闫建文

(西安理工大学 土木建筑工程学院，陕西 西安710048)

水分和氮素营养是烤烟优质高产的重要影响因素[1]。合理的水分调控能使烟叶化学成分趋于协调，提高吸味品质，尤其是烤烟生育期中前期的水分调控对产量和质量的影响十分明显。我国部分烟区虽雨量充沛，但时空分布不均匀，如贵州烟区，烤烟生育后期时常出现阶段性干旱，导致上部烟叶无法正常成熟，影响烟叶品质与可用性[2]。在施肥方面，我国的大多数烟区尚未制定有针对性的、合理的施肥策略，大多凭借经验施肥，而烟农考虑到产量施肥往往是宁多勿少，连年过度施肥导致烟叶后期吸氮过旺，不能正常成熟落黄，造成烟叶绿而厚、烟碱含量过高、还原糖含量过低、C/N不协调、可用性差等后果[3]。目前，关于水氮耦合效应的研究大多集中在玉米[4]、小麦[5-6]、水稻[7]、棉花[8]等作物上，对烤烟水氮协调关系方面的研究相对较少，大多局限于氮肥或水分单因素上，关于不同水氮耦合处理对烤烟品质、产量、水肥利用效率的系统研究则更为匮乏。

目前，计算烤烟氮肥利用率时常采用差值法与示踪法，差值法计算结果往往高于示踪法，这是因为差值法在计算时包含了植株所吸收的来自土壤的氮素，从农学意义来看，差值法可反映施氮后植株中氮素的实际提高程度，评价施肥策略的优劣，但在探讨肥料氮素的去向、研究烤烟植株对完全来自于肥料的氮素的吸收和利用时，宜采用示踪法。目前关于差值法计算氮素利用率的研究很多，用示踪法测定氮素利用率的报道很少。本试验设计不同灌溉和施氮(15N标记)处理，测定不同水氮耦合处理下烤烟品质、肥料氮素利用率、灌溉水利用效率和产量，并引入主成分分析与熵权系数评价模型进行分析，以优选出综合效益最佳的水氮耦合方案，旨在为烤烟节水灌溉及优质高产烟叶的生产提供实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2012-05-09在江苏省靖江新桥镇同里农业生态园中的设施大棚中进行。靖江地处东亚季风盛行区，气候湿润，雨量充沛，具有明显的海洋性、季风性和过渡性气候特点。气温最高在7月，最低在1月，冬夏季南北的温差不大，年平均气温在14.4～15.1 ℃，年平均降水量1 037.7 mm，年平均降雨日为113 d，但受季风的影响，降水变率较大。试验所在地土壤为黄棕壤，土壤pH值为5.88，含有机质 14.34 g/kg，速效氮121.88 mg/kg， 速效磷26.20 mg/kg， 速效钾207.90 mg/kg。

1.2 试验设计

试验在由水泥和砖块砌成的蒸渗仪(4 m×2 m)中进行。选取烤烟K326为试材，每个蒸渗仪中栽烟12株，行距1.2 m，株距0.5 m。

试验设施氮量和灌溉量2个因素，每个因素3个水平，其中施氮(纯N)量分别为90，120和150 kg/hm2，灌溉量分别为400，500和600 mm，共9个水氮耦合处理(表1)，每处理重复3次。

表1 烤烟水氮耦合试验设计

烟苗移栽后每隔7 d灌水1次，将水分平均灌入蒸渗仪土壤中。灌水分别于伸根期、旺长期和成熟期进行，这3个生育期的灌溉量分别占总灌溉量的30%，40%和30%。70%氮肥进行基施，剩余30%氮肥于移栽后26 d追肥，氮肥为15N标记的硝酸铵肥料，其15N丰度为10.28%。各处理除了灌溉量与施肥量不同外，其余田间管理均保持一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 烤烟产量 每个处理随机选取6株烟株，待烟叶成熟后依次取下、中、上部叶，105 ℃高温杀青0.5 h后，70 ℃恒温至其完全烘干，称量总的烟叶干质量。

