烟草残茬还田腐解特征及对土壤养分与烟碱的影响

陈金; 王新月; 谢鹏飞; 张庆富; 杨柳; 陈治锋; 裴晓东; 黄杰; 邓永晟; 邓小华

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2021-0573

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中国农学通报 ›› 2022, Vol. 38 ›› Issue (14) : 65-71. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2021-0573

资源·环境·生态·土壤·气象

烟草残茬还田腐解特征及对土壤养分与烟碱的影响

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Tobacco Residues Returning to Field: Decomposition Characteristics and Effects on Soil Nutrients and Nicotine

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摘要

为明确烟草残茬还田的腐解特征及对土壤和水稻中烟碱含量的影响,采用模拟试验,研究了烟茎和烟根还田后的腐解特征,以及土壤pH、有机质、养分、烟碱的动态变化。结果表明：（1）烟根和烟茎的腐解速率及养分的释放均表现为前期快后期慢,各养分累积释放率依次为钾>磷>氮。烟根的腐解速率及养分释放慢于烟茎,还田120天,烟根累积腐解率为45.02%,烟茎为53.82%。（2）烟茎和烟根还田能提高土壤有机质含量9.35%~39.87%,前期会导致土壤pH降低,但90天后会提高土壤pH。（3）烟草残茬的烟碱释放快,还田后的前5天,烟碱释放约50%,40天后,烟草残茬中烟碱基本释放完毕。烟根的烟碱释放要快于烟茎,还田后30天,烟根的烟碱累计释放率为96.95%,烟茎的烟碱累计释放率为94.03%。至第90天各处理土壤的烟碱含量为0 μg/g。水稻植株在前期会吸收微量的烟碱,至还田20天后,水稻植株中烟碱含量为0 μg/g。综合而言,烟草残茬还田能提高土壤养分,且还田后期土壤与水稻中不会有烟碱残留。

Abstract

To clarify the decomposition characteristics of tobacco residues returning to field and the effect on the nicotine content in soil and rice plants, pot experiments were used to study the decomposition characteristics of tobacco stems and roots, and the dynamic changes of soil pH, organic matter and nutrients and nicotine. The results showed that: (1) the decomposing rate and nutrient release of tobacco roots and stems were both fast in the early stage and slow in the later stage, the cumulative release rate of each nutrient was nitrogen (N) > phosphorous (P)> potassium (K), the decomposing rate and nutrient release of tobacco roots were both slower than those of tobacco stems; after tobacco residues returning to field for 120 days, the cumulative decomposing rate of tobacco roots and stems was 45.02% and 53.82%, respectively; (2) returning tobacco stems and roots to field could increase the soil organic matter content by 9.35%-39.87%, the soil pH would decrease at the beginning, but increase after 90 days; (3) nicotine was released fast from tobacco residues, after tobacco residues returning to field for 5 days, about 50% of nicotine was released, and the nicotine in the tobacco residues was basically released after 40 days; nicotine from tobacco roots was released faster than that of tobacco stems, after 30 days, the cumulative nicotine release rate of tobacco roots and stems was 96.95% and 94.03%, respectively, and the nicotine content of each treatment soil was 0 μg/g after 90 days; rice plants absorbed trace amount of nicotine in the early stage, but the content of nicotine in the rice plants was 0 μg/g after 20 days. Overall, returning tobacco residues to field could improve soil nutrients, and there will be no nicotine residue in soil and rice plants in the later stage.

