生物炭配施对芳樟精油产量及品质的影响

丁 乐， 杨 弋，倪 辉，孙维红，王一帆，邹双全

（福建农林大学 a. 林学院；b. 自然生物资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为樟科Lauraceae 樟属Cinnamomum常绿大乔木，主要分布在我国东南沿海地区，以精油含量高著称[1]。芳樟精油作为芳樟主要林产品，富含芳樟醇、桉叶素、樟脑、松油醇等成分[2-3]。其中芳樟醇在药用方面具有镇痛、抗焦虑、镇静催眠、降压保肝和局部麻醉等作用，也是化妆品、香料等的主要原材料[4-5]，应用前景十分广阔。因芳樟具有较高的经济价值，导致天然芳樟在20 世纪被人们随意采伐，其自然群体破坏严重。此后，我国开始种植芳樟人工林，但芳樟人工林的经营管理粗放，连年掠夺性采收使其生长力和品质随栽培年限的增加明显下降，且人工合成的芳樟醇为右旋体，价值较天然的左旋体芳樟醇降低[5]，所以市场对天然芳樟醇日益增长的需求使供需矛盾不断加剧。因此，为了提高市场供给能力和保护天然芳樟林，急需提升现有的芳樟油用林的生产力，实现可持续经营。以往研究表明，氮磷钾合理配方施肥可以促进芳樟生长并提高枝叶中精油的含量，但过多的氮磷钾肥可能导致植物生物量的降低[6-9]；生物炭因能改善土壤结构，增加土壤活性，提高肥力，从而促进作物产量的提高[10]，但生物炭和氮磷钾肥料的配方施肥对芳樟精油产量和品质影响的研究目前鲜有报道。为实现油用芳樟林的持续经营，本研究以2 年生MD1 芳樟油用林为研究对象，进行生物炭和氮磷钾肥配施试验，研究生物炭配施对芳樟生长及精油产量和品质的影响，旨在提高芳樟林的经济效益，实现可持续经营。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建省安溪半林国有林场（24°55′～25°00′N，117°57′～118°01′E），为桉树采伐更新迹地，坡度较缓，属于亚热带季风型气候，夏季高温多雨，冬季温和湿润，年均气温18.5℃，最高气温39℃，最低气温0℃，全年无霜期260 d，年平均降水量1 600 ～1 800 mm。

1.2 试验材料

试验材料为2 年生未采收芳樟无性系MD1油用林，造林时间为2017 年6 月，保留密度为6 000 株/hm2，底肥施用尿素、过磷酸钙、氯化钾含量都为15%的复合肥0.20 kg（有效成分45%），2018 年4—5 月，中耕除草后施用尿素、过磷酸钙、氯化钾含量都为15%的复合肥0.10 kg（有效成分45%），此时地径、株高分别为15.8 mm、77.11 cm。

供试生物炭由郑州牛特农业技术有限公司生产，原料为秸秆，热裂解温度为450℃，pH 值（50 g/L）8.65，粒径1.5 ～2.0 mm，有机碳含量为404.02 g/kg，全N 为8.48 g/kg，全P 为2.31 g/kg，全K 为15.3 g/kg。肥料为：尿素（总氮质量分数为46%，全N 为0.94%)、过磷酸钙（P2O2质量分数为12%，全P 为0.58%）、氯化钾（K2O 质量分数为60%，全K 为3.05%）。

1.3 试验设计

本试验采用4 因素3 水平L9(34)正交法设计9 个处理样地和1 个对照样地（CK），每个样地（10 m×10 m）含60 株芳樟，确定样地时选取芳樟大小基本一致、健康无病虫害的地块。试验共包含4 种肥料，每种肥料设置3 个水平（1、2、3），2019 年6 月1 日按表1 的施肥方案对10 个样地进行施肥，施肥量的设定参照前人研究[11-12]和课题组前期研究确定，施肥方式为沿树冠两侧滴水线挖环状沟，深20 ～30 cm，均匀混合土壤和肥料后覆土填平。

表1 L9(34)正交实验因素与水平†Table 1 L9(34) orthogonal experiment factors and levels

1.4 测定指标和方法

生物量的测量：施肥180 d 后从每个样地中连根挖掘10 株标准木，洗净杂质，烘干至恒质量后用电子天平分别称量地上部分（枝和叶）的生物量、地下部分的生物量，本试验中叶包括直径小于2 mm、当年萌发的嫩枝和所有叶片；枝包括直径大于2 mm 的枝条和树干。

