孫燕鑫 李子瑋 張豪洋 郭笑恒 許自成

（河南農業(yè)大學煙草學院，450002，河南鄭州）

鐵（Fe）是植物生長和發(fā)育所必需的微量營養(yǎng)元素之一，是植物光合作用、呼吸作用、激素合成和固氮作用等各種生化過程所必需的輔助因子[1]。鐵元素參與Fe-S簇蛋白質和葉綠素（Chl）的生物合成，并在植物體內氧化還原和電子傳遞過程中起重要作用[2]。鐵是植物生長的第三大限制性營養(yǎng)元素。植物在缺鐵環(huán)境下最直觀的表現(xiàn)是幼葉黃化[3]，主要和葉綠素的缺乏、參與光合作用的其他物質的表達和變化有關。Briat等[4]研究提出，植物體內的鐵元素對葉綠體電子傳遞鏈成分（如PSⅠ和PSⅡ復合物的核心和光捕獲結構以及細胞色素b6f的蛋白質含量）有顯著影響。葉綠素和類胡蘿卜素等細胞色素是煙葉重要的香氣前體[5]，因此鐵元素對煙株正常的生長發(fā)育和煙葉品質提升具有重要作用。

馬龍和沾益2個縣位于曲靖煙區(qū)中部，種煙歷史悠久，年產煙葉3.25萬t左右，是全國優(yōu)質煙葉生產基地。關于土壤有效鐵含量與煙葉鐵含量間的數(shù)量關系研究較少，鐵元素對煙葉感官質量和風格特征的影響更是鮮見報道。本文以馬龍和沾益煙區(qū)土壤樣本及對應的煙葉樣本為材料，研究植煙區(qū)土壤有效鐵的空間分布特征、土壤有效鐵和煙葉鐵元素含量的影響因素，系統(tǒng)分析鐵元素對煙葉感官質量的影響，旨在為馬龍和沾益煙區(qū)合理施用鐵肥、加強微量元素營養(yǎng)平衡提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

1.1.1 土壤樣品采集 在云南省曲靖市中海拔紅壤煙區(qū)2個植煙縣區(qū)（馬龍縣和沾益縣）采用GPS精準定位取樣。取樣時綜合考慮煙田的地形地貌、土壤類型、煙草品種和輪作方式等因素，避開雨季且煙田未施底肥，在煙株移栽前1個月內完成，采集具有代表性的煙田土壤樣品558個，并記錄每個采樣點的經緯度、海拔和土壤類型等信息。采用“S”型取樣法，每個采樣區(qū)塊共取8～10個點，收集煙田耕層0～20cm處土樣，混合后采用四分法保存約1.5kg土樣并編號，土樣經風干、去雜、研磨后，過篩、裝瓶、保存?zhèn)錅y。

1.1.2 煙葉樣品采集 在對應土壤樣品采集點采集煙葉樣品，選取等級為C3F（中橘三）的煙葉樣品，共計374個，每個煙葉樣品取1.5kg，經烘干、粉碎、過篩備用。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 土壤及煙葉樣品指標 采用ICP-AES法測定土壤有效鐵含量，用pH為7.3的DTPA（二乙三胺五乙酸）-CaCl2-TEA（三乙醇胺）提取劑浸提，每個土樣稱取10g，分別加入DTPA浸提劑20mL，于（25±2）℃在振蕩器上振蕩2h，過濾后采用ICP-AES法測定濾液中土壤有效鐵含量[6]。煙葉樣品經密閉微波消解系統(tǒng)進行處理，采用原子吸收光譜儀測定煙葉中有效鐵含量[7]；采用玻璃電極法測定土壤酸堿度[8]。

1.2.2 煙葉感官質量指標 煙葉質量特征包括香氣質、香氣量、雜氣、刺激性、余味、燃燒性和灰色；風格特征包括香型、濃度和勁頭；煙氣特征包括成團性、干燥感、甜度和柔和性[9]。評吸前將煙葉適當回潮后抽去葉柄和主脈，煙葉切絲卷制成單料煙，于恒溫恒濕箱[溫度為(22±2)℃，相對濕度為60%±5%]中平衡水分72h，由卷煙工業(yè)公司技術中心專業(yè)評吸人員按照標準YC/T 138-1998進行評分。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel整理數(shù)據(jù)，采用SPSS軟件進行相關性分析、方差分析和回歸分析。

