不同保水劑對雪茄煙葉生長發育過程中礦質元素動態變化的影響

李欣燕， 張明月， 王方玲，2， 姜慧娟， 王俊， 鐘秋*， 趙銘欽*

（1.河南農業大學煙草學院，國家煙草栽培生理生化研究基地，鄭州 450002；2.湖北省煙草公司十堰市公司竹山縣煙草專賣局，湖北 十堰 442200；3.河南中煙工業有限責任公司，鄭州 450016；4.四川省煙草公司德陽市公司，四川 德陽 618000）

礦質元素不僅對煙草生長發育過程有促進作用，而且對調制后煙葉的外觀質量和內在質量有重要影響[1-2]。在水分脅迫條件下，煙株會發生非正常的生理生化反應，影響煙株的正常發育，降低產量和品質[3]。水分是煙草生長的基礎，只有土壤水分適宜，植株才能健康生長發育[4]。隨著科技的進步，化學制品在農業生產中應用日趨廣泛，保水劑的研發利用對于緩解干旱地區旱情、促進植物生長發育具有重要意義。

保水劑又稱高吸水劑、保濕劑或超強吸水樹脂，是一種高分子吸水材料，能迅速吸收比自身重數百倍甚至上千倍的純水，且能反復吸水，有較強的持水能力，還可改善土壤理化性質，具有顯著的水土保持效益[5]。吸水后的水凝膠可緩慢釋放水分供作物吸收利用，是化學節水技術中重要的化學制劑，目前，已被廣泛應用于農業、園藝、食品生產等方面[6]。高吸水性樹脂（super absorbent polymer, SAP）是一種具有超強吸水能力的保水劑[7-8]，它可增加旱作耕地的土壤含水率，使農田干旱得到有效緩解，提高作物水分利用效率，增加產量[9-10]。沃特保水劑是一種高分子功能材料，具有很強的保水性，而且反復吸收和釋放水分5 次后，產品的吸水能力仍大于其初始吸水能力的85%，抗鹽耐堿性能強[11-14]。在干旱地區，保水劑相當于小型土壤水庫，具有保水、持水和涵養水源的作用[15]，既能減弱干旱對煙草生長的不利影響，還能減少養分的淋溶損失，提高養分利用率，促進煙草生長[16]。同時，保水劑還能使土壤水分保持在近表層，降低水分向深層土壤的入滲[17-19]，減少土壤水分滲漏和蒸發[20]，有利于煙苗移栽成活與健康生長。

近年來，保水劑的研究與應用成為熱點。農業生產中有關保水劑的應用主要集中在抗旱保肥和作物的提質增效上。研究表明，地膜覆蓋和保水劑配合使用有利于增加葉片中礦質元素含量，提高蘋果果實品質[21]；單獨施用保水劑可顯著提高葡萄果實內礦質元素含量，改良果實品質[22]；在傳統灌溉模式下施用保水劑能提高裸燕麥產量，合理配施有利于改良裸燕麥品質[23]。但保水劑對煙葉生長發育過程中礦質元素影響的研究鮮有報道。因此，本研究分析了干旱脅迫下不同保水劑處理對雪茄煙葉生長發育過程中礦質元素動態變化的影響，旨在為保水劑在雪茄煙葉生產中的大面積推廣應用提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試雪茄煙品種為‘德雪3號’，由四川省煙草公司德陽市公司提供。試驗于2020—2021年在河南農業大學許昌校區現代煙草農業科教園區防雨棚內進行。試驗用盆為塑料盆，盆口直徑為38 cm，盆底直徑為35 cm，盆高30 cm，每盆裝土25 kg。供試土壤取自科教園區內大田耕層土，質地為黃褐壤土，有機質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 7.52。

