河南煙區(qū)土壤有機碳組分特征及其對煙葉化學成分的影響

張 盟，翟 振，梁太波，戴華鑫，張艷玲

中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001

土壤碳庫是生態(tài)系統(tǒng)中最大最活躍的碳庫，主要包括有機碳庫和無機碳庫兩部分。土壤有機碳庫對土壤理化結構、養(yǎng)分及作物生長等有重要影響。有研究表明，土壤有機碳具有提供植物養(yǎng)分、改善土壤結構、促進團粒結構的形成等重要作用，是決定土壤結構和肥力品質(zhì)的基本指標［1-2］。土壤有機碳含量（質(zhì)量分數(shù)）對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)也有較大影響，土壤有機碳含量增加可使作物產(chǎn)量增加［3-4］。土壤有機碳庫根據(jù)其碳組分的穩(wěn)定性可以分為活性有機碳、慢性有機碳和惰性有機碳［5］。土壤活性有機碳指有機碳庫中的活性部分，主要包括溶解性有機碳（DOC）、活性有機碳（AOC）、微生物量碳（MBC）、顆粒有機碳（POC）等，其生物有效性較高、容易被土壤微生物分解礦化，對土壤施肥和管理措施響應敏感［6］，在土壤肥力和碳庫平衡的保持和維持等方面具有重要作用［7-8］。土壤活性有機碳各組分在土壤碳動態(tài)平衡中起重要作用，增施有機肥、保護性耕作等措施都會使活性有機碳含量提高［9-10］。

前人已有研究表明土壤碳庫對煙葉品質(zhì)有重要影響［11-17］。土壤總有機碳含量對煙葉品質(zhì)也有重要影響，提高土壤有機碳含量可增加煙葉香氣［11-12］，而有機碳含量減少通常伴隨著煙葉香味成分含量的降低［13-14］，總有機碳含量與煙葉總植物堿和鉀含量呈顯著正相關［15］?？傆袡C碳含量與煙葉感官品質(zhì)密切相關，總有機碳含量與評吸總分呈顯著正相關［16］。也有研究表明有機碳組分含量對煙葉品質(zhì)有重要影響。土壤微生物量碳含量與煙葉香氣密切相關，當土壤微生物量碳含量為350～380 mg·kg-1時，煙葉具有理想的焦糖甜味香氣，而土壤微生物量碳含量較低時（85.5～195 mg·kg-1），烤煙香氣品質(zhì)變差［17］。此外，土壤微生物量碳、易氧化有機碳含量與評吸總分存在顯著正相關［18］。可見前人研究多集中在總有機碳含量變化及其對煙葉香氣、化學成分及感官品質(zhì)的影響方面，而在有機碳各組分含量的分布差異及其對煙葉品質(zhì)的影響方面的研究較少。河南是我國優(yōu)質(zhì)煙葉的主要產(chǎn)區(qū)之一，施用有機肥可不同程度影響煙葉品質(zhì)［11-14］，但有機碳組成與煙葉化學成分的關系目前尚不清楚。為此設置了河南省典型煙區(qū)土壤有機碳庫組分特征及其與煙葉化學成分的關系試驗，旨在探討有機碳組分對煙葉品質(zhì)的影響，為調(diào)節(jié)河南土壤碳庫及提高煙葉品質(zhì)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在河南省許昌市、平頂山市、洛陽市和三門峽市4個典型植煙區(qū)選擇代表性煙田，采集土壤樣品共60個。在煙葉收獲結束后，采用“S”形取樣法，采集0～20 cm耕層土壤，四分法保留1 kg，無菌密封袋保存，填寫土壤樣品記錄卡。將樣品立即帶回實驗室，剔除石塊、根系等雜物，自然風干后分別過2 mm 和0.53 mm篩，用于測定土壤理化指標及碳庫組分。同時采集與土壤樣品對應煙田的烤后中部煙葉1 kg，用于常規(guī)化學成分含量（質(zhì)量分數(shù)）的測定。

