不同施氮量下烟叶的主脉特征和烘烤特性及其关系研究

魏光华 杨鹏 白金莹 孙光伟 杨建春 周中宇 陈振国

摘要：【目的】研究氮素对烟叶主脉特征、烘烤特性的影响及烟叶主脉特征与烘烤特性的关系，为优化在合理施氮范围内烟叶的烘烤工艺提供理论依据。【方法】以烤烟品种云烟87上部叶为试验材料，设75 kg/ha（低氮）、105 kg/ha（正常）和135 kg/ha（高氮）3个施氮量处理，研究鲜烟叶主脉水分迁移速率，烘烤过程中烟叶主脉硬度、木质素含量和水分变化，烟叶叶片水分、叶绿素含量及多酚氧化酶（PPO）活性，并统计烤后烟叶经济性状。【结果】鲜烟叶主脉水分迁移速率表现为低氮<正常<高氮。在烘烤过程中，低氮烟叶主脉失水较少，其中在定色期（48～96 h）失水速率为0.07%/h，束缚水/自由水比值较大，主脉硬度较小且变化缓慢，木质素含量较低;正常施氮量的烟叶主脉在定色期失水速率为0.22%/h，束缚书/自由水比值、硬度和木质素含量均居中;高氮烟叶主脉失水较多，其中在定色期失水速率为0.35%/h，束缚水/自由水比值较小，主脉硬度较大且变化速率较快，木质素含量较高。在烘烤过程中，低氮烟叶叶片水分散失较多，其中变黄期（0～48 h）失水速率为0.20%/h，叶绿素降解量为89.47%，降解速率为1.24%/h，表明易烤性较好，PPO活性較高，表明耐烤性较差，烤后烟叶杂色烟比例达12.47%;正常施氮量的烟叶叶片水分散失量居中，变黄期失水速率为0.13%/h，叶绿素降解量为87.35%，降解速率为1.21%/h，表明易烤性中等，PPO活性居中，表明耐烤性中等，烤后烟叶上等烟率达31.27%;高氮烟叶叶片水分散失较少，其中变黄期失水速率为0.08%/h，叶绿素降解量为85.64%，降解速率为1.19%/h，表明易烤性较差，PPO活性较低，表明耐烤性较好，烤后烟叶青烟比例达14.50%。相关分析结果表明，除了高氮烟叶主脉硬度与叶片PPO活性呈显著相关外（P<0.05），其他各施氮量烟叶主脉指标与叶片烘烤特性指标之间均呈极显著相关（P<0.01）。【结论】氮素对烟叶质地和生理均有显著影响，施氮量为105 kg/ha的烟株，其烟叶主脉发育及保水力均较好，在烘烤过程中主脉调节叶片水分散失效果较好，使烟叶变黄和失水较协调且耐烤，可为适宜施氮范围内不同施氮量烟叶烘烤工艺优化提供参考。

关键词： 烟叶;主脉;烘烤特性;施氮量;水分

中图分类号： S572                                      文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2021）02-0356-09

Abstract：【Objective】The effects of nitrogen on the midrib characteristics and curing characteristics of tobacco leaves and the relationship between the midrib characteristics and curing characteristics of tobacco leaves were studied to provide a theoretical basis for optimizing the curing process of tobacco leaves within a reasonable range of nitrogen application.【Method】The upper leaves of flue-cured tobacco variety Yunyan 87 were used as the test material，three nitrogen application rates were set as 75 kg/ha（low nitrogen），105 kg/ha（normal） and 135 kg/ha（high nitrogen）. The water migration rate of midrib of fresh tobacco leaves， the hardness，lignin content and moisture content of midrib，leaf moisture，chlorophyll content and polyphenol oxidase（PPO） activity during curing were studied，and the economic characters of cured tobacco leaves were counted. 【Result】Water transfer rate of midrib of fresh tobacco leaves： low nitrogen

Key words： tobacco leaves; midrib; curing characteristics; nitrogen rate; moisture

Foundation item： National Natural Science Foundation of China（41907076）; Support Project of Hubei Company of China National Tobacco Corporation（027Y2019-006）

