閆建文

(西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安710048)

水分和氮素營(yíng)養(yǎng)是烤煙優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要影響因素[1]。合理的水分調(diào)控能使煙葉化學(xué)成分趨于協(xié)調(diào)，提高吸味品質(zhì)，尤其是烤煙生育期中前期的水分調(diào)控對(duì)產(chǎn)量和質(zhì)量的影響十分明顯。我國(guó)部分煙區(qū)雖雨量充沛，但時(shí)空分布不均勻，如貴州煙區(qū)，烤煙生育后期時(shí)常出現(xiàn)階段性干旱，導(dǎo)致上部煙葉無(wú)法正常成熟，影響煙葉品質(zhì)與可用性[2]。在施肥方面，我國(guó)的大多數(shù)煙區(qū)尚未制定有針對(duì)性的、合理的施肥策略，大多憑借經(jīng)驗(yàn)施肥，而煙農(nóng)考慮到產(chǎn)量施肥往往是寧多勿少，連年過(guò)度施肥導(dǎo)致煙葉后期吸氮過(guò)旺，不能正常成熟落黃，造成煙葉綠而厚、煙堿含量過(guò)高、還原糖含量過(guò)低、C/N不協(xié)調(diào)、可用性差等后果[3]。目前，關(guān)于水氮耦合效應(yīng)的研究大多集中在玉米[4]、小麥[5-6]、水稻[7]、棉花[8]等作物上，對(duì)烤煙水氮協(xié)調(diào)關(guān)系方面的研究相對(duì)較少，大多局限于氮肥或水分單因素上，關(guān)于不同水氮耦合處理對(duì)烤煙品質(zhì)、產(chǎn)量、水肥利用效率的系統(tǒng)研究則更為匱乏。

目前，計(jì)算烤煙氮肥利用率時(shí)常采用差值法與示蹤法，差值法計(jì)算結(jié)果往往高于示蹤法，這是因?yàn)椴钪捣ㄔ谟?jì)算時(shí)包含了植株所吸收的來(lái)自土壤的氮素，從農(nóng)學(xué)意義來(lái)看，差值法可反映施氮后植株中氮素的實(shí)際提高程度，評(píng)價(jià)施肥策略的優(yōu)劣，但在探討肥料氮素的去向、研究烤煙植株對(duì)完全來(lái)自于肥料的氮素的吸收和利用時(shí)，宜采用示蹤法。目前關(guān)于差值法計(jì)算氮素利用率的研究很多，用示蹤法測(cè)定氮素利用率的報(bào)道很少。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同灌溉和施氮(15N標(biāo)記)處理，測(cè)定不同水氮耦合處理下烤煙品質(zhì)、肥料氮素利用率、灌溉水利用效率和產(chǎn)量，并引入主成分分析與熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行分析，以優(yōu)選出綜合效益最佳的水氮耦合方案，旨在為烤煙節(jié)水灌溉及優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)煙葉的生產(chǎn)提供實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2012-05-09在江蘇省靖江新橋鎮(zhèn)同里農(nóng)業(yè)生態(tài)園中的設(shè)施大棚中進(jìn)行。靖江地處東亞季風(fēng)盛行區(qū)，氣候濕潤(rùn)，雨量充沛，具有明顯的海洋性、季風(fēng)性和過(guò)渡性氣候特點(diǎn)。氣溫最高在7月，最低在1月，冬夏季南北的溫差不大，年平均氣溫在14.4～15.1 ℃，年平均降水量1 037.7 mm，年平均降雨日為113 d，但受季風(fēng)的影響，降水變率較大。試驗(yàn)所在地土壤為黃棕壤，土壤pH值為5.88，含有機(jī)質(zhì) 14.34 g/kg，速效氮121.88 mg/kg， 速效磷26.20 mg/kg， 速效鉀207.90 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在由水泥和磚塊砌成的蒸滲儀(4 m×2 m)中進(jìn)行。選取烤煙K326為試材，每個(gè)蒸滲儀中栽煙12株，行距1.2 m，株距0.5 m。

