烤烟上部叶光合特性与单叶质量叶位效应的聚类分析

雷 佳，叶卫国，单雪华，袁非菲，梁剑雄，李淮源，陈建军

(1 广东中烟工业有限责任公司技术中心，广东 广州 510385； 2 华南农业大学 农学院，广东 广州 510642；3 湖南省烟草公司 衡阳市公司，湖南 衡阳 421001)

特色优质上部8片烟叶已成为双喜品牌卷烟主要的优质原料来源之一。目前由于上部8片叶不同叶位间生理特性差异较大，不但给生产上实现一次性成熟采收与调制增加了难度，而且也会使上部烟叶各个叶位烤后烟叶的等级结构差异显著[1]，或出现不同叶位同一等级烟叶内在化学成分、感官质量差异较大的现象[2]，不利于工业企业进行优质原料的筛选与使用。

光合作用是作物产量和质量形成的最重要生理过程之一，其强弱不仅与水分状况、叶片温度、CO2供应浓度、营养供应和分配等多个因子显著相关，而且与叶位、叶龄密切相关[3]。显然，烤烟上部8片叶各叶位叶片生理特性、质量和单叶质量差异形成的叶位效应，主要是因各叶片所接受的光照、通风、营养分配等条件的不同所致，直接或间接受到叶片光合特性的深刻影响，进而影响着叶片物质代谢过程，改变烟叶品质形成的某些过程，最终通过烟叶等级结构及感官质量的差异表现出来[4-5]。因此研究烤烟不同叶位叶片的光合特性，可以为不同叶位烟叶间出现的质量差异提供机理解释。许多研究表明，烤烟烟叶的单叶质量和外观质量、化学成分均受到叶位的显著性影响，特别是烟株上部6片叶，其等级结构随叶位不同而呈现显著性差异[6-12]。但这些关于烟叶不同叶位间差异的研究多集中在等级结构、物理特性以及化学成分的比较上，而有关以卷烟品牌需求为导向，探讨上部8片叶每片叶质量风格形成的生理机理研究报道极少。

单叶质量是反映烤烟上部叶质量的重要指标之一，其形成与烟叶光合特性密切相关[13]。比较上部烟叶不同叶位的单叶质量，可反映出其光合特性的异同，同时也可以简单判断某些相邻叶位烟叶质量的相似性。有报道指出，烤烟上部5片叶的单叶质量随叶位的升高而降低[14-15]，上部倒1叶单叶质量较低，倒2～6叶差异不显著[16]。但也有研究认为，倒1～2叶单叶质量差异不显著，倒3～7叶单叶质量差异不显著，但与倒8叶单叶质量差异显著[10]。可见，目前关于烤烟上部叶各叶位单叶质量的研究结论并不统一，为此，本研究通过对烤烟上部8片烟叶光合特性和单叶质量进行比较研究，探讨每片上部烟叶烤后品质差异产生的生理原因；同时采用聚类分析方法，将光合特性相似的叶位进行归类，利用单叶质量这一质量指标进行验证，试图为上部叶一次性成熟采收与科学调制，以及工业企业在特定叶位筛选合适的原料提供理论参考和实际指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试烤烟(NicotianatabacumL.)品种为云烟87，分别由湖南省烟草公司永州市公司、湖南省烟草公司衡阳市公司提供。

1.2 试验设计

试验于2017-2019年连续3年分别在湖南省永州市宁远县仁和镇陈普全村、湖南省衡阳市衡南县冠市镇合溪村进行。试验地土壤前茬为水稻，土壤基本理化性质为：pH 6.0，有机质26.3 g/kg，全氮3.2 g/kg，碱解氮120.5 mg/kg，有效磷6.4 mg/kg，速效钾71.2 mg/kg，缓效钾83.1 mg/kg。试验区面积为750 m2( 30 m×25 m)，株行距为0.6 m×1.2 m，田间设置3个4行测定区；每个测定区200株，四周设2行保护行。每区重复测定3次。2017-2019年均于3月10日移栽，统一打顶，留叶18 片，并对烟叶挂牌标记。试验施氮量为150 kg/hm2，其他田间管理按照当地优质烟叶生产方案执行。

1.3 测定项目及方法

试验以烤烟上部8片叶为测定对象。

1.3.1 光合特性的测定 在3个4行测定区，每个测定区选择长势长相均匀一致、能够代表该点生长状况的烟株3株，打顶后每株自上而下标记倒数第1～8位叶。打顶20 d后，在每天上午09:00-11:00，逐株逐叶测定各个叶位叶片光合参数，从第1株的倒1叶按顺序测到倒8叶，同样的顺序再测第2株的倒1～8叶，以此类推，连续测定5 d取平均值。净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)均采用美国 LI-Cor 公司生产的 LI-6400便携式光合测定系统测定，为了避免环境因素的影响，采用光合仪自带的LED红/蓝光源，人工控制光照强度为1 000 μmol/(m·s)，CO2浓度为400 μmol/mol，叶室温度为30 ℃。测定每片叶约需时1 min，72片叶的整个测定过程约需1.5 h，以尽量保证数据的稳定性。由于已通过人工控制叶室内的光照强度、CO2浓度及温度，影响光合作用的主要环境因素仅是叶片温度，从测得数据看，测定过程的叶温为31.8～33.6 ℃，差值小于±2 ℃，可认为由叶温引起的光合差异极小，能保证本试验光合数据的准确性。

