土壤水勢對烤煙生長及其耗水特性的影響

肖海強，劉學勇，3，龍懷玉，楊虹琦，趙百東，管恩森，王大海，岳現錄

土壤水勢對烤煙生長及其耗水特性的影響

肖海強1，2，劉學勇1，2，3，龍懷玉2*，楊虹琦1，趙百東4，管恩森5，王大海5，岳現錄2

（1.湖南農業大學農學院，長沙 410128；2.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；3.湖南湘西州煙草公司，湖南 吉首 416000；4.國家煙草專賣局辦公室，北京 100045；5.山東濰坊煙草有限公司，山東 濰坊 262200）

為篩選負壓灌溉條件下烤煙適宜的土壤水勢，于2012年在山東諸城市利用負壓灌溉裝置設置了3個不同的土壤水勢，在田間原位盆栽條件下考察了土壤水勢對烤煙生長、耗水特征、干物質積累與分配、水分利用效率（WUE）的影響。結果表明，在負壓灌溉條件下，土壤水勢維持在-20～-10 kPa范圍內，能使烤煙植物學性狀生長優良；煙株耗水量、耗水強度、干物質積累總量（DAM）及葉干重比例均隨土壤水勢增大而增加，但各生育期的耗水模數與灌溉方式無關；WUE隨土壤水勢降低而增大，在同一土壤水勢條件下隨生育期推移而增加。從潛在產量和水資源高效利用等角度綜合分析，提出基于負壓灌溉下不同生育期應采用不同土壤水勢值進行供水，具體為伸根期適宜的土壤水勢范圍為-30～-20 kPa，旺長期約為-10 kPa，成熟期約為-20 kPa。

負壓灌溉；土壤水勢；干物質；水分利用效率；烤煙

采用合理、科學的灌溉方式提高有限水資源的利用是實現農業可持續生產的重要途徑之一，特別是在干旱及半干旱地區顯得尤為重要。目前，國內外較先進的農業灌溉方式有噴灌［1］、滴灌［2］、痕量微灌［3］及半透膜節水灌溉技術［4］等，這些灌溉方式雖能在一定程度上提高作物對水分利用程度，但由于其供水頭壓力均為正壓，灌溉時易使部分土體達到水分飽和而導致養分被淋移出作物根區以外，造成水資源和養分的浪費；且灌溉系統運行時需要耗能，從而進一步加劇了能源危機。負壓灌溉技術于1982年Kato Z等［5］首次被提出，其基本原理是針對土壤水分非飽和條件下，利用土壤張力特性和植物水分生理特性，采用滲水材料來自動補充根際土壤被消耗的水分［6］，這樣既可以極大提高作物對水分利用程度，也可以較大程度地防止養分流失，且整個灌溉過程不需耗能，實現了高效、節水、節能的灌溉效果。目前，負壓灌溉技術已在大豆［7］、番茄［8］、菠菜［9］、天竺葵［10］及玉米［11］多種植物的水分盆栽試驗中得到應用，結果表明了負壓灌溉既能實現自動、高效、節水的灌溉效果，又能促進植物生長，起到增產、提質的效果。但已報道的研究所采用的負壓供水裝置能控制最低土壤水勢均較大，且大多數是針對生長周期較短的作物，而關于生長周期長、需水量大、耐旱性強的煙草作物的負壓灌溉研究鮮有報道。因此，本試驗采用了負壓灌溉裝置控制土壤水勢，以烤煙為材料，研究了-30～-10 kPa范圍內土壤水勢對烤煙生長及耗水特性、干物質生產及分配規律、作物水分利用效率的影響，并在此基礎上總結出烤煙各生育期的適宜土壤水勢，為負壓灌溉技術推廣及應用提供一定的水分參數依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

2012年5—9月在山東省諸城市賈悅鎮（位于119°08′E，36°01′N），人工防雨措施下，采用田間原位盆栽方式進行試驗，供試煙草為NC55，以土壤水勢為因素，設計3個處理：T1（-10 Kpa），T2（-20 Kpa），T3（-30 Kpa）；每個處理重復36次。煙株于5月7日移栽，還苗后采用負壓灌溉裝置（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所發明專利，專利號200710178527.3；其示意圖見圖1），按照試驗設計要求自動控制并維持耕層土壤水勢（本研究采用負壓供水，土壤一直處于非飽和狀態，不存在壓力勢；土壤鹽分含量也非常低，溶質勢也可忽略；各個處理的負壓供水器的埋設深度及埋設方式也相同，重力勢差異也可忽略。因此，本試驗的土壤水勢實質為土壤基質勢）。盆（低部無孔）內徑33.0 cm，高33.0 cm，裝土15.0 kg，按照施氮量為5.12 g/株，m（N）:m（P2O5）:m（K2O）=1:1.4:2.7要求施肥；移栽后，將盆埋入田間原位測坑，并在測坑上端覆蓋保鮮膜。煙株統一于7月16日進行打頂。

