中圖分類號：S572.01 文獻標識碼：A文章編號：1007-5119（2025）02-0001-08

Influence of Field Maturity on Mechanical Harvesting Effect of TobaccoLeaves

WANG Peng1，2，GONG Daping1， GUAN Ensen3， XIE Minmin1， SUN Yujun3，REN Jiel， LIU Zichangl*， XU Xiuhongl

（1.Institute ofTobacco Researchof Chinese Academyof Agricultural Sciences/KeyLaboratoryofTobacco BiologyandProcesing，

MinistryofAgriculture andRural Afairs，Qingdao266101，China; 2.Graduate ScholofChinese Academyof Agricultural Sciences， Beijing100o81， China; 3.Shandong Weifang Tobacco Co.，Ltd.， Weifang 261205，Shandong， China）

Abstract：Toinvestigatetheefectsoffield-grownflue-curedtobacomaturityonmechanicalharvestingperformance，middle（C） andupper（B）leavesof Zhongyan100 were selectedas experimental materals.Thre maturity levels—low （M1）， medium （M2），and high （M3）were tested，andthefolowingprameters were measured： mechanicalharvestingualitymechanicalpropertyidices， stem-leaf angles，andcel wallelatedcomponents.Acorelationanalysiswasconductedbetweencellwallcomponentsand mechanical properties.Teresultsshowedthat： Withincreasing maturity，1）Themechanicalharvesting damageratefirstdecreased andthen increased.Thedamageratesof CM2and BM2were 6 . 9 6 % and 8 . 4 2 % ，respectively，withsignificant differencesbetween treatments.Theharestingcompleteness ategraduallyicreased，butnosignificant dierence wasobservedbtween mediumnd highmaturitylevels.2）he maximum tensileforceofmesophyllandveinsdecreased，whilethedisplacement atmaximumtensile forcencreasedTfibilityoeicietandongatioateeasd，eeasthesticouluseasdTeeinggth of veins showed a declining trend. 3） Cellulose，hemicelllose，and lignin contents exhibited a gradient decline （ C M 1 gt; C M 2 gt; C M 3 B M1 gt; B M2 gt; B M3 ） and were significantly positively correlated with elastic modulus and bending strength. 4） The stem-leaf angles of middle andupperleaves increased，whilethestem-leafbindingforcegraduallydecreased.Testem-leafanglesofCM3andBM3 were and ，respectively，which were deemed unfavorable for mechanical harvesting operations. Therefore，itisrecommendedtoperform mechanicalharvesting whenthefeld-grown tobacco leavesreach medium maturityto achieve collaborative optimization of net extraction rate and damage rate.

Keywords： flue-cured tobacco leaves; cell wall components; mechanical properties; mechanical harvesting

在現(xiàn)代煙草農業(yè)發(fā)展進程中，烤煙機械化采收具有重要意義，實現(xiàn)機械化采收可大幅提升作業(yè)速度，縮短采收時間，有效解決勞動力季節(jié)性短缺，同時降低人工成本支出[1]。然而，當前煙草機械化采收仍存在諸多問題，如破損率高、采凈率低、農機農藝融合程度低、采收成熟度對機械采收質量的影響不明確等。國內外關于成熟度對作物機械采收效果的影響已有一定研究，侯明濤等[2]研究了黃淮海區(qū)不同成熟度玉米機械化收獲情況，發(fā)現(xiàn)適時晚收可以降低機采玉米籽粒破碎率。周文卿等[3]研究發(fā)現(xiàn)棉花適中成熟度采收時，會減少落地棉和遺留棉數(shù)量，提高棉花機械采收采凈率，一定程度上能提高棉花機械采收質量。張任飛等4則發(fā)現(xiàn)較低成熟度時采收會降低番茄損傷程度。

