不同覆膜方式對(duì)冷涼山區(qū)土壤水熱效應(yīng)及烤煙農(nóng)藝性狀的影響

黃云志，宋鵬飛，季澤順，申忠，馬翔，黃河，余鳳塘，楊擁，付斌，王熾，石劍

（1紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，云南玉溪 653100；2云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昆明 650231；3云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，昆明 650205；4馬龍紅壤坡耕地保育與水土流失云南省野外科學(xué)觀測(cè)研究站，昆明 650205）

0 引言

云南省昭通市地處四川盆地與云貴高原的過渡地帶，海拔高差懸殊，山地特征顯著，屬低緯高原冷涼半干旱山地農(nóng)業(yè)區(qū)。受海拔、地形、水文及氣象等環(huán)境狀況，春季低溫冷涼和季節(jié)性干旱嚴(yán)重影響山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展[1]?？緹熥鳛楫?dāng)?shù)刂饕慕?jīng)濟(jì)作物，也是助力脫貧攻堅(jiān)的重要產(chǎn)業(yè)[2]，由于季節(jié)性春旱嚴(yán)重影響烤煙根系的生長(zhǎng)，同時(shí)大田生長(zhǎng)前期低溫冷涼限制煙苗生長(zhǎng)[3]，嚴(yán)重制約著烤煙生產(chǎn)的發(fā)展。因此研究冷涼山區(qū)烤煙種植增溫保墑的農(nóng)藝措施具有重要的實(shí)踐意義。

地表界面性質(zhì)影響著土壤溫度和水分的分配，對(duì)植煙土壤和煙田小氣候環(huán)境起至關(guān)重要作用[4]。地膜覆蓋能局部化、階段化、區(qū)域化改變或影響植煙環(huán)境，但不同的覆膜方式對(duì)土壤水熱效應(yīng)具有差異。胡新元等[5]研究認(rèn)為，地膜覆蓋提高西北干旱半干旱地區(qū)馬鈴薯種植0～20 cm 土層的土壤溫度1.0～6.0℃，GETACHEW等[6]研究認(rèn)為，周年全膜覆蓋可為半干旱冷涼區(qū)越冬作物返青和春播作物播種、出苗、保苗奠定良好的水熱基礎(chǔ)。俞盛山等[7]研究表明，全膜覆土栽培方式在小麥種植過程中前期和后期的增溫效果顯著，呈“U”型變化。張冬梅等[8]研究地膜和秸稈的二元覆蓋可協(xié)調(diào)土壤水肥氣熱關(guān)系，改善土壤水分和溫度，多年平均玉米增產(chǎn)6.9%。

長(zhǎng)期以來地膜覆蓋對(duì)糧食作物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量及土壤溫度的影響做了大量研究[9-11]，但在高原冷涼山區(qū)對(duì)烤煙覆膜栽培的土壤水熱效應(yīng)研究較少。本研究針對(duì)高原冷涼山區(qū)季節(jié)性春旱、苗期低溫及水分利用效率低等問題[12]，開展不同覆膜方式對(duì)高原冷涼山區(qū)植煙土壤耕層溫度和濕度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律研究。揭示烤煙田地空氣溫濕度與土壤耕層溫濕度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，烤煙覆膜方式對(duì)土壤環(huán)境的影響作用，進(jìn)而探索土壤環(huán)境與烤煙農(nóng)藝性狀和產(chǎn)質(zhì)量的形成關(guān)系，篩選出適宜高原冷涼山區(qū)烤煙種植的地膜覆蓋方式。以期為有效解決季節(jié)性春旱和苗期低溫等問題提供技術(shù)參數(shù)，在提升烤煙產(chǎn)質(zhì)量和促進(jìn)農(nóng)民增收方面發(fā)揮重要作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域