2 結果與分析

2.1 土壤有效鐵含量的分布特征

根據(jù)相關文獻[10]及實際測樣結果，采用DB21/T 1437-2006標準作為土壤有效鐵分級標準。等級分布如表1所示，分為5個等級標準（極低、低、適宜、高和極高），結果顯示，土壤有效鐵平均水平為（66.23±46.66）mg/kg，含量較為豐富，變異系數(shù)為70.45%，屬于中等偏強變異。0.36%的土壤樣品有效鐵處于極低水平，6.81%處于低水平，38.35%的處于適宜水平，比例最高，35.84%的處于高水平，18.64%的處于極高水平。當土壤有效鐵含量大于20mg/kg時，各分組間都存在顯著差異，變異系數(shù)較低，數(shù)據(jù)較為集中?？傮w來看，馬龍和沾益煙區(qū)有效鐵含量處于適宜偏高水平，少部分有效鐵含量偏低的植煙區(qū)域應推廣施用鐵肥。

表1 土壤有效鐵含量基本統(tǒng)計特征Table 1 Basic statistical characteristics of soil available Fe content

分析不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)間土壤有效鐵含量（表2）可知，馬龍縣的8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)有效鐵含量整體處于較高水平，與沾益縣8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)間存在顯著差異。

表2 不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)間土壤有效鐵含量的分布特征Table 2 Distribution characteristics of soil available Fe content among different towns

馬龍縣共采集238個土壤樣本，土壤有效鐵均值為87.71mg/kg。其中，月望鄉(xiāng)的有效鐵含量最高，為110.55mg/kg，變異系數(shù)較小為46.70%，通泉鎮(zhèn)、大莊鄉(xiāng)和月望鄉(xiāng)間的土壤有效鐵含量分布差異不顯著，但通泉鎮(zhèn)和大莊鄉(xiāng)的變異系數(shù)較大，數(shù)據(jù)相比月望鄉(xiāng)更分散。有效鐵含量最低的是舊縣鎮(zhèn)，為68.55mg/kg，但仍處于較高水平。

沾益縣共采集320個土壤樣本，土壤有效鐵含量均值為50.26mg/kg，整體處于較適宜水平，變異系數(shù)較大，數(shù)據(jù)較為分散，說明部分地區(qū)間的有效鐵含量差異較大。白水鎮(zhèn)的土壤有效鐵含量最高，為60.86mg/kg，變異系數(shù)67.22%，盤江鎮(zhèn)的土壤有效鐵含量最低，為35.81mg/kg，變異系數(shù)為62.86%，數(shù)據(jù)稍顯分散。西平鎮(zhèn)、炎方鄉(xiāng)、德澤鄉(xiāng)、大坡鄉(xiāng)和菱角鄉(xiāng)的土壤有效鐵含量分布差異不顯著，均值相近，但炎方鄉(xiāng)的變異系數(shù)較低，有效鐵含量相比于其他幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)更為集中，西平鎮(zhèn)的變異系數(shù)最高，數(shù)據(jù)離散程度大。

根據(jù)圖1可知，月望鄉(xiāng)土壤有效鐵含量＞100mg/kg的比例最高，因此月望鄉(xiāng)的平均鐵含量也最高；盤江鎮(zhèn)的土壤有效鐵含量在4.50～20.00mg/kg區(qū)間的比例最高，因此盤江鎮(zhèn)的土壤有效鐵含量最小。馬龍縣的8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤有效鐵含量在4.50～20.00mg/kg區(qū)間的比例幾乎為0，僅王家莊鎮(zhèn)和馬鳴鄉(xiāng)有一小部分占比，而沾益縣的8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)鐵元素含量都含有4.50～20.00mg/kg區(qū)間，其中盤江鎮(zhèn)最高。由此可知，馬龍縣的土壤有效鐵含量在＞50.00mg/kg區(qū)間的比例要明顯高于沾益縣，說明馬龍縣的整體土壤鐵元素相比于沾益縣要更加充足，而沾益縣的土壤有效鐵含量在20.00～50.00mg/kg區(qū)間的比例要高于馬龍縣，說明沾益縣整體的鐵元素水平更加適宜，但部分地區(qū)的土壤有效鐵元素含量較低，建議補充鐵肥。

