沟垄集雨种植对烤烟生长发育及烟叶品质的影响

陈克玲，王德权，刘洋，王艺，杜玉海，杜传印，马兴华

（1.中国农业科学院烟草研究所，农业农村部烟草生物学与加工重点实验室，山东 青岛 266101；2.青岛农业大学农学院，山东 青岛 266109；3.山东潍坊烟草有限公司，山东 潍坊 261061）

水分是烟草生长发育的必需因子之一，水分不足会影响叶片的光合作用，使烟株生长发育缓慢并降低产品质量［1］。山东烟区属于温带大陆性季风气候，年平均降水量在750～950 mm，且主要集中在7-8月，占全年降水量的40%～60%，5-6月降水较少，5月平均降水量低于50 mm，6月平均降水量在100 mm左右［2］。山东烟区烤烟（Nicotiana tabacum）移栽时间一般为4月底到5月初，烤烟伸根期和旺长期均处于干旱少雨的生长环境，不利于烟株的生长发育和品质形成，特别是无灌溉条件的山地烟田，前期干旱严重制约了烤烟的生长发育。因此，采取合理的栽培方法蓄水保墒，发挥自然降水对烤烟生长的作用，是解决山地烟区烤烟生长前期干旱的有效措施。

近年来，在沟垄集雨系统下对玉米（Zea mays）、小麦（Triticum aestivum）、马铃薯（Solanum tuberosum）等作物的研究也得到了类似的结果。Ren等［3］研究表明，沟垄集雨提高了水分利用效率和玉米产量，与露地平作相比，提高幅度分别在21.1%～51.6%和14.8%～32.3%；Li等［4］研究认为，沟垄集雨种植技术改变了土壤的水热状况，促进了小麦幼苗的生长发育，使产量增幅高达28.3%～100.4%；Chen等［5］的研究表明，沟垄集雨种植能够提高马铃薯的最终株高和地上部的干物质积累，增加一级块茎产量，提高马铃薯的商品率。由此可见，沟垄集雨种植技术通过收集地表径流，可显著放大降水效果［6］，最大限度地利用自然降水，减少无效蒸发，改善土壤水热状况和作物生长，促进光合产物的积累和转运，从而提高水分利用效率和作物产量［7-10］。

虽然沟垄集雨栽培技术在许多作物应用上都取得了较好的效果，但对于烤烟种植而言，沟垄集雨栽培为一项新技术，应用尚少，该技术是否对烤烟生长发育和品质具有促进作用，与传统的起垄覆膜栽培方式相比是否具有优势尚不明确。故本研究以当地主栽烤烟品种云烟87和中烟100为研究对象，以常规起垄覆膜栽培方式为对照，研究了沟垄集雨栽培方式下烟田土壤水分状况、烤烟农艺性状、光合速率、干物质积累、氮素含量、氮素积累量等生长发育指标及烤后烟叶质量等，旨在分析沟垄集雨栽培技术对烤烟生长发育及烟叶品质的影响，明确其技术优势。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年5-10月在山东省潍坊市临朐县寺头镇双龙村和赵家北坡村进行。该试验区是典型的低山丘陵区，光热资源充足，属温带季风型大陆性气候，年平均气温为12.4℃，年平均日照2578.6 h，年平均无霜期191 d，多年平均蒸发量1677.5 mm，年平均降水量700 mm左右，7-9月降水量约占全年降水量的61%。2020年试验地各月降水量和近10年（2010-2019年）月平均降水量见图1。两试验地点供试土壤为沙壤土，0～20 cm土壤理化性质如表1所示。

表1 供试土壤的理化性质Table 1 The properties of the tested soils

图1 试验地降水量月分布Fig.1 Monthly distribution of precipitation in the test site

1.2 试验设计

两个试验点所用烤烟品种一致，均为云烟87和中烟100。试验采用双因素裂区设计，主区为种植方式，副区为品种。种植方式设常规起垄覆膜栽培和沟垄集雨栽培（图2）两种，每个处理设3次重复，共12个小区。双龙村移栽时间为5月14日，赵北村为5月15日。

