赵 喆，米 强，卢绍浩，张嘉雯，来 苗，王 坤，赵铭钦

（1.山东中烟工业有限责任公司 济南卷烟厂，山东 济南 250104；2.浙江中烟工业有限责任公司 技术中心，浙江 杭州 310024；3.上海烟草集团有限责任公司 技术中心，上海 201315；4.河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450002）

0 引言

随着全球气候变暖现象的加剧，不利气象因素对农业生产的影响日益增大［1］，光照、温度、湿度作为主要的生态因子，影响着植物生长发育、成熟衰老的过程。植物光合作用随光照强度的变化而瞬时变化［2］，当光照强度超过一定范围后，光合效率保持在最大值，过剩的光照强度易对细胞造成光损伤［3］。与正常叶片相比，高光照强度下鼠尾草叶片表现出更强的光保护需求，且其PSⅡ受损，叶片衰老加剧［4］。在连续光照情况下，随着光照强度的增加，生菜叶片内活性氧（ROS）的产生及脂质过氧化程度也逐渐增加［5］。

同时，温度作为最重要的环境因子之一，可通过调控净同化速率［6］和光合作用［7］影响植株生长。高温下植物体内叶绿素降解加快，活性氧增多，细胞易受损伤［8-9］，据前人研究，温度大于35 ℃时超氧化物歧化酶（SOD）活性会降低［10］；35～40 ℃时，净光合速率也会下降［11］。热处理提高了大豆体内乙烯含量，降低了光合作用速率和蔗糖含量，抑制了关键酶的促抗氧化剂活性，会导致叶片早衰［12］。同样，空气相对湿度也会影响植株光合作用及生理特性［13-14］。

目前，有关光照、温度对植物成熟衰老影响的研究较多，但涉及湿度影响的研究较少。因此，本文通过选取大田植物生长环境中最重要的3个气象因素，利用正交实验设计方法，初步探究不同因子下叶片光合特性、抗氧化系统的动态变化，以期为解析不同湿度条件对植株成熟的影响提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验于2016年在江西省抚州市黎川县（东经116.52°，北纬26.89°）开展。供试材料为当地主栽品种云烟87。土壤为红壤土，其理化性状：pH值7.22，有机质8.72 g/kg，碱解氮51.27 mg/kg，速效磷16.84 g/kg，速效钾5.14 g/kg。试验地位于平坦开阔地块，通风良好，排灌、通电方便。烟苗于3月26日统一移栽，株距0.5 m，行距1.2 m，四周及各处理间设保护行，大田管理同当地常规水平一致。

1.2 试验设计

依据前人研究［15-17］，本试验采取正交试验方法。根据其设计原则［18-19］，利用SPSS 21.0软件进行3因素3水平的正交设计，具体设计如表1所示。选择不同光照强度（A）水平为50%（A1）、85%（A2）和120%（A3）3种自然光照强度，平均每日午间光照强度约为465.5×100、791.35×100、1117.2×100 lx；温度（B）水平为（29±1） ℃（B1）、（33±1） ℃（B2）、（37±1） ℃（B3）3种；湿度（C）水平为（64±1）%大气相对湿度（RH）（C1）、（73±1）% RH（C2）、（82 ±1）% RH（C3）3种。

表1 三因素三水平正交设计表

不同处理通过大棚温室精确调控烟株成熟期光照强度、温度、湿度3个指标。每个处理烟株约90株，通过透明无滴膜、遮阳网及植物灯（棚鲜牌36W）调控光照强度，并用照度计（TES-1330A）测定各处理光照强度；通过制冷机（YJL-18）、加湿器（浩奇HQ-2008A6）、除湿器（多乐信DR-1382L）、风机（贝德尔FZY-400）、控温插座（YWK-F）、控湿插座（W2105）调控各处理所需温、湿度条件。

大棚于6月20日（烤烟成熟中后期）搭建完毕并开始处理，每隔6 d各处理取样测定其生理指标，取样部位为从下至上第15～16叶位，每次处理3个重复，共取样3次。

1.3 测定项目与指标

光合色素用80%丙酮提取，按照Lichtenthaler等［20］的方法测定其含量。抗氧化酶类活性根据Wei等［21］的方法，采用NBT光还原法测定超氧化物歧化酶（SOD）活性，愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）活性，紫外吸收法测定过氧化氢酶（CAT）活性。移栽后96 d，在上午9:30～10:30利用快速光合测定仪（ECA-PC0401）测定叶片光合速率，每个处理5次重复。

1.4 数据分析

采用SPSS 21.0软件进行正交设计、方差分析，采用Microsoft Excel 2013软件制作表格，Origin 8.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 光照强度、温度、湿度3个因子对成熟后期叶片光合速率的影响

