皖南煙區(qū)灌溉水質(zhì)調(diào)查及金屬元素對(duì)煙葉焦甜香風(fēng)格的影響

董祥洲 陳亞奎 徐粲然 朱啟法 黃魏魏

摘要：選取皖南53個(gè)具有代表性的煙葉種植區(qū)域，對(duì)各區(qū)域內(nèi)的灌溉水水質(zhì)尤其是金屬元素含量進(jìn)行調(diào)查。發(fā)現(xiàn)灌溉水的微（中）量元素含量整體較低，未對(duì)煙葉焦甜香風(fēng)格產(chǎn)生顯著影響。Mg含量為0.7～8.0 mg/L，Ca含量普遍小于40 mg/L，Zn含量為0.002～0.029 mg/L。灌溉水的重金屬含量以及其他基本控制項(xiàng)目全部符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)在大棚內(nèi)使用水稻土進(jìn)行的可控灌溉水煙葉種植試驗(yàn)證明，灌溉水中Zn為煙葉焦甜香風(fēng)格的負(fù)相關(guān)因素，閥值≥10 mg/L。Mg為正相關(guān)因素，彰顯煙葉焦甜香風(fēng)格的灌溉水Mg元素含量應(yīng)維持在40～90 mg/L。Ca與Mg具有協(xié)同彰顯效果，但主要適用于水稻土等酸性致密黏土。

關(guān)鍵詞：灌溉水;金屬元素;煙葉;焦甜香

中圖分類號(hào)：S572? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）14-0112-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.022 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： 53 representative areas for tobacco planting in southern Anhui province were selected and the quality of irrigation water， especially the content of metal elements， was investigated. It was found that the content of micro （medium） elements in irrigation water was too low to have a significant effect on the formation of burned sugar aroma style of tobacco leaves. The contents of Mg， Ca and Zn were 0.7～8.0 mg/L， <40 mg/L and 0.002～0.029 mg/L， respectively. The heavy metal content of irrigation water and other basic control items all met corresponding national standards. Furthermore， the experiments on tobacco planting under controlled irrigation using paddy soil in a greenhouse proved that Zn was a negative correlation factor for forming the burned sugar aroma style of tobacco and the threshold value was ≥10 mg/L in irrigation water. Meanwhile， Mg was a positive correlation factor and the content of Mg to promote the burned sugar aroma style should be maintained at 40～90 mg/L. Ca and Mg had synergistic effects， but which was mainly appropriate for acid paddy soils.

Key words： irrigation water;metal elements;tobacco leaves;burned sugar aroma style

2003年在皖南煙區(qū)發(fā)現(xiàn)了與津巴布韋煙葉類似、具有焦甜香特色風(fēng)格的烤煙[1]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，皖南煙葉濃香型風(fēng)格突出、濃郁細(xì)膩、焦甜香特色顯著，深受卷煙企業(yè)的歡迎[2]。目前，對(duì)煙葉焦甜香特色風(fēng)格形成原因的探索，主要集中在土壤特征[3]、氣象因素[4]、生態(tài)特點(diǎn)[2]，以及煙葉的金屬元素含量、碳氮代謝、香氣成分含量對(duì)焦甜香風(fēng)格的影響等方面[5， 6]。在皖南煙區(qū)氣象因素和氣候特征相對(duì)一致的條件下，土壤特征是影響煙葉焦甜香風(fēng)格的主要原因，且所植煙葉的焦甜香風(fēng)格沙壤土>水稻土>粉沙土[7]。然而，皖南煙區(qū)煙田面積總計(jì)46.27萬(wàn)hm2，其中水田（煙稻輪作）35.14萬(wàn)hm2，旱田11.14萬(wàn)hm2，沙壤土分布在少數(shù)區(qū)域。