图2 栽培模式示意图Fig.2 Schematic diagram of cultivation method

试验田的肥料品种和施肥量同当地生产。常规栽培模式施肥方法与当地生产一致，沟垄集雨栽培模式采用穴施，在距离烟株10 cm处左右两侧施用，施肥深度为10 cm，所有肥料一次性施入，施肥后每株烤烟均浇水1 kg。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水量 土壤含水量测定采用烘干称重法。旺长期（移栽后50 d）在水平距离烟株10 cm处采集土壤样品，采样深度为80 cm，20 cm为一层，共采集4层，两次重复。将所取土样装进铝盒称重，放入烘箱中烘干至恒重，烘干后取出样本再次称重，最后计算土壤含水量。

式中：SWC为土壤含水量（%），W1为土壤鲜样和铝盒的总质量（g），W2为烘干土样和铝盒的总质量（g），W3为空铝盒的质量（g）。

1.3.2 农艺性状 现蕾期标记烟株，每个处理标记6株，分别在现蕾期（移栽后70 d）、平顶期（移栽后80 d）调查株高、茎围、叶片数（叶长大于5 cm）、叶长、叶宽。

1.3.3 光合作用 分别在现蕾期（移栽后70 d）、成熟期（移栽后90 d）干物质取样前，选择标记的6株烤烟进行测定，测定叶位为倒4叶（从顶部向下数第4片叶），每个叶片测定2次。使用LI-6400（Li-cor，美国）便携式光合测定仪，在晴天的上午9：00-11：00测定，使用红蓝光源，将光强设置为1200 μmol·m-2·s-1，CO2浓度设置为400 μmol·mol-1，气流速度为500 μmol·s-1。待系统与数值稳定后，记录光合速率。

1.3.4 生物量与氮含量 分别在移栽后50、70和90 d取样，每个处理取3株，植株分为根、茎、叶三部分后，分别在105℃下杀青30 min，80℃烘干至恒重，测定干重。采用全自动凯氏定氮仪（FOSS KJELTEC 8400，丹麦）测定氮含量［11］。

1.3.5 烟叶质量分析 各处理取烤后烟叶样品中桔三（C3F）等级1 kg，进行还原糖、总糖、总植物碱、总氮、钾、氯等常规化学成分分析和香气质、香气量、余味、杂气、刺激性、燃烧性、灰色、质量档次等感官评吸鉴定，由农业农村部烟草产业产品质量监督检验测试中心完成。

1.4 数据分析与处理

采用Excel 2019和Origin 9.0软件对数据进行统计分析和作图，采用SPSS 26.0进行方差分析，采用LSD法比较处理间的差异显著性（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 集雨栽培对烟田土壤水分的影响

烤烟旺长期，0～20 cm土层土壤含水量无明显差异（图3），20～40 cm土层集雨栽培模式的土壤含水量比常规栽培模式高3.1%，40～60 cm土层集雨栽培模式的土壤含水量比常规栽培模式高4.3%，60～80 cm土层中，集雨栽培模式下的土壤含水量低于常规模式。可见，集雨栽培模式可以通过对自然降水的利用提高20～60 cm土层的土壤含水量，比常规模式平均提高3.7%，为烤烟根系生长和水分吸收提供了更有利的条件。

图3 不同栽培模式对0～80 cm土层土壤含水量的影响Fig.3 The influence of different cultivation methods on the soil moisture content of 0-80 cm soil layer

2.2 集雨栽培对烤烟农艺性状的影响

不同栽培方式对现蕾期烟株株高、叶片数无显著影响，两地点两品种表现一致（表2）。集雨栽培提高了烟株茎围，其中双龙村试验点的云烟87差异达显著水平。集雨栽培对叶长的影响大于叶宽，双龙村试验点集雨栽培的云烟87叶长和赵北村试验点集雨栽培的云烟87与中烟100叶长均显著高于常规种植方式，集雨栽培仅显著提高了双龙村试验点云烟87的叶宽。集雨栽培对单叶面积的影响与叶长一致。

