不同保水剂对雪茄烟叶生长发育过程中矿质元素动态变化的影响

李欣燕， 张明月， 王方玲，2， 姜慧娟， 王俊， 钟秋*， 赵铭钦*

（1.河南农业大学烟草学院，国家烟草栽培生理生化研究基地，郑州 450002；2.湖北省烟草公司十堰市公司竹山县烟草专卖局，湖北 十堰 442200；3.河南中烟工业有限责任公司，郑州 450016；4.四川省烟草公司德阳市公司，四川 德阳 618000）

矿质元素不仅对烟草生长发育过程有促进作用，而且对调制后烟叶的外观质量和内在质量有重要影响[1-2]。在水分胁迫条件下，烟株会发生非正常的生理生化反应，影响烟株的正常发育，降低产量和品质[3]。水分是烟草生长的基础，只有土壤水分适宜，植株才能健康生长发育[4]。随着科技的进步，化学制品在农业生产中应用日趋广泛，保水剂的研发利用对于缓解干旱地区旱情、促进植物生长发育具有重要意义。

保水剂又称高吸水剂、保湿剂或超强吸水树脂，是一种高分子吸水材料，能迅速吸收比自身重数百倍甚至上千倍的纯水，且能反复吸水，有较强的持水能力，还可改善土壤理化性质，具有显著的水土保持效益[5]。吸水后的水凝胶可缓慢释放水分供作物吸收利用，是化学节水技术中重要的化学制剂，目前，已被广泛应用于农业、园艺、食品生产等方面[6]。高吸水性树脂（super absorbent polymer, SAP）是一种具有超强吸水能力的保水剂[7-8]，它可增加旱作耕地的土壤含水率，使农田干旱得到有效缓解，提高作物水分利用效率，增加产量[9-10]。沃特保水剂是一种高分子功能材料，具有很强的保水性，而且反复吸收和释放水分5 次后，产品的吸水能力仍大于其初始吸水能力的85%，抗盐耐碱性能强[11-14]。在干旱地区，保水剂相当于小型土壤水库，具有保水、持水和涵养水源的作用[15]，既能减弱干旱对烟草生长的不利影响，还能减少养分的淋溶损失，提高养分利用率，促进烟草生长[16]。同时，保水剂还能使土壤水分保持在近表层，降低水分向深层土壤的入渗[17-19]，减少土壤水分渗漏和蒸发[20]，有利于烟苗移栽成活与健康生长。

近年来，保水剂的研究与应用成为热点。农业生产中有关保水剂的应用主要集中在抗旱保肥和作物的提质增效上。研究表明，地膜覆盖和保水剂配合使用有利于增加叶片中矿质元素含量，提高苹果果实品质[21]；单独施用保水剂可显著提高葡萄果实内矿质元素含量，改良果实品质[22]；在传统灌溉模式下施用保水剂能提高裸燕麦产量，合理配施有利于改良裸燕麦品质[23]。但保水剂对烟叶生长发育过程中矿质元素影响的研究鲜有报道。因此，本研究分析了干旱胁迫下不同保水剂处理对雪茄烟叶生长发育过程中矿质元素动态变化的影响，旨在为保水剂在雪茄烟叶生产中的大面积推广应用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试雪茄烟品种为‘德雪3号’，由四川省烟草公司德阳市公司提供。试验于2020—2021年在河南农业大学许昌校区现代烟草农业科教园区防雨棚内进行。试验用盆为塑料盆，盆口直径为38 cm，盆底直径为35 cm，盆高30 cm，每盆装土25 kg。供试土壤取自科教园区内大田耕层土，质地为黄褐壤土，有机质19.02 g·kg-1，碱解氮74.10 mg·kg-1，速效磷8.60 mg·kg-1，速效钾113.50 mg·kg-1，pH 7.52。

