负压灌溉对烤烟生长及水肥利用率的影响

肖海强 ,丁亚会 ,黄楚瑜 ,杨虹琦 ,管恩森 ,高凯 ,龙怀玉

1江西中烟工业责任有限公司井冈山卷烟厂,吉安,343100；2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京,100081；3湖南农业大学生物科技学院,长沙,410128；4山东潍坊烟草有限公司,潍坊,262200

负压灌溉对烤烟生长及水肥利用率的影响

肖海强1,2,3,丁亚会2,黄楚瑜3,杨虹琦3,管恩森4,高凯4,龙怀玉2

1江西中烟工业责任有限公司井冈山卷烟厂,吉安,343100；2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京,100081；3湖南农业大学生物科技学院,长沙,410128；4山东潍坊烟草有限公司,潍坊,262200

为探讨负压灌溉对烤烟生长及水肥利用率的影响,采用负压灌溉装置设置3个不同的供水负压,在日光温室内以盆栽方式考察了不同负压供水下土壤含水量的动态变化,以及负压供水对烤烟生长、干物质积累与分配、水肥利用率的影响。结果表明：①负压灌溉能维持土壤含水量在较稳定的范围内,但生长过程中土壤水分含量与供水压力没有明显的比例关系；②在-20～-10 kPa范围内,随着供水压力的增大,烟株长势增强,烟株的干物质量、耗水量、钾素吸收总量及钾肥利用率逐渐增加,根干重及水分利用效率随供水压力的降低而增加,氮、磷素吸收总量及其利用率随供水压力的降低而呈现出先增加后降低的趋势；③以烤烟干物质积累为目标,烤烟伸根期适宜供水压力为-20～-15 kPa、旺长期约为-10 kPa、成熟期为-15～-10 kPa。

负压灌溉；生物量；水分利用效率；肥料吸收利用率；烤烟

我国是烟草种植大国,烟田灌溉用水量很大。在传统的烟田灌溉模式中,普遍存在水肥使用量大、利用程度低等问题,这造成了大量资源的浪费和环境的污染,加剧了我国水肥资源短缺的危机；探索一种节水、高效的新型灌溉技术,以提高作物对水、肥等资源的利用程度是缓解这一危机的重要途径之一[1]。基于供水压力为正压力的传统灌溉,Livingston于1908年首次提出负压灌溉的概念[2]。其基本原理是基于水总是从高水势自动流向低水势的原理,配以一定的仪器装置自动补充根际土壤中被作物消耗的水分。国内外学者利用这一原理已进行了理论上的探索,并在此基础上验证了负压灌溉的可行性[3-5]。2007年,刘明池等[6]将负压灌溉应用于生产实践中,证实了负压灌溉具有节水、高效、节能的灌溉效果。此后,负压灌溉技术在多种作物的盆栽试验中得到了应用,结果表明了负压灌溉可以促进作物的生长,起到增产提质的效果[7-10]；近年来,负压灌溉在烤烟上的应用也有报道,但已报道的研究方向多为烟株耗水特性[11]及水分生理[12]等方面,而关于负压灌溉对烤烟水、肥利用率影响的研究鲜见报道。因此,本试验采用了自制的负压灌溉装置对烤烟进行供水,以NC55为试验材料,研究了-20～-10 kPa范围内不同负压供水下植烟土壤含水量的动态变化以及负压供水对烤烟生长、干物质积累与分配、水肥利用率的影响,并从负压灌溉对烤烟干物质积累的响应机制方面,提出了不同生育期的适宜供水压力,为负压灌溉技术的推广及应用提供一定的水分参数依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

采用负压灌溉装置,以供水压力为试验因素,设计了3个不同的水平梯度（其绝对值越大,表示该处理供水压力越小；下同）： -10 kPa（W1）、-15 kPa（W2）及-20 kPa（W3）,并以常规灌溉为对照（CK）；同时,设置了不施肥处理,用于计算烟株养分利用情况。每个处理重复12次。

采用盆栽方式进行试验,试验盆（底无孔,防止水分渗漏）内径33.0 cm,高33.0 cm,装土15.0 kg。按照施氮量为5.12 g/株,且氮、磷、钾肥比例为1:1.4:2.7的要求计算出每株施肥量,与供试土壤混匀后装盆。供试品种为NC55,于5月7日移栽,移栽时浇足定根水,待还苗成活后利用负压灌溉装置按照试验设计要求对烟株进行负压供水。统一于7月16日进行打顶。