1.2 測定方法

1.2.1 土壤樣品

采用lefroy 等［18］的方法測定土壤活性有機碳；采用Jones 等［19］的方法測定土壤溶解性有機碳；采用Cambardella 等［20］的方法測定土壤顆粒有機碳；利用 Vario MARCO cube 元素分析儀（德國Elementar 公司）測定總有機碳和總氮含量（質(zhì)量分數(shù)）。

采用堿解擴散法測定土壤水解性氮［21］；采用水浸提電位法測定pH［22］；碳酸氫鈉浸提-鉬藍比色法測定有效磷［22］；醋酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀［22］；HELOS/RODOS/M 型粒度分析儀（德國新帕泰克有限公司）測定土壤顆粒組成［黏粒（＜0.01 mm），粉粒（0.01～0.05 mm），砂粒（0.05～1.00 mm）］［22］。

1.2.2 煙葉樣品

按照行業(yè)標準方法［23-28］測定煙葉中總植物堿、總氮、還原糖、總糖、鉀、氯、淀粉含量（質(zhì)量分數(shù)）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。采用IBM Statistics SPSS 24.0 軟件對數(shù)據(jù)進行相關分析和方差分析，采用新復極差法進行數(shù)據(jù)間差異的顯著性檢驗。采用Origin 2018軟件作圖。

2 結果與討論

2.1 河南產(chǎn)區(qū)土壤有機碳組分特征

對河南煙區(qū)土壤碳庫組分分析結果見表1。從表1中可以看出，土壤總有機碳含量和各組分含量均存在較大差異。土壤TOC、AOC、POC 和DOC 含量分布范圍分別在3.72～13.80、0.26～0.74、0.96～4.39 g·kg-1和40.71～168.09 mg·kg-1之間，平均值分別為9.42、0.44、2.77 g·kg-1和94.88 mg·kg-1。土壤碳氮比（C/N）在6.04～12.97 之間，平均為9.37。不同有機碳組分含量占總有機碳含量比值的分析結果表明，POC占比最高，AOC 次之，DOC 占比最低，POC/TOC、AOC/TOC 和 DOC/TOC 平均分別為 29.34%、4.93%和1.05%，這與前人的研究結果基本一致［10］。不同樣品間土壤碳庫指標存在不同程度差異，TOC、AOC、POC 和DOC 含量變異系數(shù)分別為23.13%、31.82%、29.82%和27.38%，不同樣品間各活性成分含量差異大于TOC。從各組分含量在TOC 中的占比來看，DOC/TOC 變異系數(shù)最大，POC/TOC 變異系數(shù)次之，AOC/TOC 變異系數(shù)最小，分別為37.52%、27.18%和13.73%，不同樣品間AOC含量占TOC含量比例較為穩(wěn)定。這與賈荔的研究結果一致［29］。

表1 河南煙區(qū)土壤有機碳庫組分特征Tab.1 Characteristics of organic carbon pool constituents in soil of Henan tobacco-growing areas

由圖 1 可知，土壤有機碳含量在5～10 g·kg-1的樣品占樣品總量的51.67%，43.33%的樣品有機碳含量為10～15 g·kg-1，僅有5%的樣品有機碳含量小于5 g·kg-1。43.33%的樣品 C/N 分布在 8～10 之間，36.67%的樣品C/N 分布在10～12 之間，20.00%的樣品C/N分布在6～8之間。與四川涼山、貴州遵義的研究結果［15，30］相比，河南煙區(qū)土壤有機碳含量和C/N相對偏低，不同樣品間差異較小。

圖1 河南煙區(qū)土壤有機碳和碳氮比分布狀況Fig.1 Distributions of organic carbon and C/N ratio in soil of Henan tobacco-growing areas