试验采用自制保水剂、SAP保水剂和沃特保水剂3 种保水剂，其中，自制保水剂为烟秆纤维素基聚丙烯酸复合水凝胶（TS-PAA），该保水剂由本实验室自制，主要成分为烟秆纤维素和聚丙烯酸的复合水凝胶，特点是生产原料来源广泛、价格低廉、吸水性较好，且添加了生物质材料；SAP保水剂为高吸水树脂，购自重庆紫光化工股份有限公司，该保水剂主要是淀粉接枝丙烯氰和丙稀盐酸，系高吸水树脂，是一种含有强亲水基团的高分子材料；沃特保水剂购自胜利油田长安控股集团有限公司，该保水剂采用丙烯酸或丙烯酰胺与凹凸棒土杂化合成，是一种高分子功能材料，能吸收自重500～1000倍纯水。

1.2 TS-PAA保水剂的制备

烟草茎秆（tobacco stalk，TS）磨碎后过120 目筛，将茎秆粉末置于10% NaOH溶液中加热至95 ℃持续2 h，倒掉上清液，将下层混合物用含NaClO和H2O2（3∶4）的漂白液漂白后用蒸馏水洗至中性，抽滤后烘干，过120 目筛，得到烟秆处理物（TS）备用。再分别配制中和度为80%的丙烯酸钾溶液（potassium acrylate，AA）、0.02 g·ml-1的N、N亚甲基双丙烯酰胺（N,N’-Metliylenebisacrylamide，MBA）、2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮（2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophe-none，BDK）和过硫酸铵溶液（ammonium persulfate，APS）。按照质量分数AA∶MBA∶BDK∶APS：TS＝100.00∶0.07∶1.13∶0.30∶30.00的比例，在烧杯中混合均匀后于预热好的紫外灯（波长365 nm）下辐射反应180 s。将合成的聚合物在乙醇中浸泡12 h，取出水凝胶于烘箱中65 ℃烘干至恒重，粉碎过60 目筛，得到自制保水剂TS-PAA。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，在设置3 种保水剂的基础上，每种保水剂的施用量均分别设置为2、4、6 g·株-1，以不施用保水剂作为对照（CK），共计10个处理，详见表1。每个处理20 盆，每盆1 株，共计200 盆。所有处理均采用烟草专用复合肥和硫酸钾，按照N∶P2O2∶K2O为1∶1∶5，每盆施用复合肥0.5 g，硫酸钾1 g。移栽前将土壤、保水剂、肥料混合均匀后装盆，并于移栽当天每盆定量浇足3000 mL定根水，移栽后在保持烟株正常生长状态下，适度干旱胁迫使土壤含水量维持在50%～60%，保持每盆含水量基本一致，其余操作依据田间优质烟栽培管理进行。

表1 不同保水剂种类与用量试验设计Table 1 Experimental design and treatment of different water retaining agent dosages

1.4 测定项目与方法

烟叶样品采集与测定。在烟苗移栽后30、45、60和75 d时，每个处理选长势一致的烟株3 株，整株取样，再选取中部烟叶样品于105 ℃下杀青10 min，之后在60 ℃烘干。然后将烘干的叶组织粉碎过60 目筛，混合均匀，用于矿质元素测定。烟叶中N含量采用全自动流动分析仪法测定；烟叶中P、K、Ca、Mg、B、Cu、Fe、Mn、Zn采用硝酸双氧水消解法处理后，使用ICP分析仪测定。

1.5 数据分析

采用SPSS 26.0、Excel 2016和OriginPro 9.0软件对测定结果进行统计分析和图表制作。

2 结果与分析

2.1 不同保水剂处理对烟叶生长发育过程中大量元素消长规律的影响

2.1.1 不同保水剂处理对雪茄烟叶总N含量的影响 由图1可知，随着烟株的生长发育，叶片中总N含量呈先增加后降低的趋势。移栽后30 d，T1、T3、T4、T7、T8、T9处理叶片中总N含量均显著高于CK，其中，T4处理叶片总N含量最高，达5.07%，较对照增加26.43%。移栽后45 d，T2和T7处理叶片中总N含量显著高于CK，均为5.05%，较对照增加4.55%。移栽后60 d，除T8、T9处理外，各处理叶片中总N含量均显著低于CK，其中，T4处理叶片总N含量最低，为2.30%，较对照显著降低42.93%。移栽后75 d，各处理叶片中总N含量均显著低于CK，其中，T2处理叶片总N含量最低，仅1.71%，较对照显著降低56.81%。综上所述，施用TS-PAA保水剂可有效提高雪茄烟生长前期N代谢强度，削弱后期N代谢强度，有利于前期N素积累、后期适时落黄。

