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接骨木和贵州金丝桃生理生态特性与喀斯特环境适生性比较



全 文 :湖 北 农 业 科 学 2015 年
收稿日期:2014-06-30
基金项目:国家自然科学基金项目(40973060);中国科学院战略性先导科技专项重大课题(XDA05070400);贵州省社会发展科技攻关计划项目
(SY[2010]3043);贵州省农业科学院科研项目(黔农科院专项 ZX[2007]029);贵州省科学研究创新能力建设项目(黔科合院所创能
2010-4002)
作者简介:吴 楠(1988-),男,安徽安庆人,在读硕士研究生,研究方向为植物生理生态,(电话)18286124537(电子信箱)52076274@qq.com;
通信作者,罗 充(1970-),男,贵州铜仁人,教授,主要从事植物生理生态方面的研究。
中国西南地区的喀斯特地貌区生态环境脆弱,
尤其是喀斯特山区的坡地受石漠化干旱作用的胁
迫在加剧 [1-5],严重影响了当地植物的生长发育。 生
态修复是喀斯特石漠化地区环境治理的有效途径
之一 [6,7];近年研究表明,喀斯特适生植物可以交替
地使用大气中的 CO2 和土壤中的重碳酸盐经碳酸
酐酶(Carbonic anhydrase,CA)的催化而进行光合作
用,且碳酸酐酶的活性可作为植物在喀斯特环境适
生能力(适生性)的有力判据[8-10]。 在自然环境里,适
生性高的喀斯特植物可有效发挥出喀斯特生态修
接骨木和贵州金丝桃生理生态特性与
喀斯特环境适生性比较
吴 楠 1,刘 海 2,罗 充 1,吴沿友 2,吴明开 3
(1.贵州师范大学生命科学学院,贵阳 550001;2.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵阳 550002;
3.贵州省农业科学院现代中药材研究所 /贵州省农业生物技术重点实验室,贵阳 550006)
摘要:依据贵州省石漠化现状和植物对喀斯特环境条件的影响,筛选喀斯特生态修复适生植物,通过 Li-
6400 便携式光合测定系统分别测定了接骨木 (Sambucus williamsii Hance)、 贵州金丝桃 (Hypericum
kouytcheouense Levl.)2 种药用植物的叶片光合作用日变化特征,并结合植物叶片的叶绿素含量、碳酸酐
酶(Carbonic anhydrase,CA)活性、稳定碳同位素 δ13C 变化范围比较了 2 种植物在喀斯特生境下的适生能
力。 结果表明,接骨木对于喀斯特石漠化环境有着更好的适生性。
关键词:接骨木(Sambucus williamsii Hance);贵州金丝桃(Hypericum kouytcheouense Levl.);植物生理;
喀斯特环境;生态修复;适生性
中图分类号:Q945.79;P931.5;X171.4 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2015)08-1892-05
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.08.026
Comparison on Physio-Ecological and Karst Adaptability of Sambucus williamsii
and Hypericum kouytcheouense
WU Nan1,LIU Hai2,LUO Chong1,WU Yan-you2,WU Ming-kai3
(1.School of Life Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China;
2.State Key laboratory of Environmental Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550002, China;
3.Modern Chinese Medical Materials Development of Guizhou Province / Key Lab of Agricultural Biotechnology of Guizhou Province,
Guizhou Academy of Agricultural Sciences,Guiyang 550006, China)
Abstract: According to desertification and plant influence Karst stone desertification in Guizhou province. Screening adaptabil-
ity plant to repair Karst stone desertification. Determination diurnal changes of photosynthesis by Li-6400 portable photosyn-
thesis system, combined with chlorophyll content,activity of Carbonic anhydrase (CA), stable δ13C isotope to contrast adapt-
ability of Sambucus williamsii Hance and Hypericum kouytcheouense Levl. the results shows that S. williamsii was better
adaptability in Karst stone desertification areas.
