水肥一体化条件下阶段性动态水肥供应对烤烟生理特性的影响

雷 佳，张 玺，文志强，李淮源，王晓剑，邓世媛，陈建军*

（1.广东中烟工业有限责任公司，广东 广州 510610；2.广东烟草韶关市有限公司，广东 韶关 512000；3.华南农业大学 烟草研究室，广东 广州 510642）

水肥一体化是利用各级管道设备和压力装置，将灌溉与施肥有机结合在一起的农业生产技术，大量的应用研究表明，水肥一体化能满足水分和养分在时间上的同步和空间上的耦合，实现作物水分和养分的精确调控，大幅度提高水肥利用率和劳动生产率，是我国未来农业发展的重要方向［1-3］。目前，我国烟草农业正逐步由传统的个体化、人工化向集约化、规模化方向转变，鉴于当前烟叶生产过程中存在灌溉条件落后、肥料利用率偏低以及水肥供给不协调等矛盾，在提质增效、降本减工和维护生态的基础上，研究水肥一体化技术在烟叶生产上的推广和应用，是发展现代烟草农业的必然要求［4］。

近年来，针对水肥一体化技术在烟草农业上的应用与推广，前人也开展了一定的研究。相关研究结果表明，水肥一体化在烟叶生产上的应用能显著改善烟叶的内在品质和提高水肥的利用率，在减施肥料尤其是氮肥的条件下仍能实现烟叶产量和产值的增加［5-7］。前人的研究结果均为水肥一体化在烤烟生产上的应用奠定了良好的理论基础，但目前的研究多集中在水肥一体化滴灌的条件下，不同灌溉用量以及施氮水平对烤烟水肥耦合效应、矿质营养吸收和烟叶产质量的影响［8］，鲜见有针对烤烟不同发育阶段的水肥吸收规律，利用水肥一体化技术对烤烟进行动态水肥供给管理的研究报道。水肥一体化最显著的技术优势之一就是可以实现作物养分和水分的精准、适时供给。因此，依据烤烟不同生长期的水肥吸收规律，利用水肥一体化设备对田间烟株进行动态水肥供应，是对烤烟水肥一体化技术的深化和拓展。

针对烤烟在伸根期、旺长期和成熟期的水肥需求特点［9-10］，本研究利用水肥一体化设备对田间烟株进行阶段性动态水肥管理，通过测定烤烟生长过程中几个关键酶的活性以及烤烟主要化学成分含量的变化，以期从生理代谢的角度探究水肥一体化动态水肥供给对烤烟生长的应用效应，为初步建立基于水肥一体化的烤烟水肥综合管理体系提供理论基础，更为烤烟水肥一体化技术的规模化应用提供实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2018～2020年分别在华南农业大学烟草基地和广东省始兴县马市镇安水村进行。供试烤烟品种为K326，土壤理化性质：pH值6.5，有机质1.4%，碱解氮149.8 mg/kg，有效磷54.8 mg/kg，速效钾247.3 mg/kg。

试验设备与肥料：试验田水肥供给采用膜下滴灌的方式，滴灌肥液浓度设置为灌溉流量的0.2%，滴头流量为1.6 L/h，间距为30 cm；试验肥液由固体肥料溶于水中配制而成，所需肥料包括烟草复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）、过磷酸钙（16% P2O5）、碳酸氢铵（17% N）、硫酸钾（50% K2O）、硝酸钾（13.5% N、46% K2O）。

1.2 试验设计

烤烟不同生长期所需的养分量和养分配比差异较大，伸根期、旺长期和成熟期的氮、钾吸收量分别约占全生育期氮、钾总吸收量的15%、70%和15%。另外，烤烟不同生育期对土壤相对含水量的要求也略有差异，还苗期要求烟田土壤相对含水量为80%、伸根期为60%、旺长期为80%、成熟期为60%～70%。基于上述烤烟不同生长期的水肥需求规律，本试验共设置3个处理，具体如下：

（1）对照（CK）：当地常规水肥管理。全生育期施总氮165 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶1∶2，磷肥全部基施，氮、钾肥的基追比为6∶4。

