2026, Vol. 58
2. 贵州省烟草科学研究院, 贵阳 550081
土壤有机碳库作为陆地最大的碳库[1]，是陆地生态系统的重要组成部分，在缓解全球气候变暖中具有重要作用[2]。农业生态系统是温室气体排放的重要来源[3]，同时，农田也是农业生态系统和陆地生态系统中的重要碳汇[4]。农田被认为具有巨大的碳封存潜力和碳储存能力，并且可以在短时间内通过科学合理的措施对其进行有效的管理和调控[3-4]。此外，有研究表明，农田的表层土壤有机碳含量仍然处于未饱和状态，仍具有较大的固碳潜力[5]。因此，了解农田土壤有机碳的现状和准确预测土壤的固碳潜力对缓解气候变化及制定农业耕作措施具有重要意义。
土壤有机碳可以通过物理分组将其划分为颗粒有机碳和矿物结合态有机碳[6]。颗粒有机碳是部分分解植物及其副产物的混合物，易受微生物分解的影响，平均滞留时间较短(数年至数十年)；而矿物结合态有机碳是由植物浸出或微生物转化的有机碳小分子与矿物颗粒结合形成的，受到与矿物相关的化学键保护，平均滞留时间较长(数十年至数百年)，属于稳定有机碳组分[7-9]。因此，了解矿物结合态有机碳的形成和积累可能是土壤持久固定有机碳的关键[7]。由于矿物吸附容量的限制，矿物结合态有机碳会达到其理论最大容量，即碳饱和[2, 10-11]。Hassink[10]研究发现，黏土和粉粒(< 20 μm)的含量与矿物结合态有机碳呈显著正相关关系，并基于最小二乘线性回归方法提出了估算土壤碳饱和容量的经验公式，从而进一步估算土壤固碳潜力。线性回归方法可能低估了最大有机碳储存能力[12]。此外，不同类型黏土矿物有不同的比表面积，从而影响碳饱和水平[13]。与1∶1型黏土矿物相比，2∶1型黏土矿物更有利于土壤有机碳的吸附[11, 14]。因此，Feng等[12]提出了利用碳负荷法和边界线回归法来预测碳饱和容量。最近，Georgiou等[2]还利用分位数回归的方法，估算了全球1 044个地点的矿物结合态有机碳储量和最大碳储存能力。边界线回归和分位数回归方法被认为是比线性回归更好的预测碳饱和容量的方法[2, 12]。总而言之，土壤固碳潜力取决于其物理化学或矿物学的碳存储能力以及碳饱和亏缺水平[15-16]。
烟草(Nicotiana tabacum L.)作为世界性经济作物之一，在全球广泛种植[17]。据中国国家统计局统计(https://data.stats.gov.cn)，2023年我国烟草种植面积为2.13×106 hm2，其中贵州作为我国第二大烟草产区，种植面积为0.28×106 hm2。以往的研究更多关注于烟草的病害[18]、光合生理特性[19]以及植烟土壤的肥力[17]和土壤微生物群落[20]等方面，但对植烟土壤有机碳含量、有机碳密度及固碳潜力等方面的认识尚少。本研究以贵州主要烟草种植区(遵义市、铜仁市、毕节市、黔西南州)典型植烟耕地为研究对象，探讨不同植烟区植烟土壤有机碳含量、有机碳密度及土壤固碳潜力的差异，以期为可持续耕作和实现“双碳”目标提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况贵州省(24°37′N~29°13′N，103°36′E~109°35′E)属于亚热带湿润季风气候区，全省大部分地区气候温和，年均温约为15 ℃，年均降水量为800~1 600 mm，平均海拔约1 100 m，主要土壤类型为黄壤、红壤、黄棕壤、石灰土等[21-22]。据2023年贵州省统计局数据(https://stjj.guizhou.gov.cn/)，遵义市、铜仁市、毕节市以及黔西南州的烟草种植总面积占贵州省烟草种植总面积的70% 以上，是全省烟草种植规模最大的4个地区。本研究即以上述4个植烟区为主要研究区域。