图1 不同处理下雪茄烟中部叶片的总N含量Fig. 1 N contents in the middle leaf of cigar under different treatments

2.1.2 不同保水剂处理对雪茄烟叶P含量的影

响 由图2表明，随着烟株的生长发育，叶片中P含量呈先上升后缓慢下降的趋势。移栽后30 d，仅T3处理叶片中P含量显著高于CK，较对照增加32.34%；其余处理与CK差异不显著。移栽后45 d，仅T1和T6处理叶片中P含量显著高于T3处理；其余处理间均差异不显著。移栽后60 d，各处理及对照间差异均未达到显著水平。移栽后75 d，仅T4、T5处理叶片中P含量略高于CK，但差异不显著；T1、T2处理叶片P含量显著低于CK。由此表明，施加TS-PAA和沃特保水剂不利于雪茄烟叶对P元素的吸收，而SAP保水剂则对P元素吸收具有一定促进作用。

图2 不同处理下雪茄烟中部叶的P含量Fig. 2 P contents in the middle leaf of cigar under different treatments

2.1.3 不同保水剂处理对雪茄烟叶生长发育过程中K含量的影响 从图3可知，随着雪茄烟的生长发育，叶片K含量均呈先升后降的趋势。移栽后30 d，除T8外，各处理叶片中K含量均显著高于CK，其中，T5处理叶片K含量最高，达5.34%，较CK增加14.09%。移栽后45 d，T7、T8处理叶片中K含量均为5.75%，较CK显著增加11.88%；其余处理与CK差异不显著。移栽后60 d，T7、T8、T9处理叶片中K含量显著高于CK，其中，T8处理叶片中K含量最高，为5.17%，较CK增加25.18%。移栽后75 d，T2处理叶片K含量显著高于CK；其余处理与CK差异不显著。由此表明，施用保水剂对雪茄烟提K增质具有促进意义，其中，以增施TS-PAA保水剂在4 g·株-1用量时效果较好。

图3 不同处理下雪茄烟中部叶的K含量Fig. 3 K contents in middle leaves of cigar under different treatments

2.2 不同保水剂处理对烟叶生长发育过程中中量元素消长规律的影响

2.2.1 不同保水剂处理对雪茄烟叶中Ca含量的影响 由图4可知，随着雪茄烟的生长发育，叶片Ca含量呈下降趋势。移栽后30 d，除T2处理外，其余处理叶片Ca含量均显著高于CK，其中，T7处理叶片Ca含量最高，为4.76%，较CK增加26.93%。移栽后45 d，除T1、T5处理外，其余处理叶片Ca含量均显著低于CK，以T6处理最低，为2.78%，较CK降低20.80%。移栽后60 d，T7、T8、T9处理叶片Ca含量显著高于CK，而T1、T3、T5处理叶片Ca含量显著低于CK。移栽后75 d，各处理叶片Ca含量均显著低于CK，以T1处理最低，较CK降低27.58%。综合来看，3 种保水剂均能降低成熟期烟叶Ca含量，其中，以施用TS-PAA保水剂效果最为显著。

图4 不同处理下雪茄烟中部叶的Ca含量Fig. 4 Ca contents in middle leaves of cigar under different treatments

