皖南煙區灌溉水質調查及金屬元素對煙葉焦甜香風格的影響

董祥洲 陳亞奎 徐粲然 朱啟法 黃魏魏

摘要：選取皖南53個具有代表性的煙葉種植區域，對各區域內的灌溉水水質尤其是金屬元素含量進行調查。發現灌溉水的微（中）量元素含量整體較低，未對煙葉焦甜香風格產生顯著影響。Mg含量為0.7～8.0 mg/L，Ca含量普遍小于40 mg/L，Zn含量為0.002～0.029 mg/L。灌溉水的重金屬含量以及其他基本控制項目全部符合國家標準。通過在大棚內使用水稻土進行的可控灌溉水煙葉種植試驗證明，灌溉水中Zn為煙葉焦甜香風格的負相關因素，閥值≥10 mg/L。Mg為正相關因素，彰顯煙葉焦甜香風格的灌溉水Mg元素含量應維持在40～90 mg/L。Ca與Mg具有協同彰顯效果，但主要適用于水稻土等酸性致密黏土。

關鍵詞：灌溉水;金屬元素;煙葉;焦甜香

中圖分類號：S572? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）14-0112-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.022 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： 53 representative areas for tobacco planting in southern Anhui province were selected and the quality of irrigation water， especially the content of metal elements， was investigated. It was found that the content of micro （medium） elements in irrigation water was too low to have a significant effect on the formation of burned sugar aroma style of tobacco leaves. The contents of Mg， Ca and Zn were 0.7～8.0 mg/L， <40 mg/L and 0.002～0.029 mg/L， respectively. The heavy metal content of irrigation water and other basic control items all met corresponding national standards. Furthermore， the experiments on tobacco planting under controlled irrigation using paddy soil in a greenhouse proved that Zn was a negative correlation factor for forming the burned sugar aroma style of tobacco and the threshold value was ≥10 mg/L in irrigation water. Meanwhile， Mg was a positive correlation factor and the content of Mg to promote the burned sugar aroma style should be maintained at 40～90 mg/L. Ca and Mg had synergistic effects， but which was mainly appropriate for acid paddy soils.

Key words： irrigation water;metal elements;tobacco leaves;burned sugar aroma style

2003年在皖南煙區發現了與津巴布韋煙葉類似、具有焦甜香特色風格的烤煙[1]。經過多年的發展，皖南煙葉濃香型風格突出、濃郁細膩、焦甜香特色顯著，深受卷煙企業的歡迎[2]。目前，對煙葉焦甜香特色風格形成原因的探索，主要集中在土壤特征[3]、氣象因素[4]、生態特點[2]，以及煙葉的金屬元素含量、碳氮代謝、香氣成分含量對焦甜香風格的影響等方面[5， 6]。在皖南煙區氣象因素和氣候特征相對一致的條件下，土壤特征是影響煙葉焦甜香風格的主要原因，且所植煙葉的焦甜香風格沙壤土>水稻土>粉沙土[7]。然而，皖南煙區煙田面積總計46.27萬hm2，其中水田（煙稻輪作）35.14萬hm2，旱田11.14萬hm2，沙壤土分布在少數區域。

為了能更好地利用皖南煙區得天獨厚的高品質煙葉種植條件，進一步提升焦甜香風格煙葉的品質和產量，創造一種能夠使水稻土所種植煙葉的焦甜香風格得以彰顯的農藝調控方法，具有重要的理論和實用價值。土壤和煙葉中金屬元素的含量之間有著密切的關系[8]，且二者對烤煙的品質都具有一定程度的影響[9，10]。在土壤質地無法大規模改變的前提下，通過調節灌溉水中的金屬元素來彰顯煙葉的焦甜香風格是一種可行、可控的農藝學方法，首先研究灌溉水中的金屬元素對煙葉焦甜香特色風格的影響。

本研究選取皖南53個具有代表性的煙葉種植區域，對各區域灌溉水水質尤其是灌溉水中的金屬元素進行調查，并對各區域所產煙葉的焦甜香風格彰顯度進行品吸檢測。通過大棚內水稻土可控灌溉水煙葉種植試驗，探索灌溉水中的金屬元素對煙葉焦甜香特色風格的影響，旨在形成可推廣的農藝調控方法。

1 材料與方法

1.1 材料

經實地考察，選擇皖南煙區所轄宣州區、郎溪縣、廣德縣、涇縣、旌德縣、蕪湖縣、南陵縣的典型煙葉種植區域，共設53個定點觀察及取樣點。每個區域內依據《HJ25.2—2014 場地環境監測技術導則》的要求分煙苗移栽前、旺長期和煙葉收獲前3個時段進行水樣采集，檢測結果取平均值，并收集取樣點所產煙葉樣品進行品吸。

