河南烟区土壤有机碳组分特征及其对烟叶化学成分的影响

张 盟，翟 振，梁太波，戴华鑫，张艳玲

中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

土壤碳库是生态系统中最大最活跃的碳库，主要包括有机碳库和无机碳库两部分。土壤有机碳库对土壤理化结构、养分及作物生长等有重要影响。有研究表明，土壤有机碳具有提供植物养分、改善土壤结构、促进团粒结构的形成等重要作用，是决定土壤结构和肥力品质的基本指标［1-2］。土壤有机碳含量（质量分数）对作物的产量和品质也有较大影响，土壤有机碳含量增加可使作物产量增加［3-4］。土壤有机碳库根据其碳组分的稳定性可以分为活性有机碳、慢性有机碳和惰性有机碳［5］。土壤活性有机碳指有机碳库中的活性部分，主要包括溶解性有机碳（DOC）、活性有机碳（AOC）、微生物量碳（MBC）、颗粒有机碳（POC）等，其生物有效性较高、容易被土壤微生物分解矿化，对土壤施肥和管理措施响应敏感［6］，在土壤肥力和碳库平衡的保持和维持等方面具有重要作用［7-8］。土壤活性有机碳各组分在土壤碳动态平衡中起重要作用，增施有机肥、保护性耕作等措施都会使活性有机碳含量提高［9-10］。

前人已有研究表明土壤碳库对烟叶品质有重要影响［11-17］。土壤总有机碳含量对烟叶品质也有重要影响，提高土壤有机碳含量可增加烟叶香气［11-12］，而有机碳含量减少通常伴随着烟叶香味成分含量的降低［13-14］，总有机碳含量与烟叶总植物碱和钾含量呈显著正相关［15］。总有机碳含量与烟叶感官品质密切相关，总有机碳含量与评吸总分呈显著正相关［16］。也有研究表明有机碳组分含量对烟叶品质有重要影响。土壤微生物量碳含量与烟叶香气密切相关，当土壤微生物量碳含量为350～380 mg·kg-1时，烟叶具有理想的焦糖甜味香气，而土壤微生物量碳含量较低时（85.5～195 mg·kg-1），烤烟香气品质变差［17］。此外，土壤微生物量碳、易氧化有机碳含量与评吸总分存在显著正相关［18］。可见前人研究多集中在总有机碳含量变化及其对烟叶香气、化学成分及感官品质的影响方面，而在有机碳各组分含量的分布差异及其对烟叶品质的影响方面的研究较少。河南是我国优质烟叶的主要产区之一，施用有机肥可不同程度影响烟叶品质［11-14］，但有机碳组成与烟叶化学成分的关系目前尚不清楚。为此设置了河南省典型烟区土壤有机碳库组分特征及其与烟叶化学成分的关系试验，旨在探讨有机碳组分对烟叶品质的影响，为调节河南土壤碳库及提高烟叶品质提供依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

在河南省许昌市、平顶山市、洛阳市和三门峡市4个典型植烟区选择代表性烟田，采集土壤样品共60个。在烟叶收获结束后，采用“S”形取样法，采集0～20 cm耕层土壤，四分法保留1 kg，无菌密封袋保存，填写土壤样品记录卡。将样品立即带回实验室，剔除石块、根系等杂物，自然风干后分别过2 mm 和0.53 mm筛，用于测定土壤理化指标及碳库组分。同时采集与土壤样品对应烟田的烤后中部烟叶1 kg，用于常规化学成分含量（质量分数）的测定。

1.2 测定方法

1.2.1 土壤样品

采用lefroy 等［18］的方法测定土壤活性有机碳；采用Jones 等［19］的方法测定土壤溶解性有机碳；采用Cambardella 等［20］的方法测定土壤颗粒有机碳；利用 Vario MARCO cube 元素分析仪（德国Elementar 公司）测定总有机碳和总氮含量（质量分数）。

采用碱解扩散法测定土壤水解性氮［21］；采用水浸提电位法测定pH［22］；碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法测定有效磷［22］；醋酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾［22］；HELOS/RODOS/M 型粒度分析仪（德国新帕泰克有限公司）测定土壤颗粒组成［黏粒（＜0.01 mm），粉粒（0.01～0.05 mm），砂粒（0.05～1.00 mm）］［22］。

1.2.2 烟叶样品

按照行业标准方法［23-28］测定烟叶中总植物碱、总氮、还原糖、总糖、钾、氯、淀粉含量（质量分数）。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据统计分析。采用IBM Statistics SPSS 24.0 软件对数据进行相关分析和方差分析，采用新复极差法进行数据间差异的显著性检验。采用Origin 2018软件作图。

