土壤-氣候和烤煙品種及其互作對昭通煙葉重金屬含量的影響

黃愛纓，木志堅，王 強，蔣珍茂，黃 韡，查宏波，倪 霞，魏世強*

（1.西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，重慶 400716；2.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716；3.云南省煙草公司昭通市公司，云南 昭通 657000）

重金屬含量是影響煙葉品質(zhì)及其吸食安全性的重要因素[1-2]。煙草對重金屬的吸收和積累與土壤性質(zhì)有著密切的聯(lián)系，并受到品種、耕作栽培措施和氣候等因素的綜合作用[1-3]。分析不同煙區(qū)的土壤生態(tài)環(huán)境條件與煙葉重金屬含量的關(guān)系，對煙葉產(chǎn)區(qū)科學(xué)擇優(yōu)布局、因地制宜采用煙葉生產(chǎn)技術(shù)措施、提高煙葉品質(zhì)具有現(xiàn)實意義。昭通煙區(qū)是云南主要煙葉產(chǎn)區(qū)之一，目前年產(chǎn)煙葉約5000萬kg。本研究試圖通過對昭通市 10個典型植煙生態(tài)區(qū)土壤、氣象和煙葉重金屬含量的調(diào)查分析，探討土壤-氣候、煙草品種及其交互作用對煙葉重金屬含量的影響，以期為該煙區(qū)特色煙葉的開發(fā)和煙葉品質(zhì)的提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 田間試驗方法

在昭通市7個植煙縣（區(qū)）的10個具有典型土壤-氣候特征的微生態(tài)區(qū)即村社，選擇土地連片，肥力中等的地塊，于2011年進行田間布點試驗（表1）。試驗地土壤類型除巧家縣白鶴灘鎮(zhèn)法土村為紫色土、彝良縣海子鄉(xiāng)瓦廠村為紅壤外，其他皆為黃壤。供試烤煙品種有 8個，每個品種種植 0.3～0.4 hm2，不設(shè)重復(fù)。部分品種在有些試驗點沒有種植，因此整個研究的試驗地有62塊（表2）。煙苗的育苗方式全部為漂浮育苗，移栽期為5月上旬至中旬，移栽規(guī)格為行距110～120 cm、株距50～60 cm?；什捎脤Ｓ脧?fù)合肥m(N):m(P2O5):m(K2O)=10:14:24，定位環(huán)形施肥，施用量為600～825 kg/hm2。追肥期在5月下旬至6月中旬，施用硝酸鉀[m(N):m(K2O)=14:47]225～300 kg/hm2。其他栽培管理措施按照當(dāng)?shù)乜緹熢耘嗉夹g(shù)規(guī)范統(tǒng)一操作。在每個試驗點建立 1個自動氣象站，每10 min記錄1次氣象數(shù)據(jù)。各試驗點 2011年煙草大田生長期的主要氣象觀測值見表1。

1.2 煙葉取樣及分析測定項目

在8月初至9月底煙葉成熟期間，每個品種按試驗點取上、中、下部位煙樣各5 kg。選取當(dāng)?shù)厮a(chǎn)煙葉數(shù)量最大的色組取樣，即煙葉質(zhì)量以橘黃色為主的分別取B2F、C3F、X2F三個等級，共取煙葉樣品186個。收集的煙葉于40 ℃下烘干、粉碎過 40目篩后，分析測定化學(xué)成分含量。銅、鋅、鎳、鉛、鎘采用原子吸收分光光度法，砷采用二乙基二硫代氨基甲酸銀比色法，汞采用冷原子吸收法。

表1 試驗點的地理位置以及煙草大田生長期的氣象數(shù)據(jù)Table 1 Site information and Climatic data during the field growth stage of tobacco

