干旱脅迫下保水劑對雪茄煙葉碳氮代謝和中性香氣物質(zhì)含量的影響

李欣燕，王方玲，2，張明月，邵志暉，王 俊，陽葦麗，趙銘欽，*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學 煙草學院，河南 鄭州450002；2.湖北省十堰市煙草公司 竹山煙葉分公司，湖北 竹山442200；3.四川省煙草公司 德陽市公司，四川 德陽618400；4.四川省煙草公司 達州市公司，四川 達州635000)

雪茄煙因具有獨特的香氣特征和醇厚豐滿的香吃味，逐漸被眾多煙草消費者所接受[1]。隨著近年來國內(nèi)雪茄煙銷量的快速增長，優(yōu)質(zhì)雪茄煙葉原料匱乏的局面日益凸顯[2]。我國優(yōu)質(zhì)雪茄煙產(chǎn)區(qū)主要分布在海南儋州、白沙、東方、五指山，四川什邡、萬源和湖北來鳳等地，生長前期降水不足甚至干旱問題已成為當前優(yōu)質(zhì)雪茄煙生產(chǎn)的主要限制因素之一[3]。水分脅迫會抑制煙株的生長發(fā)育，改變其生理生化過程，嚴重缺水時會導致煙株死亡，直接影響煙葉產(chǎn)質(zhì)量的形成[4-6]。

近年來，保水劑在農(nóng)業(yè)領域的廣泛應用，為解決因干旱問題導致的作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降提供了一種解決途徑[7]。保水劑因其特殊的物理結(jié)構和化學特征，可迅速吸收數(shù)倍于自重的水分，吸水后形成的水凝膠可緩慢釋放水分供植物利用，提高植物的抗旱能力，促進作物生長發(fā)育[8-9]。高吸水樹脂(super absorbent polymer，SAP)是一種具有三維網(wǎng)狀結(jié)構的高分子聚合物[10]，吸水后膨脹至凝膠狀，缺水時可緩慢釋放水分，供作物利用，水分利用率可達其吸水量的80%～90%[11]；同時能提高土壤微生物活性，改良土壤結(jié)構，進而促進作物生長、增加產(chǎn)量并改善品質(zhì)[12]。沃特保水劑是一種高分子功能材料，能吸收自重數(shù)倍的純水[13]，反復吸收和釋放水分5次后，產(chǎn)品吸水能力仍保持在初始吸水能力的85%以上，具有良好的保水性能，且抗鹽耐堿性能強[14]。已有研究表明，合理施加保水劑能有效改善植煙土壤結(jié)構，提高煙株抗旱能力，增強抗病性，并為煙株提供穩(wěn)定的水分和養(yǎng)分，促進煙株生長發(fā)育，提高煙葉產(chǎn)質(zhì)量[15-17]。張薺文[18]研究發(fā)現(xiàn)，施用保水劑可提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率，但保水劑施用過量則會降低玉米產(chǎn)量；程云霞等[19]、張艷等[20]研究表明，施用適量保水劑有利于促進辣椒植株的生長，葉片游離脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量增加，果實中維生素C、可溶性糖和可溶性蛋白含量升高。王方玲等[21]研究發(fā)現(xiàn)，施用保水劑可顯著影響雪茄煙生理特性和抗氧化酶活性，并顯著提高煙株干旱脅迫耐受性；程云霞等[22]研究表明，栽培基質(zhì)中加入保水劑能顯著提高辣椒葉片的光合特性。但迄今為止，關于保水劑對雪茄煙生長發(fā)育過程中碳氮代謝和品質(zhì)影響的研究尚未見報道。本研究以德雪3號為試材，在防雨大棚中采用盆栽試驗，研究保水劑種類和用量對雪茄煙葉碳氮代謝和中性香氣物質(zhì)含量的影響，旨在為雪茄煙葉旱作栽培提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

