李曉越，段淑輝，周志成，劉勇軍，李杉杉，趙中秋，王 萌，陳世寶*

（1 中國地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南長沙 410128；3 湖南省煙草科學(xué)研究所，湖南長沙 410010；4 農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)試驗(yàn)室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

鎘 (Cd) 是煙草非必需營養(yǎng)元素，但煙草是Cd的高富集作物。Cd污染不僅造成土壤肥力的下降，抑制煙草的生長發(fā)育，而且會(huì)影響煙草的品質(zhì)[1–3]。隨著農(nóng)田土壤重金屬污染的日益加劇，重金屬已成為影響煙草安全生產(chǎn)的重要因素之一。在重金屬元素中，Cd具有毒性大、污染普遍等特點(diǎn)，而煙葉中的Cd具有易揮發(fā)、在煙氣中的遷移比例高等特點(diǎn)[4–5]，更易對(duì)人體造成危害。過去一直把降害的焦點(diǎn)集中在降低烤煙的焦油上，而目前越來越多研究表明，重金屬污染也是危害煙草安全生產(chǎn)的重要因素之一[6–7]，因此，降低煙草對(duì)Cd的吸收、累積對(duì)低危害煙草種植具有重大意義。

降低Cd向土壤–煙草系統(tǒng)中的遷移是控制煙葉中Cd含量的有效方法。近些年來，國內(nèi)外針對(duì)Cd從土壤向煙草遷移與控制技術(shù)等進(jìn)行了較多研究，如降低土壤中Cd有效形態(tài)的含量，采用不同施肥措施[8]，利用陽離子拮抗作用[9]等，而針對(duì)利用葉面肥進(jìn)行作物降Cd效果的研究較少，且多以小麥、水稻等作物為研究對(duì)象[10–12]，如靳磊等[12]根據(jù)離子拮抗原理，在水稻不同生長期，噴施Zn葉面肥，水稻籽粒中Cd降低達(dá)45.8%；劉永賢等[13]利用Se、Si葉面肥噴施水稻后，籽粒Cd降低達(dá)83.3%。關(guān)于葉面肥對(duì)煙草的研究多集中在葉面肥對(duì)煙草幼苗生長、煙葉品質(zhì)和抗病性的影響方面[14–15]，對(duì)煙草降Cd效果的研究鮮見報(bào)道。隨著我國農(nóng)田高度集約化生產(chǎn)，土壤中有機(jī)質(zhì)與微量元素的含量逐年減少。研究表明，在煙草生長發(fā)育過程中施用不同微量元素肥料，有促進(jìn)植株生長、增加產(chǎn)量、提高煙葉品質(zhì)的效果[16]，所以在生產(chǎn)實(shí)踐中，通常把噴施Zn、Se等微量元素葉面施肥作為調(diào)節(jié)作物營養(yǎng)、促進(jìn)作物生長的一項(xiàng)有效措施[14,17]。

