生物炭配施對(duì)芳樟精油產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

丁 樂(lè)， 楊 弋，倪 輝，孫維紅，王一帆，鄒雙全

（福建農(nóng)林大學(xué) a. 林學(xué)院；b. 自然生物資源保育利用福建省高校工程研究中心，福建 福州 350000）

芳樟Cinnamomum camphoravar.linaloolifera為樟科Lauraceae 樟屬Cinnamomum常綠大喬木，主要分布在我國(guó)東南沿海地區(qū)，以精油含量高著稱[1]。芳樟精油作為芳樟主要林產(chǎn)品，富含芳樟醇、桉葉素、樟腦、松油醇等成分[2-3]。其中芳樟醇在藥用方面具有鎮(zhèn)痛、抗焦慮、鎮(zhèn)靜催眠、降壓保肝和局部麻醉等作用，也是化妝品、香料等的主要原材料[4-5]，應(yīng)用前景十分廣闊。因芳樟具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，導(dǎo)致天然芳樟在20 世紀(jì)被人們隨意采伐，其自然群體破壞嚴(yán)重。此后，我國(guó)開始種植芳樟人工林，但芳樟人工林的經(jīng)營(yíng)管理粗放，連年掠奪性采收使其生長(zhǎng)力和品質(zhì)隨栽培年限的增加明顯下降，且人工合成的芳樟醇為右旋體，價(jià)值較天然的左旋體芳樟醇降低[5]，所以市場(chǎng)對(duì)天然芳樟醇日益增長(zhǎng)的需求使供需矛盾不斷加劇。因此，為了提高市場(chǎng)供給能力和保護(hù)天然芳樟林，急需提升現(xiàn)有的芳樟油用林的生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。以往研究表明，氮磷鉀合理配方施肥可以促進(jìn)芳樟生長(zhǎng)并提高枝葉中精油的含量，但過(guò)多的氮磷鉀肥可能導(dǎo)致植物生物量的降低[6-9]；生物炭因能改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤活性，提高肥力，從而促進(jìn)作物產(chǎn)量的提高[10]，但生物炭和氮磷鉀肥料的配方施肥對(duì)芳樟精油產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究目前鮮有報(bào)道。為實(shí)現(xiàn)油用芳樟林的持續(xù)經(jīng)營(yíng)，本研究以2 年生MD1 芳樟油用林為研究對(duì)象，進(jìn)行生物炭和氮磷鉀肥配施試驗(yàn)，研究生物炭配施對(duì)芳樟生長(zhǎng)及精油產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，旨在提高芳樟林的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于福建省安溪半林國(guó)有林場(chǎng)（24°55′～25°00′N，117°57′～118°01′E），為桉樹采伐更新跡地，坡度較緩，屬于亞熱帶季風(fēng)型氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤(rùn)，年均氣溫18.5℃，最高氣溫39℃，最低氣溫0℃，全年無(wú)霜期260 d，年平均降水量1 600 ～1 800 mm。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為2 年生未采收芳樟無(wú)性系MD1油用林，造林時(shí)間為2017 年6 月，保留密度為6 000 株/hm2，底肥施用尿素、過(guò)磷酸鈣、氯化鉀含量都為15%的復(fù)合肥0.20 kg（有效成分45%），2018 年4—5 月，中耕除草后施用尿素、過(guò)磷酸鈣、氯化鉀含量都為15%的復(fù)合肥0.10 kg（有效成分45%），此時(shí)地徑、株高分別為15.8 mm、77.11 cm。

供試生物炭由鄭州牛特農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司生產(chǎn)，原料為秸稈，熱裂解溫度為450℃，pH 值（50 g/L）8.65，粒徑1.5 ～2.0 mm，有機(jī)碳含量為404.02 g/kg，全N 為8.48 g/kg，全P 為2.31 g/kg，全K 為15.3 g/kg。肥料為：尿素（總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%，全N 為0.94%)、過(guò)磷酸鈣（P2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，全P 為0.58%）、氯化鉀（K2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，全K 為3.05%）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用4 因素3 水平L9(34)正交法設(shè)計(jì)9 個(gè)處理樣地和1 個(gè)對(duì)照樣地（CK），每個(gè)樣地（10 m×10 m）含60 株芳樟，確定樣地時(shí)選取芳樟大小基本一致、健康無(wú)病蟲害的地塊。試驗(yàn)共包含4 種肥料，每種肥料設(shè)置3 個(gè)水平（1、2、3），2019 年6 月1 日按表1 的施肥方案對(duì)10 個(gè)樣地進(jìn)行施肥，施肥量的設(shè)定參照前人研究[11-12]和課題組前期研究確定，施肥方式為沿樹冠兩側(cè)滴水線挖環(huán)狀溝，深20 ～30 cm，均勻混合土壤和肥料后覆土填平。