供試雪茄煙品種為德雪3號。

1.2 方法

試驗于2020—2021年在河南農(nóng)業(yè)大學許昌校區(qū)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)科教園區(qū)防雨棚內(nèi)進行。采用塑料盆進行盆栽試驗，盆高30 cm，盆口直徑38 cm，盆底直徑35 cm，每盆裝土25 kg。土壤取自科教園區(qū)內(nèi)大田耕層土，質(zhì)地為黃褐壤土，有機質(zhì)19.02 g·kg-1，堿解氮74.10 mg·kg-1，速效磷8.60 mg·kg-1，速效鉀113.50 mg·kg-1，pH值7.52。試驗采用3種保水劑，保水劑A為煙梗纖維素基聚丙烯酸復合水凝膠(TS-PAA)，該保水劑由本實驗室自制，其主要成分為煙梗纖維素和聚丙烯酸的復合水凝膠，具體制作過程參照文獻[21]。保水劑B為高吸水樹脂(SAP)，購自重慶紫光化工股份有限公司，該保水劑主要是淀粉接枝丙烯氰和丙稀酸鹽，系高吸水樹脂，是一種含有強親水基團的高分子材料。保水劑C為沃特保水劑，購自勝利油田長安控股集團有限公司，該保水劑主要由丙烯酰胺和丙烯酸鉀合成，是一種高分子功能材料，能吸收自重500～1 000倍純水。

試驗采用隨機區(qū)組設計，共設置10個處理(表1)。每個處理重復20盆，每盆1株，共計200盆。所有處理均采用煙草專用復合肥和硫酸鉀，每盆施用復合肥(煙草專用復合肥的養(yǎng)分含量為49%，N、P2O5和K2O含量分別為7%、7%和35%)0.5 g，硫酸鉀1 g。移栽前將土壤、保水劑、肥料混合均勻后裝盆，并于移栽后當天每盆定量澆足3 000 mL定根水，移栽前期(30 d以內(nèi))在保持煙株正常生長狀態(tài)下，適度干旱脅迫使土壤含水量維持在50%～60%。通過便攜式土壤水分測定儀定期(每隔3 d檢測1次)進行監(jiān)控，確保土壤含水率不低于50%的干旱臨界值。

表1 不同保水劑試驗處理

1.3 測定項目與方法

分別于煙苗移栽后30、45、60、75 d，每個處理取長勢一致的煙株3株，將煙株整株取樣，取各處理中部煙葉樣品于105 ℃殺青10 min，然后60 ℃烘干。將烘干的葉組織粉碎過孔徑為0.25 mm的網(wǎng)篩，混合均勻，用于化學成分測定。采用流動分析法[23]測定總糖、還原糖、淀粉、總氮、煙堿含量。

采用水蒸氣蒸餾-二氯甲烷溶劑萃取法提取香氣物質(zhì)，之后利用美國HP5890-5972氣質(zhì)聯(lián)用儀對煙樣香氣成分進行定性定量測定[24]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 26.0軟件進行相關分析，用Excel 2019軟件進行數(shù)據(jù)處理，用LSD法進行差異顯著性分析(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保水劑處理對雪茄煙葉生長過程中氮代謝的影響

2.1.1 總氮含量

由圖1可知，除T4處理外，葉片中總氮含量隨時間的推移總體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。移栽30 d，T1、T3、T4、T7、T8、T9處理葉片中總氮含量均高于CK，其中T4處理最高，達5.07%，較CK增加1.06百分點；移栽45 d，T2、T7處理葉片中總氮含量顯著高于CK，達5.05%，比CK增加0.22百分點；移栽后60 d，除T8和T9處理外，各處理葉片中總氮含量均顯著低于CK，以T4處理最低，為2.30%，比CK低1.73百分點；移栽75 d，各處理總氮含量均顯著低于CK，以T2處理最低，為1.71%，較CK降低2.25百分點。

柱上無相同小寫字母表示相同時間不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.1.2 煙堿含量

由圖2可以看出，雪茄煙葉中煙堿含量在生長過程中基本趨于穩(wěn)定。在移栽30 d，除T9處理外，其他處理的雪茄煙葉煙堿含量均顯著低于CK，以T5處理最低，為0.78%，較CK降低0.19百分點。移栽45 d，除T4、T8、T9處理外，各處理的煙堿含量均顯著低于CK。移栽60 d，以T4處理葉片中煙堿含量最低，為0.58%，較CK降低0.50百分點。移栽75 d，除T6處理略低于CK、但差異不顯著外，各處理雪茄煙葉中煙堿含量均顯著低于CK，以T1處理最低，為0.84%，較CK降幅為32.26%。說明施加保水劑均能有效抑制雪茄煙葉中煙堿含量的過度積累，其中以增施TS-PAA保水劑作用效果最為顯著。