圖1 不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)間土壤有效鐵含量的分布比例Fig.1 The distribution ratio of soil available Fe content among different towns

2.2 不同土壤類型有效鐵含量的變化

4種不同類型土壤有效鐵含量差異如表3所示，不同土壤類型中有效鐵的均值由高到低為水稻土、新積土、紫色土和紅壤。不同類型土壤有效鐵含量差異達極顯著水平（F=67.328，P=0.00），經多重比較后發(fā)現(xiàn)水稻土中有效鐵含量顯著高于其他類型。新積土中有效鐵含量與紅壤和紫色土之間也有著極顯著差異。

表3 土壤類型對土壤有效鐵含量的影響Table 3 Influence of soil type on soil available Fe content

由圖2可知，除水稻土中有效鐵含量極為豐富外，其他3種類型中土壤有效鐵含量也處于較高水平。紅壤中鐵元素適宜水平的比例最高（50.88%），水稻土中有效鐵含量極豐富，比例最高（52.67%）。由表3可知，新積土中有效鐵含量的變幅最大，紫色土中有效鐵含量變幅最小，4種土壤類型變異系數(shù)都處于中度偏高的水準，樣本離散程度較大。

圖2 不同土壤類型中有效鐵含量等級占比Fig.2 The percentage of available Fe content grades in different soil types

2.3 pH值對土壤有效鐵含量的影響

馬龍和沾益煙區(qū)土壤pH值范圍為4.25～7.68之間，均值為5.78，總體呈弱酸性，與李強等[11]研究結果較為一致。根據(jù)相關文獻及實際采樣結果將土壤pH值分為5組，并計算各組中土壤有效鐵的均值，通過方差分析（表4）可知，當土壤pH值＞5.51，各組間有效鐵含量差異性顯著，pH值在5.51～7.00區(qū)間內的樣本比例為47.67%，pH值低于5.5的煙區(qū)占比仍較高，為42.65%，pH值高于7.00的煙區(qū)占比較低，僅為9.68%。由均值可以看出，土壤有效鐵含量隨pH值的增大逐漸減小。

表4 不同土壤pH范圍下土壤有效鐵的變化Table 4 Changes of soil available Fe in different soil pH ranges

剔除異常值后，對馬龍和沾益煙區(qū)土壤有效鐵含量和pH值進行回歸分析，探索pH值的變化對有效鐵含量的影響趨勢，結果（圖3）發(fā)現(xiàn)二者間滿足極顯著線性回歸關系（R2=0.247；P=0.000），與分組結果一致，即隨著土壤pH值的增加，土壤有效鐵含量呈線性降低趨勢。二者的線性回歸方程為：y=237.076-29.566x。

圖3 土壤pH與土壤有效鐵含量的回歸關系Fig.3 Regression relationship between soil pH and soil available Fe content

2.4 煙葉鐵含量的分布特征

鐵元素是煙葉生長過程中不可或缺的重要元素之一，目前，沒有研究表明煙葉內鐵元素含量過高會對煙葉品質產生不良影響。根據(jù)巴西優(yōu)質烤煙煙葉鐵含量標準，馬龍和沾益煙區(qū)煙葉鐵含量均達到巴西優(yōu)質烤煙水平[12]。由表5可知，煙區(qū)煙葉鐵含量平均值為311.25mg/kg，變幅介于123.21～576.27mg/kg之間，其中鐵元素含量＞300.00mg/kg的樣本數(shù)最多，占48.66%，不同含量區(qū)間的變異系數(shù)均較低，屬于弱變異，數(shù)據(jù)變化較小，方差分析結果顯示，各分組間均具有顯著性差異。峰度系數(shù)為-0.119，偏度系數(shù)為0.593，如圖4所示煙葉鐵含量頻率分布呈右偏態(tài)的尖峭峰。由頻率分布可知，馬龍沾益煙區(qū)有72.99%的煙葉鐵含量處于200.00～400.00mg/kg之內。

