Effects of biochar and biochar-based fertilizer on forest growth and soil fertility
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摘要:目的
探究生物炭及生物炭基肥施用对火力楠Michelia macclurei生长、养分吸收和土壤肥力的影响，为促进生物炭基肥在林地养分管理上的应用提供科学依据。
方法以火力楠幼林为研究对象，设置不施肥(CK)和分别施用复合肥(CF)、稻壳生物炭(RB)、木屑生物炭(WB)、稻壳生物炭基肥(RBF)、木屑生物炭基肥(WBF) 6个处理，测定1年后火力楠的生长指标、Dickson质量指数、养分含量及土壤理化性质。
结果与CK相比，施用生物炭处理的火力楠根生物量、叶面积、叶N含量和根N累积量显著增加，增幅分别为59.1%~62.2%、44.7%~66.0%、29.5%~45.4%和68.6%~92.3%；施用复合肥和生物炭基肥的Dickson质量指数和全株N、P、K累积量显著增加，增幅分别为136.8%~192.2%、167.7%~267.4%、124.4%~224.5%和191.5%~265.5%，对火力楠生长的促进效果优于单施生物炭。与单施复合肥相比，生物炭基肥对植物生长和土壤改良均有促进作用，RBF处理火力楠SPAD值、土壤pH和速效K含量分别显著增加13.4%、6.2%和99.7%；WBF处理火力楠单株总生物量和P、K累积量显著增加31.5%、44.6%和22.1%，土壤容重显著降低17.3%。模糊隶属函数显示，各处理对火力楠的生长及土壤理化性质改善的综合评价排序为WBF > RBF > CF > WB > RB > CK。
结论生物炭和生物炭基肥均能改善土壤理化性质，有效促进火力楠的生长及养分吸收，其中木屑生物炭基肥的综合效果最佳，为林地养分管理提供了新途径。
Abstract:ObjectiveIn order to study the impacts of biochar and biochar-based fertilizer application on the growth, nutrient uptake, and soil fertility of Michelia macclure, and provide a scientific foundation for encouraging the use of biochar in nutrient management on forest land.
MethodTaking the young forest of M. macclure as the research object, six treatments were set up, including no fertilization (CK) and application of compound fertilizer (CF), rice husk biochar (RB), wood chip biochar (WB), rice husk biochar-based fertilizer (RBF), and wood chip biochar-based fertilizer (WBF). After one year, the growth indices, quality indices, nutrient contents, and soil physicochemical properties of M. macclurei were measured.
ResultCompared with CK, the biomass, leaf area, leaf N content, and root N accumulation of M. macclure treated with biochar significantly increased, with the increases of 59.1%−62.2%, 44.7%−66.0%, 29.5%−45.4%, and 68.6%−92.3%, respectively. The Dickson quality index and whole-plant N, P, and K accumulations increased significantly when compound and biochar-based fertilizers were applied, with the increases of 136.8%−192.2%, 167.7%−267.4%, 124.4%−224.5%, and 191.5%−265.5%, respectively. Moreover, the application of compound fertilizer and biochar-based fertilizers had a greater impact on the growth of M. macclurei than the application of biochar alone. Compared to application of compound fertilizer alone, the application of biochar-based fertilizer was found to promote both plant growth and soil improvement. The RBF treatment significantly increased the soil pH, soil quick-acting K content, and SPAD value by 13.4%, 6.2%, and 99.7% respectively, while the WBF treatment significantly increased the whole-plant P and K accumulations and total biomass by 31.5%, 44.6%, and 22.1% respectively, and the soil bulk density significantly decreased by 17.3%. The fuzzy affiliation function revealed that the overall impact of treatments on M. macclurei growth and enhancement of soil physicochemical qualities was evaluated in the following order: WBF > RBF > CF > WB > RB > CK.
ConclusionBoth biochar and biochar-based fertilizer can enhance soil physicochemical qualities and successfully encourage the growth and uptake of nutrients by M. macclurei, and wood chip biochar-based fertilizer yields the greatest overall results, which offers a novel approach for managing nutrients in forest areas.