2.2 河南不同產(chǎn)區(qū)土壤碳庫組分含量差異

河南不同產(chǎn)區(qū)土壤碳庫組分分析結果（圖2）表明，三門峽和洛陽產(chǎn)區(qū)土壤TOC、POC 和AOC 含量均顯著低于許昌和平頂山產(chǎn)區(qū)，而三門峽和洛陽產(chǎn)區(qū)土壤AOC/TOC和DOC/TOC顯著高于許昌和平頂山產(chǎn)區(qū)，土壤POC/TOC 以洛陽產(chǎn)區(qū)最高，許昌最低（圖3）。許昌和平頂山產(chǎn)區(qū)土壤C/N 顯著高于三門峽和洛陽產(chǎn)區(qū)。說明以平頂山和許昌為代表的豫中煙區(qū)土壤有機碳水平明顯高于以三門峽和洛陽為代表的豫西煙區(qū)，可能與豫西煙區(qū)高溫寡雨有關［31］，豫中煙區(qū)近年增施有機肥、推廣綠肥等措施促進了土壤有機碳的積累［15-16］。然而，豫中煙區(qū)土壤活性有機碳占比總體明顯低于豫西煙區(qū)，這可能與兩地土壤C/N 存在差異有關。研究發(fā)現(xiàn)，較低的C/N 比有利于提高土壤有機碳的活性，從而使豫西地區(qū)活性有機碳占比提高［32］。

圖2 河南不同產(chǎn)區(qū)土壤有機碳庫組分含量比較Fig.2 Contents of organic carbon pool constituents in soil of different Henan tobacco-growing areas

圖3 河南不同產(chǎn)區(qū)土壤碳氮比及AOC、DOC、POC 占TOC 的比例比較Fig.3 C/N ratio and proportions of AOC, DOC and POC to TOC in soil of different Henan tobacco-growing areas

2.3 土壤碳庫組分與土壤理化指標的相關性

土壤有機碳與作物養(yǎng)分吸收、土壤理化性質(zhì)及生物學特性等密切相關［33］，是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的核心，其含量及活性高低是影響土壤品質(zhì)的重要指標［34］，其動態(tài)平衡直接影響土壤肥力和作物產(chǎn)量。相關性分析結果（表2）表明，土壤有機碳對土壤氮含量存在正向影響，土壤TOC、AOC、DOC和POC均與總氮和水解性氮呈顯著正相關。土壤碳氮協(xié)調(diào)有利于微生物分解有機質(zhì)，進而增加土壤氮含量，另一方面，土壤氮素含量又影響有機碳含量［35］。有機碳含量與土壤顆粒組成密切相關，AOC與DOC含量與粉粒含量呈顯著正相關，與砂粒含量呈顯著負相關。這可能是由于河南煙區(qū)土壤黏粒含量較低，粉粒和砂粒含量較高，砂粒中有機碳和氮組分對耕作措施的響應更敏感，更能預警或者反映土壤碳、氮指標的變化，而土壤粉粒和黏粒組分中有機碳和氮決定著土壤碳、氮的固存［36］。土壤 AOC 和C/N 與速效鉀含量呈顯著負相關，這與前人研究結果基本一致［29，37］。土壤有機碳各組分占比中，DOC/TOC與土壤黏粒和粉粒含量呈顯著正相關，與砂粒含量呈顯著負相關，而POC/TOC 則與黏粒和粉粒等多個組分含量呈顯著負相關，與砂粒含量呈顯著正相關。POC/TOC與土壤總氮、水解性氮含量呈顯著負相關，C/N與土壤水解性氮含量呈顯著正相關，這表明較高的土壤C/N能激發(fā)土壤中的氮，使氮含量增加，而較高的C/N會使碳活性下降［33］，進而導致有機碳各組分占比下降。

表2 土壤有機碳組分與土壤理化指標的相關性①Tab.2 Corelation between organic carbon constituents in soil and its physicochemical indexes

