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氮素在森林生态系统的能量流动与物质循环过程中有着非常重要的作用[1-2]。长期氮沉降以及人类活动干扰等，造成全球氮(N)沉降的增加，对自然生态系统产生了一系列影响[2-3]。研究表明：即使在没有物理扰动的情况下，长期氮沉降也会通过降低碳周转率、改变氮的有效性和转化来影响温带森林生态系统的生物地球化学循环[4]。此外，也有研究表明：氮添加会通过改变凋落叶特性(碳、氮、磷变化)对其养分分解速率产生影响[3]。据报道，中国已成为全球第三大氮沉降地区，大气含氮化合物增长迅速[5]。在未来几十年中氮沉降继续增加的背景下，研究氮沉降对森林凋落物养分分解的影响显得尤为重要[6-7]。凋落物在森林生态系统组成中占据重要地位，它的分解也会对森林生态系统的生物地球化学循环产生相当大的影响[8-9]。凋落物分解不仅是林下土壤有机质形成所需碳源以及土壤养分的主要来源，而且对于土壤质地的构建、肥力的维持、微生物代谢的调控都起重大作用，并且通过这一系列作用进而影响微生物的群落结构[10-11]。大果木姜子Cinnamomum migao又名米槁，系樟科Lauraceae樟属Cinnamomum常绿乔木，主要分布于中国广西、云南、贵州三省交界的南北盘江、红水河流域，为中国特有种。其果实常常被苗族作为治疗胃肠道疾病的传统药物，并且疗效卓越。21世纪初，贵州省科学技术厅以及贵州省民族医药研究所确定大果木姜子为贵州省的道地药材[12]。近年来，随着其药用价值的提高，大果木姜子野生资源受到极大破坏，在《中国生物多样性红色名录——高等植物卷》(2013版)已将其列为近危种，野外资源储量极其有限。目前，相关学者对大果木姜子的研究报道还不是很全面，主要集中在果实精油、脂肪油、挥发油化学成分分析[13]、药用成分的药理作用与生物活性[14-15]、栽培技术与病虫害防治[12]、地理分布[15]、生物生理特性[16-17]等方面。大果木姜子凋落叶的分解对氮沉降增加的响应规律还未见报道。本研究通过野外模拟氮沉降的试验，探讨不同施氮处理对大果木姜子凋落叶养分分解的影响，以期探讨大果木姜子凋落叶分解对外源氮添加的响应机制，且为其物质循环机理研究提供理论依据。
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贵州省罗甸县位于云贵高原和丘陵过渡的斜坡地带，四季呈现春早、夏长、秋迟、冬短的特点，因其特殊的地势与优良的自然环境被称为大果木姜子生长的典型生境。试验样地设置于罗甸县逢亭镇西部的祥林村6年生大果木姜子药材种植基地，地处25°15′41′′N，106°31′03′′E，海拔524 m。属于亚热带季风气候，年平均气温20.6 ℃，≥10 ℃年积温为6 125.0 ℃，年降水量1200.0 mm，无霜期335.0~349.5 d，年均日照时数1 448.9 h。试验区土壤为酸性黄壤，土层厚度≥40 cm。于2017年1月初在试验地设置12块大小为3 m×5 m的样地进行试验。
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以2010年中国大气氮沉降特征分析中贵州的氮沉降总和低于15 g·m−2·a−1为依据，本研究从低到高设置4个氮处理，即对照(ck，0 g·m−2·a−1)、低氮(N1，5 g·m−2·a−1)、中氮(N2，15 g·m−2·a−1)和高氮(N3，30 g·m−2·a−1)，每处理重复3次。为消除环境异质性的影响，各样地之间间隔5 m。按照试验设计要求，每个处理设定样方面积为3 m×5 m，将各样方每次所需喷施的NH4NO3溶解于20 L自来水中，采用按压式喷壶来回均匀喷洒至样地，ck组喷洒等量的水。于试验2017年1月进行首次施氮试验，共喷洒3次，分别于1、5、9月取样完成，重新放置尼龙袋后进行等量施氮。
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凋落叶分解试验于2017年1月开始进行，采用尼龙网袋分解方法。准备540个25 cm × 25 cm的分解袋，每个样地放置45袋。试验前于罗甸县大果木姜子林种植基地收集大果木姜子凋落叶带回实验室，清洗风干后装入分解袋中，10.00 g·袋−1。试验期间放置在12个施氮处理样地中(分解袋放置前修整空地表面枯枝落叶层，平铺网袋，使其尽可能接近自然分解状态。每次放置好尼龙袋后立即喷施氮源)。每隔2个月于各样地随机收取3袋分解袋，用刷子清除每次取回分解袋表面的泥垢后，置于75 ℃烘箱烘干至质量恒定，称其质量用于计算凋落叶质量损失率。然后研磨过孔径0.5 mm尼龙筛，保存备用。质量损失率(W)：W=Xt/X0×100%。其中：X0为凋落叶初始质量，Xt为分解t时间后凋落叶质量。
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凋落叶全氮质量分数采用H2SO4-H2O2 靛酚蓝比色法测定，全磷质量分数采用钼锑抗显色法测定，全钾质量分数采用HClO4+HNO3消煮-原子吸收分光光度法测定，碳质量分数采用浓硫酸-重铬酸钾法测定。凋落叶各元素的残留率按照下式计算。元素残留率(R)：R=XtCt/X0C0×100%。其中：X0为凋落叶初始质量，Xt为分解t时间后凋落叶的质量，C0为凋落叶初始养分质量分数，Ct为t采样时间凋落叶养分质量分数。
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运用Excel和SPSS 18.0软件进行初步统计分析，采用最小显著差法(LSD)多重方差显著性检验凋落叶质量损失率、残留率和养分质量分数与不同施氮处理间的差异显著性，利用Olson 负指数衰减模型(y=ae−Kt)对质量残留率与时间的关系进行拟合，其中：y为质量残留率(%)，a为拟合参数，K为分解系数，t为时间(a)。利用Origin 2018绘制图表。