表1 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)因素與水平?Table 1 L9(34) orthogonal experiment factors and levels

1.4 測(cè)定指標(biāo)和方法

生物量的測(cè)量：施肥180 d 后從每個(gè)樣地中連根挖掘10 株標(biāo)準(zhǔn)木，洗凈雜質(zhì)，烘干至恒質(zhì)量后用電子天平分別稱量地上部分（枝和葉）的生物量、地下部分的生物量，本試驗(yàn)中葉包括直徑小于2 mm、當(dāng)年萌發(fā)的嫩枝和所有葉片；枝包括直徑大于2 mm 的枝條和樹干。

精油的提取及芳樟醇含量的測(cè)定：于2019 年7、9、11 月采集各個(gè)樣地不同方位、無(wú)病蟲害健康成熟的枝和葉，用于不同月份精油和芳樟醇的測(cè)定，3 個(gè)月份的平均值則是3 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的樣品均勻混合后的測(cè)定值。然后分別采用常壓水蒸氣蒸餾法和氣相色譜法測(cè)定芳樟精油、芳樟醇的含量[13-14]，每個(gè)指標(biāo)3 個(gè)重復(fù)以消除誤差。常壓水蒸氣蒸餾法:稱取100 g 芳樟葉鮮品，溫度為50℃下烘干至含水量在5%～13%之間，再用粉碎機(jī)粉碎成碎片狀，置入500 mL 揮發(fā)油提取器中，加200 mL 超純水加熱提取，提取時(shí)間為60 ～90 min。蒸餾后取上層精油，經(jīng)無(wú)水硫酸鈉干燥后稱取質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算芳樟精油提取率。氣相色譜法：色譜柱為Dikma Diamonsil（C18250 mm×4.6 mm，5 μm），流動(dòng)相為甲醇∶水（體積比為7∶3）等度洗脫，檢測(cè)波長(zhǎng)210 nm，柱溫30℃，流速1 mL·min-1。分別吸取10 μL 的對(duì)照品和供試品，注入液相色譜儀，按上述色譜條件進(jìn)行測(cè)量，記錄色譜圖，根據(jù)HPLC 計(jì)算樣品的含量，公式為：含量=(rU/rS)×(CS/CU)×100（其中rU為樣品溶液中成品的峰面積；rS為標(biāo)準(zhǔn)溶液的峰面積；CS為標(biāo)準(zhǔn)溶液中標(biāo)準(zhǔn)品的質(zhì)量濃度，mg/mL；CU為樣品溶液中樣品的質(zhì)量濃度，mg/mL）。

土壤化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定：施肥180 d 后在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按S 形布設(shè)11 個(gè)土壤取樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)均取0 ～20、20 ～40、40 ～60 cm 3 個(gè)土層土樣各300 g，混合均勻后帶回室內(nèi)風(fēng)干，揀去石礫、植物根系和碎屑，研磨后過(guò)1、0.149 mm 土壤篩作為測(cè)試土樣。土壤堿解氮的測(cè)定采用堿解氮分析法[15]；土壤速效磷的測(cè)定采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法[15]；土壤速效鉀的測(cè)定采用醋酸銨浸提—火焰分光光度計(jì)法[15]；全P 含量的測(cè)定用堿熔—鉬銻抗比色法[15]；全K 含量的測(cè)定用堿熔—火焰光度法[15]；有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法[15]；土壤pH 值用pH 計(jì)按水土比2.5∶1 進(jìn)行測(cè)定；每個(gè)指標(biāo)測(cè)3 個(gè)重復(fù)以消除誤差。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用IBM SPSS statistics 25 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Microsoft Excel 2010 軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭配施對(duì)芳樟生物量的影響

