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壮苗培育是实现人工林优质高效培育目标的关键环节，优质苗木不仅能提高造林成活率，也是促进森林早期生长，提升森林质量的重要途径[1]。施肥管理是提高苗木质量的核心技术，深入研究苗木施肥技术不仅可以加速苗木发育进程，缩短育苗周期，同时对苗木养分积累、增产也具有显著作用，还可以提高苗木质量进而提高造林成活率，对促进林业的可持续发展具有重要的指导意义和现实意义[2−3]。苗木施肥主要是针对氮磷钾3种元素进行，氮磷是植物生长的限制元素，同时也是植物生长所必需的矿质营养元素，对苗木的生长与发育具有重要的作用[4]。研究表明：中国土壤氮磷含量低于全球水平，植物的生长容易受到氮磷元素的限制[5−6]。云南松Pinus yunnanensis分布区的土壤中，低磷少氮较明显，制约着云南松人工林的发展[7]。因此，针对氮磷矿质营养元素的施肥研究显得尤为重要。
云南松是中国西南地区的代表树种，是该地区的乡土树种及荒山绿化造林先锋树种，同时也是云南省的主要造林和用材树种，在其分布区的森林和生态系统的可持续发展中发挥着重要作用[8]。然而，云南松苗木质量并不理想。同时，近年来，大面积云南松天然林的逆向择伐，导致其森林质量降低，造成林分和林地退化等，从而形成大面积天然更新的低质低效次生林，因此，需通过人为干预有效地恢复其质量和产量[9]。在实际的造林生产中，人们也普遍缺乏对云南松苗木施肥的重视。大多凭经验施肥，导致用量过少或过多，或不注意肥料之间的配合，浪费现象普遍，甚至造成肥害或施肥不足导致生理病症[10]。这种现象严重阻碍了高质量苗木的培育，因此亟需探寻科学施肥策略，为造林提供优质的苗木。目前氮磷配施已在樟树Cinnamomum camphora[11]、马尾松Pinus massoniana和木荷Schima superba[12]等多种苗木中开展研究，针对云南松苗木的氮磷施肥研究缺乏，氮磷肥如何调控苗木质量及养分利用尚不完全清楚。鉴于此，本研究以云南松苗木为研究对象，开展不同氮磷配施对苗木质量、生物量及养分积累的影响研究，探明苗木的养分需求特征，为云南松苗期养分管理及苗木培育提供理论依据。
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2020年6月底在西南林业大学苗圃选择2年生的云南松塑料盆栽苗，苗木长势均匀，健康无病虫害，平均苗高为8.1 cm，平均地径为9.8 mm，平均针叶长为11.6 cm，基质为V(腐殖土)∶V(红壤)=1∶3的混合土。根据情况适时对云南松进行浇水，苗木在管理措施上保持完全相同，以排除外部环境条件不同带来的干扰。
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采用2因素3水平3×3回归设计，共组成9个处理(表1)。氮肥磷肥用量参照张跃敏等[13]的方法。外源性氮肥为尿素(CH4N2O)，磷肥为过磷酸钙(CaP2H4O8)。表1数据为纯氮、纯磷用量。
表 1 外源性氮磷添加施肥试验组合
Table 1. Fertilization test combination of exogenous nitrogen and phosphorus addition
处理 氮/(g·株−1) 磷/(g·株−1) 处理 氮/(g·株−1) 磷/(g·株−1) ck 0 0 N1P1 0.4 0.8 P1 0 0.8 N1P2 0.4 1.6 P2 0 1.6 N2P1 0.8 0.8 N1 0.4 0 N2P2 0.8 1.6 N2 0.8 0 -
于2020年12月底，对指标进行测量。各处理选取3株长势一致的苗木用于生物量及养分的测定，各处理重复3次。用游标卡尺测量地径，直尺测定苗高。将每株苗木分为根、茎和叶，分别装入标记好的纸袋中，在105 ℃烘箱中杀青30 min后，调至80 ℃烘干至恒量，测量根、茎、叶的生物量。将根、茎、叶样品烘干后，研磨过筛，用H2SO4-H2O2法消煮植物样品制备待测液用于养分测定。全氮采用奈氏比色法测定，全磷采用钼锑抗比色法测定，全钾采用火焰光度法测定[14]。器官养分储量=器官养分质量分数×器官生物量；器官养分分配比=器官养分储量/单株养分储量×100%；苗木质量指数=苗木总生物量/(苗高/地径+茎生物量/根生物量)[15]
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利用SPSS对各指标进行单因素方差分析及回归分析，采用Origin、SAS软件作图。
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由图1A看出：除P1、N2P2处理外，其余各施肥处理的苗木总生物量均显著大于对照组(P＜0.05)。苗木总生物量积累从大到小依次为N1P1、N2P1、N1P2、N2、N1、P2、P1、N2P2、ck。由图1B看出：除P1、P2、N2P2处理外，其余各施肥处理的苗木质量指数均显著大于对照组(P＜0.05)。苗木质量指数从大到小依次为N1P1、N2P1、N1P2、N2、N1、P1、P2、N2P2、ck。N1P1处理下苗木具有最大的总生物量及苗木质量指数，分别是ck的1.92、1.98倍。在单施氮肥的处理中，总体上随施氮量的增加，苗木总生物量及质量指数逐渐升高；单施磷肥时，随施磷量的增加，苗木总生物量也逐渐积累，而苗木质量指数几乎没有发生变化，较为稳定。在氮磷配施的处理中，苗木质量随施氮或施磷量的增加，呈降低趋势。
图 1 氮磷配施处理下云南松苗木生物量和质量指数的变化
Figure 1. Change of biomass and quality index of P. yunnanensis seedlings under nitrogen and phosphorus combined application treatments
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由表2可知：各器官的氮、磷、钾储量总体从大到小依次为叶、茎、根。各施肥处理的器官及单株氮、磷、钾储量间具有显著差异(P＜0.05)，较对照组均有不同程度的增加。但各处理的器官及单株氮、磷、钾储量大小顺序并不唯一，N1P1处理下苗木根、茎、单株的氮、钾储量最大，根、茎、叶、单株的磷储量也最大，N2P1处理下苗木叶的氮、钾储量最大。在单施氮肥和磷肥的处理中，总体上随施氮量和施磷量的增加，各器官及单株的氮、磷、钾储量逐渐增加。在氮磷配施的处理中，养分储量随施氮或施磷量的增加，呈减小趋势。
表 2 不同施肥处理下云南松苗木养分积累情况
Table 2. Nutrient reserves of P. yunnanensis seedlings under different fertilization treatments
元素 处理 养分储量/mg 根 茎 叶 单株 氮 ck 15.92±11.32 e 33.55±11.64 e 54.94±13.16 e 104.41±35.89 g P1 32.31±18.05 cd 43.50±4.01d e 70.12±8.67 de 145.93±23.64 ef P2 33.85±9.42 cd 55.09±9.11 cd 83.72±8.85 cd 172.65±22.19 de N1 28.62±7.34 de 65.59±8.65 c 104.55±16.30 ab 198.76±16.83 cd N1P1 73.75±17.31 a 103.55±13.97 a 112.53±7.19 a 289.83±22.25 a N1P2 62.52±13.10 ab 94.83±14.29 ab 93.20±12.34 bc 250.55±33.61 ab N2 47.73±11.35 bc 85.20±26.98 b 101.10±21.08 ab 234.03±55.79 bc N2P1 56.37±10.90 b 101.48±18.57 ab 117.79±16.37 a 275.64±33.02 a N2P2 22.17±11.52 de 41.76±9.47 de 60.17±10.77 e 124.10±31.07 fg 磷 ck 3.91±2.62 e 7.15±3.25 e 9.53±2.52 d 20.60±8.27 f P1 10.65±6.78 de 10.08±0.68 de 13.09±1.74 d 33.82±6.90 def P2 13.73±4.37 cd 15.39±4.01 de 12.19±4.07 d 41.31±9.69 de N1 10.56±2.66 de 18.86±2.79 cd 19.39±4.64 cd 48.82±6.95 d N1P1 33.47±10.56 a 38.81±8.12 a 41.7±12.34 a 113.99±18.37 a N1P2 25.93±6.81 b 33.94±10.66 ab 15.98±8.46 d 75.84±13.22 c N2 20.38±7.71 bc 26.53±11.81 bc 26.64±7.72 bc 73.55±25.80 d N2P1 24.63±6.57 ab 