精油的提取及芳樟醇含量的测定：于2019 年7、9、11 月采集各个样地不同方位、无病虫害健康成熟的枝和叶，用于不同月份精油和芳樟醇的测定，3 个月份的平均值则是3 个时间点的样品均匀混合后的测定值。然后分别采用常压水蒸气蒸馏法和气相色谱法测定芳樟精油、芳樟醇的含量[13-14]，每个指标3 个重复以消除误差。常压水蒸气蒸馏法:称取100 g 芳樟叶鲜品，温度为50℃下烘干至含水量在5%～13%之间，再用粉碎机粉碎成碎片状，置入500 mL 挥发油提取器中，加200 mL 超纯水加热提取，提取时间为60 ～90 min。蒸馏后取上层精油，经无水硫酸钠干燥后称取质量，记录数据，计算芳樟精油提取率。气相色谱法：色谱柱为Dikma Diamonsil（C18250 mm×4.6 mm，5 μm），流动相为甲醇∶水（体积比为7∶3）等度洗脱，检测波长210 nm，柱温30℃，流速1 mL·min-1。分别吸取10 μL 的对照品和供试品，注入液相色谱仪，按上述色谱条件进行测量，记录色谱图，根据HPLC 计算样品的含量，公式为：含量=(rU/rS)×(CS/CU)×100（其中rU为样品溶液中成品的峰面积；rS为标准溶液的峰面积；CS为标准溶液中标准品的质量浓度，mg/mL；CU为样品溶液中样品的质量浓度，mg/mL）。

土壤化学性质的测定：施肥180 d 后在每块标准地内按S 形布设11 个土壤取样点，每个样点均取0 ～20、20 ～40、40 ～60 cm 3 个土层土样各300 g，混合均匀后带回室内风干，拣去石砾、植物根系和碎屑，研磨后过1、0.149 mm 土壤筛作为测试土样。土壤碱解氮的测定采用碱解氮分析法[15]；土壤速效磷的测定采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法[15]；土壤速效钾的测定采用醋酸铵浸提—火焰分光光度计法[15]；全P 含量的测定用碱熔—钼锑抗比色法[15]；全K 含量的测定用碱熔—火焰光度法[15]；有机质含量的测定采用重铬酸钾容量法[15]；土壤pH 值用pH 计按水土比2.5∶1 进行测定；每个指标测3 个重复以消除误差。

1.5 数据处理

使用IBM SPSS statistics 25 软件进行数据分析，采用Microsoft Excel 2010 软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 生物炭配施对芳樟生物量的影响

从图1 中可见，9 个施肥处理组的地下、地上生物量均显著高于对照组，总生物量大小顺序为8 ＞7 ＞9 ＞6 ＞4 ＞5 ＞2 ＞1 ＞3，可见随着生物炭配施用量的升高，总生物量、地上和地下生物量也随着提升，呈正相关增长。作为提油原料的地上生物量最大的是处理8，达1 30.63±2.15 g /株，显著高于其他8 个处理组，是CK（1 050.43±7.95 g /株）的1.83 倍；而处理7 的地下生物量最大，为1 054.10±10.00 g。

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

为了探究各因素对总生物量的影响，对其进行极差分析，结果（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），再比较其他3 个因素的k值，说明在本试验设置的处理水平中生物炭配施量为136 g/株、尿素配施量为86.25 g/株、过磷酸钙配施量为7.5 g/株、氯化钾配施量为15 g/株（即处理8）时是最好的施肥配比。同时因素A 生物炭的极差R值最大，说明生物炭配施量是决定芳樟总生物量的最重要因素。

表2 芳樟总生物量极差分析†Table 2 Range analysis of total biomass of C. camphora

2.2 生物炭配施对芳樟精油的影响

2.2.1 施肥对精油含量的影响

由图2 可知，叶得油率是枝得油率的5 倍左右，且枝和叶的得油率都在7—9月升高、9—11月降低。7 月和9 月所有施肥处理组枝、叶得油率都显著高于CK 组，到了11 月，则只有处理1、2、3 显著高于CK 组。7、9、11 月叶得油率最高分别为处理1（2.79%）、处理3（3.15%）和处理3（3.05%），枝部则都是处理1 最高，分别为0.54%、0.58%和0.57%。综上：叶部得油率较高，是提油的主要部位，生物炭配施水平为34 g/株的处理组1、2、3的枝叶得油率较高，且在9 月份最高。

