煙葉中稀土元素與其化學(xué)成分的灰色關(guān)聯(lián)度及通徑分析

摘 要：檢測(cè)不同土壤種植的煙葉中15種稀土元素及6種常規(guī)化學(xué)指標(biāo)，并采用灰色關(guān)聯(lián)度及通徑分析法，對(duì)不同類型土壤及不同品種煙葉中稀土元素與煙葉內(nèi)在化學(xué)成分的相關(guān)性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：（1）灰色關(guān)聯(lián)度分析顯示，輕稀土元素對(duì)紅壤種植的不同煙葉內(nèi)在化學(xué)成分有重要影響，重稀土元素對(duì)水稻土和紫色土種植的煙葉內(nèi)在化學(xué)成分具有重要影響；不同土壤類型種植的同一品種煙葉中，輕稀土元素對(duì)K326和云煙87煙葉內(nèi)在化學(xué)成分有重要影響，重稀土元素對(duì)紅花大金元煙葉內(nèi)在化學(xué)成分有重要影響，但輕、重稀土元素的關(guān)聯(lián)度差異不明顯。（2）通徑分析顯示，輕、重稀土元素對(duì)紅壤種植的煙葉內(nèi)在化學(xué)成分的形成有重要影響，輕稀土元素對(duì)水稻土和紫色土種植的煙葉化學(xué)成分的產(chǎn)生、形成影響較大；不同土壤類型種植的同一品種煙葉中，輕、重稀土元素對(duì)紅花大金元內(nèi)在化學(xué)成分的形成有重要影響，而輕稀土元素對(duì)K326和云煙87化學(xué)成分的產(chǎn)生、形成影響較大。（3）兩種方法對(duì)比分析可知，不同土壤類型及不同品種煙葉中稀土元素與煙葉內(nèi)在化學(xué)成分均具有一定相關(guān)性，通徑分析結(jié)果與灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果有一定差異。其中，不同土壤類型種植的煙葉樣品差異較大，這可能與不同土壤類型中稀土元素的分布及轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生分異現(xiàn)象有關(guān)；不同品種煙葉兩種方法分析結(jié)果基本一致，表明不同品種煙葉對(duì)稀土元素的生理需求基本一致。

關(guān)鍵詞：煙葉；稀土元素；常規(guī)化學(xué)成分；灰色關(guān)聯(lián)度分析；通徑分析

中圖分類號(hào)：TS41+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-060X（2016）02-0031-07

灰色關(guān)聯(lián)度分析（grey correlation analysis， GCA）是基于灰色系統(tǒng)理論[11]，通過灰色關(guān)聯(lián)度來分析和確定系統(tǒng)因素間的影響程度或因素對(duì)系統(tǒng)主行為的貢獻(xiàn)測(cè)度的一種方法。其基本思想是根據(jù)系統(tǒng)因素集與灰色關(guān)聯(lián)算子集之間的曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密。目前已在灰色關(guān)聯(lián)度分析理論模型和實(shí)際應(yīng)用方面開展了研究。殷鳳生等[12]應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)烤煙主要農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性及其對(duì)各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響進(jìn)行了分析，確定了各因素在烤煙各經(jīng)濟(jì)指標(biāo)形成過程中的作用大小。另外，灰色關(guān)聯(lián)在化學(xué)成分與感官質(zhì)量關(guān)系分析、煙草病蟲害以及烤煙區(qū)域氣候比較等方面也有應(yīng)用[13-14]。而應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度對(duì)稀土元素與煙葉化學(xué)成分關(guān)系的研究報(bào)道甚少。通徑分析（path coefficient analysis， PCA）的著眼點(diǎn)是在相關(guān)系數(shù)的分解上，揭示自變量對(duì)因變量的直接和間接影響，以測(cè)定因果關(guān)系的相對(duì)重要程度[15-16]。通徑分析已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)研究中，以確定各因素對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、品質(zhì)的影響。為研究煙葉稀土元素與化學(xué)成分間的相互關(guān)系，筆者以不同土壤類型、不同品種煙葉為研究對(duì)象，通過灰色關(guān)聯(lián)度、相關(guān)性及通徑分析探討煙葉稀土元素與6種常規(guī)化學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)程度，旨在為進(jìn)一步研究稀土元素和常規(guī)化學(xué)成分在煙草中的分布、累積和分異現(xiàn)象提供依據(jù)，為揭示稀土元素對(duì)煙葉化學(xué)成分影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試樣品為采自云南省紅河州不同土壤類型條件下種植的煙葉，包括K326、紅花大金元和云煙87共3個(gè)品種，樣品基本信息見表1。煙葉樣品去梗后在40 ℃下烘干，采用旋風(fēng)磨將煙葉樣品粉碎，過60目篩待用。