2.1.1 不同因子水平下烤烟叶片光合速率影响的边际值分析 光合速率的边际值为所有处理中某一因子水平下光合速率的平均值，可以表示某因子水平变化对叶片光合速率的影响效应。由各因子光合速率边际值可知（表2），随着光照强度的升高，光合速率呈先升高再降低的变化趋势，3个光照强度水平下以85%光照强度时光合速率最高，85%和120%光照强度对应的光合速率间差异未达到5%显著水平。随着温度的升高，光合速率呈逐步降低的趋势，38 ℃时对应的光合速率显著低于29 ℃的。随着空气相对湿度的增加，光合速率呈先升高再降低的变化趋势，但差异未达到5%显著水平。

表2 不同因子水平下烤烟叶片光合速率的边际值

2.1.2 生态因子对烤烟叶片光合速率影响的主效应分析 采用正交试验中常用的极差分析法［15，17］进行数据分析。极差越大，即因子的效应值越大，表明因子变化对结果的影响越大。由表3可以看出，3个生态因子对于光合速率的影响均达到极显著水平，且对光合速率的影响排序为光照强度＞温度＞湿度，光照强度为光合速率的主要影响因子。

表3 各因子对光合速率影响的极差 μmol/（m2·s）

2.2 光照强度、温度、湿度3个因子对成熟后期叶片光合色素含量的影响

2.2.1 不同因子水平下烤烟叶片光合色素含量影响的边际值分析 由图1A可知，随着光照强度的增加，3个时期叶绿素a（Chl a）含量均呈降低的趋势，且以移栽后90 d弱光条件下降幅度最大；随着温度的升高，3个时期Chl a含量同样呈下降的趋势；从湿度变化可以看出，移栽后90 d在82%湿度条件下Chl a含量最高，移栽后96 d在73%湿度条件下Chl a含量最高，而移栽后102 d则在64%湿度条件下表现最好，但彼此间并无显著差异。

由图1B可知，叶绿素b（Chl b）含量随着光照强度、温度的增大而逐渐降低，但随着湿度的增加呈现逐渐升高的变化趋势。叶片衰老期间，叶绿素较易降解，而类胡萝卜素（Carotenoids）较为稳定，故衰老期间叶片表现为黄色。

由图1C可知，3个时期中Cars含量随着光照强度的升高而增大，随着温度的升高而减小，其随湿度的变化情况与Chl a含量随湿度变化情况类似，都是移栽后90 d在82%湿度条件下、移栽后96 d在73%湿度条件下、移栽后102 d在64%湿度条件下Cars含量最高。

由图1D可知，光照强度与Chl a/b值间存在正相关关系，随着光照强度的增加，成熟后期3个阶段Chl a/b值皆升高。同时，随着温度的升高，Chl a/b值同样升高。湿度与Chl a/b值变化存在负相关关系：当湿度在64%条件下时，3个时期的Chl a/b值皆为最大。Chl a/b值大，表示Chl a降解较Chl b慢，即在相同叶绿素含量时，64%湿度条件下叶片对蓝紫光的吸收不如其他湿度条件的。

图1 不同因子水平下烤烟叶片Chl a、Chl b、Cars、Chl a/b值的边际值

2.2.2 生态因子对烤烟叶片光合色素含量影响的主效应分析 由各因子对光合色素含量影响的极差可以看出（表4），光照强度对Chl a含量的影响最大，3个时期皆达到极显著水平；随着时间的增加，叶片Chl a含量对于外界光照强度及温度的响应逐渐变弱。温度和湿度条件下，Chl a的极差基本上未达到显著水平。对于Chl b含量来说，光照强度为主要影响因子，温度为次要影响因子，湿度影响最小。

表4 各因子对光合色素含量影响的极差

在Cars含量的极差中，光照强度在3个时期的极差均最大，3个时期均达到极显著水平，其影响随着时间的推移逐渐减弱。温度对Cars含量影响的极差在各个时期变化较小。湿度因子在移栽后90 d对Cars含量影响的极差仅次于光照强度因子，在其他2个时期极差减小。

Chl a/b值对于3个因子的响应中，移栽后90 d，温度对其影响的极差最大；其他2个时期，光照强度对Chl a/b值影响的极差最大，移栽后102 d时达到极显著水平，湿度影响次之，温度影响最弱。

2.3 光照强度、温度、湿度3个因子对成熟后期叶片抗氧化酶类活性的影响

2.3.1 不同因子水平下叶片抗氧化酶类活性影响的边际值分析 由图2A可知，SOD活性分别随着光照强度、温度、湿度的增加而显著降低。POD活性随着光照强度和温度的升高而增强，尤以不同光照强度下最为显著；不同湿度水平下，在64%RH时3个时期的POD活性均为最高，之后随着湿度的增加而显著降低（图2B）。CAT活性在不同因子水平下变化不一：随着光照强度的增加，整体呈上升趋势；随着温度的变化则呈先升高后下降的趋势；而随着湿度的增加，CAT活性呈逐渐降低的变化趋势。