表5 馬龍沾益煙區(qū)煙葉鐵含量的分布特征Table 5 Distribution characteristics of Fe content in tobacco leaves in Malong-Zhanyi tobacco areas

圖4 馬龍沾益煙區(qū)煙葉鐵含量頻率分布Fig.4 Frequency distribution of Fe content in tobacco leaves in Malong-Zhanyi tobacco areas

2.5 土壤有效鐵含量與煙葉鐵含量的關系分析

由表6所示，在20.00～100.00mg/kg區(qū)間內樣本數(shù)占比最高，為74.33%，在4.50～20.00mg/kg區(qū)間內樣本數(shù)占比最低，為6.42%，變異系數(shù)較低，說明區(qū)間內煙葉鐵含量變化較小，數(shù)據(jù)比較集中。與土壤有效鐵含量低于50.00mg/kg相比，高于50.00mg/kg后煙葉鐵含量變化差異性顯著，在此范圍內土壤有效鐵含量可能是影響煙葉鐵含量的重要因素。

表6 不同土壤有效鐵范圍下煙葉鐵含量的變化Table 6 Changes of Fe content in tobacco leaves under different soil available Fe ranges

剔除異常值后，對馬龍沾益煙區(qū)374個煙葉樣本鐵含量數(shù)據(jù)與其對應煙田土壤鐵含量進行回歸勢。由圖5可知土壤有效鐵含量與煙葉鐵含量間滿足極顯著線性函數(shù)關系（R2=0.048；P=0.000），即隨著土壤有效鐵含量的增加，煙葉鐵含量呈線性增長趨勢。二者間的線性回歸方程為：y=324.447-0.525x。

圖5 土壤有效鐵與煙葉鐵含量的回歸關系Fig.5 Regression relationship between soil available Fe and tobacco Fe content

2.6 煙葉鐵含量與感官質量及風格特征的關系分析

將煙葉鐵含量排序后按固定組距分為若干組，求出各組對應指標平均值得到數(shù)據(jù)組，采用回歸分析方法統(tǒng)計各感官指標與煙葉鐵含量均值變化趨勢，構建平滑回歸分析關系。

圖7 煙葉鐵含量與質量特征中吃味指標的關系分析Fig.7 Analysis of the relationship between the Fe content of tobacco leaves and the taste indexes in the quality characteristics

圖8 煙葉鐵含量與質量特征中燃燒灰色的關系分析Fig.8 Analysis of the relationship between the Fe content and the quality characteristics of tobacco leaves in combustibility and ash color

2.6.1 煙葉鐵含量與煙葉感官質量的關系分析 由平滑回歸分析（圖6～8）可知，煙葉鐵含量與香氣質、香氣量、余味、燃燒性、雜氣、刺激性具有顯著相關性。煙葉香氣質、香氣量、余味和燃燒性與煙葉鐵含量之間呈先升高后降低趨勢，雜氣和刺激性與煙葉鐵含量之間呈先降低后升高的趨勢，煙葉鐵含量在150～400mg/kg時，煙葉香氣質、香氣量、余味、燃燒性分值隨鐵元素含量的升高而升高，雜氣和刺激性分值隨鐵元素含量的升高而降低。當煙葉鐵元素＞400mg/kg時，煙葉香氣質、香氣量、余味和燃燒性分值隨鐵元素含量的升高而降低，雜氣和刺激性分值隨鐵元素含量的升高而升高。灰色性分析，探索土壤有效鐵對煙葉鐵含量的影響趨與煙葉鐵含量間的相關性未達顯著水平。

圖6 煙葉鐵含量與質量特征中香味指標的關系分析Fig.6 Analysis of the relationship between the Fe content of tobacco leaves and the aroma indexes in the quality characteristics

