皖南烟区灌溉水质调查及金属元素对烟叶焦甜香风格的影响

2020-10-09董祥洲陈亚奎徐粲然朱启法黄魏魏

湖北农业科学 2020年14期

董祥洲陈亚奎徐粲然朱启法黄魏魏

摘要：选取皖南53个具有代表性的烟叶种植区域，对各区域内的灌溉水水质尤其是金属元素含量进行调查。发现灌溉水的微（中）量元素含量整体较低，未对烟叶焦甜香风格产生显著影响。Mg含量为0.7～8.0 mg/L，Ca含量普遍小于40 mg/L，Zn含量为0.002～0.029 mg/L。灌溉水的重金属含量以及其他基本控制项目全部符合国家标准。通过在大棚内使用水稻土进行的可控灌溉水烟叶种植试验证明，灌溉水中Zn为烟叶焦甜香风格的负相关因素，阀值≥10 mg/L。Mg为正相关因素，彰显烟叶焦甜香风格的灌溉水Mg元素含量应维持在40～90 mg/L。Ca与Mg具有协同彰显效果，但主要适用于水稻土等酸性致密黏土。

关键词：灌溉水;金属元素;烟叶;焦甜香

中图分类号：S572 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）14-0112-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.022 开放科学（资源服务）标识码（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年在皖南煙区发现了与津巴布韦烟叶类似、具有焦甜香特色风格的烤烟[1]。经过多年的发展，皖南烟叶浓香型风格突出、浓郁细腻、焦甜香特色显著，深受卷烟企业的欢迎[2]。目前，对烟叶焦甜香特色风格形成原因的探索，主要集中在土壤特征[3]、气象因素[4]、生态特点[2]，以及烟叶的金属元素含量、碳氮代谢、香气成分含量对焦甜香风格的影响等方面[5， 6]。在皖南烟区气象因素和气候特征相对一致的条件下，土壤特征是影响烟叶焦甜香风格的主要原因，且所植烟叶的焦甜香风格沙壤土>水稻土>粉沙土[7]。然而，皖南烟区烟田面积总计46.27万hm2，其中水田（烟稻轮作）35.14万hm2，旱田11.14万hm2，沙壤土分布在少数区域。

为了能更好地利用皖南烟区得天独厚的高品质烟叶种植条件，进一步提升焦甜香风格烟叶的品质和产量，创造一种能够使水稻土所种植烟叶的焦甜香风格得以彰显的农艺调控方法，具有重要的理论和实用价值。土壤和烟叶中金属元素的含量之间有着密切的关系[8]，且二者对烤烟的品质都具有一定程度的影响[9，10]。在土壤质地无法大规模改变的前提下，通过调节灌溉水中的金属元素来彰显烟叶的焦甜香风格是一种可行、可控的农艺学方法，首先研究灌溉水中的金属元素对烟叶焦甜香特色风格的影响。

本研究选取皖南53个具有代表性的烟叶种植区域，对各区域灌溉水水质尤其是灌溉水中的金属元素进行调查，并对各区域所产烟叶的焦甜香风格彰显度进行品吸检测。通过大棚内水稻土可控灌溉水烟叶种植试验，探索灌溉水中的金属元素对烟叶焦甜香特色风格的影响，旨在形成可推广的农艺调控方法。

1 材料与方法

1.1 材料

经实地考察，选择皖南烟区所辖宣州区、郎溪县、广德县、泾县、旌德县、芜湖县、南陵县的典型烟叶种植区域，共设53个定点观察及取样点。每个区域内依据《HJ25.2—2014 场地环境监测技术导则》的要求分烟苗移栽前、旺长期和烟叶收获前3个时段进行水样采集，检测结果取平均值，并收集取样点所产烟叶样品进行品吸。

大棚内可控灌溉水烟叶种植试验的土壤取自皖南烟叶沪皖科技示范园周边的烟稻轮作农田黏性土壤的耕作层。灌溉用水以示范园自行抽取的地下水为基础，通过添加ZnSO4·7H2O、CaSO4·2H2O、MgSO4·7H2O，使灌溉水中Zn2+、Ca2+和Mg2+的浓度范围分别为5～15 mg/L、300～900 mg/L、40～140 mg/L。烟叶品种为云烟97，与示范园周边烟田相同。

