烤煙煙葉穩定同位素與化學成分關系研究

郭東鋒，祖朝龍，李 田，姚忠達，舒俊生

（1.安徽中煙工業有限責任公司技術中心，合肥 230088；2.安徽省農業科學院煙草研究所，合肥 230061；3.安徽省煙草公司池州市分公司，安徽 池州 247100）

穩定同位素技術是從地球化學研究發展而來的，從20世紀50年代開始就被用于生命科學的研究[1]。穩定性同位素是天然存在于生物體內的不具有放射性的一類同位素。碳元素和氮元素分別有兩種中子數不同的穩定性同位素，即13C和12C以及14N和15N，其中重同位素（如13C和15N）在生物體內的含量非常低[2]。近年來，以穩定同位素作為示蹤劑研究生態系統中生物要素的循環及其與環境的關系、利用穩定同位素技術的時空整合能力研究不同時間和空間尺度生態過程與機制，以及利用穩定同位素技術的指示功能揭示生態系統功能的變化規律，已成為了解生態系統功能動態變化的重要研究手段之一[3]。例如：在植物生理生態學方面，穩定同位素技術使我們能從新的角度探討植物光合途徑、植物對生源元素吸收、水分來源、水分平衡和利用效率等問題[4-9]。在煙草的相關研究中，也有利用穩定同位素作為研究手段，研究煙草對氮肥的吸收、利用[10-16]；但是在穩定同位素與煙葉內在化學成分之間的研究相對較少，本研究通過探索煙葉中穩定同位素含量與煙葉內常規化學成分之間的關系，為進一步研究煙葉內在化學成分與生態環境間的關系，探索煙葉質量風格形成與環境間的相互關系。

1 材料與方法

1.1 材料

材料來源于云南、貴州、四川、福建、湖南、安徽等地的X2F、C3F、B2F三個等級煙葉樣品，共計51份，70 ℃烘干，粉碎過100目篩備檢。

1.2 方法

1.2.1 穩定同位素檢測方法 氮同位素比值測定儀器與原理：1）δ15N樣品在元素分析儀中高溫燃燒后生成N2，質譜儀通過檢測N2的與14N比率，并與國際標準物（大氣 N2）比對后計算出樣品的δ15N 比率值。測定精度：δ15N：±＜0.2‰；2）δ13C樣品在元素分析儀中高溫燃燒后生成CO2，質譜儀通過檢測CO2的13C與12C比率，并與國際標準物（Pee Dee Belnite或 PDB）比對后計算出樣品的δ13C 比率值，δ13C：± ＜0.1 ‰。

主機型號：MAT253同位素比率質譜儀（Isotope Ratio Mass Spectrometer），外部設備：Flash EA1112 HT 元素分析儀（Elemental Analyzer ）。

1.2.2 常規化學成分檢測方法 樣品在 MPA型近紅外光譜儀（Bruker，德國）測定煙葉中常規化學成分。

1.2.3 數據處理與統計分析方法 采用 SPSS17.0和 DPS[17]軟件進行統計分析，按參考文獻[18-19]進行兩組變量間典型相關分析。

2 結 果

2.1 檢測結果統計描述

表1結果表明，氮同位素存在廣泛的變異，碳同位素和總碳含量變異范圍較小；煙葉化學成分中總氯含量存在廣泛變異。碳穩定同位素、總氮、碳氮比、總糖、還原糖、總鉀峰度系數為負，數據分布為平闊峰，數據比較分散；其余指標峰度系數為正值，數據分布為尖頂峰，數據分布較為集中。碳氮比、總糖、偏度系數為負數，為左偏態峰，其余指標偏度系數為正值，為右偏態峰。

2.2 簡單相關分析

通過對煙葉中穩定同位素以及常規化學成分進行相關分析（Pearson相關）表明（表 2），碳穩定同位素與氮穩定同位素存在顯著正相關，與總氮含量呈極顯著正相關，與碳氮比存在極顯著負相關；碳穩定同位素與總鉀含量存在極顯著負相關，與鉀氯比存在顯著負相關。

總碳含量與總氮含量呈顯著正相關，與煙堿含量呈顯著正相關，與總糖含量呈極顯著負相關，與還原糖呈極顯著負相關，與兩糖差、糖堿比均呈顯著負相關。

2.3 典型相關分析

將碳穩定同位素（X1）、總碳（X2）、氮穩定同位素（X3）、總氮（X4）、碳氮比（X5）作為第一組變量，將煙堿（Y1）、總糖（Y2）、還原糖（Y3）、總氯（Y4）、總鉀（Y5）、兩糖差（Y6）、兩糖比（Y7）、糖堿比（Y8）、鉀氯比（Y9）、氮堿比（Y10）作為第二組變量，對兩組變量進行典型相關分析（結果見表3、4）結果表明，只有2組變量相關關系達到了極顯著水平，并且兩個相關關系極顯著變量組所包含的信息占兩組變量間總相關信息的51.77%，因此只分析這兩組典型變量，其他相關關系不顯著的在此不做分析。

