凉山烟区土壤有机碳组分特征及与烟叶化学成分的关系

梁太波，戴华鑫，王 勇，孟祥宇，马 鹏，陈玉蓝，张艳玲，翟 振，尹启生*

1. 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

2. 四川省烟草公司凉山州公司，四川省西昌市三岔口东路432 号 615000

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，主要由有机碳库和无机碳库两部分组成。土壤有机碳库是土壤中全部有机碳的总和，对土壤物理、化学和生物学特征具有重要的调节作用。一般认为，土壤有机碳库是作物高产稳产的基础，具有十分重要的农业生态价值和环境价值。研究表明，土壤有机碳具有改善土壤结构、促进团粒结构形成与保持、提供植物养分等重要作用，是决定土壤肥力质量的基本指标[1]。土壤有机碳库中的活性部分被称作活性有机碳，主要包括溶解性有机碳、微生物量碳、轻组有机碳等，其生物有效性较高、易被土壤微生物分解矿化，在保持土壤肥力、维持土壤碳库平衡等方面具有重要作用[2-3]。然而，土壤活性有机碳组分较为复杂，用物理、化学和微生物方法分离出的组分相互交叉。因此，也将易被KMnO4和K2Cr2O7氧化的组分称为活性有机碳[4]。在烟草生产中，前人研究多集中在土壤碳库总量、栽培措施对土壤碳库的调节等方面[5-7]，而对不同产区的活性有机碳组分特征差异及与烟叶质量的关系研究较少。凉山是我国重要的烟叶产区之一，有关凉山烟区土壤有机碳组分特征差异及其在烟叶质量形成中的作用鲜见报道。为此，研究了凉山不同烟叶产区土壤有机碳组分特征差异及其与烟叶化学成分的关系，以期为烟区土壤碳库的调节和烟叶质量的提升提供依据。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集

2016 年，在凉山烟区10 个产烟县（会理、会东、冕宁、宁南、普格、喜德、盐源、德昌、西昌、越西）选择代表性烟田，采集100 个土壤样品。在烤烟生长结束后，按照“S”形取样法，采集0～20 cm耕层土壤样品，每份1 kg。土壤样品自然风干后过筛，用于土壤理化指标的测定。同时，采集对应田块的烤后C3F 烟叶样品，用于化学成分分析。

1.2 测定方法

按照Lefroy 等[4]方法进行土壤活性有机碳测定。根据KMnO4的浓度（33、167 和333 mmol/L）将活性有机碳分为3 个组分，包括高活性有机碳（33 mmol/L）、中活性有机碳（33～167 mmol/L）和低活性有机碳（167～333 mmol/L）；无法被KMnO4氧化的碳为非活性有机碳。样品活性有机碳的含量根据消耗的KMnO4量进行计算（1 mmol/L KMnO4氧化9 mg 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。

参照鲁如坤[8]的方法进行土壤肥力指标测定。采用水浸提电位法测定pH（水土比=2.5∶1）；碱解扩散法测定速效氮含量；碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法测定有效磷含量；醋酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾含量。按照行业标准方法[9-13]测定烟叶中烟碱、总氮、还原糖、总糖、钾、氯含量。

1.3 数据处理

采用Excel 进行数据处理、分析和作图。采用SPSS 软件对数据进行统计分析，采用新复极差法进行差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 凉山烟区土壤有机碳组分

从表1 可以看出，凉山烟区土壤有机碳总量和各组分含量均存在较大差异。高、中、低活性有机碳含量和总有机碳含量的范围分别在0.16～1.43、0.51～3.46、0.65～4.64 和2.24～27.84 g·kg-1之间。土壤有机碳中，活性有机碳总量占比较低，多为非活性有机碳。比较活性有机碳各组分的含量发现，高活性有机碳占比最低（均值为0.85 g·kg-1）、中活性有机碳次之（均值为1.46 g·kg-1），低活性有机碳最高（均值为2.33 g·kg-1）。土壤碳氮比（C/N）在2.52～23.75 之间，变异幅度较大，均值为9.56。

表1 凉山烟区土壤有机碳组分特征Tab.1 Characteristics of soil organic carbon components in Liangshan tobacco-planting 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40.00%，其次为11～15 和16～20 g·kg-1的样品，分别占样品总量的24.00%和18.00%。11.00%的样品其土壤有机碳含量超过20 g·kg-1，7.00%的样品其土壤有机碳含量小于5 g·kg-1。从土壤C/N 来看，59.00%的样品C/N 集中在5～10 之间，27.00%的样品C/N 在11～15 之间，9.00%的样品C/N 小于5，仅有5.00%的样品C/N 大于16。

2.2 不同产区土壤有机碳组分的差异

图1 凉山烟区土壤有机碳含量和碳氮比的分布状况Fig.1 Distributions of soil organic carbon and carbon/nitrogen ratio in Liangshan tobacco-planting areas

