烤烟烟碱含量与微元素的联系分析
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本文作者：陈 伟 唐远驹 潘文杰 李智勇 单位：贵州省烟草科学研究所 贵州省烟草公司
我国部分烟区的烤烟生产近年出现了一种卷烟工业所不期望的倾向，即烟叶原料烟碱含量偏高，化学成分不太协调［1］，上部烟叶品质欠佳，可用性不高［2］。如何降低烟叶的烟碱含量，协调化学成分，提高工业可用性，降低危害性是提升现阶段烟叶质量水平的关键之所在。烟叶的中微量元素虽然含量较少，但对烟碱的合成、运输和积累有着不可替代的作用。长期以来，科技工作者对烟碱与中微量元素的关系进行了较多研究［3-7］。但从小区域、单一生态类型的角度开展研究的报道较多，在大区域、多生态类型条件下研究烟碱与中微量元素的关系较少；进行典型调查的多，进行试验研究的较少。为此，在我国7个主产烟省的12个县，采用统一栽培技术模式，控制人为栽培措施，通过大量准确的田间试验，研究烤烟不同部位叶片烟碱含量与中微量元素的关系，旨在寻求影响不同部位烟叶烟碱含量的主导中微量元素，为通过调控中微量元素含量而实现降低烟叶烟碱的目标提供科学依据，以更好地优化栽培技术，平衡烟株营养，生产出烟碱含量适合卷烟工业需要的特色优质烟叶。
1材料与方法
1.1材料试验品种为K326，统一供种；烟草专用复合肥、过磷酸钙和硫酸钾为当地大面积烤烟生产用肥。
1.2方法
1.2.1试验地点根据烟叶风格和内在品质特征，试验设置在我国7个主产烟省的12个县，南北纵跨纬度20o，从22oN～42oN；东西横跨经度21o，从102oE～123oE。基本代表了我国大部分烤烟生产地区的生态条件、社会经济状况和烤烟生产情况。试验地点包括：辽宁开原，山东安丘、沂水，河南临颍、郏县，四川宁南、会东，贵州湄潭、凤冈，福建将乐、永定，云南文山。每个参试县设1个在地形地貌、海拔、气候、土壤等方面具有代表性的试验点，选点要求便于管理、观测和记载，防止各种因素造成试验报废和结果失真。
1.2.2试验方法为减少品种基因型和栽培技术措施的影响，使关联分析在同一水平上进行，以便更好地揭示烟叶烟碱含量与物理性状的相关程度。12个参试县采用统一栽培法，主要是统一品种，统一密度，统一在60%烟株中心花开放时一次性打顶，统一施肥种类和施肥量，统一露地栽培（不盖膜，不套种）等。田间试验布置采用大区对比，不设重复。每处理面积不少于667m2，栽植密度16530株/hm2。施纯氮90kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶1.5∶3，全部施用无机肥（烟草专用复合肥、过磷酸钙和硫酸钾），用过磷酸钙与硫酸钾分别补充磷和钾的不足，70%作底肥，30%作追肥。单株留叶数20~22片，抑芽剂抑芽，成熟采收，按当地最适烘烤工艺烘烤。
1.2.3烟样采集和测定各试验点从初烤烟叶中取下部叶（X1F,X1L）、中部叶（C3F,C3L）和上部叶（B2F,B2L）各等级烟叶各2kg。每年各试验点烟叶样品基本到齐后，先进行部位鉴定，然后进行等级平衡，使同一等级样品水平基本一致。中微量元素测定项目有：Mn,Cu,Fe,Zn,Ca,Mg,P,Si,Pb,Cd,Se,S,Mo和B。Fe,Mn,Zn,Cu,Ca和Mg的测定方法为微波消解-火焰原子吸收分光光度法［8］，Pb和Cd为微波消解-石墨炉原子吸收分光光度法［9］，P为磷钒钼蓝光度法［10］，Si为NaOH高温熔融、硅钼蓝分光光度法［11］，Se为氢化物发生-原子荧光光谱法［12］，S为光度比浊法［13］，B为甲亚胺-H显色法［14］，Mo为电感耦合等离子体质谱法［15］。烟碱含量按照王瑞新［16］的方法测定。1.2.4数据分析采用MicrosoftExcel软件和DPS数据处理系统进行统计分析。
2结果与分析