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图1显示：1−9月各处理凋落叶质量损失率随着时间的推移表现为迅速递增趋势，其中ck凋落叶质量损失率大于其他处理；9月以后各处理凋落叶分解速率趋于平缓。整个分解试验过程中，N3处理凋落叶质量损失率为0~53.35%，且始终低于其他处理。9月以前，N1、N2处理凋落叶质量损失率显著高于N3处理(P＜0.05)，即凋落叶质量损失率从大到小依次为N2、N1、N3；分解结束时(11月)，各处理凋落叶质量损失率从大到小依次为N2、ck、N1、N3。
图 1 不同处理下大果木姜子凋落叶质量损失率
Figure 1. Change of mass loss rate and residual rate of leaf litter of C. migao under the condition of different treatments
从表1可以看出：4个处理的拟合模型R2均大于0.9000，且达到显著水平(P＜0.05)，其中N3处理Olson模型的拟合效果最佳。ck处理的凋落叶质量分解系数最大(K=0.085)，N3处理最小(K=0.060)。N1、N2、N3处理凋落叶分解95%所需时间分别比ck长0.653、0.312、0.698 a，其中N3处理下凋落叶分解时间所需最长。综合表明：氮添加延缓了大果木姜子凋落叶的分解。
表 1 不同处理大果木姜子凋落叶质量残留率(y)随时间(x)变化的Olson模型
Table 1. Decomposition rate model of litter residue rate (y) with time (x) under different treatments
处理 分解方程 分解系数(K) 决定系数(R2) 相关系数(r) 显著性 凋落叶分解50%所需时间/月 凋落叶分解95%所需时间/a ck y=81.727e−0.085x 0.085 0.970 −0.944 0.005 8.155 2.973 N1 y=81.666e−0.067x 0.067 0.948 −0.940 0.005 10.045 3.626 N2 y=87.461e−0.076x 0.076 0.907 −0.963 0.002 9.120 3.285 N3 y=87.319e−0.068x 0.060 0.977 −0.951 0.004 10.193 3.671 -
由图2可知：各处理凋落叶碳质量数总体均呈下降趋势，且分解前期(1−5月)下降较快，后期(5−11月)下降较慢。各处理凋落叶全氮质量分数变化趋势基本相同，整体上均呈先增加后降低的趋势，其中9月最高。各处理凋落叶全磷与全钾质量分数变化趋势相似，即在分解初期下降，之后整体上升，最后趋于平稳。
图 2 不同处理下大果木姜子凋落叶分解过程中养分的变化
Figure 2. Change of different treatments on nutrient content of C. migao leaves during decomposition
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由图3可以看出：由于碳元素主要以有机形式存在于凋落叶中，受淋溶影响，各处理碳残留率呈降低趋势，其中分解各时段3个施氮处理碳残留率整体上显著高于ck(P＜0.05)。ck的全氮残留率整体上呈先上升后下降再上升后下降趋势，各施氮处理的全氮残留率整体上呈先上升后下降趋势；1−7月，各处理全磷残留率呈先下降后升高再下降的趋势；7月之后，N1、N2、N3处理全磷的残留率趋于稳定，ck处理全磷残留率呈先上升后下降趋势。1−3月，各处理全钾残留率迅速降低，3月之后各处理全钾残留率总体呈增加趋势，整体表现为淋溶—富集—释放模式。
图 3 不同处理下大果木姜子凋落叶分解过程中元素残留率的变化
Figure 3. Change of different treatments on element residual rate of C. migao leaves during decomposition
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从图4可以看出：试验期间各处理C/N为24.60~177.51，整体表现出下降趋势。分解前期(1−7月) C/N下降速度较快，后期(7−11月)变化总体上比较平稳。在分解各时间段，ck的C/N基本高于其他各施氮处理。在试验前期(1−7月) ck处理与各施氮处理间有显著差异(P＜0.05)；试验后期(7−11月) ck组与N1、N2处理差异显著(P＜0.05)，与N3差异不显著(P＞0.05)。总体来看，添加氮降低了大果木姜子凋落叶的C/N。
图 4 不同处理下大果木姜子凋落叶分解过程中C/N的变化
Figure 4. Change of different treatments on C/N during decomposition of C. migao leaves
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凋落叶分解速率的大小受到气候、凋落叶分解质量、微生物类型及作用等条件的影响[8]。目前，关于氮添加对凋落物分解速率的影响主要分为促进、抑制和无影响3种，这主要取决于施氮量的高低及施氮时间的长短。O’ CONNELL[18]分析了施加外源氮对桉树Eucalyptus凋落物分解及养分含量变化的影响。研究结果表明：施氮处理下凋落物分解释放速率变慢。郑欣颖等[19]模拟外源氮添加对火力楠Michelia macclurei凋落叶分解影响，结果显示：氮添加会促进凋落叶的分解。樊后保等[20]通过对杉木Cunninghamia lanceo-lata人工林凋落物施加外源氮，结果出现了“低促高抑”现象。文海燕等[21]对长芒草Stipa bungeana和阿尔泰狗娃花Heteropappus altaicus进行凋落叶模拟氮沉降试验。结果发现：氮添加对2种植物凋落叶分解无影响。
