不同葉面肥對烤煙Cd吸收及煙葉品質的影響

李曉越，段淑輝，周志成，劉勇軍，李杉杉，趙中秋，王 萌，陳世寶*

（1 中國地質大學土地科學與技術學院，北京 100083；2 湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南長沙 410128；3 湖南省煙草科學研究所，湖南長沙 410010；4 農業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點試驗室/中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

鎘 (Cd) 是煙草非必需營養(yǎng)元素，但煙草是Cd的高富集作物。Cd污染不僅造成土壤肥力的下降，抑制煙草的生長發(fā)育，而且會影響煙草的品質[1–3]。隨著農田土壤重金屬污染的日益加劇，重金屬已成為影響煙草安全生產的重要因素之一。在重金屬元素中，Cd具有毒性大、污染普遍等特點，而煙葉中的Cd具有易揮發(fā)、在煙氣中的遷移比例高等特點[4–5]，更易對人體造成危害。過去一直把降害的焦點集中在降低烤煙的焦油上，而目前越來越多研究表明，重金屬污染也是危害煙草安全生產的重要因素之一[6–7]，因此，降低煙草對Cd的吸收、累積對低危害煙草種植具有重大意義。

降低Cd向土壤–煙草系統(tǒng)中的遷移是控制煙葉中Cd含量的有效方法。近些年來，國內外針對Cd從土壤向煙草遷移與控制技術等進行了較多研究，如降低土壤中Cd有效形態(tài)的含量，采用不同施肥措施[8]，利用陽離子拮抗作用[9]等，而針對利用葉面肥進行作物降Cd效果的研究較少，且多以小麥、水稻等作物為研究對象[10–12]，如靳磊等[12]根據(jù)離子拮抗原理，在水稻不同生長期，噴施Zn葉面肥，水稻籽粒中Cd降低達45.8%；劉永賢等[13]利用Se、Si葉面肥噴施水稻后，籽粒Cd降低達83.3%。關于葉面肥對煙草的研究多集中在葉面肥對煙草幼苗生長、煙葉品質和抗病性的影響方面[14–15]，對煙草降Cd效果的研究鮮見報道。隨著我國農田高度集約化生產，土壤中有機質與微量元素的含量逐年減少。研究表明，在煙草生長發(fā)育過程中施用不同微量元素肥料，有促進植株生長、增加產量、提高煙葉品質的效果[16]，所以在生產實踐中，通常把噴施Zn、Se等微量元素葉面施肥作為調節(jié)作物營養(yǎng)、促進作物生長的一項有效措施[14,17]。

作為Cd富集作物，煙草對Cd的吸收、累積分配規(guī)律不同于其他重金屬元素，Pb、Hg、As等主要累積在煙草的根系中，難以向莖葉部轉運，而Cd在煙草中的遷移性較強，Cd在煙草不同部位的含量順序為葉 ＞ 莖和根，煙草植株中的Cd有80%以上累積在葉片中[7,9,18]。土壤中的Cd主要以自由Cd2+或Cd的低分子有機或無機絡合物形式，通過Ca2+、Zn2+、K+等離子通道轉運進入根細胞質外體中，再通過蒸騰作用進入中柱木質部和韌皮部長距離轉運至莖葉[18]。進入植物體細胞的Cd將大部分與不同蛋白質官能團絡合形成有機、無機Cd絡合 (螯合) 物，一部分可溶Cd通過H+/陽離子反向運輸器、ATP酶、ABC轉運蛋白等途徑轉運到液泡中[19–20]。葉面氣孔是植物與外界環(huán)境進行物質交換的主要通道, 氣孔通過調節(jié)其開閉狀態(tài), 控制著水分、養(yǎng)分離子及CO2等進入植物體內, 從而達到生理平衡[21–22]。在噴施葉面肥過程中，植物通過葉面葉孔直接吸收葉面肥中的養(yǎng)分元素與陽離子，因此，葉片是植物最重要的根外營養(yǎng)器官。不同作物葉表含有數(shù)量不等的葉孔，利用葉面施肥打破了土壤根部施肥的傳統(tǒng)方式，更加直接便捷，葉面肥具有針對性強、養(yǎng)分利用率高、肥料用量少的特點[23]，且避免了不當施肥造成的土壤污染；而基于離子拮抗與植物營養(yǎng)原理，開展不同葉面肥對煙草Cd吸收與品質成分影響研究，對植煙區(qū)Cd污染土壤的煙草安全生產具有重要意義，鑒于此，本研究針對煙草植株葉面大，吸收效果好的生理特性，以自制3種不同葉面肥，通過盆栽試驗探究葉面肥對降低煙葉Cd吸收的效果以及煙草品質變化的響應特征。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與煙草品種

