不同施肥方式對毛竹林碳儲(chǔ)量及土壤理化性質(zhì)的影響

陳本學(xué)，劉廣路*，蔡春菊，李雁冰，2

（1.國際竹藤中心竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100102；2.周口師范學(xué)院，河南周口 466001）

森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量是研究森林生態(tài)系統(tǒng)與大氣圈之間碳交換的基本參數(shù)，是反映生態(tài)系統(tǒng)生物生產(chǎn)力或能量轉(zhuǎn)化效率的重要指標(biāo)，在緩解氣候變化、陸地生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)中起重要作用[1-4]。森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量主要集中在土壤庫中，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約是森林生態(tài)系統(tǒng)地上部的2～3倍，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫[5-7]。竹林是我國南方重要的森林資源之一，根據(jù)第八次全國森林資源清查結(jié)果，森林面積中竹林601萬hm2，約占全國森林面積的3%，碳儲(chǔ)量占森林碳儲(chǔ)量的比例超過10%[8]，竹林具有較好的固碳能力。在全球森林面積不斷下降的背景下，竹林面積以3%的速度在遞增，意味著竹林的碳匯不斷增大[9]。毛竹（Phyllostachys edulis（Carr.）H.de Lehaie）是我國分布最廣、面積最大的竹種，具有生長快、產(chǎn)量高、用途廣的特點(diǎn)。毛竹林具有較高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，且固碳能力強(qiáng)[10-11]。有研究表明集約經(jīng)營毛竹林年固碳量是粗放經(jīng)營的1.56倍，與杉木人工林、熱帶山地雨林和馬尾松林相比，毛竹林具有更大的固定CO2的能力[12]。當(dāng)前對竹林進(jìn)行經(jīng)營（林地除草、墾復(fù)、施肥、覆蓋和灌溉等）是我國竹產(chǎn)區(qū)竹林培育的一種普遍作業(yè)方式[13]。施肥在顯著提高毛竹林生產(chǎn)力的同時(shí)，會(huì)消耗土壤更多的有機(jī)質(zhì)[14-15]，造成土壤碳儲(chǔ)量的流失。當(dāng)前，有關(guān)毛竹碳儲(chǔ)量的研究主要集中在不同區(qū)域，不同混交模式對毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳分配、碳儲(chǔ)量碳循環(huán)的影響等方面[16-21]，不同施肥方式對毛竹林系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響研究較少。

竹腔施肥通過竹腔注射肥料促進(jìn)竹子生長，對林地的干擾較?。谎ㄊＳ梅释ㄟ^在竹林挖穴施專用肥，對林地的擾動(dòng)較大，開展兩種施肥方式對竹林系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響研究可以為毛竹林固碳增匯經(jīng)營模式的選擇提供依據(jù)。本文以不施肥毛竹林為對照，系統(tǒng)研究竹腔施肥和穴施專用肥對毛竹林生物量和土壤碳儲(chǔ)量的影響，以期為毛竹林固碳促進(jìn)技術(shù)模式的選擇提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于四川省長寧縣南部梅硐鎮(zhèn)（28°15′18″～28°47′48″N，104°44′22″～105°03′30″E），梅硐鎮(zhèn)是長寧竹海國家自然保護(hù)區(qū)的重要組成部分，是喀斯特地貌在我國發(fā)育最典型的地區(qū)之一，屬中低山地貌，中亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候，年平均氣溫18.3℃，平均降雨量1 141.7 mm，無霜期長達(dá)358 d，雨熱同季，四季分明。主要土壤為山地黃壤、紫色土。竹林是當(dāng)?shù)刈钪饕纳诸愋?，以毛竹、苦竹（Pleioblastus amarus）、硬頭黃竹（Bambusa rigida）為主。試驗(yàn)地為毛竹純林，樣地平均胸徑9.49 cm，平均株高14.71 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 樣地設(shè)置

根據(jù)小班經(jīng)營檔案和資源分布情況，以穴施毛竹專用肥（Ⅰ）和毛竹竹腔施肥（Ⅱ）的竹林為研究對象，以不施肥毛竹林（Ⅲ）為對照，設(shè)置試驗(yàn)樣地。每個(gè)樣地面積為20 m×30 m，每種施肥類型3次重復(fù)，共9塊樣地，相鄰樣地之間設(shè)置≥3 m的緩沖帶。其中，竹腔施肥方法參照王丹等的方法[22-23]，即對擬竹腔施肥的區(qū)組內(nèi)目標(biāo)母竹，在毛竹基部距地面8～10 cm處，用無繩電鉆引孔，將毛竹增產(chǎn)劑原液（BNP，江西省林業(yè)科學(xué)院和江西省林業(yè)科技推廣總站聯(lián)合研制）與清水按1∶4比例配成稀釋液，進(jìn)行注射施肥，每株注射量為5mL，引孔用黃土封堵。穴施毛竹林施肥時(shí)間為取樣前1年5月份施入，肥料為毛竹專用肥（總養(yǎng)分含量≥30%，N∶P2O5∶K2O=9∶5∶6），每株用量為 0.25 kg，水平距離竹蔸（20±5）cm 穴施，穴深度20～30 cm。試驗(yàn)樣地施肥方式基本情況見表1。