34.50±11.03 ab 33.87±13.15 ab 93.00±14.96 b N2P2 6.04±3.14 e 9.14±2.02 e 12.97±3.49 d 28.14±7.71 ef 钾 ck 22.05±15.42 e 50.84±18.39 e 62.14±16.46 f 135.03±50.20 d P1 41.56±22.67 de 59.53±4.21 de 73.14±8.54 ef 174.23±27.31 cd P2 47.57±18.06 cd 84.21±23.45 c 90.03±16.06 de 221.82±55.86 c N1 34.43±8.15 de 79.80±9.55 cd 100.70±19.38 cd 214.94±21.10 c N1P1 102.27±18.50 a 145.46±18.96 a 131.71±9.79 ab 379.44±13.10 a N1P2 82.64±25.07 ab 127.24±20.30 ab 105.62±18.34 cd 315.50±53.39 b N2 63.79±18.56 bc 112.87±33.73 b 114.98±31.44 bc 291.64±80.58 b N2P1 75.91±19.25 b 125.61±19.41 ab 136.33±19.13 a 337.85±34.32 ab N2P2 23.97±7.92 e 58.04±8.15 de 62.89±8.74 f 144.90±22.24 d 说明：数据为平均值±标准差。同列不同小写字母表示同一养分元素同一组织在不同施肥处理间差异显著(P＜0.05) -
就氮分配情况而言，平均有19.68%分配到根，34.15%分配给茎，46.17%分配到叶(图2A)。就磷分配情况而言，平均有26.66%分配到根，36.17%分配给茎，37.16%分配到叶(图2B)。就钾分配情况而言，平均有20.93%分配到根，38.01%分配给茎，41.07%分配到叶(图2C)。从各处理的氮分配情况看(图3)：除P2、N1、N2P2处理外，其余各施肥处理的根氮分配比与对照间差异显著(P＜0.05)，除P1、P2、N1、N2P2处理外，其余各施肥处理的茎、叶氮分配比与对照间差异显著(P＜0.05)。各施肥处理的根氮分配比较对照均有不同程度的增加，茎氮分配比中有6个处理较对照有不同程度的增加，而叶氮分配比较对照均有不同程度的减少。
图 2 云南松苗木各器官养分分配总体情况
Figure 2. Nutrient distribution of different organs of P. yunnanensis seedlings
图 3 不同施肥处理云南松苗木各器官氮元素分配情况
Figure 3. Nitrogen distribution to each organ in P. yunnanensis seedlings under different fertilization treatments
由图4可知：除N2P2处理外，其余各施肥处理的根磷分配比与对照间差异显著(P＜0.05)。除N1P2处理外，其余各施肥处理的茎磷分配比与对照间无显著差异(P＞0.05)。除P1、N1、N2P2处理外，其余各施肥处理的叶磷分配比与对照间差异显著(P＜0.05)。各施肥处理的根磷分配比较对照均有不同程度的增加，茎磷分配比中有6个处理较对照有不同程度的增加，而叶磷分配比较对照均有不同程度的减少。
图 4 不同施肥处理云南松苗木各器官磷元素分配情况
Figure 4. Phosphorus distribution to each organ in P. yunnanensis seedlings under different fertilization treatments
由图5可知：除N1、N2P2处理外，其余各施肥处理的根钾分配比与对照间均差异显著(P＜0.05)。各施肥处理的茎钾分配比与对照间无显著差异(P＞0.05)。除P1、N1、N2P2处理外，其余各施肥处理的叶钾分配比与对照间差异显著(P＜0.05)。各施肥处理的根钾分配比较对照均有不同程度的增加，茎钾分配比中有5个处理较对照有不同程度的增加，而叶钾分配比较对照均有不同程度的减少。
图 5 不同施肥处理云南松苗木各器官钾元素分配情况
Figure 5. Potassium distribution to each organ in P. yunnanensis seedlings under different fertilization treatments
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由表3可知：苗木生长及养分指标与肥料用量回归方程的相关系数总体上较大，拟合程度较高，可以用来预测不同氮磷施肥处理下的云南松苗木生长及养分指标。
表 3 云南松苗木生长及养分储量指标对应的回归方程
Table 3. Regression equation of seedling growth and nutrient storage indices of P. yunnanensis seedlings
指标(Y) 回归方程 相关系数 F P 总生物量 Y=12.68+46.59XN+16.65XP−42.49XN 2−8.42XP 2−9.51XNP 0.83 5.44 ＜0.01 苗木质量指数 Y=1.46+0.81XN+0.43XP−1.16XN 2−0.44XP 2+0.69XNP 0.58 1.22 ＜0.01 根氮储量 Y=−2.05+184.14XN+57.98XP−158.49XN 2−24.09XP 2−34.70XNP 0.85 6.00 ＜0.01 茎氮储量 Y=20.63+243.73XN+76.14XP−241.44XN 2−36.23XP 2−32.72XNP 0.88 8.53 ＜0.01 叶氮储量 Y=51.79+192.21XN+54.12XP−174.42XN 2−27.80XP 2−36.28XNP 0.91 10.98 ＜0.01 单株氮储量 Y=79.08+555.41XN+184.83XP−502.92XN 2−90.00XP 2−99.74XNP 0.89 8.82 ＜0.01 根磷储量 Y=−3.27+101.64XN+29.62XP−96.23XN 2−11.87XP 2−16.89XNP 0.84 5.63 ＜0.01 茎磷储量 Y=1.33+111.55XN+33.07XP−121.70XN 2−16.04XP 2−10.58XNP 0.90 10.23 ＜0.01 叶磷储量 Y=5.45+64.52XN+35.69XP−47.76XN 2−21.00XP 2−12.75XNP 0.76 13.48 ＜0.01 单株磷储量 Y=7.11+189.91XN+90.68XP−168.06XN 2−44.73XP 2−38.49XNP 0.88 7.94 ＜0.01 根钾储量 Y=5.53+206.35XN+84.05XP−194.21XN 2−37.30XP 2−37.67XNP 0.78 3.78 ＜0.01 茎钾储量 Y=32.12+313.49XN+100.23XP−303.82XN 2−43.87XP 2−57.39XNP 0.84 5.55 ＜0.01 叶钾储量 Y=53.24+222.39XN+75.10XP−198.15XN 2−33.85XP 2−56.67XNP 0.83 5.37 ＜0.01 单株钾储量 Y=89.88+701.11XN+269.15XP−624.29XN 2−121.42XP 2−161.13XNP 0.83 5.45 ＜0.01 说明：XN、XP、XNP分别表示氮水平、磷水平、氮磷交互水平 根据表3的回归方程，可得到产量效应曲面图(图6)。由图6可知：各生长指标反应曲面均呈单峰曲面模式，即各生长指标均存在一个最大值。峰值以前，各生长指标均随氮磷用量的增加而增加。峰值以后，各生长指标随氮磷用量的增加而下降。
图 6 云南松苗木生物量及养分储量对氮磷配施的效应曲面
Figure 6. Effect surface of biomass and nutrient storage of P. yunnanensis seedlings on nitrogen and phosphorus combined application
由表4可知：施肥处理后，氮磷交互产量大于单施氮产量，单施氮产量优于单施磷产量。因此，在本研究中，针对2年生云南松苗木的肥料效应而言，氮磷配施的效果优于单施氮肥，单施氮肥的效果优于单施磷肥。
表 4 云南松苗木各生长指标单施氮肥、磷肥及氮磷交互的最高产量
Table 4. Highest yield in single-factor of nitrogen or phosphorus and nitrogen and phosphorus interaction with each growth index of P. yunnanensis seedlings
