不同覆膜方式对冷凉山区土壤水热效应及烤烟农艺性状的影响

黄云志，宋鹏飞，季泽顺，申忠，马翔，黄河，余凤塘，杨拥，付斌，王炽，石剑

（1红塔烟草（集团）有限责任公司，云南玉溪 653100；2云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明 650231；3云南省农业科学院农业环境资源研究所，昆明 650205；4马龙红壤坡耕地保育与水土流失云南省野外科学观测研究站，昆明 650205）

0 引言

云南省昭通市地处四川盆地与云贵高原的过渡地带，海拔高差悬殊，山地特征显著，属低纬高原冷凉半干旱山地农业区。受海拔、地形、水文及气象等环境状况，春季低温冷凉和季节性干旱严重影响山区农业生产和发展[1]。烤烟作为当地主要的经济作物，也是助力脱贫攻坚的重要产业[2]，由于季节性春旱严重影响烤烟根系的生长，同时大田生长前期低温冷凉限制烟苗生长[3]，严重制约着烤烟生产的发展。因此研究冷凉山区烤烟种植增温保墒的农艺措施具有重要的实践意义。

地表界面性质影响着土壤温度和水分的分配，对植烟土壤和烟田小气候环境起至关重要作用[4]。地膜覆盖能局部化、阶段化、区域化改变或影响植烟环境，但不同的覆膜方式对土壤水热效应具有差异。胡新元等[5]研究认为，地膜覆盖提高西北干旱半干旱地区马铃薯种植0～20 cm 土层的土壤温度1.0～6.0℃，GETACHEW等[6]研究认为，周年全膜覆盖可为半干旱冷凉区越冬作物返青和春播作物播种、出苗、保苗奠定良好的水热基础。俞盛山等[7]研究表明，全膜覆土栽培方式在小麦种植过程中前期和后期的增温效果显著，呈“U”型变化。张冬梅等[8]研究地膜和秸秆的二元覆盖可协调土壤水肥气热关系，改善土壤水分和温度，多年平均玉米增产6.9%。

长期以来地膜覆盖对粮食作物的生长、产量及土壤温度的影响做了大量研究[9-11]，但在高原冷凉山区对烤烟覆膜栽培的土壤水热效应研究较少。本研究针对高原冷凉山区季节性春旱、苗期低温及水分利用效率低等问题[12]，开展不同覆膜方式对高原冷凉山区植烟土壤耕层温度和湿度动态变化规律研究。揭示烤烟田地空气温湿度与土壤耕层温湿度动态变化规律，烤烟覆膜方式对土壤环境的影响作用，进而探索土壤环境与烤烟农艺性状和产质量的形成关系，筛选出适宜高原冷凉山区烤烟种植的地膜覆盖方式。以期为有效解决季节性春旱和苗期低温等问题提供技术参数，在提升烤烟产质量和促进农民增收方面发挥重要作用。

1 材料与方法

1.1 试验区域

试验区域属低纬高原冷凉半干旱山地农业区，位于昭通市昭阳区守望乡水井湾村(N 27°15′46″，E 103°43′40″，H 1984 m)。低纬高原季风气候，年均气温12.6℃，年均日照时间1900 h，年均降水量760 mm，具有冬春干旱，雨热同期，干湿分明等特点。试验土壤类型为黄壤，质地砂壤土，基础土壤养分：pH 5.21，有机质19.04 g/kg、碱解氮83.92 mg/kg、速效磷34.32 mg/kg、速效钾310.05 mg/kg。

1.2 试验设置

试验设置4种覆膜方式（表1），各处理小区种植烤烟200株，烤烟品种为‘云烟116’，烤烟种植规格：墒距115 cm，株距55 cm，密度15000 株/hm2。烤烟施肥量及肥料品种：有机肥2025 kg/hm2、烤烟专用复合肥(11-15-23)825 kg/hm2、硝酸钾75 kg/hm2、硫酸钾165 kg/hm2。施肥时间及方法：有机肥底肥施用，撒施表层翻耕入土；烤烟专用复合肥移栽前环状穴施于烟苗根系附近；硝酸钾烤烟移栽后15 d兑水浇施；硫酸钾烤烟移栽后50 d兑水浇施。