表2 煙葉中穩定同位素與化學成分簡單相關分析Table2 Correlation between stable isotope and chemical components in tobacco leaves

典型變量Ⅰ構成如下：

U1=0.3958X1+0.5301X2+0.0869X3+0.813X4-0.6878X5

V1=0.6854Y1-0.6649Y2-0.4579Y3-0.0948Y4-0.3442Y5-0.4775Y6-0.3431Y7-0.7893Y8-0.0755Y9-0.4727Y10

第 1對典型變量Ⅰ（U1，V1），由相關系數可以看出，它與煙葉中總氮含量和總碳含量存在較高的正相關，而與碳氮比存在較高的負相關，所以U1可以理解為主要描述了總碳、總氮含量以及碳氮比高低大小的主要變化，即隨著總碳、總氮含量的增加 U1存在明顯增加的變化趨勢，隨著碳氮比的增加 U1存在明顯降低的變化趨勢。這一線性組合說明總碳、總氮和碳氮比與糖堿比、煙堿、總糖、還原糖、兩糖差關系密切，隨著煙葉中總碳、總氮含量的增加，糖堿比降低，煙堿含量存在上升，總糖、還原糖、兩糖差降低的變化趨勢。

典型變量Ⅱ構成如下：

U2=0.9122X1-0.0497X2-0.26X3-0.2665X4+0.1889X5

V2=-0.0019Y1-0.0275Y2-0.0544Y3-0.1418Y4+0.7958Y5+0.0615Y6-0.07Y7-0.0324Y8+0.4031Y9-0.1926Y10

第 2對典型變量Ⅱ（U2，V2），由相關系數可以看出，它與煙葉中碳穩定同位素存在很高的正相關性，可以理解為 U2隨著碳穩定同位素含量的上升存在增加的變化趨勢。由與Yi的相關系數可以看出，它與鉀含量、鉀氯比存在較高的正相關，可以理解為 V2隨著總鉀含量和鉀氯比的上升存在增加的變化趨勢。這樣的線性組合說明煙葉中碳穩定同位素與鉀含量、鉀氯比關系密切，即隨著煙葉中碳穩定同位素豐度的提高，煙葉中鉀含量和鉀氯比存在降低的變化趨勢。

表3 煙葉中穩定同位素與化學成分典型相關分析顯著性檢驗Table3 Canonical correlation significance test between stable isotope and chemical components in tobacco leaves

表4 煙葉中穩定同位素與化學成分顯著典型變量Table4 Significant canonical correlation variables between stable isotope and chemical components in tobacco leaves

3 討 論

碳穩定同位素與氮穩定同位素間存在顯著正相關關系，與總氮含量呈極顯著正相關關系，與碳氮比和總鉀含量存在極顯著負相關關系，與鉀氯比存在顯著負相關關系。碳穩定同位素豐度與煙葉內多項化學指標存在不同程度的相關性，碳元素作為植物光合固定的初生代謝物，是植物生長發育以及代謝的基礎，所以與煙葉內多項初生代謝產物存在高度的相關性。這也與本研究設想基本一致。

通過典型相關分析，說明總碳、總氮和碳氮比與糖堿比、煙堿、總糖、還原糖、兩糖差關系密切，隨著煙葉中總碳、總氮含量的增加，糖堿比降低，煙堿含量存在上升，總糖、還原糖、兩糖差降低的變化趨勢。隨著煙葉中碳穩定同位素豐度的提高，煙葉中鉀含量和鉀氯比存在下降的變化趨勢。碳穩定同位素與鉀以及鉀氯比存在極顯著和顯著的相關關系，鉀作為植物生長發育過程中相當重要的元素，在植物代謝過程中水分運輸、物質調運、很多關鍵性酶的組成等起到重要作用，所以鉀能夠促進光合產物的運轉，增加作物體內糖分儲備等作用，因此碳同位素豐度與鉀存在極顯著相關關系。

結果中碳穩定同位素變異范圍較小，而氮穩定同位素存在廣泛變異。煙株通過光合固定CO2，可能由于不同的生態區域大氣中CO2有一定差異，通過光合固定、呼吸分餾等代謝作用留在煙葉內變異不同所致；而氮穩定同位素影響因素較多，主要由煙株從土壤中獲得，也可由施肥肥料、灌溉、降雨等因素引入不同來源，所以氮穩定同位素豐度在不同煙葉中存在廣泛變異，且與煙葉化學成分相關關系難以捕捉。

本研究僅探索了穩定同位素與煙葉化學成分的相互關系，對于環境中碳、氮穩定同位素的動態代謝過程，在煙葉生長發育過程中所起到的作用以及對煙葉質量形成產生的影響，尚待進一步研究。

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