為了能更好地利用皖南煙區(qū)得天獨(dú)厚的高品質(zhì)煙葉種植條件，進(jìn)一步提升焦甜香風(fēng)格煙葉的品質(zhì)和產(chǎn)量，創(chuàng)造一種能夠使水稻土所種植煙葉的焦甜香風(fēng)格得以彰顯的農(nóng)藝調(diào)控方法，具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。土壤和煙葉中金屬元素的含量之間有著密切的關(guān)系[8]，且二者對(duì)烤煙的品質(zhì)都具有一定程度的影響[9，10]。在土壤質(zhì)地?zé)o法大規(guī)模改變的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)灌溉水中的金屬元素來(lái)彰顯煙葉的焦甜香風(fēng)格是一種可行、可控的農(nóng)藝學(xué)方法，首先研究灌溉水中的金屬元素對(duì)煙葉焦甜香特色風(fēng)格的影響。

本研究選取皖南53個(gè)具有代表性的煙葉種植區(qū)域，對(duì)各區(qū)域灌溉水水質(zhì)尤其是灌溉水中的金屬元素進(jìn)行調(diào)查，并對(duì)各區(qū)域所產(chǎn)煙葉的焦甜香風(fēng)格彰顯度進(jìn)行品吸檢測(cè)。通過(guò)大棚內(nèi)水稻土可控灌溉水煙葉種植試驗(yàn)，探索灌溉水中的金屬元素對(duì)煙葉焦甜香特色風(fēng)格的影響，旨在形成可推廣的農(nóng)藝調(diào)控方法。

1 材料與方法

1.1 材料

經(jīng)實(shí)地考察，選擇皖南煙區(qū)所轄宣州區(qū)、郎溪縣、廣德縣、涇縣、旌德縣、蕪湖縣、南陵縣的典型煙葉種植區(qū)域，共設(shè)53個(gè)定點(diǎn)觀察及取樣點(diǎn)。每個(gè)區(qū)域內(nèi)依據(jù)《HJ25.2—2014 場(chǎng)地環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》的要求分煙苗移栽前、旺長(zhǎng)期和煙葉收獲前3個(gè)時(shí)段進(jìn)行水樣采集，檢測(cè)結(jié)果取平均值，并收集取樣點(diǎn)所產(chǎn)煙葉樣品進(jìn)行品吸。

大棚內(nèi)可控灌溉水煙葉種植試驗(yàn)的土壤取自皖南煙葉滬皖科技示范園周邊的煙稻輪作農(nóng)田黏性土壤的耕作層。灌溉用水以示范園自行抽取的地下水為基礎(chǔ)，通過(guò)添加ZnSO4·7H2O、CaSO4·2H2O、MgSO4·7H2O，使灌溉水中Zn2+、Ca2+和Mg2+的濃度范圍分別為5～15 mg/L、300～900 mg/L、40～140 mg/L。煙葉品種為云煙97，與示范園周邊煙田相同。

1.2 方法

1.2.1 灌溉水水質(zhì)檢測(cè) 水樣中重金屬總鎘、鉛、總砷、銅、鋅、硒的含量分別采用相應(yīng)的國(guó)標(biāo)方法進(jìn)行檢測(cè)，具體參見(jiàn)GB/T 7475—1987、GB/T 7485—1987和GB/T 11902—1989。水樣中的微量元素鐵、鎂、鈣、錳的含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測(cè)定。水樣的BOD5、COD、懸浮物、pH、全鹽量、氯化物等農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的必測(cè)項(xiàng)目均采用相應(yīng)的國(guó)標(biāo)方法進(jìn)行檢測(cè)，具體參見(jiàn)GB/T 7488—1987、GB/T 11914—1989、GB/T 11901—1989、GB/T 7494—1987、GB/T 13195—1991、GB/T 6920—1986、HJ/T 51—1999、GB/T 11896—1989和GB/T 16489—1996。

1.2.2 感官評(píng)價(jià) 根據(jù)GB 2635—1992和《卷煙工藝規(guī)范》的要求進(jìn)行制樣[11]，卷煙感官評(píng)吸鑒定聘請(qǐng)4位以上評(píng)吸專家，分別按香氣量、香氣質(zhì)、濃度、勁頭、雜氣、余味、焦甜香風(fēng)格進(jìn)行評(píng)分。