1.2 样品采集本研究基于烟草种植面积、空间分布、气候条件、地形地貌和土壤类型等基础信息以及样点布设均匀性等因素进行样点布置和采样。于2022年7月在4个主要植烟区设置采样点(图 1)，一共设置410个样点，其中遵义市(ZY)138个、铜仁市(TR)40个、毕节市(BJ)147个、黔西南州(QXN)85个。在每个采样点内分别随机选取具有代表性的5 m×5 m样方，采集植烟土壤样品。在每个样方内按照五点取样法进行采样。采集土壤样品前，先将凋落物、地膜等移除，再使用土钻(内径为5 cm)取5个0~20 cm土层的土壤样品，并将其混合均匀为一个土壤样品。在采样过程中，记录各样点经纬度、海拔和土壤类型等信息。
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图 1 采样点分布 Fig. 1 Distribution of sampling points |
土壤样品运回实验室后，自然风干，剔除土壤中的碎石和植物根系，过2 mm筛，用于土壤理化性质测定。土壤有机碳采用元素分析仪法测定[23]；土壤pH采用电位法测定；土壤全氮采用靛酚蓝比色法测定[24]；土壤全磷采用硫酸消煮–钼锑抗比色法测定[24]；土壤容重采用环刀法测定；土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提–钼锑抗比色法测定[24]；< 20 μm细颗粒土壤有机碳组分的分离和收集方法参照文献[25]。
1.4 指标计算土壤有机碳密度(SOCD，kg/m2)计算公式[25]：
| $ {\text{SOCD}} = {\text{SOC}} \times {\text{BD}} \times \left( {1 - {\text{RF}}} \right) \times D \times {10^{ - 2}} $ | (1) |
土壤有机碳储量(SOCS，kg)计算公式[26]：
| $ {\text{SOCS}} = {\text{SOCD}} \times S $ | (2) |
土壤碳饱和容量(CSC，g/kg)计算公式[12]：
| $ {\text{CSC}} = 0.45 \times {M_{{\text{fine}}}} $ | (3) |
土壤碳饱和水平(CSL，%)计算公式[25]：
| $ \text{CSL}（\text{%}）={\text{SOC}}_{\text{fine}}/\text{CSC}\times 100 $ | (4) |
| $ {\text{CSD}} = {\text{CSC}} - {\text{SO}}{{\text{C}}_{{\text{fine}}}} $ | (5) |
| $ {\text{CSP}} = {\text{CSD}} \times {\text{BD}} \times D \times \left( {1 - {\text{RF}}} \right) \times {10^{ - 2}} $ | (6) |
式中：SOC为土壤有机碳含量(g/kg)；BD为土壤容重(g/cm3)；RF为 > 2 mm石砾的含量(%)；D为土层厚度(cm)；S为土壤面积(m2)；Mfine为 < 20 μm细颗粒的质量百分含量(%)；SOCfine为 < 20 μm细颗粒土壤有机碳含量(g/kg)；CSD为碳饱和亏缺(g/kg)。
1.5 数据处理与统计分析采用Shapiro-Wilk检验对数据进行正态性检验，采用Levene检验对数据进行方差齐性检验。在满足正态性和方差齐性的前提下，采用单因素方差分析(ANOVA)和LSD(Least significant difference)多重比较法检验不同植烟区之间的土壤理化性质、土壤有机碳密度和固碳潜力。使用随机森林模型探究不同环境因素对土壤有机碳含量和有机碳密度的重要性。使用Pearson相关性分析探究土壤有机碳含量和有机碳密度与土壤理化性质之间的相关关系。显著性水平为P < 0.05。所有数据处理均使用R 4.3.0完成，图形绘制使用R 4.3.0和ArcMap 10.8完成。图中数据以平均值±标准误表示。
