植烟土壤有效硼、锌及其交互作用对烟叶硼、锌及品质的影响

任志广，张勇刚，项波卡，刘化冰，程昌合，张晓兵，刘建国

（浙江中烟工业有限责任公司技术中心，浙江 杭州 310024）

植烟土壤有效态微量元素含量与烤烟光合效能、能量代谢和蛋白质合成等过程密切相关［1］，它们的缺乏不仅会使烟叶化学成分失调、品质下降，还会影响烟叶整体可用性。研究表明，氮、磷、钾等大量营养元素施用量增多，引起土壤养分比例失衡，而微量营养元素的增产提质效果越来越明显［2］。目前，硼、锌微肥［3-5］在小麦、水稻、玉米等作物生产上已被广泛使用，作用效果显著。烤烟作为我国主要经济作物之一，硼、锌同样也是其正常生长的必要营养。李强等［6］对曲靖烟区植烟土壤养分空间变异及肥力的评价发现，有效锌含量整体适中，有效硼含量偏低；赵晓绕等［7］研究发现，曲靖罗平烟区植烟土壤锌含量中等，硼普遍欠缺。另外，王林等［8］研究了6种微量元素与烟叶外观质量的关系，表明锌是提升烟叶外观品质的主要元素。胡瑞文等［9］、方秀等［10］认为硼、锌可调控烟株体内多种酶活性，促进烟株生理代谢平衡和烟叶质量提升。近年来土壤有效硼、锌方面的研究已取得一定成果，但多集中在地区间的变异及单个指标的分析上［11-12］。针对土壤有效硼、锌互作对烟叶化学成分、多酚类香气物质及感官质量影响和贡献程度的研究鲜有报道。因此，本文以陆良植烟土壤为基础，以土壤有效硼与有效锌互作为出发点进行探讨，旨在为植烟土壤适宜有效硼、锌含量区间和硼、锌微肥规范使用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

1.1.1 土壤样品采集

采用GPS定位技术，于云南陆良植烟区连续2年开展土壤样品采集。采集工作统一在基肥施入、烟苗移栽前完成，且近7～10 d无较大降雨，以真实反映各采样单元地块土壤养分状况和供肥能力。采用“S”取样法布点并标记，平均5～15 hm2采集1个土样，去掉表皮土2～4 cm，用土钻再垂直向下挖耕层土（20 cm左右），用四分法弃去多余部分，每个土壤样品取样量为2.0 kg，在实验室经风干、去杂及研磨过0.25 mm筛后待测。土壤样品共采集319份。

1.1.2 烟叶样品采集

于各土样标记点采集烤烟烟叶样品。由专业评级人员依据GB 2635-92《烤烟》分级标准判定烟叶样品C3F等级，合格率确保90%以上。每份烟叶样品1.5 kg，共采集319份。经电烘箱75℃烘干、研磨过0.25 mm筛网后，备烟叶硼、锌、各化学成分指标及多酚类物质含量检测。

1.2 测定指标及方法

土壤有效硼（Available boron）和烟叶硼（B）测定采用甲亚胺比色法［13］，有效锌（Available zinc）测定采用DTPA浸提-原子吸收分光光度法［13］。烟叶锌（Zn）测定采用微波消解-原子吸收火焰分光光度法［14］。烟叶总糖、还原糖、烟碱、总氮、钾、氯测定参照文献［15］，烟叶绿原酸、莨菪亭、芸香苷测定参照YC/T 202-2006［16］。感官质量由7名专职评吸人员组成评价小组，对烟叶香气质、香气量、透发性、杂气、刺激性和余味进行评价打分，单项满分10分［17］。

1.3 数据统计分析

采用Excel 2016进行数据整理和图表制作，采用SPSS 24.0进行描述统计分析、方差分析和回归分析。在进行各处理多重比较时引入偏Eta2值（Partial Eta squared检验，以下简称p.η2），分析各因素对指标的变异贡献率。若p.η2≥0.14，表示该因素对指标有强影响效应，若0.06≤p.η2＜0.14表示中度影响效应，0.01≤p.η2＜0.06，表示弱影响效应［18］。