表2 各試驗點種植的煙草品種Table 2 Tobacco varieties planted at each experimental site

1.3 土壤取樣及分析測定項目

于7月煙葉現(xiàn)蕾至封頂期間，在每個品種種植地塊內(nèi)，通過S型取樣法在壟上植株附近采集0～25 cm土壤，取樣時盡量避開施肥位點，多點土樣（5～10個點）均勻混合、四分法反復(fù)取舍至剩下2 kg，自然風(fēng)干。共采集62個土樣。樣品用瑪瑙研缽磨碎過篩后，依照文獻[4]中的方法測定 pH、有機質(zhì)、全氮、速效氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效銅、有效鋅、總鎳、總鉛、總鎘、總汞、總砷等指標。

1.4 統(tǒng)計分析

本試驗涉及土壤-氣候、煙草品種和等級3個因素，其中土壤-氣候 10個水平（試驗點）、品種 8個水平、等級3個水平。由于部分品種在某些試驗點沒有種植，測試煙葉又是采自同一品種的上、中、下部位，因此試驗數(shù)據(jù)具有非平衡性和重復(fù)性。據(jù)此，采用SAS 9.3 for Windows 統(tǒng)計軟件包的混合模型（Mixed model）程序進行重復(fù)測量方差分析（Repeated Measures Analysis of Variance），以檢驗試驗因素的效應(yīng)是否顯著。在重復(fù)測量方差分析時，將土壤-氣候和煙草品種作為分組因素、煙葉等級作為重復(fù)測量因素。引入偏Eta平方值（η2partial）來比較試驗因素及其互作對煙葉各化學(xué)成分變異的貢獻率大小[5]。當(dāng)η2partial＜0.06時表示弱影響效應(yīng)，0.06＜η2partial＜0.16時為中度效應(yīng)，＞ 0.16時為強效應(yīng)[3]。在因素效應(yīng)顯著性檢驗的基礎(chǔ)上，采用逐步回歸法進一步篩分影響煙葉重金屬及砷含量的主要土壤和氣象因子。為保證數(shù)據(jù)獨立性的要求，對同一試驗點同一品種不同等級煙葉的重金屬含量取算術(shù)平均后再進行回歸分析。以顯著性水平P= 0.05作為變量取舍的臨界值。

2 結(jié) 果

2.1 煙葉重金屬含量的基本統(tǒng)計量

同一種重金屬，在不同土壤-氣候條件（試驗點）下的煙葉中含量變化較大（表3），但在不同品種和不同等級的煙葉中變化較?。ū?、5）。各重金屬含量在不同土壤-氣候條件下的變異系數(shù)都大于10%，屬中等變異強度，表明它們受土壤-氣候因素的影響都較大。煙草品種和煙葉等級對重金屬含量的影響則與重金屬種類有關(guān)。Cu和As含量在不同煙草品種和煙葉等級下均呈中等變異強度，說明Cu和As含量受品種和等級的影響也較大。相反，Zn、Ni、Pb和Hg在不同品種和等級下的變異都較小。Cd則在不同等級下也呈中等變異強度，表明煙葉等級對Cd含量也有較大的影響。

2.2 土壤-氣候和品種及其互作對煙葉重金屬含量的影響

將土壤-氣候和煙草品種作為分組因素、煙葉等級作為重復(fù)測量因素進行方差分析，結(jié)果見表6。除As外，煙葉中其他重金屬的含量在不同土壤-氣候栽培條件下差異極顯著（P＜0.0001），相應(yīng)的偏Eta平方值（η2partial）均大于 0.16，表明土壤-氣候?qū)@些重金屬的含量影響很大。不同品種煙葉的Cu和Zn含量有一定的差異（P＜0.1），但Ni、Pb、Cd、Hg和 As的含量差異不顯著（P＞0.49）。與不同重金屬對應(yīng)的品種η2partial均小于0.06，因此品種對煙葉重金屬含量的影響很弱。但土壤-氣候和品種的互作對煙葉 Cd含量的影響極顯著（P=0.0003）、對Cu、Zn、Ni、Hg含量的影響也較顯著（P＜0.09），而對 Pb和 As含量的影響則不顯著（P＞0.2）。從η2partial看，土壤-氣候和品種互作對煙葉 Cd含量具有高度影響效應(yīng)，對Cu、Zn、Ni、Hg含量為中度影響效應(yīng)，對Pb和As含量為弱效應(yīng)。煙葉等級對Cu、Ni、Pb和Cd含量具有中度影響效應(yīng)，對Zn、Hg和As含量則為弱影響效應(yīng)。