2 结果与分析 2.1 不同植烟区植烟土壤理化性质贵州主要植烟区土壤理化性质如图 2所示。黔西南州植烟土壤pH显著高于毕节市、铜仁市和遵义市(P < 0.05)。不同植烟区植烟土壤全氮含量差异显著，具体表现为黔西南州显著高于毕节市、铜仁市和遵义市(P < 0.05)，且铜仁市显著高于毕节市和遵义市(P < 0.05)，但毕节市和遵义市之间无显著差异。黔西南州植烟土壤全磷含量显著高于毕节市、铜仁市和遵义市(P < 0.05)。不同植烟区植烟土壤碱解氮含量无显著差异。遵义市植烟土壤有效磷含量显著高于毕节市、铜仁市和黔西南州，毕节市和铜仁市则显著高于黔西南州(P < 0.05)，但毕节市和铜仁市之间无显著差异。
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(图中小写字母不同表示不同植烟区之间差异达P < 0.05显著水平，下同) 图 2 贵州主要植烟区植烟土壤理化性质 Fig. 2 Physicochemical properties of tobacco-growing soils in main tobacco-growing areas of Guizhou Province |
贵州主要植烟区植烟土壤有机碳含量存在显著差异(图 3A)，黔西南州植烟土壤有机碳含量(19.39 g/kg)显著高于毕节市(15.35 g/kg)、遵义市(15.53 g/kg)和铜仁市(13.65 g/kg)(P < 0.05)；毕节市和遵义市无显著差异，但均显著高于铜仁市(P < 0.05)。遵义市植烟土壤有机碳密度显著高于毕节市、黔西南州和铜仁市(P < 0.05)，毕节市和黔西南州显著高于铜仁市，但毕节市和黔西南州之间无显著差异(图 3B)。据2023年贵州省统计局数据(https://stjj.guizhou.gov.cn/)，遵义市、毕节市、黔西南州和铜仁市烟草种植面积分别为3.90×104、3.91×104、1.99×104和1.03×104 hm2。按照2023年烟草种植面积对贵州主要植烟区植烟土壤有机碳储量进行估计，遵义市、毕节市、黔西南州和铜仁市的植烟土壤有机碳储量分别为12.30、11.10、5.83和2.48 Tg(图 3C)。
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图 3 贵州主要植烟区植烟土壤有机碳含量、有机碳密度及碳储量 Fig. 3 Soil organic carbon contents, organic carbon densities and organic carbon storages of tobacco-growing soils in main tobacco-growing areas of Guizhou Province |
由图 4可见，贵州4个主要植烟区植烟土壤碳饱和水平存在显著差异。毕节市、黔西南州和遵义市植烟土壤碳饱和水平显著高于铜仁市(P < 0.05)，但该3个地区间差异不显著。同时，铜仁市和遵义市植烟土壤固碳潜力显著高于毕节市和黔西南州(P < 0.05)。
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图 4 贵州主要植烟区植烟土壤碳饱和水平和固碳潜力 Fig. 4 Carbon saturation levels and carbon sequestration potentials of tobacco-growing soils in main tobacco-growing areas of Guizhou Province |
Pearson相关性分析表明(图 5)，土壤有机碳含量与海拔、年均降水量、pH、全氮、全磷及碱解氮呈显著正相关关系(P < 0.01)。土壤有机碳密度与pH、全氮、全磷、碱解氮和有效磷呈显著正相关关系(P < 0.05)。