2.4 土壤碳庫各組分含量及占比的相關性

土壤有機碳庫各組分含量和占比與總有機碳含量及碳氮比進行的相關性分析結果（表3）表明，AOC分別與TOC、C/N呈極顯著正相關，POC與TOC、C/N也呈極顯著正相關，而POC/TOC 分別與TOC、C/N呈顯著負相關，DOC/TOC 與 TOC、C/N 也呈顯著負相關關系。說明土壤各組分有機碳含量不僅受總有機碳含量的影響，也受土壤碳氮比的影響?？傆袡C碳含量增加使各組分含量增加，微生物分解利用土壤中的碳素和氮素來供給自身的生長，較高的土壤碳氮比使土壤中微生物分解利用有機碳的速率增加，從而導致有機碳各組分含量下降。

表3 有機碳組分、C/N及各組分占TOC比例間的相關性Tab.3 Correlations among organic carbon constituents，C/N ratio and proportion of each constituent to TOC

2.5 土壤碳庫組分與煙葉化學成分的相關性

對各產(chǎn)區(qū)煙葉化學成分分析結果（表4）發(fā)現(xiàn)，與三門峽和洛陽產(chǎn)區(qū)煙葉化學成分相比，許昌和平頂山產(chǎn)區(qū)煙葉總糖和還原糖含量較低，且與其他產(chǎn)區(qū)間差異達到顯著水平，而總氮、總植物堿和氯含量相對較高。各地區(qū)煙葉鉀含量相差不大，且均低于2%。

表4 不同產(chǎn)區(qū)煙葉化學成分含量比較①Tab.4 Contents of chemical components in tobacco leaves from different planting areas （%）

相關性分析（表5）表明，土壤TOC、AOC含量和C/N 均與煙葉總糖和還原糖含量呈顯著負相關，與煙葉總氮和總植物堿含量呈顯著正相關；DOC 含量和DOC/TOC均與煙葉總氮、總植物堿含量呈顯著正相關；POC/TOC 與總糖和還原糖含量呈顯著正相關，與煙葉總氮與總植物堿含量呈顯著負相關。土壤TOC、AOC和POC含量與煙葉氯含量呈顯著正相關，煙葉是忌氯作物，優(yōu)質(zhì)煙葉要求氯含量＜1%，針對平頂山產(chǎn)區(qū)煙葉氯含量偏高，土壤有機碳含量較高而活性有機碳組分占比較低的現(xiàn)狀，應采取保護性耕作措施，避免常年連作［38］。煙株通過根系吸收土壤中的氮素進行自身的氮代謝，合成總氮和總植物堿等，而煙葉的氮代謝與碳的積累代謝是相對立的［39］。土壤有機碳組分含量與煙葉碳氮代謝密切相關，因此可以通過增施有機肥調(diào)節(jié)土壤有機碳含量及碳氮平衡，或通過保護性耕作等措施來提高土壤有機碳活性，進而調(diào)節(jié)煙葉化學成分含量，提高煙葉品質(zhì)。

表5 土壤有機碳組分與煙葉化學成分的相關性Tab.5 Correlation between organic carbon constituents in soil and chemical components in tobacco leaves

3 結論

①河南植煙土壤總有機碳含量及各組分含量偏低，各組分含量在總有機碳含量占比中，POC/TOC最高，平均值達29.34%，AOC/TOC 次之，平均值為4.39%，DOC/TOC 最低，僅有1.05%。②三門峽和洛陽產(chǎn)區(qū)土壤總有機碳含量、C/N 及各組分含量較許昌和平頂山產(chǎn)區(qū)低，但土壤有機碳各組分活性較高。③土壤總有機碳含量及各組分含量均與土壤總氮和水解性氮顯著正相關，土壤粉粒含量的增加有利于土壤AOC與DOC含量的增加。土壤氮、黏粒和粉粒含量增加使POC/TOC含量減少，而土壤砂粒含量增加使POC/TOC 含量增加。土壤C/N 增加使土壤有機碳各組分活性降低。④土壤TOC、AOC、DOC 含量及C/N 與煙葉碳氮代謝產(chǎn)物密切相關，土壤碳組分含量增加及C/N提高有利于煙葉總氮和總植物堿的積累，使煙葉總糖和還原糖含量下降，POC/SOC 含量的增加則導致煙葉總糖和還原糖含量增加，總氮和總植物堿含量下降。