微量元素是植物正常生长发育不可或缺的必要元素,是植物多种酶及维生素的重要组成成分,能调节植物新陈代谢,增强免疫力[1]。微量元素对烟株的光合作用、物质运输和抗逆性起着决定性作用[2]。微量元素不足或过量会影响烟叶化学成分协调性及烟株正常生理机能,使烟株生长发育不完全,导致烟叶品质降低[3]。烟株吸收的微量元素主要来自于土壤、灌溉水和肥料,其中土壤占比最高[4]。土壤是一个由气体、液体和固体三相组成的复杂系统,土壤微量元素有效量受多种因素的影响,如成土母质、土壤类型、地形、土壤理化性质和人类活动等[5]。不同的土壤类型中微量元素含量差异显著,同一土壤类型也会因发自不同成土母质使微量元素含量有很大差别[6]。土壤pH作为土壤基本性质,不仅影响土壤养分有效性、形态转化和迁移变化,也关系着烤烟对土壤养分的吸收和利用。有研究表明,在不同pH值范围土壤中其微量元素含量差异显著[7]。在前人[8,9]研究中不同区域植烟区烟叶矿质元素与土壤pH值有不同程度的相关关系。云南曲靖地域广阔,气候条件和土壤资源均较适宜优质烟叶的生产,是全国最大的烤烟生产基地。已有不少研究[10,11]证明了曲靖烟区烟叶矿质元素与土壤理化性质有着密不可分的关系。鉴于此,本文研究曲靖烟区烟叶微量元素与土壤pH值的关系,以期为曲靖烟区合理施肥、提高烟叶品质提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
云南曲靖烟区位于云贵高原中部,位于云南省东部偏北,地跨东经102°42′~104°50′,北纬24°19′~27°03′,属低纬高原亚热带季风气候区,有南亚热带到北温带6种气候类型。曲靖总耕地面积7.29×105hm2,适宜种植烤烟的面积5.63×105hm2。烟区年均烟叶产量达1.8×105t,是云南乃至全国最大的烤烟产区。该地区土壤类型主要有红壤、紫色土、黄壤、水稻土、冲积土、新积土和石灰岩土。
1.2 样品采集和分析
试验于2019年10-12月进行。采用GPS定位技术,对曲靖市9个植烟县(市、区)基本烟田进行定位取样。选点时综合考虑当地烤烟种植分布、地形地貌和海拔高度,确保选取的样点具有代表性,入选的田块面积均在667m2以上。记录田块中心的经纬度和高程,同时记录取样地点的地形和土壤类型。在田块翻耕前,根据田块形状采用“X”或“W”形取样法采集耕作层土壤（0~20cm）,每个田块取5~10个样点,用四分法取约1kg土样,共采集土壤样品3656份。土样经风干和研磨后过100目筛制成待测样品,参照相关方法[12]进行土壤pH值测定。在曲靖市9个植烟区根据取样地点按照GB 2635—1992中的烤烟分级标准,采集下橘二、中橘三和上橘等级烟叶各2kg。样品采集要求选择当地有代表性、施肥合理、烟田长势长相良好、适时成熟采收且烤后外观质量较好的烟叶。共采集烟叶样品3656份,烟叶经烘干和研磨后过60目筛制成待测样品,参照相关方法[13]测定烟叶微量元素全含量。
1.3 指标评价标准
表1 烟叶微量营养元素含量分级标准
Table 1
| 元素Element | 很低Very low | 低Low | 中等Medium | 高High | 很高Very high |
|---|---|---|---|---|---|
| Mn (mg/kg) | ≤20.0 | (20.0~50.0] | (50.0~200.0] | (200.0~500.0) | ≥500.0 |
| B (mg/kg) | ≤10.0 | (10.0~20.0] | (20.0~30.0] | (30.0~40.0) | ≥40.0 |
| Mo (mg/kg) | ≤0.1 | (0.1~0.5] | (0.5~1.0) | ≥1.0 | - |
| Zn (mg/kg) | ≤7.0 | (7.0~20.0] | (20.0~50.0] | (50.0~70.0) | ≥70.0 |
| Fe (mg/kg) | ≤55.0 | (55.0~90.0] | (90.0~120.0] | (120.0~200.0) | ≥200.0 |
| Cl (%) | ≤0.10 | (0.10~0.30] | (0.30~0.80) | ≥0.80 | - |
