马龙和沾益烟区土壤与烟叶铁元素分布特征及其对烟叶感官质量的影响

孙燕鑫 李子玮 张豪洋 郭笑恒 许自成

（河南农业大学烟草学院，450002，河南郑州）

铁（Fe）是植物生长和发育所必需的微量营养元素之一，是植物光合作用、呼吸作用、激素合成和固氮作用等各种生化过程所必需的辅助因子[1]。铁元素参与Fe-S簇蛋白质和叶绿素（Chl）的生物合成，并在植物体内氧化还原和电子传递过程中起重要作用[2]。铁是植物生长的第三大限制性营养元素。植物在缺铁环境下最直观的表现是幼叶黄化[3]，主要和叶绿素的缺乏、参与光合作用的其他物质的表达和变化有关。Briat等[4]研究提出，植物体内的铁元素对叶绿体电子传递链成分（如PSⅠ和PSⅡ复合物的核心和光捕获结构以及细胞色素b6f的蛋白质含量）有显著影响。叶绿素和类胡萝卜素等细胞色素是烟叶重要的香气前体[5]，因此铁元素对烟株正常的生长发育和烟叶品质提升具有重要作用。

马龙和沾益2个县位于曲靖烟区中部，种烟历史悠久，年产烟叶3.25万t左右，是全国优质烟叶生产基地。关于土壤有效铁含量与烟叶铁含量间的数量关系研究较少，铁元素对烟叶感官质量和风格特征的影响更是鲜见报道。本文以马龙和沾益烟区土壤样本及对应的烟叶样本为材料，研究植烟区土壤有效铁的空间分布特征、土壤有效铁和烟叶铁元素含量的影响因素，系统分析铁元素对烟叶感官质量的影响，旨在为马龙和沾益烟区合理施用铁肥、加强微量元素营养平衡提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

1.1.1 土壤样品采集 在云南省曲靖市中海拔红壤烟区2个植烟县区（马龙县和沾益县）采用GPS精准定位取样。取样时综合考虑烟田的地形地貌、土壤类型、烟草品种和轮作方式等因素，避开雨季且烟田未施底肥，在烟株移栽前1个月内完成，采集具有代表性的烟田土壤样品558个，并记录每个采样点的经纬度、海拔和土壤类型等信息。采用“S”型取样法，每个采样区块共取8～10个点，收集烟田耕层0～20cm处土样，混合后采用四分法保存约1.5kg土样并编号，土样经风干、去杂、研磨后，过筛、装瓶、保存备测。

1.1.2 烟叶样品采集 在对应土壤样品采集点采集烟叶样品，选取等级为C3F（中橘三）的烟叶样品，共计374个，每个烟叶样品取1.5kg，经烘干、粉碎、过筛备用。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 土壤及烟叶样品指标 采用ICP-AES法测定土壤有效铁含量，用pH为7.3的DTPA（二乙三胺五乙酸）-CaCl2-TEA（三乙醇胺）提取剂浸提，每个土样称取10g，分别加入DTPA浸提剂20mL，于（25±2）℃在振荡器上振荡2h，过滤后采用ICP-AES法测定滤液中土壤有效铁含量[6]。烟叶样品经密闭微波消解系统进行处理，采用原子吸收光谱仪测定烟叶中有效铁含量[7]；采用玻璃电极法测定土壤酸碱度[8]。

1.2.2 烟叶感官质量指标 烟叶质量特征包括香气质、香气量、杂气、刺激性、余味、燃烧性和灰色；风格特征包括香型、浓度和劲头；烟气特征包括成团性、干燥感、甜度和柔和性[9]。评吸前将烟叶适当回潮后抽去叶柄和主脉，烟叶切丝卷制成单料烟，于恒温恒湿箱[温度为(22±2)℃，相对湿度为60%±5%]中平衡水分72h，由卷烟工业公司技术中心专业评吸人员按照标准YC/T 138-1998进行评分。

