不同保水劑對土壤特性及烤煙生長的影響

白崗栓 何登峰 耿偉 杜社妮 黃仲江

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100； 2.陜西省煙草公司，西安 710065； 3.安康市煙草公司旬陽分公司，陜西 旬陽 725700； 4.陜西中煙工業公司 寶雞卷煙廠，陜西 寶雞 721000)

秦巴山區位居漢江上游，海拔較高且光照充足，為陜西省優質烤煙(NicotianatabacumL.)生產基地[1]。秦巴山區土壤主要為黃棕壤和黃褐土，土層薄，蓄水保水能力差，在烤煙團棵期到現蕾期易出現季節性干旱，嚴重影響烤煙的產量與質量[2-5]。保水劑(Super absorbent polymers，SAP)具有超高的吸水和保水能力，能在土壤中形成“小水庫”[6-7]，促進降水入滲[8-10]，減少地表徑流，改善土壤團粒結構，降低土壤容重，提高土壤通透性，提高土壤養分和水分的利用效率[11-13]，減少環境污染[14-15]，促進作物生長[16-20]，但保水劑的應用效果與其種類、土壤質地、施用量、粒徑和施用方法等密切相關[21-25]，施用不當會對土壤及作物產生不良影響[26]。保水劑可提高烤煙的光合能力、產量與品質，減少干旱對烤煙生長帶來的不良影響[27-32]。有關保水劑粒徑、施用量對秦巴山區黃棕壤土壤水分及烤煙生長的研究已有報道[33-34]，但有關秦巴山區黃棕壤適宜的保水劑種類未見報道。本研究于2017年監測聚丙烯酸鉀、聚丙烯酰胺和腐殖酸鉀3種保水劑對秦巴山區黃棕壤的土壤容重、土壤水分及烤煙生長的影響，旨在緩解該地區烤煙團棵期到旺長期的季節性干旱對烤煙生長帶來的不良影響，以期為秦巴山區黃棕壤煙田提供適宜的保水劑種類。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于陜南秦巴山區旬陽縣神河鎮黑溝村，為北亞熱帶溫暖濕潤氣候區，東經109°26′，北緯32°43′，海拔537 m，年均氣溫15.4 ℃，日照時數1 790.4 h，無霜期236 d，降雨量851 mm，蒸發量1 252.8 mm，坡度8°左右。試驗地土壤為黃棕壤，土層厚度60～70 cm，耕層(0～20 cm土層)土壤有機質為18.10 g/kg，速效氮為60.24 mg/kg，速效磷為22.46 mg/kg，速效鉀為134.24 mg/kg，pH 6.4，物理性粘粒為47.90%(質量百分數)，粘粒為17.30%(質量百分數)。試驗地前茬作物為玉米(ZeaMays)，為雨養煙田。

1.2 供試材料

供試保水劑分別是聚丙烯酸鉀(Potassium polyacrylate，K-PAM)、聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，PAM)和腐殖酸鉀(Potassium humate，KHm)保水劑。

聚丙烯酸鉀保水劑為細粒狀，粒徑1.25～2.25 mm，三維立體網狀結構，其中丙烯酸鉀含量為230～260 g/kg，在0.9 g/kg的NaCL溶液中的吸水倍數為100～150，在去離子水中的吸水倍數為300～500，價格為18.0元/kg，購于山東省唯信農業科技有限公司。

聚丙烯酰胺保水劑為粉末狀，粒徑為0.11～0.64 mm，線性結構，分子量為18×106，陰離子型，水解度為30%～32%(水解度是陰離子聚丙烯酰胺在水解過程中分子中的氨基轉化為羧基的百分比)，在質量含量為9.0 g/kg的NaCL溶液中的吸水倍數為80～100，在去離子水中的吸水倍數≥500，價格為15.0元/kg，購于山東省唯信農業科技有限公司。

腐殖酸鉀保水劑為顆粒狀，粒徑2.25～3.25 mm，含腐植酸鉀40%左右，在質量含量為9.0 g/kg的NaCL溶液中的吸水倍數為50～60，在去離子水中的吸水倍數為200～300，價格為10.0元/kg，由山東華濰公司提供。