1.2 方法

1.2.1 灌溉水水质检测水样中重金属总镉、铅、总砷、铜、锌、硒的含量分别采用相应的国标方法进行检测，具体参见GB/T 7475—1987、GB/T 7485—1987和GB/T 11902—1989。水样中的微量元素铁、镁、钙、锰的含量采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定。水样的BOD5、COD、悬浮物、pH、全盐量、氯化物等农田灌溉水质标准规定的必测项目均采用相应的国标方法进行检测，具体参见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 感官评价根据GB 2635—1992和《卷烟工艺规范》的要求进行制样[11]，卷烟感官评吸鉴定聘请4位以上评吸专家，分别按香气量、香气质、浓度、劲头、杂气、余味、焦甜香风格进行评分。

1.2.3 大棚内可控灌溉水烟叶种植试验试验在皖南烟叶沪皖科技示范园育苗大棚内进行。为防止试验植株之间的相互影响，株间距增加至正常大田种植的3倍。种植时间、施肥用量及管理方式均与大田烟叶种植相同。因大棚内无雨水补充，烟叶生长所需的水分（包括定根水）全部以根部浇灌的方式补充人工配置的含有不同微（中）量元素的灌溉水。每个试验点含5株烟叶，试验设3组平行，随机排列。

2 结果与分析

2.1 皖南烟区灌溉水水质调查

2.1.1 皖南烟区灌溉水重金属含量重金属镉（Cd）、铅（Pb）、铜（Cu）、锌（Zn）和稀土元素砷（As）、硒（Se）是国家标准《GB 5084—2005农田灌溉水质标准》所规定的基本控制项目，即农田灌溉水的水质安全判断所必需检测的重金属和稀土元素。皖南烟区灌溉水中Cd、Pb、As 3种重金属的含量基本低于相应国标检测方法的检测限，说明皖南烟区灌溉水中Cd、Pb、As这3种重金属含量少。所取的53个典型烟叶种植区域灌溉水水样的重金属Cu和Zn的含量分别在0.001～0.005 mg/L和0.002～0.029 mg/L，远低于国家标准所规定的灌溉水质量标准（分别为1、2 mg/L）。稀土元素Se因高浓度时对人体和农作物的毒害作用常与灌溉水中的重金属元素同时进行监测。所取的53个典型烟叶种植区域灌溉水水样的Se含量为0.001～0.003 mg/L，基本仅为国家标准值0.02 mg/L的1/10。

2.1.2 皖南烟区灌溉水微（中）量元素含量锰（Mn）、钙（Ca）、镁（Mg）、铁（Fe）以及铜（Cu）、锌（Zn）被认为是烟叶生长所必需的微（中）量元素。灌溉水是烟叶吸收这些元素的重要来源。Mn在烟株生长发育及代谢过程中具有重要的生理功能，它是烟株体内部分合成酶和合成酶的活化剂，能够参与光合作用与叶绿体结构组成，促进碳素同化，同时调节部分生化反应，影响烟株呼吸作用。一般认为灌溉水中Ca浓度在75～900 mg/L，烟草的产量呈抛物线型变化，当Ca质量浓度达到150 mg /L时产量达到最大，超过150 mg /L时反而下降，当Ca达900 mg /L时，烟株生长受到严重抑制，并且烟叶吃味很差，燃烧性变差，灰色发黑[12]。检测结果显示，53个典型烟叶种植区域灌溉水水样的Ca含量普遍小于40 mg/L，理论上不会对烟叶的生长和品吸性状产生明显影响。朱英华等[13]研究发现，灌溉水中Mg2+浓度为136 mg/L时，烤烟中干物质积累、养分的最大积累量和最大增长速率能夠达到最优值，并且烟叶燃烧充分，灰色好。检测结果显示，皖南烟区灌溉水水样的Mg2+含量范围为0.7～8.0 mg/L，理论上对烟叶的生长和烟叶的品吸性状的影响较弱。