1.3 数据处理

利用Excel整理数据，采用SPSS软件进行相关性分析、方差分析和回归分析。

2 结果与分析

2.1 土壤有效铁含量的分布特征

根据相关文献[10]及实际测样结果，采用DB21/T 1437-2006标准作为土壤有效铁分级标准。等级分布如表1所示，分为5个等级标准（极低、低、适宜、高和极高），结果显示，土壤有效铁平均水平为（66.23±46.66）mg/kg，含量较为丰富，变异系数为70.45%，属于中等偏强变异。0.36%的土壤样品有效铁处于极低水平，6.81%处于低水平，38.35%的处于适宜水平，比例最高，35.84%的处于高水平，18.64%的处于极高水平。当土壤有效铁含量大于20mg/kg时，各分组间都存在显著差异，变异系数较低，数据较为集中。总体来看，马龙和沾益烟区有效铁含量处于适宜偏高水平，少部分有效铁含量偏低的植烟区域应推广施用铁肥。

表1 土壤有效铁含量基本统计特征Table 1 Basic statistical characteristics of soil available Fe content

分析不同乡镇间土壤有效铁含量（表2）可知，马龙县的8个乡镇有效铁含量整体处于较高水平，与沾益县8个乡镇间存在显著差异。

表2 不同乡镇间土壤有效铁含量的分布特征Table 2 Distribution characteristics of soil available Fe content among different towns

马龙县共采集238个土壤样本，土壤有效铁均值为87.71mg/kg。其中，月望乡的有效铁含量最高，为110.55mg/kg，变异系数较小为46.70%，通泉镇、大庄乡和月望乡间的土壤有效铁含量分布差异不显著，但通泉镇和大庄乡的变异系数较大，数据相比月望乡更分散。有效铁含量最低的是旧县镇，为68.55mg/kg，但仍处于较高水平。

沾益县共采集320个土壤样本，土壤有效铁含量均值为50.26mg/kg，整体处于较适宜水平，变异系数较大，数据较为分散，说明部分地区间的有效铁含量差异较大。白水镇的土壤有效铁含量最高，为60.86mg/kg，变异系数67.22%，盘江镇的土壤有效铁含量最低，为35.81mg/kg，变异系数为62.86%，数据稍显分散。西平镇、炎方乡、德泽乡、大坡乡和菱角乡的土壤有效铁含量分布差异不显著，均值相近，但炎方乡的变异系数较低，有效铁含量相比于其他几个乡镇更为集中，西平镇的变异系数最高，数据离散程度大。

根据图1可知，月望乡土壤有效铁含量＞100mg/kg的比例最高，因此月望乡的平均铁含量也最高；盘江镇的土壤有效铁含量在4.50～20.00mg/kg区间的比例最高，因此盘江镇的土壤有效铁含量最小。马龙县的8个乡镇土壤有效铁含量在4.50～20.00mg/kg区间的比例几乎为0，仅王家庄镇和马鸣乡有一小部分占比，而沾益县的8个乡镇铁元素含量都含有4.50～20.00mg/kg区间，其中盘江镇最高。由此可知，马龙县的土壤有效铁含量在＞50.00mg/kg区间的比例要明显高于沾益县，说明马龙县的整体土壤铁元素相比于沾益县要更加充足，而沾益县的土壤有效铁含量在20.00～50.00mg/kg区间的比例要高于马龙县，说明沾益县整体的铁元素水平更加适宜，但部分地区的土壤有效铁元素含量较低，建议补充铁肥。

图1 不同乡镇间土壤有效铁含量的分布比例Fig.1 The distribution ratio of soil available Fe content among different towns

2.2 不同土壤类型有效铁含量的变化

4种不同类型土壤有效铁含量差异如表3所示，不同土壤类型中有效铁的均值由高到低为水稻土、新积土、紫色土和红壤。不同类型土壤有效铁含量差异达极显著水平（F=67.328，P=0.00），经多重比较后发现水稻土中有效铁含量显著高于其他类型。新积土中有效铁含量与红壤和紫色土之间也有着极显著差异。

表3 土壤类型对土壤有效铁含量的影响Table 3 Influence of soil type on soil available Fe content

由图2可知，除水稻土中有效铁含量极为丰富外，其他3种类型中土壤有效铁含量也处于较高水平。红壤中铁元素适宜水平的比例最高（50.88%），水稻土中有效铁含量极丰富，比例最高（52.67%）。由表3可知，新积土中有效铁含量的变幅最大，紫色土中有效铁含量变幅最小，4种土壤类型变异系数都处于中度偏高的水准，样本离散程度较大。

