不同叶面肥对烤烟Cd吸收及烟叶品质的影响

李晓越，段淑辉，周志成，刘勇军，李杉杉，赵中秋，王 萌，陈世宝*

（1 中国地质大学土地科学与技术学院，北京 100083；2 湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙 410128；3 湖南省烟草科学研究所，湖南长沙 410010；4 农业部植物营养与肥料重点试验室/中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

镉 (Cd) 是烟草非必需营养元素，但烟草是Cd的高富集作物。Cd污染不仅造成土壤肥力的下降，抑制烟草的生长发育，而且会影响烟草的品质[1–3]。随着农田土壤重金属污染的日益加剧，重金属已成为影响烟草安全生产的重要因素之一。在重金属元素中，Cd具有毒性大、污染普遍等特点，而烟叶中的Cd具有易挥发、在烟气中的迁移比例高等特点[4–5]，更易对人体造成危害。过去一直把降害的焦点集中在降低烤烟的焦油上，而目前越来越多研究表明，重金属污染也是危害烟草安全生产的重要因素之一[6–7]，因此，降低烟草对Cd的吸收、累积对低危害烟草种植具有重大意义。

降低Cd向土壤–烟草系统中的迁移是控制烟叶中Cd含量的有效方法。近些年来，国内外针对Cd从土壤向烟草迁移与控制技术等进行了较多研究，如降低土壤中Cd有效形态的含量，采用不同施肥措施[8]，利用阳离子拮抗作用[9]等，而针对利用叶面肥进行作物降Cd效果的研究较少，且多以小麦、水稻等作物为研究对象[10–12]，如靳磊等[12]根据离子拮抗原理，在水稻不同生长期，喷施Zn叶面肥，水稻籽粒中Cd降低达45.8%；刘永贤等[13]利用Se、Si叶面肥喷施水稻后，籽粒Cd降低达83.3%。关于叶面肥对烟草的研究多集中在叶面肥对烟草幼苗生长、烟叶品质和抗病性的影响方面[14–15]，对烟草降Cd效果的研究鲜见报道。随着我国农田高度集约化生产，土壤中有机质与微量元素的含量逐年减少。研究表明，在烟草生长发育过程中施用不同微量元素肥料，有促进植株生长、增加产量、提高烟叶品质的效果[16]，所以在生产实践中，通常把喷施Zn、Se等微量元素叶面施肥作为调节作物营养、促进作物生长的一项有效措施[14,17]。

作为Cd富集作物，烟草对Cd的吸收、累积分配规律不同于其他重金属元素，Pb、Hg、As等主要累积在烟草的根系中，难以向茎叶部转运，而Cd在烟草中的迁移性较强，Cd在烟草不同部位的含量顺序为叶 ＞ 茎和根，烟草植株中的Cd有80%以上累积在叶片中[7,9,18]。土壤中的Cd主要以自由Cd2+或Cd的低分子有机或无机络合物形式，通过Ca2+、Zn2+、K+等离子通道转运进入根细胞质外体中，再通过蒸腾作用进入中柱木质部和韧皮部长距离转运至茎叶[18]。进入植物体细胞的Cd将大部分与不同蛋白质官能团络合形成有机、无机Cd络合 (螯合) 物，一部分可溶Cd通过H+/阳离子反向运输器、ATP酶、ABC转运蛋白等途径转运到液泡中[19–20]。叶面气孔是植物与外界环境进行物质交换的主要通道, 气孔通过调节其开闭状态, 控制着水分、养分离子及CO2等进入植物体内, 从而达到生理平衡[21–22]。在喷施叶面肥过程中，植物通过叶面叶孔直接吸收叶面肥中的养分元素与阳离子，因此，叶片是植物最重要的根外营养器官。不同作物叶表含有数量不等的叶孔，利用叶面施肥打破了土壤根部施肥的传统方式，更加直接便捷，叶面肥具有针对性强、养分利用率高、肥料用量少的特点[23]，且避免了不当施肥造成的土壤污染；而基于离子拮抗与植物营养原理，开展不同叶面肥对烟草Cd吸收与品质成分影响研究，对植烟区Cd污染土壤的烟草安全生产具有重要意义，鉴于此，本研究针对烟草植株叶面大，吸收效果好的生理特性，以自制3种不同叶面肥，通过盆栽试验探究叶面肥对降低烟叶Cd吸收的效果以及烟草品质变化的响应特征。

