烤煙上部葉成熟過程中葉片姿態(tài)變化及其原因分析

牛 浩，江厚龍，周中宇，李靜超，孫占偉，王廷賢，楊占偉，白金瑩*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.重慶市煙草公司，重慶 400023；3.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450016；4.福建省煙草公司 南平市公司，福建 南平 353000）

成熟度是影響煙葉品質(zhì)的重要因素，也是烤煙分級標(biāo)準(zhǔn)中的首選品質(zhì)因素［1］。由于在生產(chǎn)實踐中對煙葉的成熟度把握不準(zhǔn)，存在青煙采烤現(xiàn)象，造成了烤后煙葉化學(xué)成分不協(xié)調(diào)、感官質(zhì)量差等問題，從而導(dǎo)致煙葉內(nèi)在品質(zhì)未得到充分彰顯［2-3］。如何準(zhǔn)確把握煙葉的采收成熟度，是當(dāng)前煙葉生產(chǎn)中亟待解決的問題。煙葉成熟過程中所表現(xiàn)出來的外觀特征變化對于指導(dǎo)煙葉采收有很重要的實踐作用。眾多學(xué)者圍繞鮮煙葉成熟度的外觀特征開展了廣泛的研究。王懷珠等［4］認(rèn)為可以定量地用莖葉夾角的大小來反映煙葉的成熟度。葉為民等［5］的研究指出，隨著煙葉成熟度的提高， 出現(xiàn)葉片的葉色變黃、主支脈變白、莖葉夾角增大等特征，可以用主支脈的變白程度和葉色變化作為判斷成熟度的重要依據(jù)。劉輝等［6］研究認(rèn)為云煙87上部葉葉面達(dá)到80%黃綠色、主脈變白2/3時是最佳成熟度。陳頤等［7］認(rèn)為K326中部葉達(dá)到葉片落黃80%、主脈變白60%、莖葉夾角70°、絨毛脫落50%左右時，是最佳的采收時間。而對煙葉成熟過程中葉片姿態(tài)的改變關(guān)注較少，仍然停留在葉尖下垂、莖葉夾角增大等方面，不能很好地作為判斷成熟度的指標(biāo)。

基于此，筆者研究了煙葉成熟過程中葉片姿態(tài)的改變，分析了與葉片姿態(tài)緊密相關(guān)生理生化指標(biāo)的變化，探索葉片姿態(tài)改變的原因，探討了葉片姿態(tài)作為煙葉成熟度判別指標(biāo)的可行性，旨在為生產(chǎn)實踐中指導(dǎo)煙葉的成熟采收提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2020年在重慶市豐都縣太平壩鄉(xiāng)中壩村（108°9′31″E，29°44′43″N）進(jìn)行，當(dāng)?shù)赝寥婪柿鶆蜻m中，土壤pH值7.53。供試品種為云煙116，按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行田間管理；采收上部葉（15~17葉）作為試驗材料。參考當(dāng)?shù)貙嶋H情況進(jìn)行采收，設(shè)置5個不同的成熟度處理。具體處理為：正常采烤前10 d（T1），打頂后40 d；正常采烤前5 d，打頂后45 d（T2）；正常采烤當(dāng)天，打頂后50 d（T3）；正常采烤后5 d，打頂后55 d（T4）；正常采烤后10 d，打頂后60 d（T5）。各處理采收時的煙葉外觀特征如表1所示。采收前在田間選擇長相一致且具有代表性的煙株拍照用于測定莖葉夾角、葉披垂角、彎曲位置和曲率。采收后，測定其葉長、葉寬、葉寬位置、重心位置、主脈含水率。接著立刻切下主脈基部用液氮冷凍，送實驗室測定煙葉果膠酶和纖維素酶的活性。