（2）处理1（T1）：当地常规施肥管理+动态水分供给。施肥管理与CK相同，烟田灌溉采用滴灌方式，利用土壤水分仪进行动态监测，还苗期保证土壤相对含水量为70%～80%、伸根期为60%、旺长期为80%、成熟期为60%～70%，若土壤相对含水量低于该生育期设定值则滴灌。

（3）处理2（T2）：减肥条件下水肥一体化动态水肥管理。全生育期施总氮量为CK的80%，N∶P2O5=1∶1，磷肥全部基施，氮肥的基追比为4∶6，追肥以水肥一体化方式进行，伸根期施氮占追施总氮量的15%；旺长期和成熟期分别占70%和15%，基肥和第1次追肥的N∶K2O比为1∶1；第2次和第3次追肥的N∶K2O比为1∶3；灌溉方式及要求与T1一致。

每处理重复3次，随机区组排列，小区面积210 m2，株行距0.6 m×1.1 m，其他田间管理措施参照当地优质烟叶生产技术进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 烟叶光合速率和蒸腾速率的测定 在烟株旺长期和成熟期，采用LI-6400光合仪测定烟叶的净光合速率和蒸腾速率。

1.3.2 烟叶碳氮代谢的关键酶活性和主要化学成分含量的测定 从移栽45 d开始，取各处理烟株具代表性烟叶作为样品，采用酒精提取，分光光度法测定烟叶的叶绿素含量［11］；采用3，5-二硝基水杨酸法测定烟叶的淀粉酶活性；采用活体法测定硝酸还原酶活性；采用3，5-二硝基水杨酸法测定还原糖含量；采用蒽酮比色法测定总糖和淀粉含量；采用紫外分光光度法测定烟碱含量［12］。每隔15 d测定1次，连续测定5次。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2007和SPSS 22软件对数据进行统计和分析，采用Graph Pad软件制图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对田间烟叶叶绿素含量的影响

由图1可知，各处理的叶绿素含量随着生育期的推进而均呈现先增加后下降趋势，各处理的叶绿素含量均于移栽后75 d达到最大值。移栽后45和60 d，T1的叶绿素含量显著高于CK和T2，而CK和T2的叶绿素含量则较为接近。移栽75 d及之后，CK的叶绿素含量在同一时间点均显著高于T1和T2。采收前，CK、T1和T2的叶绿素含量较移栽75 d时分别下降了50.0%、52.5%和66.2%，此时，各处理的叶绿素含量表现为CK＞T1＞T2，且各处理间差异显著。

图1 不同处理对田间烟叶叶绿素含量的影响

2.2 不同处理对田间烟叶净光合速率和蒸腾速率的影响

由表1可知，T1与CK相比，在施肥量相同的条件下，T1的净光合速率较CK提高了22.73%；另外，T1的净光合速率也显著高于T2，其光合速率较T2提高了15.94%。T2与CK相比，在施肥量减少的情况下，T2的净光合速率仍比CK高出5.85%。进入成熟期后，CK的净光合速率反而显著高于T1和T2，达到了15.15 μmol/（m2·s）；T1的净光合速率也显著高于T2。就蒸腾速率而言，不同处理的蒸腾速率在烟株旺长期差异显著，在旺长期，T1和T2的蒸腾速率均显著高于CK，随着成熟期降雨量的增多，不同处理烟叶的蒸腾速率较为接近，但差异不显著。

表1 不同处理对田间烟叶的净光合速率和蒸腾速率的影响

2.3 不同处理对田间烟叶碳氮代谢关键酶活性的影响

淀粉酶是催化分解淀粉的主要酶类，对烟叶的碳代谢过程有着重要的影响。由图2可知，各处理的淀粉酶活性在生育期内先增强后减弱，其酶活性峰值均出现在移栽后75 d。T1和T2的淀粉酶活性在烟株生育期内均高于CK，移栽后75 d时，T1的淀粉酶活性最高，其次为T2，分别较CK增加了16.7%和10.1%，且差异显著。移栽后75 d及之前，T1的淀粉酶活性均高于T2，随着烟叶的逐渐成熟，T1和T2的淀粉酶活性逐渐下降，至采收前，两者的淀粉酶活性基本处于同一水平。

