土壤-气候和烤烟品种及其互作对昭通烟叶重金属含量的影响

黄爱缨，木志坚，王 强，蒋珍茂，黄 韡，查宏波，倪 霞，魏世强*

（1.西南大学农学与生物科技学院，重庆 400716；2.西南大学资源环境学院，重庆 400716；3.云南省烟草公司昭通市公司，云南 昭通 657000）

重金属含量是影响烟叶品质及其吸食安全性的重要因素[1-2]。烟草对重金属的吸收和积累与土壤性质有着密切的联系，并受到品种、耕作栽培措施和气候等因素的综合作用[1-3]。分析不同烟区的土壤生态环境条件与烟叶重金属含量的关系，对烟叶产区科学择优布局、因地制宜采用烟叶生产技术措施、提高烟叶品质具有现实意义。昭通烟区是云南主要烟叶产区之一，目前年产烟叶约5000万kg。本研究试图通过对昭通市 10个典型植烟生态区土壤、气象和烟叶重金属含量的调查分析，探讨土壤-气候、烟草品种及其交互作用对烟叶重金属含量的影响，以期为该烟区特色烟叶的开发和烟叶品质的提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 田间试验方法

在昭通市7个植烟县（区）的10个具有典型土壤-气候特征的微生态区即村社，选择土地连片，肥力中等的地块，于2011年进行田间布点试验（表1）。试验地土壤类型除巧家县白鹤滩镇法土村为紫色土、彝良县海子乡瓦厂村为红壤外，其他皆为黄壤。供试烤烟品种有 8个，每个品种种植 0.3～0.4 hm2，不设重复。部分品种在有些试验点没有种植，因此整个研究的试验地有62块（表2）。烟苗的育苗方式全部为漂浮育苗，移栽期为5月上旬至中旬，移栽规格为行距110～120 cm、株距50～60 cm。基肥采用专用复合肥m(N):m(P2O5):m(K2O)=10:14:24，定位环形施肥，施用量为600～825 kg/hm2。追肥期在5月下旬至6月中旬，施用硝酸钾[m(N):m(K2O)=14:47]225～300 kg/hm2。其他栽培管理措施按照当地烤烟栽培技术规范统一操作。在每个试验点建立 1个自动气象站，每10 min记录1次气象数据。各试验点 2011年烟草大田生长期的主要气象观测值见表1。

1.2 烟叶取样及分析测定项目

在8月初至9月底烟叶成熟期间，每个品种按试验点取上、中、下部位烟样各5 kg。选取当地所产烟叶数量最大的色组取样，即烟叶质量以橘黄色为主的分别取B2F、C3F、X2F三个等级，共取烟叶样品186个。收集的烟叶于40 ℃下烘干、粉碎过 40目筛后，分析测定化学成分含量。铜、锌、镍、铅、镉采用原子吸收分光光度法，砷采用二乙基二硫代氨基甲酸银比色法，汞采用冷原子吸收法。

表1 试验点的地理位置以及烟草大田生长期的气象数据Table 1 Site information and Climatic data during the field growth stage of tobacco

表2 各试验点种植的烟草品种Table 2 Tobacco varieties planted at each experimental site

1.3 土壤取样及分析测定项目

于7月烟叶现蕾至封顶期间，在每个品种种植地块内，通过S型取样法在垄上植株附近采集0～25 cm土壤，取样时尽量避开施肥位点，多点土样（5～10个点）均匀混合、四分法反复取舍至剩下2 kg，自然风干。共采集62个土样。样品用玛瑙研钵磨碎过筛后，依照文献[4]中的方法测定 pH、有机质、全氮、速效氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效铜、有效锌、总镍、总铅、总镉、总汞、总砷等指标。