成熟度通過影響植物纖維素、半纖維素及木質素等的含量影響其機械強度。張玉琴等[5研究發(fā)現(xiàn)纖維素、半纖維素等物質含量隨成熟度升高而逐漸降低。張秀麗等對不同成熟度烤煙莖葉結合強度進行探究，發(fā)現(xiàn)莖葉連接強度隨成熟度增加逐漸降低，成熟期較未成熟期下降 2 9 % 。植物組織機械強度主要由細胞壁強度決定7，而細胞壁主要由纖維素、半纖維素、木質素及果膠等多糖類物質組成。馬延華等8對不同品種的玉米莖稈地上部第3節(jié)抗穿刺強度與化學成分含量的相關關系進行研究，發(fā)現(xiàn)莖皮抗穿刺強度與莖皮纖維含量顯著正相關。Bonham等發(fā)現(xiàn)半纖維素隨機分布在纖維素表面，結構松散，主要影響細胞壁橫向力學性能。陳曉光等[10]發(fā)現(xiàn)提高莖稈木質素含量可以提升植株莖稈機械強度，增強植株的抗倒伏能力。莖葉夾角是決定作物株型的重要指標[11]，影響作物群體的透光和受光姿態(tài)，以及葉片的空間分布和整體構型。合理的莖葉夾角有助于減少葉片間的遮擋，使每片葉子都能得到充足的光照，進而影響植物的光合作用效率和生長狀況

目前煙葉田間成熟度對于烤煙機械采收質量和效果的影響并不清楚。因此，本研究通過分析不同成熟度煙葉的纖維素、半纖維素及木質素含量以及相關力學指標等，初步明確成熟度對烤煙機械采收效果的影響，確定適宜機械采收的烤煙成熟度，以期為改善烤煙機械采收效果提供理論和技術依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

試驗于2023年在山東省諸城市洛莊煙草試驗站科技示范園進行，種植面積 。供試品種為中煙100，由青島中煙種子有限責任公司提供。大田管理按當?shù)貎?yōu)質烤煙煙葉生產(chǎn)技術規(guī)程管理措施執(zhí)行。使用中國農業(yè)科學院煙草研究所自主研發(fā)的4YZ-1型全自動煙草分層采收機進行機械采收。

1.2 試驗設計

在煙葉成熟期選取大田長勢良好、均勻一致的煙株，在中、上部葉達到相應成熟標準時取樣。采用隨機區(qū)組設計，選取中部（9＼～11葉位）、上部（15＼～17葉位）煙葉為供試材料，設置3個成熟度處理，分別為低成熟度（CM1/BM1）、中成熟度（CM2/BM2）及高成熟度（CM3/BM3），共計6個處理（表1）。

1.3 測定指標及方法

1.3.1機械化采收破損率和采凈率測定每處理選取30株烤煙進行機械采收效果評價，采收機采收后測定各處理采下的鮮煙葉葉片數(shù) （ m ） 、采下的破損葉片數(shù)量 （ k ） 、未采下的葉片數(shù) （ n ） ，3次重復。破損葉片的判定標準：葉片撕裂長度大于葉寬的

1/4，或葉片缺失面積超過1/5，或煙葉主脈折斷缺失的長度超過其總長的 1 / 3 。參照李陽等[12]的方法計算各處理的采凈率 （ c ） 和破損率 （ p） ，計算公式如下：

1.3.2葉肉、葉脈拉伸力及主脈抗彎強度測定各小區(qū)中、上部葉達到相應成熟度后，選取各處理代表性煙葉10片，采用電子萬能試驗機（深圳三思縱橫科技有限公司）測定葉肉拉伸力，進行力學性能測試。試樣在自然狀態(tài)下制作，選擇無明顯蟲蛀、病害區(qū)域取樣，各葉片分葉尖、葉中、葉基3個部位取拉伸樣，取樣標準長度為 8 0 m m ，標距為2 5 m m ，試樣邊緣用剪刀修剪均勻，避免應力集中。為防止試樣在拉伸過程中出現(xiàn)滑移以及基部斷裂，在葉片與夾具間增加保護裝置橡膠塊，并用透明膠帶包裹加厚試樣兩端，便于夾具夾緊試樣。電子萬能試驗機的加載速度設定為 。按式（3）＼～（6分別計算葉肉應力、應變、彈性模量及柔度系數(shù)。

