廣東梅州煙區土壤與煙葉化學成分特征評價及其相關性分析

王曉園，黃瑞寅，謝旭明，曾海亮，陳 欽，安玉興，羅莎莎，武春屹，李宙文

（1.廣東中煙工業有限責任公司，廣東 廣州 510315；2.廣東煙草梅州市有限公司五華縣分公司，廣東 五華 514400；3.廣東省科學院南繁種業研究所，廣東 廣州 510316）

【研究意義】土壤環境狀況是影響煙草生長發育和煙葉品質的重要因子之一。受生態條件和管理措施的影響，土壤特征在一定區域內具有高度的異質性，且對煙葉化學成分的影響有所不同。因此，針對性地探究煙葉產區土壤特征及其與煙葉化學品質的相關性，對科學制定適宜當地的種植施肥方案和管理措施、促進烤煙生產發展具有重要意義。【前人研究進展】研究表明，土壤-氣候因素對煙葉化學指標總變異的貢獻率達48%，其中，土壤對煙葉總氮、蛋白質、淀粉、總糖、還原糖含量和糖氮比具有主導作用，氣候對煙葉氮堿比和鉀氯比具有主導作用［1］。土壤酸堿度對煙葉品質影響顯著，土壤pH 值在5.8～7.6 之間時，煙葉的化學成分協調性好［2］；在土壤pH 適宜范圍內，pH、有機質和土壤養分對煙葉化學品質有較大影響，在有機質適宜范圍內，土壤養分和煙葉化學成分無顯著相關［3］；煙葉總糖、還原糖、淀粉和鉀含量與土壤全鉀含量呈顯著或極顯著正相關［4］；土壤有機質含量對煙葉總植物堿和鉀含量具有正效應［5］，對煙葉還原糖和磷含量具有負效應［6-7］。陳麗燕等［8］研究表明，土壤有機質與煙葉總糖含量、氮堿比和糖堿比呈正相關關系，土壤堿解氮含量與煙葉兩糖比呈極顯著負相關關系，與煙葉總糖、氮堿比呈顯著性正相關關系，其余土壤養分與煙葉化學成分相關性較小；趙鵬力等［9］研究表明煙葉鉀含量與土壤速效鉀含量呈顯著正相關關系，但徐茜等［10］研究認為煙葉鉀含量與土壤全鉀和速效鉀含量均無顯著相關性。【本研究切入點】梅州市位于廣東省東北部，屬武夷丘陵生態區，該地區光照、降雨量、溫度和全年平均無霜日等自然條件均適宜烤煙生長，其所產煙葉具有純度好、色澤鮮亮、感官質量較好和清甜香韻突出等優點，是我國主要的清甜蜜甜香型產區之一。優良的土壤環境是形成優質特色煙葉的重要基礎，但影響梅州地區煙葉化學品質的關鍵土壤因子尚未明確，對梅州煙區土壤和煙葉化學成分特征的綜合評價及其相關性的分析鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】本研究以梅州煙葉主產區的土壤和烤后煙葉為研究對象，通過對植煙土壤和烤后煙葉化學成分特征及其相關性的分析，明確影響梅州煙葉化學品質的關鍵土壤因子，為梅州煙區土壤改良及優質煙葉生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

梅州煙區位于廣東省東北部，屬武夷丘陵生態區，是我國烤煙主要的清甜蜜甜香型產區之一。該區屬亞熱帶季風氣候，2021 年年均氣溫22.6 ℃，年降雨量 1 046.7 mm，年均日照2 215.1 h。樣品采集地區耕作方式為水稻-煙草輪作，水稻生長期為2020 年8—11 月，水稻收獲后秸稈翻壓還田；煙草生長期為2020 年12 月至2021 年7 月，煙草耕作和施肥模式按當地常規方式進行。

1.2 試驗方法

1.2.1土壤樣品采集及測定 2021 年7 月烤煙收獲后、水稻種植前，選取五華、大埔、梅縣3 個煙葉主產區，每個煙區選取兩個煙葉工作站，以收購站為中心點選取周邊8 塊煙葉種植田作為取樣點，共48 塊煙葉種植田。每塊種植田以“S”取樣法用土鉆采集0～20 cm 土壤，剔除雜質均勻混合后按四分法取混合土樣1.0 kg 左右帶回實驗室，風干、混勻、磨細、過篩留存待測，共48 份土壤樣品。土壤理化性質參照鮑士旦［11］相關方法測定，測定指標包括pH 以及有機質（SOM）、水溶性有機碳（WSOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、堿解氮（AN）、有效磷（AP）和速效鉀（AK）含量。植煙土壤質量等級評價標準見表1［12-14］。

