广东梅州烟区土壤与烟叶化学成分特征评价及其相关性分析

王晓园，黄瑞寅，谢旭明，曾海亮，陈 钦，安玉兴，罗莎莎，武春屹，李宙文

（1.广东中烟工业有限责任公司，广东 广州 510315；2.广东烟草梅州市有限公司五华县分公司，广东 五华 514400；3.广东省科学院南繁种业研究所，广东 广州 510316）

【研究意义】土壤环境状况是影响烟草生长发育和烟叶品质的重要因子之一。受生态条件和管理措施的影响，土壤特征在一定区域内具有高度的异质性，且对烟叶化学成分的影响有所不同。因此，针对性地探究烟叶产区土壤特征及其与烟叶化学品质的相关性，对科学制定适宜当地的种植施肥方案和管理措施、促进烤烟生产发展具有重要意义。【前人研究进展】研究表明，土壤-气候因素对烟叶化学指标总变异的贡献率达48%，其中，土壤对烟叶总氮、蛋白质、淀粉、总糖、还原糖含量和糖氮比具有主导作用，气候对烟叶氮碱比和钾氯比具有主导作用［1］。土壤酸碱度对烟叶品质影响显著，土壤pH 值在5.8～7.6 之间时，烟叶的化学成分协调性好［2］；在土壤pH 适宜范围内，pH、有机质和土壤养分对烟叶化学品质有较大影响，在有机质适宜范围内，土壤养分和烟叶化学成分无显著相关［3］；烟叶总糖、还原糖、淀粉和钾含量与土壤全钾含量呈显著或极显著正相关［4］；土壤有机质含量对烟叶总植物碱和钾含量具有正效应［5］，对烟叶还原糖和磷含量具有负效应［6-7］。陈丽燕等［8］研究表明，土壤有机质与烟叶总糖含量、氮碱比和糖碱比呈正相关关系，土壤碱解氮含量与烟叶两糖比呈极显著负相关关系，与烟叶总糖、氮碱比呈显著性正相关关系，其余土壤养分与烟叶化学成分相关性较小；赵鹏力等［9］研究表明烟叶钾含量与土壤速效钾含量呈显著正相关关系，但徐茜等［10］研究认为烟叶钾含量与土壤全钾和速效钾含量均无显著相关性。【本研究切入点】梅州市位于广东省东北部，属武夷丘陵生态区，该地区光照、降雨量、温度和全年平均无霜日等自然条件均适宜烤烟生长，其所产烟叶具有纯度好、色泽鲜亮、感官质量较好和清甜香韵突出等优点，是我国主要的清甜蜜甜香型产区之一。优良的土壤环境是形成优质特色烟叶的重要基础，但影响梅州地区烟叶化学品质的关键土壤因子尚未明确，对梅州烟区土壤和烟叶化学成分特征的综合评价及其相关性的分析鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究以梅州烟叶主产区的土壤和烤后烟叶为研究对象，通过对植烟土壤和烤后烟叶化学成分特征及其相关性的分析，明确影响梅州烟叶化学品质的关键土壤因子，为梅州烟区土壤改良及优质烟叶生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

梅州烟区位于广东省东北部，属武夷丘陵生态区，是我国烤烟主要的清甜蜜甜香型产区之一。该区属亚热带季风气候，2021 年年均气温22.6 ℃，年降雨量 1 046.7 mm，年均日照2 215.1 h。样品采集地区耕作方式为水稻-烟草轮作，水稻生长期为2020 年8—11 月，水稻收获后秸秆翻压还田；烟草生长期为2020 年12 月至2021 年7 月，烟草耕作和施肥模式按当地常规方式进行。

1.2 试验方法

1.2.1土壤样品采集及测定 2021 年7 月烤烟收获后、水稻种植前，选取五华、大埔、梅县3 个烟叶主产区，每个烟区选取两个烟叶工作站，以收购站为中心点选取周边8 块烟叶种植田作为取样点，共48 块烟叶种植田。每块种植田以“S”取样法用土钻采集0～20 cm 土壤，剔除杂质均匀混合后按四分法取混合土样1.0 kg 左右带回实验室，风干、混匀、磨细、过筛留存待测，共48 份土壤样品。土壤理化性质参照鲍士旦［11］相关方法测定，测定指标包括pH 以及有机质（SOM）、水溶性有机碳（WSOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、碱解氮（AN）、有效磷（AP）和速效钾（AK）含量。植烟土壤质量等级评价标准见表1［12-14］。