1.4 数据分析
利用SPSS17.0软件完成多元统计和相关性分析;利用Excel完成线性回归分析,方法参照文献[17],在等样本平滑回归分析中将3656个样品按pH值从大到小顺序每121个为一组,最后一组为147个样品,共分为30组。
2 结果与分析
2.1 曲靖烤烟微量元素及土壤pH值分布特征
曲靖烤烟微量元素描述性统计特征见表2,从均值来看,Fe含量最高,为294.32mg/kg,Mn含量次之;Mo和Cl含量最低,分别为0.26mg/kg和0.27%。从变异程度来看,Mo含量变异较小,其他5种微量元素均为变异程度中等。烟叶中Mn和Zn含量适中,但有19.80%的Mn含量较高,约50%的Zn含量较高。Fe总体含量较高,有80%以上的样本处于高水平;B、Mo和Cl总体含量较低,特别是B和Mo含量均有70%以上的样本处于低水平。
表2 烟叶微量元素描述性统计特征
Table 2
| 元素 Element | 均值±标准差 Mean±standard deviation | 变幅 Range | 变异系数 Coefficient of variation (%) | 微量元素各级所占比例 The proportion of trace elements at various levels（%） | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 很低Very low | 低Low | 适中Medium | 高High | 很高Very high | ||||
| Mn (mg/kg) | 145.74±102.29 | 13.73~853.36 | 11.99 | 0.11 | 9.87 | 68.65 | 19.80 | 1.57 |
| B (mg/kg) | 16.13±8.21 | 0.07~74.41 | 11.03 | 21.67 | 52.47 | 21.88 | 3.98 | 1.52 |
| Mo (mg/kg) | 0.26±0.35 | 0.02~8.01 | 4.37 | 0.49 | 87.84 | 9.17 | 2.50 | - |
| Zn (mg/kg) | 56.59±31.49 | 5.29~460.14 | 55.65 | 0.03 | 1.57 | 46.61 | 30.92 | 20.87 |
| Fe (mg/kg) | 294.32±174.27 | 47.90~1575.00 | 59.21 | 0.03 | 2.03 | 5.85 | 25.26 | 66.83 |
| Cl (%) | 0.27±0.32 | 0.02~3.47 | 118.52 | 36.28 | 34.26 | 22.13 | 7.33 | - |
从图1可看出,曲靖烟区土壤pH平均值为6.28,标准偏差为0.863;正态分布曲线峰值在6.00~7.00之间,说明曲靖烟区土壤pH属于适宜水平。其中土壤pH处于5.5~7.0适合烤烟生长的样本占52.94%。pH值5.5以下的土壤样本占22.62%,7.0以上的样本占24.45%。
图1
图1
曲靖烟区土壤pH值正态分布图
Fig.1
Normal distribution of pH value of soil in Qujing tobacco area
2.2 曲靖烟区烟叶微量元素与土壤pH值的关系
2.2.1 烟叶微量元素与土壤pH值的相关关系 由相关性分析（表3）可看出,土壤pH值与烟叶中Cl、Zn及Mn含量极显著负相关,与Fe、B及Mo含量极显著正相关。
表3 曲靖烟区烟叶微量元素与土壤pH相关性
Table 3
| 项目 Item | 氯 Cl | 锌 Zn | 铁 Fe | 锰 Mn | 硼 B | 钼 Mo |
|---|---|---|---|---|---|---|
| pH | -0.071** | -0.116** | 0.122** | -0.292** | 0.046** | 0.206** |
“**”表示在0.01的水平下显著相关
"**" indicates a significant correlation at the level of 0.01