0 引言

【研究意义】烟叶烘烤特性是指烟叶在烘烤过程中表现出的变黄和脱水特性及其二者协调程度，烘烤特性良好的烟叶失水和变黄协调性较好（王传义等，2009），这些特性在栽培过程中产生，受生态条件、栽培措施、品种和部位等影响（唐经祥等，2001;聂荣帮和唐建文，2002;武圣江等，2019）。氮素是对烟草品质和产量影响最大的元素（李春俭等，2007），氮肥施用量与烤烟田间发育密切相关，只有在适宜的氮素供应条件下，烟株才能正常发育（李文卿等，2008）;氮素供应过多，烟叶贪青晚熟、大而厚且烤后品质低劣;氮素供应不足，烟株生长缓慢，烟叶明显退黄、小而薄，且烤后薄而轻（胡国松等，2000）。烟叶去主脉烘烤比整叶烘烤质量差，烤后青杂烟和伤残烟多，化学成分协调性较差，说明烟叶去主脉烘烤易导致水分胁迫，物质转化不充分（焦海湘，2013）。整叶烘烤过程中，通常因主脉失水不均衡而出现烤后烟叶挂灰及青痕等问题（王涛等，2011;谭方利等，2015），即在调制过程中烟叶主脉影响叶片的水分散失、色素降解和酶活性变化等过程。不同施氮量下同一品种相同部位的鲜烟叶叶片和主脉外观均差异明显，因此根据不同施氮量下的烟叶特征调整烘烤工艺，改善烟叶在烘烤过程中主脉失水均衡性，从而维持烟叶的失水和变黄协调性，可有效增加烤后烟叶可用性。【前人研究进展】植物叶脉是叶片水分和营养物质运输的主要通道，也是叶片的骨架，起着支撑叶片的作用（李乐等，2013）。维管植物疏导组织中含有木质素，木质素含量与植物组织机械强度、硬度、抗倒伏能力和抗旱性密切相关（黄杰恒，2013;汪灿等，2014;秦改花等，2018）。烟叶中最明显的叶脉为主脉，主脉是叶脉的主轴，其作为连接叶片与茎的输导组织，是输送水分和无机盐等养料的主干道（魏硕，2018）。鲜烟叶的水分主要分布于叶片和主脉中，且主脉含水量高于叶片。烘烤过程中烟叶叶片变黄特性和酶促棕色化反应发生程度与其水分含量密切相关（王传义等，2009），而叶片水分变化除了其自身因素外，还与主脉失水特性有关，烘烤过程中烟叶主脉水分从叶基向叶尖迁移运输，从而延缓叶片的水分散失（魏硕，2018）。在适宜施氮量下，烟叶田间生长发育良好，烤后烟叶品质较好且主要化学成分较协调;低氮条件下，烟叶在大田后期会出现假熟现象，烤后易出现光滑烟叶;高氮条件下，烟叶难以正常生理成熟，较难调制，烤后青筋和杂色烟比率较高（李文卿等，2010;周玲红等，2018）。戴勋等（2007）研究发现，不同施氮量下烟叶烘烤特性不同，其中，低氮烟叶易烤性好，耐烤性差;正常施氮量的烟叶易烤性较好，耐烤性好;高氮烟叶易烤性差，耐烤性較好。【本研究切入点】目前关于施氮量对烟叶主脉特征和烘烤特性的影响以及主脉特征与烟叶烘烤特性的关系研究较少。【拟解决的关键问题】以不同施氮量下的云烟87上部叶为试验材料，研究鲜烟叶主脉维管束水分迁移速率，以及烘烤过程中烟叶主脉特征与其叶片烘烤特性的关系，从而了解烟叶在烘烤过程中主脉特征对叶片生理生化的影响，为合理施用氮肥及在合理施氮范围内不同施氮量下烟叶的烘烤工艺优化提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验地点与材料