土壤為0～30 cm耕層土壤，土壤類型為褐土，pH 6.8，有機質14.6 mg/kg，堿解氮57.0 mg/kg，速效磷5.3 mg/kg，速效鉀82.0 mg/kg。試驗地區5—9月總降水量為395.3 mm，其中7、8月降雨量分別為134.4、214.7 mm，移栽后日平均氣溫23.3 ℃，空氣相對濕度56.4%～65.7%。

圖1 負壓灌溉裝置示意圖Fig .1 Schematic diagram of the negative pressure irrigation device

1.2 測量項目及方法

農藝性狀：移栽后，分別于團棵期、旺長期、現蕾期及成熟期參照煙草行業標準［12］測定株高、莖圍、節距、有效葉片數及最大葉長寬等。

單株灌溉量：每隔7 d用精度0.1 kg的天平稱量供水水源重量，其與上一次稱量的差值即為灌溉量，用kg表示。

干物質積累：采用殺青烘干稱重法，分別于團棵期、旺長期及成熟期取樣，每處理選取3株有代表性的植株，并分別收集根、莖、葉，取其平均值表示該時期干物質積累量（g）；干物質增量為該時期干物質積累量與前一時期干物質積累量之差（g）。

1.3 耗水量及水分利用效率計算

單株耗水量采用水量平衡法計算［13］。其計算方程式為：

式中，SΔ為土壤水分變化量；P、I分別為生育期內降雨量和灌溉量；Eg、ET分別為潛水蒸發量和蒸散量；Rg、D分別為地表徑流量和土層下邊界滲透量。

本試驗為人工防雨條件下的盆栽試驗，且移栽后用薄膜覆蓋表層土壤，既隔絕了降雨的入滲，又很大程度上減少土壤水分蒸發；負壓灌溉能夠實現耕層土壤水分始終保持在一定范圍［7］，且穩定后土壤含水量的波動幅度較小［14］，即土壤水分變化量可忽略不計。因此，SΔ、P、Eg、Rg和D都可視為“0”，灌溉量即為單株耗水量（IET=）。按照文獻［15］方法劃分生育期，并計算其耗水量。

單株水分利用效率為煙株消耗單位水量所積累的干物質量，計算公式為：

式中：WUE為煙株水分利用效率（g/kg）；Y為煙株干物質量（g）；ET為煙株耗水量（kg）。

2 結 果

2.1 土壤水勢對烤煙農藝性狀的影響

煙株生長發育過程中對土壤水分條件較為敏感。從表1中可以看出，農藝性狀各指標受土壤水分條件影響較大，并在不同土壤水勢處理下差異顯著（p＜0.05）。其中，株高及莖圍在各生育期與土壤水勢呈正相關趨勢，即隨土壤水勢的增大而增加；節距在各生育期以T2處理最大，均表現出T2＞T1＞T3；有效葉片數在團棵期以T3最多，團棵期以后則表現為T2＞T1＞T3。土壤水勢條件對最大葉長、寬與最大葉面積的影響模式基本一致；各指標的數值在團棵期與成熟期均以T2處理為最大，而在旺長期和現蕾期則表現出T1＞T2＞T3。說明土壤水勢維持在-20～-10 kPa范圍內，能使烤煙長勢（株高、有效葉數及最大葉面積等）較好，為煙葉產量的形成奠定基礎。

2.2 土壤水勢對烤煙耗水特性的影響

2.2.1 烤煙全生育期的周耗水規律 圖2是烤煙全生育期內單株周耗水量隨時間的變化動態。從整體上說，煙株全生育期內周耗水量呈現出“中間多、兩頭少”的規律。移栽后8周，周耗水量隨著時間延伸而增加，但各處理移栽后第1周的灌溉量明顯大于第2周，這是由于試驗采用的負壓灌溉裝置壓力發生是從0 kPa開始，需要消耗一定水分，使裝置形成真空值與土壤水勢保持平衡而導致的，并不體現真正的烤煙耗水量。在移栽后7—8周煙株周耗水量達到峰值，之后又逐漸減少，直至采收完，但11周時單株耗水量反而比第10周大，這可能是受到了打頂的影響。圖2也清楚地表明，土壤水勢對烤煙耗水量有著明顯的影響，在相同時期內單株周耗水量隨土壤水勢的增大而增加，即：T1＞T2＞T3。說明降低土壤水勢，可減少烤煙單株周耗水量。