表1 植煙土壤pH 和養分含量適宜范圍Table1 Suitable range of pH and nutrient content of tobacco-planting soil

1.2.2煙葉樣品采集及測定 供試烤煙品種為云煙87，煙葉樣品取樣點對應土壤取樣點，統一成熟度采收，常規烘烤，分別采集C3F、B2F 等級煙葉各1 kg，共48 個中部煙葉和48 個上部煙葉樣品。煙葉化學成分參照王瑞新等［15］方法測定，主要指標包括煙堿、總氮、總糖、還原糖、淀粉、總磷、鉀離子（K+）、氯離子（Cl-）、鈣離子（Ca2+）和鎂離子（Mg2+）含量。煙葉化學品質指標適宜范圍見表2［16-20］。

表2 優質烤煙化學成分適宜范圍Table 2 Suitable range of chemical constituents of high quality tobacco leaves

1.3 數據處理與分析

采用SPSS 25.0 軟件和Microsoft Excel 2010 進行數據處理和統計分析，用Duncan 多重比較方法檢驗差異顯著性（P＜ 0.05）。

2 結果與分析

2.1 廣東梅州煙區土壤特征分析

由表3 可知，梅州煙區土壤pH 在3.97～6.64，屬于中等變異，整體偏低，其中偏酸比例為64.58%、適宜等級比例為35.42%；土壤SOM 含量在19.66～49.67 g/kg，屬于中等變異，整體含量豐富，其中適宜等級比例為12.50%、豐等級比例為54.17%、很豐比例為33.33%；土壤WSOC 含量在32.88～192.55 mg/kg，變異系數為47.46%，屬于中等變異；土壤TN 含量在1.18～2.52 g/kg，屬于中等變異，整體適宜，其中適宜等級比例為68.75%、豐等級比例為29.17%、很豐等級比例為2.08%；土壤TP 含量在0.43～1.49 g/kg，屬于中等變異，含量豐富，其中缺等級比例為4.17%、適宜等級比例為25.00%、豐等級比例為31.25%、很豐等級比例為39.58%；土壤TK 含量在7.44～35.99 g/kg，屬于中等變異，整體含量較低，其中極缺等級比例為18.75%、缺等級比例為50.00%、適宜等級比例為14.58%、豐等級比例為2.08%、很豐等級比例為14.58%；土壤AN 含量在60.48～240.58 mg/kg，屬于中等變異，整體含量豐富，其中適宜等級比例為2.08%、豐等級比例為12.50%、很豐等級比例為85.42%；土壤AP含量在7.62～420.10 mg/kg，屬于中等變異，整體含量豐富，其中缺等級比例、適宜等級比例和豐等級比例均為4.17%，很豐等級比例為87.49%；土壤AK 在42.38～1 000.96 mg/kg，變異系數為54.36%，整體含量豐富，其中極缺等級比例為4.17%，缺等級比例為2.38%，適宜等級比例為14.58%，豐等級比例為22.92%，很豐等級比例為56.25%。整體來看，梅州煙區土壤偏酸，土壤TK 含量偏低，其余土壤養分含量豐富，AP、AK、TK 和WSOC 含量變異系數較大，表明這些養分區域間分布不均衡，其余養分在不同區域分布較為均衡。

表3 廣東梅州煙區土壤理化性質Table 3 Physical and chemical properties of soil in Meizhou tobacco production area of Guangdong

2.2 廣東梅州煙區煙葉化學成分特征及主成分分析

由表4 可知，梅州煙區中部煙葉的總氮、總糖和總磷含量屬于弱變異，其余指標屬于中等變異，其中Cl-和鉀氯比變異系數最高，分別為53.97%和46.92%；煙堿含量偏低的比例為8.33%，在優質煙葉范圍內的比例為68.75%，偏高比例為22.92%；總氮、還原糖、總磷、K+、Ca2+含量及糖堿比、氮堿比、鉀氯比在優質煙葉范圍內的比例分別為97.92%、83.33%、100%、100%、85.42%及83.33%、100%、83.33%；總糖、淀粉含量及糖堿比偏高，比例分別為91.67%、100.00%及66.67%；Mg2+含量在優質煙葉范圍內的比例為43.75%，偏低比例為56.25%。整體上，梅州煙區中部煙葉總糖和淀粉含量及糖堿比偏高。