表1 植烟土壤pH 和养分含量适宜范围Table1 Suitable range of pH and nutrient content of tobacco-planting soil

1.2.2烟叶样品采集及测定 供试烤烟品种为云烟87，烟叶样品取样点对应土壤取样点，统一成熟度采收，常规烘烤，分别采集C3F、B2F 等级烟叶各1 kg，共48 个中部烟叶和48 个上部烟叶样品。烟叶化学成分参照王瑞新等［15］方法测定，主要指标包括烟碱、总氮、总糖、还原糖、淀粉、总磷、钾离子（K+）、氯离子（Cl-）、钙离子（Ca2+）和镁离子（Mg2+）含量。烟叶化学品质指标适宜范围见表2［16-20］。

表2 优质烤烟化学成分适宜范围Table 2 Suitable range of chemical constituents of high quality tobacco leaves

1.3 数据处理与分析

采用SPSS 25.0 软件和Microsoft Excel 2010 进行数据处理和统计分析，用Duncan 多重比较方法检验差异显著性（P＜ 0.05）。

2 结果与分析

2.1 广东梅州烟区土壤特征分析

由表3 可知，梅州烟区土壤pH 在3.97～6.64，属于中等变异，整体偏低，其中偏酸比例为64.58%、适宜等级比例为35.42%；土壤SOM 含量在19.66～49.67 g/kg，属于中等变异，整体含量丰富，其中适宜等级比例为12.50%、丰等级比例为54.17%、很丰比例为33.33%；土壤WSOC 含量在32.88～192.55 mg/kg，变异系数为47.46%，属于中等变异；土壤TN 含量在1.18～2.52 g/kg，属于中等变异，整体适宜，其中适宜等级比例为68.75%、丰等级比例为29.17%、很丰等级比例为2.08%；土壤TP 含量在0.43～1.49 g/kg，属于中等变异，含量丰富，其中缺等级比例为4.17%、适宜等级比例为25.00%、丰等级比例为31.25%、很丰等级比例为39.58%；土壤TK 含量在7.44～35.99 g/kg，属于中等变异，整体含量较低，其中极缺等级比例为18.75%、缺等级比例为50.00%、适宜等级比例为14.58%、丰等级比例为2.08%、很丰等级比例为14.58%；土壤AN 含量在60.48～240.58 mg/kg，属于中等变异，整体含量丰富，其中适宜等级比例为2.08%、丰等级比例为12.50%、很丰等级比例为85.42%；土壤AP含量在7.62～420.10 mg/kg，属于中等变异，整体含量丰富，其中缺等级比例、适宜等级比例和丰等级比例均为4.17%，很丰等级比例为87.49%；土壤AK 在42.38～1 000.96 mg/kg，变异系数为54.36%，整体含量丰富，其中极缺等级比例为4.17%，缺等级比例为2.38%，适宜等级比例为14.58%，丰等级比例为22.92%，很丰等级比例为56.25%。整体来看，梅州烟区土壤偏酸，土壤TK 含量偏低，其余土壤养分含量丰富，AP、AK、TK 和WSOC 含量变异系数较大，表明这些养分区域间分布不均衡，其余养分在不同区域分布较为均衡。

表3 广东梅州烟区土壤理化性质Table 3 Physical and chemical properties of soil in Meizhou tobacco production area of Guangdong

2.2 广东梅州烟区烟叶化学成分特征及主成分分析

由表4 可知，梅州烟区中部烟叶的总氮、总糖和总磷含量属于弱变异，其余指标属于中等变异，其中Cl-和钾氯比变异系数最高，分别为53.97%和46.92%；烟碱含量偏低的比例为8.33%，在优质烟叶范围内的比例为68.75%，偏高比例为22.92%；总氮、还原糖、总磷、K+、Ca2+含量及糖碱比、氮碱比、钾氯比在优质烟叶范围内的比例分别为97.92%、83.33%、100%、100%、85.42%及83.33%、100%、83.33%；总糖、淀粉含量及糖碱比偏高，比例分别为91.67%、100.00%及66.67%；Mg2+含量在优质烟叶范围内的比例为43.75%，偏低比例为56.25%。整体上，梅州烟区中部烟叶总糖和淀粉含量及糖碱比偏高。