試驗(yàn)設(shè)施氮量和灌溉量2個(gè)因素，每個(gè)因素3個(gè)水平，其中施氮(純N)量分別為90，120和150 kg/hm2，灌溉量分別為400，500和600 mm，共9個(gè)水氮耦合處理(表1)，每處理重復(fù)3次。

表1 烤煙水氮耦合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

煙苗移栽后每隔7 d灌水1次，將水分平均灌入蒸滲儀土壤中。灌水分別于伸根期、旺長(zhǎng)期和成熟期進(jìn)行，這3個(gè)生育期的灌溉量分別占總灌溉量的30%，40%和30%。70%氮肥進(jìn)行基施，剩余30%氮肥于移栽后26 d追肥，氮肥為15N標(biāo)記的硝酸銨肥料，其15N豐度為10.28%。各處理除了灌溉量與施肥量不同外，其余田間管理均保持一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 烤煙產(chǎn)量 每個(gè)處理隨機(jī)選取6株煙株，待煙葉成熟后依次取下、中、上部葉，105 ℃高溫殺青0.5 h后，70 ℃恒溫至其完全烘干，稱量總的煙葉干質(zhì)量。

1.3.2 灌溉水利用效率(IWUE，kg/m3)[9]：

式中：Y為烤煙干產(chǎn)量(kg/hm2)，I為總灌溉量(m3/hm2)。

1.3.3 煙株中15N豐度 用質(zhì)譜法[10]測(cè)定。

1.3.4 烤煙肥料氮素利用率(RN)

式中：W1為烤煙植株樣品(上部葉、中部葉、下部葉、根和莖)的干質(zhì)量，C1是烤煙植株樣品中的總氮含量，A1是烤煙植株樣品15N的豐度，W2為肥料質(zhì)量，C2為肥料中的總氮含量，A2為肥料中15N的豐度[10]。

本試驗(yàn)測(cè)定的是烤煙打頂前的氮素利用率。根據(jù)試驗(yàn)資料，打頂后烤煙肥料氮素利用率在20%左右[11]。

1.3.5 烤煙化學(xué)成分 參考文獻(xiàn)[12-13]，煙堿用紫外分光光度法測(cè)定，總氮含量用凱氏定氮法測(cè)定，還原糖含量用連續(xù)流動(dòng)法(YC/T 159-2002)測(cè)定，鉀含量用火焰光度計(jì)測(cè)定，氯含量用連續(xù)流動(dòng)法(YC/T 162-2002)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

顯著性分析與主成分分析均采用SPSS 17.0軟件，熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)模型采用Matlab 7.1編程并計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮耦合處理對(duì)烤煙化學(xué)成分的影響

表2為各水氮耦合處理烤煙的品質(zhì)指標(biāo)。由表2可知，相同施氮量條件下，增加灌溉量可降低煙葉煙堿和總氮的含量，增加還原糖含量；而相同灌溉量條件下，增施氮肥總體上可明顯提高煙葉煙堿、總氮和鉀含量，降低還原糖含量，這一研究結(jié)果與劉永賢等[14]和王鵬等[15]的研究成果一致，而烤煙的氯含量、氮堿比和鉀氯比與灌溉量、施氮量關(guān)系并不明顯。低氮處理T1、T2和T3煙葉的糖堿比處于較高水平。