試驗(yàn)區(qū)域?qū)俚途暩咴錄霭敫珊瞪降剞r(nóng)業(yè)區(qū)，位于昭通市昭陽區(qū)守望鄉(xiāng)水井灣村(N 27°15′46″，E 103°43′40″，H 1984 m)。低緯高原季風(fēng)氣候，年均氣溫12.6℃，年均日照時(shí)間1900 h，年均降水量760 mm，具有冬春干旱，雨熱同期，干濕分明等特點(diǎn)。試驗(yàn)土壤類型為黃壤，質(zhì)地砂壤土，基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分：pH 5.21，有機(jī)質(zhì)19.04 g/kg、堿解氮83.92 mg/kg、速效磷34.32 mg/kg、速效鉀310.05 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)設(shè)置4種覆膜方式（表1），各處理小區(qū)種植烤煙200株，烤煙品種為‘云煙116’，烤煙種植規(guī)格：墑距115 cm，株距55 cm，密度15000 株/hm2?？緹熓┓柿考胺柿掀贩N：有機(jī)肥2025 kg/hm2、烤煙專用復(fù)合肥(11-15-23)825 kg/hm2、硝酸鉀75 kg/hm2、硫酸鉀165 kg/hm2。施肥時(shí)間及方法：有機(jī)肥底肥施用，撒施表層翻耕入土；烤煙專用復(fù)合肥移栽前環(huán)狀穴施于煙苗根系附近；硝酸鉀烤煙移栽后15 d兌水澆施；硫酸鉀烤煙移栽后50 d兌水澆施。

表1 覆膜方式及操作方法

1.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)

大田試驗(yàn)研究采用深圳市農(nóng)博創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)的守望者Watcher Pro 型農(nóng)業(yè)智慧型物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)。在常規(guī)黑色地膜覆蓋RC處理的距離地面100 cm高度處布置1組空氣溫濕度傳感器，空氣溫濕度傳感器提供14 Bits 溫度測(cè)量以及14 Bits濕度測(cè)量。溫度測(cè)量范圍：-20～60℃，濕度測(cè)量范圍：0%～100% RH，測(cè)量精度±0.2℃和±2% RH，監(jiān)測(cè)頻率5 min，支持RS485 通訊協(xié)議，12 V 直流供電。在垂直于墑面方向，在覆膜處理等距的土壤耕作層（深度20 cm）布置4 組土壤溫濕度傳感器，土壤溫度測(cè)量范圍：-40～70℃，測(cè)量精度0.3℃；土壤濕度傳感器測(cè)量值是土壤體積含水量，測(cè)量范圍：0%～100%，測(cè)量精度±3%，監(jiān)測(cè)頻率5 min，支持RS485 通訊協(xié)議，12 V 直流供電。

1.4 烤煙農(nóng)藝性狀及經(jīng)濟(jì)性狀調(diào)查

本試驗(yàn)烤煙移栽方式為膜下小苗移栽，烤煙成熟打頂后參照《煙草農(nóng)藝性狀調(diào)查方法(YC/B142—2010)》調(diào)查烤煙生長(zhǎng)農(nóng)藝性狀[13]。不同覆膜處理挑選10株代表性煙株，進(jìn)行煙株的株高、莖圍、葉片數(shù)、上、中、下部葉片的葉長(zhǎng)和葉寬測(cè)量，計(jì)算單葉葉面積和葉面積系數(shù)。各處理采集3株整株烤煙，各部位（根、莖、葉）分開清理，105℃高溫殺青30 min，之后80℃烘干稱重，測(cè)定各部位生物量。烤煙經(jīng)濟(jì)性狀統(tǒng)計(jì)，各處理單采、單收、單烤，參照《國(guó)家分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB 2635—1992)》測(cè)定其煙葉產(chǎn)量、計(jì)算中上等煙比例，根據(jù)煙葉收購(gòu)價(jià)格計(jì)算煙葉產(chǎn)值[14]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)用Excel 軟件整理，單因素方差分析和回歸分析用SPSS 18.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 烤煙大田生育期空氣溫度濕度變化

由圖1看出，高原冷涼山區(qū)4月空氣溫度最低，表現(xiàn)為月最高溫和月最低溫均最小，分別為27.6℃和6.9℃，月平均氣溫16.2℃；5月空氣溫度的月較差和氣溫變異系數(shù)達(dá)最大，其中出現(xiàn)烤煙大田生育期的最高氣溫35.1℃，表現(xiàn)為氣溫升溫顯著；6月氣溫表現(xiàn)為向高溫過渡；7月平均氣溫達(dá)到最大值21.3℃，氣溫月較差和變異系數(shù)最小，表現(xiàn)為7月穩(wěn)定、持續(xù)地保持較高氣溫；8月和9月空氣溫度出現(xiàn)緩慢的下降趨勢(shì)。4月和5 月的空氣濕度平均值較低，分別為73.8%和74.3%，空氣濕度的月變異系數(shù)較大，表現(xiàn)為降雨零星、雨量較少，空氣干燥；6 月進(jìn)入雨季后，降雨增多、空氣濕度增大，空氣濕度的月平均值顯著增加達(dá)到90.4%；7、8、9 月空氣濕度的月最低值均高于40%，月較差小，為47.0%～59.9%，表現(xiàn)為降雨豐富，空氣濕度保持較高水平。