试验于2019年在湖北省利川市柏杨镇烟站进行，取样烟田土壤质地为壤土，肥力均匀中等，地势平坦、开阔。土壤pH 6.67，有机质16.79 g/kg，全氮1.17 g/kg，碱解氮125.41 mg/kg，速效磷16.37 mg/kg，速效钾86.53 mg/kg。供试品种为云烟87，部位为上部叶（15～16叶位）。

1. 2 试验设计与田间管理

试验共设3个处理：T1，比正常施氮量少施约30%纯氮（75 kg/ha）;T2，正常施氮量（105 kg/ha）;T3，比正常施氮量多施约30%纯氮（135 kg/ha）。氮肥的60%作基肥，40%作追肥。正常施氮量处理N∶P2O5∶K2O按1∶0.8∶2.6施用，每公顷施84 kg P2O5、273 kg K2O和150 kg KH2PO4，行株距为1.2 m×0.5 m。除施氮处理外，其余田间管理措施按当地优质烟生产规范进行。采用智能烟叶实验烤箱（杨凌金叶烘烤设备有限公司）按照云烟87正常烘烤工艺进行烘烤，配备高精度数字温湿度传感器，加热采用带不锈钢翅片，功率为3 kW;通风采用变频风机（400 V，0.37 kW），频率50 Hz。装烟室长×宽×高为1.20 m×1.00 m×1.20 m，每个实验烤箱装10杆烟叶，每杆120片。将烟叶编竿挂入烤箱内，在烘烤过程关键时间点（0、24、48、72、96和120 h）取样，以备测定主脉的硬度、木质素含量、自由水和束缚水含量、含水率，叶片含水率、叶绿素含量和多酚氧化酶（PPO）活性及烤后烟叶经济性状等指标。

1. 3 测定项目及方法

按照行业标准YC/T 31—1996《烟草及烟草制品 试样的制备和水分测定烘箱法》分别测定主脉和叶片含水率。采用阿贝折射仪法（聂荣帮和唐建文，2002）测定主脉自由水和束缚水含量。取鲜烟叶第5～6支脉之间的主脉样品，采用ETB-05B激光测径仪（广州一思通电子仪器厂）测定鲜烟叶主脉直径。采用维管束示踪法研究鲜烟叶主脉水分迁移速率，以质外体染色法（王艳芳等，2015）对其进行染色，并在魏硕等（2017）的方法上略有改进，具体步骤为：用刀片将烟叶叶基部切割平整，然后倒插入浓度为1%的弱酸性品红染液中，对主脉尖部进行检测，当鲜烟叶主脉尖部维管束染成红色时，记录染色时间，并利用尼康D7000数码相机对烟叶进行拍照，对所得图片用Photoshop测定各处理整段主脉长度，再计算水分迁移速率，主脉水分迁移速率=染液从主脉基部到达尖部的距离/染液从主脉基部到达尖部的时间。采用质构仪测定主脉硬度，参考武圣江等（2010）的方法设定参数。按照行业标准YC/T 347—2010《烟草及烟草制品 中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、酸洗木质素的测定：洗涤剂法》，用FT122半自动纤维素分析仪测定主脉木质素含量。采用分光光度计法（邹琦，1995）测定叶绿素含量;采用邻苯二酚氧化分光光度法（王丹等，2008）测定PPO活性;烟叶失水和叶绿素降解的计算参照王行等（2014）的方法。按照国标GB 2635—1992《烤烟》中的分级标准，统计烤后烟叶等级质量。

1. 4 统计分析

运用Excel 2010对试验数据进行统计，并采用SPSS 22.0进行多重比较分析，使用Origin 2018制图。

2 结果与分析

2. 1 烘烤过程中不同施氮量处理烟叶主脉的变化

2. 1. 1 鲜烟叶主脉维管束水分迁移特性 由表1可知，3个施氮量处理鲜烟叶主脉直径排序依次为T3>T2>T1，其中T1与T2处理间差异不显著（P>0.05，下同），T3处理与T1和T2处理均差异显著（P<0.05，下同）;鲜烟叶主脉切割平整后的长度排序依次为T3>T2>T1，其中T1与T2处理间差异不显著，两者与T3处理差异显著。说明施氮量偏高的烟叶主脉长度和主脉直径均显著大于施氮量偏低和正常施氮量的烟叶。染液从鲜烟叶主脉基部到达主脉尖部的染色时间排序依次为T1>T2>T3，3个处理间差异显著;鲜烟叶整段主脉维管束水分迁移速率排序依次为T3>T2>T1，3个处理间差异显著。