本研究结果显示：氮添加对大果木姜子凋落叶分解具有一定的抑制作用。大果木姜子凋落叶质量年损失率表现为ck高于各施氮处理，其中N3处理质量损失率最低。这是因为试验过程中施加外源氮的量超过了试验样地土壤所需氮的阈值，从而使凋落叶分解过程中起主要作用的微生物分解效率降低，进而对凋落叶的分解表现出抑制作用[22-23]。凋落叶分解本身具有的养分特性也会使凋落叶在不同分解阶段表现出不同规律，通常为前期分解较快，后期变慢。这是因为分解初期凋落物自身养分含量较高，可通过养分流失调控分解速率；随着养分的流失，后期则通过难分解的木质素和纤维来调控养分分解，所以分解速率表现为前期大于后期，且随着时间推移逐渐变慢[21-23]。在本研究前期(3−9月)，大果木姜子凋落叶质量损失率迅速增加，主要是因为此时凋落叶的质量大，易分解物质含量高，导致凋落叶分解速率随着易分解物质的分解而加快；试验后期(9−11月)分解速率缓慢且质量损失率趋于平缓，这与后期凋落叶中易分解物质减少，难分解物质含量升高有关[24-25]。
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土壤是植被生长过程中主要矿质营养的来源，而凋落物分解释放的养分归还是土壤肥力的重要来源(植物生长发育过程中从土壤中吸收的养分70%~90%得益于凋落物的分解释放)[26]，因此，在森林生态系统中，凋落物的分解在植被养分循环过程中起着至关重要的作用。碳元素作为地球一切生命的基本单元，既是植物生长发育的基础又是维持植物生活的能量来源，氮和磷元素是氨基酸、核苷酸的重要组成元素，钾元素是调节细胞内外适宜渗透压和体液酸碱平衡，参与胞内糖和蛋白质代谢的重要阳离子。4种元素都是植物生命过程中不可缺少的[27-28]。研究表明：植物生长过程所需的养分分别有70%~80%的氮、65%~80%的磷和30%~40%的钾来自凋落物的分解释放[29]。
本研究中，5−11月各施氮处理碳质量分数显著低于ck(P＜0.05)，而氮质量分数表现相反。这是因为外源氮的添加使凋落叶中碳氮转化酶活性发生改变而影响两者的质量分数，且氮添加抑制了纤维素等物质的降解从而使凋落叶分解过程出现“碳封存”状态。凋落叶分解过程中，外界氮源的输入以及原生质素伴随自身固氮菌的侵入逐渐增加使氮质量分数增加[20]，因此，C/N随着分解时间变长而总体下降。试验期间，凋落叶中全磷、全钾变化不稳定，各处理差异显著。11月凋落叶全磷质量分数表现为N1、N2、N3处理高于ck，且N2、N3差异显著(P＜0.05)，说明氮添加促进了大果木姜子凋落叶中全磷质量分数的积累，且施加氮的量越大表现出的差异越显著(P＜0.05)。这与国内外多数研究结果相同，如BERG等[30]模拟氮沉降对樟子松Pinus sylvestris凋落叶养分分解影响研究表明：氮添加促进了凋落叶中全氮、全磷质量分数的积累。肖银龙等[31]模拟氮沉降对苦竹Pleioblastus amarus林凋落叶养分分解的研究同样表明：氮添加促进全氮、全磷的积累。本研究中，11月N1和N2处钾质量分数高于ck，而N3处理低于ck，说明添加过多的氮对凋落叶中全钾具有抑制作用，这是因为氮添加到土壤后，大量的氮以NO3−的形式淋失，为了达到土壤中养分电荷平衡，必然会带走等量的盐基离子(K+)[32-33]。
凋落物中的C/N一般比较高，不利于微生物的活动，而增施氮肥后有利于微生物数量的增加，从而促进凋落物的分解。本研究中土壤本身氮质量分数较高，再增施氮肥使其超过了“临界值”，打破了土壤中养分平衡，从而氮添加对大果木姜子凋落叶分解表现出抑制作用[22]。
综上所述，在氮添加的情况下，不利于大果木姜子凋落叶分解及养分的释放，其中N3处理作用更显著。凋落物分解后养分归还于土壤，再次作用于植物，但土壤养分输入对氮添加作何响应，还需进一步进行模拟探究。
Effects of nitrogen addition on decomposition and nutrient release of Cinnamomum migao litter leaves
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摘要:
目的 研究不同施氮水平对大果木姜子Cinnamomum migao凋落叶养分分解的影响。 方法 于2017年1月，以药用植物大果木姜子人工林凋落叶为研究对象，将凋落叶清洗风干后装入分解袋中，每袋10.00 g。试验期间放置在不同施氮处理[对照(ck，0 g·m−2·a−1)、N1(5 g·m−2·a−1)、N2(15 g·m−2·a−1)、N3(30 g·m−2·a−1)]样地中，每处理3个重复，分别于试验的3、5、7、9、11月采集凋落叶样品，测定凋落叶质量及养分质量分数的变化，分析氮沉降对大果木姜子凋落叶养分释放动态影响。 结果 凋落叶分解试验结束时，各施氮组凋落叶质量损失率整体小于ck，凋落叶残留率整体大于ck，且N2与ck差异不显著，N2、N3差异显著(P＜0.05)，ck、N1、N2、N3凋落叶分解95%时所需的时间分别为2.973、3.626、3.285、3.671 a；各处理凋落叶碳质量分数总体均呈下降趋势，全氮质量分数整体上均呈先增加后降低的趋势，全磷与全钾质量分数变化趋势相似，为分解初期下降，之后整体上升，最后趋于平稳；各处理凋落叶碳、全磷、全钾残留率总体呈降低趋势，全氮残留率整体上呈先上升后下降趋势。其中分解各时段各施氮处理碳残留率均显著高于ck (P＜0.05)；随着时间推移，ck处理氮的残留率呈先上升后下降趋势，各施氮处理的氮残留率整体上呈先上升后下降趋势；整个分解过程中各施氮组碳氮比均小于ck，且分解前期与ck表现出显著差异(P＜0.05)。 结论 添加氮不利于大果木姜子凋落叶的分解及养分的释放，且施氮越多抑制分解作用更显著。