采集了我國南方三個不同植煙區(qū)0—20 cm的表層土壤，根據(jù)土壤類型分別記為樣點紅泥田 (A)、黃泥田 (B) 和青紫泥田 (C)。將采集的土壤經自然風干，剔除植物根系與礫石后，過2 mm篩后進行土壤理化性質測定[24]。供試土壤的基本理化性質見表1。供試烤煙品種為我國南方主栽烤煙品種‘云-87’和‘K-326’。

1.2 供試葉面肥

試驗采用3種葉面肥 (由中國農業(yè)科學院提供)進行盆栽試驗，其性質與成分見表2。三種葉面肥分別為：葉面肥-1 (代號FI-1)；以油菜秸稈粉碎 (＜ 2 mm)后，在室溫 (25 ± 2)℃條件下發(fā)酵，將發(fā)酵液與Zn2+制備成含Zn濃度約為10 mg/L的液體有機絡合-Zn葉面肥；葉面肥-2 (代號FI-2)；以0.1 mol/L堿溶液提取有機肥中腐植酸后，再利用稀酸分離方法得到低分子富里酸 (FA)，將FA與K+水溶液按照一定比例混合后，制備成濃度約為100 mg/L的液體腐植酸絡合-K型葉面肥；葉面肥-3 (代號FI-3)，將有機硅乳液[有機硅氧烷R2Si(OH)2與表面活性劑、去離子水混合后的乳濁液]與Fe2+溶液按照一定比例混合后，得到含鐵約為10 mg/L的液體硅溶膠鐵型葉面肥，上述溶液中Zn、K、Fe陽離子含量以儀器測定值為準。

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 physic-chemical properties of tested soils

表2 不同葉面肥的性質與主要成分 (g/L)Table 2 The pH values and main nutrient contents of the foliar fertilizers

1.3 試驗處理

采用盆栽試驗，每盆裝土10 kg，按照烤煙種植管理方法，每盆加入氮磷鉀底肥及煙草專用肥后并達到70%的最大田間持水量。將在育苗盤育苗好的煙苗移栽至盆中，每盆移栽1棵煙苗。試驗設置對照 (CK，噴施去離子水)、FI-1、FI-2及FI-3共4個處理，每一種土壤共有8個處理，每個處理3次重復，共有72盆。葉面肥的應用方法如下：當煙草移苗后第21天時，第一次將上述葉面肥以噴霧形式噴灑到煙草植株葉片上，將上下葉片全部噴濕即可，連續(xù)噴施3天；按照上述方法，在煙草生長期為團棵期時 (第36天，10～13片葉) 進行第二次噴施，連續(xù)噴施3天；第三次噴施日期為煙草旺長期 (第49天，團棵到現(xiàn)蕾期間)，連續(xù)噴施3天。每次葉面肥噴施時間均為下午5～6點。試驗于移栽后8周采摘下部葉3片，中、上部葉于試驗結束時 (移栽后118天) 采集。收獲時，同時采集植株莖、根及土壤樣品后，將根表泥土先用自來水沖洗干凈，然后用去離子水沖洗3遍后，分別編號。根據(jù)測定項目不同，進行65℃條件下殺青后，烘干6～10 h至恒重待測。