1 材料与方法

1.1 供试土壤与烟草品种

采集了我国南方三个不同植烟区0—20 cm的表层土壤，根据土壤类型分别记为样点红泥田 (A)、黄泥田 (B) 和青紫泥田 (C)。将采集的土壤经自然风干，剔除植物根系与砾石后，过2 mm筛后进行土壤理化性质测定[24]。供试土壤的基本理化性质见表1。供试烤烟品种为我国南方主栽烤烟品种‘云-87’和‘K-326’。

1.2 供试叶面肥

试验采用3种叶面肥 (由中国农业科学院提供)进行盆栽试验，其性质与成分见表2。三种叶面肥分别为：叶面肥-1 (代号FI-1)；以油菜秸秆粉碎 (＜ 2 mm)后，在室温 (25 ± 2)℃条件下发酵，将发酵液与Zn2+制备成含Zn浓度约为10 mg/L的液体有机络合-Zn叶面肥；叶面肥-2 (代号FI-2)；以0.1 mol/L碱溶液提取有机肥中腐植酸后，再利用稀酸分离方法得到低分子富里酸 (FA)，将FA与K+水溶液按照一定比例混合后，制备成浓度约为100 mg/L的液体腐植酸络合-K型叶面肥；叶面肥-3 (代号FI-3)，将有机硅乳液[有机硅氧烷R2Si(OH)2与表面活性剂、去离子水混合后的乳浊液]与Fe2+溶液按照一定比例混合后，得到含铁约为10 mg/L的液体硅溶胶铁型叶面肥，上述溶液中Zn、K、Fe阳离子含量以仪器测定值为准。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 physic-chemical properties of tested soils

表2 不同叶面肥的性质与主要成分 (g/L)Table 2 The pH values and main nutrient contents of the foliar fertilizers

1.3 试验处理

采用盆栽试验，每盆装土10 kg，按照烤烟种植管理方法，每盆加入氮磷钾底肥及烟草专用肥后并达到70%的最大田间持水量。将在育苗盘育苗好的烟苗移栽至盆中，每盆移栽1棵烟苗。试验设置对照 (CK，喷施去离子水)、FI-1、FI-2及FI-3共4个处理，每一种土壤共有8个处理，每个处理3次重复，共有72盆。叶面肥的应用方法如下：当烟草移苗后第21天时，第一次将上述叶面肥以喷雾形式喷洒到烟草植株叶片上，将上下叶片全部喷湿即可，连续喷施3天；按照上述方法，在烟草生长期为团棵期时 (第36天，10～13片叶) 进行第二次喷施，连续喷施3天；第三次喷施日期为烟草旺长期 (第49天，团棵到现蕾期间)，连续喷施3天。每次叶面肥喷施时间均为下午5～6点。试验于移栽后8周采摘下部叶3片，中、上部叶于试验结束时 (移栽后118天) 采集。收获时，同时采集植株茎、根及土壤样品后，将根表泥土先用自来水冲洗干净，然后用去离子水冲洗3遍后，分别编号。根据测定项目不同，进行65℃条件下杀青后，烘干6～10 h至恒重待测。