Key words:Sambucus williamsii Hance;Hypericum kouytcheouense Levl.;plant physiology;Karst;ecological restoration;adapt-
ability
第 54卷第 8期
2015年 4月
湖北农业科学
Hubei Agricultural Sciences
Vol. 54 No.8
Apr.,2015
第 8 期
复的效用;因此人类在选择、配置喀斯特生态修复
植物(作物)的同时,若能兼顾经济价值和碳汇效
应,则对喀斯特生态系统的修复与改善极具吸引力
[10]。接骨木(Sambucus williamsii Hance)和贵州金丝
桃(Hypericum kouytcheouense Levl.)在贵州省的喀
斯特山区广泛分布,且资源丰富。 具有一定的药用
价值。 接骨木的药用历史悠久,始载于《唐本草》,以
根及根皮、茎叶、花朵入药,其性味甘、苦、平,无毒,
具有接骨续筋、活血止痛、祛风利湿之功效,主要用
于治疗跌打肿痛、骨折及创伤出血等症 [11]。 贵州金
丝桃生于海拔 640~2 000 m 的山坡、路旁、灌丛及
溪旁,以根及果实入药,具有清热解毒、活血镇痛的
功效,可用于肝炎、感冒、月经不调、小儿疳积等疾
病的医治[12]。 试验考察了接骨木和贵州金丝桃在喀
斯特生境下的光合作用日变化特征参数,并通过稳
定性碳同位素技术和碳酸酐酶活性测定,对这 2 种
药用植物的喀斯特适生性进行了比较, 以期为喀斯
特环境的治理与生态修复提供一定的理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地简况
试验在贵州省六盘水市水城县南部的玉舍国
家森林公园进行。 该地属低纬度、高海拔的高原地
区, 境内平均海拔在 1 400~1 900 m,处于费德尔环
流圈内,常年受西风带控制,属于亚热带湿润温和
型气候,兼有高原型和季风型气候特点。
1.2 方法
1.2.1 接骨木、贵州金丝桃叶片的光合作用日变化
测定 采用 Li-6400 光合-蒸腾作用观测系统(美国
Li-Cor 公司)配备常规透明叶室进行光合作用有关
参数的日变化测定,该系统除了能测定净光合速率
[Net photosynthetic rate,Pn;μmol CO2 / (m2·s)]、和蒸
腾速率[Transpiration rate,Tr;mmol H2O / (m2·s)]外,
还能同时测定叶片表面光合有效辐射 [Photosyn-
thetically active radiation,PAR;μmol / (m2·s)]、叶片
表面温度(Leaf surface temperature,Tl;℃)和气孔导
度[Stomatal conductance,Gs;mmol H2O / (m2·s)]等多
个微气象与植物生理参数。 观测日期在 2012年 5月
14 日,在野外选择生长状况良好、长势和叶面较为
一致的接骨木、贵州金丝桃叶片(各 3 片)进行观
测,每片叶重复观测 5次。时间在当日的 8∶00~19∶00,
每隔 1 h观测记录 1 次。
1.2.2 接骨木、贵州金丝桃叶片的叶绿素荧光测定
用 Li-6400XT 便携式光合作用测量系统 (美国 Li-
Cor 公司)测定叶绿素叶片的荧光参数,测定日期同
上,时间在当日的 21∶00~22∶00。分别从接骨木、贵州
金丝桃枝条顶端选取第三片完全展开的叶片进行
测量,共选取 3个叶片,每片叶测 3次。 叶绿素初始
荧光(Minimal fluorescence,Fo)用测量光束测定,而
叶绿素最大荧光(Maximal fluorescence,Fm)在 0.8 s、
光强为 6 000 μmol / (m2·s) 的饱和闪光脉冲以后被
记录下来;之后,在强度为 300 μmol / (m2·s)的光下
持续 1 min 来驱动光合作用, 测定光下的最大荧光
(Fm)和最小荧光(Fo)。 有关计算公式为:
可变荧光值 Fv=Fm-Fo,
光系统Ⅱ潜在的光化学量子效率 Fv / Fo=(Fm-