1.4 測定方法

1.4.1 土壤理化性質測定 土壤pH、有機質含量、陽離子交換量 (CEC) 及粘粒 (＜ 0.002 mm) 含量的測定按照《土壤農化分析手冊》中的方法[25]進行測定；土壤陽離子交換量采用非緩沖的硫脲銀方法測定；土壤的電導率在水土比為2.5∶1 的條件下振蕩1 h，靜置30 min后測定；土壤黏粒含量通過吸管法測定；土壤pH按照土/水比為1∶2.5，以電位法測定懸液pH值。

1.4.2 土壤中Cd含量測定 采用GB/T17141-1997[25]的方法：稱取0.20 g (精確至0.001 g) 過0.10 mm篩的土壤樣品于100 mL聚四氟乙烯坩堝中，用鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸消解后，過濾定容至50.0 mL刻度管中，利用等離子發(fā)光光譜儀 (ICP- MS) 進行測定。1.4.3 烤煙中Cd含量測定[26]煙葉中Cd含量測定采用HNO3–H2O2微波消解后等離子發(fā)光光譜儀測定法進行測定：稱取樣品約1.00 g于消解罐中，加濃硝酸 (優(yōu)級純) 6 mL和H2O22 mL，加蓋擰緊，搖勻放置過夜，上機消解，160℃左右趕酸至盡干，5%硝酸轉移定容到25 mL容量瓶中，利用等離子發(fā)光光譜儀進行Cd含量測定。

1.4.4 巰基 (-SH) 含量測定 采用碘量返滴定法測定[24]吸取2.0 mL經過0.22 μm的溶液放于100 mL碘量瓶中，加入5 mL無水乙醇、10 mL質量分數(shù)36%醋酸，然后加入0.400 g碘化鉀，待碘化鉀完全溶解后，迅速滴加10 mL 0.03 mol/L碘酸鉀溶液，加蓋放冰水中冷卻5 min，用0.03 mol/L硫代硫酸鈉溶液滴定至黃色消失為止。

1.4.5 煙葉主要化學成分測定[27]在煙草收獲期，在每個處理取選中部 (第9～10片) 上部 (第12～13片) 葉，在60℃條件下烘干至恒重，粉碎、過0.25 mm篩，稱取葉樣0.200 g，采用San++(荷蘭SKALAR公司)連續(xù)流動分析儀測定煙葉總糖和還原糖、煙堿、總氮、氯等化學成分；采用722分光光度計測定煙葉鉀含量，并計算總糖/堿、氮/堿、鉀/氯。

1.5 統(tǒng)計分析

所有試驗數(shù)據(jù)采用Excel2007和SAS9.2分析，進行不同處理間的顯著性 (P ＜ 0.05) 方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同葉面肥對煙草生物量的影響

從圖1可以看出，噴施3種不同葉面肥后，對云-87與K-326的煙葉干重有明顯增加作用。紅泥田試驗中，對照土壤中云-87與K-326每盆干重分別為19.67 g和21.44 g，噴施葉面肥后，云-87與K-326煙葉干重為20.71～23.41 g和22.64～25.45 g，云-87與K-326的煙葉干重分別增加5.30%～19.0%和5.6%～18.7%。黃泥田試驗結果表明，噴施不同葉面肥后，與對照相比，云-87與K-326的煙葉干重分別增加為8.5%～24.4%和9.8%～21.9%；青紫泥田試驗中，3種不同葉面肥對云-87與K-326的煙葉干重分別增加2.5%～16.1%和9.5%～30.8%。不同葉面肥在三種不同性質土壤中對煙葉增重效果順序為FI-1 ＞ FI-2≈FI-3。

2.2 不同葉面肥對烤煙煙葉Cd含量的影響

從圖2可以看出，噴施3種不同葉面肥后，對云-87與K-326的中部煙葉Cd有明顯降低作用。在紅泥田土壤試驗中，對照處理的云-87與K-326煙葉中Cd含量分別為1.59 mg/kg和1.92 mg/kg，噴施3種不同葉面肥后，云-87與K-326煙葉Cd含量比對照降低18.0%～35.7%、26.2%～40.2%，其中葉面肥FI-1處理對Cd吸收的降低效果最為顯著。在黃泥田的試驗結果顯示，與對照相比，3種不同葉面肥對云-87與K-326煙葉Cd含量的降低幅度分別為10.3%～36.1%、24.8%～42.2%；在青紫泥田土壤試驗中，3種不同葉面肥對云-87與K-326煙葉Cd含量的降低幅度分別為26.1%～33.0%、19.4%～30.8%。不同葉面肥對三種不同性質土壤中煙葉Cd 降低的效果為 FI-1 ＞ FI-2 ＞ FI-3。