表1 覆膜方式及操作方法

1.3 环境监测

大田试验研究采用深圳市农博创新科技有限公司生产的守望者Watcher Pro 型农业智慧型物联网监测系统进行环境参数监测。在常规黑色地膜覆盖RC处理的距离地面100 cm高度处布置1组空气温湿度传感器，空气温湿度传感器提供14 Bits 温度测量以及14 Bits湿度测量。温度测量范围：-20～60℃，湿度测量范围：0%～100% RH，测量精度±0.2℃和±2% RH，监测频率5 min，支持RS485 通讯协议，12 V 直流供电。在垂直于墒面方向，在覆膜处理等距的土壤耕作层（深度20 cm）布置4 组土壤温湿度传感器，土壤温度测量范围：-40～70℃，测量精度0.3℃；土壤湿度传感器测量值是土壤体积含水量，测量范围：0%～100%，测量精度±3%，监测频率5 min，支持RS485 通讯协议，12 V 直流供电。

1.4 烤烟农艺性状及经济性状调查

本试验烤烟移栽方式为膜下小苗移栽，烤烟成熟打顶后参照《烟草农艺性状调查方法(YC/B142—2010)》调查烤烟生长农艺性状[13]。不同覆膜处理挑选10株代表性烟株，进行烟株的株高、茎围、叶片数、上、中、下部叶片的叶长和叶宽测量，计算单叶叶面积和叶面积系数。各处理采集3株整株烤烟，各部位（根、茎、叶）分开清理，105℃高温杀青30 min，之后80℃烘干称重，测定各部位生物量。烤烟经济性状统计，各处理单采、单收、单烤，参照《国家分级标准(GB 2635—1992)》测定其烟叶产量、计算中上等烟比例，根据烟叶收购价格计算烟叶产值[14]。

1.5 数据分析

试验采集数据用Excel 软件整理，单因素方差分析和回归分析用SPSS 18.0软件。

2 结果与分析

2.1 烤烟大田生育期空气温度湿度变化

由图1看出，高原冷凉山区4月空气温度最低，表现为月最高温和月最低温均最小，分别为27.6℃和6.9℃，月平均气温16.2℃；5月空气温度的月较差和气温变异系数达最大，其中出现烤烟大田生育期的最高气温35.1℃，表现为气温升温显著；6月气温表现为向高温过渡；7月平均气温达到最大值21.3℃，气温月较差和变异系数最小，表现为7月稳定、持续地保持较高气温；8月和9月空气温度出现缓慢的下降趋势。4月和5 月的空气湿度平均值较低，分别为73.8%和74.3%，空气湿度的月变异系数较大，表现为降雨零星、雨量较少，空气干燥；6 月进入雨季后，降雨增多、空气湿度增大，空气湿度的月平均值显著增加达到90.4%；7、8、9 月空气湿度的月最低值均高于40%，月较差小，为47.0%～59.9%，表现为降雨丰富，空气湿度保持较高水平。

图1 烤烟大田生育期空气温度、湿度变化情况

4 月下旬至5 月中下旬，表现为前期低温、后期干旱少雨，气温急剧升高，季节性干旱特征明显，严重影响烟苗移栽及还苗。5月底至6月中旬迎来初期降雨，易频繁发生间歇性干旱，影响烤烟根系生长，严重时导致烤烟生长受阻或停滞。6月中旬至9月，降雨和气温同步，适合烤烟生长。因此，在烤烟大田生育前期进行水热调控是保障烟叶优质适产的必要措施。

2.2 不同覆膜方式植烟土壤耕层温度动态变化规律

烤烟大田生育期土壤温度变化趋势表现为前期波动剧烈，后期平缓降低（图2）。最高土温出现在团棵期，达到25.03～26.29℃；最低土温分别出现在还苗期、团棵期和旺长期，分布范围16.10～17.40℃。不同覆膜方式烤烟大田生育期的土壤温度差异显著，RC、RF、BF 和FF 处理的土壤均温分别为21.14、20.97、21.22、21.62℃。还苗期、团棵期和旺长期的土壤平均温度大小顺序均为FF＞BF＞RC＞RF，FF和BF较RC土壤温度增幅分别为0.47～0.80℃和0.23～0.34℃，RF较RC土壤温度降幅为0.49～0.73℃。成熟期平均土壤温度大小顺序为FF＞RC＞BF＞RF，其中FF 处理的土壤温度显著高于其余处理。RF 处理对土壤耕层具有降温作用；BF 处理在移栽后还苗期对土壤耕层具有增温作用；FF 处理在成熟期后段对土壤耕层的增温效果显著。