1.3 試驗設計

試驗以不施保水劑為對照，根據2016年的試驗結果，聚丙烯酸鉀保水劑的適宜施用量為60.0 kg/hm2，聚丙烯酰胺保水劑為30.0 kg/hm2，腐殖酸鉀保水劑為150.0 kg/hm2。供試烤煙為‘云煙87’，采用單行起壟栽培，壟距(行距)110 cm，壟高30 cm左右，壟面寬20 cm，株距55 cm。每個小區寬4.4 m，長11.0 m，定植4行烤煙，每行20株。試驗重復3次，共12個小區，不同小區隨機排列。

不同保水劑均采用壟施，即在起壟前(2017年4月1日)條施基肥時將不同保水劑分別與適量干細土攪拌均勻，均勻撒施于不同小區，然后整地起壟，促使保水劑均勻混施于壟體土壤中。起壟后等待下雨，4月24—25日降雨量達35 mm，4月28日對壟體進行地膜覆蓋。

供試烤煙采用基質育苗，5葉1心，5月1日采用井窖式移栽。不同處理的施肥量N為65.0 kg/hm2，P2O5為65.0 kg/hm2，K2O為97.5 kg/hm2，其中60%氮肥作為基肥，40%作為追肥；30%鉀肥作為基肥，70%作為追肥；磷肥全部作為基肥。基肥在起壟前條施，追肥在烤煙旺長初期進行(即移栽后 40 d左右降雨后及時施入)。其他各項田間生產管理均按當地烤煙規范化措施進行。

1.4 測定指標

降水量：試驗地旁設有自動雨量監測器，監測試驗期間的降水量。

土壤容重：在烤煙生長的不同時期，每個小區在相鄰煙株之間的壟面上(起壟前為平地)隨機選擇3個采樣點，環刀法測定0～20和20～40 cm土層土壤容重。

土壤水分：在烤煙生長的不同時期，每個小區在相鄰煙株之間的壟面上隨機選擇3個采樣點，10 cm土層為一層，分層取0～60 cm土層土壤，烘干法測定土壤含水率(w)，%。

農藝性狀：按照《煙草農藝性狀調查測量方法》(YC/T142-2010標準)[35]，在烤煙生長的不同時期，每個小區隨機選取煙株3株，測量煙株上部、中部和下部最大葉長、最大葉寬和株高、莖圍及有效葉數，并計算最大葉面積，cm2。

最大葉面積=葉長×葉寬×0.634 5

經濟性狀：以小區煙株為基礎，換算出單位面積烤煙產量。根據《中華人民共和國國家標準》(GB2635-92)[36]對烤煙進行分級，并根據當地烤煙收購價格，計算不同小區烤煙均價、產值及凈增產值等。

烤煙常規化學成分：烤煙烘烤后選擇中桔三(C3F)粉碎后過40目篩，總氮用凱氏定氮法、總糖用蒽酮比色法、還原糖用3，5-二硝基水楊酸比色法、煙堿采用紫外分光光度法、鉀用火焰光度計法、氯用莫爾法測定，并根據測試結果計算氮堿比、糖堿比和鉀氯比[37]。

1.5 數據處理

試驗數據采用SPSS 19.0進行單因素方差分析，差異顯著性比較采用Duncan檢驗。

2 結果與分析

2.1 試驗期間的降水量

起壟(2017年4月1日)至烤煙采收后(2017年9月22日)175 d共計降水1 062.30 mm，日均降水6.57 mm；烤煙移栽期(5月1日)至第二次采收期(7月20日)81 d降水547.30 mm，日均降水6.76 mm。試驗期間的降水量高于往年，但移栽期至還苗期、團棵期至旺長期多以雷陣雨或暴雨的形式出現，不利降水入滲，而還苗期至團棵期日均降水僅2.26 mm(圖1)，影響烤煙生長發育[2-5]。