1.3.2 单叶质量的测定 按照《YC/T 142-2010烟草农业性状调查测量方法》中关于“单叶重”的测定方法，分别测定上部8个叶位的单叶质量。

1.3.3 聚类分析 由于净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)4个指标的量纲不同，需先对这4个指标进行降维，即主因子分析，然后再通过欧氏距离法对上部8片叶的光合特性进行聚类分析。具体可参考吕鹏辉等[17]和郭建华等[18]的方法。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2007和SPSS 19.0对试验数据进行单因素方差分析和聚类分析。

2 结果与分析

2017-2019 年连续3年两地主要研究结果趋势类似，限于篇幅，本研究主要报道2019年永州市宁远县的试验结果。

2.1 烤烟上部8片叶光合特性的比较

由表1可见，随着叶位的降低，烤烟叶片的净光合速率明显下降。倒1～2叶净光合速率最高，分别达到了24.42和23.44 μmol/(m·s)，且两者差异不显著；倒3～5位叶间净光合速率差异不显著，但较倒1叶显著降低了9.79%～15.48%；倒6～8位叶的净光合速率差异不显著，但与倒1～2叶和倒3～4叶差异显著，且较倒1叶显著降低了21.05%～27.68%。上部8片叶间的胞间CO2浓度为286.29～308.63 μmol/mol，差异不显著。可见，叶位间的差异主要影响了烟叶的净光合速率，对胞间CO2浓度影响较小。随着叶位的降低，上部8片叶的气孔导度和蒸腾速率均明显下降。倒1～2叶气孔导度差异不显著；倒3～5叶差异也不显著，但较倒1叶显著下降了15.92%～20.23%；倒6～7叶差异不显著，但与倒1～2叶、倒3～5叶和倒8叶差异显著，且较倒1叶显著下降了27.91%～28.55%；倒8叶气孔导度最小。对于蒸腾速率，倒1～2叶、倒3～6叶和倒5～7叶间差异不显著，但随着叶位间距的增大，这3组叶间及与倒8叶间的差异均达到了显著水平。可见，上部8片叶的气孔导度和蒸腾速率由于叶位间距的增大，叶片相互间的差异开始变得明显。

表1 烤烟上部8片叶光合特性的比较Table 1 Comparison of photosynthetic characteristics among the top eight leaves

2.2 烤烟上部8片叶光合特性的聚类结果

从图1可见，在欧氏距离为5时，聚类效果较好，同时结合表2发现，烤烟上部8片叶可分为4组，其中倒1～2叶属于第Ⅰ组，该组叶片具有高强度的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率；倒3～5叶属于第Ⅱ组，该组烟叶具有中等强度的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率；倒6～7叶属于第Ⅲ组，该组烟叶具有低强度的净光合速率、较低强度的气孔导度和蒸腾速率；倒8叶则属于第Ⅳ组，该组烟叶的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均较低。同时，上部8片叶的共同特征是具有相同强度的胞间CO2浓度。可见，由于叶位的不同，成熟期烤烟上部8片叶的光合特性分层特征明显。

表2 烤烟上部8片叶光合特性的聚类分析Table 2 Clustering results of photosynthetic characteristics of the top eight leaves

叶位1～8分别表示从烟株顶部往下标记的第1～8片叶。图2同Leaf positions 1-8 indicate the 1-8 leaf marked from the top of tobacco plant. The same in Fig.2

2.3 烤烟上部8片叶烤后单叶质量的比较

由图2可以看出，随着叶位降低，叶片的单叶质量明显呈现出升高趋势。根据单叶质量的方差分析结果，可以将8个叶位分成4组：倒1～2叶、倒3～5叶、倒6～7叶、倒8叶，组内差异不显著，不同组间差异显著。这4组叶片的单叶质量分别为8.68～8.79，9.86～10.05，10.32～10.43和10.80 g，达到了优质烟叶的要求。上部8片叶的单叶质量表现出的这种规律，可能也存在于烟叶的其他质量指标中。

图2 烤烟上部8片叶烤后单叶质量的比较Fig.2 Comparison of single leaf weight of the top eight leaves of tobacco after curing

