雷竹覆蓋物分解速率及其硅含量的變化

黃張婷，張 艷，宋照亮，2，姜培坤，2，* ，項(xiàng)婷婷

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，臨安 311300;2.浙江農(nóng)林大學(xué)浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，臨安 311300)

雷竹(Phyllostachys praecox)屬于禾本科竹亞科剛竹屬，是我國(guó)優(yōu)良的筍用竹，在我國(guó)亞熱帶地區(qū)被廣泛引種栽培。自20世紀(jì)80年代以來，雷竹早產(chǎn)高效栽培技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使雷竹筍的上市時(shí)間提早到春節(jié)時(shí)期，極大地提高了竹農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收益［1］，同時(shí)也產(chǎn)生了一些如竹林退化［2］、周邊水體污染［3］等問題。早產(chǎn)高效栽培技術(shù)的核心是通過冬季地表覆蓋來提高土壤溫度，促使雷竹提早出筍，通過施重肥以大幅增加產(chǎn)量。

雷竹覆蓋物作為外源有機(jī)物料，因生產(chǎn)需要，被大量引入林地中，與雷竹林地自然凋落物有較大差別，又經(jīng)人為處理，其分解過程不同于一般的林地自然凋落物，分解行為對(duì)土壤元素循環(huán)(如Si元素)和土壤的環(huán)境因子的影響與林地自然凋落物有較大差別。

硅(Si)是地殼中除氧外含量最豐富的元素，其豐度約為28.8%。陸地植物每年以BSi的形式固定約1.68×109—5.60×109t的 Si［4］，可見通過這種形式進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)中的 Si數(shù)量相當(dāng)可觀。研究發(fā)現(xiàn)［5］，單子葉植物中Si含量高于雙子葉植物，其中又以禾本科植物為陸地環(huán)境中積累高濃度Si的代表。雷竹作為典型的禾本科植物，具有Si超富集能力［6］。Si是多種植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生積極的影響［7］。植物體本身就是一個(gè)相當(dāng)大的硅庫(kù)，在植硅體形成的過程中，活細(xì)胞中有機(jī)碳可被固定在其中形成植硅體碳(phytolith-occluded organic carbon，PhytOC)。土壤中的許多其他有機(jī)碳可能在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)分解而進(jìn)入大氣，而PhytOC由于受植硅體保護(hù)可長(zhǎng)期累積于土壤中［8］，從而成為陸地土壤長(zhǎng)期(萬年尺度)固碳的重要機(jī)制之一(貢獻(xiàn)率為15%—37%)［5］。土壤中PhytOC是一個(gè)重要的長(zhǎng)期的陸地碳庫(kù)，因此，在調(diào)節(jié)全球碳循環(huán)和緩解全球氣候變暖趨勢(shì)等方面具有重要作用［8-9］。

在雷竹早產(chǎn)高效技術(shù)中使用的覆蓋材料(竹葉、稻草)本身也是具有高硅含量的禾本科植物殘?bào)w，分解后能為雷竹生態(tài)系統(tǒng)額外提供大量BSi的輸入，因此雷竹林生態(tài)系統(tǒng)中的硅素變化具有其特殊性。而以往對(duì)雷竹的研究主要集中在雷竹栽培、雷竹林地土壤的基本養(yǎng)分及其周邊水體的質(zhì)量變化等方面，而對(duì)雷竹生態(tài)系統(tǒng)中的覆蓋物分解的研究不多，尤其是對(duì)在雷竹林中覆蓋高硅含量材料的硅含量變化規(guī)律尚不清楚。因此，有必要開展雷竹林覆蓋物分解速率的年動(dòng)態(tài)變化和覆蓋分解物中硅含量變化規(guī)律的研究，為今后開展雷竹林生態(tài)系統(tǒng)植硅體及其固碳方面的研究做鋪墊，也為雷竹林地生產(chǎn)實(shí)踐提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)地設(shè)在浙江省臨安市三口鄉(xiāng)蔥坑村的雷竹主產(chǎn)區(qū)(30°14'N，119°42'E)。該地區(qū)海拔150 m，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫16℃，無霜期236 d，年平均降水量1614 mm，降水日158 d，日照充足，四季分明，氣候垂直變化明顯。降水量年內(nèi)分配不勻，集中于汛期4—10月，其中7—8月受太平洋副熱帶高壓控制，相對(duì)于汛期其他月份，氣溫高、雨量少。土壤為發(fā)育于粉砂巖的紅壤土類，黃紅壤亞類，地形以丘陵為主。