從圖1 中可見，9 個(gè)施肥處理組的地下、地上生物量均顯著高于對(duì)照組，總生物量大小順序?yàn)? ＞7 ＞9 ＞6 ＞4 ＞5 ＞2 ＞1 ＞3，可見隨著生物炭配施用量的升高，總生物量、地上和地下生物量也隨著提升，呈正相關(guān)增長(zhǎng)。作為提油原料的地上生物量最大的是處理8，達(dá)1 30.63±2.15 g /株，顯著高于其他8 個(gè)處理組，是CK（1 050.43±7.95 g /株）的1.83 倍；而處理7 的地下生物量最大，為1 054.10±10.00 g。

圖1 芳樟的生物量Fig. 1 Biomass of C. camphora

為了探究各因素對(duì)總生物量的影響，對(duì)其進(jìn)行極差分析，結(jié)果（表2）表明，因素A 即生物炭配施量的k3（2 638.68）＞k2（2 359.82）＞k1（1 941.14），再比較其他3 個(gè)因素的k值，說(shuō)明在本試驗(yàn)設(shè)置的處理水平中生物炭配施量為136 g/株、尿素配施量為86.25 g/株、過(guò)磷酸鈣配施量為7.5 g/株、氯化鉀配施量為15 g/株（即處理8）時(shí)是最好的施肥配比。同時(shí)因素A 生物炭的極差R值最大，說(shuō)明生物炭配施量是決定芳樟總生物量的最重要因素。

表2 芳樟總生物量極差分析?Table 2 Range analysis of total biomass of C. camphora

2.2 生物炭配施對(duì)芳樟精油的影響

2.2.1 施肥對(duì)精油含量的影響

由圖2 可知，葉得油率是枝得油率的5 倍左右，且枝和葉的得油率都在7—9月升高、9—11月降低。7 月和9 月所有施肥處理組枝、葉得油率都顯著高于CK 組，到了11 月，則只有處理1、2、3 顯著高于CK 組。7、9、11 月葉得油率最高分別為處理1（2.79%）、處理3（3.15%）和處理3（3.05%），枝部則都是處理1 最高，分別為0.54%、0.58%和0.57%。綜上：葉部得油率較高，是提油的主要部位，生物炭配施水平為34 g/株的處理組1、2、3的枝葉得油率較高，且在9 月份最高。

圖2 芳樟葉和枝的得油率Fig. 2 Oil yield of C. camphora leaves and branches

由表3 可知，葉得油率平均值最高的是處理3，為3.05%，其次是處理2 和1；枝得油率平均值最高的是處理1，為0.57%，其次是處理2、3，說(shuō)明生物炭配施量為34 g/株的處理1、2、3 的枝葉精油得率較高。比較k值，發(fā)現(xiàn)促進(jìn)葉和枝得油率提升的最佳配施組合分別是A1B3C3D3(處理3)和A1B1C1D2，本試驗(yàn)未設(shè)置A1B1C1D2這一施肥方案。葉部和枝部的極差分析顯示，極差R值最大的都是因素A，說(shuō)明生物炭配施用量是影響得油率的最主要因素。

表3 芳樟葉和枝得油率的極差分析Table 3 Range analysis of oil yield of C. camphora leaves and branches

2.2.2 生物炭配施對(duì)芳樟醇含量的影響

由圖3 可知，葉的芳樟醇含量也高于枝的芳樟醇含量，枝和葉的芳樟醇含量也是在9 月最高，且3 個(gè)時(shí)間點(diǎn)上均以處理8 的葉芳樟醇含量最大，而枝部芳樟醇含量則以處理7 最大。此外，施炭水平為34 g/株的3 個(gè)處理組的枝葉芳樟醇含量沒(méi)有全部顯著大于對(duì)照組，但施炭水平為136 g/株和68 g/株的6 個(gè)處理組的枝葉芳樟醇含量均顯著大于CK 組，且生物炭配施用量越高，芳樟醇含量越高，即施炭量為136 g/株能有效地促進(jìn)芳樟醇含量的提高，且這一生物炭配施水平的處理組8、處理7 的葉、枝芳樟醇含量在9 月最高，分別達(dá)到了91.42%和86.32%。