葉片取完葉肉拉伸樣后用于葉脈拉伸力測定，將主脈從葉基處開始量取 1 2 0 m m （選取樣品時盡量保證主脈橫截面尺寸大致相同），去除葉肉和支脈等部分，去除過程中要防止主脈受損。試驗時，首先將萬能試驗機調整至適宜高度，通過鎖緊裝置將煙葉主脈兩端夾持固定，兩端夾持長度分別為1 0 m m ，保證煙葉主脈與夾持裝置垂直，確保葉脈兩端受力均勻，將加載速度設定為 ，直至葉脈完全斷裂，按式（3）＼～（6）分別計算葉脈應力、應變、彈性模量及柔度系數(shù)。

主脈抗彎強度采用三點抗彎強度測試方法，利用電子萬能試驗機進行主脈抗彎強度試驗，各處理選取具有代表性的葉片10片，盡量保證主脈基部橫截面尺寸相同，去除葉肉及支脈，去除過程中防正主脈受損，從葉基處開始選取 主脈，將葉脈水平置于相距 8 0 m m 的兩個支撐點上，保證夾具穩(wěn)固且對齊，在兩個支撐點的中點上方向標本施加向下載荷，直至葉脈斷裂，試驗機以 的速度施加載荷，記錄樣品在斷裂時的最大加載力及相應形變量。按式（7）計算煙葉主脈抗彎強度。

式中： σ —煙葉試樣應力， M P a ： F 煙葉試樣拉伸力，N； S ——煙葉試樣的原始截面積， ; ε —煙葉試樣應變， 9 % —煙葉試樣變形后的長度， m ； 一 煙葉試樣的原始標距長度，m； E 一 煙葉試樣的彈性模量， M P a 。

式中： δ ——煙葉試樣的柔度系數(shù)， m m/ N -煙葉試樣的長度， m ； E ——煙葉試樣的彈性模量， M P a ; A 一 -煙葉試樣的原始截面積， O

式中： R ——試樣的抗彎強度， M P a ; F 試樣所受到的最大力， N ： ——試樣的跨距（長度）， m ; b ——試樣橫截面的寬度， m . h —試樣橫截面的厚度， m 。

1.3.3煙葉細胞壁成分測定將各處理測定葉肉和葉脈拉伸力后剩余部分烘干后用于細胞壁成分測定，細胞壁粗提物采用Turner等[13]的方法分離提純，纖維素含量測定采用Updegraff14的方法，半纖維素含量測定采用楊斌等[15]的方法，木質素含量測定采用紫外分光光度法[16]

1.3.4烤煙莖葉夾角及莖葉結合力測定各處理選取10株具有代表性的煙株進行莖葉夾角及莖葉結合力測定，測定葉位為中部（9＼～11葉位）、上部（15＼～17葉位），3次重復，莖葉夾角按照YC/T 的方法測定。莖葉結合力采用數(shù)顯測力計（衢州艾普計量儀器有限公司）測定，在距離主脈莖葉結合處 2 0 m m 處、平行于莖稈方向自上而下施加作用力并不斷下壓，直到莖葉結合處完全分離，利用峰值記錄模式測量最大結合力。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2019作圖及數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用LSD法進行單因素方差分析，采用皮爾遜相關系數(shù)法對數(shù)據(jù)進行相關性分析。

2結果

2.1不同成熟度煙葉的機械采收質量

不同成熟度下的煙葉機械采收破損率和采凈率如表2所示。中部葉破損率以CM2最低，較CM1、CM3分別降低5.64、1.99百分點；中部葉采凈率CM3最高，較CM1提高5.68百分點，與CM2差異不顯著。上部葉破損率以BM2最低，BM3次之，BM1最高，采凈率由高到低依次為BM3、BM2、BM1。

