三門峽土壤有機質含量分布特征及其與煙葉品質的關系

李佳穎 劉新源 李洪臣++邢云霞++葉協鋒

摘要：通過分析河南省三門峽市4個煙區土壤與煙葉各68份成對樣品的測試數據，運用多重比較、最優曲線回歸和灰色關聯度分析等方法，研究了三門峽土壤有機質含量分布特征及其與煙葉品質的關系。結果表明：土壤有機質含量平均值為13.63 g/kg，大多分布于10～20 g/kg之間；高類群總糖、還原糖含量和鉀氯比分別與中、低類群間差異顯著；高、中類群總氮和煙堿含量分別與低類群間差異顯著；不同有機質類群間綠原酸具有顯著性差異，而莨菪亭和蕓香苷差異均不顯著；中、低類群煙葉中磷和鈣含量顯著高于高類群，高、中類群鐵含量顯著高于低類群；土壤有機質含量與總糖和煙堿呈極顯著正相關，與鉀氯比呈顯著負相關；綠原酸與土壤有機質含量呈S形曲線方程，且其決定系數（R2=0.650）達到顯著水平；土壤有機質含量與煙葉中鐵含量呈極顯著正相關，與鈣、鋅顯著正相關，與磷顯著負相關，關聯順序依次為鈣>鐵>鋅>磷>銅>鎂>硫。

關鍵詞：土壤有機質；煙葉品質；三門峽煙區；烤煙

中圖分類號： S572.06；S153.6+21文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0475-05

收稿日期：2016-03-03

基金項目：中國煙草總公司重大專項（編號：110201101001 TS-01）。

作者簡介：李佳穎（1987—），男，河南獲嘉人，碩士研究生，主要從事煙葉生產和煙葉質量評價工作。E-mail：lijy21@163.com。

通信作者：葉協鋒，博士，副教授，主要從事煙草栽培生理生化研究。E-mail：yexiefeng@163.com。

土壤有機質是煙草農業生產中煙株所需的速效養分的主要來源，煙株吸收的大部分氮、磷、硫和某些微量元素均來源于土壤有機質的礦化過程。同時，土壤有機質的吸水能力可達到其自身質量的10～30倍，因此，它對平衡土壤持水量有促進作用。土壤礦化顆粒與有機質所形成的團聚體，對增強土壤本身的抗風蝕和水蝕能力起到不可估量的積極作用。有報道稱，充足豐富的土壤有機質不僅能夠提高土壤供氮能力和氮素利用率[1-2]，而且對協調煙株碳氮代謝平衡和提高煙葉的吸食香氣品質有重要作用[3-4]。已有研究主要分析了三門峽生態環境特點與煙葉質量的關系[5]，但是尚缺乏對土壤有機質含量狀況及其與煙葉品質的關系分析。本研究采用多重比較、最優曲線回歸、逐步回歸分析、簡單相關分析和灰色關聯度分析等方法著重分析了三門峽土壤有機質含量狀況，并研究了土壤有機質含量與煙葉常規化學成分、多酚類物質和礦質營養元素之間的關系，以期通過生態平衡施肥技術，平衡土壤礦質元素的養分供給，達到植煙土壤可持續生產利用的目的，從而為三門峽烤煙整體質量的提高和原料的合理配置和使用提供參考依據。

1材料與方法

1.1樣品的采集和制備

2014年，在河南省三門峽市所屬的盧氏縣、靈寶市、澠池縣和陜縣4個煙區，使用GPS定位技術，采集有代表性的土壤樣品68份。采用五點取樣法，分別采集耕層0～20 cm的土壤，然后充分混勻，保留每塊煙田的混合土樣2.0 kg，經風干、磨細、過篩、混勻、裝瓶后備用。取樣時，避免路邊、田邊、溝邊和堆積肥料等特殊地方。

在采集土壤的煙田，種植同一烤煙品種（云煙87），對應采集煙葉樣品68份（煙株自上而下8～12葉位），每份煙葉樣品2.5 kg，并用牛皮紙包好。樣品于42 ℃烘干至恒質量、去主脈粉碎、過60目篩，混勻，備用。

