2021, Vol. 42
2. 河南省烟草公司许昌市公司, 许昌 461000
2. Xuchang Municipal Tobacco Company, Xuchang 461000, China
作为从陆地生态系统到大气的第二大碳通量, 土壤呼吸是生态系统碳循环过程中不可或缺的部分, 更是调控全球气候变化的关键过程[1].据估算, 1965~2012年间全球平均土壤呼吸(以C计)达到91 Pg·a-1, 增速为0.09 Pg·a-1[2], 这势必会影响全球变暖进程.农田土壤固碳减排是应对全球气候变化和提高土壤有机碳的有效措施之一.如何在提高土壤肥力的情况下有效提升土壤固碳能力是现代农业可持续发展的关键问题[3].
最近, 生物炭的添加作为一种潜在的土壤修复技术得到了越来越多的关注, 该技术不仅可以提高退化土壤的质量, 还是土壤固碳减排的有效手段[4].生物炭是一种由植物等生物质材料在缺氧条件下经高温裂解产生的一类含碳量高的芳香化物质, 在土壤中可以稳定存在几百年甚至上千年[5].由于生物炭自身的结构特点和理化性质, 施入土壤后可改善土壤结构, 提高土壤的保水保肥能力和微生物活性, 已被认定为良好的土壤改良剂[6].周震峰等[7]的研究指出, 添加花生壳生物炭显著提高了麦田土壤蔗糖酶和尿酶活性.Prayogo等[8]的研究发现, 生物炭可以显著提高供试土壤中细菌和放线菌的数量.而生物炭对土壤碳排放的影响不尽相同.Ventura等[9]的研究表明, 生物炭施入土壤后可以与原土有机质相互作用, 改变土壤有机质矿化速率, 进而影响CO2的释放.一方面, 生物炭发达的孔隙结构和巨大的外表面积可以吸附和包封土壤有机质, 降低有机质的矿化和碳排放[10].另一方面, 生物炭也可通过对土壤CO2的吸附减少与大气之间的碳通量[11].然而, 生物炭的减排效应经常被质疑.有研究表明, 生物炭自身的不稳定C输入将导致原土有机质的分解, 增加微生物作用底物, 促进碳排放[12].Song等[13]对61项研究进行荟萃分析发现, 施用生物炭导致土壤二氧化碳排放量平均增加19%.这势必会挑战生物炭作为一种固碳减排材料在土壤中的长期应用.
秸秆还田是当前重要的土壤改良途径之一.秸秆还田不仅可以充分利用农作物废弃资源和减少焚烧引起环境问题, 还有利于土壤有机碳和活性有机碳的积累, 增强农田生态系统的固碳能力[14].王梦雅等[15]的研究发现单施秸秆可以显著提高土壤活性有机碳中DOC和ROC的占比以及土壤养分含量, 改善土壤有机碳库质量.由于秸秆的施用引起土壤活性有机碳的增加, 为微生物提供较多可利用C源[16], 微生物的数量增多, 活性增强.同时, 多数研究表明秸秆还田会增强土壤呼吸作用, 增加土壤温室气体排放[17~19].而Naser等[20]的研究认为秸秆还田能减少CO2的排放.可见, 秸秆对碳排放的影响仍存在较大分歧.近年来的研究主要从生物炭的类型、施用量以及秸秆的还田方式、还田量对土壤呼吸和微生物的作用方面着手, 等碳量投入生物炭和秸秆对土壤呼吸以及土壤微生物的作用效果却鲜有报道, 而在等碳量投入外源碳的情况下研究不同有机物料的固碳减排较为准确.同时, 生物炭与秸秆的交互效应尚不清楚.因此, 本实验在等碳量添加生物炭和秸秆的基础上, 增加了秸秆与生物炭混施处理, 目的为：①研究生物炭和秸秆等碳量输入后土壤呼吸(碳排放)和有机碳含量的变化, 评估生物炭和秸秆的固碳减排能力; ②研究生物炭和秸秆对土壤水热因子和微生物量的影响; ③评估生物炭和秸秆对土壤微生物和土壤呼吸的交互效应.