由图2 可知，不同产区土壤有机碳组分含量均存在差异。从有机碳总量来看，德昌和喜德相对较高，冕宁、宁南、普格、越西次之，会理、会东、盐源和西昌相对较低。从活性有机碳总量来看，以德昌和盐源相对较高，均值分别达到5.62 和6.25 g·kg-1；会理和西昌较低，其他产区差异较小。

图2 不同产区土壤有机碳组分含量Fig.2 Contents of soil organic carbon components in different planting areas

2.3 土壤有机碳组分与肥力指标的相关性

土壤有机碳是土壤质量的核心，对土壤肥力有重要影响。相关性分析结果（表2）表明，土壤有机碳总量及高、中、低活性组分含量均与碱解氮、有效磷、速效钾、全氮含量呈极显著正相关。土壤C/N 与有效磷和全氮含量呈显著或极显著负相关。除有机碳总量外，其他组分与土壤pH 均无显著相关关系。可见，土壤有机碳总量及各组分含量与土壤肥力密切相关，对土壤肥力有重要的指示作用。

表2 土壤有机碳组分特征与肥力指标的关系①Tab.2 Relationship between organic carbon components and fertility indicators in soils

2.4 土壤有机碳组分与烟叶化学成分的相关性

由表3 可知，土壤有机碳总量与烟叶总植物碱含量和钾含量呈显著正相关，而活性有机碳各组分含量和土壤C/N 与烟叶化学成分均无显著相关关系。

表3 烟田土壤有机碳组分与烟叶化学成分的相关性Tab.3 Correlation between organic carbon components in tobacco-planting soils and chemical components in tobacco leaves

图3 土壤有机碳含量和碳氮比对烟叶化学成分的影响Fig.3 Effects of soil organic carbon content and carbon/nitrogen ratio on chemical components in tobacco leaves

为进一步研究土壤有机碳含量与烟叶化学成分的关系，对土壤有机碳含量进行划分。由图3可知，当土壤有机碳含量＜15 g·kg-1时，总植物碱含量＞2%的样品、总氮含量＞1.6%的样品分别占样品总量的37.68%和39.13%；当有机碳含量＞15 g·kg-1时，总植物碱含量＞2%的样品、总氮含量＞1.6% 的样品分别占样品总量的72.41% 和75.86%。当土壤C/N＜10 时，总氮含量＞1.6%的样品、钾含量＞1.8%的样品分别占样品总量的21.42%和28.57%；当土壤C/N＞10 时，总氮含量＞1.6%的样品、钾含量＞1.8%的样品分别占样品总量的60.61%和57.14%。当土壤有机碳含量较高时，烟叶总植物碱和总氮含量较高的样品占比明显增加；当土壤C/N 较低时，总植物碱含量和钾含量较高的样品占比明显减少。可见，土壤有机碳对烟叶化学成分尤其是总植物碱和总氮含量具有重要影响。

3 讨论

土壤有机碳是土壤质量的核心，对提升土壤肥力和促进作物生长都有重要作用。随着有机碳组分分离技术的进步，多种活性有机碳组分被分离出来，在土壤中的重要作用也逐步被发现。研究认为，活性有机碳的占比虽然较低，但与土壤生产力密切相关，可以提供植物生长所必需的营养元素[14-15]。本研究中，凉山烟区土壤有机碳总量较低，仅有29%的样品含量超过15 g·kg-1，部分样品含量在5 g·kg-1以下，95%的样品C/N 在15 以下。此外，凉山烟区土壤有机碳多为非活性有机碳，活性有机碳总量的占比较低。在实际生产中，应注意提高土壤有机碳含量尤其是活性组分库的含量。

在土壤有机碳与土壤养分关系的研究中，一般认为土壤有机碳对土壤养分的供应有重要影响[16-18]。本研究中，凉山烟区土壤有机碳总量及高、中、低活性组分含量均与碱解氮、有效磷、速效钾、全氮含量呈极显著正相关，该结论与祖元刚等[14]、李忠芳等[18]的研究结论基本一致。土壤中90%以上的氮素以有机态形式存在，土壤氮素含量与有机碳含量关系密切。土壤碳氮协调有利于微生物分解有机质，增加土壤速效氮含量。在某种程度上，土壤氮素的含量又影响土壤有机碳的含量，二者存在相互影响[19-20]。土壤有机碳是微生物的重要碳源，其含量的高低可直接影响微生物的活性，进而影响土壤磷和钾的活化，最终影响速效磷和速效钾的含量。而土壤中磷的增加又可促进土壤有机碳的积累。可见，土壤有机碳总量及各组分含量对土壤肥力有重要的指示作用，二者相互依存、相互影响。

4 结论

①凉山烟区土壤有机碳总量及高、中、低活性组分含量均与土壤碱解氮、有效磷和速效钾等肥力指标呈显著正相关。②土壤有机碳含量较高时，烟叶总植物碱和总氮含量较高的样品占比明显增加，表明土壤有机碳含量对烟叶总植物碱和总氮含量有重要影响。