表2 水氮耦合處理對(duì)烤煙化學(xué)成分的影響

2.2 烤煙品質(zhì)指標(biāo)的主成分分析

表3為烤煙化學(xué)成分指標(biāo)的適宜范圍，該評(píng)價(jià)指標(biāo)是由國(guó)家煙草專賣局根據(jù)煙葉化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性對(duì)感官質(zhì)量的影響而制定[16]?；谔卣髦荡笥?，累積貢獻(xiàn)率大于80%的原則，對(duì)表2中烤煙主要化學(xué)成分指標(biāo)進(jìn)行主成分提取[17-18]。在采用主成分分析法計(jì)算烤煙化學(xué)成分綜合主成分過(guò)程中，要求指標(biāo)為“越大越優(yōu)”或“越小越優(yōu)”，因此需要對(duì)表2中的指標(biāo)作一些變換。由于表3最適宜的烤煙化學(xué)成分指標(biāo)為區(qū)間指標(biāo)，不妨假設(shè)各指標(biāo)區(qū)間的中心值是最優(yōu)取值，如果實(shí)測(cè)值越接近中心值，表示實(shí)測(cè)值所代表的指標(biāo)越好，即 |實(shí)測(cè)值-中心值| 越小越好。于是原來(lái)的不同區(qū)間指標(biāo)即可轉(zhuǎn)化為新的評(píng)價(jià)指標(biāo)：煙堿*=|實(shí)測(cè)值-25|、總氮*=|實(shí)測(cè)值-22.5|、還原糖*=|實(shí)測(cè)值-200|、糖堿比*=|實(shí)測(cè)值-9|、氮堿比*=|實(shí)測(cè)值-1|。采用 SPSS 17.0，對(duì)變換后的指標(biāo)進(jìn)行主成分計(jì)算，所得特征向量、特征值、貢獻(xiàn)率(rc)與累計(jì)貢獻(xiàn)率(rT)如表4所示。由表4可知，第1個(gè)主成分f1主要反映了煙堿含量(X1)、總氮含量(X2)和糖堿比(X5)的變異信息，第2個(gè)主成分f2反映了還原糖含量(X3)、鉀含量(X4)、氮堿比(X6)和鉀氯比(X7)的變異信息，二者的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)81.97%，保留了大量的原始信息。

計(jì)算不同水氮耦合處理的烤煙品質(zhì)綜合主成分，結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可以看出，T5處理烤煙品質(zhì)最佳，T4處理次之，T7處理烤煙品質(zhì)最差，這說(shuō)明T5處理更利于烤煙養(yǎng)分的平衡吸收。

表3 不同烤煙化學(xué)成分的適宜范圍

表4 不同烤煙化學(xué)成分的特征向量、特征值及貢獻(xiàn)率

表5 不同水氮耦合處理的烤煙品質(zhì)綜合主成分、灌溉水利用率(IWUE)、肥料氮素利用率(RN)和產(chǎn)量

2.3 不同水氮耦合處理對(duì)烤煙產(chǎn)量、氮素利用率及灌溉水利用效率的影響

計(jì)算不同水氮耦合處理的烤煙灌溉水利用效率和氮素利用率，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，烤煙產(chǎn)量以T6處理最高，達(dá)2 734.2 kg/hm2；T5處理次之，為2 563.2 kg/hm2;T1處理最低，僅為1 947.2 kg/hm2。這說(shuō)明在本試驗(yàn)條件下，低水低氮處理不利于烤煙產(chǎn)量的提高。在相同施氮量條件下，增加灌溉量降低了烤煙灌溉水利用效率；而在相同灌溉量條件下，隨著施氮量的增加，灌溉水利用效率先上升后下降，當(dāng)施氮量為120 kg/hm2時(shí)，灌溉水利用效率最高。不同水氮耦合處理烤煙的氮素利用率為34.42%～48.58%。當(dāng)灌溉量相同時(shí)，肥料氮素利用率隨著施氮量的增加呈明顯的下降趨勢(shì)；當(dāng)施氮量相同時(shí)，增加灌溉量可提高氮素的利用效率。

2.4 不同烤煙水氮耦合方案的熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)

本研究利用熵權(quán)系數(shù)法[19-20]對(duì)表5中不同水氮耦合方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，從中篩選出最佳方案。設(shè)烤煙水氮耦合方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)為n個(gè)，方案有m種，本研究中的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括品質(zhì)綜合主成分、灌溉水利用效率、氮素利用率、灌溉量和烤煙產(chǎn)量5個(gè)，水氮耦合方案共9種，所以n=5，m=9。m種水氮耦合方案與n個(gè)指標(biāo)值構(gòu)成的評(píng)價(jià)矩陣為：