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陈金 , 王新月 , 谢鹏飞 , 张庆富 , 杨柳 , 陈治锋 , 裴晓东 , 黄杰 , 邓永晟 , 邓小华. 烟草残茬还田腐解特征及对土壤养分与烟碱的影响. 中国农学通报. 2022, 38(14): 65-71 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2021-0573

CHEN Jin , WANG Xinyue , XIE Pengfei , ZHANG Qingfu , YANG Liu , CHEN Zhifeng , PEI Xiaodong , HUANG Jie , DENG Yongsheng , DENG Xiaohua. Tobacco Residues Returning to Field: Decomposition Characteristics and Effects on Soil Nutrients and Nicotine. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2022, 38(14): 65-71 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2021-0573

0 引言

烟草残茬包括烟草秸秆（烟茎）、烟草根系（烟根）、烟草打顶后花器及清除的低脚叶等^[1],其处理成为亟待解决的问题。传统烟秸处理方法大都是以焚烧、丢弃为主,既给环境带来负面影响^[2],也造成农业废弃物资源浪费。烟秸作为一种农业生物质能资源^[3],含有大量植物生长所需的碳、氮、磷、钾及其他中微量营养元素^[4]。烟秸直接或间接还田提高土壤肥力已成为一种趋势,可改善土壤理化性质^[5-6],增加土壤有机质及微生物含量^[7-8],也是对土壤钾肥有效补充的便捷途径^[9]。烟稻复种是湖南稻作烟区的主要种植制度,其烤烟生产过程中产生的烟草残茬一般要求移出大田。但南方稻作烟区受烟草残茬移出稻田用工费用和烟稻茬口紧张的制约,普遍采用烟草残茬直接还田。由于烟草残茬含有烟碱,有人认为其还田可导致稻田土壤和种植的水稻上残留烟碱,影响水稻种植的安全性。据此,采用模拟试验,研究烟草残茬还田后在稻田中腐解和养分、烟碱释放规律,以及对水稻土壤养分和土壤烟碱、水稻植株烟碱残留的影响,以期为烟稻复种制中烟草残茬资源合理利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 地点与材料

试验于2019年在湖南农业大学烟草楼大棚内进行。本次试验选择烟草残茬中的烟茎和烟根,来自宁乡烟区;将烟茎和烟根剖开,切成5~10 cm小段,烘干备用。水稻土壤来自宁乡烟区没有种植烟草和早稻的田块。土壤pH 7.82,有机质13.8 g/kg,全氮1.1 g/kg,全磷0.5 g/kg,全钾4.9 g/kg。塑料盆长、宽、高规格为71 cm×45.5 cm×18 cm。灌溉水为生活用蒸馏水。

1.2 试验设计

试验采用塑料盆装土模拟试验。试验分2个部分。第1个部分烟草残茬腐解试验,称取烘干后的烟茎30 g,烟根20 g,分别装入尼龙网袋,土壤覆盖掩埋,加蒸馏水保持2 cm淹水层,重复30次。第2部分为烟草残茬还田模拟试验,设3个处理,即T1,模拟烟茎和烟根全量还田（每盆60 g烟茎+40 g烟根）;T2,模拟烟叶收获砍掉烟茎移出田外,只留烟根部分还田（每盆40 g烟根）;CK,对照,无烟草残茬还田。每处理3盆,每盆加入25 kg风干土壤,将烟草残茬与水稻土充分混匀,加蒸馏水静置一晚,水稻催芽单粒直播,株行距 5 cm×5 cm,水稻扎根后加蒸馏水保持2 cm淹水层,不追施肥料。

1.3 主要检测指标与方法

（1）腐解特征检测指标与方法。掩埋后分别在第0、5、10、15、20、30、40、60、80、100、120天取出烟草残茬洗净,60℃烘干至恒重后称重。全氮采用凯氏定氮法、全磷采用钼锑抗比色法、全钾采用火焰光度法^[10]测定;烟碱采用醋酸提取-连续流动分析仪测定^[11]。计算公式如(1)~(3)所示。

腐解速率(g/d)=(M_t-M_t_-1)/(T_t-₁-T_t)

(1)

累积腐解率=[(M₀-M_t)/M₀]×100%

(2)

养分累积释放率=[(C₀×M₀-C_t×M_t)/(C₀×M₀)]×100%

(3)

式中：C₀为烟草残茬初始养分含量（质量分数）;C_t为t时刻烟草残茬养分含量（质量分数）;M₀为烟草残茬初始干物质量;M_t为t时刻烟草残茬干物质量（残留量）;T_t为t时刻的天数。