1.2.2 土樣采集與測定

取土樣時(shí)間為施肥1年后的9月份，一次性取樣。在每一標(biāo)準(zhǔn)地沿對角線布點(diǎn)，用環(huán)刀按5 cm一層在0～60 cm分層取樣，測定土壤容重[24]22-24、孔隙度[24]22-24和持水性能[24]22-24，每20 cm土層數(shù)據(jù)取其平均值作為 0～20、20～40 和 40～60 cm 土層物理性質(zhì)指標(biāo)。再挖 5個(gè)土壤剖面，0～20、20～40和 40～60 cm從下至上分層取土，共取土壤樣品135個(gè)。樣品在室內(nèi)風(fēng)干研磨粉碎、過100目篩，然后裝入保鮮袋待測定有機(jī)碳和全氮。土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-外加熱法[24]106-108，全氮采用半微量凱氏法測定[24]75-77。各理化性質(zhì)測定與計(jì)算參照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤分析方法》[24]。

表1 長寧縣試驗(yàn)樣地施肥方式基本情況Table1 Brief description of the sample fertilization mode

1.2.3 毛竹林生物量與碳儲(chǔ)量測定

毛竹生物量采用收獲法：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)每竹調(diào)查數(shù)據(jù)，按平均胸徑每種施肥方式分別選?、穸龋?a生）、Ⅱ度（3a生）、Ⅲ度（5a生）標(biāo)準(zhǔn)竹各2株，每種處理6株標(biāo)準(zhǔn)竹，共選取標(biāo)準(zhǔn)竹18株。采用竹蔸挖掘方式，分別稱量竹稈、竹枝、竹葉、竹根、竹鞭質(zhì)量，并選取部分樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室測定含水率，以計(jì)算各部位生物量，并換算出單位面積的生物量。竹鞭生物量的測定采用挖掘法[25]。

毛竹碳儲(chǔ)量計(jì)算[26-27]：毛竹不同器官的碳儲(chǔ)量=毛竹不同器官生物量×碳密度，生物量與碳儲(chǔ)量的轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.504 2。

土壤碳儲(chǔ)量的計(jì)算[28]：土壤碳儲(chǔ)量=土壤容重×采樣深度×土壤碳含量×面積。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2010軟件進(jìn)行基礎(chǔ)整理和作圖，用 Spss Statistics 20.0（IBM，USA）軟件進(jìn)行 ANOVA方差分析、多重比較（LSD）及相關(guān)性分析。對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性levene檢驗(yàn)，sig＞0.5時(shí)，用Duncan進(jìn)行組間差異性顯著檢驗(yàn)分析；當(dāng)方差非齊性時(shí)，用Tamhane進(jìn)行組間差異顯著性檢驗(yàn)分析。采用Correlate中的Pearson相關(guān)系數(shù)評價(jià)各器官間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥方式對毛竹林碳儲(chǔ)量的影響

2.1.1 不同施肥方式對毛竹生物量的影響

由圖1可知，不同施肥方式對竹株生物量影響程度不同。竹株生物量排序?yàn)檠ㄊＳ梅剩局袂皇┓剩静皇┓?，其中穴施專用肥的毛竹生物量與對照差異顯著，而竹腔施肥與對照差異不顯著。研究發(fā)現(xiàn)，短期內(nèi)施用毛竹專用肥增加竹株生物量最明顯，為16.97 t/hm2，較對照增加55.12%，；其次是竹腔施肥，生物量為15.73 t/hm2，較對照增加43.78%。由圖2可知，施肥方式不同，毛竹生物量的分配格局不同。其中對照毛竹的生物量分配排列順序?yàn)橹穸挘局裰Γ局褫局癖蓿局窀局袢~；竹腔施肥的生物量排列順序?yàn)橹穸挘局裰Γ局褫局窀局癖蓿局袢~；穴施專用肥的生物量排列順序?yàn)橹穸挘局窀局癖蓿局裰Γ局褫局袢~。竹腔施肥可以增加竹稈、竹葉生物量比例，減少竹枝和鞭根系統(tǒng)生物量比例；穴施毛竹專用肥可以增加竹稈、竹葉、竹根生物量比例，減少竹枝、竹蔸、竹鞭生物量比例。未施肥、竹腔施肥、穴施專用肥3種施肥方式下器官竹稈生物量占比均達(dá)到總生物量的60%以上（分別為60.166%、63.284%和62.859%）。其中，穴施專用肥竹稈的生物量最高，與未施肥毛竹林竹稈相比達(dá)到顯著水平。