图2 不同土壤类型中有效铁含量等级占比Fig.2 The percentage of available Fe content grades in different soil types

2.3 pH值对土壤有效铁含量的影响

马龙和沾益烟区土壤pH值范围为4.25～7.68之间，均值为5.78，总体呈弱酸性，与李强等[11]研究结果较为一致。根据相关文献及实际采样结果将土壤pH值分为5组，并计算各组中土壤有效铁的均值，通过方差分析（表4）可知，当土壤pH值＞5.51，各组间有效铁含量差异性显著，pH值在5.51～7.00区间内的样本比例为47.67%，pH值低于5.5的烟区占比仍较高，为42.65%，pH值高于7.00的烟区占比较低，仅为9.68%。由均值可以看出，土壤有效铁含量随pH值的增大逐渐减小。

表4 不同土壤pH范围下土壤有效铁的变化Table 4 Changes of soil available Fe in different soil pH ranges

剔除异常值后，对马龙和沾益烟区土壤有效铁含量和pH值进行回归分析，探索pH值的变化对有效铁含量的影响趋势，结果（图3）发现二者间满足极显著线性回归关系（R2=0.247；P=0.000），与分组结果一致，即随着土壤pH值的增加，土壤有效铁含量呈线性降低趋势。二者的线性回归方程为：y=237.076-29.566x。

图3 土壤pH与土壤有效铁含量的回归关系Fig.3 Regression relationship between soil pH and soil available Fe content

2.4 烟叶铁含量的分布特征

铁元素是烟叶生长过程中不可或缺的重要元素之一，目前，没有研究表明烟叶内铁元素含量过高会对烟叶品质产生不良影响。根据巴西优质烤烟烟叶铁含量标准，马龙和沾益烟区烟叶铁含量均达到巴西优质烤烟水平[12]。由表5可知，烟区烟叶铁含量平均值为311.25mg/kg，变幅介于123.21～576.27mg/kg之间，其中铁元素含量＞300.00mg/kg的样本数最多，占48.66%，不同含量区间的变异系数均较低，属于弱变异，数据变化较小，方差分析结果显示，各分组间均具有显著性差异。峰度系数为-0.119，偏度系数为0.593，如图4所示烟叶铁含量频率分布呈右偏态的尖峭峰。由频率分布可知，马龙沾益烟区有72.99%的烟叶铁含量处于200.00～400.00mg/kg之内。

表5 马龙沾益烟区烟叶铁含量的分布特征Table 5 Distribution characteristics of Fe content in tobacco leaves in Malong-Zhanyi tobacco areas

图4 马龙沾益烟区烟叶铁含量频率分布Fig.4 Frequency distribution of Fe content in tobacco leaves in Malong-Zhanyi tobacco areas

2.5 土壤有效铁含量与烟叶铁含量的关系分析

由表6所示，在20.00～100.00mg/kg区间内样本数占比最高，为74.33%，在4.50～20.00mg/kg区间内样本数占比最低，为6.42%，变异系数较低，说明区间内烟叶铁含量变化较小，数据比较集中。与土壤有效铁含量低于50.00mg/kg相比，高于50.00mg/kg后烟叶铁含量变化差异性显著，在此范围内土壤有效铁含量可能是影响烟叶铁含量的重要因素。

表6 不同土壤有效铁范围下烟叶铁含量的变化Table 6 Changes of Fe content in tobacco leaves under different soil available Fe ranges

剔除异常值后，对马龙沾益烟区374个烟叶样本铁含量数据与其对应烟田土壤铁含量进行回归势。由图5可知土壤有效铁含量与烟叶铁含量间满足极显著线性函数关系（R2=0.048；P=0.000），即随着土壤有效铁含量的增加，烟叶铁含量呈线性增长趋势。二者间的线性回归方程为：y=324.447-0.525x。

图5 土壤有效铁与烟叶铁含量的回归关系Fig.5 Regression relationship between soil available Fe and tobacco Fe content

2.6 烟叶铁含量与感官质量及风格特征的关系分析

将烟叶铁含量排序后按固定组距分为若干组，求出各组对应指标平均值得到数据组，采用回归分析方法统计各感官指标与烟叶铁含量均值变化趋势，构建平滑回归分析关系。

图7 烟叶铁含量与质量特征中吃味指标的关系分析Fig.7 Analysis of the relationship between the Fe content of tobacco leaves and the taste indexes in the quality characteristics