1.2測試項目和方法

1.2.1土壤有機質的測定

土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法（外加熱法）測定[6]。

1.2.2煙葉化學成分的測定

本試驗所采集的煙葉樣品化學成分的測定按統一的測試分析方法進行化驗分析，詳見表1。

其中煙葉常規化學成分測定指標包括總糖、還原糖、煙堿、總氮、鉀、氯和淀粉，并分別計算糖堿比、氮堿比和鉀氯比等復合指標，采用流動分析儀，由河南許昌天昌國際復烤廠技術中心完成測定。

煙葉多酚物質測定指標包括綠原酸、莨菪亭和蕓香苷，在河南農業大學國家煙草栽培生理生化研究基地進行測定。

煙葉礦質營養元素指標主要包括以下7項指標：磷、鈣、鎂、硫、鋅、銅和鐵。各指標具體測定方法參考文獻[7]進行，并委托河南農業大學煙草學院煙草品質生態實驗室完成分析測定。

1.3數據統計與處理分析

運用DPS 7.05統計軟件，對試驗數據進行多重比較、逐步回歸分析和灰色關聯度分析；描述性統計分析和線性回歸分析等均采用SPSS 19.0軟件進行。

2結果與分析

2.1三門峽植煙土壤有機質含量的總體分布狀況

2.1.1土壤有機質含量描述性統計分析

三門峽植煙土壤有機質含量的描述性統計分析如表2所示，結果顯示，土壤有機質含量平均值為13.63 g/kg，最小值為4.32 g/kg，最大值為23.54 g/kg，變異系數較大，達到35.07%。峰度系數為 -0.511，說明土壤有機質分布特征屬平闊峰，偏度系數為 0.020，屬于正向偏態峰。

2.1.2土壤有機質含量的頻數分布狀況

三門峽土壤有機質含量的頻數分布狀況如表3和圖1所示。由表3可知，有機質含量<5 g/kg和>20 g/kg的樣本數分別為4和8，占總樣本數的百分比為5.88%和11.76%；5～<10、10～<15、15～20 g/kg的樣本數分別為13、26、17，其樣品分別占總樣本數的19.12%、38.24%、25.00%。圖1表明，土壤有機質含量多分布在10～20 g/kg之間，整體上呈近似對稱型。

2.2不同土壤有機質類群的煙葉質量特征分析

2.2.1土壤有機質的聚類分析

為了研究土壤有機質含量與煙葉質量的關系，采用離差平方和法對三門峽68份土壤樣品的有機質含量進行系統聚類分析，可將其劃分為低、中、高3個類群，不同類群土壤有機質含量的變異分析如表4所示。低土壤有機質類群包含的樣本數為23個，占總樣本數的 33.82%，其有機質平均含量為8.37 g/kg；中土壤有機質類群包[CM（25]含的樣本數為30個，占樣本總數的44.12%，平均含量為果顯示，還原糖、淀粉、鉀含量和鉀氯比在不同有機質類群間表現為高有機質類群>低有機質類群>中有機質類群；總糖、煙堿和總氮含量表現為高類群>中類群>低類群；氯含量表現為低類群>中類群>高類群；糖堿比表現為低類群>高類群>中類群；氮堿比表現為中類群>高類群>低類群。不同有機質類群間，煙葉常規化學成分10項指標的多重比較結果表明，高有機質類群總糖、還原糖含量和鉀氯比分別與中、低有機質類群間差異顯著，且中、低有機質類群間差異不顯著；高、中類群總氮和煙堿含量分別與低類群間差異顯著，但高、中類群間差異不顯著；高、低類群淀粉含量分別與中類群間差異顯著；低類群糖堿比分別與高、中類群間差異顯著；煙葉鉀和氯含量在3類有機質類群間差異均不顯著。