图2 芳樟叶和枝的得油率Fig. 2 Oil yield of C. camphora leaves and branches

由表3 可知，叶得油率平均值最高的是处理3，为3.05%，其次是处理2 和1；枝得油率平均值最高的是处理1，为0.57%，其次是处理2、3，说明生物炭配施量为34 g/株的处理1、2、3 的枝叶精油得率较高。比较k值，发现促进叶和枝得油率提升的最佳配施组合分别是A1B3C3D3(处理3)和A1B1C1D2，本试验未设置A1B1C1D2这一施肥方案。叶部和枝部的极差分析显示，极差R值最大的都是因素A，说明生物炭配施用量是影响得油率的最主要因素。

表3 芳樟叶和枝得油率的极差分析Table 3 Range analysis of oil yield of C. camphora leaves and branches

2.2.2 生物炭配施对芳樟醇含量的影响

由图3 可知，叶的芳樟醇含量也高于枝的芳樟醇含量，枝和叶的芳樟醇含量也是在9 月最高，且3 个时间点上均以处理8 的叶芳樟醇含量最大，而枝部芳樟醇含量则以处理7 最大。此外，施炭水平为34 g/株的3 个处理组的枝叶芳樟醇含量没有全部显著大于对照组，但施炭水平为136 g/株和68 g/株的6 个处理组的枝叶芳樟醇含量均显著大于CK 组，且生物炭配施用量越高，芳樟醇含量越高，即施炭量为136 g/株能有效地促进芳樟醇含量的提高，且这一生物炭配施水平的处理组8、处理7 的叶、枝芳樟醇含量在9 月最高，分别达到了91.42%和86.32%。

图3 芳樟叶和枝芳樟醇的含量Fig. 3 Linalool contents of C. camphora leaves and branches

极差分析（表4）也显示，叶和枝部的芳樟醇平均含量随着生物炭配施量的增加而增加，两者呈正相关关系，说明生物炭配施水平为136 g/株的处理组枝叶芳樟醇含量较高，且处理8 的芳樟叶部芳樟醇含量最高，枝部则是处理7。比较各因素3 个水平下的k值发现，提高芳樟叶和枝条芳樟醇含量的最佳组合分别是A3B2C2D2、A3B1C3D1，本试验未设置这两个施肥方案。而且影响叶和枝芳樟醇含量的因素中因素A 的极差R值均最大，说明生物炭配施量是影响芳樟醇含量的最主要因素。

表4 芳樟叶和枝芳樟醇含量的极差分析Table 4 Range analysis of linalool contents in leaves and branches of C. camphora

2.2.3 生物炭配施对芳樟精油和芳樟醇产量的影响

由表5 可知,处理8 的地上生物量产量最高，达到了1 930.63 g/株，即11 583.78 kg/hm2（以样地密度种植），精油和芳樟醇产量也是最高的，达到了149.59 kg/hm2和133.75 kg/hm2，分别是CK 组的1.84 倍和1.93 倍。虽然处理8 的枝叶部位含油率和芳樟醇含量不是最高的，但最终的精油和芳樟醇产量却是最高的，因此综合分析，在本试验设置的处理中，处理8 是提升精油产量和品质的最佳配施方案。

表5 芳樟精油和芳樟醇的产量†Table 5 Production of C. camphora essential oil and linalool

2.3 施肥对土壤化学性质的影响

对各个样地施肥处理后的土壤化学性质进行测定，结果（表6）发现，土壤pH 值（5.53 ～6.23）保持在微酸性；处理8 的全钾、速效钾、碱解氮和有机质含量均最高，分别达到了8.21 g/kg、94.30 mg/kg、34.11 mg/kg 和10.20 g/kg；处理8 的有效磷含量为64.74 mg/kg，仅次于处理7（64.99 mg/kg），并显著高于其他处理；处理2的全磷含量最高，为2.56 g/kg。由此可见，除了全磷含量外，处理8 的其他土壤化学性质指标都较高。因此，生物炭配施量为136 g/株的处理8是本试验中改善芳樟林土壤化学性质的最好方案。

表6 施肥对土壤化学性质的影响Table 6 Effects of fertilization on soil physical and chemical properties