圖1 烤煙大田生育期空氣溫度、濕度變化情況

4 月下旬至5 月中下旬，表現(xiàn)為前期低溫、后期干旱少雨，氣溫急劇升高，季節(jié)性干旱特征明顯，嚴(yán)重影響煙苗移栽及還苗。5月底至6月中旬迎來初期降雨，易頻繁發(fā)生間歇性干旱，影響烤煙根系生長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致烤煙生長(zhǎng)受阻或停滯。6月中旬至9月，降雨和氣溫同步，適合烤煙生長(zhǎng)。因此，在烤煙大田生育前期進(jìn)行水熱調(diào)控是保障煙葉優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)的必要措施。

2.2 不同覆膜方式植煙土壤耕層溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

烤煙大田生育期土壤溫度變化趨勢(shì)表現(xiàn)為前期波動(dòng)劇烈，后期平緩降低（圖2）。最高土溫出現(xiàn)在團(tuán)棵期，達(dá)到25.03～26.29℃；最低土溫分別出現(xiàn)在還苗期、團(tuán)棵期和旺長(zhǎng)期，分布范圍16.10～17.40℃。不同覆膜方式烤煙大田生育期的土壤溫度差異顯著，RC、RF、BF 和FF 處理的土壤均溫分別為21.14、20.97、21.22、21.62℃。還苗期、團(tuán)棵期和旺長(zhǎng)期的土壤平均溫度大小順序均為FF＞BF＞RC＞RF，F(xiàn)F和BF較RC土壤溫度增幅分別為0.47～0.80℃和0.23～0.34℃，RF較RC土壤溫度降幅為0.49～0.73℃。成熟期平均土壤溫度大小順序?yàn)镕F＞RC＞BF＞RF，其中FF 處理的土壤溫度顯著高于其余處理。RF 處理對(duì)土壤耕層具有降溫作用；BF 處理在移栽后還苗期對(duì)土壤耕層具有增溫作用；FF 處理在成熟期后段對(duì)土壤耕層的增溫效果顯著。

圖2 不同覆膜方式對(duì)耕層土壤溫度的影響

2.3 不同覆膜方式植煙土壤水分特征

對(duì)高原冷涼山區(qū)烤煙大田生育期的植煙土壤濕度進(jìn)行覆膜土壤水分效應(yīng)綜合分析，由圖3看出，最高土壤濕度出現(xiàn)在初期大雨后，土壤濕度為24.73%，達(dá)最大田間持水量；最低土壤濕度出現(xiàn)在移栽后的15 d和第一次補(bǔ)灌后的15 d，分別為10.97%和11.22%，此時(shí)土壤水分不足，煙苗保苗困難應(yīng)澆水。植煙土壤濕度不僅與降雨和灌溉密切相關(guān)，而且覆膜方式能階段性影響植煙土壤濕度變化。還苗期、團(tuán)棵期和旺長(zhǎng)期的平均土壤濕度大小順序均為FF＞BF＞RC＞RF，F(xiàn)F和BF 較RC 土壤濕度增幅分別為2.46%～4.76%和0.63%～2.45%，RF較RC土壤濕度降幅為0.01%～0.19%，還苗期土壤濕度與時(shí)間的動(dòng)態(tài)模擬關(guān)系呈冪函數(shù)遞減，其遞減率隨時(shí)間增加而降低，F(xiàn)F 和BF 處理的土壤濕度遞減率小于RC處理。打頂期和成熟期的平均土壤濕度大小順序均為FF＞RC＞RF＞BF，F(xiàn)F 較RC 土壤濕度增幅為2.03%～2.84%，BF和RF較RC土壤濕度降幅分別為2.80%～3.64%和0.22%～1.15%。全膜和雙層膜覆蓋對(duì)土壤耕層保濕效果優(yōu)于常規(guī)黑膜覆蓋，全膜覆蓋在烤煙大田全生育期的土壤保濕效果最好；雙層膜覆蓋在烤煙生育前期的土壤保濕效果明顯，烤煙生長(zhǎng)在打頂后的成熟期土壤保濕效果逐漸減弱；反光膜覆蓋在烤煙大田全生育期的土壤保濕效果不如常規(guī)黑膜覆蓋。