表4 广东梅州烟区中部烟叶化学成分Table 4 Chemical constituents of middle tobacco leaves in Meizhou tobacco production area of Guangdong

由表5 可知，梅州烟区上部烟叶总氮和总糖含量属于弱变异，其余指标属于中等变异，其中Cl-和钾氯比变异系数最高，分别为40.78%和37.19%；烟叶烟碱含量偏低的比例为47.92%，在优质烟叶范围内的比例为39.58%，偏高的比例为12.50%；总氮、总磷、Cl-、K+、Mg2+含量及氮碱比在优质烟叶范围内的比例分别为100%、100%、79.17%、91.67%、79.17% 及100%，总糖、还原糖、淀粉和总磷含量偏高的比例分别为87.50%、75.00%、100% 和100%；Ca2+含 量偏低的比例为27.08%，在优质烟叶范围内的比例为68.75%，偏高的比例为4.17%；糖碱比在优质烟叶范围内的比例为41.67%，偏高比例为56.25%；钾氯比偏低的比例为31.25%，在优质烟叶范围内的比例为68.75%。整体上，梅州烟区上部烟叶烟碱含量部分地区偏低，总糖、还原糖和淀粉含量及糖碱比偏高。

表5 广东梅州烟区上部烟叶化学成分Table 5 Chemical constituents of upper tobacco leaves in Meizhou tobacco production area of Guangdong

对梅州烟区中部和上部烟叶化学成分进行主成分分析，确定评价因子的权重，定量计算烟叶质量综合得分。通过SPSS 得出中部烟叶和上部烟叶的KMO 值分别为0.532 和0.566，Bartlett球形度检验显著性均为0.000，表明对梅州烟区烟叶化学成分进行主成分分析具有合理性。由表6～表8 可知，梅州烟区中部烟叶化学成分前5 个主成分特征值均大于1，累积方差贡献率达到88.45%，因此前5 个主成分构成的信息能够反映原来变量的大部分信息，其中第1、第2 主成分累计方差贡献率达到56.56%，糖碱比、总氮、烟碱、总糖和还原糖含量在第一主成分中起主要作用，Ca2+含量、还原糖和氮碱比在第2 主成分中起主要作用；上部烟叶化学成分前5 个主成分特征值均大于1，累积方差贡献率达到89.096%，因此前5 个主成分构成的信息能够反映原来变量的大部分信息，其中第1、第2主成分累计方差贡献率达到62.739%，还原糖、糖碱比、总糖和烟碱在第1 主成分中起主要作用，钾氯比和烟碱在第2 主成分中起主要作用。

表6 烟叶化学成分指标主成分分析特征值和累计贡献率Table 6 Principal component analysis trait value and accumulative contribution rate for chemical constituents indexes of tobacco leaves

2.3 烟叶化学成分与土壤养分的逐步回归分析

利用逐步回归分析广东梅州烟区烟叶化学成分与土壤理化性质的关系，回归模型中P值均小于0.05，方差膨胀系数（VIF）值均小于5，残差均符合正态分布，说明模型有效。表9 表明，梅州烟区中部烟叶中，烟碱含量与速效钾含量呈负相关关系；烟叶总氮和Mg2+含量与土壤WSOC 呈正相关关系；烟叶总糖、还原糖、淀粉含量与土壤WSOC 含量呈负相关关系；烟叶Cl-含量与土壤AN 含量呈正相关关系，与土壤AP 含量呈负相关关系；烟叶K+含量与土壤TN 含量呈正相关关系；烟叶Ca2+含量与土壤pH 值、AK 和SOM含量呈正相关关系；烟叶钾氯比与土壤AN 含量呈负相关关系，与土壤AP 含量呈正相关关系。上部烟叶中，还原糖含量与土壤AP 含量呈正相关关系；淀粉含量与土壤WSOC 含量呈负相关关系；总磷含量与土壤AK 含量呈正相关关系，与土壤TK 含量呈负相关关系；Cl-与土壤TN 含量呈负相关关系；K+含量与土壤AP 含量呈负相关关系；Ca2+含量与土壤总钾TK 含量呈负相关关系，与土壤pH 值、AN 含量呈正相关关系；Mg2+含量与土壤SOM 含量呈正相关关系；钾氯比与土壤TN 含量和pH 值呈正相关关系，与SOM 含量呈负相关关系。