1.4 统计分析

本试验涉及土壤-气候、烟草品种和等级3个因素，其中土壤-气候 10个水平（试验点）、品种 8个水平、等级3个水平。由于部分品种在某些试验点没有种植，测试烟叶又是采自同一品种的上、中、下部位，因此试验数据具有非平衡性和重复性。据此，采用SAS 9.3 for Windows 统计软件包的混合模型（Mixed model）程序进行重复测量方差分析（Repeated Measures Analysis of Variance），以检验试验因素的效应是否显著。在重复测量方差分析时，将土壤-气候和烟草品种作为分组因素、烟叶等级作为重复测量因素。引入偏Eta平方值（η2partial）来比较试验因素及其互作对烟叶各化学成分变异的贡献率大小[5]。当η2partial＜0.06时表示弱影响效应，0.06＜η2partial＜0.16时为中度效应，＞ 0.16时为强效应[3]。在因素效应显著性检验的基础上，采用逐步回归法进一步筛分影响烟叶重金属及砷含量的主要土壤和气象因子。为保证数据独立性的要求，对同一试验点同一品种不同等级烟叶的重金属含量取算术平均后再进行回归分析。以显著性水平P= 0.05作为变量取舍的临界值。

2 结 果

2.1 烟叶重金属含量的基本统计量

同一种重金属，在不同土壤-气候条件（试验点）下的烟叶中含量变化较大（表3），但在不同品种和不同等级的烟叶中变化较小（表4、5）。各重金属含量在不同土壤-气候条件下的变异系数都大于10%，属中等变异强度，表明它们受土壤-气候因素的影响都较大。烟草品种和烟叶等级对重金属含量的影响则与重金属种类有关。Cu和As含量在不同烟草品种和烟叶等级下均呈中等变异强度，说明Cu和As含量受品种和等级的影响也较大。相反，Zn、Ni、Pb和Hg在不同品种和等级下的变异都较小。Cd则在不同等级下也呈中等变异强度，表明烟叶等级对Cd含量也有较大的影响。

2.2 土壤-气候和品种及其互作对烟叶重金属含量的影响

将土壤-气候和烟草品种作为分组因素、烟叶等级作为重复测量因素进行方差分析，结果见表6。除As外，烟叶中其他重金属的含量在不同土壤-气候栽培条件下差异极显著（P＜0.0001），相应的偏Eta平方值（η2partial）均大于 0.16，表明土壤-气候对这些重金属的含量影响很大。不同品种烟叶的Cu和Zn含量有一定的差异（P＜0.1），但Ni、Pb、Cd、Hg和 As的含量差异不显著（P＞0.49）。与不同重金属对应的品种η2partial均小于0.06，因此品种对烟叶重金属含量的影响很弱。但土壤-气候和品种的互作对烟叶 Cd含量的影响极显著（P=0.0003）、对Cu、Zn、Ni、Hg含量的影响也较显著（P＜0.09），而对 Pb和 As含量的影响则不显著（P＞0.2）。从η2partial看，土壤-气候和品种互作对烟叶 Cd含量具有高度影响效应，对Cu、Zn、Ni、Hg含量为中度影响效应，对Pb和As含量为弱效应。烟叶等级对Cu、Ni、Pb和Cd含量具有中度影响效应，对Zn、Hg和As含量则为弱影响效应。

表3 不同土壤-气候条件下烟叶重金属含量的基本统计量 平均值±标准差Table 3 Descriptive statistics of heavy metal contents of tobacco leaves under different soil-climate conditions

表4 不同烟草品种烟叶重金属含量的基本统计量 平均值±标准差Table 4 Descriptive statistics of heavy metal contents of tobacco leaves with different varieties

表5 不同等级烟叶重金属含量的基本统计量Table 5 Descriptive statistics of heavy metal contents of tobacco leaves with different leaf grades

将 Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Hg和 As的土壤-气候、品种及其互作和品质的η2partial进行算术平均，其值分别为0.252、0.015、0.098、0.075；转换成百分率后，其值分别为57.3%、3.4%、22.3%、17.0%。此表明土壤-气候、品种及其互作和烟叶等级对烟叶中 7种重金属含量总变异的贡献率别为 57.3%、3.4%、22.3%、17.0%，土壤-气候对烟叶重金属含量的影响最大，品种的影响则可忽略不计。