圖1 不同葉面肥處理對煙葉干重的影響Fig. 1 Dry weight of tobacco leaves under different foliar fertilizers

圖2 葉面肥對烤煙中部煙葉Cd含量的影響Fig. 2 Cd content of middle tobacco leaves under different foliar fertilizers

2.3 不同葉面肥對煙草品質成分的影響

相對于下部與上部煙葉，煙草的中部葉 (腰葉)由于具有非常良好的配和特性、不易于破碎和較高煙葉成絲率等特點，因此，優(yōu)質的中部葉是煙草優(yōu)質栽培的重要關注指標之一[28]。本試驗中，對2種不同烤煙中部煙葉的品質成分進行了測定?？緹煙熑~中不同品質指標的適宜性范圍分別為[28–30]：氮含量(1.5%～4.0%)、煙堿 (1.3%～3.5%)、還原糖 (18%～22%)、氯含量 (0.2%～0.6%) 及含量 (適宜為 ＞ 2%)。根據(jù)煙葉化學成分的適宜性指標，從表3可以看出，在三種不同性質土壤中，對照處理中云-87和K-326煙葉中總氮含量雖然在適宜范圍內，但含量均偏低，而噴施3種不同葉面肥后，總體而言，煙葉中總氮含量均有不同程度增加，其中FI-1、FI-2處理比對照 (CK) 達到顯著 (P ＜ 0.05) 差異，煙葉中鉀含量與總氮含量變化類似；而就煙葉中煙堿與氯含量而言，與對照相比，不同葉面肥均在一定程度降低了煙葉中煙堿與氯的含量，其中FI-1、FI-2處理煙葉中煙堿與氯含量顯著 (P ＜ 0.05) 降低，而FI-3處理沒有顯著差異；除了上述指標外，不同處理煙葉中還原糖與對照相比，沒有顯著變化，均在適宜范圍內。FI-1、FI-2處理均在一定程度增加了煙葉中鉀氯比、糖堿比及氮堿比，而FI-3處理的煙葉中上述三種指標變化沒有明顯規(guī)律?？傮w而言，除了青紫泥田土壤中，F(xiàn)I-3處理煙葉中的還原糖偏高 (與對照相比差異不顯著) 外，噴施不同葉面肥處理的煙葉化學成分大部分均處于適宜性范圍內，其中，F(xiàn)I-1、FI-2處理對提高煙葉品質指標具有顯著效果。

3 討論

本試驗中，三種葉面肥中分別含有活性Zn2+、K+、Fe2+等中、微量元素，在煙草的苗期、團棵期和旺長期噴施后，對煙草植株生長均有不同程度促進作用，其中，有機絡合-Zn葉面肥 (FI-1) 對植株生長的促進作用最顯著，其次是腐植酸絡合-K型葉面肥(FI-2) 和硅溶膠鐵型葉面肥 (FI-3)。對云-87而言，F(xiàn)I-1在紅泥田、黃泥田和青紫泥田土壤中每株干重比對照分別增加了19.0%、24.4%、16.1%，而K-326的每株干重分別增加了18.7%、21.9%、30.8%，均達到顯著水平 (P ＜ 0.05)，不同葉面肥對煙葉增重效果順序為FI-1 ＞ FI-2≈FI-3。有研究表明，葉面肥通過增加煙草中、微量元素營養(yǎng)供給，可以顯著促進植株生理代謝 (光合速率和蒸騰速率)、提高葉綠素含量和煙葉產量。FI-1與另外兩種阻控劑相比，氮含量明顯較高，碳、氮代謝是煙草植株最基本的代謝過程, 氮素對光合碳固定有顯著促進作用，有利于提高煙草產量[16]，同時，已有大量研究表明，氮肥形態(tài)與致病菌及作物抗病性有密切關系，合理的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮配比可以有效的預防煙草黑脛等煙草常見減產疾病[18,31]。