表1 葉片姿態(tài)的相關(guān)分析

1.2 測定項目與方法

1.2.1 葉片姿態(tài)指標(biāo) 葉片姿態(tài)指標(biāo)包括莖葉夾角、葉片下垂位置、葉披垂角、曲率（圖1）。使用Photoshop CC 2018進(jìn)行圖像處理以測定葉片姿態(tài)指標(biāo)。其中莖葉夾角用莖稈與葉片基部的夾角表示；葉基至最高點的距離用葉基到最高點的實際距離與葉長的比值表示；葉披垂角用葉基與葉尖的連線與莖稈的夾角表示；彎曲位置用葉片最高點至葉基部的距離與全葉葉長的比值表示；葉片曲率使用Photoshop CC 2018對采集的煙葉圖像進(jìn)行描點標(biāo)記并記錄坐標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)化后使用MatlabR 2016 a軟件進(jìn)行曲線擬合；擬合獲得的曲線的R2值均達(dá)到了0.95以上且通過統(tǒng)計學(xué)檢驗（P＜0.05）。隨后參考公式（1）計算擬合曲線最高點時的曲率作為葉片的曲率。

圖1 葉片姿態(tài)指標(biāo)示意圖

式（1）中，K表示該點的曲率，描述了曲線偏離直線的程度，y′表示擬合曲線的一階導(dǎo)函數(shù)，y″表示擬合曲線的二階導(dǎo)函數(shù)。

1.2.2 葉長、葉寬、葉寬位置的測定 使用卷尺測量主脈基部到葉尖的直線長度記為葉長；測量葉片中部最寬處的寬度記為葉寬；測量葉寬在主脈上的位置到主脈基部的距離，葉寬位置用該距離與葉長的比值表示。長寬比=葉長/葉寬，其比值越小說明開片程度越大。

1.2.3 主脈含水率的測定 采用烘箱法測定主脈含水率。將主脈分離后稱量記錄鮮重。隨后放入恒溫干燥箱中殺青烘干，再次稱量干重。主脈含水率=（葉鮮重-葉干重）/葉鮮重×100%。

1.2.4 重心位置的測定 采用懸掛法測定煙葉的重心位置。在煙葉邊緣任選一點懸掛，隨后用帶鉛錘的短線作過該點的垂線。另選煙葉邊緣任意一點懸掛，再次使用帶鉛錘的短線作過該點的垂線。兩垂線的交點即為煙葉的重心。預(yù)試驗結(jié)果表明：煙葉的重心位置位于主脈上，因此，以主脈基部到重心的距離與葉長的比值來表示重心位置。

1.2.5 主脈果膠酶和纖維素活性的測定 果膠酶能水解果膠生成半乳糖苷，半乳糖苷是一種還原糖，能與DNS試劑反應(yīng)并在波長540 nm處有特征吸收峰的紅色物質(zhì)；纖維素酶能催化纖維素降解產(chǎn)生還原糖，也能與DNS試劑反應(yīng)在波長540 nm處有特征吸收峰的紅色物質(zhì)。本試驗的果膠酶和纖維素酶活性采用索萊寶（Solarbio）公司生產(chǎn)的果膠酶和纖維素酶活性檢測試劑測定。果膠酶活性和纖維素酶活性單位均以△OD540/（min·g）表示。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，利用Origin 2021軟件作圖，使用SPSS 20軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鮮煙葉成熟過程中葉片姿態(tài)的變化