指标(Y) 生长指标与单施氮肥关系 生长指标与单施磷肥关系 氮磷交互最高产量 回归方程 最高产量 回归方程 最高产量 总生物量/g Y=12.68+46.59XN−42.49XN 2 25.17 Y=12.68+16.65XP−8.42XP 2 20.33 29.59 苗木质量指数 Y=1.46+0.81XN−1.16XN 2 1.50 Y=1.46+0.43XP−0.44XP 2 1.45 1.94 根氮储量/mg Y=−2.05+184.14XN−158.49XN 2 50.05 Y=−2.05+57.98XP−24.09XP 2 29.86 67.55 茎氮储量/mg Y=20.63+243.73XN−241.44XN 2 81.34 Y=20.63+76.14XP−36.23XP 2 59.15 107.04 叶氮储量/mg Y=51.79+192.21XN−174.42XN 2 103.92 Y=51.79+54.12XP−27.80XP 2 75.38 115.98 单株氮储量/mg Y=79.08+555.41XN−502.92XN 2 229.55 Y=79.08+184.83XP−90.00XP 2 167.71 281.92 根磷储量/mg Y=−3.27+101.64XN−96.23XN 2 22.93 Y=−3.27+29.62XP−11.87XP 2 14.01 33.20 茎磷储量/mg Y=1.33+111.55XN−121.70XN 2 26.71 Y=1.33+33.07XP−16.04XP 2 18.06 39.48 叶磷储量/mg Y=5.45+64.52XN−47.76XN 2 26.86 Y=5.45+35.69XP−21.00XP 2 19.95 34.47 单株磷储量/mg Y=7.11+189.91XN−168.06XN 2 59.31 Y=7.11+90.68XP−44.73XP 2 51.23 88.69 根钾储量/mg Y=5.53+206.35XN−194.21XN 2 58.85 Y=5.53+84.05XP−37.30XP 2 50.99 89.24 茎钾储量/mg Y=32.12+313.49XN−303.82XN 2 110.99 Y=32.12+100.23XP−43.87XP 2 85.81 143.27 叶钾储量/mg Y=53.24+222.39XN−198.15XN 2 113.50 Y=53.24+75.10XP−33.85XP 2 89.97 131.36 单株钾储量/mg Y=89.88+701.11XN−624.29XN 2 279.99 Y=89.88+269.15XP−121.42XP 2 227.84 358.61 说明：XN表示氮水平，XP表示磷水平 对表3构建的回归方程求偏导，确定了云南松苗木各项生长指标适宜的氮磷施肥量。由表5可知：2年生云南松苗木适宜的氮磷施肥量分别为氮0.42~0.65 g·株−1，磷0.66~1.01 g·株−1，适宜的氮磷配比为1.00∶1.15~1.00∶2.13。
表 5 2年生云南松苗木在指标最高产量下的适宜施肥量
Table 5. Suitable fertilizer amount for two years old P. yunnanensis seedlings under highest yield
指标 适宜施肥量 最佳氮磷比 氮/(g·株−1) 磷/(g·株−1) 总生物量 0.47 0.73 1.00∶1.55 苗木质量指数 0.65 1.01 1.00∶1.56 根氮储量 0.49 0.85 1.00∶1.75 茎氮储量 0.45 0.85 1.00∶1.90 叶氮储量 0.48 0.66 1.00∶1.37 单株氮储量 0.48 0.76 1.00∶1.60 根磷储量 0.45 0.93 1.00∶2.08 茎磷储量 0.42 0.89 1.00∶2.13 叶磷储量 0.59 0.67 1.00∶1.15 单株磷储量 0.48 0.81 1.00∶1.72 根钾储量 0.45 0.90 1.00∶2.03 茎钾储量 0.44 0.86 1.00∶1.97 叶钾储量 0.46 0.73 1.00∶1.59 单株钾储量 0.46 0.80 1.00∶1.76 适宜范围 0.42~0.65 0.66~1.01 1.00∶1.15~1.00∶2.13 -
生物量综合反映了苗木的各项生长指标，施肥对苗木生长的影响可以通过其对生物量的影响来反映[16]。本研究发现：施肥显著促进了苗木生物量的积累。这与施肥显著提高紫椴Tilia amurensis[17]、闽楠Phoebe bournei [3]苗木生物量的研究结果相似，说明施肥促进了苗木生长。苗木质量是衡量苗木生活力强弱的重要指标，关系到苗木成活、森林郁闭、森林经济和生态效益的发挥。造林后，苗木的存活及生长与苗木初始质量息息相关[18]。苗木质量受到施肥调控的影响，如周磊等[15]对细叶桢楠Phoebe hui容器苗进行施肥研究发现：施肥提高了细叶桢楠的苗木质量。罗仙英等[19]研究表明：施肥提高了马尾松的苗木质量。另外，苗木质量在一定程度上还受到土壤基质的影响，但有些研究却提出了不同的观点，认为土壤基质对苗木质量的影响并不大，如刘婷岩等[20]对不同基质与施肥处理下白桦Betula platyhylla的苗木质量进行研究发现：土壤基质对白桦苗木质量指数无显著影响。莎茹等[21]研究表明：在低水平施肥情况下，土壤基质对樟子松Pinus sylvestris var. mongolica苗木质量指标的影响不明显。邱琼等[22]研究表明：土壤基质对山桂花Paramichelia baillonii容器苗质量无显著影响，不同基质处理下苗木的根生物量、主根长、侧根数等苗木质量指标之间均无显著差异。而本研究在土壤基质一致的情况下，发现各施肥处理下的生物量、苗木质量均大于对照，说明施肥是提高苗木质量，促进苗木生长的有效途径之一。
施肥处理后苗木体内的养分累积有助于提高苗木的抗性和竞争力，从而提高造林成功的可能性[23]。本研究发现：云南松苗木氮磷钾元素主要储存在叶内，总体上养分储量从大到小依次为叶、茎、根。这与王光如等[24]、刘广路等[25]的研究结果类似。植物各器官基本的生理需求不同，组织结构功能的分化导致氮磷钾储量的差异[26]。植物的叶片是植物的同化器官，也是重要的养分储存器官，而茎作为植物养分的输送通道，较少储存养分，进而导致植物叶的氮磷储量高于茎[27]。本研究发现：不同施肥处理的各器官及单株氮磷钾储量总体上均高于对照，说明施肥对苗木养分积累起到明显促进作用。王益明等[28]对山核桃Carya cathayensis幼苗进行施肥研究表明：苗木各器官的氮积累量均显著高于对照组，常笑超等[29]对毛白杨Populus tomentosa的苗木施肥研究也得出：硝态氮能显著促进毛白杨的养分积累，可见氮磷添加促进了植物对营养元素的吸收[30]。在N1P1处理下，云南松苗木器官与单株储量总体最大，说明氮磷配施处理对养分积累的促进效果最佳。同时，也表明在适宜的施肥范围内，各项生长指标随施肥量的增加而增长，而超过一定的施肥量范围，则会抑制苗木生长。
营养元素在不同器官的分配是遗传差异与环境共同作用的结果，植物器官结构和功能差异影响到氮磷钾等营养元素在植物体内的分配[31]，而养分元素在不同器官的合理分配是植物对外界环境变化响应与适应的重要机制。对于植物来说，叶及根分别是地上和地下的主要营养器官，茎则是植物各种物质的转运器官，叶、根与茎将植物的地上和地下部分联系起来[32]。本研究发现：苗木分配给叶的营养元素最多，其次为茎，分配给根的较少，这与王维奇等[33]的研究结果相似。这阐释了资源在各功能器官之间的分配权衡，将更多的营养物质分配给叶和茎，以保证物质充分生产维持苗木正常生长，同时增强苗木对资源以及空间的竞争能力[34]。施肥会使植物的养分分配格局发生改变，影响幼苗的养分平衡。施侃侃等[35]对红花玉兰Magnolia wufengensis幼苗养分分配格局研究发现：不同的氮磷钾配施会改变红花玉兰幼苗各营养器官内养分的分配。常云妮等[36]对华润楠Machilus chinensis苗木养分分配格局研究发现：氮添加改变了氮磷在各器官中的分配比例。本研究也得到类似的结论，即施肥改变了苗木各器官的营养元素分配格局，增大了对根和茎的养分分配，减小了对叶的养分分配。根系是植物吸收水分和养分的主要器官，担负着供给地上部分养分的任务[37]。当苗木生存的养分环境改变时，将更多的资源分配到根和茎，以扩大营养吸收范围，获取更多的水分、养分资源及增强对空间的竞争。同时，在根充分吸收养分和生长后，又可为相对较小的地上部分生长提供所需要的营养与能量，加大对环境资源的分享。这样不仅使有限的环境资源得到最大化的利用，也保证个体的存活与个体的生长，减少营养缺失对云南松幼苗生长的限制，增大了对不良环境的抵抗能力。因此，根系高比例的养分投资是云南松苗木的生态对策之一。
构建苗木养分指标与肥料用量的回归方程发现：氮磷配施的效果优于单施氮肥，单施氮肥的效果优于单施磷肥。林婉奇等[11]对樟树幼苗进行施肥发现：氮磷配施对幼苗生长的促进效果最好。刘斌等[38]对九连山次生阔叶林幼苗生长进行施肥发现：与对照相比，氮磷配施对苗木的冠幅增长率促进效果最佳，氮添加次之，磷添加抑制幼苗生长，这与本研究结果类似。根据回归方程求得2年生云南松苗木适宜的氮磷施用量分别为氮0.42~0.65 g·株−1，磷0.66~1.01 g·株−1，适宜的氮磷配比为1.00∶1.15~1.00∶2.13。从苗木的质量、生物量及养分积累量考虑，N1P1处理为本研究最优氮磷配施组合。