表1 不同土壤水勢下的烤煙農藝性狀Table1 The agronomic attributes of flue-cured tobacco under various soil water potentials

圖2 烤煙全生育期單株周耗水量變化動態Fig.2 The weekly water consumption of flue-cured tobacco

2.2.2 不同土壤水勢下烤煙不同生育期的耗水量和耗水強度 由表2可知，同一土壤水勢處理的單株耗水量及耗水強度均以旺長期最多、成熟期次之、伸根期最小；而不同處理間全生育期及各生育期的單株耗水量及耗水強度均隨土壤水勢的增大而增加，即T1＞T2＞T3，且在p＜0.05水平上差異顯著。其中，T1處理的全生育期單株耗水量、耗水強度分別為145.30 kg、1.30 kg/d，T3處理分別為60.50 kg、0.54 kg/d。各處理間煙株的耗水模數在同一時期則保持相對穩定，其中伸根期為16.19%～19.69%，旺長期為45.28%～47.86%，成熟期為32.45%～37.96%。

2.3 煙株各生育期水分利用效率

烤煙具有分層落黃成熟、分部位采收的特性，為了方便取樣，在本試驗中煙株干物質積累量的取樣時間為移栽至腳葉采收（即成熟前期）。表3是負壓供水下煙株各生育期WUE的情況，從中可以看出，在移栽至成熟前期，WUE隨土壤水勢降低而增大，表現為T1＜T2＜T3，說明降低土壤水勢，增大了根系吸水的阻力，從而提高了煙株對水分的利用程度。

就不同生育期而言，相同負壓供水條件下的WUE均表現出成熟前期最大，旺長期次之，伸根期最小（表3）。表明在負壓灌溉下烤煙對水分的利用效率隨煙株生育進程的推移而增加。

同一生育期不同負壓供水條件下，WUE差異明顯。不同處理的烤煙各生育期WUE最大值與最小值之差分別為0.43、1.25和4.83 g/kg（表3）。說明在不同生育期降低供水負壓值能顯著提高作物WUE。

表2 烤煙不同生育期的耗水量和耗水強度Table2 The water consumption and its intensity in different growth periods of flue-cured tobacco

表3 不同土壤水勢下的煙株水分利用效率Table3 The water use efficiency of tobacco under various soil water potential

2.4 土壤水勢對煙株干物質積累量的影響

干物質的積累和分配趨勢直接影響作物的產量，是潛在產量的重要衡量指標。從表4來看，團棵期時，煙株干物質積累總量、根干重及莖干重均以T2處理為最大，其值分別為11.98、2.86、1.57 g；而葉干重以T1處理為最大，其值為7.89 g；表明在伸根期時土壤水勢為-20 kPa時有利于煙株根系及莖干物質積累，可有效促進根系發生及形成。但土壤水勢下降到一定值時，土壤有效含水量降低，使根系吸水困難，降低了煙株耗水量（圖2、表2），從而影響了干物質的產生和運移。此時期T3處理的干物質積累量小于T2、T1處理，且根干重較T2處理也有所減少，而T3處理根干物質占有比例表現為最大（其值為27.23%），表明土壤水勢降低到-30 kPa時，不僅限制了同化物的供應能力，也不利于地上部的干物質積累。

表4 不同土壤水勢下煙株干物質的積累與分配Table4 The dry matter accumulation and allocation of tobacco under various soil water potential

旺長期干物質積累總量、莖干重及葉干重隨土壤水勢的增大而增加，即T1＞T2＞T3，T1處理以上3個指標的數值分別為154.31、42.98、88.18 g；而根干重則表現出T1＜T2＜T3。說明旺長期較高的土壤水勢（-10 kPa）能增加干物質積累總量及葉干重，有利于煙葉產量的形成。

