烤烟上部叶成熟过程中叶片姿态变化及其原因分析

牛 浩，江厚龙，周中宇，李静超，孙占伟，王廷贤，杨占伟，白金莹*

（1.河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450002；2.重庆市烟草公司，重庆 400023；3.河南中烟工业有限责任公司，河南 郑州 450016；4.福建省烟草公司 南平市公司，福建 南平 353000）

成熟度是影响烟叶品质的重要因素，也是烤烟分级标准中的首选品质因素［1］。由于在生产实践中对烟叶的成熟度把握不准，存在青烟采烤现象，造成了烤后烟叶化学成分不协调、感官质量差等问题，从而导致烟叶内在品质未得到充分彰显［2-3］。如何准确把握烟叶的采收成熟度，是当前烟叶生产中亟待解决的问题。烟叶成熟过程中所表现出来的外观特征变化对于指导烟叶采收有很重要的实践作用。众多学者围绕鲜烟叶成熟度的外观特征开展了广泛的研究。王怀珠等［4］认为可以定量地用茎叶夹角的大小来反映烟叶的成熟度。叶为民等［5］的研究指出，随着烟叶成熟度的提高， 出现叶片的叶色变黄、主支脉变白、茎叶夹角增大等特征，可以用主支脉的变白程度和叶色变化作为判断成熟度的重要依据。刘辉等［6］研究认为云烟87上部叶叶面达到80%黄绿色、主脉变白2/3时是最佳成熟度。陈颐等［7］认为K326中部叶达到叶片落黄80%、主脉变白60%、茎叶夹角70°、绒毛脱落50%左右时，是最佳的采收时间。而对烟叶成熟过程中叶片姿态的改变关注较少，仍然停留在叶尖下垂、茎叶夹角增大等方面，不能很好地作为判断成熟度的指标。

基于此，笔者研究了烟叶成熟过程中叶片姿态的改变，分析了与叶片姿态紧密相关生理生化指标的变化，探索叶片姿态改变的原因，探讨了叶片姿态作为烟叶成熟度判别指标的可行性，旨在为生产实践中指导烟叶的成熟采收提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2020年在重庆市丰都县太平坝乡中坝村（108°9′31″E，29°44′43″N）进行，当地土壤肥力均匀适中，土壤pH值7.53。供试品种为云烟116，按当地优质烟叶生产技术规范进行田间管理；采收上部叶（15~17叶）作为试验材料。参考当地实际情况进行采收，设置5个不同的成熟度处理。具体处理为：正常采烤前10 d（T1），打顶后40 d；正常采烤前5 d，打顶后45 d（T2）；正常采烤当天，打顶后50 d（T3）；正常采烤后5 d，打顶后55 d（T4）；正常采烤后10 d，打顶后60 d（T5）。各处理采收时的烟叶外观特征如表1所示。采收前在田间选择长相一致且具有代表性的烟株拍照用于测定茎叶夹角、叶披垂角、弯曲位置和曲率。采收后，测定其叶长、叶宽、叶宽位置、重心位置、主脉含水率。接着立刻切下主脉基部用液氮冷冻，送实验室测定烟叶果胶酶和纤维素酶的活性。

表1 叶片姿态的相关分析

1.2 测定项目与方法

1.2.1 叶片姿态指标 叶片姿态指标包括茎叶夹角、叶片下垂位置、叶披垂角、曲率（图1）。使用Photoshop CC 2018进行图像处理以测定叶片姿态指标。其中茎叶夹角用茎秆与叶片基部的夹角表示；叶基至最高点的距离用叶基到最高点的实际距离与叶长的比值表示；叶披垂角用叶基与叶尖的连线与茎秆的夹角表示；弯曲位置用叶片最高点至叶基部的距离与全叶叶长的比值表示；叶片曲率使用Photoshop CC 2018对采集的烟叶图像进行描点标记并记录坐标，标准化后使用MatlabR 2016 a软件进行曲线拟合；拟合获得的曲线的R2值均达到了0.95以上且通过统计学检验（P＜0.05）。随后参考公式（1）计算拟合曲线最高点时的曲率作为叶片的曲率。