2.1初烤烟叶中微量元素和烟碱含量描述统计及变异分析初烤烟叶的中微量元素和烟碱含量基本统计分析结果见表1。Cu,Zn,Se,Mo,B和烟碱含量从上部叶到下部叶依次降低，Fe和Si则从上部叶到下部叶依次升高，其他中微量元素含量部位间的变化没有明显规律。从不同部位烟叶中微量元素含量的变异系数来看，下部烟叶为：Mn>Mo>Cd>Fe>Mg>Se>Si>S>Zn>Pb>Ca>Cu>B>P；中部烟叶为：Mn>Fe>Mo>Cd>Si>Cu>B>Zn>Se>Ca>Mg>Pb>S>P；上部烟叶为：Mn>Mo>Se>Cd>B>Cu>Zn>Fe>Ca>Mg>S>Si>Pb>P。在各部位烟叶的烟碱含量中，下部叶烟碱含量变异相对较大，中、上部烟叶烟碱含量变异较小。按照变异系数的划分等级，变异系数<10%为弱变异性，变异系数为10%~100%为中等变异性，变异系数>100%为强变异性［17］。烤烟不同部位叶片烟碱与中微量元素含量的变异都属中等变异强度，它们受生态环境的影响较大，中微量元素中Mn的变异最强，P的变异最弱。
2.2烟叶中微量元素的主成分分析初烤烟叶的中微量元素主成分（PC）分析结果见表2和表3。每个主成分中载荷超过0.600的因子与主成分有显著的相关性，特征值大于1的主成分是显著的[18]。因此，选取前5个主成分（表2）进行分析，可以看出，所入选的前5个主成分的累积贡献率达到了73.74%，即前5个PC值能够把全部中微量元素指标提供信息的73.74%反映出来，基本包含了原始数据的绝大部分信息。表3表明，第1主成分的特征向量中，Ca和B占有较高的负载荷，Zn占有较高的正载荷，对主成分贡献较大。第1主成分可以看成是反映Zn,Ca和B的综合指标，其方差贡献率最大，占主成分总方差的27.93%，是入选主成分中对烟叶中微量元素影响最大的因子，Zn与Ca,B的载荷符号相反，表明Zn含量与Ca含量、B含量呈消长趋势，烟叶中Zn含量高时，Ca含量、B含量偏低。第2主成分贡献率为13.42%，以Fe和Si的正载荷较大，二者呈正相关趋势，可以看成是反映Fe和Si含量的综合指标。第3主成分的贡献率为12.48%，Cu和P占有较高的正载荷，二者呈正相关趋势，可看作描述烟叶Cu和P含量的综合指标。第4主成分的贡献率为11.42%，Mo占有较高的负载荷，可看作描述烟叶Mo含量的综合指标。第5主成分的贡献率相对较小，为8.49%，S占有较高的正载荷，可看作描述烟叶S含量的综合指标。因对主成分贡献大的变量影响程度也较大，可通过影响程度大的变量来进行中微量元素与烟碱含量的关联分析。因此，从5个主成分中选取贡献大（即载荷大）的变量来代表各个主成分的情况。在第1主成分中选取Zn,Ca和B，第2主成分中选取Fe和Si，第3主成分中选取Cu和P，第4主成分中选取Mo，第5主成分中选取S作为反映中微量元素的指标，进入下面的分析。
2.3中微量元素主成分与烟碱含量的逐步回归与通径分析
2.3.1下部烟叶通过对下部烟叶的Cu,Fe,Zn,Ca,P,Si,S,Mo,B与烟碱含量的逐步回归分析，得到最优多元线性回归方程。方程表明，下部烟叶烟碱含量主要受Cu,Zn,Ca,Si和B含量影响，其中B和Zn为正效应，Cu,Ca和Si为负作用。进一步通径分析（表4）可以看出，Cu,Zn,Ca,Si和B的直接效应大小顺序为：Si>Cu>Ca>Zn>B。由于各中微量元素间存在互作效应，Si和Ca的直接效应绝大部分被抵消，总效应极小；Cu,Zn和B的直接作用也被减弱，总效应表现为Cu>Zn>B>Si>Ca。可以看出，通过调控中微量元素含量来实现降低下部烟叶烟碱的目标时，应重点调控烟叶中的Cu,Zn和B含量，即采取相应措施降低烟叶B含量，提高Zn和Cu含量。
2.3.2中部烟叶通过对中部烟叶的Cu,Fe,Zn,Ca,P,Si,S,Mo,B与烟碱含量的逐步回归分析，得到最优多元线性回归方程。方程表明，中部烟叶烟碱含量主要受Cu,Fe,P,Mo和B含量影响，其中Cu,P和Mo为负效应，Fe和B为正效应。通径分析（表5）表明，Cu,Fe,P,Mo和B对烟碱含量的直接效应大小顺序为：P>Fe>Cu>Mo>B，由于Cu,Fe,P,Mo和B之间存在复杂的互作效应，B的直接效应被增强；Cu和P的直接调节效应大大降低，几乎被全部抵消，总效应表现极弱；Mo和Fe的直接调节效应被部分减弱，仍然表现为正效应；总效应表现为B>Fe>Mo>Cu>P。由此可见，通过调控中微量元素含量来实现降低中部烟叶烟碱的目标时，应以降低B和Fe含量，提高Mo含量为中心措施。
