新型复合保水剂对半干旱区烤烟生长和生理特性的影响

夏茂林　刘云飞　张承吉　穆耀辉　殷全玉　赵豪杰　黄金辉　刘国顺　魏跃伟　姬小明

摘要：为探究新型复合保水剂对半干旱地区烤烟生产的影响，通过田间试验，以不施保水剂为对照，研究传统保水剂（聚丙烯酸盐保水剂、聚乙烯醇-丙烯酸保水剂）和新型复合保水剂（生物炭复合保水剂、腐殖酸钾复合保水剂）对烤烟生长状况、碳氮代谢关键酶活性、有机酸和常规化学成分的影响。结果表明，生物炭复合保水剂和腐殖酸钾复合保水剂相较于传统保水剂更有利于提高烟叶最大叶长和烟株根系體积，促进烤烟碳氮代谢能力，提高烟叶淀粉酶（AL ）、中性转化酶（NI ）和硝酸还原酶（NR ）活性；生物炭复合保水剂和腐殖酸钾复合保水剂显著提高烟叶非挥发性有机酸总量，其中腐殖酸钾复合保水剂增幅较大，苹果酸、柠檬酸含量较对照分别提高16.8%、29.8%和30.5%、27.9%，同时还提高了烟叶总糖、还原糖、烟碱、钾、氯含量以及糖碱比。施用新型复合保水剂更有利于促进半干旱地区烤烟生产。

关键词：新型复合保水剂；烤烟；生长发育；碳氮代谢

中图分类号： S572.01           文献标识码： A           文章编号：1007-5119（2023）01-0032-06

Effects of New Composite Water Retention Agents on Growth and  Physiological Characteristics of Flue-cured Tobacco in Semi-arid Areas

XIA Maolin1， LIU Yunfei1， ZHANG Chengji1， MU Yaohui2， YIN Quanyu1， ZHAO Haojie1， HUANG Jinhui3， LIU Guoshun1， WEI Yuewei1*， JI Xiaoming1*

（1. College of Tobacco Henan Agricultural University， Zhengzhou 450046， China;2. Shangluo tobacco Company of ShaanxiProvince， Shangluo， Shaanxi 726000， China;3. Lounan Country Tobacco Company of Shaanxi Province， Luonan， Shaanxi 726100，China）

Abstract： To investigate the effects of new composite water retention agents on the production of flue-cured tobacco in semi-arid areas， we investigated the effects of classical water retention agents （polyacrylate water retention agent and polyvinyl alcohol-acrylic acid water retention  agent） and new composite water retention  agents （biochar  composite water retention  agent  and potassium humate composite water retention agent） on growth， activities of key enzyme in carbon， nitrogen metabolism， organic acids and conventional chemical composition of flue-cured tobacco through field trials， with no water retention agent as control. The results showed that biochar composite water retention agent and potassium humate composite water retention agent were more effective than the classical water retention agents in increasing the maximum leaf length and root volume， promoting carbon and nitrogen metabolism of tobacco leaves， and increasing the activities of amylase （AL）， neutral transforming enzyme （NI） and nitrate reductase （NR） in tobacco leaves. The biochar composite water retention agent and potassium humate composite water retention agent could significantly increase the total non-volatile organic acids in tobacco leaves. The potassium humate compound water retention agent was more effective， increasing malic acid and citric acid contents by 16.8%， 29.8% and 30.5%， 27.9%， respectively， compared with the control. The treatments also increased the contents of total sugar， reducing sugar， nicotine， potassium and chloride and sugar to alkali ratio in tobacco leaves. Application of new composite water retention agents can be beneficial in promoting flue-cured tobacco production in semi-arid areas.