圖2 不同保水劑對雪茄煙葉生長過程中煙堿含量的影響

2.1.3 葉氮堿比(總氮/煙堿)

由圖3可知，氮堿比隨生育期的推進整體呈先增加后降低的變化趨勢。移栽30 d，除T9處理外，其他處理煙葉氮堿比均顯著高于CK，以T4處理最高，達6.45，較CK增幅為55.60%。移栽45 d，T2、T3、T5、T6、T7處理煙葉氮堿比顯著高于CK，其中T7處理達7.39，較CK增幅為42.94%。移栽60～75 d，葉片氮堿比顯著下降，在移栽75 d時，除T1、T7、T8、T9處理與CK無顯著差異外，其他處理的氮堿比均顯著低于CK，以T2處理最低，為2.00，與CK相比降幅為37.30%。

圖3 不同保水劑對雪茄煙葉生長過程中氮堿比(總氮/煙堿)的影響

2.2 不同保水劑處理對雪茄煙葉生長發(fā)育過程中碳代謝的影響

2.2.1 淀粉含量

由圖4可知，雪茄煙葉中淀粉含量隨生育期的推進呈現(xiàn)先略微下降后迅速升高的變化趨勢。在栽后45 d以前，葉片中淀粉含量較低，各處理均低于10.00%。移栽60～75 d，葉片中淀粉含量顯著升高，除T9處理外，其余處理均顯著高于CK；移栽60 d時，T4處理煙葉中淀粉含量最高，為37.04%，為CK的5.25倍；移栽75 d時，T2處理煙葉中淀粉含量最高，為36.02%，為CK的4.27倍。說明施加3種保水劑均能顯著提高煙葉中淀粉含量。

圖4 不同保水劑對雪茄煙葉生長過程中淀粉含量的影響

2.2.2 總糖含量

圖5顯示，隨著生育期的推進，雪茄煙葉中總糖含量整體呈不斷升高的趨勢。移栽30 d，T2、T5、T6、T7處理煙葉總糖含量顯著高于CK，以T2處理最高，達6.47%，較CK增加3.36百分點。移栽45 d，T1、T3處理的總糖含量顯著高于CK，以T3處理最高，達9.07%，較CK增加4.55百分點；T2、T9處理的總糖含量顯著低于CK，T2處理最低，為2.17%，較CK降低2.35百分點。移栽60 d，T2、T3、T4、T6、T7處理葉片的總糖含量顯著高于CK，以T4處理最高，為9.51%，較CK增加2.70百分點。移栽75 d，T5、T8處理總糖含量與CK差異不顯著，其余處理均顯著高于CK，以T2處理最高，為12.04%，較CK增加5.37百分點。說明施加保水劑能顯著提高煙葉中總糖含量。

圖5 不同保水劑對雪茄煙葉生長過程中總糖含量的影響

2.2.3 還原糖含量

由圖6可知，葉片中還原糖含量隨生育期的推進整體呈不斷升高的趨勢。移栽30 d，除T3、T4處理外，其余處理還原糖含量均顯著高于CK，以T2處理最高，達5.19%，是CK的2.62倍。移栽45 d，T1、T3處理還原糖含量顯著高于CK，以T3處理最高，達8.59%，是CK的2.13倍。移栽60 d，T2、T3、T4、T6、T7處理還原糖含量顯著高于CK，以T2、T4處理最高，均為8.70%，是CK的1.34倍。移栽75 d，各處理煙葉中還原糖含量均顯著高于CK，以T2處理最高，為10.88%，為CK的1.80倍。綜合來看，施加3種保水劑均能有效提高葉片中還原糖含量，以T2處理效果最為顯著。

圖6 不同保水劑對雪茄煙葉生長過程中還原糖含量的影響

2.2.4 兩糖比(還原糖/總糖)