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巴戟天Morinda officinalis别名巴戟、三蔓草、鸡肠风，是双子叶植物纲Dicotyledoneae、茜草目Rubiales、茜草科Rubiaceae多年生攀援木质藤本植物，是我国“四大南药”之一，以肉质根入药，其主要药效成分为寡糖、多糖蒽醌类、环烯醚萜类等活性物质[1-2]，具有补肝肾、强筋骨、祛风湿、抗衰老、抗肿瘤和治疗糖尿病、精神疾病以及细菌和病毒感染等作用[3-7]。巴戟天种植成本较高，且种植过程中存在开垦山林及乱采滥挖现象，这严重破坏了巴戟天的生长环境[8]。虽然巴戟天是第1批受到《广东省岭南中药材保护条例》保护的岭南药材，但其种植面积在逐年减少。土壤养分是影响巴戟天生长的重要环境因素之一，肉桂Cinnamomum cassia成林速度快，林内土壤动物、微生物种类更为丰富，可有效改善林地内土壤结构，从而提高土壤的肥力，营造出适宜巴戟天生长的种植环境[9]。
近年来，一些学者从巴戟天的药材化学成分及代谢组学[3, 10-12]、种植条件[13-14]、种植模式[15-16]等方面对巴戟天的有效成分含量进行比较研究，发现合理增加肉桂林种植地的光照量，可抑制藤苗生长，从而提高巴戟天肉质根的产量和有效成分积累，有效成分含量均随种植时间的延长呈上升趋势[16]。林下种植方式是控制种植地光照条件的重要途径之一，而且巴戟天林下种植具有较好的经济效益，解决了坡地连片种植带来的潜在山地环境破坏和水土流失问题，并且提高了巴戟天的产量和药效品质[8, 15]。这一林下生态种植方式为区域中药材的产业化发展提供了新思路。
广东省肇庆市德庆县是巴戟天的主产区，种植巴戟天有着悠久历史，是目前我国种植面积最大、产量最多和品质最好的巴戟天生产基地。本文研究了道地产区土壤养分和生长年限与巴戟天品质的关系，以及林下和非林下种植方式对巴戟天有效成分的影响，以期为巴戟天林下规范化种植提供基础数据和理论支持。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
本研究试验地位于广东省肇庆市德庆县，调查采样点分布于N 23°13′30″~N 23°17′37″，E 111°53′52″~E111°55′45″，海拔62~166 m。地处亚热带地区，热量丰富、雨热同期、夏长冬短，年平均温度20~25 ℃，年降雨量600~2 000 mm，土壤以红壤为主，其次是黄壤。德庆县当地农户种植的巴戟天有2个品种，分别是小叶品种‘黑幼籽’与大叶品种‘广宁特’，以小叶品种‘黑幼籽’最为常见。本次研究调查的品种均为‘黑幼籽’，种植密度普遍为株行距20 cm×30 cm，农家肥与大田复合肥为巴戟天施肥最常用肥料。大田复合肥的施肥量较低，通常为224~230 kg·hm−2，施肥频率为每年2~3次。
1.2 样品采集
于2018年10月，选取广东省德庆县高良镇以及邻近镇作为研究区域，根据该区域巴戟天种植面积和分布，选取18个具有代表性的非林下巴戟天种植点(表1)，调查分析土壤养分和种植年限对巴戟天寡糖含量的影响。另外，为了调查分析林下和非林下种植巴戟天的品质差异，在其中8个非林下巴戟天种植点的相邻林地上(相关信息见表2)，采集了林下种植点样品，巴戟天品种和种植年限以及土壤、坡度、坡向、海拔等均与对应的非林下种植点一致。在选定的地点，采用随机多点(5~8个点)采样法，在根系外围采集0~20 cm深的土壤，将土壤混匀并用四分法采集分析样品。土壤样品自然风干后，去除植物根系、落叶及石块等杂质，研磨，分别过1.00和0.25 mm筛，保存备用。同时在采样点随机整株挖取5株巴戟天。巴戟天肉质根用自来水清洗3次、去离子水润洗1次后，擦干。去除肉质根的木心部分，烘干，粉碎，过0.25 mm筛，待用。
表 1 道地产区非林下种植巴戟天采样点基本信息Table 1. Basic information of sample plot for no understory planting of Morinda officinalis in genuine producing areas采样点编号
Sample plot number经纬度
Longitude and latitude村或镇
Village or town生长年限
Growth year1 111°58′3″ E，23°18′25″ N 回村 Hui Village 1 2 112°2′12″ E，23°20′49″ N 莫村镇 Mocun Town 5 3 112°7′23″ E，23°20′51″ N 南田村 Nantian Village 4 4 112°2′20″ E，23°20′46″ N 莫村镇 Mocun Town 4 5 112°2′24″ E，23°20′47″ N 莫村镇 Mocun Town 2 6 112°2′22″ E，23°20′39″ N 莫村镇 Mocun Town 2 7 112°2′36″ E，23°20′44″ N 莫村镇 Mocun Town 5 8 112°5′49″ E，23°20′50″ N 荔枝村 Litchi Village 3 9 112°2′36″ E，23°20′53″ N 莫村镇 Mocun Town 5 10 112°2′39″ E，23°20′59″ N 莫村镇 Mocun Town 6 11 112°2′40″ E，23°21′0″ N 莫村镇 Mocun Town 2 12 112°2′54″ E，23°21′2″ N 莫村镇 Mocun Town 3 13 112°3′5″ E，23°21′23″N 莫村镇 Mocun Town 3 14 111°55′21″ E，23°15′55″ N 高良镇 Gaoliang Town 5 15 111°55′45″E，23°14′18″ N 榃浪村 Tanlang Village 5 16 111°55′11″ E，23°13′36″ N 中雄村 Zhongxiong Village 4 17 111°55′31″ E，23°13′42″ N 中雄村 Zhongxiong Village 4 18 111°54′54″ E，23°15′0″ N 年宅村 Nianzhai Village 5 表 2 林下种植巴戟天采样点基本信息Table 2. Basic information of sample plot for understory planting of Morinda officinalis采样点编号
Sample plot
number经纬度
Longitude
and latitude村或镇
Village
or town伴生植物
Associated plant透光度/%
Transparency生长年限
Growth
year1 111°55′45″E,
23°17′37″N降底村
Jiangdi Village杉木 Cunninghamia lanceolata、
马尾松 Pinus massoniana57.59 2 2 111°54′8″E,
23°17′34″N大揽村
Dalan Village火炬松 Pinus taeda、
山菅兰 Dianella ensifolia37.91 2 3 111°53′52″E,
23°15′29″N高良镇
Gaoliang Town肉桂 Cinnamomum cassia、
青皮竹 Bambusa textilis25.34 3 4 111°55′45″E,
23°14′18″N榃浪村
Tanlang Village肉桂 C. cassia、
马尾松 P. massoniana、
山苍子 Litsea cubeba35.89 5 5 111°55′31″E,
23°14′11″N榃浪村