表4 廣東梅州煙區中部煙葉化學成分Table 4 Chemical constituents of middle tobacco leaves in Meizhou tobacco production area of Guangdong

由表5 可知，梅州煙區上部煙葉總氮和總糖含量屬于弱變異，其余指標屬于中等變異，其中Cl-和鉀氯比變異系數最高，分別為40.78%和37.19%；煙葉煙堿含量偏低的比例為47.92%，在優質煙葉范圍內的比例為39.58%，偏高的比例為12.50%；總氮、總磷、Cl-、K+、Mg2+含量及氮堿比在優質煙葉范圍內的比例分別為100%、100%、79.17%、91.67%、79.17% 及100%，總糖、還原糖、淀粉和總磷含量偏高的比例分別為87.50%、75.00%、100% 和100%；Ca2+含 量偏低的比例為27.08%，在優質煙葉范圍內的比例為68.75%，偏高的比例為4.17%；糖堿比在優質煙葉范圍內的比例為41.67%，偏高比例為56.25%；鉀氯比偏低的比例為31.25%，在優質煙葉范圍內的比例為68.75%。整體上，梅州煙區上部煙葉煙堿含量部分地區偏低，總糖、還原糖和淀粉含量及糖堿比偏高。

表5 廣東梅州煙區上部煙葉化學成分Table 5 Chemical constituents of upper tobacco leaves in Meizhou tobacco production area of Guangdong

對梅州煙區中部和上部煙葉化學成分進行主成分分析，確定評價因子的權重，定量計算煙葉質量綜合得分。通過SPSS 得出中部煙葉和上部煙葉的KMO 值分別為0.532 和0.566，Bartlett球形度檢驗顯著性均為0.000，表明對梅州煙區煙葉化學成分進行主成分分析具有合理性。由表6～表8 可知，梅州煙區中部煙葉化學成分前5 個主成分特征值均大于1，累積方差貢獻率達到88.45%，因此前5 個主成分構成的信息能夠反映原來變量的大部分信息，其中第1、第2 主成分累計方差貢獻率達到56.56%，糖堿比、總氮、煙堿、總糖和還原糖含量在第一主成分中起主要作用，Ca2+含量、還原糖和氮堿比在第2 主成分中起主要作用；上部煙葉化學成分前5 個主成分特征值均大于1，累積方差貢獻率達到89.096%，因此前5 個主成分構成的信息能夠反映原來變量的大部分信息，其中第1、第2主成分累計方差貢獻率達到62.739%，還原糖、糖堿比、總糖和煙堿在第1 主成分中起主要作用，鉀氯比和煙堿在第2 主成分中起主要作用。

表6 煙葉化學成分指標主成分分析特征值和累計貢獻率Table 6 Principal component analysis trait value and accumulative contribution rate for chemical constituents indexes of tobacco leaves

2.3 煙葉化學成分與土壤養分的逐步回歸分析

利用逐步回歸分析廣東梅州煙區煙葉化學成分與土壤理化性質的關系，回歸模型中P值均小于0.05，方差膨脹系數（VIF）值均小于5，殘差均符合正態分布，說明模型有效。表9 表明，梅州煙區中部煙葉中，煙堿含量與速效鉀含量呈負相關關系；煙葉總氮和Mg2+含量與土壤WSOC 呈正相關關系；煙葉總糖、還原糖、淀粉含量與土壤WSOC 含量呈負相關關系；煙葉Cl-含量與土壤AN 含量呈正相關關系，與土壤AP 含量呈負相關關系；煙葉K+含量與土壤TN 含量呈正相關關系；煙葉Ca2+含量與土壤pH 值、AK 和SOM含量呈正相關關系；煙葉鉀氯比與土壤AN 含量呈負相關關系，與土壤AP 含量呈正相關關系。上部煙葉中，還原糖含量與土壤AP 含量呈正相關關系；淀粉含量與土壤WSOC 含量呈負相關關系；總磷含量與土壤AK 含量呈正相關關系，與土壤TK 含量呈負相關關系；Cl-與土壤TN 含量呈負相關關系；K+含量與土壤AP 含量呈負相關關系；Ca2+含量與土壤總鉀TK 含量呈負相關關系，與土壤pH 值、AN 含量呈正相關關系；Mg2+含量與土壤SOM 含量呈正相關關系；鉀氯比與土壤TN 含量和pH 值呈正相關關系，與SOM 含量呈負相關關系。