由圖7可知，移栽30 d，除T3、T4處理外，各處理的兩糖比均顯著高于CK，以T2最高，為0.80，與CK相比增幅為25.00%；移栽45 d，T1、T3、T6、T9處理煙葉中兩糖比均顯著高于CK，其他處理與CK差異不顯著；移栽60 d，除T1、T3、T5、T7處理煙葉中兩糖比顯著低于CK外，其他處理與CK無明顯差異，其中T9處理煙葉中兩糖比最高，達0.99，T5處理最低，為0.87；移栽75 d，除T2、T3處理的兩糖比與CK不存在顯著差異外，其他處理均顯著高于CK，其中T8處理最高，達0.98。表明不同種類和用量的保水劑對煙葉碳水化合物的兩糖平衡有重要影響。

圖7 不同保水劑對雪茄煙葉生長過程中兩糖比(還原糖/總糖)的影響

2.3 不同保水劑處理對雪茄煙葉碳氮平衡的影響

由圖8可知，隨著雪茄煙生育期的推進，糖堿比(總糖/煙堿)整體呈先上升后下降的變化趨勢。移栽30 d，除T3、T4、T9處理外，各處理煙葉中糖堿比均顯著高于CK，T2處理最高，為7.37，是CK的2.30倍；移栽45 d，T1、T3、T4、T5、T7處理糖堿比均顯著高于CK，T3處理最高，T2、T9處理均顯著低于CK，T2處理最低，為2.79，與CK相比降幅為42.36%。移栽75 d，各處理煙葉糖堿比均顯著高于CK，T2處理最高，為14.10，是CK的2.62倍。說明施加3種保水劑均能有效提高煙葉的糖堿比，有利于碳氮代謝平衡。

圖8 不同保水劑對雪茄煙葉生長過程中糖堿比(總糖/煙堿)的影響

2.4 不同保水劑處理對雪茄煙葉中性香氣物質(zhì)含量的影響

表2結(jié)果顯示：使用保水劑處理后的煙葉中苯丙氨酸降解產(chǎn)物含量均高于CK，沃特、TS-PAA保水劑處理的苯丙氨酸降解產(chǎn)物含量較高，SAP保水劑次之；棕色化反應產(chǎn)物中增加的物質(zhì)種類以糠醛含量最高，糠醇次之，其他產(chǎn)物含量較低，不同處理棕色化反應產(chǎn)物總量表現(xiàn)為TS-PAA保水劑>沃特保水劑>SAP保水劑，尤以T2處理含量最高；茄酮含量最高的為T8處理，T2處理次之，其他處理相對較低；類胡蘿卜素降解產(chǎn)物在所有處理中的總量均高于CK，其中以TS-PAA保水劑作用效果最好，沃特保水劑次之，SAP保水劑含量相對較低；新植二烯以T2、T9、T8處理的含量較高，其他處理相對較低；在其他香氣物質(zhì)種類中，芳樟醇含量最高，藏花醛含量最低，且經(jīng)不同保水劑處理后其含量均高于CK，其中T2、T6、T9處理含量較高。綜合分析，定量檢測出的31種香氣物質(zhì)中，不同保水劑處理雪茄煙葉中性致香成分總量明顯不同，總體表現(xiàn)為TS-PAA保水劑>沃特保水劑>SAP保水劑，TS-PAA、沃特保水劑處理以4 g·株-1，SAP保水劑處理以6 g·株-1時，最有利于雪茄煙葉香氣物質(zhì)成分積累和含量的增加。

3 討論

3.1 不同保水劑處理對雪茄煙葉碳氮平衡的影響

煙草氮代謝包括根系從外界土壤吸收硝態(tài)氮，再經(jīng)硝酸還原酶還原后合成、轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)和煙堿等一系列含氮化合物的過程[25-27]。氮素是烤煙生長發(fā)育的重要營養(yǎng)元素之一，是葉綠素、蛋白質(zhì)等合成的必要元素[28]。氮堿比是總氮與煙堿的比值，是煙草質(zhì)量評價的主要指標之一，其比值越低煙葉顏色越深，香味越濃[29]。本研究結(jié)果表明，施用保水劑能抑制雪茄煙生長發(fā)育前期(45 d以前)氮素營養(yǎng)向煙堿的分解與轉(zhuǎn)化，促進后期(60 d以后)氮素營養(yǎng)向煙堿的轉(zhuǎn)化與積累。移栽75 d，各處理煙葉煙堿含量均顯著低于CK，表明施加保水劑能有效減弱生長后期煙堿含量的積累，防止因煙堿含量過高導致煙葉刺激性大。