Fo) / Fo,
开放的光系统Ⅱ的光化学效率 φp=Fv / Fm=(Fm-
Fo) / Fm。
1.2.3 接骨木、贵州金丝桃叶片的叶绿素含量测定
叶绿素含量的测定采用分光光度法: 取接骨木、贵
州金丝桃新鲜叶片(叶片在野外采摘后立即用液氮
保存)0.1 g 左右,放入预冷的研钵中,迅速加入液氮
及 95%乙醇进行研磨,定容至 15 mL,再转入离心管
中,黑暗浸提至叶片全部变白;用 721-A 型紫外分
光光度计以 95%乙醇为空白, 在 665 nm 和 649 nm
波长处测吸光值,按下式计算出接骨木、贵州金丝
桃叶片的叶绿素含量。
叶绿素 a(Ca)=13.95A665-6.88A649,
叶绿素 b(Cb)=24.96A649-7.32A665,
叶绿素总浓度(Ca+b)=Ca+Cb。
再按下式计算出叶片鲜重的叶绿素含量。
叶绿素含量(mg / g)=色素浓度×提取液体积×稀
释倍数 /样品鲜重。
1.2.4 接骨木、贵州金丝桃叶片的碳酸酐酶活性的
测定 取接骨木、贵州金丝桃叶片(叶片在野外采
摘后立即用液氮保存)0.08~ 0.12 g,放到研钵中,迅
速加入液氮和 3 mL 碳酸酐酶提取液 (巴比妥钠
0.206 g、1 mL含巯基乙醇、去离子水 100 mL)进行研
磨,取研磨液倒入 5 mL 离心管中,离心管置于冰浴
中 20 min 后,在 10 000 r / min 下离心 5 min,取上清
液,冷藏,待测。碳酸酐酶活性的测定采用 pH计法。
保持反应系统在 0~2 ℃, 取待测上清液 400 μL,加
入到含 450 μL 的巴比妥钠缓冲液(20 mmol / L,pH
8.30)的反应容器中,然后迅速加入 3 mL 预冷(0~
2 ℃)的饱和 CO2溶液,用 pH 电极监测反应体系的
pH 变化, 记下 pH 下降 2 个单位 (例如 pH 从 8.2
到6.2)所需的时间,此时间记为 t;同时记录在酶失
活条件下 pH 下降 1 个单位所需的时间, 此时间记
为 t0;酶的活性用 WA-unit表示。 WA= t / t0-1。
1.2.5 接骨木、 贵州金丝桃叶片的稳定碳同位素
δ13C的测定 取接骨木和贵州金丝桃叶片,烘干、粉
吴 楠等:接骨木和贵州金丝桃生理生态特性与喀斯特环境适生性比较 1893
湖 北 农 业 科 学 2015 年
碎、 过筛, 称取一定量转化成供质谱仪分析的 CO2
气体;在中国科学院地球化学研究所环境地球化学
国家重点实验室置备的 MAT-252 质谱仪上测稳定
碳同位素 δ13C。 测量精度小于±0.1‰。 分析结果
以 δ13C PDB表示。
1.3 数据分析
采用 Microsft Office Excel 2003 及 DPS 软件
进行线性趋势拟合与相关分析,空间分布图采用
ArcGIS(surfer8)软件进行绘制。
2 结果与分析
2.1 接骨木和贵州金丝桃叶片的光合作用日变化
2.1.1 光合作用与蒸腾作用调控因子的日变化
PAR 是光合作用的能量来源,Tl是叶片能量平衡里
的感热组分(潜热主要以蒸腾方式耗散掉),两者都
与太阳辐射有着密切关系。气孔是叶片-大气间 CO2
和水汽交换的通道,是调控光合作用和蒸腾作用的
重要生物学器官。 接骨木和贵州金丝桃叶片的 PAR
测定结果见图 1,Tl测定结果见图 2,Gs测定结果见
图 3。 从图 1、图 2、图 3 可以看出,伴随着 PAR的改
变,Gs和 Tl也发生了改变。 3 个因子互相关联;相关
分析结果显示, 接骨木的 Tl-PAR、PAR-Gs和 Tl-Gs
均具有明显的正相关关系,Tl-PAR的 R2为 0.368 8,
达到了显著水平(P<0.05)。PAR-Gs的 R2为 0.894 8,
达到了极显著水平(P<0.01)。Tl-Gs的 R2为 0.334 6,
达到了显著水平(P<0.05)。 贵州金丝桃的 Tl-PAR、
PAR-Gs和 Tl-Gs也具有明显的正相关关系,Tl-PAR
的 R2为 0.358 0,达到了显著水平(P<0.05)。 PAR-