試驗采用自制保水劑、SAP保水劑和沃特保水劑3 種保水劑，其中，自制保水劑為煙稈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，主要成分為煙稈纖維素和聚丙烯酸的復合水凝膠，特點是生產原料來源廣泛、價格低廉、吸水性較好，且添加了生物質材料；SAP保水劑為高吸水樹脂，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鹽酸，系高吸水樹脂，是一種含有強親水基團的高分子材料；沃特保水劑購自勝利油田長安控股集團有限公司，該保水劑采用丙烯酸或丙烯酰胺與凹凸棒土雜化合成，是一種高分子功能材料，能吸收自重500～1000倍純水。

1.2 TS-PAA保水劑的制備

煙草莖稈（tobacco stalk，TS）磨碎后過120 目篩，將莖稈粉末置于10% NaOH溶液中加熱至95 ℃持續2 h，倒掉上清液，將下層混合物用含NaClO和H2O2（3∶4）的漂白液漂白后用蒸餾水洗至中性，抽濾后烘干，過120 目篩，得到煙稈處理物（TS）備用。再分別配制中和度為80%的丙烯酸鉀溶液（potassium acrylate，AA）、0.02 g·ml-1的N、N亞甲基雙丙烯酰胺（N,N’-Metliylenebisacrylamide，MBA）、2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮（2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophe-none，BDK）和過硫酸銨溶液（ammonium persulfate，APS）。按照質量分數AA∶MBA∶BDK∶APS：TS＝100.00∶0.07∶1.13∶0.30∶30.00的比例，在燒杯中混合均勻后于預熱好的紫外燈（波長365 nm）下輻射反應180 s。將合成的聚合物在乙醇中浸泡12 h，取出水凝膠于烘箱中65 ℃烘干至恒重，粉碎過60 目篩，得到自制保水劑TS-PAA。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，在設置3 種保水劑的基礎上，每種保水劑的施用量均分別設置為2、4、6 g·株-1，以不施用保水劑作為對照（CK），共計10個處理，詳見表1。每個處理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，按照N∶P2O2∶K2O為1∶1∶5，每盆施用復合肥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，并于移栽當天每盆定量澆足3000 mL定根水，移栽后在保持煙株正常生長狀態下，適度干旱脅迫使土壤含水量維持在50%～60%，保持每盆含水量基本一致，其余操作依據田間優質煙栽培管理進行。

表1 不同保水劑種類與用量試驗設計Table 1 Experimental design and treatment of different water retaining agent dosages

1.4 測定項目與方法

煙葉樣品采集與測定。在煙苗移栽后30、45、60和75 d時，每個處理選長勢一致的煙株3 株，整株取樣，再選取中部煙葉樣品于105 ℃下殺青10 min，之后在60 ℃烘干。然后將烘干的葉組織粉碎過60 目篩，混合均勻，用于礦質元素測定。煙葉中N含量采用全自動流動分析儀法測定；煙葉中P、K、Ca、Mg、B、Cu、Fe、Mn、Zn采用硝酸雙氧水消解法處理后，使用ICP分析儀測定。

1.5 數據分析

采用SPSS 26.0、Excel 2016和OriginPro 9.0軟件對測定結果進行統計分析和圖表制作。

2 結果與分析

2.1 不同保水劑處理對煙葉生長發育過程中大量元素消長規律的影響

2.1.1 不同保水劑處理對雪茄煙葉總N含量的影響 由圖1可知，隨著煙株的生長發育，葉片中總N含量呈先增加后降低的趨勢。移栽后30 d，T1、T3、T4、T7、T8、T9處理葉片中總N含量均顯著高于CK，其中，T4處理葉片總N含量最高，達5.07%，較對照增加26.43%。移栽后45 d，T2和T7處理葉片中總N含量顯著高于CK，均為5.05%，較對照增加4.55%。移栽后60 d，除T8、T9處理外，各處理葉片中總N含量均顯著低于CK，其中，T4處理葉片總N含量最低，為2.30%，較對照顯著降低42.93%。移栽后75 d，各處理葉片中總N含量均顯著低于CK，其中，T2處理葉片總N含量最低，僅1.71%，較對照顯著降低56.81%。綜上所述，施用TS-PAA保水劑可有效提高雪茄煙生長前期N代謝強度，削弱后期N代謝強度，有利于前期N素積累、后期適時落黃。