3 讨论与结论

随着烟叶原料成本控制及未来高端卷烟对原料需求的精准性等要求的提高，对不同叶位烟叶质量特征及使用价值进行精准定位研究显得尤其重要。作物单作群体不同空间层次的叶片，一般随着叶位降低, 光合有效辐射、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率都会逐渐下降，但胞间CO2浓度的变化方向不尽相同[19]。本研究表明，在烤烟倒数第1～8位叶，随着叶片着生位置的降低，叶片净光合速率下降，但胞间CO2浓度无显著性变化，表明不同作物叶片的光合特性随叶位变化存在一定差异。许大全[20]指出，只有当净光合速率和胞间CO2浓度的变化方向一致，即两者同时减少时，才可认为净光合速率的下降主要是由气孔限制引起的，否则归因于非气孔限制。根据该判断可知,本研究烤烟倒1叶至倒8叶净光合速率的下降，主要是由非气孔限制所引起，即主要与叶肉细胞的羧化能力较低有关。有研究指出，气孔导度的降低会导致净光合速率下降[21-22]，而本试验中的气孔导度和净光合速率虽然均随叶位降低而降低，存在一定程度的气孔限制，但结合胞间CO2浓度的变化方向来判断，非气孔限制才是导致本试验烟叶净光合速率明显下降的主要原因，这与司力珊等[23]对茄科作物辣椒的研究结论一致。苏贤坤等[24]研究烤烟各部位叶片的光合特性和相关酶活性的差异时同样指出，随着叶位降低，叶片叶绿素以及与光合相关酶的活性明显降低，最终导致净光合速率下降，但其选取的烤烟部位间隔相距较大。由此来看，由叶位降低而引起的净光合速率下降的生理原因尚需进一步研究。

光合作用是叶片内含物形成的生理基础，直接决定着叶片单叶质量的大小[13]。谢已书等[16]研究表明，在烤烟上部倒1～6叶中，倒1叶的单叶质量与其他叶位叶片差异显著，而倒2～6叶间差异不显著。 段树苍等[10]则认为，丽江烤烟倒1～8叶的单叶质量可以分成倒1～2叶、倒3～7叶、倒8叶3组，且组内差异不显著、不同组间差异显著。本研究根据单叶质量方差分析结果，将8个叶位分成倒1～2叶、倒3～5叶、倒6～7叶和倒8叶4组，也是组内差异不显著、不同组间差异显著。这可能是由于单叶质量会受到生态环境和农艺栽培措施等的影响[25]，也说明了生产上可以通过栽培措施的调控，使上部烟叶不同叶位的单叶质量达到预期的要求。

单叶质量与烟叶内在化学成分和外观质量均有密切的关系[25]。有研究表明，烟叶的单叶质量与总糖和还原糖呈负相关，与烟碱和总氮呈正相关[26]，大部分中性香气物质含量在上部叶单叶质量处于12～15 g时达到最高值，超出这一范围后随着单叶质量增加而降低[27]；随着上部烟叶单叶质量的增加，烟叶颜色由深至浅，由棕红色过渡至柠檬黄色，烟叶油分、色泽、叶片结构、厚度等指标也均随单叶质量的提高而提升[28]，这说明利用单叶质量这一指标对烟叶总体质量进行初步判断的可行性。本研究通过方差分析，将8个叶位烟叶的单叶质量分成了4组，根据单叶质量与烟叶质量间存在的密切关系，判断上部8片叶的总体质量特征可能也符合这一分组规律。

单叶质量可反映上部8片叶不同叶位间质量特征的异同，而对上部8片叶的光合特性进行聚类分析，则可从生理特性的角度明确不同叶位具有的相似性，这对于指导一次性采收和按照生理特征进行分组烘烤，以及在特定叶位挑选能满足工业需求的烟叶均具有重要意义。目前研究结果多以上部6片叶一次性采收为主[29-31]。也有研究认为，上部5～8片叶[32]、上部4～6片叶[33]、上部4片叶[34]、上部5片叶[14]一次性采烤或顶部1～2片叶不采烤[35]等采收方式较好，而黄浩等[36]对比上部4片叶、5片叶和6片叶一次性带茎烘烤后的烟叶发现，上部6片叶一次性采收的烤后烟叶具有更好的外观质量和经济效益。本研究发现上部倒8片叶可以分为4组，而倒数第1～2位叶和倒数第3～5位叶虽然可以细分为第Ⅰ组和第Ⅱ组，但相对于其他叶位的叶片，两者的生理特征比较相近，因此从生理基础上推断上部最终留5片叶比较符合采收的标准。

由于非气孔限制，上部8片叶净光合速率随叶位的降低而降低，同时按光合特性与单叶质量的差异进行比较分组，结合生理与质量两个方面认为，在烤烟上部8片叶中，倒1～2叶、倒3～5叶、倒6～7叶和倒8叶分属4组叶，同组烟叶内各个叶位差异较小，这为指导上部叶成熟采收与调制以及工业企业在特定叶位筛选合适的原料提供了依据。