图4表1参33 Abstract:Objective This research aims to examine the effects of different nitrogen application levels on nutrient decomposition of Cinnamomum migao litter leaves. Method In January 2017, the litter leaves of the medicinal plant C. migao were taken as the research object. The leaves were washed, air dried and put into decomposition bags, 10.00 g each. Nitrogen treatments were designed as ck(0 g·m−2·a−1), N1(5 g·m−2·a−1), N2(15 g·m−2·a−1), and N3(30 g·m−2·a−1), and there were three repetitions for each treatment. The samples of litter leaves were collected in March, May, July, September and November, respectively. The quality and nutrient contents of the leaves were measured, and the dynamic effects of nitrogen deposition on nutrient release from the leaves were analyzed. Result At the end of litter decomposition experiment, the mass loss rate of litter leaves in all nitrogen application groups was lower than that of ck, the residue rate of litter was higher than that of ck. The difference between N2 and ck was not significant, but the difference between N2 and N3 was significant (P＜0.05). The time needed for 95% decomposition of ck, N1, N2 and N3 was 2.973, 3.626, 3.285 and 3.671 a, respectively. In the leaves of all treatments, the content of C decreased and the content of total N increased first and then decreased, while the content of total P and total K was similar, which decreased at the initial stage of decomposition, then increased as a whole, and finally stabilized. The residual rates of C, total P, total K in the leaves decreased, while the residue rates of total N increased first and then decreased. The residual rate of C in each nitrogen treatment was significantly higher than that of ck (P＜0.05). With the passage of time, the residue rate of N, which increased first and then decreased in ck treatment, showed an overall upward and then downward trend in each nitrogen application treatment. C/N ratio of each nitrogen application group was lower than that of ck in the whole decomposition process, and there was a significant difference between the early decomposition stage and ck (P＜0.05). Conclusion Nitrogen addition is not conducive to the decomposition and nutrient release of litter leaves. The more nitrogen is applied, the more obvious the inhibition of decomposition is.[Ch, 4 fig. 1 tab. 33 ref.] -
Key words:
- forest ecology /
- nitrogen deposition /
- Cinnamomum migao /
- litter decomposition /
- nutrient release
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生物质炭基肥是一种以生物质炭为基质，根据不同区域土地特点、不同作物生长特点以及科学施肥原理，添加有机质或无机质配制而成的生态环保型肥料。生物质炭具有微观孔隙结构、较大的比表面积和高吸附性等特点，这使得生物质炭基肥在优化土壤理化性质和调节土壤微生物群落及数量等方面效果显著[1]。研究表明：施用生物质炭基肥可以显著改善土壤的物理性状[2]，降低土壤容重[3]，增加田间持水量和透气性[4]，提高土壤pH和养分有效性[5]。在生产实践中，施用生物质炭基肥可实现化肥减施，提高当地烟农收益的目的[6−7]。根据不同用途，研究人员相继开发出多种生物质炭基肥类型，并已在北方壤土、砂土麦田和南方烟田进行应用[8]。