1.2 儀器與試劑

供試儀器有7700x型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國Agilent公司）；3000型密閉微波消解儀（奧地利Anton-Paar公司）；AB204-S型電子天平（瑞士Mettler Toledo公司）；Milli-Q型超純水裝置（美國Millipore公司）；AA3型連續(xù)流動(dòng)自動(dòng)化學(xué)分析儀（德國Bran+Luebbe公司）；旋風(fēng)磨（美國FOSS公司）。

實(shí)驗(yàn)室用水均為Milli-Q純水系統(tǒng)制備的超純水；硝酸（優(yōu)級(jí)純，70%，BASF）；雙氧水（優(yōu)級(jí)純，30%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；高純氬氣（99.999%，昆明梅塞爾氣體有限公司）；稀土元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（100.00 mg/L）：La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和Y；內(nèi)標(biāo)元素（100.00 mg/L）Rh和Re；儀器調(diào)諧液（100.00 mg/L）Li、Y、Ce、Tl和Co，均購于國家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心。

1.3 研究方法

1.3.1 稀土元素測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)溶液：精密量取一定體積的15種稀土元素（La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和Y）標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用5%的硝酸溶液配制成濃度為100.00 μg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液，取適量的儲(chǔ)備液稀釋成濃度為0、1.00、5.00、10.00、20.00、50.00、100.00 μg/L的工作標(biāo)準(zhǔn)溶液。

微波消解：稱取0.5 g樣品（精確至0.001 g），置于微波消解罐中，依次加入6.0 mL 濃硝酸，2.0 mL 過氧化氫，密封，放入微波消解儀進(jìn)行消解。消解完成后，冷卻，將消解液轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，用一級(jí)水稀釋至刻度，搖勻，待測(cè)定。

ICP-MS測(cè)定：參照表2調(diào)整儀器工作條件，用調(diào)諧液調(diào)整儀器測(cè)量參數(shù)。按順序依次對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液、空白溶液和樣品溶液進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)工作標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)稀土元素進(jìn)行定量。

1.3.2 煙葉常規(guī)化學(xué)成分測(cè)定 常規(guī)化學(xué)成分指標(biāo)總糖、還原糖[17]、總氮[18]、總植物堿[19]、氯[20]、鉀[21]均采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行檢測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0和Excel等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙葉樣品的測(cè)定

應(yīng)用ICP-MS和連續(xù)流動(dòng)分析儀依照上述方法對(duì)煙葉中稀土元素及常規(guī)化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見表3。由表3可知，煙葉中15種稀土元素Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu平均含量分布于0.780～1.707、1.757～3.903、1.687～4.810、0.237～0.417、0.860～1.440、0.130～0.213、0.047～0.067、0.223～0.347、0.020～0.033、0.090～0.147、0.017～0.032、0.047～0.078、0.003～0.010、0.030～0.052 和0.003～0.008 mg/kg，其中輕稀土元素（Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd）含量要高于重稀土元素（Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu）。同時(shí)，稀土元素的含量在不同土壤和品種煙葉樣品中具有較大差異。

由表4可知，煙葉中6種化學(xué)成分含量差異較大。總糖、還原糖、總氮、總植物堿、氯和鉀離子平均含量分布范圍為24.633%～34.133 %、18.933%～24.733 %、1.903%～2.293 %、2.053%～3.273 %、0.110%～0.527 %和1.398%～1.992 %。