成熟前期煙株干物質積累總量及葉干重均以T2處理為最大、T1其次、T3處理最小。其中，T1的葉干重比T2的減少量小于T3比T2的減少量；莖干重則表現為T1＞T2＞T3，而根干重則表現相反趨勢。說明在成熟前期保持-20～-10 kPa的土壤水勢，有利于地上部干物質的積累。

2.5 土壤水勢對各器官干物質分配的影響

從表4中可知，同一時期內不同處理的烤煙根冠比均表現出T3＞T2＞T1，說明在高土壤水勢（-10 kPa）條件下有利于煙株干物質向地上部分配，而較低土壤水勢（-30 kPa）時則有利于向根系分配。

在不同時期內，煙株根系干物質占全株干物質積累量的百分比均表現為T1＜T2＜T3，而葉干物質積累量則表現相反規律（表4）。莖干重對全株干物質貢獻率在不同生育期內表現不同，其中伸根期表現以T3最大，其值為14.46%；之后則表現出隨土壤水勢增大而增大，即T1＞T2＞T3。說明煙株干物質向莖分配所適宜的土壤水勢在不同時期是不同的，具體表現為煙株生長前期低、中后期高的特點。

3 討 論

土壤水分條件是影響烤煙生長及耗水特性的重要因子［16］。本研究發現，在負壓灌溉下不同土壤水勢處理的煙株周耗水量及耗水強度隨土壤水勢的增大而增加，且在不同生育期內均以旺長期最多、成熟期次之、伸根期最小，這與蔡寒玉［17］的試驗結果類似。不同生育期內耗水模數與汪耀富等［15］研究提出烤煙伸根期、旺長期與成熟期的耗水模數分別為34.8%、45.23%和34.8%的結果基本一致，這說明在滿足烤煙需水條件下各生育期的耗水模數是由作物本身的遺傳特性所決定的，土壤水勢對其影響輕微，但顯著影響了單株耗水量和耗水強度。

作物根系本身具有向水性，且烤煙在伸根期內耗水量較少，此時期適宜減少土壤水分的供應量，可促使根系細胞數目增多或體積增大，導致同化物優先流向根系器官細胞［18］，供根系組織的構建和細胞呼吸的消耗。本試驗結果表明，當土壤水勢為-20 kPa時，伸根期內根系干物質積累量較大，有利于根系組織的構建，為烤煙的旺長奠定基礎；但土壤水勢降低到一定值時，限制了同化物的供應能力［19］，不利于根系組織及整株干物質的積累。研究結果表明，當土壤水勢為-30～-20 kPa時，煙株有效葉片數顯著增加，促進了煙葉光合面積的擴增，為烤煙的產量提供了保障。煙株在旺長時耗水量明顯增加，可能原因是進入旺長期后葉片生長速率加快、有效葉數增加，導致單株蒸散量（ET）也隨之增加。此時干物質的分配在根、莖、葉等器官中存在較強的競爭關系［20］，當土壤水勢為-10 kPa時，葉片中干物質分配最多（88.18g/株，表4），且有效葉片數及整株干物質積累量較其他處理明顯增加，這對煙葉產量的形成有積極意義。現蕾時，煙株耗水量對土壤水勢的敏感度降低，從圖2中可以看出，T1處理與T2處理耗水量差異減少，且第10周T1耗水量接近T2處理，表明了土壤水勢為-20 kPa左右即可滿足烤煙現蕾期的耗水需求。

打頂后，煙株周耗水量呈現了先增加后降低的趨勢。這可能是打頂打破了煙株體內原有的激素平衡，促使生長素向根部運輸，激活了根系響應機制，使根系細胞代謝活動得到增強，并促進了次生根的生成，從而增加了水分吸收能力［21］；另外根系中細胞分裂素的分泌量增加，在一定時間內抵消了脫落酸的部分作用，延緩了葉片衰老［22］，從而加大葉片氣孔導度，進而增強了葉片的蒸騰耗水強度。之后煙葉開始分層成熟，脫落酸含量逐漸積累［23］，氣孔大小受到影響［24］，從而減少了成熟期后單株周耗水量逐漸減少煙株生理需水量。同時，當土壤水勢為-20 kPa時，干物質向莖、根等器官的轉移有增加趨勢，這在一定程度上可緩解成熟期內因葉片干物質的大量積累而對光合作用產生抑制的現象［18］，從而達到進一步增加葉片干物質積累的目的。本試驗中煙株在全生育期內均處于相對穩定的土壤水勢環境中，莖占總干物質量的幅度為32.77%～38.35%，較Mahadevaswamy M等［25］提出莖的貢獻率為26.8%～36.2%的結果偏高，表明了烤煙在同一土壤水勢條件下生長不利于干物質向葉片的分配，不利于煙葉產量的形成。