2.2.2 不同保水剂处理对雪茄烟叶中Mg含量的影响 由图5可知， 在雪茄烟叶生长过程中，T1、T2、T4、T6、T7及CK处理叶片Mg含量均呈现下降趋势；T3、T5、T9处理表现出先下降后略微增加的趋势，在栽后60 d时最低；T8处理则表现出先增加后下降的趋势，在栽后45 d时Mg含量较高。移栽后30 d，T1、T3、T4、T9处理叶片Mg含量均显著高于CK；T8处理显著低于CK。移栽后45 d，T1、T5、T9处理叶片Mg含量显著高于T3和T6处理，其余处理间差异不显著。移栽后60 d，T9处理叶片Mg含量显著高于CK；而T1和T3处理叶片Mg含量显著低于CK。移栽后75 d，T9处理叶片Mg含量显著高于CK；T1处理叶片Mg含量显著低于CK。

图5 不同处理下雪茄烟中部叶的Mg含量Fig. 5 Mg contents in middle leaves of cigar under different treatments

2.3 不同处理对雪茄烟叶生长发育过程中微量元素消长规律的影响

2.3.1 不同保水剂处理对雪茄烟叶中Fe含量的

影响 图6表明，在雪茄烟生长过程中，烟叶中Fe含量整体表现出“V”型变化趋势，在栽后60 d时较低。移栽后30 d，T1、T3、T4、T7和T9处理叶片Fe含量均显著高于CK，其中，T9处理最高，显著高于其余处理。移栽后45 d，除T6处理外，其余保水剂处理叶片Fe含量显著高于CK处理。移栽后60 d，T2、T4和T9处理叶片Fe含量于CK差异不显著；其余处理显著低于CK。移栽后75 d，T1和T3处理叶片Fe含量与CK差异不显著；其余处理叶片Fe含量显著高于CK，其中，T8处理最高，显著高于其余处理。

图6 不同处理下雪茄烟中部叶的Fe含量Fig. 6 Fe contents in middle leaves of cigar under different treatments

2.3.2 不同保水剂处理对雪茄烟叶中Mn含量的影响 由图7可知，在雪茄烟叶生长过程中，烟叶中Mn含量呈先升后降的趋势。移栽后30 d， T7、T8、T9处理叶片Mn含量显著高于CK，以T9处理最高，为55.45%，较CK增加48.58%。移栽后45 d，T1、T2、T7处理叶片Mn含量显著高于CK；T3、T4、T6处理叶片中Mn含量显著低于CK。移栽后60 d，T2、T4、T8、T9处理叶片Mn含量显著高于CK，以T2处理最高，为81.19 mg·g-1，较CK显著增加18.66%；而T1、T3、T5、T6处理显著低于CK，以T3处理最低，为55.96 mg·g-1，较CK显著降低18.23%。移栽75 d，T8、T9处理叶片Mn含量显著高于CK，以T8最高，为76.14 mg·g-1，较CK显著增加43.42%； T3处理显著低于CK；其余处理间差异不显著。

图7 不同处理下雪茄烟中部叶的Mn含量Fig. 7 Mn contents in middle leaves of cigar under different treatments

2.3.3 不同保水剂处理对雪茄烟叶中Cu含量的影响 由图8可知，在雪茄烟叶生长过程中，烟叶中Cu含量呈先升高后降低的趋势，在栽后60 d时较高。移栽后30 d，T1和T9处理叶片Cu含量显著高于T7和T8处理；其余处理及CK间差异均不显著。移栽后45 d，T1、T2、T7处理叶片Cu含量显著高于CK，以T2处理最高（43.97 mg·kg-1），较CK显著增加36.60%；T5、T8处理叶片Cu含量显著低于CK，其中，T8处理最低，为29.89 mg·kg-1，较CK显著降低7.15%。移栽后60 d，T3、T4、T9处理叶片Cu含量均显著高于CK。移栽后75 d，T2、T9处理叶片Cu含量显著高于CK；T3处理显著低于CK。

图8 不同处理下雪茄烟中部叶的Cu含量Fig. 8 Cu contents in middle leaves of cigar under different treatments