表6 土壤-气候、烟草品种和烟叶等级对烟叶重金属含量影响的重复测量方差分析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 影响烟叶重金属含量的主要土壤和气象因子

以烟叶重金属成分为因变量，土壤理化指标（pH、有机质、全氮、速效氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效铜、有效锌、总镍、总铅、总镉、总汞、总砷）和气象参数（降雨频率、降雨量、日均温、昼夜温差、相对湿度）为解释变量，进行逐步回归分析。结果表明，烟叶中不同重金属成分的回归模型各不相同（表7）。换言之，烟叶中不同重金属的含量，与不同的土壤和气象因子有关。土壤因子对烟叶成分的影响看来是普遍和主要的。影响烟叶Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Hg和As含量的主要土壤因子分别为：土壤有效Cu、速效K；速效K、总Ni；有效Cu、有效Zn；全K、交换性镁、总Hg；交换性镁、总Pb、总As；有机质、有效 Zn；总 Ni。在气象因子中，烟草大田生长期日均温和降雨频率及降雨量分别对烟叶Pb和Hg含量表现出一定的影响。上述一个或多个土壤和气象因子组合可解释烟叶化学成分含量变异的10%～50%。

表7 土壤-气象因子与烟叶化学成分的逐步回归分析Table 7 Stepwise regression analysis of heavy metal contents in tobacco leaves with soil and climate factors

3 讨 论

3.1 与其他烟区烟叶重金属含量的比较

昭通市10个试验点烟叶中Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Hg和As的平均含量分别为8.12、39.98、5.29、10.21、1.57、0.02和0.14 mg/kg（表3）。文献报道的我国主要烟区烟叶中 Cu的平均含量为9.42～32.24 mg/kg[6]，Zn 为 30.61～39.48 mg/kg[7-8]，Ni为 0.71～2.84 mg/kg[6]，Pb 为 0.89～9.65 mg/kg[6,9]，Cd 为 0.15～9.42 mg/kg[6,9]， Hg 为 0.04～0.11 mg/kg[10]，As为 0.14～0.90 mg/kg[6,9]。与其他产烟区比较，昭通烟区烟叶重金属的含量分布特点可概括为低Cu、Hg、As和高Ni，其他重金属如Zn、Pb、Cd含量则基本上在其他烟区烟叶的含量范围内。

3.2 影响烟叶重金属含量的因素

国内外研究表明，烟叶化学成分与产区的土壤、气候、耕作栽培措施和烟草品种等因素有着密切的关系[1,3,11-13]。本研究也证实，在耕作栽培措施基本一致的条件下，土壤-气候条件对烟叶Cu、Zn、Ni、Pb、Cd和Hg含量具有高度影响效应，品种对它们的影响则很弱（表6）。土壤-气候和品种的互作效应则随重金属的种类而异。相似地，土壤-气候、品种及其互作对烟叶不同重金属含量变异的贡献率也不一样。土壤-气候对它们总变异的贡献率为57.3%，品种为 3.4%，土壤-气候和品种互作为22.3%，烟叶等级为 17.0%（表6）。因此，可初步判断昭通烟区烟叶重金属含量主要是受土壤-气候因素控制。品种对烟叶重金属的吸收和积累的影响则可忽略不计，这与张艳玲等[9]的研究结果一致。

