调节灌溉水镁元素和增施镁肥对烟叶焦甜香风格的影响

来源:用户上传      作者:董祥洲 陈亚奎 朱启法

　　摘要 为充分利用皖南烟区优良的生态和气候特征，建立了1种通过增加定根水镁元素含量和增施镁肥来提升烟叶焦甜香风格的农艺调控方法，并合成了2种新型镁（钙）元素土壤缓释材料。向定根水补充8.36 kg/hm2的MgSO4·7H2O和旺长期随追肥增施120 kg/hm2的MgSO4·7H2O的方法使水稻土种植烟叶的焦甜香彰显程度增加到6.5，超过了同年皖南烟区砂壤土出产烟叶的焦甜香风格水平。烟叶成分分析结果显示，Mg元素并非在品吸燃烧过程中直接形成焦甜香香气，而是促进了旺长期烟叶中总糖的有效积累，使糖碱比更接近于10，并减少了品吸杂气的形成。该方法几乎不增加额外的农艺操作，且物料成本较低，使占皖南烟区面积大多数的水稻土出产高品质焦甜香风格特色烟叶成为可能。
　　关键词 镁肥;灌溉水;焦甜香;烟叶
　　Abstract In order to make full use of the fine ecological and climatic characteristics of Southern Anhui， an agronomic method for promoting the burned sugar aroma style of tobacco leaves was established via increasing magnesium in irrigation water and fertilizer. In addition， two kinds of sustainedrelease materials of magnesium （and calcium） were synthesized and used in soil. As an example， extra 8.36 and 120 kg/hm2 of MgSO4·7H2O were added to the irrigation water and the fertilizer in the periods of tobacco transplant and prosperous growth， respectively. Results showed that the level of burned sugar aroma style of tobacco increased to 6.5 and exceeded the normal levels of tobacco leaves that were planted in sandy loam soil of Southern Anhui. The composition analyses of tobacco leaves indicated that Mg did not directly produce the burned sugar aroma style of tobacco， rather being the accumulation of sugar in leaves， the approach of sugar/nicotine to 10 and the decrease in bad smells during tobacco smoking. This method had no additional agronomic operations and low material costs. More importantly， make it possible to produce the burned sugar aroma style of tobacco leaves with high quality in paddy soil， which occupied the most area of tobacco producing fields in Southern Anhui.
　　Key words Magnesium fertilizer;Irrigation water;Burned sugar aroma style;Tobacco leaves
　　自2003年發现焦甜香特色风格的烤烟以来[1]，皖南烟叶依据“生态决定特色，品种彰显特色，技术保障特色”的发展理念，现已形成浓郁细腻、焦甜香风格显著的特色浓香型烟叶产品，受到卷烟工业企业的一致好评[2]。目前围绕焦甜香烟叶的物质基础、形成机理、生态适宜性评价指标体系以及焦甜香风格彰显技术的建立已开展了大量研究[3-5]。一般认为，烟叶焦甜香风格的形成及彰显程度是生态因素、气候因素、土质因素、遗传因素等综合作用的结果[6-8]。研究表明，在皖南烟区气候等因素相对一致的条件下，土质已成为影响烟叶焦甜香风格的主要原因[9-10]，这与目前高品质焦甜香风格烟叶主要出产自砂壤土的实际统计结果相吻合。然而，皖南烟区烟田面积总计约46万hm2，其中水田（烟稻轮作）约占35万hm2，旱田仅11万hm2左右，而砂壤土分布区域更少。