該試驗(yàn)地雷竹建園歷史8 a，雷竹地立竹密度20450株/hm2，立竹平均胸徑3.9 cm。按照當(dāng)?shù)刂褶r(nóng)的栽培習(xí)慣，在每年11月下旬進(jìn)行雷竹林地表覆蓋(先覆蓋10 cm稻草，再覆蓋20 cm竹葉)，到翌年4月中旬揭去未腐爛的覆蓋物。并在每年11月中旬、翌年5月中旬和9月下旬施肥3次，3次肥料用量比例分別控制在35%—40%，30%和 30%—35%，化肥以尿素和復(fù)合肥(N ∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)為主，尿素 1.125 t/hm2，復(fù)合肥2.25 t/hm2。施肥后，結(jié)合翻耕1次。

1.2 設(shè)計(jì)與采樣分析

供試的覆蓋物(竹葉和稻草)的化學(xué)性質(zhì)見表1。覆蓋物分解試驗(yàn)采用分解管分解法。在20 m×30 m的采樣區(qū)內(nèi)一次均勻放置36個(gè)直徑為30 cm的PVC分解管，分解底部(即靠近地面的一端)用尼龍網(wǎng)包扎，尼龍網(wǎng)孔徑為0.5 mm。先將覆蓋物(下層為10 cm厚的稻草，上層再蓋20 cm厚的竹葉)分別裝入已編號(hào)的分解管中，然后將分解管放置在已去除枯枝落葉的林地地表，在頂端包扎同樣的尼龍網(wǎng)。采集覆蓋物材料樣品(稻草、竹葉各1份)作為本底樣。翌年1—12月每月15日左右采樣1次，每次取回分解管3個(gè)。將管內(nèi)剩余的稻草和竹葉取出，仔細(xì)分揀，小心剔除分解剩余稻草和竹葉表面沾的泥沙及其他非分解殘余物后，分別于80℃烘干至恒重，稱量得到稻草和竹葉的殘余質(zhì)量，計(jì)算兩者的分解速率和質(zhì)量損失率。將烘干后的樣品在高速粉碎機(jī)中磨細(xì)，貼上標(biāo)簽保存?zhèn)溆谩?/p>

將每月處理好的樣品分為兩份，一份用Elementar vario MAX CN碳氮元素分析儀測(cè)定其C、N元素含量。另一份用偏硼酸鋰熔融-ICP-AES法，用ICP perkin 7000測(cè)定其Si、Al、Fe等元素的含量，用鉬藍(lán)比色－分光光度法測(cè)定P元素含量［10］。

表1 覆蓋物的化學(xué)性質(zhì)Table 1 Chemical properties of the mulching materials used in the experiment

1.3 土壤取樣與分析

在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，用自制采樣器蛇形法多點(diǎn)分3層采集0—20 cm、20—40 cm和40—60 cm土樣。土壤樣品風(fēng)干后，磨細(xì)過篩，備用。土樣分析方法如下:土壤有機(jī)質(zhì)，重鉻酸鉀外加熱法;全氮，凱氏法;水解氮，堿解法;有效磷，Bray法;速效鉀，乙酸銨浸提［10］。試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)見表2。

表2 試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)Table 2 The basic physicochemical properties of the soil used in the experiment

1.4 覆蓋物分解速率和質(zhì)量損失速率的計(jì)算

式中，Wi為第i次取樣時(shí)的剩余干質(zhì)量，Wi+1為下一次取樣時(shí)的剩余干質(zhì)量，i=1，2，…，11。

式中，W0為覆蓋物本底樣的干質(zhì)量，Wi為覆蓋后第i次取樣時(shí)的剩余干質(zhì)量，i=1，2，…，12。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)計(jì)算及作圖采用Excel軟件處理。數(shù)據(jù)處理使用DPS系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 覆蓋物分解速率和物質(zhì)量損失率動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