Effects of different nitrogen and phosphorus combinations on seedling growth and nutrient accumulation of Pinus yunnanensis seedlings
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摘要:
目的 开展氮磷配施，揭示云南松Pinus yunnanensis苗木生长及养分积累对氮磷配施的响应，为优化云南松苗期养分管理及苗木培育提供理论依据。 方法 以2年生云南松盆栽苗为研究对象，设置对照(不施肥)、磷肥0.8 g·株−1(P1)、磷肥1.6 g·株−1(P2)、氮肥0.4 g·株−1 (N1)、氮肥0.8 g·株−1(N2)、氮肥0.4 g·株−1和磷肥0.8 g·株−1(N1P1)、氮肥0.4 g·株−1和磷肥1.6 g·株−1 (N1P2)、氮肥0.8 g·株−1和磷肥0.8 g·株−1 (N2P1)、氮肥0.8 g·株−1和磷肥1.6 g·株−1 (N2P2)等9个不同施肥处理，分析不同施肥对云南松苗木生长及养分积累的影响。 结果 各施肥处理的总生物量、苗木质量均大于对照组，N1P1处理下苗木总生物量和苗木质量最大。各器官的养分积累从大到小依次为叶、茎、根。各施肥处理的器官及单株氮、磷、钾储量与对照组之间总体上均具有显著差异(P＜0.05)，较对照组均有不同程度增加。N1P1处理下苗木根、茎、单株的氮、钾储量最大，根、茎、叶、单株的磷储量最大，N2P1处理下叶的氮、钾储量最大。氮、磷、钾养分分配格局从大到小依次为叶、茎、根。 结论 施肥促进了云南松苗木的生物量积累，提高了苗木质量，促进了苗木各器官的养分积累，并增大了根、茎的养分分配，减小了对叶的养分分配。氮磷配施的效果优于单施氮肥，单施氮肥的效果优于单施磷肥，N1P1处理为最优配施组合。图6表5参38 Abstract:Objective This study tries to reveal the response of Pinus yunnanensis seedling growth and nutrient accumulation to exogenous N and P combined application, and to provide a theoretical basis for optimizing nutrient management and seedling cultivation of P. yunnanensis. Method 2-year-old potted seedlings of P. yunnanensis were taken as the research objects. 9 different fertilization treatments were set to analyze the effects of different fertilization treatments on the growth and nutrient accumulation of P. yunnanensis seedlings, including ck (no fertilization), P1 (P, 0.8 g per seedling), P2 (P, 1.6 g per seedling), N1 (N, 0.4 g per seedling), N2 (N, 0.8 g per seedling), N1P1 (N, 0.4 g per seedling, P, 0.8 g per seedling), N1P2 (N, 0.4 g per seedling, P, 1.6 g per seedling), N2P1 (N, 0.8 g per seedling, P, 0.8 g per seedling), N2P2 (N, 0.8 g per seedling, P, 1.6 g per seedling). Result The total biomass and seedling quality of each fertilization treatment were higher than those of ck, and those of N1P1 treatment were the highest. The nutrient accumulation of each organ ranging from large to small was leaf, stem and root. The N, P and K reserves of organs and individual plants of different fertilization treatments were significantly different from those of ck (P＜0.05), and increased in different degrees compared with ck. The seedlings under N1P1 treatment had the largest N and K reserves in root, stem and individual plant, and the largest P reserves in root, stem, leaf and individual plant, while the seedlings under N2P1 treatment had the largest N and K reserves in leaf. The distribution pattern of N, P and K nutrients was leaf, stem and root from large to small. Conclusion N and P combined application significantly improves biomass accumulation, seedling quality, as well as nutrient accumulation in each organ. It also increases the nutrient distribution of root and stem, and decreases the nutrient distribution of leaf. The combined application of N and P is superior to the single application of either N or P. Therefore, N1P1 is the optimal treatment. [Ch, 6 fig. 5 tab. 38 ref.] -
Key words:
- Pinus yunnanensis /
- proportional fertilization /
- biomass /
- nutrient accumulation
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烟草Nicotiana tabacum是中国重要的经济作物之一。中国烟草种植面积高达100万hm2，烟叶产量达450~500万t·a-1，其中烟秆产量约为150万t·a-1[1]，由于管理比较粗犷，烟叶收获后大量烟秆被堆砌焚烧，不仅造成农林秸秆资源的巨大浪费，且焚烧产生的烟气对大气环境造成了严重影响。另一方面，有研究发现，中国部分烟草种植区土壤受到了不同程度的重金属污染，如贵阳和安顺镉的单项污染指数分别为1.581和1.103[2]，当烟叶中含有过量重金属时，抽吸过程中，重金属会以气溶胶或金属氧化物的形式通过主流烟气进入人体，造成潜在危害[3]；此外，连作会使重茬种植后的烟草生长迟缓、植株矮小、产量品质降低、土传病虫害加重等现象[4-5]，严重影响当地烟农的经济收益。因此，寻找一种既能解决烟秆有效利用，同时又能降低土壤重金属生物有效性，并能提高重金属污染烟田经济价值的方法尤为重要。生物质炭是富含碳的生物质在缺氧或者无氧的条件下通过高温裂解或者不完全燃烧，生成的一种含碳量大、孔隙结构复杂的固体物质[6-7]。近年来，有研究表明：生物质炭可以提高土壤肥力[8]，降低二氧化碳排放量[9]；其含有的高比表面积、孔隙结构、碱性阳离子和官能团，对重金属有良好的修复作用[10]；还可以改善土壤团聚体、降低土壤容重[11]，促进土壤微生物活性[12]，提高土壤酶活性[13]。因此，生物质炭化资源化利用不仅是低端农林废物如烟秆高值化利用的新技术途径，也是土壤学、环境科学、生态学等专业领域研究的一个重大热点。本研究利用贵州省毕节地区烟叶收获后的废弃烟秆制备成的烟秆炭改良重金属污染土壤，进行烟草种植试验，主要考察①烟秆炭对重金属污染土壤理化性质的影响；②烟秆炭对重金属污染土壤金属有效性的影响；③烟秆炭对烟叶生产及重金属质量分数的影响。希望通过本试验研究，为烟秆废弃物的炭化资源化再生使用及重金属污染土壤的修复利用提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 试验材料
