輪作與連作煙田根際土壤酸性有機組分的初步分離與鑒定

符建國，易建華，賈志紅,*，蘇以榮

（1.湖南中煙工業有限責任公司，長沙 410007；2.中國科學院亞熱帶農業生態研究所亞熱帶農業生態過程重點實驗室，長沙 410125）

烤煙是我國重要的經濟作物，為國家帶來巨大的經濟效益。隨著烤煙生產規模的擴大，由于耕地所限，在許多地區烤煙種植不得不采用連作方式，但長期連作會引起連作障礙。連作或重迎茬障礙的原因主要有三方面，病蟲害、土壤營養失調、根系及根際微生物產生的有毒物質[1]。關于連作大豆、蔬菜或果樹土壤中產生的有機化合物或化感物質種類及數量的，相關文獻報道較多[2-9]，而關于烤煙土壤有機化合物或化感物質報道較少。探明連作和輪作土壤中化感物質種類及數量，對深入研究烤煙土壤有機化合物或化感作用，揭示有機化合物或化感物質對土壤生物及土壤環境的影響具有重要的意義。筆者應用定性與相對定量分析技術（GC/MS），初步鑒定了輪作與連作植煙土壤中幾種有機化合物或化感物質種類，以期為研究烤煙土壤化感物質的種類和數量及在烤煙連作障礙中的作用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2007—2008年在湖南瀏陽市東區進行。地貌類型為典型的南方丘陵山區，東經113°52′，北緯 28°22′，海拔 103 m，年均氣溫 17.3 ℃，≥10 ℃的積溫241.6 d，活動積溫為5477.4 ℃，降水量1601 mm，年平均蒸發量1204 mm，無霜期271.8 d，多年平均風速1.4 m/s，日照時數1845.0 h，土壤類型為水稻土，土壤質地為壤土，土壤養分狀況見表1。耕層厚度30 cm左右，農業灌溉井渠雙配套。

表1 煙區土壤養分狀況Table1 Soil nutrient contents in tobacco growing area

1.2 樣品采集和制備

于烤煙旺長期（2007年5月15日），分別在連作（＞5年）和輪作烤煙地隨機選取樣地，每一耕作方式選擇3塊樣地，每一樣地按“蛇形法”隨機選5株健康烤煙，采集根際混合樣品裝袋，迅速帶回實驗室，低溫保存備用。

土壤酸性有機化合物的提?。喝∵^ 40目篩土壤125 g，加入500 mL 80%甲醇振蕩（振蕩頻率為160次/min，溫度25 ℃）提取2 h，離心（3500轉/min，20 min，25 ℃）、過濾后獲得澄清濾液，殘渣棄去。將濾液減壓濃縮，獲濃縮液約100 m1。將濃縮液用濃鹽酸調pH至3.0，用乙酸乙酯萃取其中性、酸性有機化合物（每次25 mL，萃取3次），得水相1、乙酸乙酯相1。將水相1用NaOH調pH至10，每次100 mL乙酸乙酯萃取3次，得水相2(棄去)、乙酸乙酯相2，乙酸乙酯相2即為堿性組分。對乙酸乙酯相1用100 mL pH 10的8%NaOH萃取(每次100 mL，萃取3次)，得水相3、乙酸乙酯相3。對水相3調pH至3.0，每次100 mL乙酸乙酯萃取3次，得水相4(棄去)、乙酸乙酯相4，乙酸乙酯相4即為酸性組分。對酸性組分減壓濃縮至100 mL，每毫升含從 5 g土壤中提取的有機化合物，計作 5 g/mL)，用于生物檢測和GC/MS鑒定。

1.3 提取液有機化合物的GC-MS 分析

土壤酸性組分的硅烷化：取一定量上述土壤酸性組分提取液進行硅烷化處理。方法是將提取液濃縮至干后，加入250 μL硅烷化試劑（BSTFA：吡啶=5∶1），加蓋密封，在75～80 ℃水浴中加熱1 h。

土壤酸、中、堿性組分的 GC/MS分析：將處理好的各組分提取液進行GC/MS分析。

色譜條件：毛細管柱為HP-5（Crosslinked 5%pH ME Siloxanle，30 m×0.25 mm×0.25 μm）；進樣口溫度250 ℃；程序升溫：柱溫 50℃（2 min），以6 ℃/min程序升溫至250 ℃（保持15 min）；載氣為He；流速為1.0 mL/min。

質譜條件：EI源（電子轟擊源），轟擊電壓70 eV，掃描范圍m/z；30～600 amu，掃描速度0.2 s 掃全程，離子源溫度：200 ℃，四級桿溫度150 ℃。進樣量為1 μL。不分流進樣。通過質譜分析和計算機標準譜庫檢索，并采用峰面積歸一化法（JY/T003—1996）確定各化合物的相對百分含量。

2 結果與討論

連作和輪作前后土壤萃取產物的氣相色譜-質譜總離子流圖見圖 1。各色譜峰相應的質譜圖經人工解析及計算機檢索，確定其化學結構，共鑒定出21種化合物，并利用面積歸一化法，測定出相對含量，結果見表2。

圖1 烤煙根際土壤有機化合物酸性組分種類及含量Fig.1 Types and contents of organic compounds in tobacco rhizosphere soil