1 材料与方法 1.1 供试材料本实验地点位于河南农业大学许昌校区现代农业科教园区(东经113°85′, 北纬34°14′), 气候类型属于暖温带亚湿润季风气候, 四季分明, 雨热同期.该地区年均气温15℃左右, 年均降雨量700 mm.供试土壤为褐土, 0~20 cm土壤的基础化学性质为：有机质19.09 g·kg-1、碱解氮74.7mg·kg-1、速效磷8.7 mg·kg-1、速效钾114.5 mg·kg-1和水溶性氯24.8 mg·kg-1.本实验中所用生物炭由河南省生物炭技术工程实验室提供, 以花生壳为原料在400~450℃限氧条件下热解30 min烧制.养分含量(质量分数)：TC 49.68%、TN 1.21%、C/N为41.06、TP为1.22%、TK 1.84%和pH 8.6.实验所用秸秆为小麦秸秆, 将秸秆充分腐熟后粉碎过2 mm筛.腐熟小麦秸秆养分(质量分数)：pH 7.86、TC 42.32%、TN 1.41%、C/N 30.01、TP 0.96%和TK 0.97%.
1.2 实验设计定位实验始于2017年, 采用随机区组设计, 设4个处理, 重复3次, 小区面积为0.02 hm2.处理如下：常规施肥(CK)、常规施肥+2.25t·hm-2生物炭-C(T1)、常规施肥+2.25t·hm-2秸秆-C(T2)和常规施肥+1.125 t·hm-2生物炭-C+1.125t·hm-2秸秆-C(T3).生物炭和秸秆于烤烟移栽前两周施入, 并与0~20 cm土壤充分混匀.常规施肥按照河南烟区常用的施肥方式, 即氮用量为37.5kg·hm-2, 氮:磷:钾比例为1:2:5.基肥由烟草专用复合肥(10% N、10% P2O5和10% K2O)、硫酸钾(52% K2O)和过磷酸钙(12% P2O5)提供, 追肥由硝酸钾(13.5%N和44.5% K2O)补足, 基肥:追肥=4:1.本实验于2019年4~9月进行, 5月2号移栽, 田间栽培管理按照优质烟叶生产管理规范进行.
1.3 土壤呼吸测量方法土壤呼吸采用LI-8100土壤碳通量测量仪(LI-COR, Lincoln, USA)测定.烟草移栽当天在每个小区放置3个PVC环(内径20 cm, 露出地面的高度为3 cm), 以每个小区中心为中点呈三角形排列在垄上两株烟之间, PVC环内不种任何植物(出现杂草及时清理).除中耕培土外, PVC环在整个生长季内不再移动.每次测定时间为09:00~11:30, 每隔7 d测定一次, 雨天除外(推迟2 d左右), 整个生育期内共测定19次.土壤温度由碳通量测量仪自带的温度探头测定, 土壤含水率采用烘干法测定.
1.4 土壤样品采集与其他指标测定 1.4.1 土壤样品的采集每次测定土壤呼吸的同时采集0~15 cm土层土壤样品, 用冰盒迅速转移到实验室进行土壤水分的测定.于移栽30、60和90 d采用“S”形取样法同样采集0~15 cm的耕层土壤, 一部分风干后过0.15 mm筛, 用于测定有机碳含量, 另一部分过2 mm筛保存在4℃冰箱, 用于土壤微生物数量以及微生物量碳氮的测定.
1.4.2 测定指标与方法土壤有机碳采用重铬酸钾-外加热法进行测定[21]; 微生物量碳氮采用氯仿熏蒸法测定[21]; 微生物数量采用涂布平板法测定[22].以上各个指标在生育期内测定3次, 分别在移栽30、60和90 d.
1.5 数据分析采用Excel 2010进行数据处理和土壤呼吸与温度、水分之间的回归分析.运用SPSS 20.0的one-way ANONA进行处理间差异分析, 处理间差异显著性用LSD最小显著差数法进行检验(P < 0.05); Pearson相关系数分析土壤呼吸与影响因素之间的相关性.图表制作采用Origin 2018和Excel 2010.