图2 不同覆膜方式对耕层土壤温度的影响

2.3 不同覆膜方式植烟土壤水分特征

对高原冷凉山区烤烟大田生育期的植烟土壤湿度进行覆膜土壤水分效应综合分析，由图3看出，最高土壤湿度出现在初期大雨后，土壤湿度为24.73%，达最大田间持水量；最低土壤湿度出现在移栽后的15 d和第一次补灌后的15 d，分别为10.97%和11.22%，此时土壤水分不足，烟苗保苗困难应浇水。植烟土壤湿度不仅与降雨和灌溉密切相关，而且覆膜方式能阶段性影响植烟土壤湿度变化。还苗期、团棵期和旺长期的平均土壤湿度大小顺序均为FF＞BF＞RC＞RF，FF和BF 较RC 土壤湿度增幅分别为2.46%～4.76%和0.63%～2.45%，RF较RC土壤湿度降幅为0.01%～0.19%，还苗期土壤湿度与时间的动态模拟关系呈幂函数递减，其递减率随时间增加而降低，FF 和BF 处理的土壤湿度递减率小于RC处理。打顶期和成熟期的平均土壤湿度大小顺序均为FF＞RC＞RF＞BF，FF 较RC 土壤湿度增幅为2.03%～2.84%，BF和RF较RC土壤湿度降幅分别为2.80%～3.64%和0.22%～1.15%。全膜和双层膜覆盖对土壤耕层保湿效果优于常规黑膜覆盖，全膜覆盖在烤烟大田全生育期的土壤保湿效果最好；双层膜覆盖在烤烟生育前期的土壤保湿效果明显，烤烟生长在打顶后的成熟期土壤保湿效果逐渐减弱；反光膜覆盖在烤烟大田全生育期的土壤保湿效果不如常规黑膜覆盖。

图3 不同覆膜方式对耕层土壤湿度的影响

2.4 不同覆膜方式对烤烟农艺性状的影响

各处理烤烟打顶后进行烤烟农艺性状调查（表2），各处理生物产量变化：BF＞RC＞FF＞RF，BF处理烟株的根、茎、叶生物量均高于RC处理。BF烟株株高显著高于其余处理。打顶期烟株茎围和叶片数大小顺序均为BF＞FF＞RC＞RF，BF 和FF 处理显著高于其余处理。上部叶叶面积变化：BF＞FF＞RC＞RF，中部叶叶面积变化：BF＞RC＞RF＞FF，下部叶叶面积变化：BF＞FF＞RC＞RF。双层膜覆盖有利于烤烟上、中、下叶片的生长，全膜覆盖对烤烟中部叶生长影响较大，反光膜覆盖对烤烟叶片的生长影响较大。各处理平均单叶叶面积和叶面积系数变化：BF＞FF＞RC＞RF，BF和FF的烟叶面积显著高于RC，RF的烟叶面积显著低于RC。

表2 不同处理烤烟农艺性状比较

2.5 不同覆膜方式对烤烟产质量的影响

不同覆膜方式初烤烟叶的产量和产值变化（表3）：BF＞FF＞RC＞RF，FF 和BF 较RC 产量和产值增幅分别为0.16%～1.14%和8.37%～17.77%，RF 较RC 产量和产值降幅为6.84%和2.44%。BF 和FF 的中上等烟比例高于RC，其范围在95.99%～96.62%，其中BF上等烟比例最高，FF 中等烟比例最高。RF 中上等烟比例均低于RC。综合来看，双层膜覆盖对烤烟的增产提质效果较好。