2.1.3 灌溉水水样其他基本控制项目的检测结果如表1所示，皖南53个典型烟叶种植区域灌溉水水样中的BOD5、COD、悬浮物、pH、全盐量、氯化物等基本控制项目的检测结果全部低于国家标准《GB 5084—2005 农田灌溉水质标准》所规定的灌溉水要求，说明皖南烟区生态保持良好，灌溉水完全满足国家对农田灌溉水的水质要求。同时，检测结果表明，皖南53个典型烟叶种植区域灌溉水水样的全盐量仅为334～1 050 mg/L，证明皖南烟区的灌溉水属于中国南方典型的“软水”特征，存在微（中）量元素含量总体偏低的问题。

2.2 皖南烟区灌溉水微（中）量元素含量与烟叶焦甜香风格的相关性分析

2.2.1 皖南53个典型烟叶种植区所产烟叶样品的微（中）量元素含量如表2所示，皖南烟区所产烟叶的微（中）量元素含量总体偏低，这可能与皖南烟区灌溉水微（中）量元素含量较低有直接关系，其中Cu、Fe、Mn含量较低，理论上对烟叶的品质影响较小。皖南烟区所产烟叶的Zn含量略高于优质烟Zn含量范围，可能对烟叶品质和焦甜香风格产生不利影响，应予以重视。皖南烟区所产烟叶的Ca、K、Mg元素的含量也总体偏低。不同的是大部分烟叶中的Ca元素含量基本处于优质烟叶的Ca含量范围内，但K和Mg元素的含量明显低于中国优质烟叶的平均水平。

Mg元素参与叶绿素的形成，是叶绿体正常结构的必需元素，其比重约占叶绿素分子量的2.7%[14]。Mg还参与碳水化合物、脂肪和类脂、蛋白质和核酸的合成[15]。因此，Mg元素作为烤烟必需的营养元素之一，直接影响烟叶的产量与品质。中国南方烟区植烟土壤缺Mg[16]，皖南烟区烟叶种植过程中主要偏重于K肥和N肥的调节，经检测皖南烟区灌溉水水样的Mg2+含量为0.7～8.0 mg/L，处于相对较低的水平。由此推断，通过灌溉水Mg元素的调节可能是彰显调节烟叶的焦甜香风格的研究方向之一。

2.2.2 皖南烟区灌溉水微（中）量元素含量与烟叶焦甜香风格的相关性待53个典型煙叶种植区所产烟叶收获和烘烤后，选取具代表性的中部C3F等级烟叶各500 g，制样后分别由4位以上专家进行评吸鉴定，专家品吸结果的算数平均值作为烟叶样品的最终得分，其中焦甜香彰显度大于5分的烟叶样品如表3所示。

所选取的皖南烟区53个典型烟叶种植区所产烟叶经鉴定全部为焦甜醇甜香型，其中8个烟叶样品的焦甜香彰显度大于5分，属于焦甜香风格较为突出型。这8个烟叶样品主要分布在宣州区和南陵县，地理位置和气候特征可能是影响焦甜香品质的主要因素。8个烟叶样品中产自沙壤土的烟叶样品数量占大多数，土壤特征可能是影响焦甜香风格的另一重要原因。无论沙壤土还是黏土所产的烟叶，其对应的烟叶和灌溉水中Mg元素的含量变化幅度均较大。原因可能为皖南烟区灌溉水和烟叶样品的微（中）量元素含量整体偏低，未达到对烟叶的焦甜香风格产生明显影响的浓度范围，烟叶样品的焦甜香风格可能是多种因素共同作用的结果，其中灌溉水的微（中）量元素含量所起的作用有限。但烟叶种植的生态因素、遗传因素和栽培因素可调节范围有限，不易形成可调控的农艺方法。

2.3 可控灌溉水烟叶种植试验

为避免烟叶种植的生态因素、土壤特征以及其他栽培因素的影响，探索调节灌溉水微（中）量元素提升水稻土所植烟叶焦甜香风格的可能性，通过在大棚内选择特定的水稻土进行烟叶种植试验，烟叶生长所需的水分全部用配置的含有不同微（中）量元素的灌溉水补充，进而分析灌溉水微（中）量元素含量对烟叶焦甜香风格的影响。试验所用水稻土的基本性质、地下水相关微（中）量元素的背景值、种植试验设计及所产烟叶样品的品吸结果分别如表4、表5、表6所示。