土壤呼吸日排放量：
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土壤CO2-C总排放估算公式：
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式中, Rs为土壤呼吸速率[μmol·(m2·s)-1], 12为CO2-C的摩尔质量(g·mol-1), 3600和24均为换算系数; Ra为烟草生育期CO2排放总量(kg·hm-2), Ri和Ri+1为第i次和第i+1次测定时CO2日排放量(kg·hm-2), N为相邻两次测量间隔天数(d), Rfirst表示第一次测定当天的土壤CO2排放.
土壤呼吸与土壤温度之间的关系用经验指数方程模拟：
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(3) |
式中, R为测得的土壤呼吸速率[μmol·(m2·s)-1], T为5 cm土壤温度(℃), a和b为拟合参数.
温度敏感系数：
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式中, Q10为土壤呼吸温度敏感系数, 表示是温度每升高10℃, 土壤呼吸变化的倍数.
土壤水分与土壤呼吸的关系用一元二次回归方程模拟：
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式中, R为土壤呼吸速率[μmol·(m2·s)-1], W为土壤15 cm质量含水率(%), a、b和c均为拟合参数.
微生物生物量C和N, 微生物熵(qSMBC)计算方法为：
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式中, SMBC为微生物生物量碳, TC1为熏蒸后样品全碳, IC1为熏蒸后样品无机碳, TC0为未熏蒸样品全碳, IC0为未熏蒸样品无机碳, KC为微生物生物量碳转换系数(0.45); SMBN为微生物生物量氮, TN1为熏蒸样品全氮, TN0为未熏蒸样品全氮, KN为微生物生物量氮转换系数(0.54); TOC为土壤有机碳.
2 结果与分析 2.1 等碳量添加生物炭和秸秆对水热因子及土壤呼吸的影响 2.1.1 水热因子变化动态生物炭和秸秆还田下5 cm土壤温度具有明显的季节性变化(图 1), 夏季温度较高, 最大值出现在7月.观测期间土壤温度在20.28~29.53℃之间变化, 各处理均值大小顺序为：T3>T1>T2>CK.方差分析结果表明, T1和T2的平均土壤温度与CK之间无显著差异, 而T3处理较CK显著增加, 其平均土壤温度显著提高1.11℃; 表明生物炭与秸秆混施显著升高土壤温度, 而单施秸秆和生物炭对土壤温度的影响不显著.
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图 1 生物炭和秸秆还田下土壤温度和水分的动态变化 Fig. 1 Dynamic changes of soil temperature and moisture with biochar and straw amendments |
各处理土壤含水量变化较为复杂, 受降雨和灌溉的影响, 表现为波动变化(图 1).在连续强降雨(8月1~10日)后出现最大峰值.T2和T3处理土壤水分含量较CK增加2.35%和3.82%, T1处理较CK有所降低, 降幅为2.81%, 但均未达到显著差异, 表明添加生物炭和秸秆对0~15 cm土层土壤的含水率影响不显著.
2.1.2 土壤呼吸速率动态变化及总排放生育期内各处理土壤呼吸速率呈现多峰变化(图 2), 与5 cm土壤温度的变化趋势基本一致.添加秸秆和生物炭显著提高了生育前期(7月1日前)的土壤呼吸速率, 表现为T3>T1>T2>CK.随着生育期的推进, T1处理土壤呼吸速率较CK显著下降, 最后一个峰值出现时降幅为9.2%(P < 0.05).就生育期内平均土壤呼吸速率来看, 表现为T3>T2>T1>CK, T3、T2、T1分别较CK增加28.0%、17.2%和7.6%, 以T3对土壤呼吸的促进作用最显著.
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图 2 烤烟生育期土壤CO2-C累积排放量 Fig. 2 Cumulative emissions of soil CO2-C during the growth period of flue-cured tobacco |
由图 3可以看出, 整个生育期烟田土壤CO2总排放表现为T3(7376.6 kg·hm-2)>T2(6807.7 kg·hm-2)>T1(6107.5 kg·hm-2)>CK(5794.3 kg·hm-2), 且处理之间差异显著.