1.4 测定方法

1.4.1 土壤理化性质测定 土壤pH、有机质含量、阳离子交换量 (CEC) 及粘粒 (＜ 0.002 mm) 含量的测定按照《土壤农化分析手册》中的方法[25]进行测定；土壤阳离子交换量采用非缓冲的硫脲银方法测定；土壤的电导率在水土比为2.5∶1 的条件下振荡1 h，静置30 min后测定；土壤黏粒含量通过吸管法测定；土壤pH按照土/水比为1∶2.5，以电位法测定悬液pH值。

1.4.2 土壤中Cd含量测定 采用GB/T17141-1997[25]的方法：称取0.20 g (精确至0.001 g) 过0.10 mm筛的土壤样品于100 mL聚四氟乙烯坩埚中，用盐酸、硝酸、氢氟酸、高氯酸消解后，过滤定容至50.0 mL刻度管中，利用等离子发光光谱仪 (ICP- MS) 进行测定。1.4.3 烤烟中Cd含量测定[26]烟叶中Cd含量测定采用HNO3–H2O2微波消解后等离子发光光谱仪测定法进行测定：称取样品约1.00 g于消解罐中，加浓硝酸 (优级纯) 6 mL和H2O22 mL，加盖拧紧，摇匀放置过夜，上机消解，160℃左右赶酸至尽干，5%硝酸转移定容到25 mL容量瓶中，利用等离子发光光谱仪进行Cd含量测定。

1.4.4 巯基 (-SH) 含量测定 采用碘量返滴定法测定[24]吸取2.0 mL经过0.22 μm的溶液放于100 mL碘量瓶中，加入5 mL无水乙醇、10 mL质量分数36%醋酸，然后加入0.400 g碘化钾，待碘化钾完全溶解后，迅速滴加10 mL 0.03 mol/L碘酸钾溶液，加盖放冰水中冷却5 min，用0.03 mol/L硫代硫酸钠溶液滴定至黄色消失为止。

1.4.5 烟叶主要化学成分测定[27]在烟草收获期，在每个处理取选中部 (第9～10片) 上部 (第12～13片) 叶，在60℃条件下烘干至恒重，粉碎、过0.25 mm筛，称取叶样0.200 g，采用San++(荷兰SKALAR公司)连续流动分析仪测定烟叶总糖和还原糖、烟碱、总氮、氯等化学成分；采用722分光光度计测定烟叶钾含量，并计算总糖/碱、氮/碱、钾/氯。

1.5 统计分析

所有试验数据采用Excel2007和SAS9.2分析，进行不同处理间的显著性 (P ＜ 0.05) 方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同叶面肥对烟草生物量的影响

从图1可以看出，喷施3种不同叶面肥后，对云-87与K-326的烟叶干重有明显增加作用。红泥田试验中，对照土壤中云-87与K-326每盆干重分别为19.67 g和21.44 g，喷施叶面肥后，云-87与K-326烟叶干重为20.71～23.41 g和22.64～25.45 g，云-87与K-326的烟叶干重分别增加5.30%～19.0%和5.6%～18.7%。黄泥田试验结果表明，喷施不同叶面肥后，与对照相比，云-87与K-326的烟叶干重分别增加为8.5%～24.4%和9.8%～21.9%；青紫泥田试验中，3种不同叶面肥对云-87与K-326的烟叶干重分别增加2.5%～16.1%和9.5%～30.8%。不同叶面肥在三种不同性质土壤中对烟叶增重效果顺序为FI-1 ＞ FI-2≈FI-3。

2.2 不同叶面肥对烤烟烟叶Cd含量的影响

从图2可以看出，喷施3种不同叶面肥后，对云-87与K-326的中部烟叶Cd有明显降低作用。在红泥田土壤试验中，对照处理的云-87与K-326烟叶中Cd含量分别为1.59 mg/kg和1.92 mg/kg，喷施3种不同叶面肥后，云-87与K-326烟叶Cd含量比对照降低18.0%～35.7%、26.2%～40.2%，其中叶面肥FI-1处理对Cd吸收的降低效果最为显著。在黄泥田的试验结果显示，与对照相比，3种不同叶面肥对云-87与K-326烟叶Cd含量的降低幅度分别为10.3%～36.1%、24.8%～42.2%；在青紫泥田土壤试验中，3种不同叶面肥对云-87与K-326烟叶Cd含量的降低幅度分别为26.1%～33.0%、19.4%～30.8%。不同叶面肥对三种不同性质土壤中烟叶Cd 降低的效果为 FI-1 ＞ FI-2 ＞ FI-3。