2.2 稀土元素與化學(xué)成分灰色關(guān)聯(lián)度分析

上述結(jié)果表明，輕稀土元素總量、重稀土元素總量和稀土元素總量與不同土壤類型種植的煙葉化學(xué)成分指標(biāo)均具有較大的關(guān)聯(lián)度，不同土壤種植的煙葉中稀土元素與其常規(guī)化學(xué)成分指標(biāo)的關(guān)聯(lián)次序具有一定的差異。總體分析可知，紅壤種植的煙葉樣品中輕稀土元素與常規(guī)化學(xué)成分具有較大的關(guān)聯(lián)度，水稻土與紫色土種植的煙葉樣品中重稀土元素與常規(guī)化學(xué)成分具有較大的關(guān)聯(lián)度。由于稀土元素在不同土壤類型及A層（深度在0.4～0.5 m，富含有機(jī)質(zhì)，黏粒含量較高，作為植物耕作的主要土壤層，具有較大孔隙和低容重，植物根系發(fā)達(dá)。）土壤中可溶態(tài)稀土元素的分布均具有一定差異[23]，且稀土元素通過木質(zhì)部向植物體地上部分轉(zhuǎn)移的過程中受轉(zhuǎn)移機(jī)制和固定機(jī)制共同調(diào)控的影響，同時(shí)稀土元素極易與營養(yǎng)元素磷結(jié)合，導(dǎo)致稀土元素在植物體不同器官出現(xiàn)分異現(xiàn)象[24]。因此，上述結(jié)果可能與不同土壤類型中稀土元素的分布及煙葉對(duì)稀土元素的分異現(xiàn)象有關(guān)。

上述結(jié)果表明，輕稀土元素總量、重稀土元素總量和稀土元素總量與不同品種煙葉化學(xué)成分均具有較大的關(guān)聯(lián)度。其中，K326品種煙葉中輕稀土元素總量與總糖、還原糖、總植物堿和總氮具有較大的關(guān)聯(lián)度，重稀土元素與鉀離子和氯離子具有較大的關(guān)聯(lián)度；紅花大金元品種煙葉中重稀土元素總量與常規(guī)化學(xué)成分具有較大的關(guān)聯(lián)度；云煙87品種煙葉中輕稀土元素與常規(guī)化學(xué)成分具有較大的關(guān)聯(lián)度。這可能與不同品種煙葉樣品對(duì)稀土元素的富集能力不同有關(guān)。

2.3 稀土元素與化學(xué)成分的通徑分析

2.3.1 不同土壤煙葉稀土元素與化學(xué)成分通徑分析 由表7可知，紅壤、水稻土和紫色土種植的煙葉樣品中，輕、重稀土元素總量及稀土元素總量與各常規(guī)化學(xué)成分均具有一定的相關(guān)性，其中紅壤種植的煙葉中，重稀土元素總量與總植物堿和總氮具有極顯著負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.671和0.620；紫色土種植的煙葉中，重稀土元素總量與總植物堿具有極顯著負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.803。

2.3.2 不同品種煙葉稀土元素與化學(xué)成分通徑 分析由表7可知，K326、紅花大金元和云煙87品種煙葉樣品中，輕、重稀土元素總量及稀土元素總量與各常規(guī)化學(xué)成分均具有一定的相關(guān)性。其中紅花大金元煙葉中，輕稀土元素總量和稀土元素總量與總植物堿具有顯著負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均為0.636，重稀土元素總量與總植物堿和總氮具有極顯著及顯著負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.753和0.592。

