不同水氮處理對膜下滴灌烤煙葉面積指數(shù)的影響

徐 元，吳蘊玉，侯毛毛，胡潤欣，邵孝侯*

(1.河海大學(xué) 大禹學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；

3.福建農(nóng)林大學(xué) 園藝學(xué)院，福建 福州 350000)

?

不同水氮處理對膜下滴灌烤煙葉面積指數(shù)的影響

徐 元1，吳蘊玉2，侯毛毛3，胡潤欣2，邵孝侯2*

(1.河海大學(xué) 大禹學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；

3.福建農(nóng)林大學(xué) 園藝學(xué)院，福建 福州 350000)

摘要：為了研究不同水氮處理對烤煙葉面積指數(shù)的影響，依據(jù)烤煙生長習(xí)性設(shè)計了13種水氮處理方式，并且基于移栽后時間建立了余弦模型、指數(shù)模型和線性模型來對烤煙葉面積指數(shù)進(jìn)行動態(tài)模擬，利用均方差、相關(guān)系數(shù)以及作物生長規(guī)律對模型進(jìn)行檢測與比較。結(jié)果表明：指數(shù)模型的模擬值與實測值之間均方差最小，僅為0.0712～0.1325，相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)到0.9914～0.9975，且符合作物生長規(guī)律，能夠很好地預(yù)測烤煙葉面積指數(shù)的動態(tài)變化過程；不同的水氮處理對烤煙葉面積指數(shù)產(chǎn)生顯著影響，灌溉量和施氮量大體上與烤煙葉面積指數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)，但是兩者的過多使用會在一定程度上抑制烤煙的生長發(fā)育；同時，在相同灌溉量和施氮量條件下，膜下滴灌方式所得的最大葉面積指數(shù)比傳統(tǒng)溝灌的增大了16.76%，說明膜下滴灌技術(shù)對烤煙的生長發(fā)育起到了很好的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：烤煙；葉面積指數(shù)；模型；水氮處理；膜下滴灌

0引言

葉片是影響作物蒸發(fā)和光合作用的重要器官，葉面積的大小直接影響了作物進(jìn)行光合作用的面積，進(jìn)而對作物產(chǎn)量造成影響[1]。葉面積指數(shù)是決定作物最終產(chǎn)量的重要參數(shù)之一，是植物群體生長狀況的一個重要指標(biāo)[2]。本文試驗依據(jù)烤煙的生長習(xí)性設(shè)計了13種不同水氮處理，用來研究灌溉量和施氮量對烤煙葉面積指數(shù)的影響。同時，為了更好地反映不同水氮處理對烤煙葉面積指數(shù)的影響，本文建立了余弦模型等3種模型對烤煙葉面積指數(shù)進(jìn)行動態(tài)模擬，旨在選取適宜的水氮組合來提高烤煙的品質(zhì)和產(chǎn)量。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于2012年3～8月在貴州省煙草科學(xué)研究所福泉試驗基地進(jìn)行。試驗區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候華中濕潤區(qū)，熱量豐富、雨量充沛、無霜期長，年降雨量1033～1220 mm，多年平均氣溫14 ℃，年日照數(shù)1000～1150 h，年積溫為4574～5609 ℃·d，無霜期245～278 d，氣候年干燥指數(shù)在0.43～0.50之間，光、熱、水同季。地貌類型以山地為主，丘陵次之。試驗區(qū)的土壤品種為黃棕壤，0～60 cm土壤的有機(jī)質(zhì)含量為14.21 g/kg，pH值為5.87，速效氮含量為129.90 mg/kg，速效磷含量為27.20 mg/kg，速效鉀含量為229.90 mg/kg。

1.2試驗設(shè)計

試驗在蒸滲儀中進(jìn)行，蒸滲儀由水泥、磚塊及隔板組成，上方安裝防雨棚，以隔絕自然降水。每個蒸滲儀面積均為(4×0.6)m2，栽煙(烤煙K326)4株，行距0.8 m，株距0.6 m。試驗設(shè)4種灌溉量，3種施氮量，共設(shè)13個水氮處理，其中對照處理(CK)的設(shè)計主要依據(jù)貴州煙區(qū)傳統(tǒng)的溝灌處理及施氮方式，每個處理重復(fù)3次，如表1所示。基于前期研究經(jīng)驗，本試驗灌水按照烤煙伸根期、旺長期和成熟期的灌水量分別占總灌水量的30%、40%和30%進(jìn)行分配，每個生育期灌溉10次；施肥按照基肥∶追肥=7∶3施用無機(jī)肥料，除氮肥施用量不同外，各處理磷肥與鉀肥施用量均相同，分別為P2O5150 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2，基肥在烤煙移栽前一次性穴施，追肥時間為移栽后26 d，把各處理烤煙專用無機(jī)肥的用量折合成純氮量施入蒸滲儀土壤中。