2. 1. 2 烘烤过程中不同施氮量处理烟叶主脉水分

在烘烤过程中，水分含量直接影响烟叶的内部生理生化过程，烟叶失水速度决定烟叶能否正常变黄和顺利定色（宫长荣，2010）。由图1可知，不同施氮量处理烟叶在烘烤过程中主脉含水率均呈降低的变化趋势，鲜烟叶主脉含水率表现为T3>T2>T1。烘烤过程中，在0～48 h（变黄期）各处理烟叶主脉失水均缓慢，T1、T2和T3处理的失水速率分别为0.11%/h、0.14%/h和0.14%/h;在48 h后，各处理的烟叶主脉含水率表现出相反的变化趋势，主脉失水速率逐渐加快，在48～96 h（定色期）失水速率分别为0.07%/h、0.22%/h和0.35%/h，在96～120 h失水最快，失水速率分别为0.79%/h、1.18%/h和1.19%/h。说明在烘烤过程中，低氮烟叶主脉失水较慢，失水量较少;正常施氮量的烟叶主脉失水速率和失水量居中;高氮烟叶主脉失水较快，失水量较多。

烟叶水分分为自由水和束缚水，自由水与细胞组分之间吸附能力较弱，具有较强的流动性，易被干燥去除，束缚水则不易蒸发散失（樊军辉等，2010）;通常束缚水/自由水比值越大，烟叶失水的难度越大（宋朝鹏等，2017）。由图1可看出，在烘烤过程中，随着施氮量的增加，烟叶主脉束缚水/自由水比值逐渐降低;随着烘烤时间的延长，各施氮量处理的烟叶主脉束缚水/自由水比值基本呈缓慢增加的变化趋势。说明在烘烤过程中，随着施氮量的增加，烟叶主脉失水难度降低;随着烘烤的进行，各施氮量处理的烟叶主脉失水难度总体上均增大。

2. 1. 3 烘烤过程中不同施氮量处理烟叶主脉硬度

硬度可反映烟叶主脉和叶片的坚实程度，是样品达到一定形变时所必需的作用力（武圣江等，2011）。由图2可看出，各施氮量处理鲜烟叶主脉硬度差异显著，主脉硬度在烘烤过程中表现为先降低后升高的变化趋势;T1和T2处理在0～96 h呈降低的变化趋势，T3处理在0～72 h呈降低的变化趋势，各处理烟叶主脉硬度差异较大，大致表现为T3>T2>T1。

2. 1. 4 烘烤过程中不同施氮量处理烟叶主脉木质素含量 木质素作为植物细胞壁的主要组成成分，与植物的抗倒伏能力、抗旱性和组织硬度等在生长发育过程中所形成的多种特征密切相关（黄杰恒，2013;汪灿等，2014;秦改花等，2018）。由图3可看出，鲜烟叶主脉木质素含量为T3>T2>T1，随着烘烤的进行，各施氮量处理烟叶主脉木质素含量均下降，且均在烘烤24 h后下降速率较快，木质素含量均表现为T3>T2>T1。

2. 2 不同施氮量处理烟叶的烘烤特性

2. 2. 1 烘烤过程中不同施氮量处理烟叶叶片含水率 由图4可知，不同施氮量处理烟叶在烘烤过程中含水率变化趋势一致，随着烘烤时间的延长，各处理烟叶叶片失水规律均为前期少、中期多、后期少。鲜烟叶及烘烤过程中叶片含水率均表现为T3>T2>T1。在0～48 h失水速率分别为T1 0.20%/h、T2 0.13%/h、T3 0.08%/h;在48～96 h失水速率分别为T1 0.97%/h、T2 0.98%/h、T3 0.96%/h;96 h后，叶片失水逐渐减缓，烘烤至120 h时，T1处理含水率为9.74%，明显低于其余2个处理。说明烘烤过程中T1处理叶片失水较多，大量失水主要发生在变黄期和定色期，在这2个时期，叶片失水总量为T1>T2>T3。

