涼山煙區土壤有機碳組分特征及與煙葉化學成分的關系

梁太波，戴華鑫，王 勇，孟祥宇，馬 鵬，陳玉藍，張艷玲，翟 振，尹啟生*

1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2 號 450001

2. 四川省煙草公司涼山州公司，四川省西昌市三岔口東路432 號 615000

土壤碳庫是陸地生態系統中最大的碳庫，主要由有機碳庫和無機碳庫兩部分組成。土壤有機碳庫是土壤中全部有機碳的總和，對土壤物理、化學和生物學特征具有重要的調節作用。一般認為，土壤有機碳庫是作物高產穩產的基礎，具有十分重要的農業生態價值和環境價值。研究表明，土壤有機碳具有改善土壤結構、促進團粒結構形成與保持、提供植物養分等重要作用，是決定土壤肥力質量的基本指標[1]。土壤有機碳庫中的活性部分被稱作活性有機碳，主要包括溶解性有機碳、微生物量碳、輕組有機碳等，其生物有效性較高、易被土壤微生物分解礦化，在保持土壤肥力、維持土壤碳庫平衡等方面具有重要作用[2-3]。然而，土壤活性有機碳組分較為復雜，用物理、化學和微生物方法分離出的組分相互交叉。因此，也將易被KMnO4和K2Cr2O7氧化的組分稱為活性有機碳[4]。在煙草生產中，前人研究多集中在土壤碳庫總量、栽培措施對土壤碳庫的調節等方面[5-7]，而對不同產區的活性有機碳組分特征差異及與煙葉質量的關系研究較少。涼山是我國重要的煙葉產區之一，有關涼山煙區土壤有機碳組分特征差異及其在煙葉質量形成中的作用鮮見報道。為此，研究了涼山不同煙葉產區土壤有機碳組分特征差異及其與煙葉化學成分的關系，以期為煙區土壤碳庫的調節和煙葉質量的提升提供依據。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

2016 年，在涼山煙區10 個產煙縣（會理、會東、冕寧、寧南、普格、喜德、鹽源、德昌、西昌、越西）選擇代表性煙田，采集100 個土壤樣品。在烤煙生長結束后，按照“S”形取樣法，采集0～20 cm耕層土壤樣品，每份1 kg。土壤樣品自然風干后過篩，用于土壤理化指標的測定。同時，采集對應田塊的烤后C3F 煙葉樣品，用于化學成分分析。

1.2 測定方法

按照Lefroy 等[4]方法進行土壤活性有機碳測定。根據KMnO4的濃度（33、167 和333 mmol/L）將活性有機碳分為3 個組分，包括高活性有機碳（33 mmol/L）、中活性有機碳（33～167 mmol/L）和低活性有機碳（167～333 mmol/L）；無法被KMnO4氧化的碳為非活性有機碳。樣品活性有機碳的含量根據消耗的KMnO4量進行計算（1 mmol/L KMnO4氧化9 mg 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。

參照魯如坤[8]的方法進行土壤肥力指標測定。采用水浸提電位法測定pH（水土比=2.5∶1）；堿解擴散法測定速效氮含量；碳酸氫鈉浸提-鉬藍比色法測定有效磷含量；醋酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀含量。按照行業標準方法[9-13]測定煙葉中煙堿、總氮、還原糖、總糖、鉀、氯含量。

1.3 數據處理

采用Excel 進行數據處理、分析和作圖。采用SPSS 軟件對數據進行統計分析，采用新復極差法進行差異顯著性比較。

2 結果與分析

2.1 涼山煙區土壤有機碳組分

從表1 可以看出，涼山煙區土壤有機碳總量和各組分含量均存在較大差異。高、中、低活性有機碳含量和總有機碳含量的范圍分別在0.16～1.43、0.51～3.46、0.65～4.64 和2.24～27.84 g·kg-1之間。土壤有機碳中，活性有機碳總量占比較低，多為非活性有機碳。比較活性有機碳各組分的含量發現，高活性有機碳占比最低（均值為0.85 g·kg-1）、中活性有機碳次之（均值為1.46 g·kg-1），低活性有機碳最高（均值為2.33 g·kg-1）。土壤碳氮比（C/N）在2.52～23.75 之間，變異幅度較大，均值為9.56。

表1 涼山煙區土壤有機碳組分特征Tab.1 Characteristics of soil organic carbon components in Liangshan tobacco-planting 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40.00%，其次為11～15 和16～20 g·kg-1的樣品，分別占樣品總量的24.00%和18.00%。11.00%的樣品其土壤有機碳含量超過20 g·kg-1，7.00%的樣品其土壤有機碳含量小于5 g·kg-1。從土壤C/N 來看，59.00%的樣品C/N 集中在5～10 之間，27.00%的樣品C/N 在11～15 之間，9.00%的樣品C/N 小于5，僅有5.00%的樣品C/N 大于16。

2.2 不同產區土壤有機碳組分的差異

圖1 涼山煙區土壤有機碳含量和碳氮比的分布狀況Fig.1 Distributions of soil organic carbon and carbon/nitrogen ratio in Liangshan tobacco-planting areas