2.2.3不同有機質類群間煙葉多酚物質含量對比分析

煙葉多酚類物質對煙株具有重要的生理生化作用，且對烤煙品質具有重要影響，也是煙草重要的香氣前體物[8-12]。不同有機質類群間煙葉多酚物質含量對比分析如表6所示。結果表明，綠原酸含量在不同有機質類群間具有顯著性差異，中有機質類群顯著高于低有機質類群，高有機質類群與中和低類群間差異均不顯著；莨菪亭含量在不同有機質類群間差異不顯著，這說明煙葉莨菪亭的含量與土壤有機質含量關聯較小；蕓香苷含量在不同有機質類群間差異也不顯著，且以低有機質類群最高，表現為低類群>中類群>高類群。

2.2.4不同有機質類群間煙葉礦質元素含量對比分析

由表7可知，煙葉中鎂、硫、鋅、銅和鐵含量在不同有機質類群間表現為高有機質類群>中有機質類群>低有機質類群；磷含量表現為中類群>低類群>高類群；鈣含量表現為：低類群>中類群>高類群。不同有機質類群間煙葉礦質元素含量的多重比較結果表明，中、低有機質類群煙葉中磷和鈣含量顯著高于高有機質類群；高、中類群鐵含量顯著高于低類群；高、低類群間煙葉硫含量差異顯著，但它們與中類群間差異不顯著；鋅含量在3類有機質類群間差異顯著；鎂和銅含量在3類有機質類群間差異均不顯著。

2.3土壤有機質含量與烤煙品質的關系研究

2.3.1土壤有機質含量與烤煙常規化學成分的關系

以煙葉常規化學成分10項指標作為自變量，分別為總糖含量（x1）、還原糖含量（x2）、總氮含量（x3）、煙堿含量（x4）、淀粉含量（x5）、鉀含量（x6）、氯含量（x7）、糖堿比（x8）、氮堿比（x9）、鉀氯比（x10），以土壤有機質含量作為因變量（y），將烤煙常規化學成分和土壤有機質含量兩兩作為具有平行關系的變數，數據標準化后，進行逐步回歸分析，建立多元線性回歸方程。計算得到的烤煙化學成分指標和土壤有機質含量的回歸方程為：

y=-24.572 0+0.465 0x1+0.991 9x2+0.743 3x4+0056 1x8-0.030 2x10（R=0.821 6*[KG-*3]*）。

上述方程式相關系數為R=0.821 6，經檢驗達到了極顯著水平，表明烤煙化學成分篩選出的5項指標與土壤有機質含量的回歸方程具有較高的精度。分析結果表明，土壤有機質含量與烤煙常規化學成分各指標中的總糖含量、還原糖含量、煙堿含量、糖堿比和鉀氯比等5項指標關系密切，而與總氮含量、淀粉含量、鉀含量、氯含量和氮堿比等指標無明顯相關性。

為反映烤煙常規化學成分與土壤有機質含量的真實關聯性，進一步進行偏相關分析，結果（表8）表明，土壤有機質含量（y）與總糖含量（x1）、煙堿含量（x4）呈極顯著正相關關系，偏相關系數分別為0.836 9和0.896 7，說明烤煙總糖、煙堿含量與土壤有機質含量密切相關，在一定范圍內（4.32～23.54 g/kg），土壤有機質含量越高，煙葉還原糖、煙堿含量越高；土壤有機質含量（y）與還原糖含量（x2）和糖堿比（x8）呈顯著正相關，說明土壤有機質含量越高，則有利于烤煙還原糖的積累和糖堿比的提高；而土壤有機質含量（y）與鉀氯比（x10）呈顯著負相關，說明隨著土壤有機質含量的增高，煙葉鉀氯比呈現出減小的趨勢。土壤有機質含量（y）與總氮含量（x3）、淀粉含量（x5）、鉀含量（x6）、氯含量（x7）和氮堿比（x9）的偏相關系數未達到顯著水平，說明土壤有機質含量的高低與總氮含量、淀粉含量、鉀含量、氯含量和氮堿比等常規化學成分指標關系不明顯。

2.3.2土壤有機質含量與煙葉多酚物質含量的回歸分析

將土壤有機質含量作為自變量x，多酚類物質含量作為因變量y，分別對土壤有機質含量與煙葉多酚類3種物質含量進行回歸分析，并對方程進行模擬尋優，得到土壤有機質含量與多酚物質含量的回歸方程，并對回歸方程求r2值和進行顯著性檢驗。最優回歸方程如表9所示。