由主成分分析结果可知，中部和上部烟叶前5 个主成分构成的信息分别能够反映原来变量的大部分信息（表7、表8）。根据前5 个主成分的贡献率，生成中部烟叶主成分的综合得分为：F（中部烟叶）=（0.30603F1+0.25953F2+0.14314F3+0.101 16F4+0.07463F5）/ 0.88449；上部烟叶主成分的综合得分为：F（上部烟叶）=（0.39318 F1+0.23422 F2+0.10714F3+0.08026F4+0.07617F5）/0.89097。以主成分综合得分为新因变量、土壤养分含量为自变量，建立逐步回归方程，由表9 可知，中部烟叶化学综合质量与土壤AK 含量呈正相关关系；上部烟叶化学综合质量与土壤AP 含量呈负相关关系，与土壤AK 含量和pH 呈正相关关系。

表7 中部烟叶化学成分指标主成分分析因子载荷矩阵Table 7 Load matrix of principal component analysis factors for chemical constituents indexes of middle tobacco leaves

表8 上部烟叶化学成分指标主成分分析因子载荷矩阵Table 8 Load matrix of principal component analysis factors for chemical constituents indexes of upper tobacco leaves

表9 烟叶化学成分指标与土壤pH 和养分含量的逐步回归分析Table 9 Stepwise regression analysis of chemical constituents indexes of tobacco leaves with soil pH and nutrient content

3 讨论

本研究结果显示，广东梅州烟区土壤偏酸比例占64.58%，土壤偏酸会影响烟株根系发育和土壤养分的有效性，抑制烟株对养分的吸收和转化，不利于优质烟叶的生产［21］。近年来大气酸沉降以及烟叶生产过程中施入的大量酸性肥料加速了土壤的酸化［22-23］。因此，梅州烟区在生产中应减少酸性肥料的施用并采取适当的改良措施以平衡植烟土壤pH。梅州烟区土壤有机质（SOM）含量丰富，丰及很丰比例占87.50%，适宜的土壤SOM 含量有利于提高烟叶整体品质，但土壤SOM 含量过高可能会引起烟叶生长后期氮素供应过多的问题，不利于烟叶成熟落黄，影响烟叶品质［24］。水溶性有机碳（WSOC）是土壤中微生物的重要能量来源和易被生物氧化的碳源，其含量直接影响土壤养分的有效性［25-26］，本研究中，土壤WSOC 含量在32.88～192.55 mg/kg 之间，占总有机碳的比例为0.15%～0.96%，含量较为丰富。梅州烟区土壤有机质及水溶性有机碳含量丰富，可能与梅州地区水稻收获后秸秆全部翻压还田有关，这有利于土壤碳库的积累和土壤养分的稳定。梅州烟区土壤全氮含量适宜，全磷含量丰富而全钾含量偏低；速效氮、磷和钾含量丰富，其中丰（高）及很丰（高）比例分别占97.92%、91.76%和79.17%，这与烟叶生产过程中施入大量速效肥料且利用率较低有关，梅州烟区土壤整体偏酸可能是影响速效养分吸收的原因之一；速效氮、磷和钾的积累会造成大量营养元素与中、微量元素的平衡问题越来越突出，同时增加肥料流失风险，易对环境造成潜在威胁。