2. 2. 2 烘烤过程中不同施氮量处理烟叶变黄特性

烟叶变黄特性的差异主要体现在叶绿素降解速率和降解量的不同，叶绿素降解速率和降解量越大，其易烤性就越好（王传义，2008）。由图5可知，在整个烘烤过程中各处理烟叶叶绿素含量均呈下降趋势，叶绿素含量表现为T3>T2>T1;24 h前叶绿素含量均大量降解，在24 h时T1、T2和T3处理叶绿素含量分别降解了鲜烟叶的83%、78%和73%;24 h后，降解速率明显变慢，直到逐渐趋于稳定。在整个烘烤过程中，T1、T2和T3处理叶绿素降解量分别为89.47%、87.35%和85.64%，叶绿素降解速率分别为1.24%/h、1.21%/h和1.19%/h，处理间差异明显，说明烘烤过程中施氮量偏低的烟叶叶绿素降解量较大且降解速率较快，施氮量偏高的烟叶叶绿素降解量较小且降解较缓慢，烟叶易烤性为T1>T2>T3。

PPO是催化褐变反应的关键酶，参与多酚类物质的氧化;烘烤过程中PPO活性决定烟叶的色泽和内在质量（宫长荣等，2005），PPO活性越大，烟叶变褐速度越快，耐烤性越差，烤后烟叶易出现杂色烟（王传义等，2009）。由图5可知，随着烘烤的进行，各處理烟叶PPO活性均呈先上升后下降的变化趋势，在烘烤48 h时达最高值;在48 h前PPO活性均快速升高，48 h后PPO活性均下降，下降速率呈慢—快—慢的变化趋势;PPO活性在120 h时降至最低，基本已失活。在烘烤过程中PPO活性表现为T1>T2>T3，即不同施氮量的烟叶酶促棕色化反应发生程度为T1>T2>T3。说明T2耐烤性中等，T3耐烤性较好，T1耐烤性较差。

2. 2. 3 不同施氮量處理烤后烟叶经济性状 由表2可看出，相同烘烤条件下，各处理烤后烟上等烟比例表现为T2>T1>T3，其中T1与T2处理间差异不显著;上、中等烟比例也表现为T2>T1>T3，3个处理间差异显著;青烟比例表现为T3>T1>T2，T1与T2处理间差异不显著;杂色烟表现为T1>T3>T2，3个处理间差异显著。由此可知，T2处理烤后烟质量明显高于T1和T3处理，T3处理烤后烟下等烟比率最高。说明云烟87上部叶在正常施氮量条件下烤后烟质量最好，施氮量偏低或偏高，在正常烘烤工艺下均易出现较多的烤坏烟，尤其是施氮量偏高的烟叶易出现较多的烤青烟。

2. 3 不同施氮量处理主脉特征与烟叶烘烤特性相关分析结果

由表3可知，在烘烤过程中，各处理烟叶主脉含水率、束缚水/自由水比值、硬度、木质素含量与烟叶叶片含水率、叶绿素含量、PPO活性具有良好的相关性，除了主脉束缚水/自由水比值与叶片含水率、叶绿素含量和PPO活性呈极显著负相关（P<0.01，下同）外，其余主脉指标与叶片指标基本上均呈极显著正相关，表明在烘烤过程中不同施氮量的烟叶叶片失水特性、易烤性和耐烤性与主脉水分、硬度和木质素含量密切相关。