供试土壤采自浙江富阳朱家坞一块重金属复合污染水稻田。该采样点受到周边铜冶炼小作坊废水直排和大气沉降污染，因长期施用石灰，呈弱碱性。采样时取0~20 cm的表层土，带回实验室后剔除植物根系等杂物，风干后混匀、磨碎、过2 mm尼龙筛备用。实验用生物质炭是以贵州毕节地区烟叶收获后的废弃烟秆为原料在600 ℃下热裂解1 h制成，炭化后的产物过2 mm筛储备待用。土壤样品碱解氮、有效磷、有机质分别为132.67，13.31，63 600 mg·kg-1，pH值为pH 7.68，铜、铅、镉分别为296.66，5.91，291.39 mg·kg-1。烟秆炭的总氮、炭、氢、硫分别为20.1，597.5，32.6，3.6 g·kg-1，pH 10.51，铜、镉、铅分别为38.16，1.33，6.93 mg·kg-1，比表面积为368.92 m2·g-1，孔隙度为0.30 cm2·g-1，孔径大小为3.71 nm-1。
1.2 试验设计
盆栽试验在浙江农林大学温室大棚进行。用土4.0 kg·盆-1，烟秆炭用量按0(对照TB0), 20, 40, 80 g·kg-1[m(炭): m(土)]计算施入(分别以TB20，TB40，TB80计)，重复4次·处理-1。随机区组排列，并且隔15 d调换1次以保证每盆烟草苗生长受外界环境条件的影响基本一致。基肥选择硝酸铵、过磷酸钙和硫酸钾，用量分别为0.30, 0.80和0.30 g·盆-1，将基肥与土壤、烟秆炭充分混匀后装入塑料桶中(高32 cm，直径21 cm)。烟草种植采用直播方式，于2016年3月27日播种，苗高至10 cm时间苗，留长势一致的烟苗1株·盆-1。试验期间每天为每盆植物补充蒸馏水，使土壤含水量保持在田间最大持水量的65%左右。盆栽试验于8月6日结束。
1.3 样品采集
植物样的采集：先采收烟叶，然后将植株连根拔起，带回实验室区分根系和地上部，充分漂洗干净，待水珠自然风干后称量各部位鲜质量，然后装入牛皮纸袋105 ℃杀青30 min，60 ℃烘干至恒量，用植物粉碎机(CS-700，中国)粉碎后过0.125 mm筛，装入塑料封口袋中保存待测。
土壤样的采集：用环刀(长40 cm，直径1 cm)按梅花采样法采集盆栽土壤，采样约500 g·盆-1，充分混匀后带回实验室阴干，用行星式球磨机(QM-3SP04-1，中国)磨碎后过0.125 mm筛，转入塑料封口袋中保存待测。
1.4 样品分析
土壤pH值采用酸度计(FE20，中国)测定[m(土): m(水)= 1.0: 2.5]；有效磷测定采用Olsen法，经过0.5 mol·L-1碳酸氢钠(NaHCO3)浸提[m(土): m(水)=1: 20]，比色法测定；有机碳采用低温外热重铬酸钾氧化-比色法[14]。
土壤重金属有效态提取采用二乙三胺五乙酸(DTPA)浸提法[m(土): m(水)=1: 20)，重金属质量分数用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES，Prodigy 7，美国)测定[15]。烟叶中重金属质量分数采用硝酸(HNO3)消解，ICP-OES测定[15]。测定过程分别采用土壤(GBW07447)和植物标准物质(GBW10012)进行质量控制。
土壤脲酶的测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法；碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法，缓冲液选柠檬酸缓冲液(pH 7.0)；脱氢酶采用TTC分光光度法。为衡量土壤酶综合活性值，对土壤氧化还原酶活性求取集合平均数，计算公式为：$ {G_{{\rm{Mea}}}} = \sqrt[3]{{脲酶活性 \times 脱氢酶活性 \times 碱性磷酸酶活性}} $[16]。
烟秆炭碳、氮、氢和硫质量分数用元素自动分析仪(Vario EL Ⅲ，德国)测定。炭比表面积由比表面积及孔隙度分析仪(SI-MP-10，美国)测定。烟秆炭官能团由傅里叶变换近红外光谱仪(FT-IR，IR Prestige 21，日本)测定。
1.5 数据分析
应用SPSS 17.0进行数据统计分析，采用单因素方差分析和Duncan's多重比较评价不同处理对土壤pH值、有效磷、碱解氮质量分数和有效态重金属质量分数等指标影响的显著性。采用Person法分析重金属有效性与土壤理化性质之间的相关性。应用Origin 8.5和Excel软件作图。
2. 结果与分析
2.1 烟秆炭的基本性状
烟秆炭主要成分是碳(≈60%)，含有少量的氮、氢、硫，pH 10.51，呈碱性，比供试土壤高2.83个单位。烟秆炭比表面积(BET)高达368.92 m2·g-1，与稻草炭(500 ℃裂解30 min，比表面积为29.97 m2·g-1)[17]和死猪炭(800 ℃裂解1 h，比表面积为29.15 m2·g-1)[18]相比有较高的比表面积，能为金属离子提供更多的吸附点位。由图 1可知：生物质炭表面含有丰富的芳香族和脂肪族官能团[19]，这些含氧官能团决定了生物质炭具有亲水、疏水性，并增强其对酸碱的缓冲能力，也是土壤pH升高的关键因素。
2.2 不同烟秆炭施用量对土壤pH值及养分质量分数的影响
表 1显示：施用烟秆炭可以显著提高土壤pH值，且随着炭施加量的增加，土壤pH值显著提高。其中处理TB80效果最为显著，与对照相比土壤pH显著提高了0.38个单位。土壤有机质的变化趋势与pH值一致(表 1)，但土壤溶解性有机碳质量分数只有在烟秆炭施加量增加到80 g·kg-1时，才呈现显著性提高(23.4%)。
表 1 不同处理下土壤pH值和养分质量分数Table 1. Soil pH and nutrient contents under different treatments处理 pH值 ω有机质/(g·kg-1) ω水溶性碳/(mg·kg-1) ω有效磷/(mg·kg-1) ω碱解氮/(g·kg-1) TB0 7.76 ± 0.06 d 29.73 ± 2.74 d 222.76 ± 16.58 b 19.71 ± 3.38 c 0.10 ± 0.003 bc TB20 7.85 ± 0.03 c 39.38 ± 2.46 c 228.51 ± 22.21 b 27.10 ± 7.66 c 0.11 ± 0.006 c TB40 7.97 ± 0.04 b 47.43 ± 7.11 b 231.26 ± 24.88 b 42.80 ± 6.76 b 0.12 ± 0.005 ab TB80 8.14 ± 0.05 a 60.08 ± 4.97 a 274.96 ± 15.49 a 67.50 ± 8.74 a 0.12 ± 0.008 a 说明：TB0为对照，英文小写字母代表同列不同处理间的显著性差异水平(P＜0.05) 另外，施用一定数量的烟秆炭也能显著增加土壤碱解氮和有效磷质量分数(表 1)。与对照相比，施加20 g·kg-1烟秆炭对土壤碱解氮和有效磷质量分数提高不明显；当施加量增加到40 g·kg-1时，土壤有效磷质量分数显著提高，当增加到80 g·kg-1时，土壤有效磷比40 g·kg-1时又增加了约60.0%；但只有将烟秆炭施加量提高到80 g·kg-1时，与对照相比土壤碱解氮质量分数才显著增加(20.0%)。
2.3 不同烟秆炭施用量对土壤重金属有效态质量分数的影响
土壤重金属有效态主要指植物有效态，它与重金属形态关系密切[20]。中国现行土壤重金属有效态的提取采用二乙三胺五乙酸(DTPA)浸提法[NY/T 890-2004]。从图 2可见：施加烟秆炭能显著降低土壤中铜、镉和铅的有效态质量分数，但不同施用量对3种重金属的钝化效果表现不同。以土壤施加40 g·kg-1的烟秆炭为分界点，施用20 g·kg-1烟秆炭就能显著降低土壤有效态铜、铅和镉质量分数，与对照相比分别下降了16.6%，18.7%和19.6%；增加炭的施用量至40 g·kg-1，土壤中有效态镉质量分数并没有持续降低，而铜和铅又显著降低了20.5%和13.2%；再提高烟秆炭的施用量至80 g·kg-1，并不能继续降低土壤DTPA可提取态铜和铅的质量分数，但是镉质量分数却显著降低了26.7%。
图 2 不同处理下DTPA有效态土壤重金属Figure 2. Concentrations of the DTPA extractable heavy metals in soils under different treatments2.4 不同烟秆炭施用量对土壤酶活性的影响
土壤酶参与碳、氮、磷、硫等各类物质的循环，是土壤新陈代谢的重要物质。土壤酶活性是反映土壤肥力和质量的重要指标。从表 2可知：土壤中施加烟秆炭会显著降低脱氢酶的活性，而一定数量的烟秆炭能显著提高土壤脲酶和磷酸酶活性。