圖1 試驗監測期間不同生長期的日均降水量Fig.1 Daily precipitation of flue-cured tobacco in different growth stages

2.2 不同處理對土壤容重的影響

土壤的物理結構、透水性、透氣性以及保水保肥能力與土壤容重密切相關[6-9]。由表1可知，起壟前不同處理的土壤容重相同，表層0～20 cm土層較輕，>20～40 cm土層較重。

還苗期至采收后，0～20和>20～40 cm土層土壤容重均表現為聚丙烯酸鉀和聚丙烯酰胺處理組的顯著低于(P<0.05)對照，腐殖酸鉀處理組與對照處于同一水平(表1)。隨著保水劑的吸水膨脹、釋水收縮及人為耕作、雨滴擊打等的影響，保水劑對土壤容重的影響力逐漸減弱，不同處理組的土壤容重均緩慢上升[33-34]。

表1 不同處理不同生長期的土壤容重Table 1 Soil bulk density of different treatments in different growth stages cm3

2.3 不同處理對土壤水分的影響

土壤水分是烤煙生長發育的基礎，影響烤煙的產量及品質[2-5]。起壟前不同處理均未施用保水劑，不同處理的土壤水分基本一致。移栽期至還苗期降水量較多，日均達10.09 mm，但降水形式主要是雷陣雨和暴雨，流失量大且不易入滲，0～60 cm土層土壤水分表現為聚丙烯酸鉀處理組的略高，聚丙烯酰胺和腐殖酸鉀處理組的居中，對照略低，不同處理組之間無顯著差異。烤煙還苗期至團棵期降水量較少，日均僅2.26 mm，不同處理0～60 cm土層土壤水分表現為聚丙烯酸鉀處理略高，對照居中，腐殖酸鉀與聚丙烯酰胺處理略低，不同處理處于同一水平。烤煙團棵期到旺長期降水量多，日均高達15.74 mm，聚丙烯酸鉀和聚丙烯酰胺處理組0～40 cm土層土壤水分均顯著高于(P<0.05)對照；腐殖酸鉀處理組>10～20 cm土層和>30～40 cm土層的土壤水分顯著高于對照(P<0.05)，不同處理其他土層之間均無顯著差異。旺長期至打頂期降水量略少，日均4.64 mm，不同處理的土壤水分表現為聚丙烯酸鉀處理的略高，聚丙烯酰胺和腐殖酸鉀處理的居中，對照略低，不同處理之間無顯著差異。打頂期到采收期日均降水量僅為0.43 mm，不同處理的土壤水分表現為聚丙烯酸鉀處理組略高，腐殖酸鉀與聚丙烯酰胺處理組居中，對照略低，不同處理之間無顯著差異。采收期到采收后日均降水量為6.32 mm，不同處理的土壤水分表現為腐殖酸鉀處理略高，聚丙烯酸鉀與聚丙烯酰胺處理居中，對照略低，不同處理處于同一水平(表2)。聚丙烯酰胺處理在烤煙生長前期對土壤的保水作用較好，腐殖酸鉀處理在烤煙生長后期較好，而聚丙烯酸鉀處理在烤煙整個生長期均較好。

表2 不同處理不同生長期的土壤水分含量Table 2 Soil moisture of different treatments of flue-cured tobacco in different growing stages %

2.4 不同處理對烤煙生長的影響

團棵期聚丙烯酸鉀、聚丙烯酰胺和腐殖酸鉀處理組的煙草株高顯著高于對照(P<0.05)，現蕾期和園頂期則與對照無顯著差異。團棵期和現蕾期聚丙烯酰胺處理組的烤煙莖圍顯著高于對照(P<0.05)，圓頂期聚丙烯酸鉀、聚丙烯酰胺和腐殖酸鉀處理組均顯著高于對照(P<0.05)。團棵期、現蕾期及圓頂期不同處理組的葉片數基本一致，無顯著差異(表3)。團棵期、現蕾期及圓頂期不同處理組烤煙上部、中部及下部的最大葉長、最大葉寬和最大葉面積之間的差異表現不一致，團棵期總體表現為聚丙烯酸鉀處理組的葉片較大，依次為腐殖酸鉀處理組，聚丙烯酰胺處理組，對照組最小；現蕾期和圓頂期總體表現為腐殖酸鉀處理組的烤煙葉片較大，依次為聚丙烯酰胺處理組，聚丙烯酸鉀處理組，對照組最小，不同處理間存在顯著(P<0.05)或極顯著差異(P<0.01)(表3)。受打頂的影響，圓頂期不同處理組的烤煙株高及葉數較現蕾期降低，但烤煙莖圍及最大葉面積則增加。