2 结果与分析

2.1 土壤有效硼、锌含量分布状况

由表1可知，陆良植烟区土壤有效硼平均值为0.54 mg·kg-1，变幅在0.08～1.57 mg·kg-1之间，变异系数53.73%，属中等变异水平。根据前人研究并结合生产实践［19］，将土壤有效硼含量分为很低（≤0.2 mg·kg-1）、低（0.2～0.4 mg·kg-1）、适中（0.4～0.7 mg·kg-1）、丰（0.7～1.0 mg·kg-1）和 很 丰（＞1.0 mg·kg-1）5个 等 级，其 中 分 布于0.4～0.7 mg·kg-1适中区间的样本数比例最大，占34.80%；另外，各区间有效硼含量差异均达到显著水平，其中最大值与最小值相差8.1倍。有效硼含量状况分布在缺乏、适中、丰富的比例分别为37.30%、34.80%、27.90%。该区土壤有效硼平均含量适中，但整体呈现出一定的空间变异。

表1 土壤有效硼含量分布状况

由表2可知，陆良植烟区土壤有效锌平均值为2.74 mg·kg-1，变幅在0.15～7.19 mg·kg-1之间，变异系数为51.17%，属中等变异水平。根据前人研究及生产实践［19］，将土壤有效锌含量分为很低（≤1.0 mg·kg-1）、低（1.0～2.0 mg·kg-1）、适中（2.0～3.5 mg·kg-1）、丰（3.5～5.0 mg·kg-1）和很丰（＞5.0 mg·kg-1）5个等级，分布于2.0～3.5 mg·kg-1适中区间的样本数最多，占41.07%，同时各区间有效锌含量差异显著，最大值与最小值相差8.8倍，但在组间变异程度相对较小。有效锌含量状况分布在缺乏、适中、丰富的比例分别为33.86%、41.07%、25.08%。该区土壤有效锌空间变异性较强，含量分布不均匀。

表2 土壤有效锌含量分布状况

2.2 土壤有效硼、锌对烟叶硼、锌含量的影响

2.2.1 土壤有效硼对烟叶硼、锌含量的影响

采用等组距法对收集的植烟土壤有效硼含量进行区间划分，组距为0.1%，对应区间内的烟叶硼、锌含量均值作为该区间的烟叶硼、锌水平，分别划出10个有效锌区间以及相对应的10个烟叶硼、锌水平。

由图1可知，烟叶硼与土壤有效硼含量呈线性回归关系（r=0.873**，r表示相关系数，下同）。若有效硼＞1.0 mg·kg-1，对烟株生长有毒害作用［20］。而有效硼处于0.6～1.0 mg·kg-1时，各区间烟叶硼含量未有显著差异，说明烟叶硼并不会随土壤有效硼的富集而显著变化。两者之间的关系可用方程式（R2=0.763，R2表示拟合度，下同）表示，回归方程达极显著水平（经F检验，P＜0）。随土壤有效硼的增加，烟叶锌表现为先增加后降低的趋势（r=0.346**），并且当有效锌为0.6～0.7 mg·kg-1时，烟叶锌含量显著最高，为52.16 mg·kg-1，两者关系拟合方程式为47.585x+17.646（R2=0.395），回归方程达极显著水平（经F检验，P＜0）。我国优质烤烟烟叶硼、锌含量的适宜范围［21］分别是10～40、40～60mg·kg-1，带入拟合方程曲线可得出土壤有效硼含量区间分别为0.3～1.0、0.4～0.7 mg·kg-1，若同时保障烟叶硼、锌保持较高含量水平，土壤有效硼含量应在0.6～0.7 mg·kg-1之间。

图1 土壤有效硼对烟叶硼、锌含量的影响

2.2.2 土壤有效锌对烟叶硼、锌含量的影响

按照2.2.1分组方法，将土壤有效锌以0.5%的组距划分，同时分组计算烟叶硼、锌平均含量。由图2可知，土壤有效锌≤4.0 mg·kg-1时，烟叶硼与土壤有效锌协同增长，之后烟叶硼显著降低（r=0.356**）。当有效锌范围在3.5～4.0 mg·kg-1之间时，烟叶硼含量显著最高，为29.65 mg·kg-1。两者关系拟合方程式为=2.074x3+0.260x2-0.039x+9.277（R2=0.361），回归方程达极显著水平（经F检验，P＜0）。烟叶锌含量整体随有效锌增加而增加（r=0.225**），当有效锌＜3.5 mg·kg-1时，各区间烟叶锌含量差异显著；当有效锌＞3.0 mg·kg-1时，烟叶锌含量变化幅度变小。两者关系的线性方程为回归方程达极显著水平（经F检验，P＜0）。按拟合方程曲线可得出烟叶硼、锌含量均保持相对较高水平的土壤有效锌含量区间为3.0～4.0 mg·kg-1。