2.3.4 不同保水剂处理对雪茄烟叶Zn含量的影响 由图9可知，在移栽后30、45和60 d，烟叶中Zn含量变化较小。移栽后30 d，T3和T9处理叶片Zn含量与CK差异不显著；其余处理叶片Zn含量均显著低于CK。移栽后45 d，除T3和T6处理外，其余处理叶片Zn含量均显著低于CK。移栽后60 d，仅T5处理叶片Zn含量显著低于CK，其余处理间差异不显著。移栽后75 d，T2、T6、T9处理显著高于对照，分别为CK的2.74、2.87和2.45倍；T1处理叶片中Zn含量显著低于CK，较CK降低29.58%；其他处理烟叶中Zn含量差异未达到显著水平。

图9 不同处理下雪茄烟中部叶的Zn含量Fig. 9 Zn contents in middle leaves of cigar under different treatments

2.3.5 不同保水剂处理雪茄烟叶中B含量的影响 由图10可知，随着烟株的生长发育，叶片B含量呈缓慢上升趋势。移栽后30 d，T7和T9处理叶片B含量显著低于CK；其余处理与CK差异不显著。移栽后45 d，T2处理叶片B含量显著高于CK；T9处理显著低于CK；其余处理间差异不显著。移栽后60 d，T1和T3处理叶片B含量显著低于CK；其余处理与对照差异不显著。移栽后75 d，T3、T4和T9处理叶片B含量显著高于CK，其中，T4处理最高，为31.46 mg·kg-1，较CK显著增加23.08%；T1处理叶片B含量显著低于CK，为23.13 mg·kg-1，较CK显著降低9.51%。由此表明，适宜用量的保水剂对提高烟叶中B含量有促进作用。

图10 不同处理下雪茄烟中部叶的B含量Fig. 10 B contents in middle leaves of cigar under different treatments

2.4 不同处理雪茄烟叶中矿质元素含量的相关分析

相关分析结果（表2）表明，N与K、Ca、Mg之间、P与Mn、Cu之间、K与Ca、Mg之间、Ca与Mg之间、Mn与Cu、B之间均呈极显著正相关；而N与B之间、P与Ca之间、K和B之间、Ca与Mn、Cu、B之间、Mg与Cu、B之间呈极显著负相关；Mg与Mn之间呈显著负相关；Fe与Zn之间、Zn和B之间呈显著正相关。综上所述，矿质元素间存在一定的协同效应或拮抗作用，如N、K、Ca、Mg元素间存在增效作用，而B与N、K、Ca、Mg之间，Cu、Mn和Ca、Mg间均存在一定的拮抗作用。

表2 烟叶中矿质元素含量的相关分析Table 2 Correlation analysis of mineral element contents in tobacco leaves

3 讨论

干旱胁迫是影响烟草生长发育的关键因素，我国每年因干旱造成的农业减产和烟叶损失巨大，因此，探索高效旱作栽培模式，集成推广旱作栽培技术既必要又迫切。保水剂作为一种新型抗旱材料已在农林生产中得到广泛应用，当环境土壤水分较低时，保水剂通过缓慢释放水分以满足植物生长发育的需求；同时，在改善土壤理化性状、减少肥料淋溶等方面具有积极作用[22-23,26-27]。保水剂在烟草生产中对植烟土壤含水率[28]、土壤结构[29]、土壤pH[30]和土壤养分[31]产生影响，同时对烟苗移栽成活、养分高效利用和烟叶优质丰产具有促进意义[32]。

烟草生长需要从土壤中吸收矿质元素来满足营养需要，进而维持正常的生命活动[24]。烟叶中各种矿质元素的累积以及在不同时期的动态变化与烟草生物量关系密切[33-34]。尽管大、中、微量元素含量在烟株中存在差异，但对烟叶生长发育和品质有重要作用。本研究结果表明，在干旱胁迫下施用保水剂使烟株在旺长期生长速度较快。植株各个器官的发育需要消耗大量营养，N含量会快速积累，生长后期成熟落黄需要的N素较少，进入成熟期植株N含量迅速下降，因此，N素的供应时期和方式对优质丰产具有重要意义[35]。本研究发现，施用保水剂能显著增强烟株生长发育前期N代谢能力，减缓中后期的N代谢能力，有助于N代谢适时向C代谢过渡和烟叶适时落黄，由此表明，施用保水剂可以通过改善土壤水分的分布和供应状况，达到增强烟株根系活力、改良烟叶的营养抗性，与王方玲等[36]和张荠文等[37]的研究结果相一致。