從圖1可以看出，在煙葉成熟過程中莖葉夾角、葉披垂角和曲率呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，而 彎曲位置則逐漸由葉尖向葉基移動。由圖2-A可知，隨著煙葉成熟度的提高，莖葉夾角不斷增加。T1與T2之間的莖葉夾角差異不明顯，而T2、T3、T4、T5之間的差異均達(dá)到了顯著水平（P＜0.05）。同時，葉披垂角隨著煙葉采收成熟度的提高，也表現(xiàn)出增加的趨勢（圖2-B），除T3與T4外，其余不同成熟度處理間葉披垂角的差異達(dá)到了顯著水平（P＜0.05），這說明葉片的下垂程度隨著采收成熟度的提高而逐漸加大。彎曲位置的變化最為明顯（圖2-C），隨著煙葉的葉片成熟度的不斷提高，彎曲位置逐漸由葉尖向葉基過渡，每次采收間的差異均達(dá)到了顯著水平（P＜0.05）。由圖2-D可知，葉片曲率隨著采收成熟度的提高，也逐漸呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，T3、T4、T5之間的差異均達(dá)到了顯著水平（P＜0.05），這表明葉片彎曲程度隨著采收時間的延遲而逐漸加深。通過上述分析可知，隨著葉片的逐漸成熟，葉片的姿態(tài)發(fā)生了顯著的改變。

圖2 鮮煙葉成熟過程中葉片姿態(tài)的變化

2.2 鮮煙葉成熟過程中葉長、葉寬、葉寬位置和長寬比的變化

葉長、葉寬和葉寬位置隨采收時間的變化情況如圖3所示。煙葉的葉長整體上呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。在前中期（T1、T2、T3）葉長顯著增加（P＜0.05），到中后期（T3~T5）葉長增幅放緩。葉寬隨著采收時間的延遲，前期（T1~T3）葉寬增長顯著（P＜0.05），中后期（T3~T5）盡管葉寬有所增加，但每個處理之間的增加均未達(dá)到顯著水平。葉寬位置的變化與葉長變化較為相似，在前中期（T1~T3）增加相對明顯，而中后期（T3~T5）增加稍有緩慢。伴隨著葉長、葉寬的增加，長寬比也在發(fā)生著改變?？梢钥闯鲇捎谇捌谌~寬增長相對較快，因此長寬比在前中期（T1~T3）下降較為迅速，中后期（T3~T5）葉寬增長速度相對快，因此，長寬比在中后期呈現(xiàn)出上升的趨勢，但這種趨勢未達(dá)到顯著水平?？梢婋S著采收時間的延后，煙葉的葉長、葉寬逐漸增加，開片程度有所改善，葉片的生長發(fā)育使得主脈負(fù)擔(dān)增加；同時葉寬位置逐漸靠近葉尖，使得靠近葉尖部葉脈的負(fù)擔(dān)增加。

圖3 鮮煙葉成熟過程中葉長、葉寬、葉寬位置和長寬比的變化

2.3 鮮煙葉成熟過程中葉鮮重、葉干重和重心位置的變化

圖4展示了不同采收時期煙葉的鮮干重和重心位置的變化。由此可知，隨著采收成熟度的提升，葉片的鮮重和干重都呈現(xiàn)上升的趨勢。T1~T3之間的葉片鮮重增加顯著（P＜0.05），T3~T5之間的葉片干重增加相對緩慢。葉干重的變化也與之相似，前中期（P＜0.05）增加顯著，后期增加較為緩慢。而重心位置隨著采收時間的延遲，表現(xiàn)出由葉基部向葉尖移動的趨勢?？梢婋S著采收時間的延后，葉片干物質(zhì)積累逐漸豐富，葉片鮮重逐漸增加導(dǎo)致了主脈負(fù)擔(dān)的增加；同時葉寬位置逐漸上移動，中后期葉片長寬比的增加，導(dǎo)致了重心向上移動，靠近葉尖部主脈承擔(dān)的壓力更大。