由表9可知，綠原酸含量與土壤有機質含量呈S形曲線方程，其決定系數為0.650，經F檢驗，達到顯著水平，即隨著土壤有機質含量的增加，煙葉綠原酸含量呈現降低的趨勢。莨菪亭含量、蕓香苷含量分別與土壤有機質含量建立的回歸方程經F檢驗不顯著，說明其與有機質含量沒有明顯的回歸關系。其中，當土壤有機質含量達到15.68 g/kg后，莨菪亭含量變化較小；而蕓香苷含量與土壤有機質含量的關系較為復雜。

2.3.3土壤有機質與煙葉礦質營養元素的關系

2.3.3.1土壤有機質含量與煙葉礦質營養元素的簡單相關分析

將三門峽土壤有機質含量與煙葉礦質營養元素進行簡單相關分析，結果見表10。結果表明：煙葉鈣、硫、鋅和鐵含量與土壤有機質含量呈正相關，即隨著土壤有機質含量的提高，煙葉中鈣、硫、鋅和鐵的含量呈現增加的趨勢，其中，鐵與土壤有機質的相關性達到了1%的極顯著水平，鈣和鋅與土壤有機質顯著相關，硫與土壤有機質的相關性不顯著；煙葉磷、鎂和銅含量與土壤有機質含量呈負相關，即隨著土壤有機質含量的提高，煙葉中磷、鎂和銅含量呈現減少的趨勢，其中磷與土壤有機質顯著負相關，鎂和銅與土壤有機質的相關性不顯著。

[FK（W4][HT6H][JZ]表10土壤有機質含量與煙葉礦質營養元素含量簡單相關分析[HTSS]

[HJ*5][BG（！][BHDFG1*2，WK4，WK3*2。6，WK4W]指標磷含量鈣含量鎂含量硫含量鋅含量銅含量鐵含量

[BHD][HT6，6"]有機質含量-0.52*0.55*-0.260.300.51*-0.480.63*[KG-*3]*[BG）F]

2.3.3.2土壤有機質含量與煙葉礦質營養元素的灰色關聯度分析

將土壤有機質含量作為參考數列，煙葉礦質營養元素作為比較數列，利用灰色關聯度將土壤有機質與煙葉礦質營養元素進行分析，關聯度越大，說明參考數列對比較數列的影響就越大。將土壤有機質含量與煙葉礦質營養元素的7項指標進行均值化處理后進行灰色關聯度分析。

[JZ]參考數列：X0=[x0（k），k=1，2，3，…，n]=[x0（1）]；

比較數列：Xi=[xi（k），k=1，2，3…，i]=[xi（1），xi（2），…，xi（7）]。

式中：i=1磷，2鈣，3鎂，4硫，5鋅，6銅，7鐵；n為自然數。

則比較數列Xi對參考數列X0的關聯系數為：

[JZ]εi（k）=[SX（]min[DD（]i[DD）]mink|x0（k）-xi（k）|+ρmaximaxk|x0（k）-xi（k）||x0（k）-xi（k）|-ρmaximaxk|x0（k）-xi（k）|[SX）]。

ρ為分辨系數，取值0.5。

灰色關聯度：r（x0，xi）=[SX（]1n[SX）]∑nk=1εi（k）

通過土壤有機質與煙葉礦質營養元素7項指標的灰色關聯度分析，可將有機質與礦質營養元素各指標的關聯程度按大小順序進行排列，結果如表11所示。由表11可知，在土壤有機質含量與礦質營養元素含量的灰色關聯度中，以鈣最大，鐵次之，硫最小，灰色關聯系數分別為0.708 2、0.635 2、 0.598 9。煙葉中鈣、鐵含量與土壤有機質含量的關系較為密切。關聯序順序依次為鈣>鐵>鋅>磷>銅>鎂>硫。