（2）烟草残茬还田模拟检测指标与方法。分别在烟草残茬还田第0、5、10、15、20、30、40、60、80、100、120天取土样,5点取样,仔细挑净烟草残茬,混匀土壤,主要检测土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾和烟碱含量^[12]。土壤pH采用电位法测定（水土比为1:1）^[12]。土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定^[12]。土壤和水稻植株中烟碱采用液相色谱法测定^[13]。

1.4 统计分析方法

采用Microsoft Excel 2003和SPSS17.0进行数据处理和统计分析。采用Duncan法在P=0.05水平下检验显著性。

2 结果与分析

2.1 烟草残茬腐解特征

2.1.1 腐解速率和累计腐解率的动态变化

从图1可以看出,烟根和烟茎的腐解均表现为前期快后期慢的特点,烟茎腐解快于烟根。烟草残茬还田后的0~20天为快速腐解期;其中,第5天时烟根最大腐解速率为 0.92 g/d,烟茎为1.27 g/d（图1-A）。经过20天的快速腐解,烟根累积腐解率为31.57%,占整个腐解期腐解量的70.12%;烟茎为44.19%,占整个腐解量的82.09%（图1-B）。20天以后,残茬腐解速率放缓;至40天基本趋于稳定,烟根和烟茎的累积腐解率分别为35.40%和48.20%;120天后,烟根累积腐解率为45.02%,烟茎为53.82%。烟根累积腐解率动态变化模型为：

\hat{y} = 8.4174 l n (x) + 4.9698

R^{2} = 0.9584

;烟茎累积腐解率动态变化模型为：

\hat{y} = 11.081 l n (x) + 4.9091

R^{2} = 0.9504

。烟根腐解较烟茎慢,主要是由于烟根木质化程度较高的缘故。

图1 烟草残茬腐解动态变化

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2.1.2 氮、磷、钾的释放动态变化

从图2看,烟草残茬还田后快速释放养分,其整个过程可分为“快速腐解—过渡期—平缓期”等3个阶段。烟根养分释放慢于烟茎,120天后各养分累积释放率依次为钾>磷>氮。

图2 烟草残茬腐解的氮、磷、钾释放动态变化

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由图2-A可知,烟草残茬氮释放在前20天为快速腐解期,易分解组织（韧皮部、髓等）等快速分解,迅速释放氮养分,烟根氮释放量为50.69%,烟茎为57.07%;20~60天为过渡期,残留的易分解组织继续腐解,氮养分释放速率减缓,释放量减少,烟根氮释放量为16.70%,烟茎为12.22%;60~120天为平缓期,仅残存难以被微生物分解的木质化程度高的组织,氮养分释放速率小而平缓,释放量少,烟根氮释放量为15.33%,烟茎为14.71%。烟草残茬根的氮累计释放动态变化模型为：

\hat{y} = 16.458 l n (x) + 0.572

R^{2} = 0.9918

;烟茎氮累计释放动态变化模型为：

\hat{y} = 17.028 l n (x) + 1.5392

R^{2} = 0.9933

。

由图2-B可知,烟草残茬磷释放在前10天为快速腐解期,烟根磷释放量为72.95%,烟茎为86.77%;10~60天为过渡期,烟根磷释放量为12.74%,烟茎为7.11%;60~120天为平缓期,烟根磷释放量为9.12%,烟茎为3.98%。烟草残茬根的磷累计释放动态变化模型为：

\hat{y} = 16.51 l n (x) + 23.011

R^{2} = 0.8215

;烟茎磷累计释放动态变化模型为：

\hat{y} = 16.063 l n (x) + 33.111

R^{2} = 0.6786

。

由图2-C可知,烟草残茬钾释放在前10天为快速腐解期,烟根钾释放量为84.99%,烟茎为94.85%;10~60天为过渡期,烟根钾释放量为8.60%,烟茎为3.24%;60~120天为平缓期,烟根钾释放量为4.43%,烟茎为1.30%。烟草残茬根的钾累计释放动态变化模型为：