由主成分分析結果可知，中部和上部煙葉前5 個主成分構成的信息分別能夠反映原來變量的大部分信息（表7、表8）。根據前5 個主成分的貢獻率，生成中部煙葉主成分的綜合得分為：F（中部煙葉）=（0.30603F1+0.25953F2+0.14314F3+0.101 16F4+0.07463F5）/ 0.88449；上部煙葉主成分的綜合得分為：F（上部煙葉）=（0.39318 F1+0.23422 F2+0.10714F3+0.08026F4+0.07617F5）/0.89097。以主成分綜合得分為新因變量、土壤養分含量為自變量，建立逐步回歸方程，由表9 可知，中部煙葉化學綜合質量與土壤AK 含量呈正相關關系；上部煙葉化學綜合質量與土壤AP 含量呈負相關關系，與土壤AK 含量和pH 呈正相關關系。

表7 中部煙葉化學成分指標主成分分析因子載荷矩陣Table 7 Load matrix of principal component analysis factors for chemical constituents indexes of middle tobacco leaves

表8 上部煙葉化學成分指標主成分分析因子載荷矩陣Table 8 Load matrix of principal component analysis factors for chemical constituents indexes of upper tobacco leaves

表9 煙葉化學成分指標與土壤pH 和養分含量的逐步回歸分析Table 9 Stepwise regression analysis of chemical constituents indexes of tobacco leaves with soil pH and nutrient content

3 討論

本研究結果顯示，廣東梅州煙區土壤偏酸比例占64.58%，土壤偏酸會影響煙株根系發育和土壤養分的有效性，抑制煙株對養分的吸收和轉化，不利于優質煙葉的生產［21］。近年來大氣酸沉降以及煙葉生產過程中施入的大量酸性肥料加速了土壤的酸化［22-23］。因此，梅州煙區在生產中應減少酸性肥料的施用并采取適當的改良措施以平衡植煙土壤pH。梅州煙區土壤有機質（SOM）含量豐富，豐及很豐比例占87.50%，適宜的土壤SOM 含量有利于提高煙葉整體品質，但土壤SOM 含量過高可能會引起煙葉生長后期氮素供應過多的問題，不利于煙葉成熟落黃，影響煙葉品質［24］。水溶性有機碳（WSOC）是土壤中微生物的重要能量來源和易被生物氧化的碳源，其含量直接影響土壤養分的有效性［25-26］，本研究中，土壤WSOC 含量在32.88～192.55 mg/kg 之間，占總有機碳的比例為0.15%～0.96%，含量較為豐富。梅州煙區土壤有機質及水溶性有機碳含量豐富，可能與梅州地區水稻收獲后秸稈全部翻壓還田有關，這有利于土壤碳庫的積累和土壤養分的穩定。梅州煙區土壤全氮含量適宜，全磷含量豐富而全鉀含量偏低；速效氮、磷和鉀含量豐富，其中豐（高）及很豐（高）比例分別占97.92%、91.76%和79.17%，這與煙葉生產過程中施入大量速效肥料且利用率較低有關，梅州煙區土壤整體偏酸可能是影響速效養分吸收的原因之一；速效氮、磷和鉀的積累會造成大量營養元素與中、微量元素的平衡問題越來越突出，同時增加肥料流失風險，易對環境造成潛在威脅。