表2 不同栽培模式对现蕾期烟株农艺性状的影响Table 2 Effects of different cultivation methods on agronomic traits of tobacco plants at budding stage

栽培模式影响了平顶期烟株农艺性状（表3）。从两个试验地点来看，集雨栽培显著增加了赵北村试验点云烟87的茎围，增加了16.2%；集雨栽培对叶长叶宽均有提高作用，显著提高了双龙村试验点云烟87的叶长和赵北村试验点云烟87的叶宽，并显著提高了单叶面积。

表3 不同栽培模式对平顶期烟株农艺性状的影响Table 3 Effects of different cultivation methods on agronomic traits of tobacco plants at flat top stage

可见，集雨栽培对农艺性状影响较为明显，主要表现在增加茎围、叶长、叶宽和叶面积，而且对云烟87的影响大于中烟100。方差分析显示处理与品种之间无显著交互效应。

2.3 集雨栽培对光合速率的影响

现蕾期集雨栽培的云烟87和中烟100光合速率均高于常规栽培（图4），分别高6.1%和14.7%。平顶期集雨栽培对光合速率的影响更加明显，集雨栽培的云烟87和中烟100光合速率分别比常规栽培高28.5%和14.8%。平顶期集雨栽培和常规栽培的云烟87光合速率分别比现蕾期降低34.8%和46.2%；中烟100分别降低23.8%和23.9%。可见，集雨栽培使烟株在生长中后期能够保持较高的光合作用，避免其生长后期光合能力的快速衰减，而且对云烟87的影响更加明显。

图4 不同栽培模式对现蕾期和平顶期光合速率的影响Fig.4 The effect of different cultivation methods on the photosynthetic rate in the budding stage and flat top stage

2.4 集雨栽培对烤烟干物质积累的影响

从不同栽培方式下烤烟各部位及单株干物质的变化特征可以看出（表4），在双龙村试验点，旺长期集雨栽培显著提高了云烟87和中烟100根、茎、叶和整株的干物质积累量，与常规栽培相比，云烟87根、茎、叶干物质积累量分别提高了83.2%、98.7%和66.7%，中烟100根、茎、叶干物质积累量分别提高了46.5%、103.3%和58.9%。现蕾期，集雨栽培通过提高单株叶重显著提高了云烟87整株干物质积累量，与云烟87相比，集雨栽培对中烟100的影响较小，根、茎、叶的干物质积累量差异均不显著，但显著提高了整株干重。成熟期，集雨栽培的云烟87根、茎、叶、单株干物质积累量均显著高于常规栽培模式，与云烟87相比，集雨栽培对中烟100的影响较小，但集雨栽培下的中烟100单株干重比常规栽培模式提高了41.0%。方差分析发现，除现蕾期叶的干重存在不同处理与品种的极显著交互效应外，其他均无显著交互效应。

表4 不同栽培模式对烟株干物质积累的影响Table 4 Effects of different cultivation methods on dry matter accumulation of tobacco plants（g）

在赵北村试验点，旺长期集雨栽培显著提高了云烟87根、茎、叶和整株的干物质积累量及中烟100叶片的干物质积累量，与常规栽培相比，云烟87根、茎、叶、单株干物质积累量提高幅度为27.9%～41.8%；中烟100叶的干物质积累量提高了35.3%。现蕾期除云烟87的叶，集雨栽培对根、茎、叶和整株的干物质积累量均有不同程度的提高作用，但除中烟100的整株干物质重有显著差异外，其他均无显著差异。成熟期，不同栽培方式云烟87的干物质重差异不显著，但集雨栽培显著影响了中烟100的茎和单株干重。方差分析发现，各时期品种间、不同处理与品种间的交互效应都无显著性差异，但栽培模式对成熟期的干物质有显著性的影响。