大棚內可控灌溉水煙葉種植試驗的土壤取自皖南煙葉滬皖科技示范園周邊的煙稻輪作農田黏性土壤的耕作層。灌溉用水以示范園自行抽取的地下水為基礎，通過添加ZnSO4·7H2O、CaSO4·2H2O、MgSO4·7H2O，使灌溉水中Zn2+、Ca2+和Mg2+的濃度范圍分別為5～15 mg/L、300～900 mg/L、40～140 mg/L。煙葉品種為云煙97，與示范園周邊煙田相同。

1.2 方法

1.2.1 灌溉水水質檢測 水樣中重金屬總鎘、鉛、總砷、銅、鋅、硒的含量分別采用相應的國標方法進行檢測，具體參見GB/T 7475—1987、GB/T 7485—1987和GB/T 11902—1989。水樣中的微量元素鐵、鎂、鈣、錳的含量采用電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）測定。水樣的BOD5、COD、懸浮物、pH、全鹽量、氯化物等農田灌溉水質標準規定的必測項目均采用相應的國標方法進行檢測，具體參見GB/T 7488—1987、GB/T 11914—1989、GB/T 11901—1989、GB/T 7494—1987、GB/T 13195—1991、GB/T 6920—1986、HJ/T 51—1999、GB/T 11896—1989和GB/T 16489—1996。

1.2.2 感官評價 根據GB 2635—1992和《卷煙工藝規范》的要求進行制樣[11]，卷煙感官評吸鑒定聘請4位以上評吸專家，分別按香氣量、香氣質、濃度、勁頭、雜氣、余味、焦甜香風格進行評分。

1.2.3 大棚內可控灌溉水煙葉種植試驗 試驗在皖南煙葉滬皖科技示范園育苗大棚內進行。為防止試驗植株之間的相互影響，株間距增加至正常大田種植的3倍。種植時間、施肥用量及管理方式均與大田煙葉種植相同。因大棚內無雨水補充，煙葉生長所需的水分（包括定根水）全部以根部澆灌的方式補充人工配置的含有不同微（中）量元素的灌溉水。每個試驗點含5株煙葉，試驗設3組平行，隨機排列。

2 結果與分析

2.1 皖南煙區灌溉水水質調查

2.1.1 皖南煙區灌溉水重金屬含量 重金屬鎘（Cd）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）和稀土元素砷（As）、硒（Se）是國家標準《GB 5084—2005農田灌溉水質標準》所規定的基本控制項目，即農田灌溉水的水質安全判斷所必需檢測的重金屬和稀土元素。皖南煙區灌溉水中Cd、Pb、As 3種重金屬的含量基本低于相應國標檢測方法的檢測限，說明皖南煙區灌溉水中Cd、Pb、As這3種重金屬含量少。所取的53個典型煙葉種植區域灌溉水水樣的重金屬Cu和Zn的含量分別在0.001～0.005 mg/L和0.002～0.029 mg/L，遠低于國家標準所規定的灌溉水質量標準（分別為1、2 mg/L）。稀土元素Se因高濃度時對人體和農作物的毒害作用常與灌溉水中的重金屬元素同時進行監測。所取的53個典型煙葉種植區域灌溉水水樣的Se含量為0.001～0.003 mg/L，基本僅為國家標準值0.02 mg/L的1/10。

2.1.2 皖南煙區灌溉水微（中）量元素含量 錳（Mn）、鈣（Ca）、鎂（Mg）、鐵（Fe）以及銅（Cu）、鋅（Zn）被認為是煙葉生長所必需的微（中）量元素。灌溉水是煙葉吸收這些元素的重要來源。Mn在煙株生長發育及代謝過程中具有重要的生理功能，它是煙株體內部分合成酶和合成酶的活化劑，能夠參與光合作用與葉綠體結構組成，促進碳素同化，同時調節部分生化反應，影響煙株呼吸作用。一般認為灌溉水中Ca濃度在75～900 mg/L，煙草的產量呈拋物線型變化，當Ca質量濃度達到150 mg /L時產量達到最大，超過150 mg /L時反而下降，當Ca達900 mg /L時，煙株生長受到嚴重抑制，并且煙葉吃味很差，燃燒性變差，灰色發黑[12]。檢測結果顯示，53個典型煙葉種植區域灌溉水水樣的Ca含量普遍小于40 mg/L，理論上不會對煙葉的生長和品吸性狀產生明顯影響。朱英華等[13]研究發現，灌溉水中Mg2+濃度為136 mg/L時，烤煙中干物質積累、養分的最大積累量和最大增長速率能夠達到最優值，并且煙葉燃燒充分，灰色好。檢測結果顯示，皖南煙區灌溉水水樣的Mg2+含量范圍為0.7～8.0 mg/L，理論上對煙葉的生長和煙葉的品吸性狀的影響較弱。