图1 叶片姿态指标示意图

式（1）中，K表示该点的曲率，描述了曲线偏离直线的程度，y′表示拟合曲线的一阶导函数，y″表示拟合曲线的二阶导函数。

1.2.2 叶长、叶宽、叶宽位置的测定 使用卷尺测量主脉基部到叶尖的直线长度记为叶长；测量叶片中部最宽处的宽度记为叶宽；测量叶宽在主脉上的位置到主脉基部的距离，叶宽位置用该距离与叶长的比值表示。长宽比=叶长/叶宽，其比值越小说明开片程度越大。

1.2.3 主脉含水率的测定 采用烘箱法测定主脉含水率。将主脉分离后称量记录鲜重。随后放入恒温干燥箱中杀青烘干，再次称量干重。主脉含水率=（叶鲜重-叶干重）/叶鲜重×100%。

1.2.4 重心位置的测定 采用悬挂法测定烟叶的重心位置。在烟叶边缘任选一点悬挂，随后用带铅锤的短线作过该点的垂线。另选烟叶边缘任意一点悬挂，再次使用带铅锤的短线作过该点的垂线。两垂线的交点即为烟叶的重心。预试验结果表明：烟叶的重心位置位于主脉上，因此，以主脉基部到重心的距离与叶长的比值来表示重心位置。

1.2.5 主脉果胶酶和纤维素活性的测定 果胶酶能水解果胶生成半乳糖苷，半乳糖苷是一种还原糖，能与DNS试剂反应并在波长540 nm处有特征吸收峰的红色物质；纤维素酶能催化纤维素降解产生还原糖，也能与DNS试剂反应在波长540 nm处有特征吸收峰的红色物质。本试验的果胶酶和纤维素酶活性采用索莱宝（Solarbio）公司生产的果胶酶和纤维素酶活性检测试剂测定。果胶酶活性和纤维素酶活性单位均以△OD540/（min·g）表示。

1.3 数据处理

使用Excel 2007软件对数据进行统计，利用Origin 2021软件作图，使用SPSS 20软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 鲜烟叶成熟过程中叶片姿态的变化

从图1可以看出，在烟叶成熟过程中茎叶夹角、叶披垂角和曲率呈现出逐渐增加的趋势，而 弯曲位置则逐渐由叶尖向叶基移动。由图2-A可知，随着烟叶成熟度的提高，茎叶夹角不断增加。T1与T2之间的茎叶夹角差异不明显，而T2、T3、T4、T5之间的差异均达到了显著水平（P＜0.05）。同时，叶披垂角随着烟叶采收成熟度的提高，也表现出增加的趋势（图2-B），除T3与T4外，其余不同成熟度处理间叶披垂角的差异达到了显著水平（P＜0.05），这说明叶片的下垂程度随着采收成熟度的提高而逐渐加大。弯曲位置的变化最为明显（图2-C），随着烟叶的叶片成熟度的不断提高，弯曲位置逐渐由叶尖向叶基过渡，每次采收间的差异均达到了显著水平（P＜0.05）。由图2-D可知，叶片曲率随着采收成熟度的提高，也逐渐呈现出逐渐增加的趋势，T3、T4、T5之间的差异均达到了显著水平（P＜0.05），这表明叶片弯曲程度随着采收时间的延迟而逐渐加深。通过上述分析可知，随着叶片的逐渐成熟，叶片的姿态发生了显著的改变。

图2 鲜烟叶成熟过程中叶片姿态的变化

2.2 鲜烟叶成熟过程中叶长、叶宽、叶宽位置和长宽比的变化

叶长、叶宽和叶宽位置随采收时间的变化情况如图3所示。烟叶的叶长整体上呈现出逐渐增加的趋势。在前中期（T1、T2、T3）叶长显著增加（P＜0.05），到中后期（T3~T5）叶长增幅放缓。叶宽随着采收时间的延迟，前期（T1~T3）叶宽增长显著（P＜0.05），中后期（T3~T5）尽管叶宽有所增加，但每个处理之间的增加均未达到显著水平。叶宽位置的变化与叶长变化较为相似，在前中期（T1~T3）增加相对明显，而中后期（T3~T5）增加稍有缓慢。伴随着叶长、叶宽的增加，长宽比也在发生着改变。可以看出由于前期叶宽增长相对较快，因此长宽比在前中期（T1~T3）下降较为迅速，中后期（T3~T5）叶宽增长速度相对快，因此，长宽比在中后期呈现出上升的趋势，但这种趋势未达到显著水平。可见随着采收时间的延后，烟叶的叶长、叶宽逐渐增加，开片程度有所改善，叶片的生长发育使得主脉负担增加；同时叶宽位置逐渐靠近叶尖，使得靠近叶尖部叶脉的负担增加。