2 结果与讨论

2.1 河南产区土壤有机碳组分特征

对河南烟区土壤碳库组分分析结果见表1。从表1中可以看出，土壤总有机碳含量和各组分含量均存在较大差异。土壤TOC、AOC、POC 和DOC 含量分布范围分别在3.72～13.80、0.26～0.74、0.96～4.39 g·kg-1和40.71～168.09 mg·kg-1之间，平均值分别为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 之间，平均为9.37。不同有机碳组分含量占总有机碳含量比值的分析结果表明，POC占比最高，AOC 次之，DOC 占比最低，POC/TOC、AOC/TOC 和 DOC/TOC 平均分别为 29.34%、4.93%和1.05%，这与前人的研究结果基本一致［10］。不同样品间土壤碳库指标存在不同程度差异，TOC、AOC、POC 和DOC 含量变异系数分别为23.13%、31.82%、29.82%和27.38%，不同样品间各活性成分含量差异大于TOC。从各组分含量在TOC 中的占比来看，DOC/TOC 变异系数最大，POC/TOC 变异系数次之，AOC/TOC 变异系数最小，分别为37.52%、27.18%和13.73%，不同样品间AOC含量占TOC含量比例较为稳定。这与贾荔的研究结果一致［29］。

表1 河南烟区土壤有机碳库组分特征Tab.1 Characteristics of organic carbon pool constituents in soil of Henan tobacco-growing areas

由图 1 可知，土壤有机碳含量在5～10 g·kg-1的样品占样品总量的51.67%，43.33%的样品有机碳含量为10～15 g·kg-1，仅有5%的样品有机碳含量小于5 g·kg-1。43.33%的样品 C/N 分布在 8～10 之间，36.67%的样品C/N 分布在10～12 之间，20.00%的样品C/N分布在6～8之间。与四川凉山、贵州遵义的研究结果［15，30］相比，河南烟区土壤有机碳含量和C/N相对偏低，不同样品间差异较小。

图1 河南烟区土壤有机碳和碳氮比分布状况Fig.1 Distributions of organic carbon and C/N ratio in soil of Henan tobacco-growing areas

2.2 河南不同产区土壤碳库组分含量差异

河南不同产区土壤碳库组分分析结果（图2）表明，三门峡和洛阳产区土壤TOC、POC 和AOC 含量均显著低于许昌和平顶山产区，而三门峡和洛阳产区土壤AOC/TOC和DOC/TOC显著高于许昌和平顶山产区，土壤POC/TOC 以洛阳产区最高，许昌最低（图3）。许昌和平顶山产区土壤C/N 显著高于三门峡和洛阳产区。说明以平顶山和许昌为代表的豫中烟区土壤有机碳水平明显高于以三门峡和洛阳为代表的豫西烟区，可能与豫西烟区高温寡雨有关［31］，豫中烟区近年增施有机肥、推广绿肥等措施促进了土壤有机碳的积累［15-16］。然而，豫中烟区土壤活性有机碳占比总体明显低于豫西烟区，这可能与两地土壤C/N 存在差异有关。研究发现，较低的C/N 比有利于提高土壤有机碳的活性，从而使豫西地区活性有机碳占比提高［32］。

图2 河南不同产区土壤有机碳库组分含量比较Fig.2 Contents of organic carbon pool constituents in soil of different Henan tobacco-growing areas

图3 河南不同产区土壤碳氮比及AOC、DOC、POC 占TOC 的比例比较Fig.3 C/N ratio and proportions of AOC, DOC and POC to TOC in soil of different Henan tobacco-growing areas

2.3 土壤碳库组分与土壤理化指标的相关性

土壤有机碳与作物养分吸收、土壤理化性质及生物学特性等密切相关［33］，是土壤养分转化与循环的核心，其含量及活性高低是影响土壤品质的重要指标［34］，其动态平衡直接影响土壤肥力和作物产量。相关性分析结果（表2）表明，土壤有机碳对土壤氮含量存在正向影响，土壤TOC、AOC、DOC和POC均与总氮和水解性氮呈显著正相关。土壤碳氮协调有利于微生物分解有机质，进而增加土壤氮含量，另一方面，土壤氮素含量又影响有机碳含量［35］。有机碳含量与土壤颗粒组成密切相关，AOC与DOC含量与粉粒含量呈显著正相关，与砂粒含量呈显著负相关。这可能是由于河南烟区土壤黏粒含量较低，粉粒和砂粒含量较高，砂粒中有机碳和氮组分对耕作措施的响应更敏感，更能预警或者反映土壤碳、氮指标的变化，而土壤粉粒和黏粒组分中有机碳和氮决定着土壤碳、氮的固存［36］。土壤 AOC 和C/N 与速效钾含量呈显著负相关，这与前人研究结果基本一致［29，37］。土壤有机碳各组分占比中，DOC/TOC与土壤黏粒和粉粒含量呈显著正相关，与砂粒含量呈显著负相关，而POC/TOC 则与黏粒和粉粒等多个组分含量呈显著负相关，与砂粒含量呈显著正相关。POC/TOC与土壤总氮、水解性氮含量呈显著负相关，C/N与土壤水解性氮含量呈显著正相关，这表明较高的土壤C/N能激发土壤中的氮，使氮含量增加，而较高的C/N会使碳活性下降［33］，进而导致有机碳各组分占比下降。