图1 不同叶面肥处理对烟叶干重的影响Fig. 1 Dry weight of tobacco leaves under different foliar fertilizers

图2 叶面肥对烤烟中部烟叶Cd含量的影响Fig. 2 Cd content of middle tobacco leaves under different foliar fertilizers

2.3 不同叶面肥对烟草品质成分的影响

相对于下部与上部烟叶，烟草的中部叶 (腰叶)由于具有非常良好的配和特性、不易于破碎和较高烟叶成丝率等特点，因此，优质的中部叶是烟草优质栽培的重要关注指标之一[28]。本试验中，对2种不同烤烟中部烟叶的品质成分进行了测定。烤烟烟叶中不同品质指标的适宜性范围分别为[28–30]：氮含量(1.5%～4.0%)、烟碱 (1.3%～3.5%)、还原糖 (18%～22%)、氯含量 (0.2%～0.6%) 及含量 (适宜为 ＞ 2%)。根据烟叶化学成分的适宜性指标，从表3可以看出，在三种不同性质土壤中，对照处理中云-87和K-326烟叶中总氮含量虽然在适宜范围内，但含量均偏低，而喷施3种不同叶面肥后，总体而言，烟叶中总氮含量均有不同程度增加，其中FI-1、FI-2处理比对照 (CK) 达到显著 (P ＜ 0.05) 差异，烟叶中钾含量与总氮含量变化类似；而就烟叶中烟碱与氯含量而言，与对照相比，不同叶面肥均在一定程度降低了烟叶中烟碱与氯的含量，其中FI-1、FI-2处理烟叶中烟碱与氯含量显著 (P ＜ 0.05) 降低，而FI-3处理没有显著差异；除了上述指标外，不同处理烟叶中还原糖与对照相比，没有显著变化，均在适宜范围内。FI-1、FI-2处理均在一定程度增加了烟叶中钾氯比、糖碱比及氮碱比，而FI-3处理的烟叶中上述三种指标变化没有明显规律。总体而言，除了青紫泥田土壤中，FI-3处理烟叶中的还原糖偏高 (与对照相比差异不显著) 外，喷施不同叶面肥处理的烟叶化学成分大部分均处于适宜性范围内，其中，FI-1、FI-2处理对提高烟叶品质指标具有显著效果。

3 讨论

本试验中，三种叶面肥中分别含有活性Zn2+、K+、Fe2+等中、微量元素，在烟草的苗期、团棵期和旺长期喷施后，对烟草植株生长均有不同程度促进作用，其中，有机络合-Zn叶面肥 (FI-1) 对植株生长的促进作用最显著，其次是腐植酸络合-K型叶面肥(FI-2) 和硅溶胶铁型叶面肥 (FI-3)。对云-87而言，FI-1在红泥田、黄泥田和青紫泥田土壤中每株干重比对照分别增加了19.0%、24.4%、16.1%，而K-326的每株干重分别增加了18.7%、21.9%、30.8%，均达到显著水平 (P ＜ 0.05)，不同叶面肥对烟叶增重效果顺序为FI-1 ＞ FI-2≈FI-3。有研究表明，叶面肥通过增加烟草中、微量元素营养供给，可以显著促进植株生理代谢 (光合速率和蒸腾速率)、提高叶绿素含量和烟叶产量。FI-1与另外两种阻控剂相比，氮含量明显较高，碳、氮代谢是烟草植株最基本的代谢过程, 氮素对光合碳固定有显著促进作用，有利于提高烟草产量[16]，同时，已有大量研究表明，氮肥形态与致病菌及作物抗病性有密切关系，合理的硝态氮和铵态氮配比可以有效的预防烟草黑胫等烟草常见减产疾病[18,31]。