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不同小写字母表示差异显著(P < 0.05). 图 3 生物炭和秸秆还田下土壤呼吸速率动态变化 Fig. 3 Dynamic change of the soil respiration rate with biochar and straw returning to the field |
由图 4可知, 生育期内各处理土壤有机碳、SMBC、SMBN及微生物熵(qSMBC)均表现为先增加后降低, 于移栽后60 d时达到最大值.各处理土壤有机碳含量表现为T3>T1>T2>CK, 说明添加生物炭更有利于提高土壤有机碳含量.SMBC和微生物熵值在烟草成长过程中变化较大, 移栽后30 d时, 不同处理SMBC含量在68.42~147.37mg·kg-1之间; 而移栽60 d后, SMBC升高至294.72~489.47 mg·kg-1, 微生物熵亦在移栽60 d后迅速升高至2.5%左右.与T1相比, T2更有利于SMBN和微生物熵值的提高.
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同一组柱形图上不同小写字母表示差异显著(p < 0.05) 图 4 生物炭和秸秆还田下土壤有机碳尧微生物量碳氮和微生物熵变化 Fig. 4 Changes of soil organic carbon, microbial biomass carbon, and nitrogen and microbial entropy with biochar and straw returning to the soil |
生育期内细菌、固氮菌、解磷菌呈现降低趋势(图 5), 移栽后30 d(即6月3日)达到最大值.放线菌呈增加趋势, 移栽后90 d(即8月4日)达到峰值; 真菌则呈现先降低后升高的趋势, 移栽后60 d(即7月1日)时达到最小值.各个处理解钾菌的变化趋势不尽相同, T1处理解钾菌呈现增加趋势, T2呈现降低趋势, CK和T3则表现为先降低后升高的趋势, T1和T3均于移栽后90 d达到最大值.解钾菌和解磷菌的增加对提高土壤磷、钾利用率及烟叶磷和钾含量具有重要作用.添加秸秆和生物炭促进了生育期内土壤微生物数量的增长, 以T1处理对固氮菌的促进作用最为显著; T2和T3对细菌、放线菌、解钾菌和解磷菌的促进作用更显著, 整体表现为T3>T2>T1>CK.T1在移栽后60 d之前真菌数量较CK无显著差异, 移栽后90 d较CK显著增加59.6%; T2在生育期内对真菌无显著的促进作用.
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同一组散点图上不同小写字母表示差异显著(P < 0.05) 图 5 生物炭和秸秆还田下微生物菌落数变化 Fig. 5 Changes in the number of microbial colonies with biochar and straw amendments |
本实验采用指数方程拟合了土壤呼吸速率与土壤温度的关系, 结果见表 1.各处理土壤呼吸速率均随着温度的升高而增加, 两者之间达到显著指数相关.土壤温度可以解释土壤呼吸速率变化的31.01%~60.58%.添加生物炭和秸秆降低了Q10, 以T1的Q10最小, 表明单施生物炭的土壤呼吸速率受温度变化的影响最小.
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表 1 土壤呼吸速率与土壤温度之间的拟合方程 Table 1 Fitting equation between the flux rate of soil respiration and soil temperature |
土壤呼吸速率与土壤水分之间的关系较为复杂, 本实验中土壤呼吸速率与水分之间符合二次回归模型, 拟合度R2在0.013~0.33之间(表 2), 其中CK的拟合度最低, T3的拟合度最高.除T3外, 其他处理土壤呼吸速率与土壤水分之间均无显著相关性, 表明本实验中土壤水分对土壤呼吸强度影响较小.
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表 2 土壤呼吸速率与土壤水分之间的拟合方程 Table 2 Fitting equation between the flux rate of soil respiration and soil moisture |
2.4 土壤呼吸与土壤有机碳和土壤微生物的相关分析
相关性分析所用数据为生育期内各指标的平均值.由表 3可知, 土壤呼吸与有机碳和细菌数量呈显著正相关(P < 0.05), 与微生物量碳氮和放线菌数量存在极显著正相关(P < 0.01).微生物量碳与微生物量氮之间呈显著正相关外, 与土壤有机碳、细菌和放线菌数量均呈显著相关关系.微生物熵表征土壤有机碳的周转速率, 其与微生物量氮和真菌之间亦呈现显著相关性.