表3 不同土壤-氣候條件下煙葉重金屬含量的基本統(tǒng)計量 平均值±標準差Table 3 Descriptive statistics of heavy metal contents of tobacco leaves under different soil-climate conditions

表4 不同煙草品種煙葉重金屬含量的基本統(tǒng)計量 平均值±標準差Table 4 Descriptive statistics of heavy metal contents of tobacco leaves with different varieties

表5 不同等級煙葉重金屬含量的基本統(tǒng)計量Table 5 Descriptive statistics of heavy metal contents of tobacco leaves with different leaf grades

將 Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Hg和 As的土壤-氣候、品種及其互作和品質(zhì)的η2partial進行算術(shù)平均，其值分別為0.252、0.015、0.098、0.075；轉(zhuǎn)換成百分率后，其值分別為57.3%、3.4%、22.3%、17.0%。此表明土壤-氣候、品種及其互作和煙葉等級對煙葉中 7種重金屬含量總變異的貢獻率別為 57.3%、3.4%、22.3%、17.0%，土壤-氣候?qū)熑~重金屬含量的影響最大，品種的影響則可忽略不計。

表6 土壤-氣候、煙草品種和煙葉等級對煙葉重金屬含量影響的重復(fù)測量方差分析Table 6 Repeated measures analysis of variance for the effect of soil-climate conditions, tobacco variety and leaf grade on the contents of heavy metals in tobacco leaves

2.3 影響煙葉重金屬含量的主要土壤和氣象因子

以煙葉重金屬成分為因變量，土壤理化指標（pH、有機質(zhì)、全氮、速效氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效銅、有效鋅、總鎳、總鉛、總鎘、總汞、總砷）和氣象參數(shù)（降雨頻率、降雨量、日均溫、晝夜溫差、相對濕度）為解釋變量，進行逐步回歸分析。結(jié)果表明，煙葉中不同重金屬成分的回歸模型各不相同（表7）。換言之，煙葉中不同重金屬的含量，與不同的土壤和氣象因子有關(guān)。土壤因子對煙葉成分的影響看來是普遍和主要的。影響煙葉Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Hg和As含量的主要土壤因子分別為：土壤有效Cu、速效K；速效K、總Ni；有效Cu、有效Zn；全K、交換性鎂、總Hg；交換性鎂、總Pb、總As；有機質(zhì)、有效 Zn；總 Ni。在氣象因子中，煙草大田生長期日均溫和降雨頻率及降雨量分別對煙葉Pb和Hg含量表現(xiàn)出一定的影響。上述一個或多個土壤和氣象因子組合可解釋煙葉化學(xué)成分含量變異的10%～50%。

表7 土壤-氣象因子與煙葉化學(xué)成分的逐步回歸分析Table 7 Stepwise regression analysis of heavy metal contents in tobacco leaves with soil and climate factors

3 討 論

3.1 與其他煙區(qū)煙葉重金屬含量的比較

昭通市10個試驗點煙葉中Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Hg和As的平均含量分別為8.12、39.98、5.29、10.21、1.57、0.02和0.14 mg/kg（表3）。文獻報道的我國主要煙區(qū)煙葉中 Cu的平均含量為9.42～32.24 mg/kg[6]，Zn 為 30.61～39.48 mg/kg[7-8]，Ni為 0.71～2.84 mg/kg[6]，Pb 為 0.89～9.65 mg/kg[6,9]，Cd 為 0.15～9.42 mg/kg[6,9]， Hg 為 0.04～0.11 mg/kg[10]，As為 0.14～0.90 mg/kg[6,9]。與其他產(chǎn)煙區(qū)比較，昭通煙區(qū)煙葉重金屬的含量分布特點可概括為低Cu、Hg、As和高Ni，其他重金屬如Zn、Pb、Cd含量則基本上在其他煙區(qū)煙葉的含量范圍內(nèi)。