3 讨 论

氮、磷、钾肥料的配施能促进林木的生长和品质的提高[16-17]，对于植物产量的提高具有重要的意义[18]。韩富军等[19]的研究发现，氮、磷、钾配方施肥有助于促进幼树期花椒的干径、树体冠幅、叶片鲜质量和厚度的显著增加。袁小军等[20]的研究表明，施氮、磷、钾肥能促进花芽生长，并且通过影响花芽中内源激素含量来影响花芽分化。近年来生物炭因其独特的结构和吸附性，在改良土壤、提高作物产量和品质上的应用研究也较多[21-23]。本试验通过生物炭和氮磷钾肥料的配施表明，配施有助于提高芳樟的生物量，且芳樟生物量与生物炭配施量呈正相关关系。配施量为136 g/株的处理8 的总生物量最大，达到了2 918.10 g/株，是对照组的1.74 倍；而且配施后各处理组土壤的pH 值虽有所提高，但依然呈弱酸性，适宜芳樟的生长；土壤的N、P、K 元素含量和有机质含量也大幅度提高，肥力显著提高，有利于植株的生长，其中处理8 的综合提升效果最好，表明处理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，这可能是7—9 月的高温、强光照以及肥料的施用都有利于光合作用和生长发育，进而提升了精油的含量和品质，因此采摘的最佳时间为9 月。从利用部位分析，叶部的得油率是枝部的5 倍左右，而两者芳樟醇含量差异很小，因此生产中叶部是影响产量和品质的关键。本试验中各处理组间得油率的最大差异仅为0.39%，芳樟醇含量最大差异为1.79%，且其生产的精油质量均能达到商业要求，但生物量的差异达到了58.90%，所以生物量的提高是芳樟精油产量提高的关键，因此虽然处理8 的枝、叶的得油率不是最高的处理组，但其精油产量达149.59±6.04 kg/hm2，芳樟醇产量达133.75±6.31 kg/hm2，依然是最高的处理组。极差分析显示，生物炭是得油率和芳樟醇含量最大的影响因素，生物炭配施量为34 g/株的处理3、1 的叶、枝得油率最高，而芳樟醇含量最高的则是生物炭配施量为136 g/株的处理7 和处理8。随着生物炭配施量的增加，得油率是先降低后升高，张杰[24]、任涵[25]也发现香樟和桉树的生长并不是随着生物炭配施量的增加效果就更好。本试验发现芳樟醇含量则是随着生物炭配施量的提高而增长，结合向双等[26]通过对施用生物炭复合肥前后芳樟的转录组测序，这和生物炭可将芳樟醇合成调控基因表达水平上调有一定关系，因此生物炭配施对芳樟精油的产量和品质提升具有很好的促进效果。王文军等[27]通过小麦配施生物炭试验，发现较常规施肥减少10%的氮肥、20%的磷钾肥；李茂森等[28]通过施加生物炭，发现可以增加烟草土壤微生物对腐生物质的分解速率，提高土壤养分含量并促进物质循环；付玉荣等[29]的研究表明，生物炭的施加可使铵态氮、硝态氮、有效磷含量均有不同程度的增加，同时增加冬小麦穗数及穗粒数，显著提高冬小麦产量。综上，生物炭在作为土壤改良剂和其他肥料配施后因其自身独特的官能团结构、吸附性、稳定性，可通过提升土壤肥力、改善土壤结构、完善微生物种群结构等[30]来提产增质，因此生物炭具有重要的研究价值和前景，可通过与其他肥料的配施促进林木的发育生长，提高经济效益。

4 结 论

在生产活动中，施肥是达到苗木预期培育目标、提高产量最重要的方法之一，但是随着土壤类型的不确定和培育目标的多变，单纯的氮磷钾施肥已经难以满足实际生产活动中苗木施肥的需求，因此新的施肥材料和方法日益得到重视，而生物炭作为一种新兴材料备受关注。本试验通过生物炭和传统氮磷钾肥配施，可以显著提高芳樟精油的产量和品质，对土壤化学性质也有较好的提升。其中处理8（生物炭136 g、尿素86.25 g、过磷酸钙7.5 g、氯化钾15.0 g）是本试验中提升土壤肥力、提高芳樟精油产量和效益的最佳配施方案，可使精油产量达149.59 kg/hm2（CK 的1.84倍），芳樟醇产量达133.75 kg/hm2(CK 的1.93 倍）。