2.6.2 煙葉鐵含量與煙葉風格特征的關系分析 由平滑回歸分析結果（圖9）可知，煙葉鐵含量與煙葉香型間具有顯著相關關系。煙葉香型與鐵含量之間呈先降低后升高的變化趨勢。煙葉鐵含量在150～400mg/kg區(qū)間時，煙葉香型分值隨鐵元素含量的增高而降低，當鐵含量＞400mg/kg時，煙葉香型分值隨鐵元素含量的升高而升高。濃度和勁頭與煙葉鐵含量間的相關性未達顯著水平。

圖9 煙葉鐵含量與煙葉風格特征的關系分析Fig.9 Analysis of the relationship between the Fe content of tobacco leaves and the characteristics of tobacco leaves

2.6.3 煙葉鐵含量與煙氣特征的關系分析 由平滑回歸分析結果可知（圖10），煙葉鐵含量與煙氣成團性、干燥感和柔和性具有顯著相關性。煙氣成團性、柔和性與煙葉鐵含量間呈先降低后升高的趨勢，煙氣干燥感與煙葉鐵含量間呈先升高后降低的趨勢。當煙葉鐵含量在150～400mg/kg時，煙氣干燥感隨鐵含量的升高而升高，煙氣成團性、柔和性隨鐵元素含量的升高而降低。當煙葉鐵含量＞400mg/kg時，煙氣成團性和柔和性隨鐵元素含量的升高而升高，煙氣干燥感隨鐵元素含量的升高而降低。煙氣甜度與煙葉鐵含量間的相關性不顯著。

圖10 煙葉鐵含量與煙氣特征的關系分析Fig.10 Analysis of the relationship between the Fe content of tobacco leaves and the characteristics of smoke

3 討論

馬龍和沾益2個縣煙區(qū)土壤有效鐵平均含量為66.23mg/kg，處于含量較豐富的水平，變異系數(shù)為70.45%，屬于中等偏強變異，其中有效鐵含量適宜及豐富的占比為92.83%。根據(jù)統(tǒng)計學分析結果顯示，馬龍縣有效鐵含量豐富，普遍含量在50.01～100.00mg/kg之間，其中月望鄉(xiāng)、納章鎮(zhèn)、大莊鄉(xiāng)、通泉鎮(zhèn)和王家莊鎮(zhèn)局部含量極為豐富；沾益縣有效鐵含量適宜，普遍在20.01～50.00mg/kg之間，其中白水鎮(zhèn)、大坡鄉(xiāng)及沾益縣北部的局部區(qū)域有效鐵含量較為豐富。有效鐵含量較低水平煙區(qū)占6.81%，主要集中于沾益縣中部區(qū)域（炎方鄉(xiāng)、播樂鄉(xiāng)、盤江鎮(zhèn)、西平鎮(zhèn)、大坡鄉(xiāng)和德澤鄉(xiāng)）。馬龍和沾益煙區(qū)煙葉鐵含量均值為311.25mg/kg，約有72.99%的煙葉鐵含量處于200～400mg/kg范圍之內，煙葉鐵含量十分豐富。

研究發(fā)現(xiàn)，不同土壤類型中的有效鐵含量具有顯著性差異，變幅較大，屬于較高變異，其中以水稻土有效鐵含量最高，這與范玉蘭等[13]研究結果相同。土壤中的無機鐵主要是固體狀態(tài)的氧化鐵礦物、膠體狀態(tài)的氫氧化鐵以及有效態(tài)鐵和可溶態(tài)鐵（包括Fe3+和Fe2+），有效鐵主要是有效及可溶態(tài)鐵[14]，水稻土由于長期處于浸水狀態(tài)，土體發(fā)生氧化還原反應，加之微生物活動對氧的消耗，形成較為突出的還原性環(huán)境，將Fe3+還原成Fe2+，與土壤中有機質發(fā)生絡合并下移[15]，另外根基微生物的活動也產生酸性物質，活化了一部分土壤中難溶的鐵。本研究煙區(qū)中，紅壤土在樣本中占比最高（61.29%），紅壤中的金屬化合物較多，鐵化合物中赤鐵礦含量較突出，由于氧化鐵不易溶解的特性，在結晶過程中更易形成構造良好的團粒結構，不易被沖淋流失[16]，而煙田種植過程中長期使用酸性肥料，以及濕潤的氣候因素，因此煙區(qū)鐵含量較豐富。