作為Cd富集作物，煙草對(duì)Cd的吸收、累積分配規(guī)律不同于其他重金屬元素，Pb、Hg、As等主要累積在煙草的根系中，難以向莖葉部轉(zhuǎn)運(yùn)，而Cd在煙草中的遷移性較強(qiáng)，Cd在煙草不同部位的含量順序?yàn)槿~ ＞ 莖和根，煙草植株中的Cd有80%以上累積在葉片中[7,9,18]。土壤中的Cd主要以自由Cd2+或Cd的低分子有機(jī)或無機(jī)絡(luò)合物形式，通過Ca2+、Zn2+、K+等離子通道轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入根細(xì)胞質(zhì)外體中，再通過蒸騰作用進(jìn)入中柱木質(zhì)部和韌皮部長距離轉(zhuǎn)運(yùn)至莖葉[18]。進(jìn)入植物體細(xì)胞的Cd將大部分與不同蛋白質(zhì)官能團(tuán)絡(luò)合形成有機(jī)、無機(jī)Cd絡(luò)合 (螯合) 物，一部分可溶Cd通過H+/陽離子反向運(yùn)輸器、ATP酶、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等途徑轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡中[19–20]。葉面氣孔是植物與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換的主要通道, 氣孔通過調(diào)節(jié)其開閉狀態(tài), 控制著水分、養(yǎng)分離子及CO2等進(jìn)入植物體內(nèi), 從而達(dá)到生理平衡[21–22]。在噴施葉面肥過程中，植物通過葉面葉孔直接吸收葉面肥中的養(yǎng)分元素與陽離子，因此，葉片是植物最重要的根外營養(yǎng)器官。不同作物葉表含有數(shù)量不等的葉孔，利用葉面施肥打破了土壤根部施肥的傳統(tǒng)方式，更加直接便捷，葉面肥具有針對(duì)性強(qiáng)、養(yǎng)分利用率高、肥料用量少的特點(diǎn)[23]，且避免了不當(dāng)施肥造成的土壤污染；而基于離子拮抗與植物營養(yǎng)原理，開展不同葉面肥對(duì)煙草Cd吸收與品質(zhì)成分影響研究，對(duì)植煙區(qū)Cd污染土壤的煙草安全生產(chǎn)具有重要意義，鑒于此，本研究針對(duì)煙草植株葉面大，吸收效果好的生理特性，以自制3種不同葉面肥，通過盆栽試驗(yàn)探究葉面肥對(duì)降低煙葉Cd吸收的效果以及煙草品質(zhì)變化的響應(yīng)特征。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與煙草品種

采集了我國南方三個(gè)不同植煙區(qū)0—20 cm的表層土壤，根據(jù)土壤類型分別記為樣點(diǎn)紅泥田 (A)、黃泥田 (B) 和青紫泥田 (C)。將采集的土壤經(jīng)自然風(fēng)干，剔除植物根系與礫石后，過2 mm篩后進(jìn)行土壤理化性質(zhì)測(cè)定[24]。供試土壤的基本理化性質(zhì)見表1。供試烤煙品種為我國南方主栽烤煙品種‘云-87’和‘K-326’。

1.2 供試葉面肥

試驗(yàn)采用3種葉面肥 (由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供)進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，其性質(zhì)與成分見表2。三種葉面肥分別為：葉面肥-1 (代號(hào)FI-1)；以油菜秸稈粉碎 (＜ 2 mm)后，在室溫 (25 ± 2)℃條件下發(fā)酵，將發(fā)酵液與Zn2+制備成含Zn濃度約為10 mg/L的液體有機(jī)絡(luò)合-Zn葉面肥；葉面肥-2 (代號(hào)FI-2)；以0.1 mol/L堿溶液提取有機(jī)肥中腐植酸后，再利用稀酸分離方法得到低分子富里酸 (FA)，將FA與K+水溶液按照一定比例混合后，制備成濃度約為100 mg/L的液體腐植酸絡(luò)合-K型葉面肥；葉面肥-3 (代號(hào)FI-3)，將有機(jī)硅乳液[有機(jī)硅氧烷R2Si(OH)2與表面活性劑、去離子水混合后的乳濁液]與Fe2+溶液按照一定比例混合后，得到含鐵約為10 mg/L的液體硅溶膠鐵型葉面肥，上述溶液中Zn、K、Fe陽離子含量以儀器測(cè)定值為準(zhǔn)。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 physic-chemical properties of tested soils

表2 不同葉面肥的性質(zhì)與主要成分 (g/L)Table 2 The pH values and main nutrient contents of the foliar fertilizers