Tanlang Village肉桂 C. cassia、火炬松 P. taeda、
五指毛桃 Ficus simplicissima36.15 5 6 111°55′11″E,
23°13′36″N中雄村
Zhongxiong Village杉木 C. lanceolata、
乌毛蕨 Blechnum orientale33.39 4 7 111°55′10″E,
23°13′30″N中雄村
Zhongxiong Village橄榄 Canarium album、
山麻黄 Psilopeganum sinense、
五指毛桃 F. simplicissima79.07 4 8 111°54′54″E,
23°15′0″N年宅村
Nianzhai Village阴香 Cinnamomum burmanni、
肉桂 C. cassia、荔枝 Litchi chinensis、
乌毛蕨 B. orientale61.38 5 1.3 样品分析
1.3.1 土壤养分含量分析
土壤样品的养分含量分析按照《土壤农化分析》[17]进行，具体为：称取10 g过1 mm筛的土壤，加入25 mL无二氧化碳去离子水浸提，利用pH计测定土壤pH；称取1 g过0.25 mm筛的土壤，采用凯氏定氮法测定土壤全氮含量；称取2 g过1 mm筛的土壤，采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量；称取1 g过0.25 mm筛的土壤，采用高氯酸−氢氟酸消煮−钼锑抗比色法测定土壤全磷含量；称取2 g过1 mm筛的土壤，采用氟化铵−盐酸浸提−钼锑抗比色法测定速效磷含量；称取0.25 g过0.25 mm筛的土壤，采用高氯酸−氢氟酸消煮−火焰光度法测定土壤全钾含量；称取5 g过1 mm筛的土壤，采用乙酸铵浸提–火焰光度法测定速效钾含量；称取0.5 g过0.25 mm筛的土壤，采用重铬酸钾氧化外加热法测定土壤有机质含量。
1.3.2 巴戟天肉质根品质成分分析
巴戟天肉质根全氮含量采用H2SO4−H2O2消煮−奈氏试剂比色法测定；全磷含量采用 H2SO4–H2O2 消煮−钼锑抗比色法测定；全钾采用H2SO4−H2O2消煮−原子吸收法测定。肉质根寡糖含量参照李倩[18]采用高效液相色谱–蒸发光散射法测定，通过峰面积计算样品中蔗糖、1−蔗果三糖、耐斯糖以及1F−果呋喃糖基耐斯糖的含量。
1.4 数据分析方法
试验数据采用Excel 2017和SPSS 25.0软件进行整理和统计分析，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)，用Duncan’s多重极差检验法比较巴戟天品质指标的差异性；土壤养分与巴戟天品质指标的相关性则采用Pearson法进行分析；林下和非林下品质指标之间的差异性采用配对样本t检验法进行比较。
在采用主成分分析法进行综合评价时，选取反映巴戟天品质综合评估值的n个指标为X1，X2，…，Xn，m 个生长年限和种植环境的n项指标构成原始数据矩阵X=[Xij]n×m，其中，Xij为第i个模式的第j项指标数据(i=1, 2, …，n；j=1, 2, …，m)，按公式(1)对原始数据进行标准化，从而消除量纲和数量级的影响，然后确定主成分，从总方差分析表选取累积贡献率≥ 85%的前p个主成分，按公式(2)在建立p个主成分和标准化变量的关系后，按公式(3)确定权重，用第k个主成分的贡献率与选取的p个主成分的总贡献率的比值确定每个主成分的权重，最后按公式(4)构造综合评价函数，根据前p个主成分及其权重构造综合评价函数[19]。
$${X_{ij}}^* = ({X_{ij}} - \overline {{X_j}} )/{S_j},$$ (1) 式中，Xij*是 Xij的标准化数据，
$\overline {{X_j}} $ 和Sj是第j个指标的平均值和标准差。$${Y_k} = {u_{{k_1}}}{\boldsymbol{X}}_1^* + {u_{{k_2}}}{\boldsymbol{X}}_2^* + \cdots + {u_{{k_m}}}{\boldsymbol{X}}_m^*,$$ (2) 式中，Yk是第k个主成分(k=1, 2, ···，p)，uk1~ukm分别为第k1~km个主成分的因子荷载，X1*~Xm*均为标准化后的样本矩阵。
$${\omega _k} = {\lambda _k}/\sum\limits_{k = 1}^p {{\lambda _k}} ,$$ (3) 式中，ωk为第k个主成分的权重，λk为第k个主成分的贡献率。
$$F = \sum\limits_{k = 1}^p {{\omega _k}{Y_k}} ,$$ (4) 式中，F为不同生长年限和种植环境的巴戟天品质综合评价得分，分值越高表明该条件下的巴戟天品质越好。
2. 结果与分析
2.1 道地产区土壤养分含量
广东省德庆县是巴戟天道地产区。由表3可知，所收集到的土壤样品pH在4.08~4.90之间，差异较小，说明巴戟天适合种植在酸性土壤中。土壤有机质质量分数大部分在26~46 g·kg−1之间，11号样品有机质质量分数达到75.15 g·kg−1。土壤全氮、全磷、全钾的含量差异较大，这可能与当地的自然环境、施肥情况密切相关。
表 3 巴戟天道地产区土壤pH和养分含量Table 3. Soil pH and nutrient content in genuine producing areas of Morinda officinalis样品序号
Sample
number土壤类型
Soil typepH
w/(g·kg−1) w/(mg·kg−1) 全氮
Total N全磷
Total P全钾
Total K有机质
Organic
matter碱解氮
Available N速效磷
Available P速效钾
Available K1 红壤 Red soil 4.45 1.55 0.43 14.60 26.95 153.60 5.80 123.55 2 红壤 Red soil 4.25 1.91 0.62 11.18 27.72 157.52 46.26 154.32 3 红壤 Red soil 4.33 2.53 0.22 8.58 33.86 197.31 3.04 66.55 4 红壤 Red soil 4.50 2.35 0.25 9.13 43.09 188.70 4.67 68.00 5 红壤 Red soil 4.18 1.66 0.41 12.47 40.50 169.55 27.29 99.43 6 红壤 Red soill 4.10 2.00 0.20 12.89 30.25 199.93 3.62 71.67 7 红壤 Red soil 4.52 2.11 0.46 18.21 26.82 168.97 12.47 89.65 8 红壤 Red soil 4.51 2.06 0.26 10.05 37.04 202.02 11.27 131.75 9 红壤 Red soil 4.40 2.09 0.25 9.99 37.12 175.84 6.47 142.88 10 红壤 Red soil 4.25 1.40 0.21 17.32 36.23 342.07 3.45 74.70 11 红壤 Red soil 4.18 4.08 0.33 11.16 75.15 230.14 12.27 90.12 12 黄壤 Yellow soil 4.12 2.41 0.47 14.63 46.04 225.33 29.39 186.59 13 黄壤 Yellow soil 4.25 2.07 0.32 12.33 46.31 192.76 24.72 140.38 14 红壤 Red soil 4.08 1.06 0.27 6.78 37.05 162.21 14.09 