图2 土壤有效锌对烟叶硼、锌含量的影响

2.3 土壤有效硼、锌交互对烟叶硼、锌含量的影响

根据表1、2分布情况，为便于比较土壤有效硼、锌交互处理对各指标的互作效应，将土壤有效硼分为低（≤0.4 mg·kg-1）、中（0.4～0.7 mg·kg-1）、高（＞0.7 mg·kg-1）3个水平，同理将土壤有效锌也分为低（≤2.0 mg·kg-1）、中（2.0～3.5 mg·kg-1）、高（＞3.5 mg·kg-1）3个水平。共设置为9个处理B1Zn1（T1）、B1Zn2（T2）、B1Zn3（T3）、B2Zn1（T4）、B2Zn2（T5）、B2Zn3（T6）、B3Zn1（T7）、B3Zn2（T8）、B3Zn3（T9）。

由表3可知，土壤有效硼以T9显著最高，T1、T2、T3显著最低；土壤有效锌以T6、T9显著最高，T1、T4、T7显著最低，烟叶硼、锌含量分别以T9、T6显著最高，T1、T2、T3显著最低。由表4可知，土壤有效硼、锌对烟叶硼有强影响效应，对烟叶锌有中等影响效应，而两者互作对烟叶硼、锌有中等影响效应。将各因素对烟叶硼、锌的p.η2转换为百分率，可知有效硼对烟叶硼、锌变异的贡献率分别为58.3%、30.5%，有效锌的贡献率分别为30.0%、34.5%，互作的贡献率分别为11.6%、35.0%。

表3 土壤有效硼、锌交互对烟叶硼、锌含量的影响 （mg·kg-1）

表4 土壤有效硼、锌交互下土壤有效硼、锌及烟叶硼、锌的p.η2值

2.4 土壤有效硼、锌交互对烟叶化学成分含量的影响

为寻找烟叶主要化学成分综合表现相对较好的组合处理，参照前人的研究方法［22］确定各化学成分指标的模糊数学隶属函数，求出隶属度；运用层次分析法［23］确定烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾、氯权重分别为27.84%、9.02%、16.72%、18.76%、22.09%、5.57%。并用化学成分可用性指数（Chemical components usability index，CCUI）综合表征，即2，…，m）。式中，Nij和Wij分别表示第i个样品的第j个化学成分指标的隶属度值和对应的权重系数。

由表5可知，T1、T8烟碱含量显著高于其他处理，T6最低；各处理总糖、还原糖含量差异并不显著；T7、T5和T2总氮含量显著高于其他处理，T1、T8相对较低；钾含量以T6最高，T1最 低，T6较T1显 著 高30.6%，其 他 处理差异不显著；氯含量以T2最高，T6最低，T6较T2显著低42.3%。而T6、T4的烟叶CCUI显著最高，T1、T2、T3及T7之间差异较小，但均显著低于其他处理，各处理CCUI整体表现为：T6＞T4＞T8＞T5＞T9＞T3＞T1＞T2＞T7。由表6可知，有效硼、锌对烟碱、钾、氯有强影响效应，对总糖、还原糖分别有弱、中等影响效应；而互作对总氮、钾、氯有强影响效应，对烟碱有中等影响效应。将各因素对CCUI的p.η2转换为百分率，可知有效硼对CCUI总变异贡献率为61.5%，有效锌为9.0%，交互为29.5%。