1.2 试验地概况

试验于2014年5～9月在山东省诸城市洛庄烟草试验站日光温室内进行,试验地位于119°08′E、36°01′N。供试土壤为当地农田耕层土壤（0～30 cm土层）,土壤类型为褐土,其pH值为6.5、有机质含量7.44 g/kg、全氮0.53 g/kg、全钾24.46 g/kg、速效磷16.67 mg/kg、速效钾93.00 mg/kg,土壤质地为粘壤土（其颗粒组成：砂粒38.8%、粉粒29.1%、黏粒32.1%）。

1.3 负压灌溉装置简介

试验采用的负压灌溉装置由中国农业科学院农业资源与农业区划研究所提供（工作原理见专利[13]）,包括5部分（示意图见图1-a；实图见图1-b）：抗压储水桶（a）、负压渗水器（b）、应用于农业灌溉的负压调节装置（c）、抗压导水管（d）及集气排气装置（e）。其中,负压渗水器为陶瓷管,发泡点均在50kPa以上,其规格为18cm×20mm（长×外径）。

图1-a 负压灌溉装置示意图Fig.1-a Schematic diagram of the negative-pressure irrigation device

图1-b 试验装置实图Fig.1-b Photo of the negative-pressure irrigation device

供水压力由“应用于农业灌溉的负压调节装置”（以下简称为负压调节器）控制,其基本原理见专利[14]；根据试验要求设计了3种（Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类）不同型号的负压调节器,设计控制的负压值分别为-10 kPa、-15 kPa及-20 kPa,但实际控压范围要以每个负压调节器调试后的“进气时最大负压值”与“平稳后负压值”来综合判断。负压调节器调试后的参数情况见表1,“进气时最大负压”平均值、“进气平稳后负压”平均值与设计控制负压值之间误差的绝对值≤10%。在灌溉过程中,密闭的储水桶水位会逐渐下降,导致桶内形成真空负压,此负压受昼夜温差变化的影响较大。在实际应用中负压调节器实际控制的负压范围与设计值之间的误差不超过±10%时,可认为该调节器符合负压灌溉的控压要求。

试验中渗水器的具体安装方法为：将渗水器埋深至土表层10cm处,并保持“头部”高于“尾部”1cm左右,使其具有一定的倾斜度,以便将从灌溉水中可能逸出的气体收集到储水桶中,防止管道气栓,以保证灌溉顺利进行。

表1 负压控制器调试参数情况Tab.1 Parameters of negative-pressure controller

续表1

1.4 温室内温湿度日变化

试验期间温室内温湿度的变化见图2。从图中可以看出整个生育期温室内日平均相对湿度变化较大,其变化范围为47.6%～94.2%。 日平均温度在20.7～31.3℃之间,且烟苗移栽后,日平均温度整体上呈现出逐渐升高的趋势,这有利于满足烤烟生长对温度的要求。

图2 试验温室内温湿度变化情况Fig.2 Changes of the temperature and humidity in the greenhouse

1.5 测量项目及方法

（1）土壤含水量：移栽后,每隔10 d利用土壤水分速测仪检测,检测点深度约10 cm、且与渗水器距离3 cm左右,每侧检测3个点（每次监测同一检测点）,共6个点。每处理重复3次。

（2）烤烟农艺性状：移栽后,分别于移栽后30 d、60 d、90 d等3个时期参照行业标准[15]测定株高、茎围、节距、有效叶数及最大叶长宽等。

（3）烟株耗水量：从储水桶直接读取水位高度,与上一次记录的结果比较得出高度差（Δh）,再乘以储水桶横截面积S即可计算出灌溉水的体积。根据文献[11]可知,单株灌溉量即为单株耗水量（ET0）,用kg表示。

（4）干物质积累量：采用杀青烘干称重法,分别于移栽后30 d、60 d、90 d等3个时期取3株长势一致的烟株,分别收集根、茎、叶,取其平均值表示该时期干物质积累量（g）；干物质增量为该时期干物质积累量与前一时期干物质积累量之差（g）。

（5）水分利用效率：单株水分利用效率（WUE）为烟株消耗单位水量所积累的干物质量,计算公式为：

式中：WUE为烟株水分利用效率（g/kg）；Y为烟株干物质量（g）；ET0为烟株耗水量（kg）。

（6）养分利用率的测定：分别收集烟株根、茎、叶等器官干物质作为待测样品；N含量采用连续流动分析仪测定[16],P含量采用钼锑抗比色法[17]（以P2O5计）,K含量采用火焰光度计法测定[17]（以K2O计）；养分吸收利用率采用差减法[18]计算,用%表示。其计算方法为：