尽管生物质炭基肥在烤烟Nicotiana tabacum种植中已经得到一定的推广，但相关研究多集中在施用生物质炭基肥对烤烟地上部生长及养分积累方面[9−10]，而对烤烟根系发育及其与烤后烟化学品质关系的研究鲜有报道。重庆植烟区烟叶品质和地方性香韵特色突出，是中国烟叶的重要产区。近年来，随着有机肥的使用比例过少和土壤连作效应的增加，重庆植烟区土壤有效养分严重失衡，土壤酸化、黏化、贫瘠以及微生物群落结构恶化已经成为丞待解决的问题[11]。研究显示：重庆植烟土壤在2005年已经出现了严重的酸化现象[12]，有一半以上的土壤严重酸化，其中黔江县、丰都县的酸化土壤面积均达65%以上[13]，酸碱度适宜的土壤不到35%。因此，在生产中应采取增施生物质炭基肥、种植绿肥等措施加强对酸化土壤的治理，为优质烟叶的生产提供保障。本研究选用‘云烟116’N. tabacum ‘Yunyan 116’为材料，在重庆彭水县设置常规施肥、生物质炭基有机肥和生物质炭基复混肥大田试验，研究生物质炭基肥对烤烟根系发育、产量产值和化学品质的影响，以期为指导当地烤烟生产和提高烟农收益提供理论依据和技术支持。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
于2020年和2021年3—10月，在重庆市彭水县润溪镇重庆烟草科学研究所彭水试验站(29.14°N，107.96°E)开展研究。烟草种植制度为1年1熟，冬季休闲。该区属亚热带湿润季风气候，年均气温为17.5 ℃，年均降水量为1 241.0 mm。土壤类型为黄壤土，pH 5.4，有机质和有机碳质量分数分别为24.1和14.0 g·kg−1，碱解氮、速效磷、速效钾质量分数分别为88.8、12.8、147.8 mg·kg−1。
1.2 试验设计
大田试验选择肥力中等、地势平坦、无严重病害史的田块，采取完全随机设计，共设3个处理：①常规施肥(T1)。按照当地农户习惯，施农家肥2 250 kg·hm−2和烟草复合肥750 kg·hm−2；②生物质炭基有机肥(T2)。在T1处理基础上增施生物质炭基有机肥1 350 kg·hm−2；③生物质炭基复混肥(T3)。在农家肥2 250 kg·hm−2的基础上增施生物质炭基复混肥750 kg·hm−2。其中T1和T2处理中的烟草复合肥氮磷钾质量比为6∶12∶25，生物质炭基复混肥中的氮磷钾和生物质炭的质量比为8∶10∶20∶18，生物质炭基有机肥发酵原料含质量分数为85%的杏鲍菇渣和15%的生物质炭。各处理分别用尿素、过磷酸钙和硫酸钾补充配平，保证各处理氮磷钾肥用量相同。每个处理重复3次，共9个小区。生物质炭基有机肥和生物质炭基复混肥均由贵州金叶丰农业科技有限公司提供。供试品种为‘云烟116’，由重庆市烟草公司彭水县分公司提供。烟苗采用漂浮育苗，于5月上旬移栽，移栽密度为16 492 株·hm−2，移栽行距为120 cm，株距为50 cm，垄高为40 cm。其他田间管理按照规范化栽培技术进行。
1.3 样品采集与处理
1.3.1 根系样品采集与处理
分别在移栽后的30、60、90和120 d，选取每个处理具有代表性的烤烟3株，取烟株根系20 g在超低温冰箱−80 ℃内保存，用于测定生理指标，余下部分，在105 ℃下杀青15 min，65 ℃烘干至恒量后用粉碎机进行粉碎，过60目筛，装入封口袋保存，用于测定根系氮钾和烟碱质量分数。
1.3.2 烤后样品采集与处理
将移栽后120 d的烟叶从下部叶自下而上进行采收，采收后按照小区进行统一编杆烘烤。依据GB 2635—92对烘烤后的烟叶样品进行分级，每处理分别取上部叶、中部叶和下部叶烟叶各2.5 kg，置于65 ℃烘箱烘至恒量，粉碎过60目筛，用于测定烤后烟叶的化学成分。
1.4 测定项目及方法
1.4.1 根系生理活性指标
根系活力采用改良氯化三苯基四氮唑法测定[14]；根系氮质量分数采用凯氏定氮法测定，根系钾质量分数采用火焰光度计法测定，根系烟碱质量分数采用提取脱色法测定[15]。
1.4.2 经济性状指标
各处理小区烟叶单独采收编杆，单独计产量。待烟叶全部采收烘烤完毕后，依照GB 2635—1992对烤后烟叶进行分级，计算产值、产量与上等烟比例。
1.4.3 化学品质指标
分别测定分析各处理烤后烟叶的常规化学成分(质量分数)[16]。全氮采用凯氏定氮法测定；总糖和还原糖采用3,5-二硝基水杨酸(DNS)比色法测定；烟碱采用提取脱色法测定；氯离子采用浸提法(热蒸馏水法)测定；全钾采用火焰光度计法测定。
1.5 数据统计与分析
使用Excel整理数据，采用SPSS 22.0对烤烟的根系活力、根条数、根系氮、钾和烟碱质量分数以及烤后烟的经济性状和化学品质等进行多重比较和相关分析，其中多重比较采用Duncan的SSR检验法(显著性水平为0.05)，相关分析采用Pearson相关系数中的双尾检验，采用Origin 2021绘图。
2. 结果与分析
2.1 不同生物质炭基肥对烤烟根系性状的影响
2.1.1 不同生物质炭基肥对烤烟根系活力的影响
由图1可知：随着烟株移栽时间的延长，3个处理的根系活力均呈先上升后下降的抛物线式变化，以移栽后60 d时最高，移栽后120 d时最低。在移栽后30 d时，3个处理的烟株根系活力无显著差异。在移栽后60 d时，T2处理的根系活力较T1处理显著提高(P＜0.05)。在移栽后90 d时，T2与T3处理的根系活力无显著差异，但较T1处理分别显著提高了46.8%和34.4%(P＜0.05)。在移栽后120 d时，T2处理的根系活力与T3和T1处理差异显著(P＜0.05)。生物质炭基肥可以提高烟株根系活力，总体上以T2处理效果最好。
图 1 移栽后不同生物质炭基肥处理下烤烟根系活力的变化Figure 1 Change of root activities of flue-cured tobacco under different biochar-based fertilizers after transplantation2.1.2 不同生物质炭基肥对烤烟根条数的影响