图2 不同处理对田间烟叶碳氮代谢关键酶活性的影响

硝酸还原酶是植物氮同化过程的关键酶类，其活性的大小能够反映烟株体内的氮代谢状况。随着烤烟生育期的推进，不同处理烟叶的硝酸还原酶活性均呈先升高后下降的变化趋势，其中T1和T2的酶活性峰值出现在移栽后60 d，而CK的酶活性峰值则出现在移栽后75 d。烟株生长的前期，T1的硝酸还原酶活性最高，其次为T2，最小的为CK；移栽后60 d时，T1和T2的酶活性均显著高于CK，增幅分别为37.4%和29.5%。旺长过后，烟叶进入成熟阶段，T1和T2的硝酸还原酶活性均逐渐降低，而CK的硝酸还原酶活性却在移栽后75 d才开始下降，至烟叶采收前，CK的烟叶硝酸还原酶活性反而显著高于T1和T2。

2.4 不同处理对田间烟叶主要化学成分含量的影响

由图3可知，不同处理烟叶的总糖含量在烟株整个生育期内均不断上升；移栽后45和60 d，T1的总糖含量显著高于CK和T2；移栽后75 d及往后，T1的总糖含量虽然仍高于T2，但两者之间差异并不显著，且T1和T2的总糖含量均显著高于CK；至采收前，T1的总糖含量较CK增加了16.1%，而T2的总糖含量则较CK增加了11.5%。

图3 不同处理对田间烟叶主要化学成分含量的影响

不同处理烟叶的还原糖含量变化规律与总糖类似，移栽后60 d之前，烟叶的还原糖含量处于较低水平，烟株进入成熟期后，各处理烟叶的还原糖含量大幅增加。在整个生育期内，T1的还原糖含量均显著高于CK，虽然进入成熟期后T1的还原糖含量仍较T2高，但两者并没有明显差异。

移栽60 d及此前，T1的淀粉含量显著高于CK和T2；移栽后75和90 d，3个处理烟叶的淀粉含量互相之间并无显著差异；移栽后105 d，T1和T2的淀粉含量较此前均有所下降，而CK烟叶的淀粉含量则较此前继续上升；采收前，CK烟叶的淀粉含量分别较T1和T2高5.3%和7.4%。

不同处理烟叶的烟碱含量在移栽75 d及以前均较低，随着烟叶逐渐成熟，不同处理的烟碱含量大幅增加；移栽后75 d时，T1的烟碱含量最高，T2次之，CK最低；随着生育期继续的推进，CK的烟碱含量反而超过了T2，至采收前，各处理的烟碱含量表现为T1＞CK＞T2，且各处理之间均差异显著。

3 讨论与结论

在烤烟的种植过程中，科学的水肥管理是保证烟株大田正常生长的关键［13-14］。汪耀富等［9］指出：烟株不同生育期对土壤水分相对含量要求各有不同，具体为还苗期达70%～80%、伸根期达60%、旺长期达80%、成熟期达60%～70%，并以此为基础，提出了烤烟优化灌溉施氮产值模型。另外，李志宏等［10］根据我国各大烟区烤烟的养分吸收规律，总结出了我国烤烟养分吸收积累的模式，即伸根期烟株吸收的氮、钾量分别占其全生育期氮、钾总量的11%和10%，旺长期则分别为67%和60%，而成熟期则分别为21%和29%。本试验以水肥一体化技术为水肥供给载体，通过分析烤烟不同生育期的阶段性水肥需求，动态地对田间烟株进行水分和养分的精准供给。