由圖1可見，在覆蓋物1a的分解過程中，竹葉和稻草的月平均分解速率分別為11.9%和8.5%。竹葉的分解速率從分解的第2個(gè)月起迅速提高，除了5月、6月外，其余月份均超過10%;稻草在1—4月緩慢分解，從5月起分解速率迅速提高，此后除11月出現(xiàn)一次低值，其余月份也都高于10%，5—12月稻草的平均分解速率高達(dá)12.0%。

總體來說，在分解過程中，竹葉和稻草的月分解速率都有一定的波動(dòng)，兩者的分解高峰處于3—10月，7—8月時(shí)兩者的分解速率最高可達(dá)16.3%和19.1%。

圖1 覆蓋物分解速率動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和物質(zhì)量損失率動(dòng)態(tài)變化規(guī)律Fig.1 Monthly decomposition rate and mass losing rate of mulching materials

在覆蓋物1a的分解過程中，竹葉和稻草的總分解量分別達(dá)到79.3%和67.5%(圖1)。兩種覆蓋物質(zhì)量損失率變化趨勢(shì)基本一致，即隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，覆蓋物的質(zhì)量損失率增加，但增加幅度緩急不一。竹葉質(zhì)量損失率在1—4月迅速提高，5—6月竹葉質(zhì)量損失率變化不明顯，此后又持續(xù)上升直至12月。與竹葉不同的是，稻草1—4月的質(zhì)量損失率很低，從5月起迅速提高，并持續(xù)至10—12月才有所減緩。

2.2 覆蓋物C、N含量及C/N動(dòng)態(tài)變化

在1 a的分解過程中，竹葉和稻草分解殘余物的C含量隨時(shí)間的推移而下降(圖2)，竹葉C含量下降了14.8%，稻草C含量下降了15.3%;兩者的N含量都出現(xiàn)了增加的趨勢(shì)(圖2)，到12月時(shí)，竹葉、稻草N含量分別增加到25.71 g/kg和23.61 g/kg，是試驗(yàn)開始時(shí)的1.16和2.74倍。從分解過程來看，2種覆蓋物N含量的最大值均出現(xiàn)在9月，分別為27.33 g/kg和24.92 g/kg。經(jīng)過1 a的分解，竹葉N含量只增加了15.8%;而稻草N含量則增加了174.4%，且主要集中于分解初期。

從圖2可以看出，竹葉C/N波動(dòng)不大，總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，分解1 a后，從20.33下降到14.97，下降幅度為26.4%，而稻草 C/N 從49.04下降到15.93，下降幅度為67.5%，其中1—2月下降了26.44，占全年下降總量的79.9%，除此之外，其它月份變化與竹葉一致。

2.3 覆蓋物Si含量及其與其他元素的關(guān)系

2.3.1 覆蓋分解殘余物中Si含量

圖3顯示，竹葉和稻草兩種覆蓋物在1 a的分解過程中，分解殘余物中Si含量變化趨勢(shì)基本一致，都隨著分解時(shí)間的增加而提高，但兩者在不同月份之間Si含量增幅有所不同。在整個(gè)分解過程中，竹葉分解殘余物中Si含量處平穩(wěn)上升趨勢(shì)，在分解末期達(dá)到一年中的最大值(80.8 g/kg)，為本底樣Si含量的3.9倍。稻草殘余物的Si含量在1—2月有明顯上升，此后上升幅度減緩，同樣在分解末期達(dá)到最大值(81.8 g/kg)，是本底樣Si含量的 3.1 倍。

圖2 覆蓋物C含量、N含量及C∶N動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes in carbon and nitrogen concentrations，and carbon to nitrogen ratio(C ∶N)in residual mulching materials