90.78 15 红壤 Red soil 4.56 0.88 0.49 9.65 23.64 78.15 17.85 123.57 16 红壤 Red soil 4.66 2.70 0.66 7.17 33.68 118.69 38.14 146.22 17 红壤 Red soil 4.69 1.31 0.76 6.75 32.77 118.48 41.00 151.24 18 红壤 Red soil 4.68 1.47 0.47 4.99 28.03 136.20 32.77 136.34 平均值 Mean 4.37 1.98 0.39 10.99 36.79 178.75 18.59 115.99 最小值 Minimum 4.08 0.88 0.20 4.99 23.64 78.15 3.04 66.55 最大值 Maximum 4.69 4.08 0.76 18.21 75.15 342.07 46.26 186.59 标准误差 Standard error 0.01 0.04 0.01 0.20 0.65 3.13 0.79 1.97 变异系数/% Coefficient of variation 4.71 36.73 42.21 33.12 31.66 31.48 76.44 30.59 2.2 巴戟天品质成分含量
巴戟天药材中全氮质量分数为2.81~12.30 g·kg−1，全磷质量分数为0.12~0.71 g·kg−1，全钾质量分数为6.13~13.20 g·kg−1；巴戟天药材中4种寡糖成分含量差异较大，蔗糖质量分数为34.06~76.16 g·kg−1，1−蔗果三糖质量分数为9.99~59.30 g·kg−1，耐斯糖质量分数为27.93~69.41 g·kg−1，符合2015年版《中华人民共和国药典》巴戟天干燥品耐斯糖含量不得少于2.0%的要求[20]；1F−果呋喃糖基耐斯糖质量分数为46.60~97.12 g·kg−1(表4)。
表 4 道地产区巴戟天肉质根全氮、全磷、全钾和寡糖含量Table 4. Total N, total P, total K and oligosaccharide contents of succulent root of Morindus officinalis in genuine producing areasw/(g·kg−1) 样品序号
Sample
number全氮
Total N全磷
Total P全钾
Total K蔗糖
Sucrose1−蔗果三糖
1-Kestose耐斯糖
Nystose1F−果呋喃糖基耐斯糖
1F- Fructo-
furanosaccharides1 3.97 0.26 6.47 54.35 24.62 52.62 80.44 2 9.22 0.60 11.61 57.72 29.51 43.25 57.77 3 7.32 0.33 9.16 50.73 12.58 27.93 46.60 4 4.30 0.31 6.36 50.04 16.65 48.37 74.99 5 3.97 0.23 11.82 52.18 14.44 51.72 85.78 6 4.75 0.26 9.69 57.43 21.47 49.55 75.85 7 5.93 0.38 13.20 46.25 10.64 29.77 47.46 8 4.09 0.22 8.28 59.65 21.73 51.75 81.96 9 5.96 0.56 10.80 57.72 19.69 42.22 67.56 10 7.90 0.34 10.64 65.43 28.93 37.91 55.72 11 6.30 0.42 8.26 51.73 18.17 42.33 69.34 12 12.30 0.68 13.19 76.16 34.97 43.91 58.06 13 9.84 0.71 11.65 56.42 21.83 46.15 72.50 14 2.81 0.22 6.47 46.33 9.99 31.85 53.77 15 8.77 0.47 6.13 34.06 40.60 62.00 95.48 16 11.70 0.61 9.31 46.49 46.79 65.46 97.12 17 12.33 0.54 9.05 45.33 59.30 69.41 95.10 18 11.99 0.12 6.58 34.09 42.18 58.77 87.70 平均值 Mean 7.41 0.40 9.37 52.34 26.34 47.50 72.40 最小值 Minimum 2.81 0.12 6.13 34.06 9.99 27.93 46.60 最大值 Maximum 12.33 0.71 13.20 76.16 59.30 69.41 97.12 标准误差 Standard error 0.18 0.01 0.13 0.56 0.76 0.65 0.92 变异系数/% Coefficient of variation 43.51 44.07 25.36 19.27 51.83 24.64 22.75 2.3 巴戟天品质与土壤养分含量的相关性分析
从相关性分析结果(表5)可以看出，土壤养分含量与巴戟天营养元素含量密切相关，其中，土壤全磷、速效磷、速效钾含量与巴戟天全氮含量均表现出极显著正相关关系，土壤速效钾含量与巴戟天全磷含量之间以及土壤全钾含量与巴戟天全钾含量之间均具有极显著正相关关系。土壤养分含量与巴戟天寡糖含量密切相关，其中，土壤碱解氮含量与巴戟天蔗糖含量呈极显著正相关关系，但却与耐斯糖和1F−果呋喃糖基耐斯糖含量呈显著负相关关系。土壤全磷、速效磷、速效钾含量与巴戟天1−蔗果三糖含量均表现出极显著正相关关系，与耐斯糖含量表现出极显著或显著正相关关系。值得注意的是，土壤pH与巴戟天营养元素没有显著相关关系，但与巴戟天寡糖呈显著相关关系，其中，土壤pH与蔗糖含量表现出极显著的负相关关系，与1−蔗果三糖、耐斯糖以及1F−果呋喃糖基耐斯糖含量均有显著或极显著的正相关关系，说明随着土壤pH的增加蔗糖含量降低，而1−蔗果三糖、耐斯糖与1F−果呋喃糖基耐斯糖含量却呈增加趋势。另外，土壤有机质含量与巴戟天品质指标之间相关关系不显著，说明土壤有机质含量对巴戟天品质影响不大。
表 5 巴戟天品质与土壤养分含量的相关性分析1)Table 5. Correlation analysis between Morinda officinalis quality and soil nutrient contents指标
Index全氮
Total N全磷
Total P全钾
Total K蔗糖
Sucrose1−蔗果三糖
1-Kestose耐斯糖
Nystose1F−果呋喃糖基耐斯糖
1F- FructofuranosaccharidespH 0.373 −0.027 −0.349 −0.595** 0.578* 0.596** 0.570* 全氮 Total N 0.012 0.246 0.213 0.279 −0.246 −0.223 −0.193 碱解氮 Available N −0.192 −0.079 0.345 0.712** −0.384 −0.554* −0.570* 全磷 Total P 0.651** 0.424 0.105 −0.303 0.749** 0.609** 0.455 速效磷 Available P 0.700** 0.455 0.241 −0.156 0.650** 0.513* 0.366 全钾 Total K −0.228 0.111 0.593** 0.570* −0.363 −0.431 −0.458 速效钾 Available K 0.645** 0.610** 0.254 0.178 0.614** 0.471* 0.324 有机质 Organic matter −0.079 0.179 0.086 0.313 −0.258 −0.193 −0.131 1)“*”和“**”分别表示达0.05和0.01水平的显著相关(Pearson法)