3討論與結論

三門峽煙區土壤有機質含量平均值為13.63 g/kg，總體上較為豐富，但整體變異系數較大，達到35.07%，說明三門峽植煙土壤有機質含量受到多重因素的綜合影響。土壤有機質含量多分布在10～20 g/kg之間，其占總樣本數的一半以上，為63.24%。陳江華等研究認為，我國黃淮煙區適宜的植煙土壤有機質含量為10～20 g/kg[13]，由此可見，三門峽煙區植煙土壤有機質含量大多數處于適宜范圍內。因此，可采取秸稈還田和綠肥掩青等措施，維持植煙土壤有機質含量，改善土壤結構，為土壤微生物提供豐富的碳源，促進煙田生態系統的可持續發展[14]。

采用系統聚類分析，將三門峽煙區土壤有機質含量劃分為低、中、高3個類群。低、中和高土壤有機質類群分別占總樣本數的33.82%、44.12%、22.06%，其中低有機質類群的變異較大，為27.96%，中、高有機質類群的變異系數均小于10%。

不同有機質類群間，煙葉常規化學成分對比分析，結果表明，高類群總糖、還原糖含量和鉀氯比分別與中、低類群間差異顯著；高、中類群總氮和煙堿含量分別與低類群間差異顯著。土壤有機質含量與烤煙常規化學成分的偏相關分析結果顯示，土壤有機質含量與總糖、煙堿含量呈極顯著正相關，與還原糖含量和糖堿比呈顯著正相關，與鉀氯比呈顯著負相關。葉協鋒等通過對活化有機肥的施用效果進行研究，結果表明，有機質可以提高煙葉總糖和還原糖含量，并對煙葉品質起到積極的作用[15]。范鴻武等研究了有機質對煙葉化學成分的影響，結果指出，有機質含量與總糖含量呈正比，與煙堿、總氮含量呈反比，有機質有利于煙葉糖堿比適宜[16]。除了煙堿表現的規律以外，本研究與上述兩個研究結果較為一致。

不同有機質類群間，煙葉多酚物質含量對比分析，結果表明，不同有機質類群間綠原酸含量具有顯著性差異，而莨菪亭含量和蕓香苷含量差異均不顯著。土壤有機質含量與煙葉多酚物質的回歸分析結果顯示，綠原酸含量與土壤有機質含量呈S形曲線方程，且其決定系數（r2=0.650）達到顯著水平，而莨菪亭、蕓香苷含量分別與有機質含量沒有明顯的回歸關系。趙銘欽等研究了有機肥對煙葉多酚的影響，結果指出，煙葉中多酚、綠原酸、蕓香苷和石油醚提取物含量與土壤有機質含量呈正相關[17]，本研究結果與之較為一致。而Williama等研究表明，莨菪亭含量隨著土壤有機質含量的增加而升高，綠原酸和蕓香苷含量隨著土壤有機質含量的增加而降低[18]。本研究結果與之有差異，這可能與土壤有機質含量范圍差異較大和生態環境等因素有關。

煙葉中礦質營養元素含量對煙葉的產量和質量均產生較大的影響[19-20]，雖然煙株對磷、鈣、鎂、硫、鐵、鋅、銅和鐵等礦質營養元素吸收的數量相對沒有氮和鉀元素多，但它們對維持煙株的正常生理代謝起著不可替代的作用。不同有機質類群間煙葉礦質元素含量對比分析，結果表明，煙葉中磷和鈣含量，中、低類群顯著高于高類群，高、中類群鐵含量顯著高于低類群。土壤有機質與煙葉礦質營養元素的簡單相關和灰色關聯度分析結果顯示，土壤有機質含量與煙葉中鐵含量呈極顯著正相關，與鈣、鋅顯著正相關，與磷顯著負相關，關聯序順序依次為鈣>鐵>鋅>磷>銅>鎂>硫。煙葉中鈣、鐵含量與土壤有機質含量的關系較為密切。

土壤有機質含量極易受生態條件和農藝耕作措施等因素的影響，有報道稱，土壤不同耕作方式和輪作效應會引起土壤有機質含量的變化，例如開墾后的自然土壤有機質含量呈急劇減少的趨勢[21]，施肥措施會在一定程度上延緩這一進程，然而無法阻止土壤有機質減少的趨勢[22]。因此如何通過合理利用生態資源、優化施肥措施，構建不同生態區域、地貌類型和土壤類型等的平衡施肥模型，有效延緩土壤有機質減少的趨勢，將是下一步研究工作的重點。

參考文獻：

[1]劉泓，楊邦俊，王伯毅. 有機肥與化肥配施對烤煙品質的影響[J]. 中國煙草科學，1999（1）：18-21.