表 2 不同烟秆炭使用量对土壤酶活性的影响Table 2. Effects of tobacco stalk biochar on soil enzymes activities under different application rates处理 脲酶/(mg·g-1·h-1) 碱性磷酸酶/(mg·g-1·h-1) 脱氢酶/(mg·g-1·h-1 土壤酶综合活性值 TB0 13.83 ± 0.41 c 0.67 ± 0.52 b 0.36 ± 0.08 a 1.49 c TB20 16.54 ± 1.75 b 0.96 ± 0.72 ab 0.25 ± 0.12 b 1.58 b TB40 16.93 ± 3.81 b 0.97 ± 0.74 ab 0.23 ± 0.04 b 1.56 b TB80 20.49 ± 3.06 a 1.50 ± 1.12 a 0.21 ± 0.03 b 1.86 a 说明：英文小写字母表示同列不同处理间的显著性差异水平(P＜0.05) 具体讲，土壤施加20 g·kg-1烟秆炭，脲酶活性显著提高了19.6%，但将烟秆炭的施用量增加到40 g·kg-1，并没有继续提高土壤脲酶活性(表 2)，只有将施用量增加到80 g·kg-1时，土壤脲酶活性才显著又提高了21.0%，与对照相比约显著提高了50%。土壤施加20 g·kg-1或40 g·kg-1的烟秆炭，并不能显著提高土壤磷酸酶活性，但将炭的施用量提高到80 g·kg-1时，土壤磷酸酶活性与对照相比显著提高了2倍多。但是施加80 g·kg-1烟秆炭，土壤磷酸酶活性与施加20和40 g·kg-1烟秆炭的土壤磷酸酶活性对比没有显著性差异。烟秆炭的施用会降低土壤脱氢酶的活性，不同比例烟秆炭施用对土壤脱氢酶活性也没有显著性差异。
因此，不同烟秆炭施用量处理对土壤酶活性综合性指标的影响效果为TB80＞TB40=TB20＞TB0。综上所述，处理TB80对土壤酶活性影响最为显著。
2.5 土壤理化性质对土壤重金属有效态的影响
由于重金属本身的化学性质各异且在土壤中存在的形态也不同，土壤理化性质对重金属有效态质量分数影响各不相同。从表 3中可知：烟秆炭施用量与铜、铅有效态质量分数呈负相关关系，其中与镉呈显著负相关关系，说明烟秆炭施用量对降低有效态镉效果更好。土壤基本理化性质如pH值和有机质、水溶性碳、碱解氮和有效磷质量分数与土壤有效态重金属铜、镉、铅均呈负相关关系。土壤有机质质量分数与有效态镉呈极显著负相关关系，pH值、有效磷质量分数与有效态镉呈显著负相关性，表明土壤有机质对镉的钝化作用比土壤pH值、有效磷质量分数大。有效态铅与有效态铜呈显著正相关性，表明土壤中铜与铅具有伴生性关系[21]。
表 3 土壤重金属有效态与烟秆炭施用量及土壤理化性质的相关性分析Table 3. Correlation between soil DTPA-extractable heavy metals and soil physical and chemical properties炭施用量 有效磷 水溶性碳 有机质 pH值 碱解氮 镉 铅 铜 -0.88 -0.86 -0.66 -0.92 -0.90 -0.74 0.91 0.99* 镉 -0.98* -0.96* -0.89 -0.99** -0.98* -0.81 1.00 0.95 铅 -0.90 -0.871 -0.71 -0.94 -0.92 -0.71 0.95 1.00 说明: *表示P＜0.05(双尾检测)；**表示P＜0.01(双尾检测) 2.6 不同烟秆炭施用量对烟草生长及烟叶重金属质量分数的影响
由表 4可见：施用烟秆炭对烟草生长各农艺指标影响各异。土壤施加烟秆炭能显著增加烟草有效叶数和叶片的宽度，但不同比例炭施用量对烟草株高和叶片的长度并没有显著影响。不同的是，烟叶鲜质量随生物炭施用量的增加而显著增加。20，40和80 g·kg-1的烟秆炭施用量收获的烟叶鲜质量分别比对照显著提高了45.0%，47.1%和61.2%。
表 4 不同烟秆炭施用量对烟草农艺指标的影响Table 4. Effects of different tobacco biochar application rates on agronomic indexes of tobacco stems处理 茎高/cm 有效叶数/片 叶宽/cm 叶长/cm 鲜叶质量/g TB0 87.25 ± 3.20 a 15.00 ± 0.00 b 16.00 ± 1.41 b 36.25 ± 2.36 a 85.00 ± 10.98 c TB20 95.75 ± 5.56 a 16.25 ± 0.96 a 19.75 ± 2.22 a 41.00 ± 4.08 a 119.00 ± 11.05 b TB40 94.00 ± 8.37 a 16.25 ± 0.96 a 22.25 ± 3.77 a 40.00 ± 3.46 a 125.00 ± 10.07 ab TB80 95.75 ± 4.35 a 16.25 ± 0.50 a 20.38 ± 1.10 a 41.13 ± 1.93 a 137.00 ± 5.72 a 说明：同列数字后面英文小写字母表示不同处理间差异性水平(P＜0.05) 烟叶是烟草的重要经济部位，叶片中重金属质量分数是衡量烟叶品质的重要指标。从图 3可见：土壤添加一定量的烟秆炭可以显著降低烟叶中重金属质量分数，其中铜和镉的变化趋势相似。在土壤施加20 g·kg-1的烟秆炭时，叶片中铜和镉的质量分数比对照(无烟秆炭添加)显著降低了13.6%和18.4%；烟秆炭施用量增加到40 g·kg-1时，与20 g·kg-1相比，烟叶中铜、镉的质量分数没有显著变化；但当烟秆炭的施用量继续增加到80 g·kg-1时，与烟秆炭低施用量(20和40 g·kg-1)相比，叶片中铜和镉质量分数反而显著上升了。与对照相比，随着土壤施加烟秆炭的量的增加，烟叶中铅质量分数有下降趋势，但各处理间并没有显著差异。
图 3 不同处理对烟叶中重金属的影响Figure 3. Effects of different treatments on concentration of heavy matals in leaves on tobacco3. 讨论
3.1 烟秆炭对重金属污染土壤pH值及营养元素的影响
本研究中，施用烟秆炭可显著提高土壤pH值。原因可能归结为烟秆炭在高温裂解过程中，其灰分含有大量碱性盐基物质，当施入土壤后，盐基离子与氢离子(H+)及铝离子(Al3+)进行离子交换，生成中性盐，从而提高土壤pH值[21]。从表 1可知：使用烟秆炭可有效提高土壤养分质量分数。本研究结果表明：添加烟秆炭对提高土壤有机质质量分数有显著效果，且随着炭施用量的增加有机质显著增加。原因可能是烟秆炭本身炭质量分数高、氢/碳比小、芳香性强，化学稳定性较高，不易被微生物分解，从而有利于有机质的积累。
本研究结果显示：施入烟秆炭后，土壤有效磷、碱解氮和水溶性有机碳均比对照高。虽然土壤碱解氮质量分数显著提高，但是增幅不大。这可能是由于烟秆炭表面丰富的含氧官能团带有负电荷，吸附土壤铵(NH4+)，从而减少了氮素的损失[22]。有机质是作物所需氮、磷等必要营养元素的主要来源，土壤有效磷质量分数增加可能与有机质质量分数有关。刘方等[23]以生物质炭土壤改良剂为试材，研究了生物质炭对连作蔬菜地土壤有效养分影响的实验中发现，生物质炭能明显提高土壤有效氮和有效磷的质量分数。这与本研究结果相似。
3.2 烟秆炭对重金属污染土壤有效态重金属的影响
重金属的生物有效性大小决定着其在土壤中毒性的强弱，因此，降低重金属的生物有效性对于改善土壤质量至关重要[19]。生物质炭具有较大的比表面积和多孔的结构特征，具有良好的吸附特性，施入土壤后可以降低重金属有效性[24]。本研究结果表明：重金属有效态质量分数随着烟秆炭施加量的增加而显著减少。且烟秆炭对不同重金属的修复效果也不尽相同，处理TB40对铜、镉、铅的固定效果顺序为铜(33.7%)＞铅(29.5%)＞镉(26.4%)。JIANG等[25]采用水稻秸秆制成的生物质炭修复模拟铜、铅、镉污染老成土，结果发现：生物质炭使土壤pH值和阳离子交换量增大，使酸可提取态重金属含量降低，而氧化结合态和有机结合态含量增加，且生物质炭对铜和铅的固化效果优于镉，与本研究结果相似。这可能是生物质炭对铜离子(Cu2+)吸附机制不同于镉离子(Cd2+)和铅离子(Pb2+)的，还有可能是生物质炭表面的孔隙结构有利于铜的固定，具体机制还需进一步深入研究。YANG等[26]在使用烟秆炭修复镉、锌污染土壤的实验中发现，与对照相比，烟秆炭可以显著降低重金属镉、锌的有效态含量，且其固定效果随着烟秆炭施用量的增加而增强。有研究表明，有效磷在中性或碱性条件下易与土壤溶液中的重金属离子形成磷酸盐沉淀[27]。其次，pH值是影响土壤重金属有效性和迁移性的重要因素。土壤pH值随着炭施用量的增加可增加土壤及生物质炭表面的可变电荷，增强阳离子吸附能力和交换作用，降低重金属的解吸，还可促进重金属生成碳酸盐和磷酸盐沉淀[28]进而降低重金属的移动性。此外，有机质对重金属也表现出强烈的吸附固定能力，原因是有机质的主要成分是腐殖质，腐殖质是土壤重要的螯合或络合剂，其中羧基(—COOH)，羟基(—OH)和羰基(—C=O)等能与重金属发生络合或螯合作用，使重金属在土壤溶液中失去活性[29]。
3.3 烟秆炭对重金属污染土壤酶活性的影响
土壤酶活性可以反映土壤中生物化学反应的活跃程度以及养分物质循环状况，是衡量土壤质量的重要指标[30]。土壤有机质、pH值、养分及微生物种类等因素均可影响土壤酶活性。