1.3.2 灌溉水利用效率(IWUE，kg/m3)[9]：

式中：Y为烤烟干产量(kg/hm2)，I为总灌溉量(m3/hm2)。

1.3.3 烟株中15N丰度 用质谱法[10]测定。

1.3.4 烤烟肥料氮素利用率(RN)

式中：W1为烤烟植株样品(上部叶、中部叶、下部叶、根和茎)的干质量，C1是烤烟植株样品中的总氮含量，A1是烤烟植株样品15N的丰度，W2为肥料质量，C2为肥料中的总氮含量，A2为肥料中15N的丰度[10]。

本试验测定的是烤烟打顶前的氮素利用率。根据试验资料，打顶后烤烟肥料氮素利用率在20%左右[11]。

1.3.5 烤烟化学成分 参考文献[12-13]，烟碱用紫外分光光度法测定，总氮含量用凯氏定氮法测定，还原糖含量用连续流动法(YC/T 159-2002)测定，钾含量用火焰光度计测定，氯含量用连续流动法(YC/T 162-2002)测定。

1.4 数据分析

显著性分析与主成分分析均采用SPSS 17.0软件，熵权系数评价模型采用Matlab 7.1编程并计算。

2 结果与分析

2.1 不同水氮耦合处理对烤烟化学成分的影响

表2为各水氮耦合处理烤烟的品质指标。由表2可知，相同施氮量条件下，增加灌溉量可降低烟叶烟碱和总氮的含量，增加还原糖含量；而相同灌溉量条件下，增施氮肥总体上可明显提高烟叶烟碱、总氮和钾含量，降低还原糖含量，这一研究结果与刘永贤等[14]和王鹏等[15]的研究成果一致，而烤烟的氯含量、氮碱比和钾氯比与灌溉量、施氮量关系并不明显。低氮处理T1、T2和T3烟叶的糖碱比处于较高水平。

表2 水氮耦合处理对烤烟化学成分的影响

2.2 烤烟品质指标的主成分分析

表3为烤烟化学成分指标的适宜范围，该评价指标是由国家烟草专卖局根据烟叶化学成分的协调性对感官质量的影响而制定[16]。基于特征值大于1，累积贡献率大于80%的原则，对表2中烤烟主要化学成分指标进行主成分提取[17-18]。在采用主成分分析法计算烤烟化学成分综合主成分过程中，要求指标为“越大越优”或“越小越优”，因此需要对表2中的指标作一些变换。由于表3最适宜的烤烟化学成分指标为区间指标，不妨假设各指标区间的中心值是最优取值，如果实测值越接近中心值，表示实测值所代表的指标越好，即 |实测值-中心值| 越小越好。于是原来的不同区间指标即可转化为新的评价指标：烟碱*=|实测值-25|、总氮*=|实测值-22.5|、还原糖*=|实测值-200|、糖碱比*=|实测值-9|、氮碱比*=|实测值-1|。采用 SPSS 17.0，对变换后的指标进行主成分计算，所得特征向量、特征值、贡献率(rc)与累计贡献率(rT)如表4所示。由表4可知，第1个主成分f1主要反映了烟碱含量(X1)、总氮含量(X2)和糖碱比(X5)的变异信息，第2个主成分f2反映了还原糖含量(X3)、钾含量(X4)、氮碱比(X6)和钾氯比(X7)的变异信息，二者的累积方差贡献率达81.97%，保留了大量的原始信息。

计算不同水氮耦合处理的烤烟品质综合主成分，结果见表5。从表5可以看出，T5处理烤烟品质最佳，T4处理次之，T7处理烤烟品质最差，这说明T5处理更利于烤烟养分的平衡吸收。