1.6 数据分析

利用Microsoft Excel 2010及DPS 7.05软件进行数据整理和方差分析,采用最小显著差异法（LSD,Least-signi fi cant Di ff erence）在0.05水平上进行样本的比较分析。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量的动态变化

从图3可知,全生育期内CK土壤含水量变化波动较大,呈现“旱—涝”循环的变化趋势；采用负压灌溉的各处理,土壤含水量波动幅度较小,其变化范围在13.35%～21.46%之间。这表明了负压灌溉可使根系处于较稳定的土壤水分环境中,可避免烟株因遭受旱涝胁迫而产生的危害。

图3 各处理土壤含水量的变化Fig.3 Moisture content in different soil at each treatment

全生育期内,不同负压供水对土壤含水量在不同时期的影响不同。移栽后0～50 d,土壤含水量随供水压力的增大而增加,表现为W1＞W2＞W3；之后则表现为以W2为最大、W1为最小。这表明在-20～-10 kPa范围内烟株生长过程中,土壤含水量与供水负压无明显比例关系。其中,移栽后60～80 d,W1土壤含水量先增加后降低,在70 d时达到最大,其值为22.2%,但80～110 d其土壤水分含量保持在较低范围内。

2.2 不同负压供水对烤烟农艺性状的影响

从表2中可以看出,不同处理烤烟农艺性状各指标受供水压力的影响较大,各生育期内株高、有效叶片数及最大叶生长情况（移栽后60 d时叶宽及叶面积除外）与供水压力呈正相关趋势,且差异显著（P＜0.05）,均表现出W1＞W2＞W3；移栽后60 d及90 d时,茎围和节距亦是如此。同时,除移栽后30 d时W3（-20 kPa处理）烟株农艺性状表现较常规浇灌处理（CK）较差外,其他生育期内负灌溉处理的烟株长势均较CK优良。这表明在-10～-20 kPa之间的负压灌溉比常规浇灌更有利于烤烟的生长发育。

表2 不同负压供水对烤烟农艺性状的影响Tab.2 Agronomic traits of fl ue-cured tobacco under different negative pressure of water supplying

2.3 不同负压供水对烤烟干物质积累的影响

从表3中可知,移栽至移栽后30 d,茎器官干物质积累量表现为W3＞W1＞W2＞CK,整株重及叶干重则表现出随供水压力降低而显著减少的趋势,根干重则随供水压力的降低反而增加,且各处理之间也表现出显著差异性（P＜0.05）。此时期CK根系干重占全株重比例为32.57%,与W1相当；但CK全株干重及根干重分别为23.76 g和7.74 g,明显少于负压灌溉各处理的干物质积累量。

移栽至移栽后60 d,干物质积累总量随供水压力的降低而减少,且负压灌溉各处理整株重均大于CK,表现为CK＜W3＜W2＜W1；根器官干物质积累量则表现相反趋势,且此时期根干重占全株重比例以CK为最大,其值达29.10%,W3与之相当。茎干重随供水压力的降低呈现出先减少后增加的趋势,但增加趋势不显著；而叶干物质积累则表现出与茎干物质积累规律相反的趋势。此时期,在-15～-10 kPa范围内随供水压力降低,茎干重比降低了6.77个百分点,而叶干重比增加了3.47个百分点；在-20～-15 kPa范围内随供水压力的降低,叶干重比随之降低,降低幅度达7.03个百分点,茎干重比反而有增加的趋势。这说明旺长期适当增大供水压力,能够有效促地上部进干物质向叶器官转移。

移栽至移栽后90 d,烟株干物质积累总量、叶干重及茎干重随供水压力的降低而减少,具体表现为CK＜W3＜W2＜W1；根干重则随供水压力的降低表现出先减少后增加的趋势,但CK根干重较其他处理明显要小。此时期,叶干重比也表现出随供水压力的降低而降低,其中W1、W2叶干重比差异较小,其值分别约为64.8%和64.5%。

表3 不同负压供水对烟株干物质积累与分配的影响Tab.3 Effects on dry matter accumulation and allocation of fl ue-cured tobacco under different negative pressure of water supplying

2.4 不同负压供水下烤烟的水分利用效率

从表4中可以看出,在同一生育期内各处理烟株单株耗水量随供水压力的降低而逐渐减少,且差异显著。但同一处理烟株耗水量随生育期的推移而增加,即伸根期＜旺长期＜成熟期；不同处理间烟株WUE随供水压力的降低而增大,表现为CK＜W1＜W2＜W3；就不同生育期而言,相同负压供水条件下的WUE均表现出旺长期最大、伸根期其次、成熟期最小。