　　为了充分利用皖南烟区优良的生态和气候特征，建立一种能够基于水稻土大规模生产焦甜香风格突出的高品质烟叶的农艺调控方法将具有十分重要的理论和实际意义。前期调查分析和实验室研究发现，皖南烟区土壤和灌溉水中的镁元素含量普遍较低，而适当增加镁元素有助于烟叶焦甜香风格的形成。鉴于此，笔者通过大田试验探索适宜的灌溉水镁元素调节和镁肥增施的方式及用量;在烟叶定根水补充镁元素的同时，制备了镁元素和镁-钙2种协同的缓释材料;研究了起垄时施加缓释材料和旺长期追肥增施镁肥等方式对水稻土种植烟叶焦甜香风格的影响，为形成可推广的农艺调控方法奠定基础，最终达到焦甜香风格烟叶增产、增质、增收的目标。
　　1 材料与方法
　　1.1 材料
　　烟叶品种为云烟97，与同区域烟田烟叶品种相同;镁元素以农业级MgSO4·7H2O的形式添加;聚丙烯酰胺和5A分子筛均为市售分析纯试剂。 　　1.2 方法
　　1.2.1 镁元素缓释材料的制备。配置15%（v/v）的乙醇-水溶液，将乙醇-水溶液与聚丙烯酰胺按体积比2.5∶1.0混合。水浴加热至70 ℃，持续机械搅拌，形成均匀的聚丙烯酰胺凝胶溶液。配置200 g/L MgSO4·7H2O水溶液，加热到70 ℃。平流泵A以5.0 mL/min流速输送聚丙烯酰胺凝胶溶液，平流泵B以7.5 mL/min流速输送MgSO4·7H2O水溶液。两者在T型混合槽中迅速混合后流入长度12 m、内径0.5 mm的螺旋管，将该螺旋管置于水浴锅保持温度恒定（75 ℃），流出时间约为2 h。流出液滴入冷水，收集得到的凝胶微球，50 ℃烘干至恒重即为镁元素缓释材料，标记为MgNP。
　　1.2.2 镁-钙协同缓释材料的制备。配置200 g/L MgSO4·7H2O水溶液，称取适量经活化处理的5A分子筛，按照质量比1.0∶1.5将二者混合，搅拌均匀后70 ℃烘干至恒重，取出分子筛干燥器内冷却至室温，并在干燥器内保存，即为镁-钙协同缓释材料，标记为Mg-CaMS。
　　1.2.3 缓释材料的元素释放性能。将MgNP和Mg-CaMS分别加入到20倍质量的去离子水中，室温持续机械搅拌50 d，通过定期测定去离子水中Mg2+和Ca2+的浓度（ICP-MS法）来计算缓释曲线。
　　1.2.4 大田试验。大田试验于2018年在皖南烟叶沪皖科技示范园附近农田进行。该区域土壤属典型皖南烟区水稻-烟叶轮作黏土。有机质含量34.5 g/kg，碱解氮201.4 mg/kg，速效磷35.71 mg/kg，速效钾278.3 mg/kg，pH 5.5。生根期的定根水用量固定且较少，采用补充定量MgSO4·7H2O（8.36 kg/hm2）的方式调控。镁肥的增施分别采用起垄前烟株位置土壤混入镁元素、镁-钙协同缓释材料和旺长期追肥时增加一定量的MgSO4·7H2O共3种方式进行。烟叶的种植、田间管理以及其他肥料（包括定根水肥）的施加均与同区域常规烟叶种植相同。每个试验点设50株烟叶，每组试验设3组平行，随机排列（表1）。由表1可知，试验组1缓释材料在起垄前加入烟株位置土壤，试验组2在旺长期追肥时增加一定量的MgSO4·7H2O，且一同施撒。
　　1.2.5 烟叶样品的微（中）量元素含量检测。采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定烟叶样品微（中）量元素Cu、Fe、Mn、Zn、Ca、Mg、K的含量。测定前分别通过不同浓度的上述元素标准溶液制定标准曲线。烘烤后的烟叶样品经烘干、研磨、粉碎、筛分、消解等预处理后进行ICP-MS分析。该方法可对1个样品中的上述元素同时进行定量检测。
　　1.2.6 烟叶样品的常规化学成分分析。采用蒽酮比色法测定总糖含量;采用过氧化氢-硫酸消化法测定总氮含量[6];采用气相色谱法测定烟碱含量 [11]。
　　1.2.7 感官评价。选取最具代表性的中部烟叶C3F等级，根据GB 2635—1992和《卷烟工艺规范》的要求进行制样[12]，卷烟感官评吸鉴定聘请4位以上评吸专家，分别按香气质、香气量、杂气、浓度、劲头、细柔感、刺激性、干燥感、余味、甜度和焦甜香风格程度进行评分（取算数平均值）。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同处理对烟叶感官评价的影响
　　由表2可知，大田试验各试验点所产烟叶样品的焦甜香彰显程度和品吸总分均有不同程度提升，说明通过定根水补充镁元素和增施镁肥的方式提升烟叶焦甜香风格的方案总体上是可行的。同年，皖南烟叶全区抽检的常规种植烟叶样品的焦甜香彰显程度最高得分为5.5，品吸总分为64.4。大田试验烟叶样品的焦甜香彰显程度的最高分为6.5，品吸总分为69.8，不仅明显高于对照，也超过了同年常规种植烟叶的最佳水平，验证了使用该方法在水稻土产出高品质焦甜香风格烟叶的可能性。