圖1 不同處理下雪茄煙中部葉片的總N含量Fig. 1 N contents in the middle leaf of cigar under different treatments

2.1.2 不同保水劑處理對雪茄煙葉P含量的影

響 由圖2表明，隨著煙株的生長發育，葉片中P含量呈先上升后緩慢下降的趨勢。移栽后30 d，僅T3處理葉片中P含量顯著高于CK，較對照增加32.34%；其余處理與CK差異不顯著。移栽后45 d，僅T1和T6處理葉片中P含量顯著高于T3處理；其余處理間均差異不顯著。移栽后60 d，各處理及對照間差異均未達到顯著水平。移栽后75 d，僅T4、T5處理葉片中P含量略高于CK，但差異不顯著；T1、T2處理葉片P含量顯著低于CK。由此表明，施加TS-PAA和沃特保水劑不利于雪茄煙葉對P元素的吸收，而SAP保水劑則對P元素吸收具有一定促進作用。

圖2 不同處理下雪茄煙中部葉的P含量Fig. 2 P contents in the middle leaf of cigar under different treatments

2.1.3 不同保水劑處理對雪茄煙葉生長發育過程中K含量的影響 從圖3可知，隨著雪茄煙的生長發育，葉片K含量均呈先升后降的趨勢。移栽后30 d，除T8外，各處理葉片中K含量均顯著高于CK，其中，T5處理葉片K含量最高，達5.34%，較CK增加14.09%。移栽后45 d，T7、T8處理葉片中K含量均為5.75%，較CK顯著增加11.88%；其余處理與CK差異不顯著。移栽后60 d，T7、T8、T9處理葉片中K含量顯著高于CK，其中，T8處理葉片中K含量最高，為5.17%，較CK增加25.18%。移栽后75 d，T2處理葉片K含量顯著高于CK；其余處理與CK差異不顯著。由此表明，施用保水劑對雪茄煙提K增質具有促進意義，其中，以增施TS-PAA保水劑在4 g·株-1用量時效果較好。

圖3 不同處理下雪茄煙中部葉的K含量Fig. 3 K contents in middle leaves of cigar under different treatments

2.2 不同保水劑處理對煙葉生長發育過程中中量元素消長規律的影響

2.2.1 不同保水劑處理對雪茄煙葉中Ca含量的影響 由圖4可知，隨著雪茄煙的生長發育，葉片Ca含量呈下降趨勢。移栽后30 d，除T2處理外，其余處理葉片Ca含量均顯著高于CK，其中，T7處理葉片Ca含量最高，為4.76%，較CK增加26.93%。移栽后45 d，除T1、T5處理外，其余處理葉片Ca含量均顯著低于CK，以T6處理最低，為2.78%，較CK降低20.80%。移栽后60 d，T7、T8、T9處理葉片Ca含量顯著高于CK，而T1、T3、T5處理葉片Ca含量顯著低于CK。移栽后75 d，各處理葉片Ca含量均顯著低于CK，以T1處理最低，較CK降低27.58%。綜合來看，3 種保水劑均能降低成熟期煙葉Ca含量，其中，以施用TS-PAA保水劑效果最為顯著。

圖4 不同處理下雪茄煙中部葉的Ca含量Fig. 4 Ca contents in middle leaves of cigar under different treatments

2.2.2 不同保水劑處理對雪茄煙葉中Mg含量的影響 由圖5可知， 在雪茄煙葉生長過程中，T1、T2、T4、T6、T7及CK處理葉片Mg含量均呈現下降趨勢；T3、T5、T9處理表現出先下降后略微增加的趨勢，在栽后60 d時最低；T8處理則表現出先增加后下降的趨勢，在栽后45 d時Mg含量較高。移栽后30 d，T1、T3、T4、T9處理葉片Mg含量均顯著高于CK；T8處理顯著低于CK。移栽后45 d，T1、T5、T9處理葉片Mg含量顯著高于T3和T6處理，其余處理間差異不顯著。移栽后60 d，T9處理葉片Mg含量顯著高于CK；而T1和T3處理葉片Mg含量顯著低于CK。移栽后75 d，T9處理葉片Mg含量顯著高于CK；T1處理葉片Mg含量顯著低于CK。