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表 3 土壤呼吸与微生物量的皮尔森相关分析1) Table 3 Pearson correlation analysis of soil respiration and microbial biomass |
3 讨论 3.1 添加秸秆与生物炭对土壤呼吸的影响
本研究结果表明, 不同处理土壤呼吸速率具有明显的时间差异, 烟株移栽后30 d(6月3日)之前土壤的呼吸速率较低, 主要是因为烟草刚刚移栽, 根系生长缓慢, 加上此阶段土壤温度较低, 微生物活性较弱, 因而土壤呼吸速率低.进入旺长期(移栽40d后), 烟株根系迅速发育, 根系分泌物随之增加, 再加上土壤温度的升高, 微生物得以大量繁殖, 从而增强了土壤呼吸速率.进入成熟末期(8月13日后), 土壤温度有所回落, 加上烟株根系衰老, 土壤呼吸速率又迅速下降.
添加秸秆显著增加了烟草生育期内土壤平均呼吸速率和CO2排放量, 与陈静等[23]的研究结果一致.可能是因为添加秸秆后土壤活性有机碳含量得以有效增加[24], 而活性碳组分的矿化是土壤呼吸和CO2排放的主要贡献者[15]; 同时本实验也发现了秸秆处理下SMBC的显著增加, 并验证了土壤呼吸与微生物量碳之间存在显著的正相关关系(表 3).另一方面, 本实验所用的秸秆腐熟后又经过粉碎, 其表皮结构进一步被破坏, 降低了纤维素和木质纤维素的保护作用[25], 使得秸秆中易分解物质较多地释放到土壤, 为微生物提供较多的能源[26], 促进微生物的活动和繁殖, 从而增加了CO2排放.与添加秸秆相比, 单施生物炭显著降低了土壤CO2排放, 这与Sun等[27]的研究结果类似.一方面可能是生物炭拥有较大的比表面积和一定含量的CaCO3、FeOH等矿物质, 对CO2有较强的物理、化学固定作用, 促使生物炭与土壤和有机质形成有机-无机复合体, 生成更稳定的团聚体, 贮存其中的有机碳不易被外界微生物分解利用, 从而减少了土壤CO2排放[28]; 另一方面, 等碳量条件下, 生物炭含有较多高度稳定性的碳组分, 一定程度上可以抵抗微生物对它的的分解作用, 生物炭中的碳得以长期保存在土壤中, 增加土壤有机碳的同时降低土壤碳矿化[29], 因此与秸秆处理相比CO2排放量显著降低.此外, 本实验中生物炭处理对土壤呼吸的作用效果表现为前期促进, 后期抑制, 这与Smith[30]和李亚森等[31]的研究结果类似.生物炭在土壤中运转的典型特征是不稳定的生物炭-C迅速耗散, 然后以更稳定的高度聚缩的芳烃C组分缓慢矿化[32], 在此过程中增加了土壤中易分解有机质的含量, 从而在短期内引起土壤碳排放的急剧增加, 但随着易分解有机碳的矿化, 这种激发效应逐渐消失[33], 因而出现先增加后抑制效应, 抑制效应是否会延续有待进一步研究.Sun等[27]研究小麦秸秆及其生物炭对盐渍土壤碳矿化的影响时发现, 与单施秸秆相比, 生物炭+秸秆处理的CO2释放量较低, 作者将其归因于生物炭具有对天然有机质更高的吸附性.本实验与Sun等[27]的研究结果相悖, 即生物炭+秸秆显著增加了碳排放, 表明生物炭与秸秆对碳排放存在正交互效应.