圖1 不同施肥方式對毛竹總生物量的影響Figure1 Total biomass in moso bamboo(Phyllostachys edulis)with fertilization mode

2.1.2 不同施肥方式土壤碳儲(chǔ)量

由圖3可知，不同施肥方式對土壤碳儲(chǔ)量的影響不同。0～60 cm土壤碳儲(chǔ)量的排序?yàn)棰颍劲螅劲?，竹腔施肥林地土壤碳?chǔ)量為112.197 t/hm2，未施肥林地為71.447t/hm2，穴施毛竹專用肥林地為62.193 t/hm2，且穴施毛竹專用肥、竹腔施肥、未施肥土壤碳儲(chǔ)量間的差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

2.1.3 不同施肥方式毛竹林碳儲(chǔ)量

由圖4可知，不同施肥方式下毛竹林系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化較大，排列順序?yàn)棰颍劲螅劲?。竹腔施肥模式下毛竹林碳?chǔ)量最高，為144.757 t/hm2；竹腔施肥毛竹林系統(tǒng)碳儲(chǔ)量顯著高于穴施毛竹專用肥和未施肥模式（P＜0.05）。穴施毛竹專用肥與未施肥模式相比，對毛竹林系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。

圖2 不同施肥方式對竹株器官生物量的影響Figure2 Biomass in moso bamboo(Phyllostachys edulis)organs with fertilization mode

圖3 不同施肥方式對土壤碳儲(chǔ)量的影響Figure3 Soil carbon storage with different fertilization modes

2.2 不同施肥方式對毛竹林土壤理化性質(zhì)的影響

2.2.1 不同施肥方式土壤物理性質(zhì)變化

圖4 不同施肥方式對毛竹林總碳儲(chǔ)量的影響Figure4 Total carbon storage of bamboo forest in different fertilizing modes

由表2可知，不同的施肥方式對土壤物理性質(zhì)的影響較小。0～20 cm土層，穴施專用肥土壤容重（1.04 g/cm3）顯著低于竹腔施肥（1.13 g/cm3）和未施肥（1.23 g/cm3）毛竹林地，竹腔施肥毛管孔隙度最高，達(dá)46.82%，顯著高于未施肥和穴施專用肥模式，而非毛管孔隙度則是穴施專用肥顯著高于未施肥和竹腔施肥模式，穴施專用肥和竹腔施肥總孔隙度均顯著高于未施肥竹林地土壤；3種施肥模式下未造成土壤最大持水量、最小持水量和毛管持水量的顯著變化。不同的施肥方式對20～40和40～60 cm層土壤物理性質(zhì)的影響較小，除竹腔施肥非毛管孔隙度在20～40 cm顯著低于穴施專用肥和未施肥林地外，其他物理性質(zhì)未發(fā)生顯著變化。

2.2.2 不同施肥方式土壤化學(xué)性質(zhì)變化

由表3可知，施肥方式對土壤不同層次的化學(xué)性質(zhì)影響程度不同。其中，對0～20 cm土層土壤化學(xué)性質(zhì)的影響最為明顯，隨著土層的加深，影響程度降低。在0～20 cm土層，3種施肥方式下土壤有機(jī)質(zhì)含量、全磷含量、全鉀含量、有機(jī)碳含量之間的差異達(dá)到顯著水平。竹腔施肥模式下土壤有機(jī)質(zhì)含量（56.85 g/kg）最高，顯著高于其他2種模式，全磷含量則在未施肥模式下最高，為0.63 g/kg，全鉀含量在穴施專用肥模式下最高，為19.46 g/kg；20～40 cm土壤層穴施專用肥模式下有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量較其他2種模式顯著降低，其他化學(xué)性質(zhì)的差異不顯著；40～60 cm層土壤化學(xué)性質(zhì)的差異均未達(dá)到顯著水平。對土壤不同層次碳儲(chǔ)量進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，3種施肥方式均以0～20 cm碳儲(chǔ)量最高，隨著土層深度增加碳儲(chǔ)量逐漸減少。毛竹林土壤有機(jī)碳集中分布在表層土壤中，在同一生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳含量隨土壤深度的增加而減少。

表2 不同施肥模式下土壤物理性質(zhì)狀況Table2 The soil physical properties with different fertilization modes