\hat{y} = 16.193 l n (x) + 31.79

R^{2} = 0.7004

;烟茎钾累计释放动态变化模型为：

\hat{y} = 15.87 l n (x) + 37.86

R^{2} = 0.6121

。

2.1.3 烟碱的释放动态变化

从图3看,烟草残茬的烟碱释放快,在还田后的前5天,烟碱释放约50%;在还田后30天,烟根的烟碱累计释放率为96.95%,烟茎的烟碱累计释放率为94.03%;40天以后,烟草残茬中烟碱就基本释放完毕（未检测出）。由于烟根相对于烟茎直径更小,与水稻土接触面积更大,其烟碱释放要快于烟茎。烟草残茬根的烟碱累计释放动态变化模型为：

\hat{y} = 18.29 l n (x) + 27.534

R^{2} = 0.7789

;烟茎烟碱累计释放动态变化模型为：

\hat{y} = 20.61 l n (x) + 14.908

R^{2} = 0.9082

。

图3 烟草残茬腐解的烟碱释放动态变化

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2.2 对土壤的影响

2.2.1 对土壤pH的影响

由图4可知,烟草残茬（T1和T2处理）还田后土壤pH降低,第5~60天的土壤pH显著低于CK;这可能与烟草残茬腐解释放的有机酸有关^[14]。至还田后60天,T1和T2处理土壤pH开始提高;在还田后90天,T1、T2处理的土壤pH略高于CK,但差异不显著。可见,烟草残茬还田前期会导致土壤pH降低,但后期会提高土壤pH。

图4 烟草残茬腐解对土壤pH的影响

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2.2.2 对土壤有机质的影响

由图5可知,烟草残茬还田后,T1、T2处理土壤有机质增加;至还田后40天,T1、T2处理的土壤有机质达到最大值,分别为16.22、15.12 g/kg;此以后,土壤有机质下降。T1、T2处理的土壤有机质显著高于CK;与CK相比,T1处理可提高土壤有机质14.02%~39.87%,T2处理可提高土壤有机质9.35%~37.66%,这种差异与T1处理烟草残茬还田量多于T2有关。可见,烟草残茬还田可提高土壤有机质。

图5 烟草残茬腐解对土壤有机质的影响

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2.2.3 对土壤氮磷钾养分的影响

由图6-A可知,烟草残茬还田后快速释放氮,至第10天,土壤的全氮含量达到最大值,T1为1.65 g/kg,T2为1.53 g/kg;此以后,土壤全氮含量下降。在第20天,T2处理的土壤全氮含量低于CK,可能与T2处理的烟草残茬腐解时微生物耗氮量多于释放量有关。除第20天外,T1、T2处理的土壤全氮显著高于CK;与CK相比,T1处理土壤全氮可提高9.03%~54.52%,T2处理土壤全氮可提高5.70%~29.89%。由图6-B可知,烟草残茬还田后快速释放磷,至第5天,土壤的全磷含量达到最大值,T1为 0.68 g/kg,T2为0.60 g/kg;此以后,土壤全磷含量下降。T1、T2处理的土壤全磷含量始终高于CK;与CK相比,T1处理土壤全磷可提高7.45%~25.16%,T2处理土壤全磷可提高2.34%~13.80%。由图6-C可知,烟草残茬还田后快速释放钾,至第10天,土壤的全钾含量达到最大值,T1为6.25 g/kg,T2为5.78 g/kg;此以后,土壤全钾含量下降。T1、T2处理的土壤全钾含量始终高于CK;与CK相比,T1处理土壤全钾可提高5.47%~18.76%,T2处理土壤全钾可提高0.33%~14.67%。从不同处理看,T1处理提高土壤氮磷钾的效果要优于T2,这与T1处理烟草残茬还田量多于T2有关。由此可见,烟草残茬还田可提高土壤氮磷钾养分。