3.2 土壤呼吸和水热因子的相互关系土壤温度和水分是影响土壤呼吸的重要因素.土壤酶和微生物活性, 植物的光合作用以及根系发育都随温度的改变而发生变化, 因此温度变化与植物根际呼吸和微生物呼吸密切相关[11].同时, 生物炭矿化速率也取决于土壤温度[34].本研究发现土壤呼吸速率与土壤5 cm温度的变化趋势一致, 呈现显著指数相关性(P < 0.05).各处理Q10变化范围为2.23~5.09, 与Zheng等[35]测定的农田Q10(1.28~4.75)结果较为接近.添加生物炭和秸秆处理的Q10明显小于对照, 以单施生物炭处理的Q10最小.有研究表明, 添加生物炭在短期内增加Q10而在长时间内使Q10降低[36], 本实验已经连续3 a施用生物炭, 可能存在这方面的原因.添加秸秆处理也降低了Q10, 可能是由于秸秆还田改善了土壤水分入渗性能, 增强土壤蓄水保墒能力[37], 减弱了外界环境剧烈变化对土壤温度的影响.
土壤呼吸与土壤水分之间的关系较为复杂.张廷等[38]的研究表明土壤呼吸与土壤水分之间存在较好的直线回归, 一元二次回归以及指数相关性, 土壤含水量与土壤呼吸速率混合模型可解释土壤呼吸速率变异的82.3%~96.6%.本研究则发现土壤水分仅从较小程度上解释土壤呼吸的变化(R2为0.01~0.33).只有生物炭与秸秆混施处理的土壤水分与土壤呼吸之间有显著相关性(P < 0.05).
3.3 添加秸秆、生物炭对微生物生物量的影响土壤微生物参与土壤的代谢过程, 是土壤中最活跃的部分.土壤微生物量碳氮在土壤中的占比虽小, 却能够很大程度上反映土壤有效养分状况和生物活性, 是评价土壤肥力以及土壤微生物数量和活性的重要指标[39].而土壤中细菌、真菌和放线菌可决定土壤微生物总量的分布以及有机物的分解与转化[40].汤宏等[39]的研究发现, 高量或低量秸秆还田均显著提高MBC和MBN含量; 慕平等[41]在连续秸秆还田处理下观测到0~40 cm土层细菌、真菌、放线菌数量均有效增加; Otsuka等[42]的研究指出, 生物炭施用后土壤细菌多样性显著增加25%.本实验结果与上述研究结果相似, 添加秸秆和生物炭显著提高土壤微生物量碳氮含量以及微生物菌落数.可能的原因是添加生物炭和秸秆对表层土温有“削高填低”的调节作用, 为各种酶促反应提供适宜的温度条件, 从而促进土壤微生物数量的增加[43].然而, 本研究发现单施秸秆对土壤真菌数量的提升作用不显著, 并且在烟草移栽30d时显著低于对照.有研究表明, SMBC/SMBN可以表示微生物的群落结构特征, 其比值越高, 群落中真菌数量越大[44], 本实验中秸秆处理的SMBC/SMBN较低可能是导致真菌数量较少的原因.秸秆与生物炭配施对微生物量的促进作用最为显著, 这与王梦雅[15]和李友兵等[45]的研究结果一致.生物炭的多孔结构为土壤微生物提供良好的栖息地, 加上秸秆腐解产生的碳氮组分又能提供微生物所需的物质和能量来源, 两者混施表现出正交互作用, 极大地促进土壤微生物活性[46].
4 结论(1) 等碳量添加秸秆和生物炭, 显著增加土壤呼吸速率和CO2总排放量, 表现为T3>T2>T1>CK.单施生物炭对土壤呼吸的作用表现为前期促进, 后期抑制.
(2) 添加生物炭和秸秆均能提高土壤微生物量和有机碳的积累, 生物炭与秸秆配施表现出正交互作用, 促进作用最为显著.秸秆和生物炭对功能菌群的作用不同, 生物炭对固氮菌的促进作用显著, 单施秸秆、秸秆与生物炭配施对细菌、放线菌、解钾菌和解磷菌的促进作用更显著.
(3) 单施生物炭和秸秆对土壤温度和水分的影响不大, 而生物炭与秸秆配施显著增加5 cm土壤温度.土壤呼吸与土壤温度存在极显著的指数相关性, 与土壤水分的相关性不显著.
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