煙株體內(nèi)碳代謝包括無機碳的光合固定和碳水化合物的積累、降解等過程[30]。隨著生長發(fā)育期的推進，在栽后45～60 d，各處理淀粉含量迅速增加，在60～75 d，各處理葉片中淀粉含量趨于穩(wěn)定且顯著高于CK，說明施用不同保水劑能顯著提升雪茄煙生長發(fā)育后期葉片光合作用和淀粉積累能力，其中以TS-PAA、SAP兩種保水劑效果最為明顯。葉片中總糖含量整體呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，栽后75 d各處理葉片中總糖和還原糖含量均高于CK，說明施用保水劑能增加雪茄煙葉中總糖和還原糖含量的積累，促進煙株生長發(fā)育，增強葉片光合能力，加速碳代謝產(chǎn)物形成和積累，以TS-PAA保水劑作用效果最佳。兩糖比是指葉片中還原糖與總糖的比值，其值越高說明多糖降解得越充分，煙葉調(diào)制后香氣物質(zhì)就越多[31]。本試驗中，栽后30 d，各處理間兩糖比差異較大，除T3和T4處理外，其余處理均高于CK，其中T2處理最高，達0.8，增幅為25.00%。移栽45 d以后，各處理間兩糖比差異不顯著且均處在0.9左右。由此說明，保水劑對雪茄煙生長發(fā)育前期碳代謝影響較大，后期影響較小，表明保水劑有利于激活前期多糖降解酶的活性，加速總糖物質(zhì)向還原糖轉(zhuǎn)化。

已有研究結(jié)果表明，煙葉碳氮代謝強度、協(xié)調(diào)性和動態(tài)變化模式都對煙葉化學成分含量與品質(zhì)形成具有重要影響[27]。因此，雪茄煙生長發(fā)育前期較強的氮素積累能力有助于煙株形態(tài)建成和抗性增強，進入旺長期以后，隨著光合作用的增強，氮代謝適時向碳代謝過渡，有利于煙葉香氣物質(zhì)的形成和干物質(zhì)的積累。本研究表明，施用3種保水劑均能顯著增強煙株生長發(fā)育前期氮代謝能力，減緩中后期氮代謝能力，且使中后期煙株碳代謝能力得以提升，有助于氮代謝適時向碳代謝過渡和煙葉適時落黃，這主要與保水劑保水保肥的特性有關，即保水劑能夠在煙株根系周圍形成蓄水庫，協(xié)同水肥有效供應并促進根系發(fā)育和地上部分生長，使煙株保持較旺盛的生理代謝。保水劑的施用可以改善土壤水分的分布和供應狀況，增強煙株根系活力和抗氧化酶活性，這一結(jié)果與王方玲等[21]和張薺文[18]的研究結(jié)果相一致。糖堿比是指還原糖與煙堿的比值，可以反映煙葉的酸堿平衡關系[32]。本文通過糖堿比表征不同保水劑對雪茄煙葉碳氮代謝平衡的影響，在雪茄煙葉生長前期(栽后45 d之前)有效促進氮代謝，中期(栽后45～60 d)有利于碳氮代謝平衡，后期(移栽60 d以后)增強碳代謝，這一結(jié)果對雪茄煙葉形態(tài)建成和優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)具有積極意義。