协调的化学成分是形成优质烟叶风格及品质的物质基础［27］。梅州烟区中部烟叶烟碱、总氮、总磷、Cl-、K+、Ca2+和Mg2+含量及氮碱比、钾氯比适宜，上部烟叶总氮、总磷、Cl-、K+、Ca2+和Mg2+含量及氮碱比和钾氯比适宜；中部烟叶总糖和淀粉含量及糖碱比偏高，上部烟叶总糖、还原糖和淀粉含量及糖碱比偏高，烟碱含量偏低（占比47.92%）。糖含量过高导致66.67%的中部烟叶和56.25%的上部烟叶糖碱比偏高，影响烟叶品质。主成分分析结果表明，糖碱比、总氮、烟碱、总糖和还原糖含量是评价梅州烟区中部烟叶化学成分的主要指标，还原糖含量、糖碱比、总糖和烟碱是评价上部烟叶化学成分的主要指标。这与杜坚等［28］研究结果一致，即“糖、碱、钾、氮”是影响云烟87 品种常规化学成分在不同生态区差异的主要化学因子。因此，促进梅州烟区烟叶生产过程中糖类物质的转化、降低烤后烟叶糖含量、提高上部叶烟碱含量有利于梅州烟叶综合质量的提高。土壤是烟草生长的直接载体，其理化性质和养分状况与烟草生长代谢联系紧密。本研究中，梅州烟区中部烟叶烟碱含量与土壤速效钾含量呈负相关关系，上部烟叶烟碱含量与土壤养分含量无显著相关性，这与刘兰［29］认为钾素能降低烟叶烟碱和含氮化合物含量的结果一致；但大量文献表明，烟叶烟碱含量与土壤碱解氮含量显著正相关［9,30］，与本研究结果不一致，这可能与梅州产区土壤速效氮含量整体偏高有关。研究表明，土壤氮素对作物产量和氮素吸收具有促进作用，但当土壤氮素超过一定范围时，作物产量和氮素吸收积累量不再增加甚至呈降低趋势［31-32］。而且，不同生态环境条件和管理措施下，土壤养分含量对烟叶品质的影响具有差异性，王韦燕等［33］研究表明烟叶总糖和还原糖含量与土壤速效钾含量呈极显著负相关，但王勇［34］研究表明土壤速效钾有利于烟叶还原糖积累、不利于总糖积累，土壤有机质含量对糖含量的影响与土壤速效钾相反。梅州烟区中部烟叶总糖、还原糖和淀粉及上部烟叶淀粉含量与土壤WSOC 呈负相关关系，上部烟叶还原糖含量与土壤速效磷呈正相关关系，这与张盟等［35］研究结果一致，土壤有机碳各组分对烟叶化学成分含量影响显著，随着土壤总有机碳、活性有机碳及C/N 的升高，烟叶总糖、还原糖含量下降，而总氮、总植物碱含量升高。对梅州烟叶的综合质量评价结果表明，中部烟叶化学综合质量与土壤AK 含量呈正相关关系，上部烟叶化学综合质量与土壤AP含量呈负相关关系、与土壤AK 含量和pH 呈正相关关系。由此可知，适当提高土壤AK 含量有利于提高中部和上部烟叶综合质量，但AK 含量的提高可能会降低烟叶烟碱含量，因此，需针对性地研究土壤AK 含量与烟碱和烟叶整体质量的关系，探究梅州烟区土壤AK 含量的适宜范围；提高土壤WSOC 含量，有利于降低中部烟叶总糖、还原糖和淀粉含量及上部叶淀粉含量；适当降低土壤AP 含量有利于降低上部烟叶还原糖含量和上部烟叶综合质量；提高土壤pH 有利于提高上部烟叶综合质量。

4 结论

广东梅州烟区土壤偏酸比例为64.58%，土壤SOM 和WSOC 含量丰富，土壤TN 含量适宜比例为68.75%，TK 含量偏低比例为68.75%，TP、AN、AP 和AK 含量丰富比例分别为70.83%、97.92%、91.76%和79.17%，因此在生产中应增加有机肥料和碱性肥料的投入，降低速效化肥的施用量。中部烟叶和上部烟叶总糖、还原糖、淀粉和总磷含量及糖碱比偏高，49.72%烟区上部烟叶烟碱含量偏低；糖碱比、总氮、烟碱、总糖和还原糖含量以及还原糖含量、糖碱比、总糖和烟碱含量分别是评价梅州中部烟叶以及上部烟叶化学成分的主要指标；促进中部和上部烟叶糖类物质转化，提高上部烟叶烟碱含量有利于梅州烟叶整体质量的提高。烟叶化学品质与土壤理化性质显著相关，提高土壤pH 值、AK 和WSOC 含量，适当降低土壤AP 含量，有利于提高梅州产区烟叶化学品质。