Keywords： new compound water-retaining agent; flue-cured tobacco; growth and development; carbon and nitrogen metabolism

陕西省商洛市地处秦巴山区腹地，该地季节性干旱明显，3—5月份降水较少，合計约156.11 mm ，且灌溉措施有限，极易导致烤烟遭受干旱胁迫，严重制约了优质烤烟的生产[1]。由于保水剂在抗旱方面表现出巨大潜力，近年来保水剂在烤烟生产中的应用备受关注，然而传统保水剂吸水保水性较差，无法满足烤烟生长的需水要求[2]，而在传统保水剂基础上制备出的复合保水剂相较于传统保水剂具有更多的亲水基团（-OH 、-COOH 、-NH2）和复杂的空间网络结构，增强了保水剂的力学性能，使其具备更优异的吸水保水性能[3-4]。

SHAON 等[5]以生物炭为材料，在丙烯酰胺保水剂的基础上制备了吸水保水性能更强的复合保水剂，其吸水能力达到37～86 mL/g，保水性增加57.20%～67.61%。程红胜等[6]以凹凸棒土和聚丙烯酰胺为材料，配以生物炭和腐殖酸钾制备了高效环保型生物炭基复合保水剂。这些研究主要集中在制备阶段，而实际应用效果研究较少，在烟草上的应用更是鲜有报道。本试验在半干旱地区通过大田试验，以传统保水剂（商用聚丙烯酸盐保水剂和聚乙烯醇-丙烯酸保水剂）和自制新型复合保水剂（生物炭复合保水剂、腐殖酸钾复合保水剂）为材料，探讨新型复合保水剂对半干旱地区烤烟生产的影响，以期为复合保水剂在烟草中的应用提供参考。

1材料与方法

1.1试验材料

试验于2021年在陕西省商洛市洛南县进行，平均气温13.00℃，年均降雨量758.97 mm ，春季（3—5月）平均降雨量为156.11 mm ，夏季（6—9月）平均降雨量为363.44 mm ，烤烟于4月中旬后开始移栽。试验地土壤类型为棕壤， pH 6.30，含有机质11.7 g/kg、全氮0.77 g/kg、速效钾171.34 mg/kg、有效磷44.70 mg/kg。供试烤烟品种为 K326。生物炭（花生壳为原料）和腐殖酸钾由河南惠农土质保育有限公司提供。传统保水剂：聚丙烯酸盐保水剂（山东唯信农业科技有限公司）、自制聚乙烯醇-丙烯酸保水剂。新型复合保水剂：自制生物炭复合保水剂、自制腐殖酸钾复合保水剂。

各类保水剂的配方如下：1）聚丙烯酸盐保水剂：为细粒状，三维立体网状结构，其中丙烯酸钾含量为23%～26%。2）聚乙烯醇-丙烯酸保水剂：在1.0 g 聚乙烯醇中加入20 mL 去离子水，95 C搅拌至完全溶解。在9 mL 丙烯酸中加入45 mL 去离子水，用5 mol/L 氢氧化钾溶液将丙烯酸溶液的 pH 调节至7.0～8.0之间。在烧杯中加入预处理好的20 mL聚乙烯醇溶液和80 mL 丙烯酸溶液，置于60 C，400 r/min 的水浴恒温磁力搅拌器中，加入引发剂过硫酸铵和交联剂 N， N′-亚甲基双丙烯酰胺，反应6 h，得聚乙烯醇-丙烯酸保水剂。3）生物炭复合保水剂：在制备聚乙烯醇-丙烯酸保水剂过程中，向烧杯中同时添加1 g 生物炭，其余保持不变，即得生物炭复合保水剂。4）腐殖酸钾复合保水剂：在制备聚乙烯醇-丙烯酸保水剂过程中，向烧杯中同时添加1 g 腐殖酸钾，其余保持不变，即得腐殖酸钾复合保水剂。

1.2试验设计

采用田间小区试验，共设5个处理，每个处理重复3次，小区面积为66.7 m2。5个处理分别为： CK ，不施保水剂； T1，3 g/株聚丙烯酸盐保水剂； T2，3 g/株聚乙烯醇-丙烯酸保水剂； T3，3 g/株生物炭复合保水剂；T4，3 g/株腐殖酸钾复合保水剂。所有保水剂试验材料均以3∶500的质量比与土壤混合，于4月15日采用穴施方式施入。按照当地优质烟叶管理方法进行管理。

1.3测定指标与方法

在烤烟移栽60 d ，采用环刀法取烟茎基部周围10～20 cm 土层样品，每小区重复3次取样，测定土壤含水率。同时各处理选取长势均匀的3株烤烟进行标记，在移栽后60、75、90 d ，测定标记烟株最大叶长、最大叶宽；各处理选取3株长势均匀的烟株，将烟株周围直径30 cm根系带土取出，洗净擦干表面水分后采用排水法测定根系体积；采用试剂盒（苏州科铭生物技术有限公司）测定每处理3棵烟株自下往上第12片叶的淀粉酶（AL）、中性转化酶（NI）、硝酸还原酶（NR）活性。使用硫酸甲酯化-气相色谱法（GC/FID ，7890A，美国 Agilent 公司）和连续流动分析法（AA3，德国布朗卢比公司）分别测定烤后烟 C3F 非挥发性有机酸含量和常规化学成分。