2.5 集雨栽培对烤烟氮素含量和氮素积累量的影响

在双龙村试验点，两种栽培模式下烤烟根、茎、叶中的氮素含量和氮素积累量存在显著性差异（表5）。集雨栽培的云烟87和中烟100的根系氮素含量低于常规栽培，而叶片中的氮素含量高于常规栽培；集雨栽培的中烟100茎中的氮素含量低于常规栽培，云烟87品种则与之相反。集雨栽培的云烟87和中烟100的各部位氮素积累量均显著高于常规栽培，与常规栽培相比，云烟87根、茎、叶氮素积累量分别提高了39.5%、97.1%和68.6%；中烟100根、茎、叶氮素积累量分别提高了37.6%、30.6%和25.0%。通过方差分析可以看出，烤烟茎和叶的氮素含量和氮素积累量存在处理与品种间的极显著的交互效应，且栽培模式对烤烟氮素积累量具有极显著的影响。

表5 不同栽培模式对成熟期烤烟氮素含量和氮素积累量的影响Table 5 Effects of different cultivation methods on nitrogen content and nitrogen accumulation amount of flue-cured tobacco at mature stage

在赵北村试验点，两种栽培模式下烤烟根和叶中氮素含量差异性不显著；而集雨栽培和常规栽培处理间茎中的氮素含量差异显著，集雨栽培下的云烟87和中烟100茎中的氮素含量均低于常规栽培，分别降低了33.0%和27.9%。在氮素积累量方面，除云烟87叶的氮素积累量在集雨栽培模式下显著高于常规栽培外，其他均无显著性差异。通过方差分析可以看出，不同处理与品种间的交互效应对烤烟氮素含量和氮素积累量的影响不显著。

2.6 集雨栽培对烤后烟叶化学成分含量的影响

不同栽培方式下烤烟主要化学成分结果表明（表6），云烟87品种在不同栽培模式下的主要化学成分含量有明显差异，常规栽培的两糖含量超出了适宜范围（还原糖16%～22%，总糖18%～24%），而集雨栽培下的还原糖、总糖的含量均降低了17.2%，总植物碱、总氮、钾含量分别提高了3.1%、12.2%、6.7%；中烟100集雨栽培的还原糖、总糖、钾含量高于常规栽培，而总植物碱、总氮含量分别低于常规栽培12.7%和5.4%。可见集雨栽培对云烟87还原糖、总糖、总氮含量有比较明显的影响。

表6 不同栽培模式对烤后烟叶化学成分含量的影响Table 6 Effects of different cultivation methods on the main chemical components of flue-cured tobacco（%）

2.7 集雨栽培对烤后烟叶感官质量的影响

集雨栽培的云烟87在香气量、余味、杂气和刺激性方面的得分均高于常规栽培（表7），总得分也高于常规栽培；集雨栽培的中烟100在香气质、香气量、余味和杂气方面的得分均高于常规栽培，总得分和质量档次均优于常规栽培。可见，集雨栽培地烤后烟叶的香气量足、余味舒适、杂气轻，感官质量明显改善。

表7 不同栽培模式对烤后烟叶感官质量的影响Table 7 Effects of different cultivation methods on sensory quality of flue-cured tobacco

3 讨论

集雨种植较常规种植相比可显著提高土壤表层水分含量，使作物生长的水分条件得到局部改善［6］。Xu等［12］研究指出，集雨栽培提高了0～60 cm土层的土壤含水量，促进了0～40 cm浅层土壤中种植沟内玉米根系生长。本试验结果表明，集雨栽培模式下在烤烟旺长期能有效蓄存自然降水，改善土壤浅层水分状况，20～60 cm土层土壤含水量比常规模式提高了3.7%，由于烟草根系70%～80%分布在地表下16～50 cm的土层内，因此集雨栽培促进了根系的生长。