Gs的 R2为 0.569 4,达到了极显著水平(P<0.01)。Tl-
Gs的 R2为 0.350 0,达到了显著水平(P<0.05)。
2.1.2 光合速率与蒸腾速率的日变化 试验观测
到的接骨木和贵州金丝桃叶片 Pn 的日变化情况见
图 4,Tr的日变化情况见图 5。 从图 4、图 5 可见,接
骨木的 Pn和 Tr出现了类似的变化走势, 而贵州金
丝桃的 Pn和 Tr的变化走势出现了差异。 相关分析
结果(图 6)显示,接骨木的 Pn-Tr具有明显的线性正
相关关系,R2为 0.595 8,达到了极显著水平(P<0.01),
回归直线斜率为 0.135 0。 贵州金丝桃的 Pn-Tr也具
有明显的线性正相关关系,R2为 0. 490 6,达到了极
显著水平(P<0.01),回归直线斜率为 3.660 1。显示出
2 种中药材植物在光合速率与蒸腾速率日变化过程
中叶片的光合-蒸腾具有良好的线性耦合关系;不
过从斜率可以看出,贵州金丝桃的水分利用效率要
高于接骨木。
2.1.3 光合作用、蒸腾作用及其调控因子在日变化
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//℃
图 2 接骨木和贵州金丝桃叶片的表面温度日变化
图 3 接骨木和贵州金丝桃叶片的气孔导度日变化
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接骨木
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图 4 接骨木和贵州金丝桃叶片的光合速率日变化
接骨木
贵州金丝桃
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时间
图 1 接骨木和贵州金丝桃叶片的表面光合
有效辐射日变化
接骨木
贵州金丝桃
接骨木
贵州金丝桃
1894
第 8 期
表 1 接骨木和贵州金丝桃叶片的 PAR-Pn、PAR-Tr、Tl-Pn、Tl-Tr、Gs-Pn、Gs-Tr的线性拟合方程
植物
接骨木
贵州金丝桃
y=52.802 0 x-2.675 2
y=9.770 1 x- 0.185 9
y=68.336 0 x-7.577 1
y=11.644 0 x-0.558 7
R2=0.758 1 **
R2=0.848 9 **
R2=0.851 0 **
R2=0.674 7 **
y=0.026 1 x +1.556 7
y=0.004 4 x +0.713 4
y=0.016 0 x +1.609 9
y=0.002 8 x +0.995 5
Gs
Pn
Tr
Pn
Tr
R2=0.840 6 **
R2=0.766 0 **
R2=0.653 4 **
R2=0.535 7 **
y=1.328 8 x-15.411 0
y=0.379 7 x-4.897 2
y=0.865 0 x-9.760 8
y=0.315 0 x-3.888 4
R2=0.248 9
R2=0.664 7 **
R2=0.533 6 *
R2=0.846 2 **
PAR Tl
注:同行里“*”表示相关关系达到了显著水平(P<0.05),“**”表示相关关系达到了极显著水平(P<0.01)。
中的关联关系 试验测定的接骨木和贵州金丝桃
叶片的光合作用、蒸腾作用及其调控因子在日变化
中的关系情况见图 7。由图 7可以看出,在接骨木和
贵州金丝桃叶片的光合作用、蒸腾作用及其环境和
生理因子日变化中, 除 Tl-Pn没有相关性外,PAR-
Pn、PAR-Tr、Gs-Pn、Tl-Tr 与 Gs-Tr 都具有形态相似的
线性正相关关系,并且均达到了显著或极显著水平
(表 1)。分析可知,影响接骨木光合作用的主要条件
是 PAR,影响蒸腾作用的主要条件是 Gs;而对于贵
州金丝桃而言,这两者正好相反。
2.2 接骨木和贵州金丝桃叶片的叶绿素荧光参数
比较
对接骨木和贵州金丝桃叶片的叶绿素荧光测
定结果见表 2。分析比较表明,接骨木和贵州金丝桃
叶片的叶绿素荧光参数 Fo、Fm和 Fv / Fm差异都不大,
没有显著差别。