表2 土壤有机碳组分与土壤理化指标的相关性①Tab.2 Corelation between organic carbon constituents in soil and its physicochemical indexes

2.4 土壤碳库各组分含量及占比的相关性

土壤有机碳库各组分含量和占比与总有机碳含量及碳氮比进行的相关性分析结果（表3）表明，AOC分别与TOC、C/N呈极显著正相关，POC与TOC、C/N也呈极显著正相关，而POC/TOC 分别与TOC、C/N呈显著负相关，DOC/TOC 与 TOC、C/N 也呈显著负相关关系。说明土壤各组分有机碳含量不仅受总有机碳含量的影响，也受土壤碳氮比的影响。总有机碳含量增加使各组分含量增加，微生物分解利用土壤中的碳素和氮素来供给自身的生长，较高的土壤碳氮比使土壤中微生物分解利用有机碳的速率增加，从而导致有机碳各组分含量下降。

表3 有机碳组分、C/N及各组分占TOC比例间的相关性Tab.3 Correlations among organic carbon constituents，C/N ratio and proportion of each constituent to TOC

2.5 土壤碳库组分与烟叶化学成分的相关性

对各产区烟叶化学成分分析结果（表4）发现，与三门峡和洛阳产区烟叶化学成分相比，许昌和平顶山产区烟叶总糖和还原糖含量较低，且与其他产区间差异达到显著水平，而总氮、总植物碱和氯含量相对较高。各地区烟叶钾含量相差不大，且均低于2%。

表4 不同产区烟叶化学成分含量比较①Tab.4 Contents of chemical components in tobacco leaves from different planting areas （%）

相关性分析（表5）表明，土壤TOC、AOC含量和C/N 均与烟叶总糖和还原糖含量呈显著负相关，与烟叶总氮和总植物碱含量呈显著正相关；DOC 含量和DOC/TOC均与烟叶总氮、总植物碱含量呈显著正相关；POC/TOC 与总糖和还原糖含量呈显著正相关，与烟叶总氮与总植物碱含量呈显著负相关。土壤TOC、AOC和POC含量与烟叶氯含量呈显著正相关，烟叶是忌氯作物，优质烟叶要求氯含量＜1%，针对平顶山产区烟叶氯含量偏高，土壤有机碳含量较高而活性有机碳组分占比较低的现状，应采取保护性耕作措施，避免常年连作［38］。烟株通过根系吸收土壤中的氮素进行自身的氮代谢，合成总氮和总植物碱等，而烟叶的氮代谢与碳的积累代谢是相对立的［39］。土壤有机碳组分含量与烟叶碳氮代谢密切相关，因此可以通过增施有机肥调节土壤有机碳含量及碳氮平衡，或通过保护性耕作等措施来提高土壤有机碳活性，进而调节烟叶化学成分含量，提高烟叶品质。

表5 土壤有机碳组分与烟叶化学成分的相关性Tab.5 Correlation between organic carbon constituents in soil and chemical components in tobacco leaves

3 结论

①河南植烟土壤总有机碳含量及各组分含量偏低，各组分含量在总有机碳含量占比中，POC/TOC最高，平均值达29.34%，AOC/TOC 次之，平均值为4.39%，DOC/TOC 最低，仅有1.05%。②三门峡和洛阳产区土壤总有机碳含量、C/N 及各组分含量较许昌和平顶山产区低，但土壤有机碳各组分活性较高。③土壤总有机碳含量及各组分含量均与土壤总氮和水解性氮显著正相关，土壤粉粒含量的增加有利于土壤AOC与DOC含量的增加。土壤氮、黏粒和粉粒含量增加使POC/TOC含量减少，而土壤砂粒含量增加使POC/TOC 含量增加。土壤C/N 增加使土壤有机碳各组分活性降低。④土壤TOC、AOC、DOC 含量及C/N 与烟叶碳氮代谢产物密切相关，土壤碳组分含量增加及C/N提高有利于烟叶总氮和总植物碱的积累，使烟叶总糖和还原糖含量下降，POC/SOC 含量的增加则导致烟叶总糖和还原糖含量增加，总氮和总植物碱含量下降。