从表中还可知,在烤烟全生育期内,与常规浇灌（CK）比较,负压灌溉供水处理可使烤烟单株耗水量降低12.29～26.20 kg,节水幅度达22.1%～47.2%,且全生育期内烟株WUE提高了1.53 ～2.57 g/kg。

表4 不同负压供水下烤烟的水分利用效率Tab.4 Water utilization ef fi ciency of fl ue-cured tobacco under different negative pressure of water supplying

2.5 不同负压供水对烤烟养分吸收利用的影响

从表5中可知,不同负压供水下烤烟的N、P的吸收总量及其利用率随供水压力的降低而呈现出先增加后降低的趋势,且各处理均高于CK,但差异不显著；其中W2为最高,N、P的吸收总量分别达到34.96 kg/hm2和11.01 kg/hm2。各处理烟株对K的吸收总量及其利用率均表现为W1＞W2＞W3＞CK,其中负压灌溉各处理吸钾总量较CK提高了11.09%～47.92%。

同时,负压灌溉各处理N、P、K的利用率较CK均有所提高,其中烟株在适宜的供水负压下N、P、K的最大利用率较CK分别提高了7.82、2.73和11.54个百分点。

表5 不同负压供水对烤烟养分吸收利用的影响Tab.5 Effects on the nutrient utilization of fl ue-cured tobacco under different negative pressure of water supplying

3 讨论

负压灌溉装置是一个密闭的系统。从能量角度分析,当系统达到平衡且不存在水分流动时,Ψ水（储水桶内水势）与Ψ土（土壤基质势）存在对应关系,即供水负压可表示为土壤基质势[19]。在应用过程中,烟株不断吸水,打破了这一平衡关系,此时Ψ土小于供水负压,灌溉水自动地补充到植烟根层土壤,导致全生育期内土壤水分含量处于动态的变化过程。本研究表明,较常规灌溉而言,负压灌溉能维持土壤含水量在较稳定范围内,这与以往的研究结论基本一致[20-21]；但在-20～-10 kPa范围内,烤烟生长过程中的土壤水分含量与供水负压无明显的比例关系,这与前人的研究结果不同[22]。如果不考虑作物对土壤水分的影响,土壤含水量应随供水负压的增大而增大[6],但图3表明-10 kPa处理的土壤水分含量在前期均大于其他负压灌溉处理,进入成熟期后反而为最小,这可能原因是-10 kPa处理的烟株生长旺盛,进入成熟期后需水量较大,而此时渗水器的供水速率没有跟上。因此,探索一种亲水性强、渗水速率大的新型微孔材料,是目前完善负压灌溉体系的重点研究方向之一。

土壤水分条件是烤烟生产中重要的生态因子之一,直接关系到烟株的生长发育及烟叶的产质量。常规灌溉方式为间歇式灌溉,易造成土壤含水量较大幅度的波动（见图3）,即旱涝循环现象,这一现象限制了烟株同化物的供应能力[23],不利于烟株的生长发育及烟叶产质量的形成。本试验结果也表明负压灌溉各处理烟株长势及各器官干物质积累量均较常规灌溉处理表现较好,且在-20～-10 kPa范围内,增大供水压力能够显著促进烤烟生长,有利于烟叶潜在产量的形成。不同生育期内烤烟耗水特性不同[24-25],决定了不同生育期适宜烤烟生长的土壤含水量也不同[26],即负压灌溉的供水压力应在不同生育期内不同。就烟株干物质积累和分配规律而言,伸根期供水负压为-20～-15 kPa时,根干物质积累量较大,促进根系发育及形态建成,为烟株旺长奠定基础；旺长期供水负压约为-10 kPa时,烟株干物质积累总量最大,且根系干物质分配率最小,能有效改善干物质在地上部与地下部各器官之间存在竞争关系[23]；成熟期供水负压为-15～-10 kPa时,能提高烟株同化物的形成能力,并促进干物质向叶器官转移,对烟叶产量的形成有积极意义。