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(ALT：海拔；MAT：年均温；MAP：年均降水量；pH：土壤pH；TN：全氮；TP：全磷；AN：碱解氮；AP：有效磷；TOC：土壤有机碳含量；SOCD：土壤有机碳密度。*、**、***分别表示相关性达P < 0.05、P < 0.01、P < 0.001显著水平。下图同) 图 5 土壤有机碳含量、有机碳密度和环境因子之间的Pearson相关性 Fig. 5 Pearson correlations of soil organic carbon content, organic carbon density and environmental factors |
为进一步探究对土壤有机碳含量和有机碳密度影响相对重要性较高的因子，采用随机森林模型评估各因子的贡献，结果如图 6所示。全氮、碱解氮是影响土壤有机碳含量最重要的两个因子，除此之外，土壤有机碳含量也受到pH、年均降水量、海拔、全磷及有效磷的显著影响。碱解氮是影响土壤有机碳密度最重要的因子，另外，有机碳密度也受到全氮、全磷、海拔和pH的显著影响。
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(*、**、***分别表示影响达P < 0.05、P < 0.01和P < 0.001显著水平，ns表示影响不显著) 图 6 土壤有机碳含量(A)和有机碳密度(B)影响因子的相对重要性 Fig. 6 Relative importance of influencing factors on soil organic carbon content(A) and organic carbon density(B) |
土壤有机碳是土壤质量和土壤肥力的重要指标，在缓解全球气候变化和增加作物产量中具有重要作用[28-29]。本研究结果表明，黔西南州、毕节市、遵义市和铜仁市是贵州主要烟草种植区，其植烟土壤有机碳含量分别为19.39、15.35、15.53和13.65 g/kg。与第二次全国土壤普查结果相比，贵州主要植烟区植烟土壤有机碳含量均高于全国耕层土壤有机碳含量(11.48 g/kg)，但低于贵州省耕层土壤有机碳含量(17.98 g/kg) [30]。这说明与贵州省其他耕地相比，植烟土壤有机碳含量仍然有提高的空间。另外，赵书军等[31]研究表明，湖北省植烟土壤平均有机碳含量为14.97 g/kg。李枝桦等[32]研究表明，云南省植烟土壤平均有机碳含量为14.04 g/kg。杨梅[33]研究表明，四川省植烟土壤平均有机碳含量为13.66 g/kg。贵州主要植烟区中，除铜仁市外，黔西南州、毕节市和遵义市的植烟土壤有机碳含量高于湖北、云南和四川。这说明贵州主要植烟区的植烟土壤有机碳含量相对较高。
土壤有机碳密度是衡量有机碳储量的重要指标，明确土壤有机碳密度对科学制定可持续性耕作和土壤固碳增汇策略至关重要[34]。本研究结果表明，贵州主要植烟区黔西南州、毕节市、遵义市和铜仁市的植烟土壤有机碳密度平均值分别为2.94、2.84、3.16和2.40 kg/m2。除遵义市的植烟土壤有机碳密度高于全国表层(0~20 cm)土壤有机碳密度平均水平(2.97 kg/m2)[35]外，黔西南州、毕节市和铜仁市的植烟土壤有机碳密度均低于全国平均水平。且贵州主要植烟区植烟土壤有机碳密度均低于云南省(4.84 kg/m2)[36]、湖南省(4.53 kg/m2)[37]及福建省(4.06 kg/m2)[38]表层土壤有机碳密度。另外，有研究表明，云南省植烟土壤平均有机碳密度为10.21 kg/m2[39]。由此可以看出，相比之下，贵州主要植烟区植烟土壤有机碳密度处于较低水平。这可能与气候条件、地形地貌、耕作措施、作物类型及施肥量等有关[36, 40]。由于遵义市和毕节市烟草种植面积较大，因而植烟土壤有机碳储量更多。