1.3 試驗(yàn)處理

采用盆栽試驗(yàn)，每盆裝土10 kg，按照烤煙種植管理方法，每盆加入氮磷鉀底肥及煙草專用肥后并達(dá)到70%的最大田間持水量。將在育苗盤育苗好的煙苗移栽至盆中，每盆移栽1棵煙苗。試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照 (CK，噴施去離子水)、FI-1、FI-2及FI-3共4個(gè)處理，每一種土壤共有8個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共有72盆。葉面肥的應(yīng)用方法如下：當(dāng)煙草移苗后第21天時(shí)，第一次將上述葉面肥以噴霧形式噴灑到煙草植株葉片上，將上下葉片全部噴濕即可，連續(xù)噴施3天；按照上述方法，在煙草生長期為團(tuán)棵期時(shí) (第36天，10～13片葉) 進(jìn)行第二次噴施，連續(xù)噴施3天；第三次噴施日期為煙草旺長期 (第49天，團(tuán)棵到現(xiàn)蕾期間)，連續(xù)噴施3天。每次葉面肥噴施時(shí)間均為下午5～6點(diǎn)。試驗(yàn)于移栽后8周采摘下部葉3片，中、上部葉于試驗(yàn)結(jié)束時(shí) (移栽后118天) 采集。收獲時(shí)，同時(shí)采集植株莖、根及土壤樣品后，將根表泥土先用自來水沖洗干凈，然后用去離子水沖洗3遍后，分別編號(hào)。根據(jù)測(cè)定項(xiàng)目不同，進(jìn)行65℃條件下殺青后，烘干6～10 h至恒重待測(cè)。

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 土壤理化性質(zhì)測(cè)定 土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量、陽離子交換量 (CEC) 及粘粒 (＜ 0.002 mm) 含量的測(cè)定按照《土壤農(nóng)化分析手冊(cè)》中的方法[25]進(jìn)行測(cè)定；土壤陽離子交換量采用非緩沖的硫脲銀方法測(cè)定；土壤的電導(dǎo)率在水土比為2.5∶1 的條件下振蕩1 h，靜置30 min后測(cè)定；土壤黏粒含量通過吸管法測(cè)定；土壤pH按照土/水比為1∶2.5，以電位法測(cè)定懸液pH值。

1.4.2 土壤中Cd含量測(cè)定 采用GB/T17141-1997[25]的方法：稱取0.20 g (精確至0.001 g) 過0.10 mm篩的土壤樣品于100 mL聚四氟乙烯坩堝中，用鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸消解后，過濾定容至50.0 mL刻度管中，利用等離子發(fā)光光譜儀 (ICP- MS) 進(jìn)行測(cè)定。1.4.3 烤煙中Cd含量測(cè)定[26]煙葉中Cd含量測(cè)定采用HNO3–H2O2微波消解后等離子發(fā)光光譜儀測(cè)定法進(jìn)行測(cè)定：稱取樣品約1.00 g于消解罐中，加濃硝酸 (優(yōu)級(jí)純) 6 mL和H2O22 mL，加蓋擰緊，搖勻放置過夜，上機(jī)消解，160℃左右趕酸至盡干，5%硝酸轉(zhuǎn)移定容到25 mL容量瓶中，利用等離子發(fā)光光譜儀進(jìn)行Cd含量測(cè)定。

1.4.4 巰基 (-SH) 含量測(cè)定 采用碘量返滴定法測(cè)定[24]吸取2.0 mL經(jīng)過0.22 μm的溶液放于100 mL碘量瓶中，加入5 mL無水乙醇、10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)36%醋酸，然后加入0.400 g碘化鉀，待碘化鉀完全溶解后，迅速滴加10 mL 0.03 mol/L碘酸鉀溶液，加蓋放冰水中冷卻5 min，用0.03 mol/L硫代硫酸鈉溶液滴定至黃色消失為止。