脲酶是参与土壤氮素循环的重要的水解酶，主要功能是催化土壤中尿素的水解，其活性强度常被用来表征土壤氮素供应状况[30]。本研究中，土壤脲酶活性与烟秆炭施用量密切相关。随着烟秆炭施用量的增加，脲酶活性有升高的趋势，其中处理80 g·kg-1的脲酶活性最高(20.49 mg·g-1·h-1)。碱性磷酸酶参与土壤中磷的矿化和利用，主要功能是在碱性条件下将土壤中的有机磷水解成为磷酸盐，为植物和土壤中的生物提供养分[31]。本研究结果显示：施加烟秆炭可增强重金属污染土壤中碱性磷酸酶的活性。原因可能是烟秆炭施入土壤可以改善土壤理化环境，有利于土壤动物和微生物生长，从而加快了有机物质的分解，为土壤酶的产生提供了更多的底物[32]；还有可能是由于烟秆炭的施用增加了土壤活性有机碳质量分数(表 1)，从而为土壤微生物的生长提供了充足的碳源，促进了微生物繁殖，刺激了酶活性提高[33]。
生物质炭的吸附性使得生物质炭对土壤酶的作用比较复杂，一方面生物质炭对反应底物的吸附有助于酶促反应的进行而提高土壤酶活性，另一方面生物质炭对酶分子的吸附对酶促反应结合位点形成保护，而阻止酶促反应的进行[32]。脱氢酶活性能反映土壤有机质含量和微生物活性[34]。本研究结果显示：土壤脱氢酶活性随着烟秆炭的增加而显著减少。冯爱青等[35]研究表明：施用控释肥及添加生物炭可提高土壤脲酶活性，抑制土壤脱氢酶活性。原因可能是在强碱性条件下脱氢酶的蛋白构象遭到了破坏进而影响酶活性[36]。具体原因还需进一步深入研究。
3.4 烟秆炭对烟叶产量和重金属质量分数的影响
生物质炭施入重金属污染土壤中可以有效增加作物的产量。原因是生物质炭施入土壤后可以增加土壤有效养分[8]，促进微生物活性并改善土壤团聚体结构[11]，降低重金属的生物有效性[28]，从而为作物提供良好的生长环境。本研究结果表明，烟秆炭的施用可以提高烟叶产量，与众多研究结果相似[37-38]。
植物中重金属含量由土壤中重金属有效态含量及植物生理性质决定。植物体蛋白质、有机酸、有机碱及植物络合素、酶可以与植物体内的重金属形成螯合物，降低重金属的生物毒性[39]。在本研究中，适量添加烟秆炭可以降低叶片中重金属质量分数。原因可能是添加烟秆炭后降低了土壤中有效态重金属的质量分数。高瑞丽等[24]研究发现，在铅和镉复合污染土壤中添加生物质炭可显著减少有效态重金属的含量，与本实验研究结果相似。而处理TB80叶片中铜和镉质量分数却比处理TB20和TB40有所增加。原因可能是TB80的叶片生物量高，植物体中的蛋白质、有机物及植物络合素与重金属形成络合素，减轻了重金属对细胞的毒害作用，从而使烟草可以继续吸附重金属。此外，植物蒸腾作用和势能高于处理TB20和TB40，导致重金属质量分数升高。另有研究指出，不同重金属在植物不同器官的迁移能力不同[40]，这可能是铅在各处理间没有显著差异的原因，但具体的作用机制还需进一步研究。
4. 结论
综上所述，烟秆炭的施用可有效提高重金属污染土壤中pH值、有机质、碱解氮和有效磷质量分数；还可以显著提高土壤脲酶和碱性磷酸酶的活性，降低脱氢酶的活性，其中添加80 g·kg-1的烟秆炭对土壤肥力的改善及酶活性指数的提升最为显著。另外，土壤施加烟秆炭能显著增加烟草有效叶数和叶片的宽度，烟叶鲜质量随烟秆炭施用量的增加而显著增加。
烟秆炭的施用可以降低污染土壤中重金属的生物有效性，施加40 g·kg-1烟秆炭已使铜、铅的钝化效果达到最佳，但80 g·kg-1的烟秆炭使污染土壤中镉的有效性降至最低。但是，施用20 g·kg-1的烟秆炭即可显著降低烟叶中重金属铜和镉的质量分数。
本研究证明，烟秆炭作为土壤改良剂对重金属污染土壤有着良好的修复效果，且可提高重金属污染土壤中烟草的产量，提高污染农用地的经济价值，同时为因烟秆废弃而造成的环境污染等问题提供了一个合理的解决方案，也为烟秆炭在重金属污染农田中的修复提供了实践理论参考价值。
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图 1 氮磷配施处理下云南松苗木生物量和质量指数的变化
Figure 1 Change of biomass and quality index of P. yunnanensis seedlings under nitrogen and phosphorus combined application treatments
图 2 云南松苗木各器官养分分配总体情况
Figure 2 Nutrient distribution of different organs of P. yunnanensis seedlings
图 3 不同施肥处理云南松苗木各器官氮元素分配情况
Figure 3 Nitrogen distribution to each organ in P. yunnanensis seedlings under different fertilization treatments
图 4 不同施肥处理云南松苗木各器官磷元素分配情况
Figure 4 Phosphorus distribution to each organ in P. yunnanensis seedlings under different fertilization treatments
图 5 不同施肥处理云南松苗木各器官钾元素分配情况
Figure 5 Potassium distribution to each organ in P. yunnanensis seedlings under different fertilization treatments
图 6 云南松苗木生物量及养分储量对氮磷配施的效应曲面
Figure 6 Effect surface of biomass and nutrient storage of P. yunnanensis seedlings on nitrogen and phosphorus combined application
表 1 外源性氮磷添加施肥试验组合
Table 1. Fertilization test combination of exogenous nitrogen and phosphorus addition
处理 氮/(g·株−1) 磷/(g·株−1) 处理 氮/(g·株−1) 磷/(g·株−1) ck 0 0 N1P1 0.4 0.8 P1 0 0.8 N1P2 0.4 1.6 P2 0 1.6 N2P1 0.8 0.8 N1 0.4 0 N2P2 0.8 1.6 N2 0.8 0 
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表 2 不同施肥处理下云南松苗木养分积累情况
Table 2. Nutrient reserves of P. yunnanensis seedlings under different fertilization treatments
元素 处理 养分储量/mg 根 茎 叶 单株 氮 ck 15.92±11.32 e 33.55±11.64 e 54.94±13.16 e 104.41±35.89 g P1 32.31±18.05 cd 43.50±4.01d e 70.12±8.67 de 145.93±23.64 ef P2 33.85±9.42 cd 55.09±9.11 cd 83.72±8.85 cd 172.65±22.19 de N1 28.62±7.34 de 65.59±8.65 c 104.55±16.30 ab 198.76±16.83 cd N1P1 73.75±17.31 a 103.55±13.97 a 112.53±7.19 a 289.83±22.25 a N1P2 62.52±13.10 ab 94.83±14.29 ab 93.20±12.34 bc 250.55±33.61 ab N2 47.73±11.35 bc 85.20±26.98 b 101.10±21.08 ab 234.03±55.79 bc N2P1 56.37±10.90 b 101.48±18.57 ab 117.79±16.37 a 275.64±33.02 a N2P2 22.17±11.52 de 41.76±9.47 de 60.17±10.77 e 124.10±31.07 fg 磷 ck 3.91±2.62 e 7.15±3.25 e 9.53±2.52 d 20.60±8.27 f P1 10.65±6.78 de 10.08±0.68 de 13.09±1.74 d 33.82±6.90 def P2 13.73±4.37 cd 15.39±4.01 de 12.19±4.07 d 41.31±9.69 de N1 10.56±2.66 de 18.86±2.79 cd 19.39±4.64 cd 48.82±6.95 d N1P1 33.47±10.56 a 38.81±8.12 a 41.7±12.34 a 113.99±18.37 a N1P2 25.93±6.81 b 33.94±10.66 ab 15.98±8.46 d 75.84±13.22 c N2 20.38±7.71 bc 26.53±11.81 bc 26.64±7.72 bc 73.55±25.80 d N2P1 24.63±6.57 ab 34.50±11.03 ab 33.87±13.15 ab 93.00±14.96 b N2P2 6.04±3.14 e 9.14±2.02 e 12.97±3.49 d 28.14±7.71 ef 钾 ck 22.05±15.42 e 50.84±18.39 e 62.14±16.46 f 135.03±50.20 d P1 41.56±22.67 de 59.53±4.21 de 73.14±8.54 ef 174.23±27.31 cd P2 47.57±18.06 cd 84.21±23.45 c 90.03±16.06 de 221.82±55.86 c N1 34.43±8.15 de 79.80±9.55 cd 100.70±19.38 cd 214.94±21.10 c N1P1 102.27±18.50 a 145.46±18.96 a 131.71±9.79 ab 379.44±13.10 a N1P2 82.64±25.07 ab 127.24±20.30 ab 105.62±18.34 cd 315.50±53.39 b N2 63.79±18.56 bc 112.87±33.73 b 114.98±31.44 bc 291.64±80.58 b N2P1 75.91±19.25 b 125.61±19.41 ab 136.33±19.13 a 337.85±34.32 ab N2P2 23.97±7.92 e 58.04±8.15 de 62.89±8.74 f 144.90±22.24 d 说明：数据为平均值±标准差。同列不同小写字母表示同一养分元素同一组织在不同施肥处理间差异显著(P＜0.05)