如表1所示：烟株的侧根条数在移栽后的30 d时，3个处理间无显著性差异。在移栽后60 d时，T2和T3处理的侧根条数显著高于T1处理(P＜0.05)。在移栽后90 d时，3个处理侧根条数从大到小依次为T3、T2、T1，T3处理相比T1处理增加了17.5% (P＜0.05)。在移栽后120 d时，T2和T3处理比T1处理提高14.7%和26.4% (P＜0.05)。
表 1 移栽后不同生物质炭基肥处理下烤烟根条数的变化Table 1 Change of root number of flue-cured tobacco under different biochar-based fertilizers after transplantation移栽后时间/d 处理 侧根/条 不定根/条 30 T1 13.8±4.1 a 62.4±1.3 b T2 14.3±1.2 a 74.9±2.6 a T3 15.4±0.8 a 76.6±3.1 a 60 T1 17.5±1.4 b 89.2±1.5 c T2 22.7±2.9 a 117.2±1.9 b T3 24.7±1.6 a 136.6±2.0 a 90 T1 25.7±3.8 b 59.0±4.8 c T2 26.3±1.0 ab 68.6±0.5 b T3 30.2±2.4 a 75.0±3.3 a 120 T1 23.1±1.3 b 44.8±0.8 b T2 26.5±1.6 a 54.7±1.5 a T3 29.2±1.7 a 53.3±1.9 a 说明：不同字母表示同时间不同处理间差异显著(P＜0.05)。 移栽后30 d时，T2和T3处理烟株的不定根条数均高于T1处理，且与T1处理呈显著差异(P＜0.05)。移栽后60和90 d时，3个处理的不定根条数从大到小依次为T3、T2、T1，且3个处理间均存在显著差异(P＜0.05)。移栽后120 d时，以T2处理的不定根条数最多，其次为T3处理，最后为T1处理，且T2、T3与T1处理差异达显著水平(P＜0.05)。总体上，烟株的侧根条数和不定根条数以T3处理最多。
2.1.3 不同生物质炭基肥对烤烟根系钾、氮和烟碱质量分数的影响
由图2可以看出：3个处理根系钾质量分数随烟株的生长呈逐渐下降趋势。移栽后30和60 d时，T2和T3处理的烟株根系钾质量分数均高于T1处理，其中T3处理显著高于T1处理(P＜0.05)。移栽后90和120 d时，3个处理的烟株根系钾质量分数无显著差异。
图 2 不同生物质炭基肥对根系钾质量分数的影响Figure 2 Effects of different biochar-based fertilizers on potassium contents in roots从图3可见：在移栽后的30~90 d，T3和T1处理的烟株根系氮质量分数均高于T2处理。其中在移栽后30 d时，T3与T2处理烟株根系氮质量分数差异显著(P＜0.05)，在移栽后60 d时，3个处理之间的根系氮质量分数差异不显著。在移栽后90 d时，T1和T3处理根系氮质量分数均显著高于T2处理(P＜0.05)，而在移栽后120 d时，T2处理根系氮质量分数最高，且与T1处理差异显著(P＜0.05)。
图 3 不同生物质炭基肥对根系氮质量分数的影响Figure 3 Effects of different biochar-based fertilizers on nitrogen contents in roots图4表明：3个处理的烟碱质量分数均在移栽后90 d时达最高值。移栽后30 d时，3个处理的根系烟碱质量分数无显著差异。移栽后60 d时，以T3处理烟株根系的烟碱质量分数最高，且显著高于T1与T2处理(P＜0.05)。移栽后90 d时，仍以T3处理最高，且与T2处理间差异显著(P＜0.05)。移栽后120 d时，T1和T3处理降幅较大，以T2处理烟碱质量分数最高，且与T1处理间差异显著(P＜0.05)。
图 4 不同生物质炭基肥对根系烟碱质量分数的影响Figure 4 Effects of different biochar-based fertilizers on nicotine contents in roots2.2 不同生物质炭基肥对烤后烟产量和品质的影响
2.2.1 对烤后烟经济性状的影响
从表2可见：T2处理的烟叶产量最高，比T1处理高16.9% (P＜0.05)。T3与T1处理差异不显著，但比T1处理增加了11.4%。3个处理的产值与产量从大到小依次为T2、T3、T1。3个处理间的均价差异不显著(P＞0.05)，其中T2和T3处理的均价高于T1处理。各处理间的上中等烟比例差异显著(P＜0.05)，其中以T2处理最高，其次为T3处理，最后为T1处理。总体上，与T1处理相比，T2和T3处理的产量、产值、均价和中上等烟比例均呈增加趋势，整体以T2处理效果最佳，说明施用生物质炭基肥对烤后烟的产量产值及上中等烟比例均有明显的促进作用。
表 2 不同生物质炭基肥处理下烤后烟经济性状的比较Table 2 Comparison of economic traits of different biochar-based fertilizer treatments处理 产量/
(kg·hm−2)产值/
(万元·hm−2)均价/
(元·kg−1)上中等烟
比例/%T1 1 933 b 5.3 b 27.4 a 83.1 c T2 2 260 a 6.5 a 28.5 a 86.0 a T3 2 153 ab 6.0 ab 28.0 a 84.6 b 说明：同列不同字母表示差异显著(P＜0.05)。 2.2.2 对烤后烟化学品质的影响
烟叶内在化学成分及其协调性是衡量烤烟品质的重要指标[17]。由表3可知：T2处理烤后烟上部叶中的氯离子、还原糖、烟碱质量分数最高，且糖碱比高于其他2个处理。但T3处理的烤后烟叶的钾和总氮质量分数较为突出，在3个处理中钾氯比和氮碱比最高。T1处理的总糖质量分数占比最高，与T2、T3处理差异显著(P＜0.05)。T2处理烤后烟中部叶的氯离子、还原糖、总糖和烟碱质量分数仍然最高，其中，3个处理的上部叶和中部叶的氯离子质量分数均差异显著(P＜0.05)，且T2和T3处理的还原糖质量分数均差异显著(P＜0.05)。T3处理的钾和总氮质量分数最高，与T1处理差异显著(P＜0.05)，T3处理的钾氯比和氮碱比最高，与其他2个处理差异显著(P＜0.05)，糖碱比则以T1处理最高。烤后烟下部叶中3个处理的氯离子、烟碱和总氮质量分数及钾氯比差别不显著，但钾、还原糖和总糖质量分数均以T2处理最高，且与T1或T3处理差异显著(P＜0.05)，氮碱比则以T1处理最高。