2.5 不同處理對烤煙常規化學成分的影響

保水劑降低土壤容重，提高土壤水分，增大烤煙葉面積，對烤煙常規化學成分也產生一定影響；受土壤質地的影響，供試烤煙的鉀含量低于優質烤煙，鉀氯比高于優質烤煙(表4)。

不同保水劑均提高烤煙中的煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀及氯含量，其中腐殖酸鉀和聚丙烯酰胺處理組的煙草煙堿含量極顯著高于對照(P<0.01)，聚丙烯酸鉀處理組顯著高于對照(P<0.05)，且腐殖酸鉀處理組顯著高于聚丙烯酸鉀處理組(P<0.01)。不同保水劑處理組的煙草總糖、還原糖、總氮、鉀及氯含量之間均無顯著差異。聚丙烯酸鉀處理組和腐殖酸鉀處理組的總糖、還原糖、鉀含量顯著高于對照(P<0.05)。聚丙烯酰胺處理組的總氮含量顯著高于對照(P<0.05)；不同保水劑處理組的氯含量均顯著高于對照(P<0.05)。腐殖酸鉀處理組的烤煙氮堿比顯著低于對照(P<0.05)、聚丙烯酸鉀處理組和聚丙烯酰胺處理組。聚丙烯酰胺處理組和腐殖酸鉀處理組的烤煙糖堿比顯著低于聚丙烯酸鉀處理組和對照(P<0.05)，不同保水劑處理組的烤煙鉀氯比均與對照無顯著差異(表4)。

2.6 不同處理對烤煙經濟性狀的影響

2017年烤煙還苗期到團棵期、旺長期至打頂期、打頂期至采收期降水偏少，烤煙產量及上等煙的比例僅為常年的70%左右。聚丙烯酸鉀、聚丙烯酰胺和腐殖酸鉀處理組的烤煙產量較對照分別提高5.71%、0.95%和3.08%，其中聚丙烯酸鉀處理組顯著高于對照(P<0.05)；平均價格分別提高6.39%、-3.05%和-1.87%，其中聚丙烯酸鉀處理組顯著高于對照(P<0.05)；產值分別提高12.46%、-2.12%和1.16%，其中聚丙烯酸鉀處理組極顯著高于聚丙烯酰胺處理組、腐殖酸鉀處理組和對照(P<0.01)。不同保水劑中，腐殖酸鉀的費用最高，聚丙烯酰胺的最低，之間存在極顯著差異(P<0.01)。聚丙烯酸鉀處理組極顯著提高烤煙的凈增產值(P<0.01)，而聚丙烯酰胺和腐殖酸鉀處理組則極顯著降低烤煙的凈增產值(P<0.01)，見表5。

聚丙烯酸鉀處理組的上等煙比例較對照提高8.78%，達顯著差異(P<0.05)；而腐殖酸鉀處理組的上等煙比例較對照降低9.41%，顯著低于對照(P<0.05)；聚丙烯酰胺處理組的上等煙比例較對照降低4.11%，略低于對照。聚丙烯酸鉀、聚丙烯酰胺和腐殖酸鉀處理組的中等煙比例分別較對照提高0.42%、-1.26%和2.79%，與對照無顯著差異。聚丙烯酸鉀、聚丙烯酰胺和腐殖酸鉀處理組的下等煙比例分別較對照降低16.53%、-10.41%和-9.56%，與對照形成極顯著(P<0.01)及顯著差異(P<0.05)(表5)。聚丙烯酸鉀處理組提高上等煙比例，而腐殖酸鉀處理組和聚丙烯酰胺處理組則降低上等煙的比例。