表1　試驗設(shè)計

1.3測定項目和方法

自烤煙移栽后每7 d測1次葉片最大的長×寬，每種處理方式選取4株，然后按照以下公式計算葉面積及葉面積指數(shù)。

葉面積計算公式：

(1)

葉面積指數(shù)計算公式：

(2)

式(1)、式(2)中：k：葉面積校正系數(shù)，取值為0.6345[13]；LA：單株葉面積；m：植煙株數(shù)；A：植煙面積。

2模型的建立與檢驗

2.1烤煙葉面積指數(shù)LAI動態(tài)變化特征

圖1為膜下滴灌條件下13種水氮處理對烤煙葉面積指數(shù)的影響，從圖中可看出，烤煙葉面積指數(shù)的變化可分為3個階段：移栽后14～28d為緩慢增長階段、移栽后28～84d為快速增長階段、移栽后84～104d為衰退階段，正好分別對應(yīng)了烤煙生長的3個階段：伸根期、旺長期和成熟期[3]。移栽后84d，各處理烤煙LAI(葉面積指數(shù))達(dá)到峰值，T5處理烤煙LAI最高，達(dá)到4.83；T9次之，為4.73；CK最低，僅為3.52。

圖1　膜下滴灌條件下水氮協(xié)作對

2.2模型的建立

葉面積指數(shù)受品種特性、氣象條件、栽培措施等諸多因素影響，綜合考慮起來十分復(fù)雜。本文主要基于移栽后時間(t)建立烤煙葉面積指數(shù)模型[4]，分析不同水氮協(xié)作方式對烤煙葉面積指數(shù)的影響程度。將13種不同水氮處理所得的葉面積指數(shù)實測值利用MATLAB、CurveExpert1.4等軟件進(jìn)行擬合，依據(jù)烤煙葉面積指數(shù)LAI動態(tài)變化特征得到了余弦模型、指數(shù)模型以及線性模型3種擬合效果較好的模型。模擬公式及結(jié)果如表2、表3、表4所示，這3種模型的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.9770～0.9941、0.9914～0.9975和0.9779～0.9955，表明了這3種模型都能夠很好地模擬烤煙葉面積指數(shù)的動態(tài)變化過程。

表2　余弦模型模擬結(jié)果

注：表中LAI為葉面積指數(shù)；ω=2π/T，該參數(shù)反映了葉面積指數(shù)變化速率的快慢；M為調(diào)整中值；A為振幅，代表了葉面積指數(shù)的變化幅度[5]。

2.3模型的檢驗與比較

將13個不同水氮處理得到的葉面積指數(shù)實測值與模擬值進(jìn)行分析，主要采用均方差(RMSE)與相關(guān)系數(shù)(R2)對3種模型進(jìn)行評價(表5)。均方差越小，相關(guān)系數(shù)越大，則模型與實際情況的符合度就越高。模型檢驗的計算公式如下：

(3)

(4)

表3　指數(shù)模型模擬結(jié)果

表4　線性模型模擬結(jié)果

表5　3種模型模擬值與實測值之間關(guān)系

從表中可以看出，3種模型的相關(guān)系數(shù)基本一致，但是均方差卻相差較大。其中余弦模型所得模擬值的均方差最大，范圍在0.1706～0.3971，而指數(shù)模型及余弦模型的均方差分別控制在0.0712～0.1325和0.0996～0.2767之間，這說明余弦模型的模擬值與實測值仍有一定差別，符合度并非很高。另外，從3種模型每種水氮處理方式的相關(guān)系數(shù)可以看出，指數(shù)模型與線性模型的相關(guān)系數(shù)基本都大于余弦模型，這進(jìn)一步說明了這2種模型比余弦模型的精度要高。

此外，從作物生長規(guī)律角度[6]可知：當(dāng)t=0時，葉片還未發(fā)育，LAI應(yīng)該為0；當(dāng)t→∞,葉片會凋落枯萎，LAI也應(yīng)該為0。從3種模型的計算結(jié)果可以得到：當(dāng)t=0時，余弦模型、指數(shù)模型及線性模型的LAI分別為0.737～1.1485、0.013～0.024和0.743～1.814，表明了指數(shù)模型最符合實際情況；當(dāng)t→∞時，3種模型也僅有指數(shù)模型的LAI為0。綜合上述考慮，可以說明指數(shù)模型是3種模型中的最優(yōu)模型，其符合度最高。

3結(jié)果與分析

3.1同一施氮量條件下不同灌溉量對烤煙葉面積指數(shù)的影響

本試驗中共設(shè)4種灌溉量，并將貴州煙區(qū)傳統(tǒng)的溝灌處理及施氮方式(CK)作為對比。圖2為T1、T4、T7和T104種處理方式(施氮量都為4 g/株條件下，4種不同灌溉量)對烤煙葉面積指數(shù)的影響曲線，采用模擬效果最好的指數(shù)模型對該過程進(jìn)行分析。