表5 土壤有效硼、锌交互对烟叶化学成分含量的影响

表6 土壤有效硼、锌交互下烟叶化学成分含量的p.η2值

2.5 土壤有效硼、锌交互对烟叶多酚类物质含量的影响

由表7可知，T1～T3各多酚物质含量相对较低，T6显著最高，T6多酚总量较T1～T3高36.2%～59.1%，整体表现为中硼或高硼与不同锌水平处理组合对多酚类物质积累有明显的促进作用。由表8可知，有效硼对绿原酸、芸香苷有强影响效应，有效锌对绿原酸、芸香苷分别有强、中等影响效应，而互作除莨菪亭外，对其他指标均为中度影响效应。将各因素对多酚总量的p.η2转换为百分率，可知有效硼对多酚总变异贡献率为52.9%，有效锌为33.0%，互作为14.1%。

表7 土壤有效硼、锌交互对烟叶多酚类物质含量的影响（mg·g-1）

表8 土壤有效硼、锌交互下烟叶多酚类物质含量的p.η2值

2.6 土壤有效硼、锌交互对烟叶感官质量的影响

由表9可知，T5、T6烟叶感官质量相对较好，各指标评价得分均高于其他处理，T1～T3整体表现较差。低硼或低锌交互不利于烟叶感官内在质量的表达，中硼与中或高锌交互烟叶评吸质量较好。由表10可知，有效硼对感官各指标均表现强影响效应，有效锌对香气质、透发性有强影响效应，对其他指标有中等影响效应，而两者互作仅对香气量、透发性和刺激性有强影响效应。将各因素对感官质量的p.η2转换为百分率，可知有效硼对感官总变异贡献率为58.7%，有效锌为20.2%，互作为21.1%。

表9 土壤有效硼、锌交互对烟叶感官质量的影响

表10 土壤有效硼、锌交互下烟叶感官质量的p.η2值

3 讨论

3.1 植烟土壤有效硼、锌含量空间分布

陆良植烟区土壤有效硼平均值为0.54 mg·kg-1，高于曲靖植烟土壤平均水平（0.46 mg·kg-1）［24］；有效锌平均值为2.74 mg·kg-1，低于曲靖植烟土壤平均水平（4.37 mg·kg-1）［25］。陆良土壤有效硼、锌两者变异系数分别为53.73%、51.17%，表现为不均衡的地域分布，一方面可能与当地地形复杂，多为坡度各异的山地和丘陵有关；另一方面为当地土壤质地和类型多样，导致基础肥力存在差异。另外，本研究发现土壤有效硼、锌缺乏比例分别有37.30%、33.86%，约占1/3。李强等［6］研究认为，土壤有效硼含量主要受栽培制度、施肥和管理水平等随机因子的影响；土壤有效锌则受生态气候、土壤母质等结构性和随机性因子共同作用。而土壤作为一个具有高度空间异质性的变异体［26］，陆良植烟区优质烟叶生产应根据土壤质地、类型、海拔及前茬作物等因素适宜补施硼、锌等微肥。

3.2 土壤有效硼、锌及其交互对烟叶硼、锌的影响

本研究结果表明，土壤和烟叶硼、锌同一元素间均呈现极显著的线性回归关系，与Sharma等［27］认为土壤微量元素对烟叶内相对应元素直接作用系数大，且两者相关性极显著的结果一致。而随着土壤有效硼或有效锌富集，烟叶硼、锌含量变化幅度并不明显。Wang等［28］认为pH值升高会降低土壤锌的有效性，姚旺等［29］认为随pH值升高，土壤硼会从B（OH）3向B（OH）4-转变，土壤对其吸附能力增强，解吸量降低。本研究表明，烟叶锌随有效硼含量增加呈先升高后降低的趋势，烟叶硼与有效锌表现规律与之一致，但与赵晓绕等［7］研究结果不同，可能受植烟区域生态、土壤类型及烤烟品种等因素影响。另外，中或高有效硼与高有效锌交互，烟叶硼、锌显著最高，并结合拟合回归方程，当土壤有效硼、锌含量分别在0.6～0.7、3.0～4.0 mg·kg-1之间，烟叶硼、锌均能保持在满足优质烟叶需求范围内的较高含量水平。