表 3 烤后烟叶化学成分比较Table 3 Comparison of chemical composition of flue-cured tobacco等级 处理 氯/% 钾/% 钾氯比 还原糖/% 总糖/% 烟碱/% 糖碱比 总氮/% 氮碱比 上部叶 T1 0.24 c 1.51 b 6.43 b 19.82 ab 27.35 a 2.44 a 8.12 a 2.73 a 1.07 a T2 0.28 a 1.51 b 5.41 c 20.73 a 25.61 b 2.55 a 8.13 a 2.57 b 0.97 b T3 0.26 b 1.90 a 7.32 a 17.74 b 23.17 c 2.61 a 6.80 b 2.89 a 1.11 a 中部叶 T1 0.35 c 1.65 b 4.75 b 21.84 a 28.01 a 2.18 b 10.02 a 2.31 b 0.93 b T2 0.40 a 1.70 b 4.23 b 22.39 a 28.64 a 2.56 a 8.75 b 2.46 ab 0.96 b T3 0.37 b 2.09 a 5.63 a 20.58 b 27.66 a 2.17 b 9.48 ab 2.74 a 1.11 a 下部叶 T1 0.31 a 1.91 b 6.12 a 20.87 b 31.21 ab 1.86 a 11.22 b 2.15 a 0.92 a T2 0.33 a 2.53 a 7.57 a 24.66 a 32.43 a 1.89 a 13.05 a 2.02 a 0.87 b T3 0.34 a 2.18 b 6.53 a 21.39 b 28.89 b 1.93 a 11.08 b 2.10 a 0.87 b 说明：不同字母表示同等级不同处理间差异显著(P＜0.05)；氯、钾、还原糖、总糖、烟碱、总氮均为质量分数。 2.3 烤烟根系生长指标与烟叶化学品质指标的相关分析
相关分析(表4)可知：移栽后30 d时，根系钾与烟叶氯离子呈显著正相关(P＜0.05)；移栽后60 d时，烟叶钾与根系活力呈显著正相关(P＜0.05)，与氮碱比呈显著负相关(P＜0.05)，根系氮与烟叶总氮呈显著正相关(P＜0.05)，但与烟叶钾呈显著负相关(P＜0.05)；移栽后90 d时，根系烟碱与烟叶总氮呈显著负相关(P＜0.05)，与烟叶钾氯比呈显著正相关(P＜0.05)，而根系氮与烟叶还原糖呈显著负相关(P＜0.05)；移栽后120 d时，根系烟碱与烟叶钾呈显著正相关(P＜0.05)。根系钾与烟叶总糖呈显著正相关(P＜0.05)，根系氮与烟叶钾氯比呈极显著正相关(P＜0.01)。
表 4 烤烟根系性状与烟叶化学品质的相关分析Table 4 Correlation analysis of flue-cured tobacco root traits and chemical properties移栽后时间/d 根系性状 烟叶化学成分 还原糖 总糖 总氮 钾 烟碱 糖碱比 氮碱比 钾氯比 氯离子 30 根系活力 0.395 −0.410 −0.621 0.665 0.936 0.213 0.970 0.528 0.996 烟碱 −0.835 −0.970 0.663 −0.618 0.512 −0.924 0.068 −0.743 0.262 钾 0.252 −0.543 −0.496 0.545 0.978 0.064 −0.923 0.394 0.998* 氮 −0.899 −0.930 0.754 −0.714 0.397 0.966 0.196 −0.823 0.135 60 根系活力 0.919 0.332 −0.99 0.997* 0.434 0.828 −0.870 0.968 0.660 烟碱 −0.075 −0.785 −0.188 0.245 0.993 −0.263 −0.748 0.076 0.924 钾 0.573 −0.216 −0.767 0.803 0.844 0.407 −0.999* 0.690 0.957 氮 −0.955 −0.428 0.999* −0.999* 0.339 −0.882 0.814 −0.989 −0.579 90 根系活力 0.789 0.081 −0.922 0.943 0.649 0.658 −0.967 0.872 0.830 烟碱 0.976 0.499 −0.999* 0.995 0.262 0.917 −0.765 0.998* 0.512 钾 −0.858 −0.201 0.962 −0.976 −0.552 −0.745 0.929 −0.925 −0.756 氮 −0.999* −0.698 0.957 −0.939 −0.015 −0.987 0.582 −0.984 −0.284 120 根系活力 0.958 0.860 −0.849 0.817 −0.245 0.995 −0.350 0.903 0.024 烟碱 0.922 0.339 −0.991 0.997* 0.427 0.832 −0.866 0.970 0.655 钾 0.616 0.997* −0.389 0.335 −0.759 0.754 0.254 0.491 −0.556 氮 0.989 0.562 −0.993 0.984 0.189 0.944 −0.715 0.999** 0.446 说明：*表示P＜0.05；**表示P＜0.01。 综合来看，根系性状与化学品质之间在移栽后存在不同的相关关系，且在移栽后60、90和120 d时更为突出，根系钾和氮与烤后烟的化学品质指标相关性均达到显著水平(P＜0.05)。在移栽后90和120 d时，根系烟碱与化学品质指标相关性同样也达到显著水平(P＜0.05)。
3. 讨论