表3 不同葉面肥對烤煙品質成分的影響Table 3 Effect of the foliar fertilizers on quality component of middle tobacco leaves

污染土壤中降低作物Cd吸收的修復技術包括重金屬污染土壤的修復治理，低吸收作物品種的篩選與應用，作物對重金屬吸收生理阻控等[32]。本試驗中，煙葉通過葉表吸收葉面肥中的Zn2+、K+及Fe2+等養(yǎng)分離子，被葉表吸收轉運的Zn2+、K+及Fe2+通過競爭絡合方式，占據(jù)植物體蛋白質與氨基酸的有效吸附點位，從而對Cd2+產生拮抗作用，降低煙草植物對土壤中Cd的吸收、轉運。研究表明，在一定濃度范圍內，由于Zn等陽離子與Cd共用親和性質膜轉運蛋白，植物體內Zn2+等養(yǎng)分離子對Cd有明顯拮抗作用[33]。本研究結果顯示，F(xiàn)I-1葉面肥對煙葉中Cd降低效果最為顯著，對云-87和K-326最大降Cd達到36.1%和42.2%，F(xiàn)I-2對云-87和K-326最大降Cd率為35.5%、30.9%，而FI-2對云-87和K-326最大降Cd率分別為35.5%、30.9%達到26.1%、24.8%。

土壤Cd污染不僅影響煙草體內葉綠素、蛋白質的合成，一方面造成煙草不同程度的減產或絕收，另一方面，對煙草大量營養(yǎng)元素 (如K、Ca、Mg、Si、Fe等) 和微量元素 (如 Zn、Se等) 的吸收也有影響，從而影響煙草的品質[34]。煙草攝入過量Cd會影響煙葉煙堿、還原糖及蛋白質含量，導致煙葉中糖堿比和氮堿比升高，煙葉化學成分失衡和煙葉中的酸堿失去平衡[5]；噴施不同葉面肥在促進煙草植株生長、降低煙葉Cd吸收轉運的同時，對煙葉的品質成分也有顯著影響。本研究中，F(xiàn)I-1中的巰基結合態(tài)Zn，對煙草體內的眾多酶起著調節(jié)、穩(wěn)定和催化作用，通過影響RNA、DNA聚合酶從而影響煙株體內核酸與蛋白質的合成過程，參與烤煙煙葉葉綠素的合成，進而增強煙株的光合作用能力，提高抗病能力，促進煙株的生長發(fā)育。在不同葉面肥處理中，F(xiàn)I-1、FI-2處理均在一定程度增加了煙葉中氮和鉀的含量，降低了煙堿與氯的含量，從而增加了煙葉中鉀氯比和糖堿比，使煙葉內在化學成分趨于協(xié)調，進而提升煙葉品質。其中，F(xiàn)I-1中氮含量較高，有助于煙葉成份、油分、顏色濃度、飽滿度光澤等指標的提高，F(xiàn)I-2中含有大量的鉀，鉀是煙葉公認的品質元素，補充鉀肥可以提高煙草氮素有效性、土壤酶活性、烤煙的燃燒性和陰燃持火力，對煙葉品質和卷煙制品的安全性具有重要意義[35]。

4 結論

1) 三種葉面肥對煙草植株生長具有明顯促進作用，其中，含Zn葉面肥可分別增加兩品種煙葉干重24.4%和30.8%；

2) 三種不同葉面肥均可不同程度地降低煙葉對Cd的吸收、轉運，其中云-87和K-326煙葉中Cd分別降低36.1%和42.2%；

3) 不同葉面肥均可不同程度地提高煙葉中氮和鉀的含量，降低煙堿與氯的含量，提高煙葉中的鉀氯比、糖堿比和氮堿比，提升煙葉品質，不同葉面肥對降低煙葉Cd含量與提升煙葉品質的總體效果為 FI-1 ＞ FI-2 ＞ FI-3。