在緩慢增長階段中(移栽后14～28 d)，不同灌溉量對烤煙葉面積指數(shù)的影響并不明顯，增長幅度基本控制在2.01%～2.40%(CK處理除外)，大體上呈現(xiàn)增幅隨施氮量的增加而微小增加的趨勢。在快速增長階段中(移栽后28～84 d)，不同灌溉量對烤煙葉面積指數(shù)產(chǎn)生顯著影響。從圖1可以看出，T5處理在84 d時得到的LAI值最大，達(dá)到4.83，這說明烤煙葉面積指數(shù)并非全部在灌溉量最大時達(dá)到最大值。從表6也可以看出，當(dāng)灌溉量達(dá)到最大值時，T11和T12處理的葉面積指數(shù)增幅反而降低。另外，通過方差分析發(fā)現(xiàn)，灌水量為500 mm和灌水量為600 mm的烤煙葉面積指數(shù)差異并不顯著，說明灌溉量已達(dá)到臨界值，過高的灌溉量反而會抑制烤煙的生長發(fā)育。在衰退階段中(移栽后84～104 d)，烤煙葉面積指數(shù)的衰退幅度基本與快速增長階段增長幅度保持一致，LAIM越大其衰退幅度越大，從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，在104 d時，各種處理方式的烤煙基本成熟完全，13種水氮處理的LAI在1.87～2.23之間。

圖2　相同施氮量下不同灌溉量

表6指數(shù)模型下每個階段烤煙葉面積指數(shù)的增長幅度

%

3.2同一灌溉量條件下不同施氮量對烤煙葉面積指數(shù)的影響

由圖1可知，烤煙葉面積指數(shù)與氮素呈正相關(guān)，在同一種灌溉水平下，當(dāng)施氮量達(dá)到最大時，每種處理的LAIM也達(dá)到了最大，這是因為氮是蛋白質(zhì)、核酸、磷脂、葉綠素和酶的成分，對烤煙的生長快慢以及葉片的大小有著重要的影響[7]。另外，從表6也可以看出，施氮量的不同也對烤煙的生長速度產(chǎn)生了不同的影響，在快速增長階段，T1～T3處理的增幅在不同施氮水平條件下從5.86%增大到了6.13%，T4～T6處理的增幅從6.70%增大到了7.25%，T7～T9處理的增幅從6.41%增大到7.55%，T10～T12處理從6.93%增大到7.32%，4種灌溉量處理下的烤煙生長速度均增大，說明了施氮量的增加對烤煙的生長速度起到了促進(jìn)作用。

但是從試驗中觀察烤煙葉片情況發(fā)現(xiàn)，施氮過多，葉片比較粗糙，葉片含糖量明顯減少，氮化物顯著增加[8]，這是由于氮素使用過多導(dǎo)致烤煙內(nèi)在的化學(xué)成分不協(xié)調(diào)，從而使煙草品質(zhì)下降；而灌溉量與氮素使用恰當(dāng)合理(如T5處理)，會促進(jìn)烤煙生長發(fā)育，使得煙株生長健壯，葉片大小、薄厚適中，品質(zhì)良好。

3.3不同灌溉方式對烤煙葉面積指數(shù)的影響

不同的灌溉方式對烤煙葉面積指數(shù)產(chǎn)生了十分顯著的影響。從圖1可以看出，無論灌溉量與施氮量的多少，每個階段的膜下滴灌處理得到的LAI都比傳統(tǒng)的溝灌方式(CK)大得多。圖3為相同灌溉量和施氮量條件下兩種不同灌溉方式對烤煙葉面積指數(shù)的影響曲線，在84 d時，CK處理的LAI達(dá)到最大，僅為3.52，T4處理達(dá)到的最大值為4.11，相比CK處理增大了16.76%。從表6可以發(fā)現(xiàn)，在緩慢增長階段，兩種灌溉方式的增幅基本一致，分別為1.86%和2.20%，這說明在伸根期兩種不同的灌溉方式對烤煙的生長速度影響并不顯著，在快速增長階段，兩者增幅的差異較為明顯，CK、T4達(dá)到的增幅分別為5.73%和6.70%，這反映了在旺長期膜下滴灌對烤煙的生長發(fā)育有明顯的促進(jìn)作用。

4結(jié)論

本文基于時間尺度建立了余弦模型、指數(shù)模型和線性模型這3種動態(tài)模型，這3種模型都能夠很好地模擬烤煙的動態(tài)變化過程，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.9770～0.9941、0.9914～0.9975和0.9779～0.9955。利用均方差、相關(guān)系數(shù)及作物生長規(guī)律對3種模型進(jìn)行檢驗，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，基于移栽后時間建立的指數(shù)模型的均方差最小，相關(guān)系數(shù)最高，并且符合作物生長規(guī)律，能夠很好地預(yù)測烤煙葉面積變化過程。