本研究结果表明，遵义市、毕节市、黔西南州和铜仁市植烟土壤有机碳储量分别为12.30、11.10、5.83和2.48 Tg。碳饱和水平是预测未来土壤有机碳固持量的重要指标。本研究发现，黔西南州、毕节市、铜仁市和遵义市植烟土壤碳饱和水平为47.84%~ 67.16%，这说明贵州主要植烟区植烟土壤有机碳仍具有较大固持潜力。通过对贵州主要植烟区植烟土壤固碳潜力进行预测(图 4B)，结果表明，遵义市和铜仁市植烟区的固碳潜力较高，分别为2.23 kg/m2和2.36 kg/m2；黔西南州和毕节市植烟区的固碳潜力则较低，分别为1.25 kg/m2和1.51 kg/m2。贵州黔西南州和毕节市植烟区土壤的固碳潜力高于东北黑土区坡耕地表层土壤(1.13 kg/m2)[25]，但低于我国耕地0~20 cm土层(2.13 kg/m2)[5]；而遵义市和铜仁市植烟区土壤固碳潜力则高于全国耕地和东北黑土区坡耕地。上述差异可能与气候、海拔、耕作措施等有关[5]。总而言之，遵义市和铜仁市植烟区植烟土壤碳固持能力仍然有较高的提升空间，在未来需要进一步关注，制定科学合理的可持续性耕作和土壤固碳增汇策略。
由于大多数农业生态系统通过施肥等方式控制养分输入，土壤养分通常被认为是影响土壤有机碳积累的重要因素[41-42]。根据生态化学计量比理论，土壤中氮、磷元素的输入量和有效性制约着土壤有机碳的积累速率与储存能力[43]。本研究结果表明，土壤有机碳含量与全氮、全磷及碱解氮含量呈显著正相关关系(图 5)，这与邱巡巡等[44]的研究结果一致。有研究表明，土壤养分有效性能够提高土壤微生物碳利用效率，促进微生物生长和生物量积累，降低土壤酶活性并抑制有机碳矿化，从而增加有机碳的储存[45]。除了土壤养分，土壤pH也是影响土壤有机碳含量的重要因素。有研究表明，土壤pH过高或过低会抑制微生物活性，减少有机碳分解，从而增加有机碳含量[46]。本研究发现，土壤有机碳含量与pH呈显著正相关关系，与Sun等[47]的结果相反。这可能是因为贵州主要植烟区植烟土壤pH接近中性(图 2A)，在pH接近中性时，由于养分充足，提高了土壤微生物的生长效率，从而使得土壤具有更大的碳储存潜力[48]。此外，降雨和海拔对土壤有机碳的积累也具有重要影响[36]。本文相关性分析结果显示，土壤有机碳含量与海拔、年均降水量呈显著正相关关系(P < 0.05)。降水量和气温受到海拔的影响，温度和水分影响微生物的代谢活动和有机碳的矿化[46, 49]。随机森林模型分析显示(图 6)，全氮、碱解氮是影响土壤有机碳含量最重要的两个因素，同时，土壤有机碳含量也受到pH、年均降水量、海拔、全磷及有效磷的影响。与土壤有机碳含量不同的是，碱解氮是影响土壤有机碳密度最重要的因素，同时土壤有机碳密度还受全氮、全磷、海拔和pH的影响，但气候(年均温和年均降水量)对其重要性较低。总体而言，土壤有机碳含量和有机碳密度并不是由单一因素决定的，而是自然因素和人为因素等多种因子共同作用的结果。因此，在未来制定耕作策略时应综合考虑。
4 结论贵州不同植烟区植烟土壤有机碳含量和有机碳密度存在差异，有机碳含量表现为黔西南州(19.39 g/kg) > 毕节市(15.35 g/kg) > 遵义市(15.53 g/kg) > 铜仁市(13.65 g/kg)，有机碳密度则表现为遵义市(3.16 kg/m2) > 黔西南州(2.94 kg/m2) > 毕节市(2.84 kg/m2) > 铜仁市(2.40 kg/m2)。遵义市、毕节市、黔西南州、铜仁市植烟土壤有机碳储量分别为12.30、11.10、5.83、2.48 Tg，固碳潜力则分别为2.23、1.51、1.25、2.36 kg/m2。随机森林模型分析表明，全氮、碱解氮是土壤有机碳含量最重要的影响因子，pH、年均降水量、海拔、全磷及有效磷也显著影响有机碳含量；而土壤有机碳密度最重要的影响因子是碱解氮，其次是全氮、全磷、海拔和pH。
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