1) “*” and “**” indicate significant correlations at 0.05 and 0.01 levels, respectively (Pearson method)2.4 不同生长年限巴戟天的品质指标含量
本次调查采集的是非林下种植环境的18个样地，巴戟天的生长年限包含1至6年生。由于1年生和6年生的仅有1个样点，故仅分析2~5年生巴戟天肉质根的营养元素和寡糖含量。
2.4.1 不同生长年限巴戟天药材中的营养元素含量
由图1可见，随着巴戟天生长年限的增长，其药用部分肉质根对全氮、全磷、全钾吸收积累量呈现先升高后降低的趋势，整体表现为全钾>全氮>全磷。2年生巴戟天的全氮含量显著低于其他生长年限的，其他处理间的全氮含量没有显著性差异。全磷含量、全钾含量在不同生长年限之间无显著差异，但均在3年生时达到最大值，分别为0.54、11.04 g·kg−1。
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图 1 不同生长年限巴戟天药材营养元素含量各图中，柱子上方的不同小写字母表示生长年限间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)Figure 1. Nutrient element contents in Morinda officinalis of different growth yearsIn each figure, different lowercase letters on the columns indicate significant differences among different growth years (P<0.05, Duncan’s method)2.4.2 不同生长年限巴戟天药材中的寡糖含量
由图2可以看出，巴戟天生长年限不同，寡糖类成分含量各异。随着巴戟天生长年限的增加，蔗糖、1−蔗果三糖含量变化均呈现出先增加后下降的趋势。其中，蔗糖含量为3年生巴戟天最高，质量分数达到64.08 g·kg−1，显著高于其他生长年限的，同时，2年生巴戟天蔗糖含量显著高于4年生和5年生的，而4年生与5年生巴戟天的蔗糖含量之间无显著差异。在1-蔗果三糖含量上，4年生巴戟天显著高于2年生巴戟天(高出76.96%)，4年生巴戟天达到32.68 g·kg−1，与3年生、5年生巴戟天没有显著差异，2年生、3年生与5年生巴戟天之间无显著差异。不同生长年限的巴戟天在耐斯糖和1F−果呋喃糖基耐斯糖含量上没有显著差异。
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图 2 不同生长年限巴戟天寡糖含量各图中，柱子上方的不同小写字母表示生长年限间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)Figure 2. Oligosaccharide contents in Morinda officinalisof different growth yearsIn each figure, different lowercase letters on the columns indicate significant differences among different growth years (P<0.05, Duncan’s method)2.5 林下与非林下种植巴戟天品质及其主成分分析
2.5.1 林下与非林下种植巴戟天的营养元素和寡糖含量
由于生产上巴戟天收获年龄为4年生，故本研究选择4年生的林下与非林下种植的巴戟天进行品质分析。林下与非林下种植的巴戟天全磷含量与全钾含量差异显著(图3)，林下种植的巴戟天全磷含量比非林下种植巴戟天高44.79%，而全钾含量比非林下巴戟天低13.78%，全氮含量无显著差异。
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图 3 不同种植方式对4年生巴戟天营养元素含量的影响各图中，柱子上方的不同小写字母表示种植方式间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)Figure 3. Effects of different planting methods on nutrient element contents of 4-year-old Morinda officinalisIn each figure, different lowercase letters on the columns indicate significant differences between different planting methods (P<0.05, Duncan’s method)由图4可以看出，林下与非林下种植的巴戟天除耐斯糖含量没有显著差异外，其他寡糖含量间均有显著差异。其中，林下种植的4年生巴戟天蔗糖和1−蔗果三糖质量分数分别达到53.14和60.22 g·kg−1，分别高出非林下种植巴戟天32.49%和18.68%。而1F−果呋喃糖基耐斯糖含量却低于非林下巴戟天3.97%。
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图 4 不同种植方式对4年生巴戟天寡糖含量的影响各图中，柱子上方的不同小写字母表示种植方式间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)Figure 4. Effects of different planting methods on oligosaccharide content of 4-year-old Morinda officinalisIn each figure, different lowercase letters on the columns indicate significant differences between different planting methods (P<0.05, Duncan’s method)2.5.2 林下与非林下种植巴戟天品质的主成分分析
主成分分析是对多个变量进行统计分析的一类定量分析方法，通过分析主成分载荷值和得分可以看出不同样品之间的关系，也可以解释样品的特点、分组、相似性及差别[21-22]。将巴戟天品质指标转化为7个主成分，分析结果如表6。7种指标可以提取出2种主成分，累计贡献率为85.776%。
表 6 巴戟天品质指标的主成分初始特征值及累计贡献率Table 6. Initial characteristic values and cumulative contribution rates of principal components of Morinda officinalis quality index变量1)
Variable初始特征值 Initial eigenvalue 提取载荷平方和 Squared sum of extracted load 特征值
Eigen
value贡献率/%
Contribution
rate累计贡献率/%
Cumulative
contribution rate特征值
Eigen
value贡献率/%
Contribution
rate累计贡献率/%
Cumulative