1.2.3 大棚內(nèi)可控灌溉水煙葉種植試驗(yàn) 試驗(yàn)在皖南煙葉滬皖科技示范園育苗大棚內(nèi)進(jìn)行。為防止試驗(yàn)植株之間的相互影響，株間距增加至正常大田種植的3倍。種植時(shí)間、施肥用量及管理方式均與大田煙葉種植相同。因大棚內(nèi)無(wú)雨水補(bǔ)充，煙葉生長(zhǎng)所需的水分（包括定根水）全部以根部澆灌的方式補(bǔ)充人工配置的含有不同微（中）量元素的灌溉水。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)含5株煙葉，試驗(yàn)設(shè)3組平行，隨機(jī)排列。

2 結(jié)果與分析

2.1 皖南煙區(qū)灌溉水水質(zhì)調(diào)查

2.1.1 皖南煙區(qū)灌溉水重金屬含量 重金屬鎘（Cd）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）和稀土元素砷（As）、硒（Se）是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB 5084—2005農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》所規(guī)定的基本控制項(xiàng)目，即農(nóng)田灌溉水的水質(zhì)安全判斷所必需檢測(cè)的重金屬和稀土元素。皖南煙區(qū)灌溉水中Cd、Pb、As 3種重金屬的含量基本低于相應(yīng)國(guó)標(biāo)檢測(cè)方法的檢測(cè)限，說(shuō)明皖南煙區(qū)灌溉水中Cd、Pb、As這3種重金屬含量少。所取的53個(gè)典型煙葉種植區(qū)域灌溉水水樣的重金屬Cu和Zn的含量分別在0.001～0.005 mg/L和0.002～0.029 mg/L，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的灌溉水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（分別為1、2 mg/L）。稀土元素Se因高濃度時(shí)對(duì)人體和農(nóng)作物的毒害作用常與灌溉水中的重金屬元素同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。所取的53個(gè)典型煙葉種植區(qū)域灌溉水水樣的Se含量為0.001～0.003 mg/L，基本僅為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值0.02 mg/L的1/10。

2.1.2 皖南煙區(qū)灌溉水微（中）量元素含量 錳（Mn）、鈣（Ca）、鎂（Mg）、鐵（Fe）以及銅（Cu）、鋅（Zn）被認(rèn)為是煙葉生長(zhǎng)所必需的微（中）量元素。灌溉水是煙葉吸收這些元素的重要來(lái)源。Mn在煙株生長(zhǎng)發(fā)育及代謝過(guò)程中具有重要的生理功能，它是煙株體內(nèi)部分合成酶和合成酶的活化劑，能夠參與光合作用與葉綠體結(jié)構(gòu)組成，促進(jìn)碳素同化，同時(shí)調(diào)節(jié)部分生化反應(yīng)，影響煙株呼吸作用。一般認(rèn)為灌溉水中Ca濃度在75～900 mg/L，煙草的產(chǎn)量呈拋物線型變化，當(dāng)Ca質(zhì)量濃度達(dá)到150 mg /L時(shí)產(chǎn)量達(dá)到最大，超過(guò)150 mg /L時(shí)反而下降，當(dāng)Ca達(dá)900 mg /L時(shí)，煙株生長(zhǎng)受到嚴(yán)重抑制，并且煙葉吃味很差，燃燒性變差，灰色發(fā)黑[12]。檢測(cè)結(jié)果顯示，53個(gè)典型煙葉種植區(qū)域灌溉水水樣的Ca含量普遍小于40 mg/L，理論上不會(huì)對(duì)煙葉的生長(zhǎng)和品吸性狀產(chǎn)生明顯影響。朱英華等[13]研究發(fā)現(xiàn)，灌溉水中Mg2+濃度為136 mg/L時(shí)，烤煙中干物質(zhì)積累、養(yǎng)分的最大積累量和最大增長(zhǎng)速率能夠達(dá)到最優(yōu)值，并且煙葉燃燒充分，灰色好。檢測(cè)結(jié)果顯示，皖南煙區(qū)灌溉水水樣的Mg2+含量范圍為0.7～8.0 mg/L，理論上對(duì)煙葉的生長(zhǎng)和煙葉的品吸性狀的影響較弱。