表2 連作和輪作烤煙根際土壤有機化合物酸性組分種類及含量Table2 Types and contents of acid components of organic compounds in tobacco rhizospheric soil in monocropping and rotation

從表2可以看出，在所檢出的21種成分中，主要為醇類、酸類、酯類及酞酸酯類四大類物質。連作和輪作前土壤酸性組分分別有18和19種，醇類物質為丙三醇，酸類物質為苯甲酸、十二酸、對羥基苯甲酸、鄰苯二甲酸、3-甲氧基-4-羥基苯甲酸、十四酸、油酸、亞油酸和十八酸，酯類物質為十四酸異丁酯、十六酸異丁酯、十六酸丁酯、十八酸異丁酯、十八酸丁酯，酞酸酯類物質為鄰苯二甲酸二異丁酯、鄰苯二甲酸二丁基異丁酯、鄰苯二甲酸二丁酯和鄰苯二甲酸二異辛酯，其中連作比輪作多一種成分，為苯甲酸。連作和輪作后，土壤酸性組分發生了種類和數量的變化，連作土壤有 11種，輪作土壤有 12種，連作和輪作土壤醇類物質沒有變化，仍為丙三醇，其它組分均發生變化。連作土壤酸類物質中沒有檢測到對羥基苯甲酸、鄰苯二甲酸、3-甲氧基-4-羥基苯甲酸和十四酸，而檢測到增加物質對苯二甲酸，輪作土壤酸類物質中沒有檢測到鄰苯二甲酸、3-甲氧基-4-羥基苯甲酸，而檢測到增加物質對苯二甲酸。連作和輪作后土壤酯類物質中均沒有檢測到十四酸異丁酯、十六酸異丁酯、十六酸丁酯、十八酸異丁酯和十八酸丁酯，而檢測到增加物質十六酸甲酯。連作后土壤酞酸酯類物質中沒有檢測到鄰苯二甲酸二丁基異丁酯，而輪作后土壤酞酸酯類物質中沒有檢測到鄰苯二甲酸二丁基異丁酯和鄰苯二甲酸二丁酯。

由表2還可看出，連作和輪作前，連作土壤醇類成分含量與輪作土壤相同，連作土壤酸類和酯類物質含量小于輪作，連作酞酸酯類物質成分含量大于輪作。連作和輪作后，連作土壤醇類和酞酸酯類物質含量小于輪作土壤，而酸類和酯類物質含量大于輪作土壤。連作和輪作土壤酸性有機組分中，大部分物質為已經報道的化感物質。鄰苯二甲酸、對羥基苯甲酸、苯甲酸化感作用已大量報道，均在一定濃度下抑制植株幼苗的生長[10-11]。長鏈脂肪酸豆蔻酸、棕櫚酸、油酸、硬脂酸等是已被鑒定起殺菌及抑制高等植物生長作用的長鏈脂肪酸[1]。酞酸酯類是環境污染物，常用來作為塑料增塑劑，當前農業生產中大量使用塑料地膜，便是土壤中酞酸酯類物質大量存在的原因。酞酸酯類物質對植物生長不良影響雖然比苯甲酸較小，但如果在環境中達到一定濃度，將會明顯抑制烤煙早期生長[12-14]。對苯二甲酸可能是環境污染物，未有報道表明其對植物生長的影響。從本試驗結果還可知，連作和輪作土壤中存在多種化感物質，而化感物質的化感效應具有疊加性，其化學作用往往是由多種化感物質協同作用而對植物化感作用增強[2]。連作障礙使土壤理化特性惡化，病蟲害增加有可能是這些多種有機化合物或化感物質共同作用的。

由表3可以看出連作和輪作前后土壤有機化合物種類及含量發生的變化。醇類、酸類和酯類物質在種植后含量均增加，而酞酸酯類物質在減少。連作和輪作后，土壤醇類、酸類和酯類物質均增加了90%以上，而酞酸酯類物質減少了75%以上。由此可以推測，土壤酸性有機組分中酸類物質含量的增加可能是植煙土壤酸化并造成連作障礙的一個原因。

表3 不同種植方式植煙土壤有機化合物種類及相對含量 %Table3 Types and contents of soil organic compounds in different tobacco growing patterns

3 結 論

采用氣相色譜質譜聯用方法對輪作和連作土壤中酸性組分的初步分離與鑒定，結果顯示，兩種不同種植模式（輪作和連作）土壤酸性有機組分中包含有醇類、酸類、酯類和酞酸酯類等物質，這些物質化學組分中大部分均已被報道為化感物質。輪作和連作土壤酸性組分中各類物質相對含量有所差別，其化學成分也有明顯差別。幾種重要的化感物質在種植前后發生了增加或消減變化，有可能由于該物質氣化后含量極其微量而沒有檢測到。如酸類物質苯甲酸、對羥基苯甲酸、鄰苯二甲酸和十四酸，酞酸酯類物質鄰苯二甲酸二丁酯。不論哪種種植模式，植煙后，環境污染物酞酸酯類含量相對降低，酸類和酯類物質含量相對增加，在酸類物質和酯類物質不斷轉換的化學過程中，又出現了一種新的環境污染物對苯二甲酸。

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