2.2.2 烟叶Mn、Zn及Cl含量与土壤pH值的线性回归 采用等样本平滑回归方法讨论曲靖烟区烟叶Mn、Zn及Cl元素含量与土壤pH值的关系（图2）。结果表明,烟叶中Mn、Zn及Cl含量与土壤pH值呈良好的线性函数关系（R²=0.8510,P=0.000）、（R²=0.7056,P=0.000）、（R²=0.6529,P=0.000）,随着土壤pH值的增长这3种元素含量呈下降的趋势。
图2
图2
烟叶Mn、Zn及Cl含量与土壤pH回归分析
Fig.2
Regression analysis of Mn, Zn and Cl contents in tobacco leaves and soil pH
2.2.3 烟叶B、Mo及Fe与土壤pH值的线性回归 采用等样本平滑回归方法讨论曲靖烟区烟叶B、Mo及Fe含量与土壤pH值关系（图3）。结果表明,烟叶中B、Mo及Fe含量与土壤pH值呈线性函数关系（R²=0.5510,P=0.000）、（R²=0.8442,P=0.000）、（R²=0.6266,P=0.000）,随着土壤pH值的增长这3种元素含量呈增长的趋势。
图3
图3
烟叶B、Mo及Fe含量与土壤pH回归分析
Fig.3
Regression analysis of B, Mo and Fe content in tobacco leaves and soil pH
3 讨论
曲靖烟区烟叶Cl、B和Mo含量总体上属于一个较低范围,低及很低样本量占比超过70%。这3种微量元素在烟株生长过程中参与光合作用、蛋白质代谢和硝酸还原等一系列活动[26],其含量过低会造成烟叶吸湿性和弹性变差、易碎及叶片质体色素含量降低,导致烟叶品质下降[27]。Cl在土壤中移动性强,易因降雨而淋溶,土壤pH主要是通过土壤表面电荷对Cl含量产生影响[28]。有研究[29]发现湘西植烟土壤发现酸化土壤中Cl-含量较高,并随着pH值增加有下降的趋势。在呈弱酸性的土壤中有效B和有效Mo含量较高,并随着pH值的升高逐渐增加[30]。而土壤Cl及有效B和Mo含量则是烟叶Cl、B和Mo主要来源之一[29,31]。曲靖烟区烟叶Cl含量随着土壤pH值的升高呈逐渐下降的趋势。与谭军等[32]研究结果一致。曲靖烟区烟叶B和Mo含量随着pH值的升高呈逐步上升的趋势,这与张继等[33]和姚旺等[34]研究结果相似。
曲靖烟区烟叶Fe含量在土壤类型、成土母质、地形和土壤理化性质等各种因素长期共同的作用下,具有高度空间差异性。在本研究中曲靖烟区烟叶中Fe含量处于一个较高的水平并随着土壤pH值增长呈缓慢上升的趋势,这与卢晓鹏等[35]的研究结果均不一致。曲靖烟区植烟土壤土壤类型主要有红壤、紫色土、黄壤、水稻土、 冲积土、新积土和石灰岩土。红壤和紫色土作为曲靖烟区植烟土壤主要类型,由于该区域高温多雨,土壤淋溶作用强导致土壤缺乏碱金属和碱土金属而富含Fe和Al等氧化物,使土壤Fe含量较高[36]。随着pH值的增加,土壤中有效态和交换性态Fe有少量增加[37]。但可能是由于曲靖植烟土壤本身Fe含量较高的原因,随着土壤pH值增加,烟叶中Fe含量叶还是有逐步上升的趋势。
4 结论
曲靖烟区土壤pH均值为6.28,偏酸和偏碱的土壤样本分别占22.62%和24.45%,但整体上处于适宜水平。烟叶Mn含量适中,且低及很低水平样本量占比不超过5%;烟叶B、Mo和Cl总体处于低及很低水平,占比高达60%以上,适中水平占比不超过25%;烟叶Fe含量总体较高,高及很高水平样本量占比高达92.09%,适中水平仅占5.85%;烟叶Zn样本量适中和高及很高水平各均占约50%。总体来说曲靖烟区烟叶Mn和Zn含量适中,B和Mo较为缺乏,Cl含量较低,Fe含量过高。曲靖烟区烟叶中Mn、Zn和Cl含量与土壤pH值呈极显著负相关关系,烟叶B、Mo和Fe含量与其呈极显著正相关关系。在今后的烟叶生产中建议曲靖偏酸或偏碱的烟区在调节土壤酸碱度的同时,根据烟叶微量元素与土壤pH值的关系,结合烟叶丰缺元素含量科学合理施肥,适量增施硼肥和钼肥调节烟叶微量元素,进一步提高烟叶质量。
参考文献
Interaction of boron with humic acid and natural organic matter:Experiments and modeling