3.2 影響煙葉重金屬含量的因素

國內(nèi)外研究表明，煙葉化學(xué)成分與產(chǎn)區(qū)的土壤、氣候、耕作栽培措施和煙草品種等因素有著密切的關(guān)系[1,3,11-13]。本研究也證實，在耕作栽培措施基本一致的條件下，土壤-氣候條件對煙葉Cu、Zn、Ni、Pb、Cd和Hg含量具有高度影響效應(yīng)，品種對它們的影響則很弱（表6）。土壤-氣候和品種的互作效應(yīng)則隨重金屬的種類而異。相似地，土壤-氣候、品種及其互作對煙葉不同重金屬含量變異的貢獻率也不一樣。土壤-氣候?qū)λ鼈兛傋儺惖呢暙I率為57.3%，品種為 3.4%，土壤-氣候和品種互作為22.3%，煙葉等級為 17.0%（表6）。因此，可初步判斷昭通煙區(qū)煙葉重金屬含量主要是受土壤-氣候因素控制。品種對煙葉重金屬的吸收和積累的影響則可忽略不計，這與張艷玲等[9]的研究結(jié)果一致。

逐步回歸分析進一步發(fā)現(xiàn)，土壤不同因素與煙葉重金屬含量都有一定程度的聯(lián)系，而氣象因素（如氣溫、降雨頻率和降雨量）僅與煙葉中個別重金屬（如Pb和Hg）含量相關(guān)（表7）。這表明土壤條件對煙葉重金屬含量的影響具有主導(dǎo)性和普遍性，氣象條件的影響則是次要的。相反，易建華等[3]發(fā)現(xiàn)，氣候?qū)熑~還原糖、煙堿和總氮的影響顯著，土壤對它們的影響則不明顯。煙葉中重金屬和其他化學(xué)成分的來源和代謝途徑不一樣，這可能是土壤和氣候?qū)λ鼈兊挠绊懶?yīng)不同的原因。影響煙葉不同重金屬含量的土壤因素也不一致（表7）。因此，應(yīng)針對不同的重金屬種類，采取不同的植煙土壤改良措施來調(diào)控?zé)熑~重金屬含量。另外，必須指出的是，本研究選取的土壤和氣候因素只解釋了煙葉重金屬含量變異的 10%～50%，還有一半以上的變異沒有獲得解釋。這可能是因為還有一些對煙葉重金屬含量有重要作用的土壤環(huán)境因素沒有被考慮到，但也可能是由于土壤不同因素之間以及土壤與氣候、耕作栽培活動之間存在著復(fù)雜的交互作用，而我們的數(shù)學(xué)分析手段還不足以反映這些作用。本研究是在對土壤和氣象條件沒有控制的野外大田上進行的，今后可進一步開展不同生態(tài)區(qū)間植煙土壤的交換試驗或在同一生態(tài)區(qū)內(nèi)控制氣候的微區(qū)試驗，以深入探討土壤和氣候因素對煙葉重金屬含量的影響及其機制。

4 結(jié) 論

與其他產(chǎn)煙區(qū)相比，昭通煙區(qū)煙葉中 Cu、Hg和As的含量較低，但 Ni含量較高。土壤-氣候、煙草品種及其互作和煙葉等級對昭通煙葉重金屬含量的影響程度不同，土壤-氣候條件對煙葉 Cu、Zn、Ni、Pb、Cd和Hg含量具有高度影響效應(yīng)，品種對它們的影響則很弱。土壤-氣候和品種的互作效應(yīng)和煙葉等級的影響則隨重金屬的種類而異。它們對煙葉中 7種重金屬含量總變異的貢獻率分別為57.3%、3.4%、22.3%、17.0%，土壤-氣候?qū)熑~重金屬含量的影響最大，品種的影響則可忽略不計。在土壤-氣候因素中，土壤對煙葉重金屬含量的影響具有主導(dǎo)性和普遍性，而氣象因子的作用則是次要的。煙葉中不同重金屬含量受到不同的土壤和氣象因子的制約。

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