R=(rij)m×n。

式中：rij為第i種水氮耦合方案下第j個(gè)指標(biāo)值。

對(duì)于第j個(gè)指標(biāo)值，共有信息熵Ej值為：

第j個(gè)指標(biāo)值的熵ej值為：

第j個(gè)指標(biāo)的客觀權(quán)重θj為：

式中：dij為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的指標(biāo)。

各種水氮耦合方案的熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)值λi可表示為：

根據(jù)品質(zhì)綜合主成分、灌溉水利用效率、氮素利用率、總灌溉量和產(chǎn)量5個(gè)指標(biāo)，確定9種水氮耦合方案的熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)值，結(jié)果如圖1所示。在綜合上述5項(xiàng)指標(biāo)的情況下，熵權(quán)評(píng)價(jià)值越大，說(shuō)明該水氮設(shè)計(jì)方案越優(yōu)。由圖1可知，9種水氮耦合方案優(yōu)劣排序依次為T4>T5>T1>T6>T3>T8>T9>T2>T7，T4處理為最優(yōu)方案，T5處理次之，T7處理最差。

圖1 烤煙不同水氮耦合方案的熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)值

3 討論與結(jié)論

在優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)過(guò)程中，進(jìn)行節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮對(duì)烤煙品質(zhì)的影響。本研究在進(jìn)行主成分分析過(guò)程中，將烤煙的多個(gè)主要品質(zhì)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為烤煙品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，可較好地反映不同滴灌模式下烤煙的品質(zhì)水平。主成分分析結(jié)果顯示，T5方案(500 mm灌溉量+120 kg/hm2施氮量)煙葉品質(zhì)最優(yōu)，T4次之，T7方案煙葉的品質(zhì)最差。

本研究中，不同水氮耦合處理烤煙的氮素利用率為34.42%～48.58%，可知烤煙植株中絕大多數(shù)的氮素來(lái)源于土壤而非肥料。這與前人研究成果基本一致，如韓錦峰等[21]通過(guò)盆栽試驗(yàn)得出，煙草9.11%～40.2%的氮素來(lái)源于當(dāng)季所施肥料；焦永鴿[22]在紅壤土中的試驗(yàn)結(jié)果表明，烤煙全生育期吸收的29.07%～40.26%總氮來(lái)自肥料；谷海紅等[23]認(rèn)為，水稻土中，烤煙吸收的26.55%～30.87%的氮素來(lái)自于肥料。計(jì)算氮素利用率時(shí)，差值法顯得太過(guò)籠統(tǒng)，而利用示蹤法可以了解煙株對(duì)來(lái)自于肥料的氮素的吸收和利用情況，明確水是否可以“調(diào)”肥、是否有利于肥料態(tài)的氮素向速效態(tài)轉(zhuǎn)化。從本試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，水氮耦合效應(yīng)十分明顯，不同水氮耦合處理對(duì)烤煙產(chǎn)量、質(zhì)量及氮素利用率和灌溉水利用效率影響顯著。

本研究對(duì)最佳水氮耦合方案的要求為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、節(jié)水節(jié)肥，由熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)模型計(jì)算結(jié)果可知，T4為綜合指標(biāo)最優(yōu)的處理，熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)值最高，T5次之，T7處理最差，表明在一定灌溉量范圍內(nèi)，過(guò)多施氮量反而會(huì)造成煙葉品質(zhì)、產(chǎn)量下降和水肥資源的浪費(fèi)。本研究中，熵權(quán)系數(shù)模型很好地將主觀權(quán)重與客觀權(quán)重相結(jié)合，從而避免了單獨(dú)使用主觀權(quán)重或單獨(dú)使用客觀權(quán)重造成的片面性，提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。本研究將主成分分析與熵權(quán)系數(shù)評(píng)價(jià)模型結(jié)合應(yīng)用，取得了良好的效果，在今后的研究中，可繼續(xù)有針對(duì)性地加強(qiáng)這方面的探索。

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