2.3.3上部烟叶通过对上部烟叶的Cu,Fe,Zn,Ca,P,Si,S,Mo,B与烟碱含量的逐步回归分析，得到最优多元线性回归方程。方程表明，上部叶烟碱含量主要受烟叶中的Cu,Fe,Ca,Si和B含量影响，其中Cu,Ca和Si为负效应，Fe和B为正效应。通径分析（表6）结果显示，Cu,Fe,Ca,Si和B对烟碱含量的直接效应大小顺序为：Si>Fe>Ca>Cu>B。由于各中微量元素间存在复杂的互作效应，Cu，Si和Ca的直接效应被减弱；Fe和B的直接效应绝大部分被抵消，总效应较小；总效应表现为Si>Ca>Cu>B>Fe。由此表明，通过调控中微量元素含量来实现降低上部烟叶烟碱的目标时，提高Si,Ca和Cu含量是一项重要措施。
3结果与讨论
烤烟不同部位叶片烟碱与中微量元素含量都属中等变异强度，说明烟叶中微量元素和烟碱含量在不同地区之间存在明显差异。在品种和栽培措施相同的条件下，造成这种差异的根本原因是由于各地的土壤、气候等生态环境条件的不同，而烟叶中微量元素与生态环境因素之间的关系有待于进一步分析。初烤烟叶中微量元素Mn在不同产区间的变异程度最大，P的变异程度最小。龙怀玉等［19］研究认为，烤烟中部叶大量元素的变异系数较小，中量元素其次，微量元素较大；其结果支持了上述观点。烟叶锰含量随土壤施Mn量的增加而增加［20-22］，不同试点县初烤烟叶Mn含量的变异程度最大，可能与土壤结构、质地和有效Mn含量有关。许自成等［23］研究表明，烤烟P含量与土壤速效P含量呈极显著正相关。初烤烟叶P含量在不同地区间的变异程度最小，其原因除土壤类型、成土母质和地形地貌的影响外，磷肥的有效性以及当季利用率比较低也是重要的影响因素。中微量元素参与调节光合作用产物合成、代谢和运输，进而影响烟株生长发育和产质量，对烟株烟碱含量也有很大的影响。Si是植物体组成的重要营养元素，具有提高植物光合效率，促进N,P和K等必需营养元素吸收和抑制有害重金属元素吸收，增强植物抗寒、抗病和抗虫的能力［24-26］。本研究显示，提高上部烟叶Si含量可降低烟碱含量，原因在于Si能促进烤烟生长，增加叶面积，因而对烟碱有稀释效应。刘光亮等［26］认为，叶面喷施水溶性硅肥有降低烟叶烟碱含量的趋势；这与本研究的结果是一致的。Ca对细胞膜构成和渗透性起着重要作用，缺Ca通常造成膜结构破坏，导致可扩散的化合物难于保持在细胞内［27］。前述分析结果表明，Ca对烟碱含量起负效应作用，可能是提高Ca含量，增加了细胞膜渗透性，不利于细胞内烟碱的积累。B能促进烟碱形成，对烟叶烟碱含量做正效应贡献。胡国松等［28］认为轻度缺B时，烟碱含量降低；潘文杰等［29］研究表明烟叶含B量与烟碱含量呈显著正相关；支持了本文的观点。严重缺B时，烟株叶片较少，烟叶中烟碱大量增加［30］，在生产中应注意硼的适量施用，将烟碱含量控制在适宜范围。Cu是一些氧化酶的辅基，对光合作用有重大影响，烟叶缺Cu时，总氮、蛋白氮和烟碱含量增加，糖类含量降低。提高Cu含量有利于降低上部和下部烟叶的烟碱含量。王广山等［31］研究表明，过量的Cu会使烟碱含量降低；与本研究结果基本吻合。齐群钢等［32］研究认为，烟株缺Fe烟碱含量降低，缺Zn烟碱含量增加。本研究表明，降低Fe含量有利于降低中部叶的烟碱含量，提高Zn含量将导致下部叶烟碱含量下降。Mo是硝酸还原酶和固氮酶的组成成分，对氮代谢具有重要影响。Mo对中部叶烟碱含量影响较大，做负效应贡献，可能是缺Mo时，硝态氮吸收增加，从而引起烟碱增加。招启柏[33]认为过量的钼使烟碱含量增加。因此，通过提高Mo含量来实现降低烟叶烟碱的目标时，必须要掌握好一个尺度。适宜的烟碱含量是优质低害烟叶生产所追求的目标，也是摆在烟草科技工作者面前的一项紧迫任务。中微量元素虽然含量较少，但其对烟碱的产生有不可替代的作用［28］。调控烟叶中微量元素含量是实现降低烟叶烟碱目标的重要农艺措施，但不同部位烟叶调节的措施和目标应各有侧重，上部叶提高Si,Ca和Cu含量是主攻目标；中部叶降低B和Fe含量，提高Mo含量是中心措施；下部叶降低B含量，提高Zn和Cu含量是重点措施。通过前期中微量肥料施用与后期叶面喷施，使烟叶的中微量元素含量适宜并协调均衡，生产出烟碱含量适合卷烟工业需要的优质烟叶，是烟叶生产管理与科研部门需要解决的一项重要课题。