1.4.5 煙葉主要化學(xué)成分測(cè)定[27]在煙草收獲期，在每個(gè)處理取選中部 (第9～10片) 上部 (第12～13片) 葉，在60℃條件下烘干至恒重，粉碎、過0.25 mm篩，稱取葉樣0.200 g，采用San++(荷蘭SKALAR公司)連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定煙葉總糖和還原糖、煙堿、總氮、氯等化學(xué)成分；采用722分光光度計(jì)測(cè)定煙葉鉀含量，并計(jì)算總糖/堿、氮/堿、鉀/氯。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2007和SAS9.2分析，進(jìn)行不同處理間的顯著性 (P ＜ 0.05) 方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同葉面肥對(duì)煙草生物量的影響

從圖1可以看出，噴施3種不同葉面肥后，對(duì)云-87與K-326的煙葉干重有明顯增加作用。紅泥田試驗(yàn)中，對(duì)照土壤中云-87與K-326每盆干重分別為19.67 g和21.44 g，噴施葉面肥后，云-87與K-326煙葉干重為20.71～23.41 g和22.64～25.45 g，云-87與K-326的煙葉干重分別增加5.30%～19.0%和5.6%～18.7%。黃泥田試驗(yàn)結(jié)果表明，噴施不同葉面肥后，與對(duì)照相比，云-87與K-326的煙葉干重分別增加為8.5%～24.4%和9.8%～21.9%；青紫泥田試驗(yàn)中，3種不同葉面肥對(duì)云-87與K-326的煙葉干重分別增加2.5%～16.1%和9.5%～30.8%。不同葉面肥在三種不同性質(zhì)土壤中對(duì)煙葉增重效果順序?yàn)镕I-1 ＞ FI-2≈FI-3。

2.2 不同葉面肥對(duì)烤煙煙葉Cd含量的影響

從圖2可以看出，噴施3種不同葉面肥后，對(duì)云-87與K-326的中部煙葉Cd有明顯降低作用。在紅泥田土壤試驗(yàn)中，對(duì)照處理的云-87與K-326煙葉中Cd含量分別為1.59 mg/kg和1.92 mg/kg，噴施3種不同葉面肥后，云-87與K-326煙葉Cd含量比對(duì)照降低18.0%～35.7%、26.2%～40.2%，其中葉面肥FI-1處理對(duì)Cd吸收的降低效果最為顯著。在黃泥田的試驗(yàn)結(jié)果顯示，與對(duì)照相比，3種不同葉面肥對(duì)云-87與K-326煙葉Cd含量的降低幅度分別為10.3%～36.1%、24.8%～42.2%；在青紫泥田土壤試驗(yàn)中，3種不同葉面肥對(duì)云-87與K-326煙葉Cd含量的降低幅度分別為26.1%～33.0%、19.4%～30.8%。不同葉面肥對(duì)三種不同性質(zhì)土壤中煙葉Cd 降低的效果為 FI-1 ＞ FI-2 ＞ FI-3。

圖1 不同葉面肥處理對(duì)煙葉干重的影響Fig. 1 Dry weight of tobacco leaves under different foliar fertilizers

圖2 葉面肥對(duì)烤煙中部煙葉Cd含量的影響Fig. 2 Cd content of middle tobacco leaves under different foliar fertilizers