图8 烟叶铁含量与质量特征中燃烧灰色的关系分析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 烟叶铁含量与烟叶感官质量的关系分析 由平滑回归分析（图6～8）可知，烟叶铁含量与香气质、香气量、余味、燃烧性、杂气、刺激性具有显著相关性。烟叶香气质、香气量、余味和燃烧性与烟叶铁含量之间呈先升高后降低趋势，杂气和刺激性与烟叶铁含量之间呈先降低后升高的趋势，烟叶铁含量在150～400mg/kg时，烟叶香气质、香气量、余味、燃烧性分值随铁元素含量的升高而升高，杂气和刺激性分值随铁元素含量的升高而降低。当烟叶铁元素＞400mg/kg时，烟叶香气质、香气量、余味和燃烧性分值随铁元素含量的升高而降低，杂气和刺激性分值随铁元素含量的升高而升高。灰色性分析，探索土壤有效铁对烟叶铁含量的影响趋与烟叶铁含量间的相关性未达显著水平。

图6 烟叶铁含量与质量特征中香味指标的关系分析Fig.6 Analysis of the relationship between the Fe content of tobacco leaves and the aroma indexes in the quality characteristics

2.6.2 烟叶铁含量与烟叶风格特征的关系分析 由平滑回归分析结果（图9）可知，烟叶铁含量与烟叶香型间具有显著相关关系。烟叶香型与铁含量之间呈先降低后升高的变化趋势。烟叶铁含量在150～400mg/kg区间时，烟叶香型分值随铁元素含量的增高而降低，当铁含量＞400mg/kg时，烟叶香型分值随铁元素含量的升高而升高。浓度和劲头与烟叶铁含量间的相关性未达显著水平。

图9 烟叶铁含量与烟叶风格特征的关系分析Fig.9 Analysis of the relationship between the Fe content of tobacco leaves and the characteristics of tobacco leaves

2.6.3 烟叶铁含量与烟气特征的关系分析 由平滑回归分析结果可知（图10），烟叶铁含量与烟气成团性、干燥感和柔和性具有显著相关性。烟气成团性、柔和性与烟叶铁含量间呈先降低后升高的趋势，烟气干燥感与烟叶铁含量间呈先升高后降低的趋势。当烟叶铁含量在150～400mg/kg时，烟气干燥感随铁含量的升高而升高，烟气成团性、柔和性随铁元素含量的升高而降低。当烟叶铁含量＞400mg/kg时，烟气成团性和柔和性随铁元素含量的升高而升高，烟气干燥感随铁元素含量的升高而降低。烟气甜度与烟叶铁含量间的相关性不显著。

图10 烟叶铁含量与烟气特征的关系分析Fig.10 Analysis of the relationship between the Fe content of tobacco leaves and the characteristics of smoke

3 讨论

马龙和沾益2个县烟区土壤有效铁平均含量为66.23mg/kg，处于含量较丰富的水平，变异系数为70.45%，属于中等偏强变异，其中有效铁含量适宜及丰富的占比为92.83%。根据统计学分析结果显示，马龙县有效铁含量丰富，普遍含量在50.01～100.00mg/kg之间，其中月望乡、纳章镇、大庄乡、通泉镇和王家庄镇局部含量极为丰富；沾益县有效铁含量适宜，普遍在20.01～50.00mg/kg之间，其中白水镇、大坡乡及沾益县北部的局部区域有效铁含量较为丰富。有效铁含量较低水平烟区占6.81%，主要集中于沾益县中部区域（炎方乡、播乐乡、盘江镇、西平镇、大坡乡和德泽乡）。马龙和沾益烟区烟叶铁含量均值为311.25mg/kg，约有72.99%的烟叶铁含量处于200～400mg/kg范围之内，烟叶铁含量十分丰富。