contribution rateX1 3.264 46.632 46.632 3.264 46.632 46.632 X2 2.740 39.144 85.776 2.740 39.144 85.776 X3 0.776 11.079 96.855 X4 0.166 2.370 99.225 X5 0.043 0.609 99.834 X6 0.011 0.159 99.993 X7 0.000 0.007 100.000 1)X1：全氮；X2：全磷；X3：全钾；X4：蔗糖；X5：1–蔗果三糖；X6：耐斯糖；X7：1F–果呋喃糖基耐斯糖
1)X1: Total N; X2: Total P; X3: Total K; X4: Sucrose; X5: 1-Kestose; X6: Nystose; X7: 1F- Fructofuranosaccharides为了更好地解释各品质指标与成分因子之间的关系，将所提取的主成分因子进行旋转处理，使一个变量在较少的几个因子上有较高的载荷，其载荷值的大小反映各有效成分指标在主成分中的重要程度(表7)。通过主成分分析可知，前2个主成分反映了7个指标的大部分综合信息，用2个主成分评价不同种植方式下巴戟天品质的优劣是可行的。因此，可用营养因子(F1)、寡糖因子(F2)代替原来7个指标(X1~X7)对巴戟天的品质进行分析，得到巴戟天品质前2个主成分的线性关系式分别为：
表 7 巴戟天品质指标前2个主成分的载荷值Table 7. Load values of the first two principal components of Morinda officinalis quality index评价指标
Evaluation index载荷值 Loading value 第一主成分
The first principal component第二主成分
The second principal component全氮 Total N 0.41 −0.15 全磷 Total P 0.52 0.17 全钾 Total K −0.42 −0.11 蔗糖 Sucrose 0.36 0.45 1−蔗果三糖 1-Kestose 0.10 0.59 耐斯糖 Nystose −0.28 0.51 1F−果呋喃糖基耐斯糖 1F- Fructofuranosaccharides −0.42 0.36 F1=0.41X1+0.52X2−0.42X3+0.36X4+0.10X5−0.28X6−0.42X7，
F2= −0.15 X1+0.17X2−0.11X3+0.45X4+0.59X5+0.51X6+0.36X7。
以每个主成分对应的特征值的方差提取贡献率建立综合评价模型：
F=0.15X1+0.36X2−0.28X3+0.40X4+0.32X5+0.08X6−0.06X7。
计算林下与非林下种植方式下巴戟天品质的综合评分(表8)，得到不同种植方式下巴戟天品质特征的优劣顺序：7号样地林下种植巴戟天>6号样地林下种植巴戟天>6号样地非林下种植巴戟天>7号样地非林下种植巴戟天。说明，林下种植的巴戟天品质优于同条件下非林下种植的巴戟天。
表 8 4年生巴戟天品质指标前2个主成分得分与排名Table 8. Scores and rankings of the first two principal components in the quality index of 4-year-old Morinda officinalis采样点编号
Sample
plot number种植方式
Planting
method第一主成分
The first principal component第二主成分
The second principal component综合得分
Synthesis
score排名
Rank得分 Score 排名 Rank 得分 Score 排名 Rank 6 非林 No understory −1.58 4 1.09 2 −0.36 3 林下 Understory −0.33 2 1.43 1 0.48 2 7 非林下 No understory −0.87 3 −2.58 4 −1.65 4 林下 Understory 2.78 1 0.07 3 1.54 1 3. 讨论与结论
3.1 讨论
土壤理化性质是反映土壤养分的重要指标，土壤养分是植物生长发育的主要营养来源，同时也是创造优质高产必备的物质条件之一，研究其对巴戟天品质的影响有非常积极的意义。本研究表明，巴戟天品质与土壤养分关系密切，这与刘瑾等[23-24]的研究结果一致。药理研究显示，巴戟天寡糖具有抗抑郁功效，其主要发挥功能的糖分为四~七糖[25]，如耐斯糖(简称：四糖)、1−果呋喃糖基耐斯糖(简称：五糖)，土壤碱解氮与巴戟天蔗糖含量呈极显著正相关关系，但与耐斯糖和1F−果呋喃糖基耐斯糖呈显著负相关关系，故减少土壤碱解氮的含量有利于巴戟天抗抑郁成分的积累。而土壤全磷、速效磷、速效钾对巴戟天1−蔗果三糖、耐斯糖均表现出显著的正相关关系，表明提高土壤磷和钾的有效性，有助于促进巴戟天寡糖累积。土壤的酸碱性对巴戟天品质的影响较大，巴戟天更适合种植于弱酸性土壤中[26]，与研究发现弱酸性的红壤或棕壤较适宜巴戟天的生长一致[15]。土壤pH与巴戟天根部营养元素含量无显著相关性，与蔗糖含量呈现出极强的负相关性，而与另外其他3种寡糖之间具有正相关关系，说明当土壤呈弱酸性时，会降低巴戟天根部的蔗糖含量，但会提高1−蔗果三糖、耐斯糖与1F−果呋喃糖基耐斯糖含量。土壤有机质是土壤肥力的重要组成部分，能够使植株正常生长发育，保证植物在生长过程中的养分需求[27]，但与巴戟天品质指标没有显著相关性。
不同生长年限的林下种植巴戟天的1−蔗果三糖和耐斯糖含量均大于同年生的非林下巴戟天，说明林下巴戟天从土壤中获取的养分较非林下巴戟天的多，从而使更多的单糖转化为1−蔗果三糖与耐斯糖。随着巴戟天生长年限的增加，巴戟天营养元素及寡糖含量呈现先增加后减少的变化趋势。这与玉竹Polygonatum odoratum、川党参Codonopsis pilosula[28]等药用植物有效成分积累的趋势一致，这主要是因为巴戟天生长前期(第1~4年)通过植物光合作用不断贮存营养物质，而进入衰老期(第5年)后营养物质的消耗量大于累积量，导致有效成分含量下降。此外，巴戟天药材中发挥抗痴呆、抗抑郁、保护生殖系统等功效的成分主要是低聚糖[29-31]，而低聚糖需要由单糖在一系列酶的催化下才能逐渐被合成，只有经过种植年限的积累，低聚糖含量才会升高，且巴戟天药材种植4年后其有效药用成分均能满足《中华人民共和国药典》[20]巴戟天干燥品耐斯糖含量不得少于2.0%的要求，故4年生巴戟天获得的药材质量最佳。
通过对不同种植方式下同年生巴戟天品质特征进行分析，林下种植的4年生巴戟天全磷、蔗糖、1−蔗果三糖含量显著高于非林下种植的，全钾、1F−果呋喃糖基耐斯糖含量却显著低于非林下种植的，可能是因为植物营养元素与有效成分并不是独立发挥作用，各成分之间具有一定相关性[32]，从而导致不同种植方式对巴戟天品质特征物质含量有不同的促进作用。树林的郁闭度较大，为林下巴戟天提供了很好的遮荫效果，起到降温保湿的作用[33]，这是林下种植的巴戟天有效成分含量优于非林下种植巴戟天的原因之一。
3.2 结论
土壤养分对巴戟天肉质根养分和寡糖含量有不同的影响，其中土壤pH与蔗糖含量表现出极显著的负相关性，与 1−蔗果三糖、耐斯糖以及1F−果呋喃糖基耐斯糖含量呈显著正相关性。土壤全磷、速效磷、速效钾含量与1−蔗果三糖和耐斯糖含量呈显著正相关关系，表明在巴戟天生长过程中可以通过增加土壤速效磷与速效钾含量以提高其品质。不同生长年限的巴戟天肉质根全氮、全磷、全钾含量没有显著差异，而3年生巴戟天蔗糖含量显著高于其他生长年限的巴戟天，4年生巴戟天的1−蔗果三糖含量显著高于2年生巴戟天。林下与非林下种植的巴戟天肉质根全氮、全磷、全钾、蔗糖、1−蔗果三糖、耐斯糖和1F−果呋喃糖基耐斯糖含量无一致规律，但主成分分析法综合评分结果显示，林下种植巴戟天品质优于非林下种植的巴戟天。