表3 不同施肥方式土壤化學(xué)性質(zhì)Table3 The soil chemical properties with different fertilization modes

2.2.3 土壤理化因子對土壤碳儲(chǔ)量的回歸分析

對土壤理化性質(zhì)進(jìn)行主成分分析，土壤物理性質(zhì)降維成X1和X2，累計(jì)方差達(dá)到93.561%，土壤化學(xué)性質(zhì)降維成X3和X4，累計(jì)方差達(dá)到95.866%。根據(jù)土壤理化成分結(jié)構(gòu)特征，可用土壤容重結(jié)構(gòu)X1、土壤孔隙度X2、土壤全磷全鉀含量X3、土壤有機(jī)碳含量X4來表達(dá)土壤理化性質(zhì)變化情況。經(jīng)線性回歸分析（表4：PⅠ=0.000；PⅡ=0.019；PⅢ=0.004）可知，3種施肥模式下，土壤碳儲(chǔ)量都與X2呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在穴施專用肥模式下，土壤有機(jī)碳含量（標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)=-0.135）對土壤碳儲(chǔ)量的影響小于土壤孔隙度（標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)=-1.08）；在竹腔施肥模式下，土壤有機(jī)碳含量（標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)=0.944）對土壤碳儲(chǔ)量的影響大于土壤孔隙度（標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)=0.069）；在不施肥模式下，土壤有機(jī)碳含量（標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)=1.008）對土壤碳儲(chǔ)量的影響遠(yuǎn)大于土壤孔隙度（標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)=0.012）。由此可見，在土壤理化結(jié)構(gòu)中，土壤碳儲(chǔ)量的變化在3種模式下都是土壤物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)共同作用的結(jié)果。

3 討論

3.1 施肥方式對毛竹林系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響

施肥方式對毛竹林系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響主要是通過植被生物量、土壤碳儲(chǔ)量兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)的。竹腔施肥和穴施專用肥均能顯著提高植被的總生物量，施肥方式對土壤碳儲(chǔ)量的影響則不同，竹腔施肥顯著提升土壤碳儲(chǔ)量，穴施專用肥降低土壤碳儲(chǔ)量，本研究中竹腔施肥（112.197 t/hm2）模式下土壤碳儲(chǔ)量最高，略高于劉應(yīng)芳等[29]的研究結(jié)果。本研究結(jié)果表明，竹腔施肥方式下土壤碳儲(chǔ)量占毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量比例達(dá)77.507%，試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了在竹林系統(tǒng)碳儲(chǔ)量中，土壤層是最大的有機(jī)碳庫，這與范葉青等[30-31]的研究結(jié)論相一致，土壤層碳儲(chǔ)量對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量起決定性作用。

表4 不同施肥方式土壤理化性質(zhì)對土壤碳儲(chǔ)量的回歸分析Table4 Regression analysis of soil physical and chemical properties on soil carbon reserves with different fertilization mode

3.2 施肥方式對毛竹林土壤理化性質(zhì)的影響

竹腔施肥顯著提高了毛竹林土壤碳儲(chǔ)量，而穴施毛竹專用肥顯著降低了毛竹林土壤碳儲(chǔ)量。土壤擾動(dòng)會(huì)降低土壤碳儲(chǔ)量，進(jìn)而降低該區(qū)域整體生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力，改變毛竹林生態(tài)系統(tǒng)的碳分配格局，與唐曉鹿等[32-33]研究結(jié)論相吻合。土壤物理性質(zhì)方面，穴施毛竹專用肥顯著降低土壤容重，而竹腔施肥對其無影響；對土壤養(yǎng)分元素來說竹腔施肥方式下土壤有機(jī)質(zhì)含量（0～20 cm）顯著高于其他2種方式，施肥對全磷和全鉀有顯著影響。土壤理化性質(zhì)是區(qū)域內(nèi)環(huán)境氣候條件長期累積形成的結(jié)果，短期內(nèi)施肥對土壤物理性質(zhì)的影響較小，試驗(yàn)中土壤其他理化性質(zhì)變化不明顯。

4 結(jié)論

竹腔施肥對土壤的擾動(dòng)較小，能顯著提升毛竹林碳儲(chǔ)量，改善土壤理化性質(zhì)；而穴施毛竹專用肥擾動(dòng)較大，顯著降低土壤和毛竹林總的碳儲(chǔ)量，土壤的擾動(dòng)增加了土壤碳的釋放。從增加毛竹林系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的角度考慮，竹腔施肥較穴施毛竹專用肥更能促進(jìn)毛竹林碳儲(chǔ)量的增加，是一種較好的固碳技術(shù)模式。