2.1.3 灌溉水水樣其他基本控制項(xiàng)目的檢測(cè)結(jié)果 如表1所示，皖南53個(gè)典型煙葉種植區(qū)域灌溉水水樣中的BOD5、COD、懸浮物、pH、全鹽量、氯化物等基本控制項(xiàng)目的檢測(cè)結(jié)果全部低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB 5084—2005 農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》所規(guī)定的灌溉水要求，說(shuō)明皖南煙區(qū)生態(tài)保持良好，灌溉水完全滿足國(guó)家對(duì)農(nóng)田灌溉水的水質(zhì)要求。同時(shí)，檢測(cè)結(jié)果表明，皖南53個(gè)典型煙葉種植區(qū)域灌溉水水樣的全鹽量?jī)H為334～1 050 mg/L，證明皖南煙區(qū)的灌溉水屬于中國(guó)南方典型的“軟水”特征，存在微（中）量元素含量總體偏低的問(wèn)題。

2.2 皖南煙區(qū)灌溉水微（中）量元素含量與煙葉焦甜香風(fēng)格的相關(guān)性分析

2.2.1 皖南53個(gè)典型煙葉種植區(qū)所產(chǎn)煙葉樣品的微（中）量元素含量 如表2所示，皖南煙區(qū)所產(chǎn)煙葉的微（中）量元素含量總體偏低，這可能與皖南煙區(qū)灌溉水微（中）量元素含量較低有直接關(guān)系，其中Cu、Fe、Mn含量較低，理論上對(duì)煙葉的品質(zhì)影響較小。皖南煙區(qū)所產(chǎn)煙葉的Zn含量略高于優(yōu)質(zhì)煙Zn含量范圍，可能對(duì)煙葉品質(zhì)和焦甜香風(fēng)格產(chǎn)生不利影響，應(yīng)予以重視。皖南煙區(qū)所產(chǎn)煙葉的Ca、K、Mg元素的含量也總體偏低。不同的是大部分煙葉中的Ca元素含量基本處于優(yōu)質(zhì)煙葉的Ca含量范圍內(nèi)，但K和Mg元素的含量明顯低于中國(guó)優(yōu)質(zhì)煙葉的平均水平。

Mg元素參與葉綠素的形成，是葉綠體正常結(jié)構(gòu)的必需元素，其比重約占葉綠素分子量的2.7%[14]。Mg還參與碳水化合物、脂肪和類脂、蛋白質(zhì)和核酸的合成[15]。因此，Mg元素作為烤煙必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，直接影響煙葉的產(chǎn)量與品質(zhì)。中國(guó)南方煙區(qū)植煙土壤缺Mg[16]，皖南煙區(qū)煙葉種植過(guò)程中主要偏重于K肥和N肥的調(diào)節(jié)，經(jīng)檢測(cè)皖南煙區(qū)灌溉水水樣的Mg2+含量為0.7～8.0 mg/L，處于相對(duì)較低的水平。由此推斷，通過(guò)灌溉水Mg元素的調(diào)節(jié)可能是彰顯調(diào)節(jié)煙葉的焦甜香風(fēng)格的研究方向之一。

2.2.2 皖南煙區(qū)灌溉水微（中）量元素含量與煙葉焦甜香風(fēng)格的相關(guān)性 待53個(gè)典型煙葉種植區(qū)所產(chǎn)煙葉收獲和烘烤后，選取具代表性的中部C3F等級(jí)煙葉各500 g，制樣后分別由4位以上專家進(jìn)行評(píng)吸鑒定，專家品吸結(jié)果的算數(shù)平均值作為煙葉樣品的最終得分，其中焦甜香彰顯度大于5分的煙葉樣品如表3所示。