图3 鲜烟叶成熟过程中叶长、叶宽、叶宽位置和长宽比的变化

2.3 鲜烟叶成熟过程中叶鲜重、叶干重和重心位置的变化

图4展示了不同采收时期烟叶的鲜干重和重心位置的变化。由此可知，随着采收成熟度的提升，叶片的鲜重和干重都呈现上升的趋势。T1~T3之间的叶片鲜重增加显著（P＜0.05），T3~T5之间的叶片干重增加相对缓慢。叶干重的变化也与之相似，前中期（P＜0.05）增加显著，后期增加较为缓慢。而重心位置随着采收时间的延迟，表现出由叶基部向叶尖移动的趋势。可见随着采收时间的延后，叶片干物质积累逐渐丰富，叶片鲜重逐渐增加导致了主脉负担的增加；同时叶宽位置逐渐上移动，中后期叶片长宽比的增加，导致了重心向上移动，靠近叶尖部主脉承担的压力更大。

图4 鲜烟叶成熟过程中叶片鲜、干重和重心位置的变化

2.4 鲜烟叶成熟过程中主脉含水率、果胶酶和纤维素酶活性的变化

鲜烟叶在成熟过程中，主脉含水率总体呈现出下降的趋势（图5-A），且在T3~T4之间主脉含水率的差异达到了显著水平（P＜0.05）。水分的下降导致主脉难以保持直挺的姿态，使得叶片表现出下垂弯曲的特征。由图5-B可知，果胶酶活性随采收时间的延迟呈现出单峰变化的趋势。T1~T3之间果胶酶的活性显著增加（P＜0.05），而后又有所下降。由图5C可知，前中期（T1~T3）纤维素酶的活性变化不明显，在T4~T5之间纤维素酶的活性有一个显著的提升（P＜0.05）。主脉内纤维素酶和果胶酶活性的上升，分解了主脉细胞中起支撑和保护作用的细胞壁，进一步导致主脉支持能力下降，是叶片姿态弯曲的又一个原因。

图5 鲜烟叶成熟过程中主脉含水率、纤维素酶和果胶酶活性的变化

2.5 鲜烟叶成熟过程中叶片姿态变化的相关性分析

由表1可知，叶长、叶宽、叶宽位置、叶鲜重、叶干重、重心位置、主脉含水率和纤维酶活性与叶片姿态的4个指标的相关关系达到了极显著水平（P＜0.01）。与茎叶夹角相关性较大的变量分别为主脉含水率（-0.811）、叶长（0.707）和叶干重（0.705）；与叶披垂角相关性较大的变量分别为主脉含水率（-0.835）、纤维素酶活性（0.796）、叶干重（0.764）、叶长（0.788）、和叶宽位置（0.720）；与弯曲位置相关性较大的变量为叶长（-0.827）、叶干重（-0.814）、主脉含水率（0.809）、叶宽（-0.785）、叶宽位置（-0.771）、纤维素酶活性（-0.763）和重心位置（-0.743）；与曲率相关性较大的变量为叶长（0.897）、纤维素酶活性（0.838）、叶宽位置（0.831）、主脉含水率（0.804）和叶干重（0.709）。总体上看，叶长、叶干重、叶宽位置、主脉含水率、纤维素酶活性与叶片姿态的相关性较强。

2.6 鲜烟叶成熟过程中叶片姿态变化的回归分析

分别以鲜烟叶成熟过程中的茎叶夹角（Y1）、叶披垂角（Y2）、弯曲位置（Y3）和曲率（Y4）作为因变量，以叶长（X1）、叶宽（X2）、叶宽位置（X3）、长宽比（X4）、叶鲜重（X5）、叶干重（X6）、重心位置（X7）、主脉含水率（X8）、果胶酶活性（X9）和纤维素酶活性（X10）作为自变量，使用逐步回归的方法建立了相应的回归方程。具体见公式（2）~公式（5）。