表3 不同处理对烟叶产质量的影响

3 结论

不同覆膜方式烤烟大田生育期耕层土壤温度变化差异明显。RC、RF、BF 和FF 处理的土壤平均温度分别为21.14、20.97、21.22、21.62℃。烤烟生长前期，FF和BF较RC土壤温度增幅分别为0.47～0.80℃和0.23～0.34℃，RF 较RC 土壤温度降幅为0.49～0.73℃。地膜覆盖显著提高土壤含水率，烤烟生长前期平均土壤湿度大小顺序均为FF＞BF＞RC＞RF，FF和BF较RC土壤湿度增幅分别为2.46%～4.76%和0.63%～2.45%，RF较RC土壤湿度降幅为0.01%～0.19%，还苗期土壤湿度与时间的动态模拟关系呈幂函数递减，FF 和BF 处理的土壤湿度递减率小于RC处理。打顶后烤烟农艺性状调查结果显示，BF 处理烟株的根、茎、叶生物量，株高、茎围、叶片数和叶面积系数均高于RC处理。BF较RC产量和产值增幅分别为1.14%和17.77%。

4 讨论

土壤温度的变化是太阳辐射平衡、土壤热量平衡和土壤热学性质相互作用共同影响的结果。烤烟大田生育前期，烟苗幼小植被覆盖率低，地表性质主要受地膜覆盖影响。地膜覆盖增强太阳短波辐射和有效阻挡地表的长波辐射[15]，从而显著提高土壤温度。黑膜和白膜双层覆盖，因白膜的透光率对太阳辐射的采集影响小，双膜中间的空气层能有效阻滞热传递。全膜覆盖在全地面地膜覆盖下与外界热量交换减弱，土壤温度的“滞后效应”明显[16]。双层膜和全膜覆盖的土壤热量、水分协同向上运移，为烤烟移栽及还苗提供良好的水温条件。各处理在8月份和9月份代表日的全天分时土壤温度监测表明，全膜覆盖FF处理的土壤温度显著高于其余覆膜处理，相对其余覆膜处理8 月增温幅度1℃以上，9月增温幅度2℃以上。全膜覆盖FF处理的8 月日平均温度为22.8℃，9 月日平均温度达24.5℃。烤烟生育后期，全膜覆盖的土温依然显著高于常规地膜覆盖，该阶段土壤密闭条件下的高温不利于烤烟根系生长，双层膜覆盖具有一定的降温通气作用，对烤烟的产质量形成具有促进作用。

降水和灌溉是低纬高原冷凉半干旱山区土壤水分的主要来源，蒸散损失是土壤水分损失的主要形式，受土壤特性、气象因子（降水、蒸散、气温和太阳辐射）、作物（作物生育期、植被覆盖度等）的影响[17]。地膜覆盖后，不同程度阻碍土壤水分的蒸散通径，有效减少土壤水分的无效蒸散，保蓄水分提高土壤湿度[18]。还苗期的土壤湿度条件直接影响着移栽的成活率和烟苗的生长状况，因此烤烟移栽时的土壤蓄水保湿是决定烤烟抗旱保苗的关键。本研究发现，烤烟移栽时灌溉达到最大田间持水量21.18%～22.99%，移栽15 d后，覆盖常规黑膜和反光膜的土壤水分到达萎蔫系数11.26%和11.61%，覆盖双层膜和全膜的土壤水分为14.51%和15.86%，土壤保湿效果显著高于常规黑膜覆盖。土壤湿度与时间的动态模拟关系呈幂函数递减，其递减率随时间增加而降低，全膜和双层膜处理的土壤湿度递减率小于常规黑膜。烤烟大田生育后期由于降雨增加，全膜覆盖增加雨水集蓄，抑制土壤水分蒸散，造成土壤湿度显著高于其余处理，土壤水分含量过高不适宜烤烟的成熟落黄[19]。

试验土壤肥力基本相同，不同覆膜方式对烤烟的株高、茎围、叶片数、叶面积和生物累积量产生不同程度的影响。试验研究结果表明，高寒冷凉山区烤烟大田生长期土壤水分以12%～20%为宜，低于该范围土壤水分不足，烤烟还苗困难，应及时浇水补墒，双膜和全膜覆盖能延长浇水间隔时间。烤烟苗期轻度至中度的水分亏缺，对烤烟的产量影响不大，长期土壤水分低于12%，影响植株细胞的扩张生长，造成烟株生长发育停滞，影响株高、叶面积和地上部生物累积量的形成。烤烟成熟期，适宜的土壤水热资源调控，不仅优化烤烟群体结构，而且促进根系生长，强化光合作用，有利于烤烟品质的提升[20]。