如表6所示，当灌溉水中Zn2+浓度大于10 mg/L时，对所植烟叶的焦甜香风格产生了不利影响。当灌溉水中Zn2+浓度为15 mg/L时，烟叶的焦甜香彰显度由4.6分下降到4.1分。《GB 5084—2005 农田灌溉水质标准》规定的灌溉水Zn2+浓度为≤2 mg/L，调查得到的皖南烟区灌溉水中Zn含量远低于此值。当灌溉水中Mg2+浓度为40和90 mg/L时，烟叶的焦甜香彰显度由4.6分别上升到4.8分和5.0分，说明Mg是烟叶焦甜香风格的正相关因素。如前所述，Mg元素可能通过参与烟叶叶绿素的形成，进而影响烟叶的总糖积累，并提高焦甜香彰显度。调查结果显示，皖南烟区灌溉水的Mg2+含量范围为0.7～8.0 mg/L，远低于试验值。为彰显皖南烟叶焦甜香风格，应在灌溉水中适当补充Mg元素。当灌溉水中Mg2+浓度为140 mg/L时，烟叶的焦甜香彰显度开始出现下降迹象，这可能与总体盐浓度的增加有关。因此，灌溉水中Mg元素的含量应维持在40～90 mg/L。

当灌溉水中Ca2+浓度为300和600 mg/L时，烟叶焦甜香彰显度有一定程度的提升，但灌溉水中Ca2+浓度为900 mg/L时，烟叶焦甜香品质明显降低，由对照的4.6分降低至4.0分。Ca元素是烟叶燃烧后灰分的主要成分，一般认为Ca元素不参与烟叶的组成和影响烟叶细胞其他功能基团或细胞器的形成。当灌溉水中钙元素含量较高时烟株生长受到严重抑制，并且烟叶吃味很差，燃烧性变差，灰色发黑。皖南烟区植烟土壤主要为烟稻轮作的黏土，土壤的黏性较大、土壤有机质含量高，透气性不如沙壤土，且土壤pH总体偏酸。适当增加灌溉水中Ca2+含量有助于增加土壤pH。此外，Ca2+与土壤有机质结合可以增加土壤的团粒度和透气性，有利于烟叶焦甜香风格的形成。

同时增加灌溉水中Mg和Ca元素的含量，如Mg2+浓度为90 mg/L、Ca2+浓度为600 mg/L时，烟叶的焦甜香彰显度由4.6分增加至5.3分，说明Mg和Ca元素对烟叶的焦甜香风格具有协同彰显效果。一般认为，Mg2+和Ca2+为同族元素，烟叶对Mg2+和Ca2+的吸收具有竞争作用。试验获得的协同彰显效果，可能是因为皖南烟区土壤和灌溉水中Mg和Ca元素的含量都整体偏低。

3 小结

1）选取皖南地区53个具有代表性的烟叶种植区域内的灌溉水中的微（中）量元素含量普遍较低，符合中国南方“软水”的基本特征。如皖南烟区灌溉水Mg元素含量范围为0.7～8.0 mg/L，Ca含量普遍小于40 mg/L，Cu和Zn的含量分别为0.001～0.005 mg/L和0.002～0.029 mg/L。

2）皖南烟区灌溉水样品的重金属含量以及BOD5、COD、悬浮物、pH、全盐量、氯化物等基本控制项目全部低于《GB 5084—2005 农田灌溉水质标准》，说明皖南烟区生态保持良好，灌溉用水的安全性完全满足国家标准。

3）选取的皖南53个具有代表性的烟叶种植区域内的灌溉水中的微（中）量元素含量与所产烟叶的焦甜香风格不具有明显的相关性，分析认为微（中）量元素含量整体较低，未达到对烟叶焦甜香风格产生明显影响的浓度范围。

4）通过在大棚内使用水稻土进行的烟叶种植试验，结果表明，灌溉水中Zn为烟叶焦甜香风格的负相关因素，产生影响的阀值为10 mg/L。Mg为正相关因素，彰显烟叶焦甜香风格的灌溉水Mg元素含量应维持在40～90 mg/L。Ca与Mg具有一定的协同彰显效果，但主要适用于水稻土等酸性致密性黏土。

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