圖3 不同覆膜方式對(duì)耕層土壤濕度的影響

2.4 不同覆膜方式對(duì)烤煙農(nóng)藝性狀的影響

各處理烤煙打頂后進(jìn)行烤煙農(nóng)藝性狀調(diào)查（表2），各處理生物產(chǎn)量變化：BF＞RC＞FF＞RF，BF處理煙株的根、莖、葉生物量均高于RC處理。BF煙株株高顯著高于其余處理。打頂期煙株莖圍和葉片數(shù)大小順序均為BF＞FF＞RC＞RF，BF 和FF 處理顯著高于其余處理。上部葉葉面積變化：BF＞FF＞RC＞RF，中部葉葉面積變化：BF＞RC＞RF＞FF，下部葉葉面積變化：BF＞FF＞RC＞RF。雙層膜覆蓋有利于烤煙上、中、下葉片的生長(zhǎng)，全膜覆蓋對(duì)烤煙中部葉生長(zhǎng)影響較大，反光膜覆蓋對(duì)烤煙葉片的生長(zhǎng)影響較大。各處理平均單葉葉面積和葉面積系數(shù)變化：BF＞FF＞RC＞RF，BF和FF的煙葉面積顯著高于RC，RF的煙葉面積顯著低于RC。

表2 不同處理烤煙農(nóng)藝性狀比較

2.5 不同覆膜方式對(duì)烤煙產(chǎn)質(zhì)量的影響

不同覆膜方式初烤煙葉的產(chǎn)量和產(chǎn)值變化（表3）：BF＞FF＞RC＞RF，F(xiàn)F 和BF 較RC 產(chǎn)量和產(chǎn)值增幅分別為0.16%～1.14%和8.37%～17.77%，RF 較RC 產(chǎn)量和產(chǎn)值降幅為6.84%和2.44%。BF 和FF 的中上等煙比例高于RC，其范圍在95.99%～96.62%，其中BF上等煙比例最高，F(xiàn)F 中等煙比例最高。RF 中上等煙比例均低于RC。綜合來看，雙層膜覆蓋對(duì)烤煙的增產(chǎn)提質(zhì)效果較好。

表3 不同處理對(duì)煙葉產(chǎn)質(zhì)量的影響

3 結(jié)論

不同覆膜方式烤煙大田生育期耕層土壤溫度變化差異明顯。RC、RF、BF 和FF 處理的土壤平均溫度分別為21.14、20.97、21.22、21.62℃?？緹熒L(zhǎng)前期，F(xiàn)F和BF較RC土壤溫度增幅分別為0.47～0.80℃和0.23～0.34℃，RF 較RC 土壤溫度降幅為0.49～0.73℃。地膜覆蓋顯著提高土壤含水率，烤煙生長(zhǎng)前期平均土壤濕度大小順序均為FF＞BF＞RC＞RF，F(xiàn)F和BF較RC土壤濕度增幅分別為2.46%～4.76%和0.63%～2.45%，RF較RC土壤濕度降幅為0.01%～0.19%，還苗期土壤濕度與時(shí)間的動(dòng)態(tài)模擬關(guān)系呈冪函數(shù)遞減，F(xiàn)F 和BF 處理的土壤濕度遞減率小于RC處理。打頂后烤煙農(nóng)藝性狀調(diào)查結(jié)果顯示，BF 處理煙株的根、莖、葉生物量，株高、莖圍、葉片數(shù)和葉面積系數(shù)均高于RC處理。BF較RC產(chǎn)量和產(chǎn)值增幅分別為1.14%和17.77%。