馬龍和沾益煙區(qū)土壤有效鐵含量與pH值間具有極顯著負相關關系，在一定范圍內有效鐵含量隨著pH值增大而減少，這與鄧小華等[17]研究相一致。土壤pH值變化導致金屬元素的吸附點位、吸附表面的穩(wěn)定性、存在形態(tài)及配位性能等發(fā)生改變，楊鳳等[18]研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH值對存在形態(tài)的影響是導致中微量元素有效性發(fā)生變化的最直接原因。巖石風化產生鐵鋁等化合物、鹽類水解產生氫離子、煙葉對土壤微量元素的吸收[19]以及施用酸性肥料等都會使土壤pH值降低，還原性增強，結晶態(tài)氧化鐵含量下降，無定形氧化鐵含量增長[20]，當氧化鐵被還原為亞鐵離子后，以可溶態(tài)、有效態(tài)和絡合態(tài)等形式存在。周航等[21]研究表明增施鐵肥能有效降低土壤pH值，提高煙株株高和單葉重。

煙葉鐵含量與土壤有效鐵含量間存在極顯著正相關關系，說明土壤有效鐵含量的增加是影響煙葉對鐵元素吸收的主要因素。應用方差分析比較不同組間土壤有效鐵與煙葉鐵含量的差異性，結果表明煙葉鐵含量在土壤有效鐵處于50mg/kg左右時有顯著性差異，土壤有效鐵含量＜50mg/kg與土壤有效鐵含量＞50mg/kg區(qū)間內，煙葉鐵含量無顯著差異，因此土壤有效鐵含量為50mg/kg時可能是影響煙葉鐵含量的閾值。

煙葉中的多種關鍵致香物質源自類胡蘿卜素和葉綠素降解產物，王玉華等[22]發(fā)現(xiàn)類胡蘿卜素的多種降解產物對煙葉感官質量，尤其是對香氣質和香氣量有極其重要的影響，堯珍玉等[23]發(fā)現(xiàn)葉綠素的部分降解產物會轉化為包括植物呋喃在內的其他化合物，使煙氣更加豐富細膩。本研究表明，鐵元素對煙葉質量特征有較顯著的影響，煙葉鐵元素與煙葉香氣質、香氣量、余味、燃燒性、雜氣和刺激性間存在顯著相關關系，與灰色關系不顯著；煙葉鐵含量對煙葉風格特征中的香型指標有極顯著相關關系，與煙葉濃度和勁頭間關系不顯著；煙葉鐵含量對煙葉煙氣特征有較顯著影響，與煙氣成團性、柔和性和干燥感存在顯著相關關系，與煙氣甜度關系不顯著。

4 結論

馬龍和沾益2個縣煙區(qū)土壤有效鐵含量處適宜及以上水平的占92.83%，能滿足優(yōu)質煙葉生產所需。土壤有效鐵含量較低或不適宜種植地區(qū)占比僅為7.17%，大部分位于沾益縣，針對這一地區(qū)，種植煙葉時需考慮增施鐵肥。土壤有效鐵含量＞100.00mg/kg的占18.64%，目前尚未有研究證明高鐵環(huán)境下對煙株生長具有毒害作用，但考慮到土壤有效鐵與酸堿度間的顯著負相關性，在種植煙葉時可以考慮適當調節(jié)土壤pH值來調控有效鐵含量，增加優(yōu)質煙生產比例。

煙葉感官質量與鐵含量間存在顯著相關性。如煙葉香氣質、香氣量、余味、燃燒性、干燥感與鐵含量間存在顯著正相關，煙葉雜氣、刺激性、香型、成團性和柔和性與鐵含量間存在顯著負相關。綜合來看，馬龍和沾益2個煙區(qū)煙葉的感官質量表現(xiàn)為香氣質適中，香氣量尚足，有輕微雜氣和刺激性，余味尚舒適，燃燒性中等偏上，呈灰白色，濃度勁頭適中，香型表現(xiàn)為清香型偏中，煙氣成團性適中，有輕微干燥感，甜度較明顯，柔和性適中。