研究发现，不同土壤类型中的有效铁含量具有显著性差异，变幅较大，属于较高变异，其中以水稻土有效铁含量最高，这与范玉兰等[13]研究结果相同。土壤中的无机铁主要是固体状态的氧化铁矿物、胶体状态的氢氧化铁以及有效态铁和可溶态铁（包括Fe3+和Fe2+），有效铁主要是有效及可溶态铁[14]，水稻土由于长期处于浸水状态，土体发生氧化还原反应，加之微生物活动对氧的消耗，形成较为突出的还原性环境，将Fe3+还原成Fe2+，与土壤中有机质发生络合并下移[15]，另外根基微生物的活动也产生酸性物质，活化了一部分土壤中难溶的铁。本研究烟区中，红壤土在样本中占比最高（61.29%），红壤中的金属化合物较多，铁化合物中赤铁矿含量较突出，由于氧化铁不易溶解的特性，在结晶过程中更易形成构造良好的团粒结构，不易被冲淋流失[16]，而烟田种植过程中长期使用酸性肥料，以及湿润的气候因素，因此烟区铁含量较丰富。

马龙和沾益烟区土壤有效铁含量与pH值间具有极显著负相关关系，在一定范围内有效铁含量随着pH值增大而减少，这与邓小华等[17]研究相一致。土壤pH值变化导致金属元素的吸附点位、吸附表面的稳定性、存在形态及配位性能等发生改变，杨凤等[18]研究发现，土壤pH值对存在形态的影响是导致中微量元素有效性发生变化的最直接原因。岩石风化产生铁铝等化合物、盐类水解产生氢离子、烟叶对土壤微量元素的吸收[19]以及施用酸性肥料等都会使土壤pH值降低，还原性增强，结晶态氧化铁含量下降，无定形氧化铁含量增长[20]，当氧化铁被还原为亚铁离子后，以可溶态、有效态和络合态等形式存在。周航等[21]研究表明增施铁肥能有效降低土壤pH值，提高烟株株高和单叶重。

烟叶铁含量与土壤有效铁含量间存在极显著正相关关系，说明土壤有效铁含量的增加是影响烟叶对铁元素吸收的主要因素。应用方差分析比较不同组间土壤有效铁与烟叶铁含量的差异性，结果表明烟叶铁含量在土壤有效铁处于50mg/kg左右时有显著性差异，土壤有效铁含量＜50mg/kg与土壤有效铁含量＞50mg/kg区间内，烟叶铁含量无显著差异，因此土壤有效铁含量为50mg/kg时可能是影响烟叶铁含量的阈值。

烟叶中的多种关键致香物质源自类胡萝卜素和叶绿素降解产物，王玉华等[22]发现类胡萝卜素的多种降解产物对烟叶感官质量，尤其是对香气质和香气量有极其重要的影响，尧珍玉等[23]发现叶绿素的部分降解产物会转化为包括植物呋喃在内的其他化合物，使烟气更加丰富细腻。本研究表明，铁元素对烟叶质量特征有较显著的影响，烟叶铁元素与烟叶香气质、香气量、余味、燃烧性、杂气和刺激性间存在显著相关关系，与灰色关系不显著；烟叶铁含量对烟叶风格特征中的香型指标有极显著相关关系，与烟叶浓度和劲头间关系不显著；烟叶铁含量对烟叶烟气特征有较显著影响，与烟气成团性、柔和性和干燥感存在显著相关关系，与烟气甜度关系不显著。

4 结论

马龙和沾益2个县烟区土壤有效铁含量处适宜及以上水平的占92.83%，能满足优质烟叶生产所需。土壤有效铁含量较低或不适宜种植地区占比仅为7.17%，大部分位于沾益县，针对这一地区，种植烟叶时需考虑增施铁肥。土壤有效铁含量＞100.00mg/kg的占18.64%，目前尚未有研究证明高铁环境下对烟株生长具有毒害作用，但考虑到土壤有效铁与酸碱度间的显著负相关性，在种植烟叶时可以考虑适当调节土壤pH值来调控有效铁含量，增加优质烟生产比例。

烟叶感官质量与铁含量间存在显著相关性。如烟叶香气质、香气量、余味、燃烧性、干燥感与铁含量间存在显著正相关，烟叶杂气、刺激性、香型、成团性和柔和性与铁含量间存在显著负相关。综合来看，马龙和沾益2个烟区烟叶的感官质量表现为香气质适中，香气量尚足，有轻微杂气和刺激性，余味尚舒适，燃烧性中等偏上，呈灰白色，浓度劲头适中，香型表现为清香型偏中，烟气成团性适中，有轻微干燥感，甜度较明显，柔和性适中。