所選取的皖南煙區(qū)53個(gè)典型煙葉種植區(qū)所產(chǎn)煙葉經(jīng)鑒定全部為焦甜醇甜香型，其中8個(gè)煙葉樣品的焦甜香彰顯度大于5分，屬于焦甜香風(fēng)格較為突出型。這8個(gè)煙葉樣品主要分布在宣州區(qū)和南陵縣，地理位置和氣候特征可能是影響焦甜香品質(zhì)的主要因素。8個(gè)煙葉樣品中產(chǎn)自沙壤土的煙葉樣品數(shù)量占大多數(shù)，土壤特征可能是影響焦甜香風(fēng)格的另一重要原因。無(wú)論沙壤土還是黏土所產(chǎn)的煙葉，其對(duì)應(yīng)的煙葉和灌溉水中Mg元素的含量變化幅度均較大。原因可能為皖南煙區(qū)灌溉水和煙葉樣品的微（中）量元素含量整體偏低，未達(dá)到對(duì)煙葉的焦甜香風(fēng)格產(chǎn)生明顯影響的濃度范圍，煙葉樣品的焦甜香風(fēng)格可能是多種因素共同作用的結(jié)果，其中灌溉水的微（中）量元素含量所起的作用有限。但煙葉種植的生態(tài)因素、遺傳因素和栽培因素可調(diào)節(jié)范圍有限，不易形成可調(diào)控的農(nóng)藝方法。

2.3 可控灌溉水煙葉種植試驗(yàn)

為避免煙葉種植的生態(tài)因素、土壤特征以及其他栽培因素的影響，探索調(diào)節(jié)灌溉水微（中）量元素提升水稻土所植煙葉焦甜香風(fēng)格的可能性，通過(guò)在大棚內(nèi)選擇特定的水稻土進(jìn)行煙葉種植試驗(yàn)，煙葉生長(zhǎng)所需的水分全部用配置的含有不同微（中）量元素的灌溉水補(bǔ)充，進(jìn)而分析灌溉水微（中）量元素含量對(duì)煙葉焦甜香風(fēng)格的影響。試驗(yàn)所用水稻土的基本性質(zhì)、地下水相關(guān)微（中）量元素的背景值、種植試驗(yàn)設(shè)計(jì)及所產(chǎn)煙葉樣品的品吸結(jié)果分別如表4、表5、表6所示。

如表6所示，當(dāng)灌溉水中Zn2+濃度大于10 mg/L時(shí)，對(duì)所植煙葉的焦甜香風(fēng)格產(chǎn)生了不利影響。當(dāng)灌溉水中Zn2+濃度為15 mg/L時(shí)，煙葉的焦甜香彰顯度由4.6分下降到4.1分?！禛B 5084—2005 農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的灌溉水Zn2+濃度為≤2 mg/L，調(diào)查得到的皖南煙區(qū)灌溉水中Zn含量遠(yuǎn)低于此值。當(dāng)灌溉水中Mg2+濃度為40和90 mg/L時(shí)，煙葉的焦甜香彰顯度由4.6分別上升到4.8分和5.0分，說(shuō)明Mg是煙葉焦甜香風(fēng)格的正相關(guān)因素。如前所述，Mg元素可能通過(guò)參與煙葉葉綠素的形成，進(jìn)而影響煙葉的總糖積累，并提高焦甜香彰顯度。調(diào)查結(jié)果顯示，皖南煙區(qū)灌溉水的Mg2+含量范圍為0.7～8.0 mg/L，遠(yuǎn)低于試驗(yàn)值。為彰顯皖南煙葉焦甜香風(fēng)格，應(yīng)在灌溉水中適當(dāng)補(bǔ)充Mg元素。當(dāng)灌溉水中Mg2+濃度為140 mg/L時(shí)，煙葉的焦甜香彰顯度開(kāi)始出現(xiàn)下降跡象，這可能與總體鹽濃度的增加有關(guān)。因此，灌溉水中Mg元素的含量應(yīng)維持在40～90 mg/L。