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图 1 生物炭和生物炭基肥对火力楠生长的影响
CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥；各图中，柱子上方的不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05，Duncan’s 法)。
Figure 1. Effects of biochar and biochar-based fertilizer on the growth of Michelia macclurei
CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer; In each figure, different lowercase letters on columns indicate significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s method).
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图 2 生物炭和生物炭基肥对火力楠生物量的影响
CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥；各图中，柱子上方的不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05，Duncan’s 法)。
Figure 2. Effects of biochar and biochar-based fertilizer on the biomass of Michelia macclurei
CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer; In each figure, different lowercase letters on columns indicate significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s method).
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图 3 生物炭和生物炭基肥对火力楠Dickson质量指数的影响
CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥；柱子上方的不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05，Duncan’s 法)。
Figure 3. Effects of biochar and biochar-based fertilizer on the Dickson quality index of Michelia macclurei
CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer; Different lowercase letters on columns indicate significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s method).
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图 4 生物炭和生物炭基肥对火力楠叶面积和SPAD值的影响
CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥；各图中，柱子上方的不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05，Duncan’s 法)。
Figure 4. Effects of biochar and biochar-based fertilizer on the leaf area and SPAD value of Michelia macclurei
CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer; In each figure, different lowercase letters on columns indicate significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s method).
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图 5 生物炭和生物炭基肥对火力楠各部位养分含量的影响
CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥；各图中，相同植株部位柱子上方的不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05，Duncan’s 法)。
Figure 5. Effects of biochar and biochar-based fertilizer on the nutrient contents of various parts of Michelia macclurei
CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer; In each figure, different lowercase letters on the columns of the same plant part indicate significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s method).
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图 6 生物炭和生物炭基肥对火力楠各部位养分累积量的影响
CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥；各图中，相同植株部位柱子上方的不同小写字母表示处理间差异显著，不同大写字母表示全株养分累积量在处理间差异显著 (P<0.05，Duncan’s法)。
Figure 6. Effects of biochar and biochar-based fertilizer on the nutrient accumulations in various parts of Michelia macclurei
CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer; In each figure, different lowercase letters on the columns of the same plant part indicate significant differences among treatments, different capital letters indicate significant differences in nutrient accumulation of the whole plant among treatments (P<0.05, Duncan’s method).