2.1.3 灌溉水水樣其他基本控制項目的檢測結果 如表1所示，皖南53個典型煙葉種植區域灌溉水水樣中的BOD5、COD、懸浮物、pH、全鹽量、氯化物等基本控制項目的檢測結果全部低于國家標準《GB 5084—2005 農田灌溉水質標準》所規定的灌溉水要求，說明皖南煙區生態保持良好，灌溉水完全滿足國家對農田灌溉水的水質要求。同時，檢測結果表明，皖南53個典型煙葉種植區域灌溉水水樣的全鹽量僅為334～1 050 mg/L，證明皖南煙區的灌溉水屬于中國南方典型的“軟水”特征，存在微（中）量元素含量總體偏低的問題。

2.2 皖南煙區灌溉水微（中）量元素含量與煙葉焦甜香風格的相關性分析

2.2.1 皖南53個典型煙葉種植區所產煙葉樣品的微（中）量元素含量 如表2所示，皖南煙區所產煙葉的微（中）量元素含量總體偏低，這可能與皖南煙區灌溉水微（中）量元素含量較低有直接關系，其中Cu、Fe、Mn含量較低，理論上對煙葉的品質影響較小。皖南煙區所產煙葉的Zn含量略高于優質煙Zn含量范圍，可能對煙葉品質和焦甜香風格產生不利影響，應予以重視。皖南煙區所產煙葉的Ca、K、Mg元素的含量也總體偏低。不同的是大部分煙葉中的Ca元素含量基本處于優質煙葉的Ca含量范圍內，但K和Mg元素的含量明顯低于中國優質煙葉的平均水平。

Mg元素參與葉綠素的形成，是葉綠體正常結構的必需元素，其比重約占葉綠素分子量的2.7%[14]。Mg還參與碳水化合物、脂肪和類脂、蛋白質和核酸的合成[15]。因此，Mg元素作為烤煙必需的營養元素之一，直接影響煙葉的產量與品質。中國南方煙區植煙土壤缺Mg[16]，皖南煙區煙葉種植過程中主要偏重于K肥和N肥的調節，經檢測皖南煙區灌溉水水樣的Mg2+含量為0.7～8.0 mg/L，處于相對較低的水平。由此推斷，通過灌溉水Mg元素的調節可能是彰顯調節煙葉的焦甜香風格的研究方向之一。

2.2.2 皖南煙區灌溉水微（中）量元素含量與煙葉焦甜香風格的相關性 待53個典型煙葉種植區所產煙葉收獲和烘烤后，選取具代表性的中部C3F等級煙葉各500 g，制樣后分別由4位以上專家進行評吸鑒定，專家品吸結果的算數平均值作為煙葉樣品的最終得分，其中焦甜香彰顯度大于5分的煙葉樣品如表3所示。

所選取的皖南煙區53個典型煙葉種植區所產煙葉經鑒定全部為焦甜醇甜香型，其中8個煙葉樣品的焦甜香彰顯度大于5分，屬于焦甜香風格較為突出型。這8個煙葉樣品主要分布在宣州區和南陵縣，地理位置和氣候特征可能是影響焦甜香品質的主要因素。8個煙葉樣品中產自沙壤土的煙葉樣品數量占大多數，土壤特征可能是影響焦甜香風格的另一重要原因。無論沙壤土還是黏土所產的煙葉，其對應的煙葉和灌溉水中Mg元素的含量變化幅度均較大。原因可能為皖南煙區灌溉水和煙葉樣品的微（中）量元素含量整體偏低，未達到對煙葉的焦甜香風格產生明顯影響的濃度范圍，煙葉樣品的焦甜香風格可能是多種因素共同作用的結果，其中灌溉水的微（中）量元素含量所起的作用有限。但煙葉種植的生態因素、遺傳因素和栽培因素可調節范圍有限，不易形成可調控的農藝方法。

2.3 可控灌溉水煙葉種植試驗

為避免煙葉種植的生態因素、土壤特征以及其他栽培因素的影響，探索調節灌溉水微（中）量元素提升水稻土所植煙葉焦甜香風格的可能性，通過在大棚內選擇特定的水稻土進行煙葉種植試驗，煙葉生長所需的水分全部用配置的含有不同微（中）量元素的灌溉水補充，進而分析灌溉水微（中）量元素含量對煙葉焦甜香風格的影響。試驗所用水稻土的基本性質、地下水相關微（中）量元素的背景值、種植試驗設計及所產煙葉樣品的品吸結果分別如表4、表5、表6所示。