圖4 鮮煙葉成熟過程中葉片鮮、干重和重心位置的變化

2.4 鮮煙葉成熟過程中主脈含水率、果膠酶和纖維素酶活性的變化

鮮煙葉在成熟過程中，主脈含水率總體呈現(xiàn)出下降的趨勢（圖5-A），且在T3~T4之間主脈含水率的差異達(dá)到了顯著水平（P＜0.05）。水分的下降導(dǎo)致主脈難以保持直挺的姿態(tài)，使得葉片表現(xiàn)出下垂彎曲的特征。由圖5-B可知，果膠酶活性隨采收時間的延遲呈現(xiàn)出單峰變化的趨勢。T1~T3之間果膠酶的活性顯著增加（P＜0.05），而后又有所下降。由圖5C可知，前中期（T1~T3）纖維素酶的活性變化不明顯，在T4~T5之間纖維素酶的活性有一個顯著的提升（P＜0.05）。主脈內(nèi)纖維素酶和果膠酶活性的上升，分解了主脈細(xì)胞中起支撐和保護(hù)作用的細(xì)胞壁，進(jìn)一步導(dǎo)致主脈支持能力下降，是葉片姿態(tài)彎曲的又一個原因。

圖5 鮮煙葉成熟過程中主脈含水率、纖維素酶和果膠酶活性的變化

2.5 鮮煙葉成熟過程中葉片姿態(tài)變化的相關(guān)性分析

由表1可知，葉長、葉寬、葉寬位置、葉鮮重、葉干重、重心位置、主脈含水率和纖維酶活性與葉片姿態(tài)的4個指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系達(dá)到了極顯著水平（P＜0.01）。與莖葉夾角相關(guān)性較大的變量分別為主脈含水率（-0.811）、葉長（0.707）和葉干重（0.705）；與葉披垂角相關(guān)性較大的變量分別為主脈含水率（-0.835）、纖維素酶活性（0.796）、葉干重（0.764）、葉長（0.788）、和葉寬位置（0.720）；與彎曲位置相關(guān)性較大的變量為葉長（-0.827）、葉干重（-0.814）、主脈含水率（0.809）、葉寬（-0.785）、葉寬位置（-0.771）、纖維素酶活性（-0.763）和重心位置（-0.743）；與曲率相關(guān)性較大的變量為葉長（0.897）、纖維素酶活性（0.838）、葉寬位置（0.831）、主脈含水率（0.804）和葉干重（0.709）。總體上看，葉長、葉干重、葉寬位置、主脈含水率、纖維素酶活性與葉片姿態(tài)的相關(guān)性較強。

2.6 鮮煙葉成熟過程中葉片姿態(tài)變化的回歸分析

分別以鮮煙葉成熟過程中的莖葉夾角（Y1）、葉披垂角（Y2）、彎曲位置（Y3）和曲率（Y4）作為因變量，以葉長（X1）、葉寬（X2）、葉寬位置（X3）、長寬比（X4）、葉鮮重（X5）、葉干重（X6）、重心位置（X7）、主脈含水率（X8）、果膠酶活性（X9）和纖維素酶活性（X10）作為自變量，使用逐步回歸的方法建立了相應(yīng)的回歸方程。具體見公式（2）~公式（5）。

由上述分析可知，莖葉夾角與主脈含水率和纖維素酶活性的回歸方程擬合度較好；葉披垂角與葉寬位置、重心位置、纖維素酶活性的回歸方程擬合度較好；彎曲位置與葉長和葉干重的回歸方程擬合度較好；曲率與葉長和葉鮮重的擬合程度較好?；貧w分析的結(jié)果表明：葉長、葉寬位置、重心位置、葉鮮重、葉干重和纖維素酶活性的改變，對鮮煙葉成熟過程中葉片姿態(tài)的變化有極大的貢獻(xiàn)。

3 討論

煙葉的成熟過程伴隨著一系列外在特征的改變，參考外觀特征采收對準(zhǔn)確把握采收成熟度具有重要意義［8］。本研究結(jié)果表明，在煙葉成熟過程中伴隨著葉片姿態(tài)的明顯改變，除莖葉夾角增大外，還表現(xiàn)出葉披垂角增加、彎曲位置由葉基部移動、曲率增加的趨勢，這表明葉片在成熟過程中葉片下垂程度不斷增加，葉片逐漸由相對直挺向逐漸彎曲過渡。這與前人的研究有相似之處［9］。相關(guān)分析表明：莖葉夾角、葉披垂角、彎曲位置和曲率均與成熟度存在極顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），這表明可以利用葉片姿態(tài)初步判斷鮮煙葉的成熟度。