表3 不同叶面肥对烤烟品质成分的影响Table 3 Effect of the foliar fertilizers on quality component of middle tobacco leaves

污染土壤中降低作物Cd吸收的修复技术包括重金属污染土壤的修复治理，低吸收作物品种的筛选与应用，作物对重金属吸收生理阻控等[32]。本试验中，烟叶通过叶表吸收叶面肥中的Zn2+、K+及Fe2+等养分离子，被叶表吸收转运的Zn2+、K+及Fe2+通过竞争络合方式，占据植物体蛋白质与氨基酸的有效吸附点位，从而对Cd2+产生拮抗作用，降低烟草植物对土壤中Cd的吸收、转运。研究表明，在一定浓度范围内，由于Zn等阳离子与Cd共用亲和性质膜转运蛋白，植物体内Zn2+等养分离子对Cd有明显拮抗作用[33]。本研究结果显示，FI-1叶面肥对烟叶中Cd降低效果最为显著，对云-87和K-326最大降Cd达到36.1%和42.2%，FI-2对云-87和K-326最大降Cd率为35.5%、30.9%，而FI-2对云-87和K-326最大降Cd率分别为35.5%、30.9%达到26.1%、24.8%。

土壤Cd污染不仅影响烟草体内叶绿素、蛋白质的合成，一方面造成烟草不同程度的减产或绝收，另一方面，对烟草大量营养元素 (如K、Ca、Mg、Si、Fe等) 和微量元素 (如 Zn、Se等) 的吸收也有影响，从而影响烟草的品质[34]。烟草摄入过量Cd会影响烟叶烟碱、还原糖及蛋白质含量，导致烟叶中糖碱比和氮碱比升高，烟叶化学成分失衡和烟叶中的酸碱失去平衡[5]；喷施不同叶面肥在促进烟草植株生长、降低烟叶Cd吸收转运的同时，对烟叶的品质成分也有显著影响。本研究中，FI-1中的巯基结合态Zn，对烟草体内的众多酶起着调节、稳定和催化作用，通过影响RNA、DNA聚合酶从而影响烟株体内核酸与蛋白质的合成过程，参与烤烟烟叶叶绿素的合成，进而增强烟株的光合作用能力，提高抗病能力，促进烟株的生长发育。在不同叶面肥处理中，FI-1、FI-2处理均在一定程度增加了烟叶中氮和钾的含量，降低了烟碱与氯的含量，从而增加了烟叶中钾氯比和糖碱比，使烟叶内在化学成分趋于协调，进而提升烟叶品质。其中，FI-1中氮含量较高，有助于烟叶成份、油分、颜色浓度、饱满度光泽等指标的提高，FI-2中含有大量的钾，钾是烟叶公认的品质元素，补充钾肥可以提高烟草氮素有效性、土壤酶活性、烤烟的燃烧性和阴燃持火力，对烟叶品质和卷烟制品的安全性具有重要意义[35]。

4 结论

1) 三种叶面肥对烟草植株生长具有明显促进作用，其中，含Zn叶面肥可分别增加两品种烟叶干重24.4%和30.8%；

2) 三种不同叶面肥均可不同程度地降低烟叶对Cd的吸收、转运，其中云-87和K-326烟叶中Cd分别降低36.1%和42.2%；

3) 不同叶面肥均可不同程度地提高烟叶中氮和钾的含量，降低烟碱与氯的含量，提高烟叶中的钾氯比、糖碱比和氮碱比，提升烟叶品质，不同叶面肥对降低烟叶Cd含量与提升烟叶品质的总体效果为 FI-1 ＞ FI-2 ＞ FI-3。