3 讨论

植物叶片水分快速运输的通道主要是叶脉木质部导管，通常在温度较高、降水较多的环境下生长的植物叶片发育较好，叶脉木质部导管粗大，从而水分运输速率较快;对烟叶而言，这可能是不同田间施肥措施、品种、部位、开片度等处理烟叶失水特性差异显著的原因（魏硕，2018）。本研究中，随着施氮量的增加，鲜烟叶主脉直径和长度均增加，水分迁移速率加快，在烘烤过程中烟叶主脉失水难度减小。随着烘烤时间的延长，各施氮量烟叶主脉失水难度均逐渐增大，与宋朝鹏等（2017）的研究结果一致。本研究中，在烘烤过程中主脉硬度均呈先降低后升高的变化趋势，与宋朝鹏等（2010）的研究结果一致;主脉木质素含量均呈下降的变化趋势。这可能是不同施氮量条件下的烟叶主脉木质部导管数目和大小以及烘烤过程中主脉水分迁移速率存在明显差异所致（汪灿等，2014;魏硕，2018）。施氮量偏低的烟叶可能木质部导管数目较少且横截面较小，从而在烘烤过程中主脉水分迁移运输较慢;施氮量偏高的烟叶可能主脉木质部导管数目较多且横截面较大，从而烘烤过程中主脉水分迁移运输速率较快。正常施氮量的烟叶可能主脉木质部导管数目和大小均居中，从而在烘烤过程中水分迁移速率适中。

本研究中，在烘烤过程中，施氮量偏低的烟叶含水率和叶绿素含量均较低，叶绿素降解较快，易烤性较好，而定色期PPO活性较高，导致烟叶易发生褐变，耐烤性较差;施氮量偏高的烟叶叶绿素含量较高且降解较缓慢，较难变黄，易烤性较差，而定色期PPO活性较低使烟叶褐变程度较低，耐烤性较好;正常施氮量的烟叶叶绿素含量和降解速率居中，易烤性中等，烟叶失水较协调，定色期PPO活性中等导致烟叶褐变程度适中，耐烤性中等。这与戴勋等（2007）研究得出在一定施氮量范围内，随着施氮量的增加，正常成熟度的烟叶变黄难度增加（即易烤性降低），定色难度降低（即耐烤性增加），即综合来说，正常施氮量的烟叶烘烤特性好于低氮及高氮烟叶的结论一致。

本研究中，各施氮量处理烟叶的各项主脉指标与叶片烘烤特性指标之间均呈极显著或显著相关，说明在不同施氮量条件下，主脉特征与烟叶烘烤特性密切相关。由于烘烤过程中烟叶主脉失水特性的差异，导致主脉硬度变化速率不同。施氮量偏高的烟叶主脉在定色前中期硬度下降较快，主脉硬度升高明显早于其余2个施氮量的烟叶主脉，在烘烤过程中主脉硬度和木质素含量基本大于其余2个施氮量的烟叶主脉。汪灿等（2014）研究表明木质素含量与茎秆抗倒伏性、机械强度、粗壮程度和抗旱性等呈显著正相关，秦改花等（2018）研究表明植物组织硬度与木质素含量呈显著正相关。本研究结果显示，随着施氮量的增加，鲜烟叶主脉长度、粗度和机械强度均增加且烘烤过程中主脉失水速率加快。各施氮量烟叶主脉硬度、木质素含量与其水分变化规律较一致，可能是因为烟叶主脉木质素含量与其机械强度和硬度呈正相关，而硬度可反映烟叶主脉的坚实程度（武圣江等，2011），在一定范围内木质素含量可能与其抗旱性呈正相关，而烘烤过程对于烟叶相当于高温干旱胁迫，木质素含量适中的烟叶主脉可能保水力较好。烟叶主脉具有调节叶片水分散失的作用（魏硕，2018），而叶片水分影响其色素等有机物质的降解和酶活性的变化，由于不同施氮量下烟叶叶片水分含量和失水特性的差异，导致烟叶变黄和定色特性以及最终品质的差异。

4 结论

氮素对烟叶质地和生理均有显著影响，施氮量为105 kg/ha的烟株，其烟叶主脉发育及保水力均较好，在烘烤过程中主脉调节叶片水分散失效果较好，使烟叶变黄和失水较协调且耐烤，可为适宜施氮范围内不同施氮量烟叶烘烤工艺优化提供参考。

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（责任编辑 罗 丽）