水分利用效率（WUE）是衡量作物對水分利用的重要指標之一［26］。研究結果表明，在負壓灌溉下，WUE隨土壤水勢的降低而增大，且相同土壤水勢下煙株在不同生育期內對水分利用效率不同，表現為成熟前期＞旺長期＞伸根期。這可能一方面由于負壓灌溉技術是基于土壤張力特性，維持了土壤水分非飽和狀態［6］，當土壤水勢越小，根系吸水越困難，導致葉片內水勢梯度增大，氣孔蒸散越困難，單位時間內蒸騰耗水量降低，從而增大了WUE；另一方面采用負壓灌溉可維持根際土壤含水量的相對穩定，避免了作物因土壤水分過度波動而遭受的旱澇脅迫，使作物處于適宜的土壤水分環境中，為作物正常的生理機制進行提供了條件，且灌溉時濕潤土層未達及土壤表面，在很大程度上減少了裸土蒸發而引起的無效耗水，從而實現了作物對水分的高效利用。

4 結 論

基于負壓灌溉，土壤水勢維持在-20～-10 kPa范圍內，能使烤煙農學性狀（株高、有效葉數及最大葉面積等）優良，土壤水勢低于該范圍則不利于煙株的生長。

采用負壓灌溉能顯著降低煙株耗水量及耗水強度，且隨土壤水勢降低而明顯；但各生育期的耗水模數由作物本身的遺傳特性所決定，受灌溉方式影響不大。

在-20～-10 kPa范圍內，采用負壓灌溉對烤煙進行供水，WUE隨土壤水勢的降低而增加，在同一土壤水勢條件下WUE隨生育期推移而增加。

從煙株生長及耗水特性、干物質積累及分配和水資源利用等角度綜合分析，提出基于負壓灌溉下不同生育期采用不同土壤水勢值進行供水，具體為伸根期適宜的土壤水勢范圍為-20～-30 kPa，旺長期約為-10 kPa，成熟期約為-20 kPa。

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The Effects of Soil Water Potential on the Growth and Water Consumption of Flue-cured Tobacco

XIAO Haiqiang1，2， LIU Xueyong1，2，3， LONG Huaiyu2*， YANG Hongqi1， ZHAO Baidong4， GUAN Ensen5，
WANG Dahai5， YUE Xianlu2
（1. Agricultural College of Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China； 2. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing， 100081， China； 3.Xiangxi Tobacco Company of Hunan Province， Jishou， Hunan 416000， China； 4.State Tobacco Monopoly Administration， Beijing 100053， China； 5.Weifang Tobacco Limited Company of Shandong Province， Weifang， Shandong 262200， China）

In this paper， the effect of soil water potential on the growth， water consumption characteristics， dry matter accumulation and distribution， water use efficiency （WUE） of flue-cured tobacco was studied. With 3 levels of soil water potential maintained by using a negative pressure irrigation device， pot experiments in situ field were carried out. The results showed that， the botanic traits of tobacco was well when soil water potential was in the range of -20～-10 kPa； Water consumption， water consumption intensity，total dry matter accumulation （DMA） and the ratio of leaf dry weight decreased when soil water potential increased， while water consumption modulus of different growth periods changed little with changed soil water potential； WUE increased when soil water potential decreased， and increased as the periods of flue-cured tobacco growing in the same soil water potential. For efficient utilization of irrigation water， different soil water potential should be maintained in the different growth periods， the suitable soil water potential for flue-cured tobacco at various growth stages as follows: the range of -30～-20 kPa at root stretch stage， about -10 kPa at fast growing stage， and about -20 kPa at mature stage.

negative pressure irrigation； soil water potential； dry matter； water use efficiency； flue-cured tobacco

S572.06

1007-5119（2015）01-0035-07

10.13496/j.issn.1007-5119.2015.01.008

國家煙草專賣局特色優質煙葉開發重大專項“低危害煙葉開發”［110201101006（ts-06）］

肖海強，男，碩士研究生，主要研究煙草栽培及生理。E-mail：xiaohaiqiang91@163.com。*通信作者，E-mail：hylong@caas.ac.cn

2014-09-22 修回日期：2015-01-25