圖3　相同灌溉量與施氮量下兩種不同灌溉方式

不同灌溉量與施氮量對烤煙葉面積指數(shù)的影響差距較大，只有在合理的灌溉和施氮條件下，才能使烤煙品質(zhì)達(dá)到最佳。基于本次試驗條件下，T5處理(灌溉量400 mm，施氮量5 g/株)可作為較適宜的水氮組合。

通過比較傳統(tǒng)溝灌和膜下滴灌方式發(fā)現(xiàn)，在相同的灌溉量和施氮量條件下，兩種灌溉方式下的最大葉面積指數(shù)LAIM分別為3.52和4.11，后者比前者增大了16.76%，說明膜下滴灌方式對烤煙的生長發(fā)育起到很好的促進(jìn)作用，可以在今后的生產(chǎn)中大力推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賈彪,錢瑾,馬富裕.氮素對膜下滴灌棉花葉面積指數(shù)的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2015,46(2):80-87.

[2] 李向嶺,趙明,李從鋒,等.玉米葉面積系數(shù)動態(tài)特征及其積溫模型的建立[J].作物學(xué)報,2011,37(2):321-330.

[3] 侯毛毛,邵孝侯,袁有波,等.水氮耦合條件下烤煙葉面積指數(shù)變化的模型研究[J].灌溉排水學(xué)報,2012(1):106-108,116.

[4] 刁明,戴劍鋒,羅衛(wèi)紅,等.溫室甜椒葉面積指數(shù)形成模擬模型[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2008,29(10):2277-2283.

[5] 馮丹,王志強(qiáng),羅莎麗,等.基于Excel的余弦模型實現(xiàn)[J].中國醫(yī)院統(tǒng)計,2003,10(4):227-228.

[6] 張賓,趙明,董志強(qiáng),等.作物高產(chǎn)群體LAI動態(tài)模擬模型的建立與檢驗[J].作物學(xué)報,2007,33(4):612-619.

[7] 何文高.施氮量和留葉數(shù)對貴州烤煙生理及株型特征的影響研究[D].重慶:西南大學(xué),2014:13-48.

[8] 李立丹.水氮耦合效應(yīng)對烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[D].鄭州:河南農(nóng)業(yè)大學(xué),2009:19-41.

(責(zé)任編輯：許晶晶)

Effect of Different Water and Nitrogen Coupling Treatments on Leaf Area Index of Flue-cured Tobacco under Condition of Under-mulch Drip Irrigation

XU Yuan1, WU Yun-yu2, HOU Mao-mao3, HU Run-xin2, SHAO Xiao-hou2*

(1. College of Dayu, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. College of Horticulture, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350000, China)

Abstract：In order to study the influence of different water and nitrogen coupling on the leaf area index (LAI) of flue-cured tobacco, thirteen water and nitrogen coupling treatments were designed according to the growth habit of flue-cured tobacco, dynamic simulation was conducted for the leaf area index of flue-cured tobacco by establishing cosine model, exponential model and linear model on the basis of time (t) after transplantation, detection and comparison were carried out for the models by utilizing root-mean-square error (RMSE), correlation coefficient (R-square) and crop growth law. The results showed that root-mean-square error between the simulated value and measured value of exponential model was the smallest, only 0.0712～0.1325, the correlation coefficient was the highest, reached 0.9914～0.9975, which meet the crop growth law and could predict the dynamic change process of flue-cured tobacco leaf area index. Different water and nitrogen coupling existed an obvious influence on the leaf area index of flue-cured tobacco, the irrigation volume and nitrogen application rate present positive correlation with the leaf area index of flue-cured tobacco, but excessive application of irrigation volume and nitrogen would restrict the growth and development of flue-cured tobacco to some extent. Under the same irrigation volume and nitrogen application rate, the maximum leaf area index (LAIspan) gained via drip irrigation under membrane increases by 16.76% compared with the traditional furrow irrigation, drip irrigation technique under membrane could promote the growth and development of flue-cured tobacco.

Key words：Flue-cured tobacco; Leaf area index; Model; Water and nitrogen coupling; Drip irrigation under membrane

中圖分類號：S572

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)02-0065-05

作者簡介：徐元(1995─)，男，江蘇連云港人，從事農(nóng)業(yè)水土工程方面的研究。*通訊作者：邵孝侯。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51179054)；教育部重點實驗室農(nóng)業(yè)水土環(huán)境保護(hù)研究團(tuán)隊建設(shè)基金(2014B04814)。

收稿日期：2015-07-29