圖5 不同處理下雪茄煙中部葉的Mg含量Fig. 5 Mg contents in middle leaves of cigar under different treatments

2.3 不同處理對雪茄煙葉生長發育過程中微量元素消長規律的影響

2.3.1 不同保水劑處理對雪茄煙葉中Fe含量的

影響 圖6表明，在雪茄煙生長過程中，煙葉中Fe含量整體表現出“V”型變化趨勢，在栽后60 d時較低。移栽后30 d，T1、T3、T4、T7和T9處理葉片Fe含量均顯著高于CK，其中，T9處理最高，顯著高于其余處理。移栽后45 d，除T6處理外，其余保水劑處理葉片Fe含量顯著高于CK處理。移栽后60 d，T2、T4和T9處理葉片Fe含量于CK差異不顯著；其余處理顯著低于CK。移栽后75 d，T1和T3處理葉片Fe含量與CK差異不顯著；其余處理葉片Fe含量顯著高于CK，其中，T8處理最高，顯著高于其余處理。

圖6 不同處理下雪茄煙中部葉的Fe含量Fig. 6 Fe contents in middle leaves of cigar under different treatments

2.3.2 不同保水劑處理對雪茄煙葉中Mn含量的影響 由圖7可知，在雪茄煙葉生長過程中，煙葉中Mn含量呈先升后降的趨勢。移栽后30 d， T7、T8、T9處理葉片Mn含量顯著高于CK，以T9處理最高，為55.45%，較CK增加48.58%。移栽后45 d，T1、T2、T7處理葉片Mn含量顯著高于CK；T3、T4、T6處理葉片中Mn含量顯著低于CK。移栽后60 d，T2、T4、T8、T9處理葉片Mn含量顯著高于CK，以T2處理最高，為81.19 mg·g-1，較CK顯著增加18.66%；而T1、T3、T5、T6處理顯著低于CK，以T3處理最低，為55.96 mg·g-1，較CK顯著降低18.23%。移栽75 d，T8、T9處理葉片Mn含量顯著高于CK，以T8最高，為76.14 mg·g-1，較CK顯著增加43.42%； T3處理顯著低于CK；其余處理間差異不顯著。

圖7 不同處理下雪茄煙中部葉的Mn含量Fig. 7 Mn contents in middle leaves of cigar under different treatments

2.3.3 不同保水劑處理對雪茄煙葉中Cu含量的影響 由圖8可知，在雪茄煙葉生長過程中，煙葉中Cu含量呈先升高后降低的趨勢，在栽后60 d時較高。移栽后30 d，T1和T9處理葉片Cu含量顯著高于T7和T8處理；其余處理及CK間差異均不顯著。移栽后45 d，T1、T2、T7處理葉片Cu含量顯著高于CK，以T2處理最高（43.97 mg·kg-1），較CK顯著增加36.60%；T5、T8處理葉片Cu含量顯著低于CK，其中，T8處理最低，為29.89 mg·kg-1，較CK顯著降低7.15%。移栽后60 d，T3、T4、T9處理葉片Cu含量均顯著高于CK。移栽后75 d，T2、T9處理葉片Cu含量顯著高于CK；T3處理顯著低于CK。

圖8 不同處理下雪茄煙中部葉的Cu含量Fig. 8 Cu contents in middle leaves of cigar under different treatments

2.3.4 不同保水劑處理對雪茄煙葉Zn含量的影響 由圖9可知，在移栽后30、45和60 d，煙葉中Zn含量變化較小。移栽后30 d，T3和T9處理葉片Zn含量與CK差異不顯著；其余處理葉片Zn含量均顯著低于CK。移栽后45 d，除T3和T6處理外，其余處理葉片Zn含量均顯著低于CK。移栽后60 d，僅T5處理葉片Zn含量顯著低于CK，其余處理間差異不顯著。移栽后75 d，T2、T6、T9處理顯著高于對照，分別為CK的2.74、2.87和2.45倍；T1處理葉片中Zn含量顯著低于CK，較CK降低29.58%；其他處理煙葉中Zn含量差異未達到顯著水平。