3 討 論

3.1 不同保水劑對土壤容重及土壤水分的影響

烤煙生長發育、產量形成和質量形成與土壤質地、土壤水分密切相關，特別是團棵期和旺長期，土壤干旱脅迫會導致烤煙產生一系列非正常的生理生化變化，影響烤煙品質與產量[3,38-40]。保水劑可吸附自身質量數百倍甚至更高的水分[7]，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤通透性及蓄水、保水能力[6,20,26,41]，但保水劑的應用效果與保水劑種類、施用量及土壤質地、土壤pH值和土壤離子濃度等密切相關[7-11]。當保水劑種類、施用量適宜時，土壤中的液相組成比例 (相當于毛管孔隙度)會相對增加，固相和氣相組成比例則會相對減少，可降低土壤容重[21-22,41-43]，利于降水入滲，增加土壤水分[9-10]；當保水劑種類不適宜，保水劑吸水膨脹后會阻塞土壤孔隙，增加土壤容重[20,26,41]，降低土壤通透性，不利于降水入滲，易導致土壤板結。只有適宜、適量的保水劑與所施土壤合理配合，才可吸附較多的土壤水分[26,41]。

本試驗中，聚丙烯酰胺的粒徑小，吸水速率快，吸水倍率高，在烤煙生長前期對土壤水分有一定的影響，但持續期短，在烤煙旺長期至打頂期對土壤水分的影響力小，且聚丙烯酰胺為線性結構，膨脹后易阻塞土壤孔隙，造成土壤板結，增加土壤容重[44]。腐殖酸鉀保水劑的粒徑大，吸水膨脹后會對土壤顆粒產生一定的擠壓，不利于提高土壤的通透性，降低土壤容重[33]；腐殖酸鉀保水劑的吸水倍率低，吸水速率慢，在烤煙生長前期難以吸附足夠的水分，對土壤水分的影響能力弱，不利于烤煙生長發育；腐殖酸鉀保水劑吸水和保水的有效期持續期長，在烤煙生長后期吸附較多的土壤水分，易造成烤煙徒長，不利于提高烤煙質量[33-34]。聚丙烯酸鉀為三維網狀結構，粒徑較聚丙烯酰胺大，較腐殖酸鉀小，能與土壤顆粒有效結合，降低土壤容重，增加土壤的蓄水保水能力，對土壤水分和土壤容重的影響能力相對較大且相對穩定[22,33-34]。

聚丙烯酸鉀、聚丙烯酰胺和腐殖酸鉀3種保水劑的結構及支鏈上的吸水官能團不同，受土壤質地和土壤離子濃度的影響也不同，且粒徑越小，越易受到土壤中的陽離子干擾，降低保水劑的吸水和保水能力[6,26,41]，因而隨著時間的持續，不同保水劑對土壤水分和土壤容重的影響力逐漸變小。除旺長期外，不同保水劑對烤煙土壤水分的影響均未達到顯著差異，主要是烤煙生長前期降水相對較多，烤煙植株較小，消耗的土壤水分較少，土壤中含有較多的水分，造成不同保水劑的吸水和保水能力不易體現；后期降水量偏少而烤煙生長量較大，消耗土壤水分較多，保水劑難以吸收、保持足夠的土壤水分；旺長期降水量多，烤煙生長量大，消耗的土壤水分較多，不同保水劑的吸水和保水能力出現差異。