圖3 芳樟葉和枝芳樟醇的含量Fig. 3 Linalool contents of C. camphora leaves and branches

極差分析（表4）也顯示，葉和枝部的芳樟醇平均含量隨著生物炭配施量的增加而增加，兩者呈正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明生物炭配施水平為136 g/株的處理組枝葉芳樟醇含量較高，且處理8 的芳樟葉部芳樟醇含量最高，枝部則是處理7。比較各因素3 個(gè)水平下的k值發(fā)現(xiàn)，提高芳樟葉和枝條芳樟醇含量的最佳組合分別是A3B2C2D2、A3B1C3D1，本試驗(yàn)未設(shè)置這兩個(gè)施肥方案。而且影響葉和枝芳樟醇含量的因素中因素A 的極差R值均最大，說(shuō)明生物炭配施量是影響芳樟醇含量的最主要因素。

表4 芳樟葉和枝芳樟醇含量的極差分析Table 4 Range analysis of linalool contents in leaves and branches of C. camphora

2.2.3 生物炭配施對(duì)芳樟精油和芳樟醇產(chǎn)量的影響

由表5 可知,處理8 的地上生物量產(chǎn)量最高，達(dá)到了1 930.63 g/株，即11 583.78 kg/hm2（以樣地密度種植），精油和芳樟醇產(chǎn)量也是最高的，達(dá)到了149.59 kg/hm2和133.75 kg/hm2，分別是CK 組的1.84 倍和1.93 倍。雖然處理8 的枝葉部位含油率和芳樟醇含量不是最高的，但最終的精油和芳樟醇產(chǎn)量卻是最高的，因此綜合分析，在本試驗(yàn)設(shè)置的處理中，處理8 是提升精油產(chǎn)量和品質(zhì)的最佳配施方案。

表5 芳樟精油和芳樟醇的產(chǎn)量?Table 5 Production of C. camphora essential oil and linalool

2.3 施肥對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

對(duì)各個(gè)樣地施肥處理后的土壤化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果（表6）發(fā)現(xiàn)，土壤pH 值（5.53 ～6.23）保持在微酸性；處理8 的全鉀、速效鉀、堿解氮和有機(jī)質(zhì)含量均最高，分別達(dá)到了8.21 g/kg、94.30 mg/kg、34.11 mg/kg 和10.20 g/kg；處理8 的有效磷含量為64.74 mg/kg，僅次于處理7（64.99 mg/kg），并顯著高于其他處理；處理2的全磷含量最高，為2.56 g/kg。由此可見，除了全磷含量外，處理8 的其他土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)都較高。因此，生物炭配施量為136 g/株的處理8是本試驗(yàn)中改善芳樟林土壤化學(xué)性質(zhì)的最好方案。

表6 施肥對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響Table 6 Effects of fertilization on soil physical and chemical properties

3 討 論

氮、磷、鉀肥料的配施能促進(jìn)林木的生長(zhǎng)和品質(zhì)的提高[16-17]，對(duì)于植物產(chǎn)量的提高具有重要的意義[18]。韓富軍等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，氮、磷、鉀配方施肥有助于促進(jìn)幼樹期花椒的干徑、樹體冠幅、葉片鮮質(zhì)量和厚度的顯著增加。袁小軍等[20]的研究表明，施氮、磷、鉀肥能促進(jìn)花芽生長(zhǎng)，并且通過(guò)影響花芽中內(nèi)源激素含量來(lái)影響花芽分化。近年來(lái)生物炭因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和吸附性，在改良土壤、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)上的應(yīng)用研究也較多[21-23]。本試驗(yàn)通過(guò)生物炭和氮磷鉀肥料的配施表明，配施有助于提高芳樟的生物量，且芳樟生物量與生物炭配施量呈正相關(guān)關(guān)系。配施量為136 g/株的處理8 的總生物量最大，達(dá)到了2 918.10 g/株，是對(duì)照組的1.74 倍；而且配施后各處理組土壤的pH 值雖有所提高，但依然呈弱酸性，適宜芳樟的生長(zhǎng)；土壤的N、P、K 元素含量和有機(jī)質(zhì)含量也大幅度提高，肥力顯著提高，有利于植株的生長(zhǎng)，其中處理8 的綜合提升效果最好，表明處理8 最有利芳樟生物量的提高和土壤肥力的提升。

