生育阶段的水分亏缺对烤烟的影响程度差异明显，因此利用全生育阶段的耗水总量来预估烤烟的产量有其模型本身无法弥补的不足。而Jenssen模型能反映各个生育阶段水分亏缺对烤烟产量的综合影响，因此本文利用18个试验处理的各个生育阶段的耗水量和产量计算烤烟水分生产函数：

Ya/Ym=(ETa1/ETm1)0.092 2(ETa2/ETm2)0.937 4×

(ETa3/ETm3)0.591 0R=0.82

(8)

该函数检验值F=10.3>F0.05=5.04，达到显著水平。从计算出来的水分敏感性指数可以看出旺长期对水分最为敏感(0.937 4)，这个时期的干旱缺水会给产量带来显著的降低，其次是成熟期为0.591 0。伸根期对水分最不敏感为0.092 2，该时期的水分亏缺对产量的影响较小。结论与前面的农艺性状的结论一致。根据上述模型预测18个试验方案的烤烟产量，并与实际产量进行对比，见图3。从图3可以看出预测值和实际值趋势一致，数值上除旺长期中旱和重旱及旺长期成熟期连续干旱的预测值与实际产量差距较大外(平均相对误差27.1%)，其余的预测值和实际值差值较小(平均相对误差6.4%)。而旺长期中旱和重旱及旺长期成熟期连续干旱是我们在实际烤烟生产中应设法避免的，因此实际生产中可用该模型对烤烟产量进行预测。

图3 实测产值与预测产值对比Fig.3 The actual yield and calculated yield quantitative comparison

3 结 论

(1)伸根期不同程度干旱处理旺长期复水后补偿效果显著，中、重旱的补偿效应一直持续到成熟期；旺长期不同程度干旱处理成熟期复水后有一定的补偿，但补偿有限，该阶段干旱处理对烤烟的农艺性状和经济性状负面影响最为显著；成熟期干旱处理对烤烟的茎围影响不显著，随着干旱程度的增加株高、叶面积等降低。

(2)伸根期和成熟期都为轻旱处理(60%～70%FC)时可以在不减产的情况下获得较高的水分效率和上等烟比例。旺长期是烟草叶面积的主要形成期，应尽可能的保证水分的充足供应(70%～80%FC)。若干旱发生，至少要保证旺长期土壤含水量在60%FC以上，否则后期如何灌水都无法弥补，而伸根期和旺长期维持在50%FC以上可保持产量和品质不大幅下降。

(3)产量、上等烟比例和水分效率与耗水量的关系为具有极大值的二次函数，产量的极值偏后于水分效率和上等烟比例的极值。实际生产中应控制烤烟的灌水量在2 939.2 m3/hm2以下。利用18个试验数据所建立的水分生产函数与烤烟生理需水要求一致，能用于烤烟产量预测。

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