2.2 不同成熟度烤煙煙葉的力學特性

2.2.1葉肉及葉脈拉伸力如圖1所示，不同樣品的葉片拉伸力均呈先上升后下降的單峰趨勢。葉片拉伸經(jīng)歷預緊、彈性形變、斷裂3個階段，其中彈性形變階段的力-位移曲線近似直線，此時符合胡克定律，可用于求解煙葉機械強度等相關參數(shù)。上部葉和中部葉的拉伸力變化趨勢基本一致，均先升高達到峰值后下降，但同一成熟度的上部葉拉伸力大于中部葉拉伸力。隨著煙葉成熟度的升高，葉肉及葉脈拉伸力峰值隨之減小，拉伸力峰值位移增大。不同樣品的葉肉拉伸力均在位移 6～8 m m 內達到峰值，BM1拉伸力峰值較BM2和BM3分別高3 3 . 6 5 % 和 4 0 . 3 3 % ，CM1拉伸力峰值較CM2和CM3分別高 1 2 . 4 7 % 和 3 3 . 6 2 % 。不同樣品的葉脈拉伸力均在位移 2～3 m m 內達到峰值，BM1拉伸力峰值較BM2和BM3分別高 7 5 . 9 0 % 和 1 6 3 . 1 4 % CM1拉伸力峰值較CM2和CM3分別高 5 2 . 3 7 % 和 1 4 5 . 5 2 % 。

2.2.2葉肉力學特性如表3所示，隨著成熟度增加，烤煙中、上部葉肉彈性模量均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，而柔度系數(shù)和伸長率則呈逐漸升高趨勢，處理間差異均達到顯著水平。CM3較CM1、BM3較BM1彈性模量分別降低了 2 9 . 8 6 % 、 2 3 . 2 8 % ，伸長率分別提高了1.76、1.69百分點，柔度系數(shù)分別提高了 7 2 . 9 7 % 、 6 3 . 8 5 % 。說明成熟度越高葉肉的柔韌性（柔度系數(shù)及伸長率）越高而剛性（彈性模量）越低。

2.2.3葉脈力學特性如表4所示，隨著成熟度升高，烤煙中、上部葉脈彈性模量及抗彎強度遞減，柔度系數(shù)及伸長率則同步升高，處理間的差異均達到顯著水平。CM3較CM1、BM3較BM1彈性模量分別降低了 8 8 . 2 2 % 、 8 0 . 5 5 % ，抗彎強度分別降低了 4 0 . 7 4 % 、 4 2 . 9 4 % ，伸長率分別提高了2.76、1.70百分點，柔度系數(shù)分別提升了 1 1 0 % 、3 5 0 % 。葉脈的力學性能變化情況與葉肉部分基本一致。

2.3不同成熟度煙葉的細胞壁有關成分含量

如圖2所示，隨成熟度升高，纖維素、米纖維素、木質素等成分含量下降，但中、低成熟度煙葉的纖維素含量差異不顯著。CM2、CM3纖維素含量較CM1分別下降8.19、10.21百分點，BM2、BM3纖維素含量較BM1分別降低8.00、8.23百分點。CM3半纖維素、木質素較CM1分別下降2.72、4.09百分點；BM3半纖維素、木質素較BM1分別下降2.52、2.27百分點。

2.4烤煙煙葉力學特性與細胞壁有關成分的相關 性分析

為探索不同成熟度煙葉細胞壁有關成分對煙葉力學特性的影響程度，對兩者進行相關性分析，結果如圖3所示。葉肉彈性模量、葉脈彈性模量、葉脈抗彎強度與纖維素、半纖維素及木質素含量極顯著正相關；葉肉伸長率、葉肉柔度系數(shù)、葉脈伸長率、葉脈柔度系數(shù)與纖維素、半纖維素及木質素含

量極顯著負相關。

2.5不同成熟度煙葉的莖葉夾角及莖葉結合力

2.5.1不同成熟度烤煙的莖葉夾角差異如圖4所示，CM1＼～CM3莖葉夾角的平均值分別為 、 、 ，BM1＼～BM3莖葉夾角的平均值分別為 、 、 。CM3較CM1均值升高了 7 8 . 6 2 % ，BM3較BM1均值升高了 8 7 . 0 1 % 。說明中、上部葉莖葉夾角均隨成熟度升高而增大。2.5.2不同成熟度烤煙的莖葉結合力差異如表5所示，隨著成熟度的增加，中、上部莖葉結合力呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，CM1、BM1莖葉結合力最大，CM3、BM3莖葉結合力最小，CM3較CM1降低了 6 6 . 2 8 % ，BM3較BM1降低了 6 2 . 8 0 % 。