圖9 不同處理下雪茄煙中部葉的Zn含量Fig. 9 Zn contents in middle leaves of cigar under different treatments

2.3.5 不同保水劑處理雪茄煙葉中B含量的影響 由圖10可知，隨著煙株的生長發育，葉片B含量呈緩慢上升趨勢。移栽后30 d，T7和T9處理葉片B含量顯著低于CK；其余處理與CK差異不顯著。移栽后45 d，T2處理葉片B含量顯著高于CK；T9處理顯著低于CK；其余處理間差異不顯著。移栽后60 d，T1和T3處理葉片B含量顯著低于CK；其余處理與對照差異不顯著。移栽后75 d，T3、T4和T9處理葉片B含量顯著高于CK，其中，T4處理最高，為31.46 mg·kg-1，較CK顯著增加23.08%；T1處理葉片B含量顯著低于CK，為23.13 mg·kg-1，較CK顯著降低9.51%。由此表明，適宜用量的保水劑對提高煙葉中B含量有促進作用。

圖10 不同處理下雪茄煙中部葉的B含量Fig. 10 B contents in middle leaves of cigar under different treatments

2.4 不同處理雪茄煙葉中礦質元素含量的相關分析

相關分析結果（表2）表明，N與K、Ca、Mg之間、P與Mn、Cu之間、K與Ca、Mg之間、Ca與Mg之間、Mn與Cu、B之間均呈極顯著正相關；而N與B之間、P與Ca之間、K和B之間、Ca與Mn、Cu、B之間、Mg與Cu、B之間呈極顯著負相關；Mg與Mn之間呈顯著負相關；Fe與Zn之間、Zn和B之間呈顯著正相關。綜上所述，礦質元素間存在一定的協同效應或拮抗作用，如N、K、Ca、Mg元素間存在增效作用，而B與N、K、Ca、Mg之間，Cu、Mn和Ca、Mg間均存在一定的拮抗作用。

表2 煙葉中礦質元素含量的相關分析Table 2 Correlation analysis of mineral element contents in tobacco leaves

3 討論

干旱脅迫是影響煙草生長發育的關鍵因素，我國每年因干旱造成的農業減產和煙葉損失巨大，因此，探索高效旱作栽培模式，集成推廣旱作栽培技術既必要又迫切。保水劑作為一種新型抗旱材料已在農林生產中得到廣泛應用，當環境土壤水分較低時，保水劑通過緩慢釋放水分以滿足植物生長發育的需求；同時，在改善土壤理化性狀、減少肥料淋溶等方面具有積極作用[22-23,26-27]。保水劑在煙草生產中對植煙土壤含水率[28]、土壤結構[29]、土壤pH[30]和土壤養分[31]產生影響，同時對煙苗移栽成活、養分高效利用和煙葉優質豐產具有促進意義[32]。

煙草生長需要從土壤中吸收礦質元素來滿足營養需要，進而維持正常的生命活動[24]。煙葉中各種礦質元素的累積以及在不同時期的動態變化與煙草生物量關系密切[33-34]。盡管大、中、微量元素含量在煙株中存在差異，但對煙葉生長發育和品質有重要作用。本研究結果表明，在干旱脅迫下施用保水劑使煙株在旺長期生長速度較快。植株各個器官的發育需要消耗大量營養，N含量會快速積累，生長后期成熟落黃需要的N素較少，進入成熟期植株N含量迅速下降，因此，N素的供應時期和方式對優質豐產具有重要意義[35]。本研究發現，施用保水劑能顯著增強煙株生長發育前期N代謝能力，減緩中后期的N代謝能力，有助于N代謝適時向C代謝過渡和煙葉適時落黃，由此表明，施用保水劑可以通過改善土壤水分的分布和供應狀況，達到增強煙株根系活力、改良煙葉的營養抗性，與王方玲等[36]和張薺文等[37]的研究結果相一致。