4 討論

土壤溫度的變化是太陽輻射平衡、土壤熱量平衡和土壤熱學(xué)性質(zhì)相互作用共同影響的結(jié)果。烤煙大田生育前期，煙苗幼小植被覆蓋率低，地表性質(zhì)主要受地膜覆蓋影響。地膜覆蓋增強(qiáng)太陽短波輻射和有效阻擋地表的長(zhǎng)波輻射[15]，從而顯著提高土壤溫度。黑膜和白膜雙層覆蓋，因白膜的透光率對(duì)太陽輻射的采集影響小，雙膜中間的空氣層能有效阻滯熱傳遞。全膜覆蓋在全地面地膜覆蓋下與外界熱量交換減弱，土壤溫度的“滯后效應(yīng)”明顯[16]。雙層膜和全膜覆蓋的土壤熱量、水分協(xié)同向上運(yùn)移，為烤煙移栽及還苗提供良好的水溫條件。各處理在8月份和9月份代表日的全天分時(shí)土壤溫度監(jiān)測(cè)表明，全膜覆蓋FF處理的土壤溫度顯著高于其余覆膜處理，相對(duì)其余覆膜處理8 月增溫幅度1℃以上，9月增溫幅度2℃以上。全膜覆蓋FF處理的8 月日平均溫度為22.8℃，9 月日平均溫度達(dá)24.5℃?？緹熒笃?，全膜覆蓋的土溫依然顯著高于常規(guī)地膜覆蓋，該階段土壤密閉條件下的高溫不利于烤煙根系生長(zhǎng)，雙層膜覆蓋具有一定的降溫通氣作用，對(duì)烤煙的產(chǎn)質(zhì)量形成具有促進(jìn)作用。

降水和灌溉是低緯高原冷涼半干旱山區(qū)土壤水分的主要來源，蒸散損失是土壤水分損失的主要形式，受土壤特性、氣象因子（降水、蒸散、氣溫和太陽輻射）、作物（作物生育期、植被覆蓋度等）的影響[17]。地膜覆蓋后，不同程度阻礙土壤水分的蒸散通徑，有效減少土壤水分的無效蒸散，保蓄水分提高土壤濕度[18]。還苗期的土壤濕度條件直接影響著移栽的成活率和煙苗的生長(zhǎng)狀況，因此烤煙移栽時(shí)的土壤蓄水保濕是決定烤煙抗旱保苗的關(guān)鍵。本研究發(fā)現(xiàn)，烤煙移栽時(shí)灌溉達(dá)到最大田間持水量21.18%～22.99%，移栽15 d后，覆蓋常規(guī)黑膜和反光膜的土壤水分到達(dá)萎蔫系數(shù)11.26%和11.61%，覆蓋雙層膜和全膜的土壤水分為14.51%和15.86%，土壤保濕效果顯著高于常規(guī)黑膜覆蓋。土壤濕度與時(shí)間的動(dòng)態(tài)模擬關(guān)系呈冪函數(shù)遞減，其遞減率隨時(shí)間增加而降低，全膜和雙層膜處理的土壤濕度遞減率小于常規(guī)黑膜?？緹煷筇锷笃谟捎诮涤暝黾?，全膜覆蓋增加雨水集蓄，抑制土壤水分蒸散，造成土壤濕度顯著高于其余處理，土壤水分含量過高不適宜烤煙的成熟落黃[19]。

試驗(yàn)土壤肥力基本相同，不同覆膜方式對(duì)烤煙的株高、莖圍、葉片數(shù)、葉面積和生物累積量產(chǎn)生不同程度的影響。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，高寒冷涼山區(qū)烤煙大田生長(zhǎng)期土壤水分以12%～20%為宜，低于該范圍土壤水分不足，烤煙還苗困難，應(yīng)及時(shí)澆水補(bǔ)墑，雙膜和全膜覆蓋能延長(zhǎng)澆水間隔時(shí)間?？緹熋缙谳p度至中度的水分虧缺，對(duì)烤煙的產(chǎn)量影響不大，長(zhǎng)期土壤水分低于12%，影響植株細(xì)胞的擴(kuò)張生長(zhǎng)，造成煙株生長(zhǎng)發(fā)育停滯，影響株高、葉面積和地上部生物累積量的形成?？緹煶墒炱?，適宜的土壤水熱資源調(diào)控，不僅優(yōu)化烤煙群體結(jié)構(gòu)，而且促進(jìn)根系生長(zhǎng)，強(qiáng)化光合作用，有利于烤煙品質(zhì)的提升[20]。