表3 不同烤烟化学成分的适宜范围

表4 不同烤烟化学成分的特征向量、特征值及贡献率

表5 不同水氮耦合处理的烤烟品质综合主成分、灌溉水利用率(IWUE)、肥料氮素利用率(RN)和产量

2.3 不同水氮耦合处理对烤烟产量、氮素利用率及灌溉水利用效率的影响

计算不同水氮耦合处理的烤烟灌溉水利用效率和氮素利用率，结果见表5。由表5可知，烤烟产量以T6处理最高，达2 734.2 kg/hm2；T5处理次之，为2 563.2 kg/hm2;T1处理最低，仅为1 947.2 kg/hm2。这说明在本试验条件下，低水低氮处理不利于烤烟产量的提高。在相同施氮量条件下，增加灌溉量降低了烤烟灌溉水利用效率；而在相同灌溉量条件下，随着施氮量的增加，灌溉水利用效率先上升后下降，当施氮量为120 kg/hm2时，灌溉水利用效率最高。不同水氮耦合处理烤烟的氮素利用率为34.42%～48.58%。当灌溉量相同时，肥料氮素利用率随着施氮量的增加呈明显的下降趋势；当施氮量相同时，增加灌溉量可提高氮素的利用效率。

2.4 不同烤烟水氮耦合方案的熵权系数评价

本研究利用熵权系数法[19-20]对表5中不同水氮耦合方案进行评价，从中筛选出最佳方案。设烤烟水氮耦合方案的评价指标为n个，方案有m种，本研究中的评价指标包括品质综合主成分、灌溉水利用效率、氮素利用率、灌溉量和烤烟产量5个，水氮耦合方案共9种，所以n=5，m=9。m种水氮耦合方案与n个指标值构成的评价矩阵为：

R=(rij)m×n。

式中：rij为第i种水氮耦合方案下第j个指标值。

对于第j个指标值，共有信息熵Ej值为：

第j个指标值的熵ej值为：

第j个指标的客观权重θj为：

式中：dij为标准化处理后的指标。

各种水氮耦合方案的熵权系数评价值λi可表示为：

根据品质综合主成分、灌溉水利用效率、氮素利用率、总灌溉量和产量5个指标，确定9种水氮耦合方案的熵权系数评价值，结果如图1所示。在综合上述5项指标的情况下，熵权评价值越大，说明该水氮设计方案越优。由图1可知，9种水氮耦合方案优劣排序依次为T4>T5>T1>T6>T3>T8>T9>T2>T7，T4处理为最优方案，T5处理次之，T7处理最差。

图1 烤烟不同水氮耦合方案的熵权系数评价值

3 讨论与结论

在优质烟叶生产过程中，进行节水灌溉设计时应充分考虑对烤烟品质的影响。本研究在进行主成分分析过程中，将烤烟的多个主要品质指标转化为烤烟品质综合评价指标，可较好地反映不同滴灌模式下烤烟的品质水平。主成分分析结果显示，T5方案(500 mm灌溉量+120 kg/hm2施氮量)烟叶品质最优，T4次之，T7方案烟叶的品质最差。

本研究中，不同水氮耦合处理烤烟的氮素利用率为34.42%～48.58%，可知烤烟植株中绝大多数的氮素来源于土壤而非肥料。这与前人研究成果基本一致，如韩锦峰等[21]通过盆栽试验得出，烟草9.11%～40.2%的氮素来源于当季所施肥料；焦永鸽[22]在红壤土中的试验结果表明，烤烟全生育期吸收的29.07%～40.26%总氮来自肥料；谷海红等[23]认为，水稻土中，烤烟吸收的26.55%～30.87%的氮素来自于肥料。计算氮素利用率时，差值法显得太过笼统，而利用示踪法可以了解烟株对来自于肥料的氮素的吸收和利用情况，明确水是否可以“调”肥、是否有利于肥料态的氮素向速效态转化。从本试验结果来看，水氮耦合效应十分明显，不同水氮耦合处理对烤烟产量、质量及氮素利用率和灌溉水利用效率影响显著。

本研究对最佳水氮耦合方案的要求为高产优质、节水节肥，由熵权系数评价模型计算结果可知，T4为综合指标最优的处理，熵权系数评价值最高，T5次之，T7处理最差，表明在一定灌溉量范围内，过多施氮量反而会造成烟叶品质、产量下降和水肥资源的浪费。本研究中，熵权系数模型很好地将主观权重与客观权重相结合，从而避免了单独使用主观权重或单独使用客观权重造成的片面性，提高了评价结果的可靠性。本研究将主成分分析与熵权系数评价模型结合应用，取得了良好的效果，在今后的研究中，可继续有针对性地加强这方面的探索。

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