逐步回归分析进一步发现，土壤不同因素与烟叶重金属含量都有一定程度的联系，而气象因素（如气温、降雨频率和降雨量）仅与烟叶中个别重金属（如Pb和Hg）含量相关（表7）。这表明土壤条件对烟叶重金属含量的影响具有主导性和普遍性，气象条件的影响则是次要的。相反，易建华等[3]发现，气候对烟叶还原糖、烟碱和总氮的影响显著，土壤对它们的影响则不明显。烟叶中重金属和其他化学成分的来源和代谢途径不一样，这可能是土壤和气候对它们的影响效应不同的原因。影响烟叶不同重金属含量的土壤因素也不一致（表7）。因此，应针对不同的重金属种类，采取不同的植烟土壤改良措施来调控烟叶重金属含量。另外，必须指出的是，本研究选取的土壤和气候因素只解释了烟叶重金属含量变异的 10%～50%，还有一半以上的变异没有获得解释。这可能是因为还有一些对烟叶重金属含量有重要作用的土壤环境因素没有被考虑到，但也可能是由于土壤不同因素之间以及土壤与气候、耕作栽培活动之间存在着复杂的交互作用，而我们的数学分析手段还不足以反映这些作用。本研究是在对土壤和气象条件没有控制的野外大田上进行的，今后可进一步开展不同生态区间植烟土壤的交换试验或在同一生态区内控制气候的微区试验，以深入探讨土壤和气候因素对烟叶重金属含量的影响及其机制。

4 结 论

与其他产烟区相比，昭通烟区烟叶中 Cu、Hg和As的含量较低，但 Ni含量较高。土壤-气候、烟草品种及其互作和烟叶等级对昭通烟叶重金属含量的影响程度不同，土壤-气候条件对烟叶 Cu、Zn、Ni、Pb、Cd和Hg含量具有高度影响效应，品种对它们的影响则很弱。土壤-气候和品种的互作效应和烟叶等级的影响则随重金属的种类而异。它们对烟叶中 7种重金属含量总变异的贡献率分别为57.3%、3.4%、22.3%、17.0%，土壤-气候对烟叶重金属含量的影响最大，品种的影响则可忽略不计。在土壤-气候因素中，土壤对烟叶重金属含量的影响具有主导性和普遍性，而气象因子的作用则是次要的。烟叶中不同重金属含量受到不同的土壤和气象因子的制约。

[1]Tsadilas C D, Karaivazoglou N A, Tsotsolis N C, et al.Cadmium uptake by tobacco as affected by liming, N form, and year of cultivation[J].Environmental Pollution,2005, 134: 239-246.

[2]孟建玉，商胜华，陆宁，等.土壤重金属含量对烟叶和烟气中重金属的影响[J].中国烟草科学，2012，33（3）：1-6.

[3]易建华，彭新辉，邓小华，等.气候和土壤及其互作对湖南烤烟还原糖、烟碱和总氮含量的影响[J].生态学报，2010，30（16）：4467-4475.

[4]鲁如坤.土壤农业化学分析法[M].北京：中国农业科技出版社，1999.

[5]SAS.SAS/STAT 9.3 User’s Guide[M].SAS Institute Inc.，Cary，NC，USA.2011：3223-3225.

[6]张晓静，秦存永，朱风鹏，等.国内10省区烟叶中重金属含量的差异与聚类分析[J].烟草科技，2012（10）：51-55.

[7]陈伟，唐远驹，潘文杰，等.烤烟不同部位叶片烟碱含量与中微量元素的关联分析[J].烟草科技，2012（8）：54-59.

[8]许自成，王林，肖汉乾.湖南烟区烤烟锌含量与土壤有效锌的分布特点及关系分析[J].生态环境，2007，16（1）：180-185.

[9]张艳玲，尹启生，周汉平，等.中国烟叶铅、镉、砷的含量及分布特征[J].烟草科技，2006（11）：49-53.

[10]雷丽萍，夏振远，方敦煌，等.玉溪烟叶几种重金属含量状况研究[J].西南农业学报，2011，24（4）：1612-1614.

[11]Robin A, Vansuyt G, Corberand T, et al.The soil type affects both the differential accumulation of iron between wild-type and ferritin over-expressor bobacco plants and the sensitivity of their rhizosphere bacterioflora to iron stress[J].Plant and Soil, 2006, 283: 73-81.

[12]丁根胜，王允白，陈朝阳，等.南平烟区主要气候因子与烟叶化学成分的关系[J].中国烟草科学，2009，30（4）：26-30.

[13]高林，董建新，武可峰，等.土壤类型对烟草生长发育的影响研究进展[J].中国烟草科学，2012，33（1）：98-101.