[2]郭群召，姜占省，張新要，等. 不同有機質含量土壤對烤煙生長發育和氮素積累及上部葉化學成分的影響[J]. 中國農學通報，2006，22（5）：254-257.

[3]趙銘欽，陳紅華，劉國順，等. 增施不同有機物質對烤煙煙葉香氣質量的影響[J]. 華北農學報，2007，22（5）：51-55.

[4]許自成，王林，王金平，等. 湖南烤煙化學成分與土壤有機質含量的關系[J]. 生態學雜志，2006，25（10）：1186-1190.

[5]邵惠芳，鄭聰，許自成，等. 三門峽煙區烤煙氣候適生性評價及與國外煙區的相似性分析[J]. 西南農業學報，2011，24（1）：34-37.

[6]魯如坤. 土壤農業化學分析方法[M]. 北京：中國農業科技出版社，2000.

[7]王瑞新. 煙草化學[M]. 北京：中國農業出版社，2003：36-39.

[8]Armstrong G M. Rohrbaugh I M，Rice E B，el a1. The effect of nitrogen deficiency on the concentration of caffeoy lquinic acid and scopolin in tobacco[J]. Phuto Chem，1970，9：945-949.

[9]Williamson R E. Gwynn G R，variation of polyphenolsin flue-cured tobacco cuhivars attributed to location.stalk position and year[J]. Crop Science，1982（1）：144-146.

[10]周冀衡，朱小平，王彥亭，等. 煙草生理與生物化學[M]. 合肥：中國科學技術大學出版社，1996：495-496.

[11]閆克玉. 煙草化學[M]. 鄭州：鄭州大學出版社，2002：159-160.

[12]朱小茜，徐曉燕，黃義德，等. 多酚類物質對煙草品質的影響[J]. 安徽農業科學，2005，33（10）：1910-1911.

[13]陳江華，李志宏，劉建利，等. 全國主要煙區土壤養分豐缺狀況評價[J]. 中國煙草學報，2004，10（3）：14-18.

[14]潘劍玲，代萬安，尚占環，等. 秸稈還田對土壤有機質和氮素有效性影響及機制研究進展[J]. 中國生態農業學報，2013，21（5）：526-535.[HJ1.68mm]

[15]葉協鋒，凌愛芬，喻奇偉，等. 活化有機肥對烤煙生理特性和品質的影響[J]. 華北農學報，2008，23（5）：190-193.

[16]范鴻武，郭志清. 烤煙施肥種類探討[J]. 中國煙草科學，1998（4）：8-10.

[17]趙銘欽，劉金霞，劉國順，等. 增施不同的有機質對烤煙多酚和石油醚提取物含量的影響[J]. 云南農業大學學報，2008，23（4）：536-539.

[18]Williama C，Elliot J M. Influence of nitrogen，phosphorus，potassium and magnesium on the phenolic constituents of flue-cured tobacco[J]. Canadian Journal of Plant Science，1978（58）：543-548.

[19]李明德，肖漢乾，余崇祥，等. 湖南煙區土壤中、微量元素狀況及施肥效應研究[J]. 中國煙草科學，2005，26（1）：25-27.

[20]林克惠，鄧敬寧，彭桂. 鎂、鋅、硼肥對烤煙幾個生理生化指標，產量和品質的影響[J]. 云南農業大學學報，1990，5（3）：136-143.

[21]Janzen H H，Campbell C H，Ellert B H，et al. Soil organic matter dynamics and their relationship to soil quality[M]//Soil quality for crop production and ecosystem health：Developments in soil science：Vol 25. The Netherlands：Elsevier，1997：277-291.

[22]Schlesinger W H. Evidence from chronosequence studies for a low carbon storage potential of soils[J]. Nature，1990，348：232-234.