葉片姿態(tài)取決于葉片的重力作用和主脈的支持能力，一定程度上反映了葉片的生長發(fā)育情況。葉片的重量來自煙葉在田間通過光合作用的積累，又反映在開片情況和內(nèi)含物質(zhì)積累上。在本研究中，隨著采收時間的延遲，煙葉的葉長、葉寬逐漸增加、長寬比逐漸減少、葉寬位置逐漸向葉基移動，表明煙葉的開片情況隨采收的延遲有所改善。此外，葉片的鮮重和干重隨著采收成熟度的增加而有所增加。這與前人的研究結(jié)果有相似之處［10-11］。葉片開片情況的改善和鮮干重的提升意味著主脈負(fù)擔(dān)的加重，同時葉長的增加、葉寬位置的上移在一定程度上改變了整個葉片的重力分布，使得整個葉片的重心上移，靠近葉尖部位的葉脈承受了更多的重量，這可能是導(dǎo)致彎曲位置不斷向葉基移動，造成葉披垂角逐漸增加，葉片彎曲曲率增加的原因。相關(guān)分析和回歸分析的結(jié)果也表明：葉長、葉寬位置、重心位置、葉鮮重、葉干重與莖葉夾角、葉披垂角、彎曲位置、曲率等葉片姿態(tài)指標(biāo)關(guān)系密切。

主脈為整個葉片提供機械支撐作用，是葉片能夠保持正常姿態(tài)的關(guān)鍵所在［12］。主脈保持其固有姿態(tài)要依賴于細(xì)胞的膨壓，只有當(dāng)細(xì)胞中含有足夠的水分，保持一定的緊張度，才能使主脈挺立，否則表現(xiàn)出萎蔫彎曲［13］。在本研究中，隨著采收時間的延遲，主脈含水率呈現(xiàn)出下降的趨勢，這可能是導(dǎo)致葉片姿態(tài)改變的原因之一。另一方面，由果膠和纖維素組成的機械結(jié)構(gòu)是保持主脈姿態(tài)的又一關(guān)鍵因素［14］。張映璜等［15-16］研究指出，葉片衰老過程中纖維素酶和果膠酶的活性增加，會分解離區(qū)中起支撐作用的纖維素和果膠，是葉片彎曲乃至脫落的重要原因。本研究結(jié)果表明：隨著采收時間的延遲，葉片主脈的果膠酶和纖維素酶的活性均有提高，且纖維素酶活性與莖葉夾角、葉披垂角、彎曲位置、曲率等葉片姿態(tài)指標(biāo)呈現(xiàn)出極顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。較高活性的果膠酶和纖維素酶會加速離區(qū)的延伸和主脈支持結(jié)構(gòu)的瓦解，從而造成了葉片姿態(tài)的外觀改變。這與周杰［17］的研究結(jié)果相類似。以上結(jié)果表明，葉片姿態(tài)一定程度上反映了煙葉的生長發(fā)育情況，可以作為一種判斷鮮煙葉成熟度的指標(biāo)。

4 結(jié)論

隨著成熟度的提高，烤煙上部葉表現(xiàn)出莖葉夾角增大、葉披垂角增加、彎曲位置由葉基部移動、曲率增加的趨勢，葉片姿態(tài)逐漸由直挺趨向于彎曲。相關(guān)分析表明：葉長、葉寬、葉寬位置、葉鮮重、葉干重、重心、主脈含水率和纖維酶活性與葉片姿態(tài)的4個指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系均達(dá)到了極顯著水平（P＜0.01）；烤煙上部葉采收成熟度與葉片姿態(tài)密切相關(guān)，因此，葉片姿態(tài)可以作為一種判斷鮮煙葉成熟度的指標(biāo)。