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表 3 云南松苗木生长及养分储量指标对应的回归方程
Table 3. Regression equation of seedling growth and nutrient storage indices of P. yunnanensis seedlings
指标(Y) 回归方程 相关系数 F P 总生物量 Y=12.68+46.59XN+16.65XP−42.49XN 2−8.42XP 2−9.51XNP 0.83 5.44 ＜0.01 苗木质量指数 Y=1.46+0.81XN+0.43XP−1.16XN 2−0.44XP 2+0.69XNP 0.58 1.22 ＜0.01 根氮储量 Y=−2.05+184.14XN+57.98XP−158.49XN 2−24.09XP 2−34.70XNP 0.85 6.00 ＜0.01 茎氮储量 Y=20.63+243.73XN+76.14XP−241.44XN 2−36.23XP 2−32.72XNP 0.88 8.53 ＜0.01 叶氮储量 Y=51.79+192.21XN+54.12XP−174.42XN 2−27.80XP 2−36.28XNP 0.91 10.98 ＜0.01 单株氮储量 Y=79.08+555.41XN+184.83XP−502.92XN 2−90.00XP 2−99.74XNP 0.89 8.82 ＜0.01 根磷储量 Y=−3.27+101.64XN+29.62XP−96.23XN 2−11.87XP 2−16.89XNP 0.84 5.63 ＜0.01 茎磷储量 Y=1.33+111.55XN+33.07XP−121.70XN 2−16.04XP 2−10.58XNP 0.90 10.23 ＜0.01 叶磷储量 Y=5.45+64.52XN+35.69XP−47.76XN 2−21.00XP 2−12.75XNP 0.76 13.48 ＜0.01 单株磷储量 Y=7.11+189.91XN+90.68XP−168.06XN 2−44.73XP 2−38.49XNP 0.88 7.94 ＜0.01 根钾储量 Y=5.53+206.35XN+84.05XP−194.21XN 2−37.30XP 2−37.67XNP 0.78 3.78 ＜0.01 茎钾储量 Y=32.12+313.49XN+100.23XP−303.82XN 2−43.87XP 2−57.39XNP 0.84 5.55 ＜0.01 叶钾储量 Y=53.24+222.39XN+75.10XP−198.15XN 2−33.85XP 2−56.67XNP 0.83 5.37 ＜0.01 单株钾储量 Y=89.88+701.11XN+269.15XP−624.29XN 2−121.42XP 2−161.13XNP 0.83 5.45 ＜0.01 说明：XN、XP、XNP分别表示氮水平、磷水平、氮磷交互水平
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表 4 云南松苗木各生长指标单施氮肥、磷肥及氮磷交互的最高产量
Table 4. Highest yield in single-factor of nitrogen or phosphorus and nitrogen and phosphorus interaction with each growth index of P. yunnanensis seedlings
指标(Y) 生长指标与单施氮肥关系 生长指标与单施磷肥关系 氮磷交互最高产量 回归方程 最高产量 回归方程 最高产量 总生物量/g Y=12.68+46.59XN−42.49XN 2 25.17 Y=12.68+16.65XP−8.42XP 2 20.33 29.59 苗木质量指数 Y=1.46+0.81XN−1.16XN 2 1.50 Y=1.46+0.43XP−0.44XP 2 1.45 1.94 根氮储量/mg Y=−2.05+184.14XN−158.49XN 2 50.05 Y=−2.05+57.98XP−24.09XP 2 29.86 67.55 茎氮储量/mg Y=20.63+243.73XN−241.44XN 2 81.34 Y=20.63+76.14XP−36.23XP 2 59.15 107.04 叶氮储量/mg Y=51.79+192.21XN−174.42XN 2 103.92 Y=51.79+54.12XP−27.80XP 2 75.38 115.98 单株氮储量/mg Y=79.08+555.41XN−502.92XN 2 229.55 Y=79.08+184.83XP−90.00XP 2 167.71 281.92 根磷储量/mg Y=−3.27+101.64XN−96.23XN 2 22.93 Y=−3.27+29.62XP−11.87XP 2 14.01 33.20 茎磷储量/mg Y=1.33+111.55XN−121.70XN 2 26.71 Y=1.33+33.07XP−16.04XP 2 18.06 39.48 叶磷储量/mg Y=5.45+64.52XN−47.76XN 2 26.86 Y=5.45+35.69XP−21.00XP 2 19.95 34.47 单株磷储量/mg Y=7.11+189.91XN−168.06XN 2 59.31 Y=7.11+90.68XP−44.73XP 2 51.23 88.69 根钾储量/mg Y=5.53+206.35XN−194.21XN 2 58.85 Y=5.53+84.05XP−37.30XP 2 50.99 89.24 茎钾储量/mg Y=32.12+313.49XN−303.82XN 2 110.99 Y=32.12+100.23XP−43.87XP 2 85.81 143.27 叶钾储量/mg Y=53.24+222.39XN−198.15XN 2 113.50 Y=53.24+75.10XP−33.85XP 2 89.97 131.36 单株钾储量/mg Y=89.88+701.11XN−624.29XN 2 279.99 Y=89.88+269.15XP−121.42XP 2 227.84 358.61 说明：XN表示氮水平，XP表示磷水平
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表 5 2年生云南松苗木在指标最高产量下的适宜施肥量
Table 5. Suitable fertilizer amount for two years old P. yunnanensis seedlings under highest yield
指标 适宜施肥量 最佳氮磷比 氮/(g·株−1) 磷/(g·株−1) 总生物量 0.47 0.73 1.00∶1.55 苗木质量指数 0.65 1.01 1.00∶1.56 根氮储量 0.49 0.85 1.00∶1.75 茎氮储量 0.45 0.85 1.00∶1.90 叶氮储量 0.48 0.66 1.00∶1.37 单株氮储量 0.48 0.76 1.00∶1.60 根磷储量 0.45 0.93 1.00∶2.08 茎磷储量 0.42 0.89 1.00∶2.13 叶磷储量 0.59 0.67 1.00∶1.15 单株磷储量 0.48 0.81 1.00∶1.72 根钾储量 0.45 0.90 1.00∶2.03 茎钾储量 0.44 0.86 1.00∶1.97 叶钾储量 0.46 0.73 1.00∶1.59 单株钾储量 0.46 0.80 1.00∶1.76 适宜范围 0.42~0.65 0.66~1.01 1.00∶1.15~1.00∶2.13
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