2.3 不同葉面肥對(duì)煙草品質(zhì)成分的影響

相對(duì)于下部與上部煙葉，煙草的中部葉 (腰葉)由于具有非常良好的配和特性、不易于破碎和較高煙葉成絲率等特點(diǎn)，因此，優(yōu)質(zhì)的中部葉是煙草優(yōu)質(zhì)栽培的重要關(guān)注指標(biāo)之一[28]。本試驗(yàn)中，對(duì)2種不同烤煙中部煙葉的品質(zhì)成分進(jìn)行了測(cè)定?？緹煙熑~中不同品質(zhì)指標(biāo)的適宜性范圍分別為[28–30]：氮含量(1.5%～4.0%)、煙堿 (1.3%～3.5%)、還原糖 (18%～22%)、氯含量 (0.2%～0.6%) 及含量 (適宜為 ＞ 2%)。根據(jù)煙葉化學(xué)成分的適宜性指標(biāo)，從表3可以看出，在三種不同性質(zhì)土壤中，對(duì)照處理中云-87和K-326煙葉中總氮含量雖然在適宜范圍內(nèi)，但含量均偏低，而噴施3種不同葉面肥后，總體而言，煙葉中總氮含量均有不同程度增加，其中FI-1、FI-2處理比對(duì)照 (CK) 達(dá)到顯著 (P ＜ 0.05) 差異，煙葉中鉀含量與總氮含量變化類似；而就煙葉中煙堿與氯含量而言，與對(duì)照相比，不同葉面肥均在一定程度降低了煙葉中煙堿與氯的含量，其中FI-1、FI-2處理煙葉中煙堿與氯含量顯著 (P ＜ 0.05) 降低，而FI-3處理沒有顯著差異；除了上述指標(biāo)外，不同處理煙葉中還原糖與對(duì)照相比，沒有顯著變化，均在適宜范圍內(nèi)。FI-1、FI-2處理均在一定程度增加了煙葉中鉀氯比、糖堿比及氮堿比，而FI-3處理的煙葉中上述三種指標(biāo)變化沒有明顯規(guī)律?？傮w而言，除了青紫泥田土壤中，F(xiàn)I-3處理煙葉中的還原糖偏高 (與對(duì)照相比差異不顯著) 外，噴施不同葉面肥處理的煙葉化學(xué)成分大部分均處于適宜性范圍內(nèi)，其中，F(xiàn)I-1、FI-2處理對(duì)提高煙葉品質(zhì)指標(biāo)具有顯著效果。

3 討論

本試驗(yàn)中，三種葉面肥中分別含有活性Zn2+、K+、Fe2+等中、微量元素，在煙草的苗期、團(tuán)棵期和旺長期噴施后，對(duì)煙草植株生長均有不同程度促進(jìn)作用，其中，有機(jī)絡(luò)合-Zn葉面肥 (FI-1) 對(duì)植株生長的促進(jìn)作用最顯著，其次是腐植酸絡(luò)合-K型葉面肥(FI-2) 和硅溶膠鐵型葉面肥 (FI-3)。對(duì)云-87而言，F(xiàn)I-1在紅泥田、黃泥田和青紫泥田土壤中每株干重比對(duì)照分別增加了19.0%、24.4%、16.1%，而K-326的每株干重分別增加了18.7%、21.9%、30.8%，均達(dá)到顯著水平 (P ＜ 0.05)，不同葉面肥對(duì)煙葉增重效果順序?yàn)镕I-1 ＞ FI-2≈FI-3。有研究表明，葉面肥通過增加煙草中、微量元素營養(yǎng)供給，可以顯著促進(jìn)植株生理代謝 (光合速率和蒸騰速率)、提高葉綠素含量和煙葉產(chǎn)量。FI-1與另外兩種阻控劑相比，氮含量明顯較高，碳、氮代謝是煙草植株最基本的代謝過程, 氮素對(duì)光合碳固定有顯著促進(jìn)作用，有利于提高煙草產(chǎn)量[16]，同時(shí)，已有大量研究表明，氮肥形態(tài)與致病菌及作物抗病性有密切關(guān)系，合理的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮配比可以有效的預(yù)防煙草黑脛等煙草常見減產(chǎn)疾病[18,31]。

表3 不同葉面肥對(duì)烤煙品質(zhì)成分的影響Table 3 Effect of the foliar fertilizers on quality component of middle tobacco leaves