由圖2 可知，不同產區土壤有機碳組分含量均存在差異。從有機碳總量來看，德昌和喜德相對較高，冕寧、寧南、普格、越西次之，會理、會東、鹽源和西昌相對較低。從活性有機碳總量來看，以德昌和鹽源相對較高，均值分別達到5.62 和6.25 g·kg-1；會理和西昌較低，其他產區差異較小。

圖2 不同產區土壤有機碳組分含量Fig.2 Contents of soil organic carbon components in different planting areas

2.3 土壤有機碳組分與肥力指標的相關性

土壤有機碳是土壤質量的核心，對土壤肥力有重要影響。相關性分析結果（表2）表明，土壤有機碳總量及高、中、低活性組分含量均與堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮含量呈極顯著正相關。土壤C/N 與有效磷和全氮含量呈顯著或極顯著負相關。除有機碳總量外，其他組分與土壤pH 均無顯著相關關系。可見，土壤有機碳總量及各組分含量與土壤肥力密切相關，對土壤肥力有重要的指示作用。

表2 土壤有機碳組分特征與肥力指標的關系①Tab.2 Relationship between organic carbon components and fertility indicators in soils

2.4 土壤有機碳組分與煙葉化學成分的相關性

由表3 可知，土壤有機碳總量與煙葉總植物堿含量和鉀含量呈顯著正相關，而活性有機碳各組分含量和土壤C/N 與煙葉化學成分均無顯著相關關系。

表3 煙田土壤有機碳組分與煙葉化學成分的相關性Tab.3 Correlation between organic carbon components in tobacco-planting soils and chemical components in tobacco leaves

圖3 土壤有機碳含量和碳氮比對煙葉化學成分的影響Fig.3 Effects of soil organic carbon content and carbon/nitrogen ratio on chemical components in tobacco leaves

為進一步研究土壤有機碳含量與煙葉化學成分的關系，對土壤有機碳含量進行劃分。由圖3可知，當土壤有機碳含量＜15 g·kg-1時，總植物堿含量＞2%的樣品、總氮含量＞1.6%的樣品分別占樣品總量的37.68%和39.13%；當有機碳含量＞15 g·kg-1時，總植物堿含量＞2%的樣品、總氮含量＞1.6% 的樣品分別占樣品總量的72.41% 和75.86%。當土壤C/N＜10 時，總氮含量＞1.6%的樣品、鉀含量＞1.8%的樣品分別占樣品總量的21.42%和28.57%；當土壤C/N＞10 時，總氮含量＞1.6%的樣品、鉀含量＞1.8%的樣品分別占樣品總量的60.61%和57.14%。當土壤有機碳含量較高時，煙葉總植物堿和總氮含量較高的樣品占比明顯增加；當土壤C/N 較低時，總植物堿含量和鉀含量較高的樣品占比明顯減少。可見，土壤有機碳對煙葉化學成分尤其是總植物堿和總氮含量具有重要影響。

3 討論

土壤有機碳是土壤質量的核心，對提升土壤肥力和促進作物生長都有重要作用。隨著有機碳組分分離技術的進步，多種活性有機碳組分被分離出來，在土壤中的重要作用也逐步被發現。研究認為，活性有機碳的占比雖然較低，但與土壤生產力密切相關，可以提供植物生長所必需的營養元素[14-15]。本研究中，涼山煙區土壤有機碳總量較低，僅有29%的樣品含量超過15 g·kg-1，部分樣品含量在5 g·kg-1以下，95%的樣品C/N 在15 以下。此外，涼山煙區土壤有機碳多為非活性有機碳，活性有機碳總量的占比較低。在實際生產中，應注意提高土壤有機碳含量尤其是活性組分庫的含量。

在土壤有機碳與土壤養分關系的研究中，一般認為土壤有機碳對土壤養分的供應有重要影響[16-18]。本研究中，涼山煙區土壤有機碳總量及高、中、低活性組分含量均與堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮含量呈極顯著正相關，該結論與祖元剛等[14]、李忠芳等[18]的研究結論基本一致。土壤中90%以上的氮素以有機態形式存在，土壤氮素含量與有機碳含量關系密切。土壤碳氮協調有利于微生物分解有機質，增加土壤速效氮含量。在某種程度上，土壤氮素的含量又影響土壤有機碳的含量，二者存在相互影響[19-20]。土壤有機碳是微生物的重要碳源，其含量的高低可直接影響微生物的活性，進而影響土壤磷和鉀的活化，最終影響速效磷和速效鉀的含量。而土壤中磷的增加又可促進土壤有機碳的積累。可見，土壤有機碳總量及各組分含量對土壤肥力有重要的指示作用，二者相互依存、相互影響。

4 結論

①涼山煙區土壤有機碳總量及高、中、低活性組分含量均與土壤堿解氮、有效磷和速效鉀等肥力指標呈顯著正相關。②土壤有機碳含量較高時，煙葉總植物堿和總氮含量較高的樣品占比明顯增加，表明土壤有機碳含量對煙葉總植物堿和總氮含量有重要影響。