1.4数据处理

所有试验数据均通过 Microsoft  Office  Excel 2016和 IBM Statistics SPSS 20.0软件进行统计分析，多重比较采用 Duncan 法。

2结果

2.1保水剂对土壤含水率的影响

由图1可知，移栽后60 d 传统保水剂中聚乙烯醇-丙烯酸保水剂（T2）和2种复合保水剂（T3、 T4）均可显著提高土壤含水率，移栽后75～90 d 施用2种传统保水剂和2种复合保水剂均显著提高了土壤含水率。移栽后60～90 d 复合保水剂处理的土壤含水率均高于传统保水剂，但未达到显著水平，其中 T3处理相较传统保水剂处理的增幅为3.3%～8.0%，T4处理增幅为1.9%～7.1%。

2.2保水剂对烤烟农艺性状的影响

由表1可知，移栽后60～90 d 传统保水剂处理的烤烟最大叶长虽高于 CK 处理，但未达到显著水平，而复合保水剂均显著高于 CK 处理，其中在移栽75d 时 T3和 T4处理较 CK 的差异最为明显，分别提高了12.8%和12.1%。移栽60 d 时，复合保水剂和传统保水剂处理均显著提高了烤烟最大叶宽，但2种类型保水剂之间无显著差异，移栽90 d 时，仅有 T3处理显著高于 CK，其余处理与 CK 无显著差异。

2.3保水剂对烤烟根系体积的影响

由表2可知，移栽后60～90 d 烤烟根系体积以 T3处理最大，均显著高于 CK 和传统保水剂处理。其中在移栽后60 d 时，复合保水剂处理与传统保水剂处理差异达到最大，T3和 T4处理分别较 T1、 T2处理提高26.9%、29.8%和25.1%、28.1%。

2.4保水剂对烟叶碳氮代谢关键酶活性的影响

由图2可知，移栽后60～75 d ，复合保水剂处理烟叶的 AL 活性均显著高于 CK 和传统保水剂处理，其中 T3和 T4处理无显著差异；移栽后90 d， T3处理的 AL 活性最高，显著高于 T2处理。图3显示，移栽后60 d ，复合保水剂处理的 NI 活性均显著高于 CK 和传统保水剂处理，其中 T3和 T4处理较 T1、T2分别提高了13.8%、23.9%和10.7%、20.6%；移栽后75～90 d ， T3处理显著高于 CK 和传统保水剂处理。图4显示，移栽后60 d ，复合保水剂处理的 NR 活性均显著高于 CK 和传统保水剂处理，其中 T3和 T4处理较 T1、T2处理，分别提高了17.0%、14.1%和14.4%、11.5%；而移栽后75 d，复合保水剂处理虽显著高于 CK 处理，但与传统保水剂处理无显著差异；到90 d 时，仅有 T3处理显著高于 CK，其余处理无显著差异。

2.5保水剂对烤后烟叶非挥发性有机酸含量的影响

由表3可知，复合保水剂和传统保水剂均可显著提高烟叶非挥发有机酸总含量， T4处理的非挥发有机酸总量显著高于 T3，T3处理显著高于 T1、T2处理。苹果酸和柠檬酸是烤烟主要的非挥发性有机酸，T4处理的苹果酸含量显著高于 CK、T1、T2、T3处理，分别提高了30.5%、20.0%、21.6%、11.7%； T3、T4处理的柠檬酸含量显著高于 CK 处理，分别提高了29.8%和27.9%，而亚油酸含量以 CK 含量较高，显著高于 T1、T2处理，其余非挥发有机酸含量无显著差异。

2.6保水剂对烤后烟叶常规化学成分的影响

由表4可知，T3处理的烟碱和氯含量显著高于 CK 处理，其余处理间无显著差异；T3和 T4处理的钾含量均显著高于 CK 处理；T3和 T4处理的总糖和还原糖含量均显著高于 CK 处理，较 CK 分别提高11.7%、11.1%和10.7%、11.2%。不同保水剂处理的烟叶钾氯比无显著差异，糖碱比以 T3處理最高，显著高于 CK。