P素是合成蛋白質、磷脂和糖類的重要元素，對加速煙株生長發育、提高煙株抗逆能力起重要作用[24]。本研究發現，施用TS-PAA和沃特兩種保水劑能促進前中期煙葉中P含量的積累，使N、P含量整體保持在較高水平，而在生長后期煙葉中P含量則有所降低，且低于對照，究其原因可能是由于干旱脅迫下，土壤中細小顆粒會隨著保水劑吸水次數的增多及吸水膨脹進入保水劑內部，引起保水劑內部組織空腔收縮。K素主要分布于代謝活躍的器官和組織中，是細胞重要的滲透基質，參與氣孔的開閉過程，影響煙草對水分的吸收利用[25]。本研究表明，在干旱脅迫下施用保水劑，煙葉中K含量在移栽后45 d時達到累積高峰，說明雪茄煙在移栽后30～45 d時對K的需求較大；在栽后75 d時，煙葉中K含量均高于對照，表明施加保水劑能有效提高煙葉中K含量，從而增強煙株的抗旱性，提升煙葉的燃燒性和香吃味質量，與杜甫等[38]的研究結果相一致。

Ca以離子形式存在于細胞質或液泡中，是眾多酶的輔助因子，也是細胞壁的重要組分之一[25]。本研究表明，隨著植株的生長發育，煙葉中Ca含量整體上呈降低趨勢，說明干旱脅迫下施用保水劑抑制了煙葉中Ca的累積，避免了因Ca含量高而導致煙葉葉片過厚、粗糙，品質變差。Mg是葉綠素的組成成分，缺Mg會導致植株發育不良，造成減產減質，但Mg含量過高則會使根的發育受阻[4]。本研究發現，Mg含量在植株生長過程中處于下降趨勢，說明生長前期煙株對Mg的吸收積累能力較強，隨著植株進入成熟衰老階段，根系活力減退，對Mg的吸收逐漸減少。

Fe、Mn、Cu、Zn、B是煙草生長所必需的微量元素，直接或間接參與煙株體內物質的合成、運輸、轉移和代謝等重要生命活動[24]。研究表明，如果葉綠素中減少2/3的Mn含量，會導致葉綠體放氧功能的消失；Fe、Cu、Zn、B含量的高低在一定程度上也會影響植株的光合作用[25]。本研究表明，干旱脅迫下施用保水劑能夠顯著促進植株對微量元素的吸收、轉化與累積，可能是保水劑通過以水促肥的形式提高了植株對礦質元素的吸收，增強了煙葉的光合能力。進一步分析礦質元素間的關系表明，N、K、Mg之間存在協同增效機制；而B與N、K、Ca、Mg之間，Cu、Mn和Ca、Mg間均存在一定的拮抗效應。本研究表明，不同種類保水劑對雪茄煙礦質元素吸收、累積與轉化的效應存在差異。對于TS-PAA（自制）和SAP保水劑而言，當使用濃度過高時，會引起礦質元素之間的協同效應變差，與王方玲等[36]和楊永輝等[39]的研究結果一致。

綜上所述，不同保水劑的作用效果盡管存在差異，但都會影響植株對礦質元素的吸收、累積與轉化，且施用量不同會產生一定的促進或抑制作用。因此，生產中要根據降雨、煙田旱情、保水劑特性來決定其施用量。本研究表明，自制TS-PAA保水劑和SAP商用保水劑在用量為4 g·株-1時、沃特保水劑用量為6 g·株-1時可顯著促進煙葉中礦質元素的吸收積累，提升煙葉中微量元素含量。由此可見，施用保水劑對緩解煙葉生長旱情、促進煙株水分有效供應、均衡協調煙株礦質元素吸收積累方面具有顯著效果，因此，深入研究保水劑對雪茄煙葉中礦質元素的積累與分布規律對于發展煙草節水農業、促進煙葉對礦質元素的吸收、提高煙葉產質量具有重要意義。