9 月份精油得油率、芳樟醇含量最高，這可能是7—9 月的高溫、強(qiáng)光照以及肥料的施用都有利于光合作用和生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而提升了精油的含量和品質(zhì)，因此采摘的最佳時(shí)間為9 月。從利用部位分析，葉部的得油率是枝部的5 倍左右，而兩者芳樟醇含量差異很小，因此生產(chǎn)中葉部是影響產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵。本試驗(yàn)中各處理組間得油率的最大差異僅為0.39%，芳樟醇含量最大差異為1.79%，且其生產(chǎn)的精油質(zhì)量均能達(dá)到商業(yè)要求，但生物量的差異達(dá)到了58.90%，所以生物量的提高是芳樟精油產(chǎn)量提高的關(guān)鍵，因此雖然處理8 的枝、葉的得油率不是最高的處理組，但其精油產(chǎn)量達(dá)149.59±6.04 kg/hm2，芳樟醇產(chǎn)量達(dá)133.75±6.31 kg/hm2，依然是最高的處理組。極差分析顯示，生物炭是得油率和芳樟醇含量最大的影響因素，生物炭配施量為34 g/株的處理3、1 的葉、枝得油率最高，而芳樟醇含量最高的則是生物炭配施量為136 g/株的處理7 和處理8。隨著生物炭配施量的增加，得油率是先降低后升高，張杰[24]、任涵[25]也發(fā)現(xiàn)香樟和桉樹的生長(zhǎng)并不是隨著生物炭配施量的增加效果就更好。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)芳樟醇含量則是隨著生物炭配施量的提高而增長(zhǎng)，結(jié)合向雙等[26]通過(guò)對(duì)施用生物炭復(fù)合肥前后芳樟的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，這和生物炭可將芳樟醇合成調(diào)控基因表達(dá)水平上調(diào)有一定關(guān)系，因此生物炭配施對(duì)芳樟精油的產(chǎn)量和品質(zhì)提升具有很好的促進(jìn)效果。王文軍等[27]通過(guò)小麥配施生物炭試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)較常規(guī)施肥減少10%的氮肥、20%的磷鉀肥；李茂森等[28]通過(guò)施加生物炭，發(fā)現(xiàn)可以增加煙草土壤微生物對(duì)腐生物質(zhì)的分解速率，提高土壤養(yǎng)分含量并促進(jìn)物質(zhì)循環(huán)；付玉榮等[29]的研究表明，生物炭的施加可使銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷含量均有不同程度的增加，同時(shí)增加冬小麥穗數(shù)及穗粒數(shù)，顯著提高冬小麥產(chǎn)量。綜上，生物炭在作為土壤改良劑和其他肥料配施后因其自身獨(dú)特的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)、吸附性、穩(wěn)定性，可通過(guò)提升土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)、完善微生物種群結(jié)構(gòu)等[30]來(lái)提產(chǎn)增質(zhì)，因此生物炭具有重要的研究?jī)r(jià)值和前景，可通過(guò)與其他肥料的配施促進(jìn)林木的發(fā)育生長(zhǎng)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

在生產(chǎn)活動(dòng)中，施肥是達(dá)到苗木預(yù)期培育目標(biāo)、提高產(chǎn)量最重要的方法之一，但是隨著土壤類型的不確定和培育目標(biāo)的多變，單純的氮磷鉀施肥已經(jīng)難以滿足實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中苗木施肥的需求，因此新的施肥材料和方法日益得到重視，而生物炭作為一種新興材料備受關(guān)注。本試驗(yàn)通過(guò)生物炭和傳統(tǒng)氮磷鉀肥配施，可以顯著提高芳樟精油的產(chǎn)量和品質(zhì)，對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)也有較好的提升。其中處理8（生物炭136 g、尿素86.25 g、過(guò)磷酸鈣7.5 g、氯化鉀15.0 g）是本試驗(yàn)中提升土壤肥力、提高芳樟精油產(chǎn)量和效益的最佳配施方案，可使精油產(chǎn)量達(dá)149.59 kg/hm2（CK 的1.84倍），芳樟醇產(chǎn)量達(dá)133.75 kg/hm2(CK 的1.93 倍）。