3討論

在煙葉成熟過程中煙葉的纖維素、半纖維素、木質素等物質含量均會發(fā)生顯著變化，與此同時煙

葉的力學特性也會隨之發(fā)生改變。韌性是指材料受到使其發(fā)生形變的力時對折斷的抵抗能力。在機械化采收作業(yè)過程中，具有拉伸彈性模量小、抗彎強度小、柔軟等韌性材料典型特點的煙葉，能夠通過形變卸載大部分載荷進而保護煙葉減少機械損傷。因此，提升煙葉的韌性是降低機械損傷的有效措施。纖維素、半纖維素及木質素是影響細胞壁機械強度的重要物質[18]，本研究發(fā)現(xiàn)隨成熟度的升高，煙葉中的纖維素、半纖維素及木質素含量不斷降低，相應的剛性（彈性模量和抗彎強度）逐漸降低，韌性（伸長率和柔度系數(shù)）顯著提升，細胞壁成分含量與煙葉力學特性指標呈顯著相關，這與前人的研究結果相似[19-20]。而葉片機械強度降低的原因可能是纖維素含量的降低引起了 β -1，4-葡萄糖苷鍵和氫鍵比例的減少，導致網(wǎng)狀結構發(fā)生變化[21]，具體影響機制還需進一步研究。而實際機械采收效果顯示，中成熟度（M2）破損率最低，其次是高成熟度（M3），低成熟度（M1）最高，這可能是因為采收效果還會受到莖葉夾角及莖葉結合力的影響。

莖葉夾角通過影響煙株的作業(yè)空間進而影響煙葉機械采收破損率與采凈率[22]。本研究發(fā)現(xiàn)隨著成熟度的升高，中、上部莖葉夾角不斷變大，這與王懷珠等[23]研究結果一致。當成熟度為M3時，中、上部莖葉夾角范圍分別為 和

，此時葉片披垂程度較大，上層煙葉對下層形成遮擋導致葉片間隙減小，壓縮采摘機作業(yè)空間，葉片碰傷風險加大，導致煙葉破損率上升?？緹煙熑~采收是以莖葉分離為基礎的，莖葉結合力是影響莖葉分離的最重要因素。隨著煙葉成熟度的升高，莖葉結合力逐漸變小，這與張秀麗等研究結果一致。當中、上部鮮煙成熟度為M1時，離層尚未完全形成，莖葉結合力過大，剝離不徹底，易造成重復采摘，進而增加莖皮與葉肉的損傷風險，且此時莖葉夾角小，采摘裝置無法從葉脈基部施加載荷，從而導致煙葉采凈率降低。當鮮煙葉成熟度為M3時，離層已經(jīng)形成，莖葉結合力最小，煙葉極易從莖稈剝離，因此，采凈率隨成熟度的增加而升高。當中部葉與上部葉鮮煙成熟度為M2時，莖葉夾角適中，莖葉結合力適宜，機具作業(yè)時擁有更好的空間性，莖葉可徹底分離，既能保持最低的破損率又能夠實現(xiàn)較高的采凈率，此時采收效果最佳。因此，選擇中成熟度煙葉可能利于機械采收過程中破損率與采凈率的協(xié)同優(yōu)化。

4結論

本研究通過探索成熟度對煙葉力學特性、作業(yè)空間的影響，分析了成熟度對機械采收效果的影響。結果表明，隨著烤煙煙葉成熟度的提高，煙葉中的纖維素、半纖維素和木質素含量降低，莖葉夾角增大，莖葉結合力降低，煙葉韌性逐漸增強?；谏鲜鰴z測數(shù)據(jù)的綜合分析發(fā)現(xiàn)，中成熟度煙葉在力學特性與作業(yè)空間最適宜，使得煙葉機械采收破損率最低且采凈率較高，綜合采收質量最優(yōu)，可作為烤煙機械采收參考成熟度。

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