3.2 不同保水劑對烤煙生長及常規化學成分的影響

土壤是植物生長的基礎[45]。保水劑不但可提高土壤的通氣性及土壤水分、養分的利用效率，提高土壤團聚體含量[11-13]，而且可吸附土壤養分，延緩土壤養分釋放，抑制、減少土壤養分流失[11-13,45]。烤煙旺長期的土壤干旱對煙葉產量的影響較大[3-5]。施用保水劑在烤煙旺長期提高了煙田土壤水分，特別是烤煙旺長期至打頂期、打頂期至采收期提高土壤的保水性、通氣性及保肥性，為烤煙生長提供相對良好的土壤環境[11-15]，因而促進烤煙生長[27-32]。不同保水劑中，聚丙烯酰胺為線性結構，吸水膨脹的長鏈尾端易堵塞土壤孔隙，對土壤水分及土壤容重的影響能力弱，緩解干旱的能力較差，而腐殖酸鉀的粒徑大，吸水速率慢，吸水倍數小，降水量小或降水持續時間短時不易吸附足夠的土壤水分，對土壤水分的影響力弱，且腐殖酸鉀的吸水、保水持續期長，在烤煙生長后期易吸附大量的土壤水分，且充分吸水膨脹后會對土壤顆粒產生一定程度的擠壓，造成土壤缺氧，不利于烤煙根系生長及對土壤養分、水分的吸收[20,26,41]，而烤煙根系的生長狀況往往影響烤煙的化學成分[46-47]。聚丙烯酸鉀的化學成分、結構及粒徑及與秦巴山區的黃棕壤配合比較合理，不但可吸附、保持較多土壤水分，而且對土壤容重影響較大，能有效提高烤煙根系生長活力，促進烤煙生長發育[33]，提高烤煙質量、產量及產值。

烤煙的生長發育、品質及產量由遺傳因素、生態環境和栽培因素共同決定[2,45]。根系是烤煙吸收土壤養分、水分及合成植物激素、煙堿和部分氨基酸的主要器官，影響烤煙品質與產量[46-47]。生物堿和糖含量直接影響煙草的生理強度、煙氣特征和安全性[45]。土壤水分對烤煙根系生長發育和煙堿含量的影響最大[46-47]。團棵期和旺長期保持良好的土壤水分，烤煙根系才能健康生長發育[4-5]。烤煙根系大量合成和積累煙堿主要出現在打頂期之后[46-47]。施用保水劑改善土壤的通透環境，特別是施用聚丙烯酸鉀保水劑，對土壤水分及土壤通透性影響較大，促進烤煙根系及植株的生長發育[33-34]，故提高了烤煙煙堿、總氮和氯離子的含量，增加了總糖、還原糖的含量，改善了煙葉品質[45]。成熟期適度干旱對烤煙品質有很大的促進作用[4-5]，而腐殖酸鉀保水劑在烤煙生長后期則提高了土壤水分，不利于優質烤煙的形成，因而降低了上等煙的比例。

保水劑提高土壤中的水分和養分含量，改善土壤中的通氣環境，減少土壤養分流失，促進烤煙根系生長，而煙堿合成與根系生理代謝密切相關[45-47]，因而施用保水劑提高烤煙煙堿、總糖及還原糖含量，并促使氮堿比和糖堿比等處于適宜范圍內。聚丙烯酸鉀保水劑相對提高土壤水分，降低土壤容重，促進烤煙植株生長，從而相對增加烤煙葉片的總糖、還原糖和鉀含量。不同處理組烤煙葉片的鉀和氯含量都較低，鉀氯比較高，主要是由于當地土壤中鉀和氯含量都較低造成的[48]。

4 結 論

1)聚丙烯酸鉀和聚丙烯酰胺保水劑降低0～20和20～40 cm土層土壤容重，在烤煙旺長期提高0～40 cm土層土壤水分，其他時期則對土壤水分未產生顯著影響。不同保水劑均可提高烤煙常規化學成分含量，其中腐殖酸鉀保水劑顯著降低了烤煙的糖堿比和氮堿比。

2)聚丙烯酸鉀保水劑處理提高了烤煙產量、產值及上等煙的比例，提高了烤煙的凈增產值，而聚丙烯酰胺和腐殖酸鉀保水劑降低了烤煙的凈增產值。

秦巴山區黃棕壤煙田施用保水劑時，建議選用聚丙烯酸鉀保水劑。