2.3 接骨木和贵州金丝桃叶片的其他生理指标
对接骨木和贵州金丝桃叶片的叶绿素含量、碳
酸酐酶活性、稳定碳同位素 δ13C 变化范围的测定结
果见表 3。从表 3 可见,接骨木的叶绿素含量要略大
蒸腾速率//mmol/(m2·s)
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0 1 2 3 4
图 6 接骨木和贵州金丝桃叶片的 Pn-Tr耦合关系
接骨木散点
贵州金丝桃散点
接骨木线性拟合模型
贵州金丝桃线性拟合模型
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3.5
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图 5 接骨木和贵州金丝桃叶片的蒸腾速率日变化
接骨木
贵州金丝桃
图 7 接骨木和贵州金丝桃叶片 PAR、Tl、Gs与 Pn、Tr的相关关系
接骨木散点 贵州金丝桃散点 接骨木线性拟合模型 贵州金丝桃线性拟合模型
气孔导度//mmol/(m2·s)
0 200 400 600 800
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-5光



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0 50 10 15 20 25
光合有效辐射//μmol/(m2·s)




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0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
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0 50 10 15 20 25
叶片表面温度//℃
吴 楠等:接骨木和贵州金丝桃生理生态特性与喀斯特环境适生性比较 1895
湖 北 农 业 科 学 2015 年
于贵州金丝桃,碳酸酐酶活性远高于贵州金丝桃;
而 δ13C变化范围则是贵州金丝桃大于接骨木。 说明
碳酸酐酶活性低的植物其 δ13C 偏正,碳酸酐酶活性
高的植物其 δ13C偏负。
3 小结与讨论
在喀斯特石漠化地区,植物有着独特的生理调
控机理。 试验从接骨木和贵州金丝桃叶片的净光合
速率、蒸腾速率与叶片表面光合有效辐射、叶片表
面温度、气孔导度的相关分析结果表明,在叶片光
合、蒸腾及其环境和生理因子日变化中,除叶片表
面温度和净光合速率没有相关性外,叶片表面光合
有效辐射-净光合速率、叶片表面光合有效辐射-蒸
腾速率、气孔导度-净光合速率、叶片表面温度-蒸
腾速率、气孔导度-蒸腾速率都具有形态相似的线
性正相关关系,且均达到了显著或极显著水平。 并
且在蒸腾速率-净光合速率的关系中, 发现贵州金
丝桃的水分利用效率要高于接骨木。
研究表明,植物在非逆境下的可变荧光 /最大荧
光取值在 0.832±0.004之内, 而逆境下植物的 PSⅡ结
构和功能会发生不等程度的变化[13,14]。 试验结果显
示, 接骨木和贵州金丝桃叶片的叶绿素初始荧光、最
大荧光和可变荧光 /最大荧光均十分接近;可变荧光 /
最大荧光比值在 0.80~0.81 之内, 均低于植物在非
逆境下的比值, 说明接骨木和贵州金丝桃通过本身
的调节作用已经适应了喀斯特石漠化地区的环境。
喀斯特地区不同植物的稳定碳同位素 δ13C 变
化范围在-30.280‰~25.546‰,平均为-28.040‰±
1.208‰[15],而试验测定的接骨木叶片的 δ13C 变化范
围在-28.42‰,贵州金丝桃叶片的 δ13C 变化范围在-
27.22‰。植物叶片的稳定碳同位素组成 δ13C变化范
围可以反映植物内在的水分利用效率,δ13C 越为负,
植物的水分利用效率越低。 所以贵州金丝桃的水分
利用效率高于接骨木,这与从光合作用参数测定结
果得到的结论是一致的。
在植物的光合日变化中,以最初光合有效辐射
为起点,则各个微环境因素会与光合、蒸腾生理参