负压灌溉利用了作物耗水特性及土壤张力特性,实现了作物因需的灌溉目的,有利于改善根际土壤水分环境,为水分的高效利用奠定了基础。本研究结果表明较常规灌溉而言,对烟株进行负压供水能明显提高WUE,且这一趋势随供水压力的降低而越明显；但同一负压供水条件下,单株耗水量随生育期的推移而增加,这与汪耀富等[27]研究结果不同,可能是由于试验所处的环境不同而导致的。同时,负压灌溉维持的根际土壤水分始终处于非饱和状态,这样既在很大程度上减少了土壤表面蒸散、渗漏等无效水的消耗,又避免了土壤养分因水分过多而产生的无效流失,从而实现节水、节肥、高效的灌溉目的。本研究结果证明,全生育期内负压供水的烟株耗水量随供水负压的降低而显著减少,且烟株耗水量显著少于常规灌溉处理。在植烟生态系统中,土壤水分与肥料之间存在相互影响的动态平衡关系,适宜的土壤水分条件能够促进烟株的生长发育,从而提高烟株对肥料的吸收利用程度。采用负压灌溉的各处理烟株对营养元素的吸收利用程度也高于常规灌溉处理,尤其在-10 kPa～-20 kPa范围内增大供水压力能明显提高钾肥的吸收利用率。

负压灌溉可通过控制供水负压来调节根际土壤的含水量,并使之维持在稳定范围内,是一种精准的控水模式,这为烟草的水分生理等方面的深入研究提供了前提条件。同时,本试验还发现常规施肥下负压灌溉各处理烟株的肥料吸收利用率仍处于较低水平（见表5）,这说明有必要继续深入探索负压灌溉下适宜烟株生长的施肥模式。由于负压灌溉的供水头装置为多孔隙材料,水分子及矿质养分离子等小分子物质可自由通过,因此,在下一步研究中可采用“水-肥一体”的方式对烟株进行水肥管理,以期通过水、肥对烟株的相互促进作用来达到节水、节肥、高效的烟田水肥管理效果,为烟叶生产提供一种新型的烟田水肥管理模式。

4 结论

采用负压灌溉对烤烟进行供水,能维持土壤含水量在较稳定的范围内,但在生长过程中土壤水分含量与供水压力没有明显的比例关系。

在-20～-10 kPa范围内,随着供水压力的增大,烟株长势优良,整株干物质量、烟株耗水量、钾素吸收总量及钾素吸收利用率逐渐增加,根干重及WUE随供水负压的降低而增加,而氮、磷素吸收总量及其利用率随供水压力的降低而呈现出先增加后降低的趋势。

根据负压灌溉对烤烟干物质积累的响应规律分析,认为不同生育期的适宜供水压力不同：伸根期为-20～-15 kPa、旺长期约为-10 kPa、成熟期为-15～-10 kPa。

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E ff ect of negative-pressure irrigation on water fertilizer utilization and fl ue-cured tobacco growth

XIAO Haiqiang1,2,3, DING Yahui2, HUANG Chuyu3, YANG Hongqi3, GUAN En’sen4, GAO Kai4, LONG Huaiyu2
1 Jinggangshan Cigarette Factory, China Tobacco Jiangxi Industrial Co. Ltd., Ji’an 343100, Jiangxi, China;2 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;3 Bioscience Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China;4 Shandong Weifang Tobacco Company, Weifang 262200, Shandong, China

E ff ect of negative-pressure irrigation on the growth and water fertilizer utilization rate of fl ue-cured tobacco was investigated.Pot experiments in sunlight greenhouse were carried out by using a negative-pressure irrigation device with three pressure levels. The dynamic change of soil moisture content, dry matter accumulation and distribution, and water fertilizer utilization rate were studied.Results showed：①Soil moisture could be maintained in a stable range by using negative-pressure irrigation, but there was no signi fi cant proportional relationship between soil moisture content and negative pressure at all stages. ②When water pressure increased from -20kPa to -10 kPa, growth of tobacco was enhanced, and dry weight, water consumption, total amount of K-uptake and rate of K utilization increased gradually, but root dry weight and water use efficiency decreased. N-uptake, P-uptake and its utilization rate showed a trend from decline to rise. ③ The suitable water supplying pressure at root stretch stage, fast growing stage and mature stage were -20～-15 kPa, -10 kPa and -15～-10 kPa respectively for dry matter accumulation.

negative-pressure irrigation; biomass; water use efficiency; fertilizer utilization rate; fl ue-cured tobacco

肖海强,丁亚会,黄楚瑜,等.负压灌溉对烤烟生长及水肥利用率的影响[J].中国烟草学报,2016,22（2）

国家烟草专卖局特色优质烟叶开发重大专项“低危害烟叶开发” [1102011010006(ts-06)]

肖海强(1987—),硕士研究生,烤烟栽培及生理, Email：xiaohaiqiang91@163.com

龙怀玉（1969—）,Email：hylong@caas.ac.cn

2015-06-01

: XIAO Haiqiang, DING Yahui, HUANG Chuyu, et al. E ff ect of negative-pressure irrigation on water fertilizer utilization and fl uecured tobacco growth [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2016, 22(2)