根系不仅是作物吸收水分和养分的重要器官，也是激素、氨基酸和有机酸等生物大分子的合成器官，其形态建成和生理功能将直接影响作物地上部分的生长发育、产量和品质[18]。不仅如此，对于烤烟来说烟株根系还是次生代谢产物烟碱的重要合成器官，其生长发育状况对烤烟品质有直接影响。在烤烟的生产实践中，烟株的主根长度、须根条数、根总体积和根尖数等根系形态指标与烤烟农艺性状表现出显著正相关[19]。本研究表明：T2和T3处理烟株的根系活力相比常规施肥均有所提升，其中T2处理的根系活力最高，这与韩毅等[20]的研究结果一致；另外，也有研究表明：添加生物质炭可以有效提高烟株的根系活力[21]。这说明生物质炭和生物质炭基肥本身具有的多孔和大比表面积结构有利于土壤通气性的增加，这对烟株根系活力的提高起到重要的调控作用。与此同时，施用生物质炭基肥能够显著增加烟株的不定根条数与侧根条数，这表明生物质炭基肥能够对烟株根系发育提供良好的生态环境[22−23]。根系钾和总氮质量分数均随着烟株的生长而逐渐降低，生物质炭基肥处理相比T1处理的降幅较小，可能是生物质炭具有缓释氮肥的作用，从而保证了烤烟各生长期所需的氮肥量，但要注意与氮肥的配施比例[24]。根系烟碱质量分数则在移栽后90 d达到峰值，可能与打顶后烟株体内的激素平衡状态被破坏有关，这与范江等[25]的研究结果一致。烟株的根系生长受到刺激，其生物量显著高于未打顶的烟株，发达的根系可促进烟株对养分的吸收。根系是合成烟碱的主要部位，打顶后烟株合成烟碱的能力大幅提升，进而提高烟株的烟碱积累量[26]。除了能够改善土壤的通透性之外，生物质炭基肥还含有丰富的大量元素与微量元素，从而为烟株根系的生长发育、后期烤烟产量和品质提供了保障[27]。
生物质炭基肥对常见农作物的生长具有促进作用，可达到增产的目的[28]。本研究结果表明：施用生物质炭基肥显著增加了烤烟产量、产值、均价和上中等烟比例，其中以施用生物质炭基有机肥处理烟株的产量、产值最佳。王晓强等[29]研究表明：生物质炭基肥与氮肥配施可提高烟叶产量和中上等烟比例，从而提高烟叶的均价及产值。同时施用生物质炭基肥可减少氮素化肥的施用量，从而改善烟叶内在化学成分的协调性，增加中性致香物质[30]。从不同生物质炭基肥对烤后烟常规化学成分的影响来看，T2和T3处理对烤烟内在常规化学成分有显著的影响。其中T2处理能显著提高上中下部叶的还原糖质量分数及中下部叶的总糖质量分数，这与李青山等[31]的研究结果一致。上中部叶的氯质量分数高于其他处理，减低总氮和烟碱质量分数处于适中稳定的范围，从而提高糖碱比。糖碱比高，有助于提高烟叶的安全性，柔和烟气。中上部叶钾质量分数差异不明显，钾氯比变化不大；T3处理可提高上中部叶的钾质量分数、钾氯比、氮碱比和总氮质量分数，T3处理的全氮、烟碱质量分数较高，可能由于施用生物质炭基复混肥可减少土壤养分的淋溶损失有关。T3处理的氯离子质量分数高，可能与淋溶损失能力与生物质炭基复合肥的施用成正比有关。据烟叶采收后对中部烟叶化学成分的分析表明：T2和T3处理烟叶在各指标上都符合优质烟叶的标准，T1处理在优质烟叶协调性方面略差。这表明施用生物质炭基肥不但能够促进烤烟生长，而且能提高烟叶内在化学成分的协调性，改善烟叶品质。
4. 结论
施用生物质炭基肥能促进烤烟根系发育，有效提升烟株的根系活力，增加侧根和不定根条数，延缓根系钾、氮质量分数流失，提高烟株根系的烟碱积累量。同时，施用生物质炭基肥可增加烤烟的产量产值，提升烤后烟的化学品质。本研究的生物质炭基有机肥更有利于促进烤烟根系的生长发育，改善烤后烟叶化学成分质量分数，提高烤烟产量、产值、均价和中上等烟比例。
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图 1 不同处理下大果木姜子凋落叶质量损失率
Figure 1 Change of mass loss rate and residual rate of leaf litter of C. migao under the condition of different treatments
图 2 不同处理下大果木姜子凋落叶分解过程中养分的变化
Figure 2 Change of different treatments on nutrient content of C. migao leaves during decomposition
图 3 不同处理下大果木姜子凋落叶分解过程中元素残留率的变化
Figure 3 Change of different treatments on element residual rate of C. migao leaves during decomposition
图 4 不同处理下大果木姜子凋落叶分解过程中C/N的变化
不同小写字母表示同一时间不同处理间差异显著(P＜0.05)
Figure 4 Change of different treatments on C/N during decomposition of C. migao leaves
表 1 不同处理大果木姜子凋落叶质量残留率(y)随时间(x)变化的Olson模型
Table 1. Decomposition rate model of litter residue rate (y) with time (x) under different treatments
处理 分解方程 分解系数(K) 决定系数(R2) 相关系数(r) 显著性 凋落叶分解50%所需时间/月 凋落叶分解95%所需时间/a ck y=81.727e−0.085x 0.085 0.970 −0.944 0.005 8.155 2.973 N1 y=81.666e−0.067x 0.067 0.948 −0.940 0.005 10.045 3.626 N2 y=87.461e−0.076x 0.076 0.907 −0.963 0.002 9.120 3.285 N3 y=87.319e−0.068x 0.060 0.977 −0.951 0.004 10.193 3.671 
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