集雨栽培模式通过对雨水的富集叠加，显著提高了作物的光合速率［13-16］，邢毅等［13］在油菜（Brassica campestris）上的研究结果表明，沟垄集雨耕作可以提高油菜的光合速率，促进光合反应。本试验结果表明，集雨栽培模式下烤烟在现蕾期和平顶期的光合速率均显著高于常规栽培，且平顶期集雨栽培对光合速率的影响更加明显，使烟株在生育后期仍保持一定的光合能力，避免早衰。Zhang等［17］指出集雨种植能够显著提高玉米生长指标并且能够加快生育进程。胡琦等［18］研究发现，与平作比，沟垄集雨耕作提高了马铃薯全生育期内单株干物质重，成熟期差异更加显著，干物质重的提高幅度在25.7%～50.6%。本研究结果显示，在集雨栽培模式下，现蕾期与平顶期烤烟的各项农艺指标均优于常规栽培，且显著提高了云烟87和中烟100的单叶面积，提高幅度为11.8%～36.6%和13.0%～13.5%。而性状指标的优化是干物质积累的基础，本研究结果表明，集雨栽培模式可明显提高烤烟各个时期各性状的干物质积累量及单株干物质积累量，在决定烤烟产量和品质的生育关键时期，集雨栽培的云烟87和中烟100干物质积累量都显著高于常规栽培。

氮素在烟株生长发育过程中起着重要作用，特别是对烤烟产量、品质影响很大，直接影响烟叶内在化学成分的协调［19-20］。有研究证明沟垄集雨种植能够显著影响玉米对氮素的吸收利用［21］。本研究结果表明，成熟期赵北村试验点氮素含量的器官间差异性仅存在于茎中，在双龙村试验点，除中烟100叶外，烤烟各部位的氮素含量均存在显著差异，常规栽培的云烟87和中烟100根以及中烟100的茎氮素含量均高于集雨栽培模式，集雨栽培仅显著增加了云烟87烤烟叶片的氮素含量。这可能是由于集雨栽培改善了土壤水热状况，促进了土壤微生物活动，提高了肥料的吸收转化，加速了烟株体内氮素的吸收转移与再分配，这与李伟玮［22］在玉米上的研究结果相似，其研究表明，沟垄集雨栽培处理的叶、茎的氮浓度低于平作，收获期两处理秸秆氮吸收量无明显差异，但集雨栽培下玉米籽粒的氮吸收量显著增加。

有研究表明，烟叶中的化学成分含量与土壤水分状况有一定的关系［23］，土壤水分状况在影响烤烟生长发育的同时，对烤烟正常的生理代谢活动和土壤中的离子状态也产生了极其重要的影响，进而导致了烤烟中化学成分含量的变化［24］。韩锦峰等［25］研究指出，烟草生长发育过程中任一阶段严重干旱都会影响烟叶化学成分含量，成熟期适度干旱有利于提高烟叶品质。康小平等［26］研究认为，增加灌水量提高了烟叶还原糖、总氮、钾含量，降低了烟碱含量。另有研究指出，烟草生长发育过程中适宜的土壤含水量利于降低烟碱和总氮含量，并且存在随土壤含水量增加而降低的趋势［27］。本研究中，集雨栽培提高了20～60 cm土层的土壤含水量，但对中烟100的还原糖、总糖含量无明显影响，总植物碱、总氮含量略有降低；集雨栽培对云烟87的影响与中烟100不同，集雨栽培降低了云烟87的还原糖、总糖含量，提高了总氮和钾含量，这可能是不同品种对土壤水分的反应不同所致。虽然集雨栽培对不同品种的化学成分含量影响存在差异，但与常规栽培相比，均提高了烟叶的感官质量，说明集雨栽培协调了烟叶的碳氮代谢过程。

4 结论

沟垄集雨栽培技术通过对雨水的充分利用，提高了20～60 cm土层的土壤含水量，优化了两品种现蕾期和平顶期的农艺性状，增强了烤烟的光合作用，提高了光合速率，影响了烤烟各时期的干物质积累量，提高了云烟87和中烟100的氮素积累量和叶片中的氮素含量，降低了云烟87还原糖、总糖含量，提高了总植物碱、总氮、钾含量，提高了中烟100还原糖、总糖、钾含量，降低了总植物碱、总氮含量，改善了两品种烟叶感官质量，最终提高了烟叶品质。沟垄集雨种植是适宜山东丘陵山地烟区的优质高效栽培模式。