图2 不同生态因子对烤烟叶片SOD、POD、CAT活性的边际值

2.3.2 生态因子对叶片抗氧化酶类活性影响的主效应分析 极差的变化可以反映各因子影响力的变化。由表5可知，在光照强度、温度、湿度3个因素中，光照强度对SOD、POD、CAT活性影响最大，是抗氧化酶类活性的主要影响因子，温度对抗氧化酶活性影响次于光照强度，湿度影响最小。在不同时期，SOD、POD活性对光照强度的响应逐渐减弱，CAT活性对光照强度的响应逐渐增强，移栽后102 d时湿度对CAT活性的影响逐渐增强。

表5 各因子对抗氧化酶类活性影响的极差

3 讨论

光合作用是植株体内物质形成的基础［22-23］，作为一个复杂的生理过程，植物光合作用受外界环境因子调节，对环境变化极其敏感［24］。本研究表明，光照强度是影响叶片光合速率的关键因子，温度为次要因子，湿度对光合速率的影响最小。随着光照强度的增加，光合速率呈先升高再降低的变化趋势，表明高光照强度使叶片出现了光抑制现象；随着温度的升高，光合速率呈逐步降低的趋势，光合作用减弱；随着湿度的增加，光合速率呈先升高再降低的变化趋势；这与Xu［3］、Elias［25］等的研究结果一致。

光合色素包括叶绿素和类胡萝卜素2类，叶绿素负责光能的吸收、传递和转化，类胡萝卜素则负责捕获光能及光破坏防御［26］。在成熟后期不同阶段，Chl a含量与光照强度、温度呈负相关关系，但其最适湿度则随着时间的推移而逐渐变小。Chl b的含量，在成熟后期不同阶段，随光照强度的升高而显著降低，但对于温度和湿度变化的响应并不灵敏。

胁迫条件下，植物能够通过叶黄素循环进行热耗散，减轻光氧化的伤害［27-28］。本研究中，高光照强度下Cars含量显著增加，有利于植株消耗过剩的光能，保护叶片不受强光损伤；但高温条件下Cars含量则较低。对于湿度来讲，随着叶片衰老程度的加剧，其最适湿度条件由82%、73%最终变为64%。可以推断，烤烟成熟后期高温、高湿条件可能会阻碍类胡萝卜素的产生，影响叶黄素的循环，不利于叶片通过叶黄素循环耗散过剩光能。

光照强度减弱，Chl a/b值减弱，有利于捕获漫射中占优势的蓝紫光，在一定程度上提高了光能的利用率，是植物对于弱光的适应反应；同时叶绿体对2，6-二氯酚靛酚的还原能力增加，叶绿体光合磷酸化活性提高［29］。当植物的光合机构接受的光能超过所能利用的限度时，则会发生光抑制，产生过剩激发能［30］。烤烟成熟后期，当外界湿度大时，Chl a/b值较低，若此时强光照射，植物会捕获更多的蓝紫光，使得光抑制现象严重加剧，造成光损伤及光合机构的破坏。仅从Chl a/b角度上考虑，高光照强度和低湿度条件较为相配。综合边际值结果可知，烟株成熟后期光照强度对光合色素含量影响最大，温度和湿度条件是次要因子，光合色素含量受三者共同调控。

强光下，过剩的光能通过电子传递链与分子氧结合形成超氧阴离子自由基［31］。抗氧化系统中，SOD将超氧阴离子自由基转化为H2O2，过剩的H2O2则被POD和CAT清除，以抵御细胞氧化损伤［32-33］。本研究表明，烤烟成熟后期SOD活性受光照强度、温度、湿度3个因子共同调控，且随三者的增大而降低。即植株在高光、高温、高湿条件下，叶片对超氧阴离子自由基清除能力下降，根据自由基伤害假说［34］可知，膜脂过氧化作用加剧，叶片易受损伤，导致叶片提前衰老。POD和CAT活性则主要受光照强度影响。值得注意的是，高光照强度、高温条件下使得POD活性升高，而高湿条件下则使得POD活性降低，即高光照强度、高温条件时，叶片清除过氧化物能力增强，但高湿条件时则阻碍了这一清除过程。

本研究结果表明，光照强度、温度、湿度作为主要的3个生态因子，协同调控着烤烟的成熟衰老。光照强度是影响成熟期烤烟光合作用及抗氧化活性的主要因子，温度和湿度这2个因子影响力稍弱。成熟后期不同阶段，各生态因子对烤烟的影响规律基本一致。其中光照强度和温度因子表现为相同的影响趋势，湿度因子在部分光合及抗氧化指标中表现出与光照强度、温度因子不同的影响趋势。