3.2 不同保水劑對雪茄煙葉香氣物質(zhì)積累的影響

香氣在一定程度上決定了雪茄煙葉的吸食品質(zhì)，香味則對煙草品質(zhì)的優(yōu)劣有重要影響[33]。煙草中香氣物質(zhì)成分復雜，有些物質(zhì)含量雖低，但對香吃味卻有很大貢獻[34]。本研究表明，使用保水劑的煙葉中苯丙氨酸降解產(chǎn)物含量均高于CK，且以沃特、TS-PAA保水劑處理含量較高，說明沃特和TS-PAA保水劑比SAP保水劑更有利于煙葉產(chǎn)生苯丙氨酸類香氣物質(zhì)。苯丙氨酸的代謝產(chǎn)物如苯甲醇、苯甲醇是煙草中最豐富的香味成分[35]，其含量增加對香氣質(zhì)量提升有積極意義。施用3種保水劑均有利于棕色化反應產(chǎn)物含量的增加，產(chǎn)物總量表現(xiàn)為TS-PAA保水劑>沃特保水劑>SAP保水劑，以T2處理最高，且增加的物質(zhì)種類以糠醛含量最高，糠醇次之，其他產(chǎn)物含量較低。茄酮是西柏烷類降解產(chǎn)物重要的香味組分，它的反應產(chǎn)物大都具有香味[36]，茄酮含量最高的為T8處理，T2次之，其他處理相對較低。類胡蘿卜素降解產(chǎn)物是重要的中性香氣物質(zhì)組分[36]，其中，巨豆三烯酮能增加煙葉的花香和木香特征，β-大馬酮具有玫瑰特征香氣[35]，二氫獼猴桃內(nèi)酯能起到消除刺激性的作用。各處理煙葉中類胡蘿卜素降解產(chǎn)物總量均高于CK，3種保水劑以TS-PAA保水劑作用效果最好，沃特保水劑次之，SAP保水劑相對較低。新植二烯是葉綠素的降解產(chǎn)物，也是中性香氣物質(zhì)中含量最多的香氣成分，它具有改善煙葉吃味、醇和煙氣、降低刺激性的作用[34]。沃特保水劑以T8、T9處理，TS-PAA保水劑以T2處理的新植二稀含量較高，產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可能與保水劑自身材料組成、粒徑大小、吸水保水性能有關。其他5種降解產(chǎn)物以芳樟醇含量最高、藏花醛含量最低。不同保水劑處理條件下，煙葉中其他降解產(chǎn)物總量均高于CK。

綜合來看，合理使用保水劑對提高雪茄煙葉中性致香成分含量有顯著作用，其中以TS-PAA保水劑作用效果最為顯著，沃特保水劑次之，SAP保水劑相對較差。本試驗中，施加保水劑能顯著提高煙葉中類胡蘿卜素類、棕色化產(chǎn)物、苯丙氨酸類、西柏烷類和新植二烯的含量，與劉玲玲[37]、趙銘欽等[38]的研究結(jié)果一致。這一結(jié)果說明保水劑具有提高水肥利用率[39-40]的功效，不僅能為煙株提供充足的水分，使其保持旺盛的生理代謝能力，還能促進葉片中香氣前體物質(zhì)積累和香氣成分轉(zhuǎn)化。TS-PAA保水劑和SAP保水劑在高用量(6 g·株-1)時對香氣物質(zhì)形成的作用效果反而變差，這可能與保水劑結(jié)構富含親水基團有關，過量使用還會使植煙土壤的固、液、氣三相比例失調(diào)，嚴重時則導致土壤板結(jié)[21]。

不同保水劑的作用效果存在一定差異，生產(chǎn)中要根據(jù)降雨、煙田旱情、保水劑的特性來決定其施用量。本研究發(fā)現(xiàn)，施用保水劑具有增進雪茄煙葉發(fā)育前期氮代謝能力，消減后期氮代謝能力，強化整個生育期碳代謝能力的功效。這對提升雪茄煙葉生長前期肥料利用效率，促進煙株早發(fā)快長，中后期氮代謝向碳代謝平穩(wěn)過渡和香氣物質(zhì)的形成積累具有重要意義。綜上所述，不同保水劑相比較，TS-PAA、沃特保水劑處理以4 g·株-1(折合240 kg·hm-2)、SAP保水劑處理以6 g·株-1(折合360 kg·hm-2)時保水增質(zhì)效果最為顯著，建議在生產(chǎn)上進行大面積示范與推廣。