污染土壤中降低作物Cd吸收的修復(fù)技術(shù)包括重金屬污染土壤的修復(fù)治理，低吸收作物品種的篩選與應(yīng)用，作物對(duì)重金屬吸收生理阻控等[32]。本試驗(yàn)中，煙葉通過葉表吸收葉面肥中的Zn2+、K+及Fe2+等養(yǎng)分離子，被葉表吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的Zn2+、K+及Fe2+通過競爭絡(luò)合方式，占據(jù)植物體蛋白質(zhì)與氨基酸的有效吸附點(diǎn)位，從而對(duì)Cd2+產(chǎn)生拮抗作用，降低煙草植物對(duì)土壤中Cd的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)。研究表明，在一定濃度范圍內(nèi)，由于Zn等陽離子與Cd共用親和性質(zhì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，植物體內(nèi)Zn2+等養(yǎng)分離子對(duì)Cd有明顯拮抗作用[33]。本研究結(jié)果顯示，F(xiàn)I-1葉面肥對(duì)煙葉中Cd降低效果最為顯著，對(duì)云-87和K-326最大降Cd達(dá)到36.1%和42.2%，F(xiàn)I-2對(duì)云-87和K-326最大降Cd率為35.5%、30.9%，而FI-2對(duì)云-87和K-326最大降Cd率分別為35.5%、30.9%達(dá)到26.1%、24.8%。

土壤Cd污染不僅影響煙草體內(nèi)葉綠素、蛋白質(zhì)的合成，一方面造成煙草不同程度的減產(chǎn)或絕收，另一方面，對(duì)煙草大量營養(yǎng)元素 (如K、Ca、Mg、Si、Fe等) 和微量元素 (如 Zn、Se等) 的吸收也有影響，從而影響煙草的品質(zhì)[34]。煙草攝入過量Cd會(huì)影響煙葉煙堿、還原糖及蛋白質(zhì)含量，導(dǎo)致煙葉中糖堿比和氮堿比升高，煙葉化學(xué)成分失衡和煙葉中的酸堿失去平衡[5]；噴施不同葉面肥在促進(jìn)煙草植株生長、降低煙葉Cd吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的同時(shí)，對(duì)煙葉的品質(zhì)成分也有顯著影響。本研究中，F(xiàn)I-1中的巰基結(jié)合態(tài)Zn，對(duì)煙草體內(nèi)的眾多酶起著調(diào)節(jié)、穩(wěn)定和催化作用，通過影響RNA、DNA聚合酶從而影響煙株體內(nèi)核酸與蛋白質(zhì)的合成過程，參與烤煙煙葉葉綠素的合成，進(jìn)而增強(qiáng)煙株的光合作用能力，提高抗病能力，促進(jìn)煙株的生長發(fā)育。在不同葉面肥處理中，F(xiàn)I-1、FI-2處理均在一定程度增加了煙葉中氮和鉀的含量，降低了煙堿與氯的含量，從而增加了煙葉中鉀氯比和糖堿比，使煙葉內(nèi)在化學(xué)成分趨于協(xié)調(diào)，進(jìn)而提升煙葉品質(zhì)。其中，F(xiàn)I-1中氮含量較高，有助于煙葉成份、油分、顏色濃度、飽滿度光澤等指標(biāo)的提高，F(xiàn)I-2中含有大量的鉀，鉀是煙葉公認(rèn)的品質(zhì)元素，補(bǔ)充鉀肥可以提高煙草氮素有效性、土壤酶活性、烤煙的燃燒性和陰燃持火力，對(duì)煙葉品質(zhì)和卷煙制品的安全性具有重要意義[35]。

4 結(jié)論

1) 三種葉面肥對(duì)煙草植株生長具有明顯促進(jìn)作用，其中，含Zn葉面肥可分別增加兩品種煙葉干重24.4%和30.8%；

2) 三種不同葉面肥均可不同程度地降低煙葉對(duì)Cd的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)，其中云-87和K-326煙葉中Cd分別降低36.1%和42.2%；

3) 不同葉面肥均可不同程度地提高煙葉中氮和鉀的含量，降低煙堿與氯的含量，提高煙葉中的鉀氯比、糖堿比和氮堿比，提升煙葉品質(zhì)，不同葉面肥對(duì)降低煙葉Cd含量與提升煙葉品質(zhì)的總體效果為 FI-1 ＞ FI-2 ＞ FI-3。