3.3 土壤有效硼、锌交互对烟叶化学成分的影响

烟叶化学成分是烟叶风格和品质特征最终彰显的内在基础，协调烟叶各化学指标相对含量是提高烟叶质量的重要措施［30］。本研究表明，T1～T9烟叶总糖、还原糖无显著差异，锌对两糖物质影响效应稍高于硼；低有效硼或锌交互处理烟叶烟碱、氯含量较高，钾含量偏低，而中或高有效硼、锌交互的烟碱、氯含量降幅分别达4.3%～16.5%、13.5%～42.3%，钾含量升高14.4%～30.6%，与前人研究［31-32］硼或锌元素有利于降低烟碱、氯，显著增加烟叶钾含量结果一致，说明中或高有效硼、锌交互有助于提升烟株氮代谢酶活性，刺激调控烟株体内钾素累积及NKT1和NTORK1钾离子通道基因的表达［33］，抑制了根系对Cl-的吸收。本研究结果显示，T6烟叶CCUI最高，比低有效硼、锌交互高9.1%～13.1%，说明中有效硼和高有效锌交互处理有利于烟叶化学成分及可用性的提升，同时有效硼对烟叶CCUI变异贡献率达61.5%，高于有效锌及两者互作，是影响烟叶CCUI高低的主要因子。

3.4 土壤有效硼、锌交互对烟叶多酚类物质的影响

多酚类物质是烟叶中重要的次生代谢物质之一，占干重的0.5%～2.5%，其对烟叶外观质量、烟气质量和风格起着重要作用［34］。姜慧娟等［35］认为绿原酸、芸香苷对烟叶香气质、香气量有直接正面影响。在多酚氧化酶的作用下，多酚类物质会被氧化为醌类物质，造成烟叶褐变，此时烟叶香吃味变差，杂气变重［36］。另外，烟叶多酚氧化酶活性与多酚类物质含量呈负相关，低硼或低锌条件下，多酚氧化酶活性较高［37-39］。董淑君等［40］研究表明，中或高硼、锌含量水平有利于降低多酚氧化酶活性，避免了多酚类物质转变为醌类与氨基酸及蛋白质聚合发生棕色化反应，利于烟叶多酚类物质积累及香气品质的生成。本研究发现中或高有效硼、锌交互烟叶绿原酸、莨菪亭、芸香苷及多酚总量相对较高，印证了上述结论。

3.5 土壤有效硼、锌交互对烟叶感官评级质量的影响

烟叶感官评吸质量是评价烟叶质量和工业可用性的重要依据，其质量影响着烟叶原料使用属性和档次判定。卢莉芳等［41］、韦凤杰等［42］研究表明，提高硼或锌素含量，可显著改善烟叶的香气质、香气量，减轻杂气和刺激性，提高余味舒适度。本研究结果与前人基本一致，随土壤有效硼、锌含量的增加，烟叶感官评吸质量有逐步改善趋势。另有研究表明，土壤有效锌与香气质、香气量及余味呈显著正相关，与杂气、刺激性呈显著负相关［12］，而硼可与富含羟基的糖类化合物络合形成带有电荷并具有极性的硼酯，容易穿过细胞膜并促进糖分运转［43］，对提升烟香丰满度、透发性有积极作用。本文表明若土壤有效硼、锌含量偏低，烟叶感官评吸质量各指标评分较低，卷烟工业配方使用性弱，本文以T5、T6的各感官评价指标评分最高，即中硼与中或高锌交互，同时有效硼对烟叶感官质量总变异贡献率最大。

4 结论

植烟土壤有效硼总体上偏低，有效锌相对丰富，两者均有1/3呈缺乏状态，表现出较强的空间变异，而烟叶硼、锌含量整体处于适宜范围。土壤有效硼与烟叶硼及土壤有效锌与烟叶锌间呈显著线性回归关系，随着土壤有效硼、锌含量富集，烟叶硼、锌均呈先升高后降低的变化趋势。另外，同一水平有效硼含量下提升有效锌含量，或同一水平有效锌含量下增加有效硼含量，均有利于提高烟叶多酚类物质含量，协调化学成分，提升感官评吸质量；且有效硼对各成分指标变异贡献率最大。综合研究结果表明，在0.6～0.7 mg·kg-1土壤有效硼与3.0～4.0 mg·kg-1有效锌比例搭配中，烟叶品质最佳。