當(dāng)灌溉水中Ca2+濃度為300和600 mg/L時(shí)，煙葉焦甜香彰顯度有一定程度的提升，但灌溉水中Ca2+濃度為900 mg/L時(shí)，煙葉焦甜香品質(zhì)明顯降低，由對(duì)照的4.6分降低至4.0分。Ca元素是煙葉燃燒后灰分的主要成分，一般認(rèn)為Ca元素不參與煙葉的組成和影響煙葉細(xì)胞其他功能基團(tuán)或細(xì)胞器的形成。當(dāng)灌溉水中鈣元素含量較高時(shí)煙株生長(zhǎng)受到嚴(yán)重抑制，并且煙葉吃味很差，燃燒性變差，灰色發(fā)黑。皖南煙區(qū)植煙土壤主要為煙稻輪作的黏土，土壤的黏性較大、土壤有機(jī)質(zhì)含量高，透氣性不如沙壤土，且土壤pH總體偏酸。適當(dāng)增加灌溉水中Ca2+含量有助于增加土壤pH。此外，Ca2+與土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)合可以增加土壤的團(tuán)粒度和透氣性，有利于煙葉焦甜香風(fēng)格的形成。

同時(shí)增加灌溉水中Mg和Ca元素的含量，如Mg2+濃度為90 mg/L、Ca2+濃度為600 mg/L時(shí)，煙葉的焦甜香彰顯度由4.6分增加至5.3分，說(shuō)明Mg和Ca元素對(duì)煙葉的焦甜香風(fēng)格具有協(xié)同彰顯效果。一般認(rèn)為，Mg2+和Ca2+為同族元素，煙葉對(duì)Mg2+和Ca2+的吸收具有競(jìng)爭(zhēng)作用。試驗(yàn)獲得的協(xié)同彰顯效果，可能是因?yàn)橥钅蠠焻^(qū)土壤和灌溉水中Mg和Ca元素的含量都整體偏低。

3 小結(jié)

1） 選取皖南地區(qū)53個(gè)具有代表性的煙葉種植區(qū)域內(nèi)的灌溉水中的微（中）量元素含量普遍較低，符合中國(guó)南方“軟水”的基本特征。如皖南煙區(qū)灌溉水Mg元素含量范圍為0.7～8.0 mg/L，Ca含量普遍小于40 mg/L，Cu和Zn的含量分別為0.001～0.005 mg/L和0.002～0.029 mg/L。

2）皖南煙區(qū)灌溉水樣品的重金屬含量以及BOD5、COD、懸浮物、pH、全鹽量、氯化物等基本控制項(xiàng)目全部低于《GB 5084—2005 農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，說(shuō)明皖南煙區(qū)生態(tài)保持良好，灌溉用水的安全性完全滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3） 選取的皖南53個(gè)具有代表性的煙葉種植區(qū)域內(nèi)的灌溉水中的微（中）量元素含量與所產(chǎn)煙葉的焦甜香風(fēng)格不具有明顯的相關(guān)性，分析認(rèn)為微（中）量元素含量整體較低，未達(dá)到對(duì)煙葉焦甜香風(fēng)格產(chǎn)生明顯影響的濃度范圍。

4） 通過(guò)在大棚內(nèi)使用水稻土進(jìn)行的煙葉種植試驗(yàn)，結(jié)果表明，灌溉水中Zn為煙葉焦甜香風(fēng)格的負(fù)相關(guān)因素，產(chǎn)生影響的閥值為10 mg/L。Mg為正相關(guān)因素，彰顯煙葉焦甜香風(fēng)格的灌溉水Mg元素含量應(yīng)維持在40～90 mg/L。Ca與Mg具有一定的協(xié)同彰顯效果，但主要適用于水稻土等酸性致密性黏土。

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