如表6所示，當灌溉水中Zn2+濃度大于10 mg/L時，對所植煙葉的焦甜香風格產生了不利影響。當灌溉水中Zn2+濃度為15 mg/L時，煙葉的焦甜香彰顯度由4.6分下降到4.1分。《GB 5084—2005 農田灌溉水質標準》規定的灌溉水Zn2+濃度為≤2 mg/L，調查得到的皖南煙區灌溉水中Zn含量遠低于此值。當灌溉水中Mg2+濃度為40和90 mg/L時，煙葉的焦甜香彰顯度由4.6分別上升到4.8分和5.0分，說明Mg是煙葉焦甜香風格的正相關因素。如前所述，Mg元素可能通過參與煙葉葉綠素的形成，進而影響煙葉的總糖積累，并提高焦甜香彰顯度。調查結果顯示，皖南煙區灌溉水的Mg2+含量范圍為0.7～8.0 mg/L，遠低于試驗值。為彰顯皖南煙葉焦甜香風格，應在灌溉水中適當補充Mg元素。當灌溉水中Mg2+濃度為140 mg/L時，煙葉的焦甜香彰顯度開始出現下降跡象，這可能與總體鹽濃度的增加有關。因此，灌溉水中Mg元素的含量應維持在40～90 mg/L。

當灌溉水中Ca2+濃度為300和600 mg/L時，煙葉焦甜香彰顯度有一定程度的提升，但灌溉水中Ca2+濃度為900 mg/L時，煙葉焦甜香品質明顯降低，由對照的4.6分降低至4.0分。Ca元素是煙葉燃燒后灰分的主要成分，一般認為Ca元素不參與煙葉的組成和影響煙葉細胞其他功能基團或細胞器的形成。當灌溉水中鈣元素含量較高時煙株生長受到嚴重抑制，并且煙葉吃味很差，燃燒性變差，灰色發黑。皖南煙區植煙土壤主要為煙稻輪作的黏土，土壤的黏性較大、土壤有機質含量高，透氣性不如沙壤土，且土壤pH總體偏酸。適當增加灌溉水中Ca2+含量有助于增加土壤pH。此外，Ca2+與土壤有機質結合可以增加土壤的團粒度和透氣性，有利于煙葉焦甜香風格的形成。

同時增加灌溉水中Mg和Ca元素的含量，如Mg2+濃度為90 mg/L、Ca2+濃度為600 mg/L時，煙葉的焦甜香彰顯度由4.6分增加至5.3分，說明Mg和Ca元素對煙葉的焦甜香風格具有協同彰顯效果。一般認為，Mg2+和Ca2+為同族元素，煙葉對Mg2+和Ca2+的吸收具有競爭作用。試驗獲得的協同彰顯效果，可能是因為皖南煙區土壤和灌溉水中Mg和Ca元素的含量都整體偏低。

3 小結

1） 選取皖南地區53個具有代表性的煙葉種植區域內的灌溉水中的微（中）量元素含量普遍較低，符合中國南方“軟水”的基本特征。如皖南煙區灌溉水Mg元素含量范圍為0.7～8.0 mg/L，Ca含量普遍小于40 mg/L，Cu和Zn的含量分別為0.001～0.005 mg/L和0.002～0.029 mg/L。

2）皖南煙區灌溉水樣品的重金屬含量以及BOD5、COD、懸浮物、pH、全鹽量、氯化物等基本控制項目全部低于《GB 5084—2005 農田灌溉水質標準》，說明皖南煙區生態保持良好，灌溉用水的安全性完全滿足國家標準。

3） 選取的皖南53個具有代表性的煙葉種植區域內的灌溉水中的微（中）量元素含量與所產煙葉的焦甜香風格不具有明顯的相關性，分析認為微（中）量元素含量整體較低，未達到對煙葉焦甜香風格產生明顯影響的濃度范圍。

4） 通過在大棚內使用水稻土進行的煙葉種植試驗，結果表明，灌溉水中Zn為煙葉焦甜香風格的負相關因素，產生影響的閥值為10 mg/L。Mg為正相關因素，彰顯煙葉焦甜香風格的灌溉水Mg元素含量應維持在40～90 mg/L。Ca與Mg具有一定的協同彰顯效果，但主要適用于水稻土等酸性致密性黏土。

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