图6 烟草残茬腐解对土壤氮磷钾养分的影响

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2.3 对土壤和水稻植株烟碱的影响

烟草残茬腐解过程中烟碱是逐渐释放的,且在土壤中还会水解^[1]。首先,用流动分析仪检测（检出限为0.005 mg/L）,其检测结果是土壤和水稻植株的烟碱含量未检出。然后,采用液相色谱检测,其检测结果见表1。从土壤烟碱含量看,至烟草残茬还田后40天,土壤烟碱含量0.009~0.098 μg/g,含量非常低;T1处理的土壤至还田后第80天,烟碱含量为0 μg/g;T2处理的土壤至第90天,烟碱含量为0 μg/g。

表1 土壤和水稻植株中烟碱含量动态变化

样品来源	处理	取样时间/d
样品来源	处理	1	10	20	30	40	60	80	90
土壤	T1	0.000000	0.731870	0.441034	0.426316	0.098292	0.003116	0.000000	0.000000
土壤	T2	0.000000	0.520175	0.494009	0.240155	0.008778	0.006830	0.002909	0.000000
水稻	T1	0.000000	0.000340	0.000856	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000
水稻	T2	0.000000	0.000000	0.000829	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000	0.000000

从水稻植株烟碱含量看,T1处理在还田后15、20天,水稻植株烟碱含量在0.000340~0.000856 μg/g,其他时间段检测结果均为0 μg/g;T2处理在还田后20天,水稻植株烟碱含量为0.00083 μg/g,其他时间段检测结果均为0 μg/g。以上说明,水稻植株在前期会吸收微量的烟碱,至20天后,由于烟碱的水解、挥发等,水稻植株上没有烟碱含量。

3 讨论

腐解速率和累计腐解率常用于反映秸秆还田腐解情况^[15-16]。本研究发现烟根和烟茎的腐解均表现为前期快后期慢,0~20天为快速腐解期,20天后残茬腐解速率放缓。刘炎红^[16]、陈丽娟^[17]、柳开楼^[18]等人研究结果也表明烟茎的腐解速率呈先快后慢的趋势,在玉米、绿肥等其他作物腐解养分释放上也有相似的规律^[18-19]。这可能是由于茎杆中富含的可溶有机物及营养物质,能在腐解前期为微生物提供大量的碳源和养分,微生物活性增强,进而加速烟茎的腐解,而后随着易分解有机物和养分含量减少,腐解的速率也随之降低^[16]。其次由于烟茎中腔的髓易被腐解,剩下外表面较厚的角质层,所以烟茎在前期腐解较快,后期腐解率降低。此外,碳氮比也是影响秸秆分解速率的一个重要因素,碳氮比较低的秸秆更容易腐解,烟草秸秆碳氮比较低,所以前期腐解较快^[20]。本研究还发现,同一时期烟茎的腐解速率高于烟根,这可能是由于烟根木质化程度较高的缘故,不利于土壤微生物量的增加和碳氮循环^[21]。

烟草残茬还田后快速释放养分,其整个过程可分为“快速腐解期—过渡期—平缓期”。本研究结果表明,烟草残茬中氮释放的快速腐解期为前20天,而磷和钾释放的快速腐解期为前10天,钾和磷的释放较快,氮较慢。这主要是由于烟茎和烟根中易分解组织分解,氮养分得以释放,而钾素是以离子形态存在的, 并且钾素的释放与木质部的腐解无显著关系^[16]。试验结果表明,120天后各养分累积释放率依次为钾>磷>氮,这与前人研究结果一致^[17]。本研究还发现,烟根养分释放慢于烟茎,这可能与烟茎和烟根腐解速率的差异性有关。