P素是合成蛋白质、磷脂和糖类的重要元素，对加速烟株生长发育、提高烟株抗逆能力起重要作用[24]。本研究发现，施用TS-PAA和沃特两种保水剂能促进前中期烟叶中P含量的积累，使N、P含量整体保持在较高水平，而在生长后期烟叶中P含量则有所降低，且低于对照，究其原因可能是由于干旱胁迫下，土壤中细小颗粒会随着保水剂吸水次数的增多及吸水膨胀进入保水剂内部，引起保水剂内部组织空腔收缩。K素主要分布于代谢活跃的器官和组织中，是细胞重要的渗透基质，参与气孔的开闭过程，影响烟草对水分的吸收利用[25]。本研究表明，在干旱胁迫下施用保水剂，烟叶中K含量在移栽后45 d时达到累积高峰，说明雪茄烟在移栽后30～45 d时对K的需求较大；在栽后75 d时，烟叶中K含量均高于对照，表明施加保水剂能有效提高烟叶中K含量，从而增强烟株的抗旱性，提升烟叶的燃烧性和香吃味质量，与杜甫等[38]的研究结果相一致。

Ca以离子形式存在于细胞质或液泡中，是众多酶的辅助因子，也是细胞壁的重要组分之一[25]。本研究表明，随着植株的生长发育，烟叶中Ca含量整体上呈降低趋势，说明干旱胁迫下施用保水剂抑制了烟叶中Ca的累积，避免了因Ca含量高而导致烟叶叶片过厚、粗糙，品质变差。Mg是叶绿素的组成成分，缺Mg会导致植株发育不良，造成减产减质，但Mg含量过高则会使根的发育受阻[4]。本研究发现，Mg含量在植株生长过程中处于下降趋势，说明生长前期烟株对Mg的吸收积累能力较强，随着植株进入成熟衰老阶段，根系活力减退，对Mg的吸收逐渐减少。

Fe、Mn、Cu、Zn、B是烟草生长所必需的微量元素，直接或间接参与烟株体内物质的合成、运输、转移和代谢等重要生命活动[24]。研究表明，如果叶绿素中减少2/3的Mn含量，会导致叶绿体放氧功能的消失；Fe、Cu、Zn、B含量的高低在一定程度上也会影响植株的光合作用[25]。本研究表明，干旱胁迫下施用保水剂能够显著促进植株对微量元素的吸收、转化与累积，可能是保水剂通过以水促肥的形式提高了植株对矿质元素的吸收，增强了烟叶的光合能力。进一步分析矿质元素间的关系表明，N、K、Mg之间存在协同增效机制；而B与N、K、Ca、Mg之间，Cu、Mn和Ca、Mg间均存在一定的拮抗效应。本研究表明，不同种类保水剂对雪茄烟矿质元素吸收、累积与转化的效应存在差异。对于TS-PAA（自制）和SAP保水剂而言，当使用浓度过高时，会引起矿质元素之间的协同效应变差，与王方玲等[36]和杨永辉等[39]的研究结果一致。

综上所述，不同保水剂的作用效果尽管存在差异，但都会影响植株对矿质元素的吸收、累积与转化，且施用量不同会产生一定的促进或抑制作用。因此，生产中要根据降雨、烟田旱情、保水剂特性来决定其施用量。本研究表明，自制TS-PAA保水剂和SAP商用保水剂在用量为4 g·株-1时、沃特保水剂用量为6 g·株-1时可显著促进烟叶中矿质元素的吸收积累，提升烟叶中微量元素含量。由此可见，施用保水剂对缓解烟叶生长旱情、促进烟株水分有效供应、均衡协调烟株矿质元素吸收积累方面具有显著效果，因此，深入研究保水剂对雪茄烟叶中矿质元素的积累与分布规律对于发展烟草节水农业、促进烟叶对矿质元素的吸收、提高烟叶产质量具有重要意义。