3讨论

3.1保水剂对土壤含水率及烤烟生长发育的影响

复合保水剂由于具有更加复杂的空间网络结构和大量-COOH、-OH、-NH2等亲水基团，使其具备更高的吸水倍率[4，7]。已有研究表明，以生物炭和腐殖酸钾为材料制备复合保水剂，可以使保水剂产生更丰富的孔隙结构，以及增加更多的-OH 等亲水基团，这有利于提高保水剂的吸水性能[6，8]。本研究表明自制新型复合保水剂相较于传统保水剂能更好地提高土壤含水率，与杜甫等[9]研究结果相似。在旱地施用保水剂，可增强烤烟抗旱能力和水分利用效率，有效促进烤烟生长发育[10]。本研究发现，复合保水剂均可显著提高烤烟最大叶长和根系体积，有效促进烤烟生长，与董成武等[11]研究结果相似。原因可能是复合保水剂可以更有效地提高土壤含水率，有效降低土壤容重，提高土壤总孔隙度，促进烤烟根系生长[12]。本研究结果还表明生物炭复合保水剂和腐殖酸钾复合保水剂，相较于传统保水剂更有利于促进烤烟碳氮代谢能力。其原因可能是土壤干旱会明显抑制烤烟碳氮代谢能力[13]，而复合保水剂有效提高土壤含水率，进而增强了烤烟碳氮代谢能力。同时，有研究表明，在土壤中施用生物炭和腐殖酸钾能改善土壤物理特性，提高土壤肥力，进而促进植物碳氮代谢酶活性[14]，而本试验中的复合保水剂是以生物炭、腐殖酸钾为材料所制备，在土壤中保水剂会缓慢降解[15]，使其具备了一定的提高土壤肥力作用。

3.2保水剂对烤烟非挥发有机酸和常规化学成分的影响

非挥发性有机酸可减轻烟草在吸食过程中的刺激性，在吸食高烟碱含量的烟叶时，苹果酸可增强烟气酸性，改善烟气特征[16]。本试验表明，复合保水剂尤其是腐殖酸钾复合保水剂可显著提高烟叶中非挥发性有机酸总量和苹果酸含量。这可能是由于复合保水剂在提高土壤水分的同时，还可以将土壤中的养分离子吸收到其空间网络结构中进行缓慢释放，防止土壤氮、磷、钾等流失，如 SHAON 等[5]制备的复合保水剂便具有更强的土壤养分缓释能力，可提高养分的利用效率，而烟叶中有机酸的合成及积累又与土壤粒径、全磷、速效钾、有机质、全氮、镁等指标关系较密切[17]。同时，由于复合保水剂在土壤中的降解，其本身所含的生物炭和腐殖酸钾释放到土壤中，促进了烤烟有机酸的合成和积累。烤烟根系的生长发育直接影响了烤烟的品质，烟叶中的烟碱和部分氨基酸都是在根系中合成，同时烟叶中的钾、氯等元素主要也是靠根系吸收[18]。在本研究中，复合保水剂显著增加了烤烟根系体积，进而促进了烟碱、总糖、还原糖的合成和积累以及对钾、氯的吸收。SAHAR 等[3]研究也发现，复合水凝胶可影响植物体内化学成分变化，尤其对大量元素影响显著。综合考虑烤烟生长发育及品质相关指标参数，施用生物炭复合保水剂和腐殖酸钾复合保水剂可促进半干旱地区优质烤烟生产。

4结论

试验结果表明，相较于传统保水剂，复合保水剂在半干旱地区施用更有利于促进烤烟生长，其中生物炭复合保水剂和腐殖酸钾复合保水剂的烤烟根系体积较传统保水剂（聚丙烯酸盐保水剂）可提高26.9%和25.1%，AL、NI、NR 活性可提高12.4%、13.8%、17.0%和16.6%、10.7%、14.4%，烟叶中苹果酸和柠檬酸含量可提高7.4%、20.0%和16.9%、15.2%，且有效促进烤烟对烟碱、总糖、还原糖的合成与积累以及对钾、氯的吸收。

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