表 1 稻壳生物炭(RB)和木屑生物炭(WB)的基本性质
Table 1 Basic properties of rice husk biochar (RB) and wood chip biochar (WB)
材料
Material容重/(g·cm−3)
Bulk
density毛管持水量/(g·kg−1)
Capillary
capacity总孔隙度/%
Total
porosity毛管孔隙度/%
Capillary
porosity非毛管孔隙度/%
Non-capillary
porosity通气孔隙度/%
Air
porositypH 电导率/(μS·cm−1)
Electrical
conductivityRB 0.50 971.06 81.31 48.08 33.23 72.39 10.17 2320 WB 0.34 1777.55 87.29 59.85 27.44 76.93 9.24 406 
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材料
Materialw/(g·kg−1) w/(mg·kg−1) 有机质
Organic matter全氮
Total N全磷
Total P全钾
Total K碱解氮
Alkali-hydrolyzable N速效磷
Available P速效钾
Available KRB 311.40 12.53 3.28 18.11 56.00 387.36 2761.22 WB 234.19 7.20 1.53 6.42 28.00 13.68 426.12
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表 2 生物炭和生物炭基肥对土壤物理性质的影响1)
Table 2 Effects of biochar and biochar-based fertilizer on soil physical properties
处理
Treatment容重/(g·cm−3)
Bulk density毛管持水量/(g·kg−1)
Capillary capacity总孔隙度/%
Total porosityCK 1.14±0.02a 335.16±21.29a 57.01±0.84b CF 1.10±0.04a 362.78±11.20a 58.31±1.40b RB 1.04±0.06ab 337.04±20.07a 60.58±2.29ab WB 0.93±0.03b 358.75±8.59a 65.09±1.09a RBF 1.01±0.05ab 352.51±16.61a 61.85±1.91ab WBF 0.91±0.06b 356.12±23.39a 65.65±2.44a 1) CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥；同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05，Duncan’s 法)。
1) CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer; Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s method).
下载: 导出CSV
表 3 生物炭和生物炭基肥对土壤化学性质的影响1)
Table 3 Effects of biochar and biochar-based fertilizer on soil chemical properties
处理
TreatmentpH w/(g·kg−1) w/(mg·kg−1) 有机质
Organic matter全氮
Total N全磷
Total P全钾
Total K碱解氮
Available N速效磷
Available P速效钾
Available KCK 4.33±0.04ab 25.35±6.92a 1.99±0.16a 0.17±0.01bc 14.02±0.56b 109.08±9.55a 18.70±5.02a 101.20±15.12b CF 4.21±0.08b 38.19±3.84a 2.09±0.18a 0.21±0.01abc 15.48±1.85ab 118.42±7.65a 29.22±15.93a 101.15±6.43b RB 4.41±0.05a 31.30±6.53a 2.04±0.22a 0.23±0.03abc 16.26±2.05ab 106.75±8.81a 42.27±14.29a 104.52±9.32b WB 4.40±0.03a 38.24±3.41a 2.35±0.23a 0.30±0.04a 14.78±0.80ab 128.92±5.09a 34.64±15.51a 100.76±7.26b RBF 4.47±0.06a 37.42±4.11a 2.17±0.10a 0.25±0.02ab 18.63±1.13ab 110.25±9.26a 54.08±18.19a 201.99±46.49a WBF 4.31±0.02ab 40.16±2.43a 2.17±0.10a 0.14±0.06c 19.43±1.97a 127.75±6.15a 39.54±11.11a 105.20±4.55b 1) CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥；同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05，Duncan’s 法)。
1) CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer; Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s method).
下载: 导出CSV
表 4 生物炭和生物炭基肥对火力楠生长和土壤性质的隶属函数值1)
Table 4 Membership function values of biochar and biochar-based fertilizer on the growth and soil properties of Michelia macclurei
指标 Index CK CF RB WB RBF WBF 株高增长量 Plant height increment 0.05 0.40 0.30 0.19 0.43 0.81 地径增长量 Ground diameter increment 0.13 0.58 0.49 0.41 0.60 0.87 冠幅增长量 Crown width increment 0.14 0.61 0.42 0.38 0.52 0.96 总生物量 Total biomass 0.03 0.49 0.24 0.24 0.53 0.75 Dickson质量指数 Dickson quality index 0.06 0.66 0.32 0.36 0.61 0.84 叶面积 Leaf area 0.07 0.45 0.49 0.69 0.55 0.85 SPAD值 SPAD value 0.09 0.55 0.66 0.62 0.94 0.65 氮含量 N content 0.03 0.66 0.38 0.45 0.38 0.60 磷含量 P content 0.43 0.46 0.38 0.50 0.63 0.63 钾含量 K content 0.28 0.93 0.48 0.33 0.74 0.77 氮累积量 Accumulation of N 0.02 0.45 0.21 0.22 0.43 0.66 磷累积量 Accumulation of P 0.05 0.48 0.23 0.27 0.62 0.83 钾累积量 Accumulation of K 0.06 0.63 0.27 0.23 0.61 0.82 容重 Bulk density 0.11 0.20 0.36 0.67 0.45 0.71 总孔隙度 Total porosity 0.11 0.20 0.36 0.67 0.45 0.71 pH 0.53 0.29 0.68 0.67 0.80 0.50 有机质含量 Organic matter content 0.41 0.80 0.59 0.80 0.77 0.86 碱解氮含量 Available N content 0.36 0.56 0.31 0.79 0.38 0.77 速效磷含量 Available P content 0.15 0.30 0.49 0.38 0.67 0.45 速效钾含量 Available K content 0.13 0.13 0.15 0.13 0.58 0.15 平均值 Average 0.16 0.49 0.39 0.45 0.58 0.71 综合排序 Comprehensive ranking 6 3 5 4 2 1 1) CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥。
1) CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer.
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