3 結(jié)論與討論

采用灰色關(guān)聯(lián)度、相關(guān)性及通徑分析法分析對(duì)不同土壤類型、不同品種種植的煙葉樣品中稀土元素與常規(guī)化學(xué)成分總糖、鉀離子、還原糖、總植物堿、氯離子和總氮間的相互關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果顯示：采用灰色關(guān)聯(lián)度分析可知，紅壤種植的樣品中輕稀土元素與其常規(guī)化學(xué)成分間關(guān)系較為密切，水稻土和紫色土種植的樣品中重稀土元素與其常規(guī)化學(xué)成分間關(guān)系較為密切；除K326品種重稀土元素與鉀離子和氯離子具有較大的關(guān)聯(lián)度外，K326和云煙87樣品中輕稀土元素與其常規(guī)化學(xué)成分間關(guān)系較為密切，紅花大金元品種煙葉中重稀土元素與其常規(guī)化學(xué)成分間關(guān)系較為密切。這可能與不同品種煙葉對(duì)土壤類型中游離稀土元素吸附能力、需求及分異現(xiàn)象有關(guān)。此外，不同化學(xué)成分的產(chǎn)生和累積與煙葉的生長發(fā)育有關(guān)，而煙葉不同生長期對(duì)稀土元素的需求不盡相同，致使不同土壤類型和品種種植的煙葉稀土元素與常規(guī)化學(xué)成分的相互作用具有一定差異，這與高華軍等[10]研究的結(jié)果相吻合。通過直接通徑系數(shù)分析可知，紅壤種植的樣品中輕、重稀土元素對(duì)其常規(guī)化學(xué)成分累積均具有重要影響，水稻土和紫色土種植的樣品中輕稀土元素對(duì)其常規(guī)化學(xué)成分累積均具有較大影響；K326和云煙87品種中輕稀土元素對(duì)其常規(guī)化學(xué)成分累積均具有較大影響，而紅花大金元樣品中輕、重稀土元素對(duì)其常規(guī)化學(xué)成分累積均具有重要影響。由間接通徑系數(shù)分析可知，不同土壤種植、不同品種煙葉樣品的輕、重稀土元素可通過自身及相互作用對(duì)煙葉常規(guī)化學(xué)成分的產(chǎn)生和形成也具有一定的影響。對(duì)于不同土壤類型種植樣品，通徑分析得到的直接通徑系數(shù)大小及次序與灰色關(guān)聯(lián)度分析得到的關(guān)聯(lián)度有一定差異。尤其是紫色土種植的煙葉樣品，2種方法分析結(jié)果差異較大，這可能與土壤中各稀土元素的分異現(xiàn)象對(duì)稀土元素的需求有關(guān)。對(duì)于不同品種樣品，2種方法分析的結(jié)果基本保持一致，表明不同品種煙葉對(duì)稀土元素的富集能力基本相同。該研究進(jìn)一步證實(shí)了煙葉中的稀土元素主要來源于土壤，這與梁濤等[24]研究結(jié)果相符，而不同品種中稀土元素種類及含量差異不明顯。稀土元素對(duì)煙葉品質(zhì)的影響主要是通過土壤中游離稀土元素的轉(zhuǎn)移，在基體內(nèi)產(chǎn)生生理生化作用而改善和提高煙葉的質(zhì)量，這與郭伯生等[25]研究結(jié)果一致。

通過對(duì)不同土壤類型種植、不同品種煙葉樣品中的稀土元素與常規(guī)化學(xué)成分的灰色關(guān)聯(lián)度和通徑分析可知，2種方法分析的結(jié)果基本一致，可相互佐證。不同土壤類型種植的樣品中各稀土元素對(duì)常規(guī)化學(xué)成分影響的差異可能與土壤中稀土元素含量的差異及分異現(xiàn)象有關(guān)，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步研究不同土壤類型中稀土元素的含量變化，為揭示煙葉種植的背景土壤中稀土元素含量的分布奠定基礎(chǔ)。不同品種煙葉中各稀土元素含量對(duì)常規(guī)化學(xué)成分的影響具有一定的差異性，這可能與煙葉在生長過程中對(duì)稀土元素的吸附和需求有關(guān)，后續(xù)應(yīng)對(duì)稀土元素的植物生理生化與分子生物學(xué)效應(yīng)，特別是對(duì)稀土元素在植物體內(nèi)的分異形式、作用機(jī)理等方面進(jìn)行深入研究，以闡明稀土元素對(duì)農(nóng)作物生理生化過程的調(diào)控機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)稀土元素對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量與數(shù)量的定向控制奠定基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：葉雪娥）