数进行协同变化(图 8),净光合速率-蒸腾速率通过
建立耦合关系而形成一定的机理机制。当光合有效
辐射处在上升过程时,就直接影响净光合速率和叶
片表面温度的变化,净光合速率的增加又消耗了叶
片内的 CO2,引起叶片内 CO2 浓度差(ΔC)的增大。
ΔC又引起叶片“饥饿”,导致气孔导度的增大。 叶片
表面温度的升高会引起叶片表面水汽压饱和差
(VPD)的增大,叶片表面水汽压饱和差和气孔导度
的增大将促使蒸腾速率增强,(蒸腾速率由气孔导
度和叶片表面水汽压饱和差共同控制,三者间的关
系为: 蒸腾速率=气孔导度×叶片表面水汽压饱和
差)[16],反之亦然。 植物的光合作用是一个对生态因
子敏感的复杂生理过程,生态因子不仅直接影响光
合作用,而且还通过影响植物的其他生理因子来间
接影响光合作用, 各种因子间有着错综复杂的关
系,所以植物生长是各环境因子综合作用的体现[17]。
植物利用的无机碳源包括大气中的 CO2 和土壤中
的无机碳, 而且是交替利用它们进行无机碳的固
定,从而提高植物对无机碳的碳增汇能力 [18]。 当植
物遭受逆境胁迫时会产生一系列的避害或耐害策
略;其中碳酸酐酶在植物固碳增汇方面起到了很大
作用[19]。 喀斯特适生植物的叶片中碳酸酐酶活性升
高,一方面导致气孔导度的减小或关闭,减少蒸腾
以防止植物的进一步脱水; 另一方面将细胞内的
HCO3-转化成 H2O 和CO2[10]。在这个过程中碳酸酐酶
活性一方面可以直接影响气孔导度, 也影响着 ΔC,
从而间接地影响气孔导度; 另一方面 HCO3-转化成
H2O 后影响着叶片表面水汽压饱和差。 两个方面共
同影响着植物的蒸腾作用,从而提高植物对干旱的
抵抗能力。 接骨木的碳酸酐酶活性远远高于贵州金
丝桃,说明接骨木能更好地应对逆境下叶片气孔导
度的下降而引起 CO2的供应不足,从而能更好地应
对喀斯特地区的干旱环境胁迫。
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图 8 植物叶片的 Pn-Tr耦合关系形成机制
PAR
Pn ΔC Gs
TrCa
Tl VPD
表 2 接骨木和贵州金丝桃叶片叶绿素荧光参数比较
植物
接骨木
贵州金丝桃
Fo
621.59±2.873 9
621.19±45.166 9
Fm
3 124.78±52.053 9
3 234.57±213.545 8
Fv/Fm
0.80±0.003 2
0.81±0.027 2
表 3 接骨木和贵州金丝桃有关生理指标比较
植物
接骨木
贵州金丝桃
叶绿素//mg/g
2.95±0.007
2.40±0.004
碳酸酐酶//WA-unit
37 543.85±5 664.00
497.90±167.98
δ13C//‰
-28.42±0.013
-27.22±0.006
(下转第 1902页)
1896
湖 北 农 业 科 学 2015 年
用小壮苗。
4)按移栽期在 3 月下旬至 4 月下旬推算,黔东
南烟区烟株旺长期应出现在 5 月中旬至 6 月中旬,
此期间各产烟县(市)的温度均能保证在 20 ℃以上;
团棵期至旺长期的平均降雨量在 311.7~493.1 mm,
非常适宜烟株生产,但由于降雨量时空分布不均,
且从历年平均降雨量的演变趋势来看,平均降雨量
正在以 14.3 mm / 10 a 的速率波动增加,因此建议要
加强烟田的开沟排水管理。
5)按移栽期在 3 月下旬至 4 月下旬推算,黔东
南烟区烟株的采烤期将出现在 6 月下旬至 9 月中
旬,此期间各产烟县(市)的平均气温在 20.3~26.6 ℃、
日照时间在 450~550 h 左右、平均降雨量为253.0~
369.1 mm,能满足优质烟叶成熟时对光、温、水的需
求。 但 7月中下旬到 8月上中旬正是东部烟区高温
期,另外烟区降雨量的年际变化大,时空分布不均,
干旱天气频繁出现,建议东部烟区尽量再提早移栽
期来有效降低成熟期高温伏旱天气对烟株生长造
成的不利影响。
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