作为植物光合作用最重要的色素，叶绿素含量的高低直接影响着叶片光合同化作用的强弱［15］。有研究表明，增加施肥量可以提高叶绿素含量，同时净光合速率也会随着施肥量的增加而升高［16］。烟株生长前期，T1（当地常规施肥+动态水分供给）和T2（80%常规施肥量+动态水肥供给）的叶绿素含量以及净光合速率均显著高于CK（当地常规水肥），动态水分供给能够协调烟株生长前期的水肥耦合关系，避免季节性干旱限制肥效的发挥，养分吸收利用转化充分，能显著增加叶绿素含量和净光合速率。另外，由于阶段性水肥动态供给大大提升了水肥的利用效率，T2基于较少的养分投入也能满足烟株生长发育所需［7，17］。烟叶进入成熟期后，叶绿素的分解速率总体大于其合成速率，因而叶绿素含量逐渐降低；在烟株生长后期，CK的叶绿素含量和净光合速率反而显著高于T1和T2，并且随着成熟期的推进，CK的叶绿素含量降幅也显著低于T1和T2。在常规水肥管理条件下，烤烟生育前期的降雨偏少，且施肥浇灌次数有限，这限制了浇灌条件下养分的利用。随着广东烟区烤烟生育后期的降雨逐渐增多，土壤相对含水量增加，CK的养分重新大量释放而被吸收，从而延缓了叶绿素含量和光合速率的降低，但过高的叶绿素含量反而不利于烟叶的正常落黄成熟，加大了晚熟的可能性。

碳代谢和氮代谢是烤烟的两大基础代谢过程，其强度、协调程度及其在烟叶生长和成熟过程中的变化，直接或间接地影响到烟叶的化学成分含量及其比例，这对烟叶品质的形成具有重要作用［18］。本研究结果表明，不同处理烟叶的硝酸还原酶（NR）和淀粉酶（AM）活性在烟株生育期内均呈现先上升后下降的趋势。其中，T1和T2的AM活性在烟株生长期内均高于CK；不同处理的NR活性对比，在烟株生长前期，T1的硝酸还原酶活性最高，其次为T2，最低的为CK；T1和T2的NR活性峰值均比CK提前，但生育后期CK的NR活性反而显著高于T1和T2。已有研究表明，单独滴灌或者水肥一体化均能促进植株对氮肥的吸收［19］。在本研究中，T1通过动态水分供给提高了土壤养分与水分的互作水平，T2则通过动态水肥供给实现了烟株水肥的同步管理，通过水肥的动态调控，T1和T2处理均能在烟株生长前期尤其是旺长期，提高烟株根系附近养分的供给水平及其有效性，烟株对养分吸收水平的提高使得氮代谢较为旺盛，含氮化合物积累增加；随着烟叶的生理成熟，以及T1和T2生育后期土壤氮素的调亏，烟叶的碳代谢逐渐增强，并占据主导地位。碳氮代谢的顺利转变有利于淀粉的积累更多地向分解方向转变，由此增加了烟叶中的可溶性糖类物质含量；另外，氮代谢的减弱使得烟碱等含氮化合物的含量不至于过高，进而增加了烟叶的可用性，并提高了烟叶化学成分的协调性。此外，值得注意的是，T1在常规施肥量条件下，通过动态水分供给，其烟叶的总糖、还原糖、淀粉、烟碱含量均高于T2，其中两者的烟碱含量差异显著。因此，在水肥一体化条件下，若继续沿用传统灌溉施肥模式下的施肥量，可能会对烟叶的品质产生一定的影响，例如，导致烤烟的烟碱含量过高，甚至出现贪青晚熟。

4 结论

水肥一体化阶段性的动态水肥管理能紧密结合烤烟不同生长阶段的水肥需求，对烟株进行精准的营养供给，适宜的土壤水分调控以及水肥同步均能大大增强养分的有效性，并提高养分的利用率。本试验结果表明：（1）动态水肥管理能显著提高烟株生长前期叶片的叶绿素含量，提高烟叶的净光合速率，加快土壤养分的利用速度，避免烟株成熟后期因降雨较多导致的养分重新释放而造成烟株难以落黄成熟的问题；（2）动态水肥管理能显著增强烟株全生育期的淀粉酶活性和生长前期的硝酸还原酶活性，通过成熟后期养分调亏，烟株的硝酸还原酶活性迅速下降，有利于烟株成熟期的碳氮代谢顺利转换；（3）减肥条件下动态水肥管理使烟叶化学成分含量均低于常规施肥配合动态水分供给处理，其中烟碱含量差异显著；阶段性动态水肥供给应在常规施肥量的基础上酌情减少肥料用量，从而提升烟叶的内在品质，达到优质、适产的生产目标。