　　在Mg2+含量相同的条件下，镁-钙協同缓释材料Mg-CaMS对烟叶焦甜香风格的提升效果略好于镁元素缓释材料MgPN，说明与Mg2+同时释放的Ca2+对烟叶焦甜香风格也有一定的提升作用。其原因可能为Ca2+与水稻土中的有机质络合，增加了黏性土壤的透气性，或增加了局部土壤的pH。旺长期，随追肥一同增施120 kg/hm2 MgSO4·7H2O对烟叶焦甜香风格的提升效果最佳，这可能是因为旺长期烟叶对镁元素的需求量较大，直接增施MgSO4·7H2O的作用效果更直接。此外，对大田试验烟株的观测发现，各处理烟株的最大叶面积、株高、茎粗基本相同，但处理2-T3烟叶的最大叶面积、株高、茎粗均明显高于其他处理。由于处理2-T3旺长期增施180 kg/hm2 MgSO4·7H2O，导致Mg元素超出了微（中）量元素的调节作用，转而促进烟株的生长，而烟株过大反而淡化了烟叶的焦甜香风格。
　　2.2 不同处理对烟叶样品成分的影响
　　2.2.1 微（中）量元素含量。为探求镁元素提升烟叶焦甜香风格的具体原因，对不同焦甜香风格彰显程度的烟叶样品成分进行分析，包括烟叶样品的微（中）量元素含量和烟叶总糖、总氮以及烟碱等常规化学成分含量。由表3可知，镁元素的增加与烟叶样品的微（中）量元素含量无显著相关性，具体表现为各处理所产烟叶样品的镁元素含量与对照差异不大，且烟叶的镁元素含量与镁元素在定根水或追肥中的增加量非线性相关。由此推断，在该研究镁元素调控的用量范围内，定根水或肥料中镁元素的增加对烟叶焦甜香风格以及其他品吸指标的影响可能是通过改变烟叶其他化学成分或调节烟叶生长发育过程中某些关键酶或细胞器的活性和数量来实现的，而并非烟叶中镁元素在品吸燃烧过程中直接形成焦甜香香气。
　　2.2.2
　　常规化学成分含量。由表4可知，大田试验3个焦甜香风格提升最显著的烟叶样品的烟碱含量与对照基本持平，说明定根水补充镁元素和增施镁肥的农艺调节方式几乎不会改变烟叶的烟碱含量，但总氮含量降低约20%，具体体现在烟叶品吸杂气的减少。镁元素的补充显著改变了烟叶样品的总糖含量，焦甜香风格越显著的烟叶样品的总糖含量越高，烟叶的糖碱比也更接近10。其中，处理2-T2烟叶样品的焦甜香彰显程度和品吸总分提升幅度最大。一般认为，烟叶常规化学成分中总糖含量和烟碱含量均较高、糖碱比适宜、感官评吸质量优良、焦甜香风格突出[9]，大田试验结果基本符合这一特征。 　　2.3 缓释材料的元素释放性能比较
　　由图1可知，前30 d镁元素缓释材料对Mg2+的释放随时间呈线性增长，30 d以后Mg2+的释放速度有所减缓，但依然保持较高的释放速率，并在第50天时达到释放平衡，Mg2+的释放率接近100%。由图2可知，镁-钙协同缓释材料对Mg2+的释放与镁元素缓释材料基本相同，而对Ca2+的释放速度明显低于Mg2+。30 d后Ca2+的释放速度有所增加，这可能是因为30 d后分子筛的结构发生垮塌，加快了Ca2+的释放。第50天时达到Ca释放的最大值，释放量约为Ca2+总量的58.7%。烟叶的生长发育需要经历团棵期、旺长期、现蕾期和成熟期，其中团棵期到旺长期为烟叶生长最快的阶段。镁-钙协同缓释材料的化学组成为1/10 MgO· 3/4 CaO·1/4 Na2O·Al2O3·2SiO2·9/2 H2O，镁元素缓释材料和镁-钙协同缓释材料对Mg2+和Ca2+的释放均在50 d内达到释放平衡，理论上恰好满足烟叶团棵期到旺长期对镁元素及钙元素的需求。
　　2.4 中部叶生长过程中总糖含量的变化
　　由图3可知，定根水补充镁元素和增施镁肥有效增加了烟叶的总糖含量，90 d时烟叶样品总糖的绝对质量比对照增加了82.7%。烟叶进入旺长期后烤烟的中部叶总糖开始积累，同时旺长期也是烟叶总糖积累量最大、总糖含量增速最快的阶段[5]。处理2-T2旺长期追肥的同时增施了120 kg/hm2 MgSO4·7H2O，为旺长期烟叶提供了积累总糖所需的镁元素，原因可能是镁元素促进了烟叶叶绿素的合成或激活了某些总糖合成关键酶的活性。若烟叶生长后期补充镁元素可能导致烟叶的成熟期滞后，反而不利于烟叶焦甜香风格的彰显。因此，烟叶进入旺长期时随追肥增施镁肥的调节方式较适宜，这也便于规模化操作。
　　3 结论
　　在烟叶种植定根水中补充镁元素、起垄时土壤施加镁（钙）元素缓释材料或随旺长期追肥增施镁肥均能不同程度地提升水稻土出产烟叶的焦甜香风格。其中，向定根水补充8.36 kg/hm2 MgSO4·7H2O和旺长期随追肥增施120 kg/hm2 MgSO4·7H2O的农艺调节方法使水稻土出产烟叶的焦甜香彰显程度增加到6.5，超过了同年皖南烟区砂壤土出产烟叶的焦甜香风格水平。这可能是因为旺长期增施镁肥促进了烟叶叶绿素的合成或激活了某些總糖合成关键酶的活性，使烟叶中总糖有效积累，糖碱比更接近10，并减少了品吸杂气的形成。该调节方法几乎不增加额外的农艺操作，且物料成本较低（<400元/hm2），使占皖南烟区面积大多数的水稻土出产高品质焦甜香风格特色烟叶成为可能。该方法的推广可实现焦甜香风格特色烟叶增产和增质、企业增收的目标。
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