協調的化學成分是形成優質煙葉風格及品質的物質基礎［27］。梅州煙區中部煙葉煙堿、總氮、總磷、Cl-、K+、Ca2+和Mg2+含量及氮堿比、鉀氯比適宜，上部煙葉總氮、總磷、Cl-、K+、Ca2+和Mg2+含量及氮堿比和鉀氯比適宜；中部煙葉總糖和淀粉含量及糖堿比偏高，上部煙葉總糖、還原糖和淀粉含量及糖堿比偏高，煙堿含量偏低（占比47.92%）。糖含量過高導致66.67%的中部煙葉和56.25%的上部煙葉糖堿比偏高，影響煙葉品質。主成分分析結果表明，糖堿比、總氮、煙堿、總糖和還原糖含量是評價梅州煙區中部煙葉化學成分的主要指標，還原糖含量、糖堿比、總糖和煙堿是評價上部煙葉化學成分的主要指標。這與杜堅等［28］研究結果一致，即“糖、堿、鉀、氮”是影響云煙87 品種常規化學成分在不同生態區差異的主要化學因子。因此，促進梅州煙區煙葉生產過程中糖類物質的轉化、降低烤后煙葉糖含量、提高上部葉煙堿含量有利于梅州煙葉綜合質量的提高。土壤是煙草生長的直接載體，其理化性質和養分狀況與煙草生長代謝聯系緊密。本研究中，梅州煙區中部煙葉煙堿含量與土壤速效鉀含量呈負相關關系，上部煙葉煙堿含量與土壤養分含量無顯著相關性，這與劉蘭［29］認為鉀素能降低煙葉煙堿和含氮化合物含量的結果一致；但大量文獻表明，煙葉煙堿含量與土壤堿解氮含量顯著正相關［9,30］，與本研究結果不一致，這可能與梅州產區土壤速效氮含量整體偏高有關。研究表明，土壤氮素對作物產量和氮素吸收具有促進作用，但當土壤氮素超過一定范圍時，作物產量和氮素吸收積累量不再增加甚至呈降低趨勢［31-32］。而且，不同生態環境條件和管理措施下，土壤養分含量對煙葉品質的影響具有差異性，王韋燕等［33］研究表明煙葉總糖和還原糖含量與土壤速效鉀含量呈極顯著負相關，但王勇［34］研究表明土壤速效鉀有利于煙葉還原糖積累、不利于總糖積累，土壤有機質含量對糖含量的影響與土壤速效鉀相反。梅州煙區中部煙葉總糖、還原糖和淀粉及上部煙葉淀粉含量與土壤WSOC 呈負相關關系，上部煙葉還原糖含量與土壤速效磷呈正相關關系，這與張盟等［35］研究結果一致，土壤有機碳各組分對煙葉化學成分含量影響顯著，隨著土壤總有機碳、活性有機碳及C/N 的升高，煙葉總糖、還原糖含量下降，而總氮、總植物堿含量升高。對梅州煙葉的綜合質量評價結果表明，中部煙葉化學綜合質量與土壤AK 含量呈正相關關系，上部煙葉化學綜合質量與土壤AP含量呈負相關關系、與土壤AK 含量和pH 呈正相關關系。由此可知，適當提高土壤AK 含量有利于提高中部和上部煙葉綜合質量，但AK 含量的提高可能會降低煙葉煙堿含量，因此，需針對性地研究土壤AK 含量與煙堿和煙葉整體質量的關系，探究梅州煙區土壤AK 含量的適宜范圍；提高土壤WSOC 含量，有利于降低中部煙葉總糖、還原糖和淀粉含量及上部葉淀粉含量；適當降低土壤AP 含量有利于降低上部煙葉還原糖含量和上部煙葉綜合質量；提高土壤pH 有利于提高上部煙葉綜合質量。

4 結論

廣東梅州煙區土壤偏酸比例為64.58%，土壤SOM 和WSOC 含量豐富，土壤TN 含量適宜比例為68.75%，TK 含量偏低比例為68.75%，TP、AN、AP 和AK 含量豐富比例分別為70.83%、97.92%、91.76%和79.17%，因此在生產中應增加有機肥料和堿性肥料的投入，降低速效化肥的施用量。中部煙葉和上部煙葉總糖、還原糖、淀粉和總磷含量及糖堿比偏高，49.72%煙區上部煙葉煙堿含量偏低；糖堿比、總氮、煙堿、總糖和還原糖含量以及還原糖含量、糖堿比、總糖和煙堿含量分別是評價梅州中部煙葉以及上部煙葉化學成分的主要指標；促進中部和上部煙葉糖類物質轉化，提高上部煙葉煙堿含量有利于梅州煙葉整體質量的提高。煙葉化學品質與土壤理化性質顯著相關，提高土壤pH 值、AK 和WSOC 含量，適當降低土壤AP 含量，有利于提高梅州產區煙葉化學品質。