本研究表明烟草残茬还田对土壤pH有一定的影响,前期会导致土壤pH降低,这可能与烟草残茬腐解释放的有机酸有关^[22],但后期会提高土壤pH,这与刘炎红等^[16]研究结果一致,说明烟草残茬还田对改善湖南稻作烟区土壤酸化问题有积极作用。本研究结果表明,烟草残茬还田还可提高土壤有机质及土壤氮磷钾养分含量,各处理的土壤全磷、钾含量始终高于对照。但在20天,烟根还田处理的土壤全氮含量低于对照,这可能与烟草残茬腐解时微生物耗氮量多于释放量有关,因此,外源秸秆的投入要配合氮肥的施用,以避免微生物与作物竞争氮源^[23]。本研究还发现,烟茎烟根同时还田对提高土壤氮磷钾的效果要优于仅烟根还田,这可能与烟草残茬还田量的多少有关。

本研究结果显示,烟草残茬中的烟碱释放快,40天以后烟草残茬中烟碱就基本释放完毕,从土壤烟碱含量看,至烟草残茬还田后40天,土壤烟碱含量0.009~0.098 μg/g,至第90天,各处理土壤烟碱含量为0 μg/g,而水稻植株前期会吸收微量的烟碱,但至20天后,水稻植株中已检测不出烟碱含量,说明随着烟碱的水解、挥发、代谢等,其在土壤与水稻中的残留及影响微乎其微。有研究发现^[24],烟杆还田可提高烟-稻轮作种植制度下水稻产量,同时烟杆中的烟碱可在一定程度减轻后茬水稻病虫害的发生^[25],体现了烟草残茬还田的可行性与科学可持续性。

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[23]	凌宁, 荀卫兵, 沈其荣. 根际沉积碳与秸秆碳共存下作物与微生物氮素竞争机制及其调控[J]. 南京农业大学学报, 2018, 41(04):589-597. 本文引用 [1]

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基金

湖南省烟草公司长沙市公司科技项目“烟草残茬影响水稻和稻田环境的机理及利用方式研究”(CYKJ2018-01)

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畜牧兽医

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摘要
Abstract
关键词
Key words
引用本文
0 引言
1 材料与方法
1.1 地点与材料
1.2 试验设计
1.3 主要检测指标与方法
1.4 统计分析方法
2 结果与分析
2.1 烟草残茬腐解特征
2.1.1 腐解速率和累计腐解率的动态变化
图1 烟草残茬腐解动态变化
2.1.2 氮、磷、钾的释放动态变化
图2 烟草残茬腐解的氮、磷、钾释放动态变化
2.1.3 烟碱的释放动态变化
图3 烟草残茬腐解的烟碱释放动态变化
2.2 对土壤的影响
2.2.1 对土壤pH的影响
图4 烟草残茬腐解对土壤pH的影响
2.2.2 对土壤有机质的影响
图5 烟草残茬腐解对土壤有机质的影响
2.2.3 对土壤氮磷钾养分的影响
图6 烟草残茬腐解对土壤氮磷钾养分的影响
2.3 对土壤和水稻植株烟碱的影响
表1 土壤和水稻植株中烟碱含量动态变化
3 讨论
参考文献
基金

Received	Revised	Published
2021-05-28	2021-08-15	2022-05-15
Issue Date
2022-06-07

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1 材料与方法

1.1 地点与材料

1.2 试验设计

1.3 主要检测指标与方法

1.4 统计分析方法

2 结果与分析

2.1 烟草残茬腐解特征

2.1.1 腐解速率和累计腐解率的动态变化

图1 烟草残茬腐解动态变化

2.1.2 氮、磷、钾的释放动态变化

图2 烟草残茬腐解的氮、磷、钾释放动态变化

2.1.3 烟碱的释放动态变化

图3 烟草残茬腐解的烟碱释放动态变化

2.2 对土壤的影响

2.2.1 对土壤pH的影响

图4 烟草残茬腐解对土壤pH的影响

2.2.2 对土壤有机质的影响

图5 烟草残茬腐解对土壤有机质的影响

2.2.3 对土壤氮磷钾养分的影响

图6 烟草残茬腐解对土壤氮磷钾养分的影响

2.3 对土壤和水稻植株烟碱的影响

表1 土壤和水稻植株中烟碱含量动态变化

3 讨论

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参考文献

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脚注

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