由上述分析可知，茎叶夹角与主脉含水率和纤维素酶活性的回归方程拟合度较好；叶披垂角与叶宽位置、重心位置、纤维素酶活性的回归方程拟合度较好；弯曲位置与叶长和叶干重的回归方程拟合度较好；曲率与叶长和叶鲜重的拟合程度较好。回归分析的结果表明：叶长、叶宽位置、重心位置、叶鲜重、叶干重和纤维素酶活性的改变，对鲜烟叶成熟过程中叶片姿态的变化有极大的贡献。

3 讨论

烟叶的成熟过程伴随着一系列外在特征的改变，参考外观特征采收对准确把握采收成熟度具有重要意义［8］。本研究结果表明，在烟叶成熟过程中伴随着叶片姿态的明显改变，除茎叶夹角增大外，还表现出叶披垂角增加、弯曲位置由叶基部移动、曲率增加的趋势，这表明叶片在成熟过程中叶片下垂程度不断增加，叶片逐渐由相对直挺向逐渐弯曲过渡。这与前人的研究有相似之处［9］。相关分析表明：茎叶夹角、叶披垂角、弯曲位置和曲率均与成熟度存在极显著的相关关系（P＜0.01），这表明可以利用叶片姿态初步判断鲜烟叶的成熟度。

叶片姿态取决于叶片的重力作用和主脉的支持能力，一定程度上反映了叶片的生长发育情况。叶片的重量来自烟叶在田间通过光合作用的积累，又反映在开片情况和内含物质积累上。在本研究中，随着采收时间的延迟，烟叶的叶长、叶宽逐渐增加、长宽比逐渐减少、叶宽位置逐渐向叶基移动，表明烟叶的开片情况随采收的延迟有所改善。此外，叶片的鲜重和干重随着采收成熟度的增加而有所增加。这与前人的研究结果有相似之处［10-11］。叶片开片情况的改善和鲜干重的提升意味着主脉负担的加重，同时叶长的增加、叶宽位置的上移在一定程度上改变了整个叶片的重力分布，使得整个叶片的重心上移，靠近叶尖部位的叶脉承受了更多的重量，这可能是导致弯曲位置不断向叶基移动，造成叶披垂角逐渐增加，叶片弯曲曲率增加的原因。相关分析和回归分析的结果也表明：叶长、叶宽位置、重心位置、叶鲜重、叶干重与茎叶夹角、叶披垂角、弯曲位置、曲率等叶片姿态指标关系密切。

主脉为整个叶片提供机械支撑作用，是叶片能够保持正常姿态的关键所在［12］。主脉保持其固有姿态要依赖于细胞的膨压，只有当细胞中含有足够的水分，保持一定的紧张度，才能使主脉挺立，否则表现出萎蔫弯曲［13］。在本研究中，随着采收时间的延迟，主脉含水率呈现出下降的趋势，这可能是导致叶片姿态改变的原因之一。另一方面，由果胶和纤维素组成的机械结构是保持主脉姿态的又一关键因素［14］。张映璜等［15-16］研究指出，叶片衰老过程中纤维素酶和果胶酶的活性增加，会分解离区中起支撑作用的纤维素和果胶，是叶片弯曲乃至脱落的重要原因。本研究结果表明：随着采收时间的延迟，叶片主脉的果胶酶和纤维素酶的活性均有提高，且纤维素酶活性与茎叶夹角、叶披垂角、弯曲位置、曲率等叶片姿态指标呈现出极显著的相关关系（P＜0.01）。较高活性的果胶酶和纤维素酶会加速离区的延伸和主脉支持结构的瓦解，从而造成了叶片姿态的外观改变。这与周杰［17］的研究结果相类似。以上结果表明，叶片姿态一定程度上反映了烟叶的生长发育情况，可以作为一种判断鲜烟叶成熟度的指标。

4 结论

随着成熟度的提高，烤烟上部叶表现出茎叶夹角增大、叶披垂角增加、弯曲位置由叶基部移动、曲率增加的趋势，叶片姿态逐渐由直挺趋向于弯曲。相关分析表明：叶长、叶宽、叶宽位置、叶鲜重、叶干重、重心、主脉含水率和纤维酶活性与叶片姿态的4个指标的相关关系均达到了极显著水平（P＜0.01）；烤烟上部叶采收成熟度与叶片姿态密切相关，因此，叶片姿态可以作为一种判断鲜烟叶成熟度的指标。