2.3.2 覆蓋分解殘余物中其他元素含量

圖4顯示，在1 a的分解中，兩種覆蓋物分解殘余物中Al含量變化趨勢(shì)基本一致，即隨著分解時(shí)間的延長(zhǎng)，覆蓋分解殘余物中的Al含量基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但在分解末期出現(xiàn)分異。稻草分解殘余物中Al含量變化范圍在 0.2—8.4 g/kg，變化幅度達(dá) 4100%;竹葉分解殘余物中Al含量變化范圍在 0.3—5.4 g/kg，變化幅度達(dá)1700%。竹葉和稻草Al含量從分解開始到9月一直平穩(wěn)上升，但9月之后兩種覆蓋物中的Al含量開始出現(xiàn)不同的變化:竹葉中Al含量迅速上升后，到10月開始緩慢下降，而稻草中的Al含量則在試驗(yàn)?zāi)┢谘杆偬岣摺?/p>

Fe含量變化趨勢(shì)與Al含量變化趨勢(shì)相近，且在末期也出現(xiàn)一致的分異(圖4)。竹葉殘余物中Fe含量變化范圍為0.3—3.6 g/kg，稻草殘余物中 Fe含量變化范圍為0.2—3.8 g/kg，變幅分別達(dá)1100%和1800%。

兩種覆蓋物的分解殘余物中P含量變化趨勢(shì)與Al、Fe含量的變化差異較大，曲線大致呈現(xiàn)雙峰型，尤其在稻草P含量變化趨勢(shì)上更為明顯(圖4(c))。稻草分解過程中P含量變化范圍為0.7—1.4 g/kg，分解末期比初期提高了1倍，在4月和11月時(shí)出現(xiàn)峰值，最小值則出現(xiàn)在分解初和8月份;竹葉中P含量變化范圍為1.0—1.7 g/kg，峰值出現(xiàn)在5月和10月，最小值的出現(xiàn)時(shí)期與稻草相同。

2.3.3 覆蓋分解殘余物中Si含量與其他元素含量的相關(guān)性

本研究發(fā)現(xiàn)，稻草分解殘余物中的Si含量與Al含量呈極顯著的指數(shù)相關(guān)(R2=0.8057，P＜0.01)，Si含量與Fe含量呈極顯著的指數(shù)相關(guān)(R2=0.8239，P＜0.01);竹葉分解殘余物中的Si含量與Al含量呈極顯著的指數(shù)相關(guān)(R2=0.8425，P＜0.01)，Si含量與 Fe 含量呈極顯著的指數(shù)相關(guān)(R2=0.9124，P＜0.01)。但兩者的分解殘余物中Si含量與P含量之間的相關(guān)性都不顯著(圖5)。

3 結(jié)論與討論

3.1 雷竹覆蓋物的分解過程

圖3 覆蓋殘余物Si含量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律Fig.3 Dynamic changes in Si contents in residual mulching materials

圖4 覆蓋物Al含量、Fe含量和P含量的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes in Al，F(xiàn)e and P contents in residual mulching materials

圖5 稻草和竹葉覆蓋物中Si含量與Al含量、Fe含量、P含量之間的相關(guān)性Fig.5 Relationship between Si contents and in Al，F(xiàn)e or P contents in residual mulching materials of straw and bamboo leaves

雷竹冬季地表覆蓋物是一種特殊的外源有機(jī)物，目的在于提高冬季雷竹林地土壤溫度，實(shí)現(xiàn)竹筍反季節(jié)生產(chǎn)。這些覆蓋物的分解有別于一般的林木凋落物，但作為有機(jī)物料，其分解過程及其對(duì)環(huán)境條件的響應(yīng)與林木凋落物有一定的相似之處。植物分解損失50%的質(zhì)量所需要的時(shí)間稱為該植物分解的半衰期，其大小因植物種類不同而變化。本試驗(yàn)中，竹葉、稻草的半衰期分別為166 d和228 d，遠(yuǎn)小于我國(guó)亞熱帶主要樹種( 水杉、青岡、毛竹等 9 種的分解半衰期為 0.98—4.95 a)［11］、亞熱帶人工林(馬尾松、濕地松等)［12］和一些其他樹種［13-19］，說明雷竹覆蓋物分解速率大于亞熱帶地區(qū)多數(shù)林地的自然凋落物。

從凋落物性質(zhì)來看，影響凋落物分解的因素有N濃度、P濃度、木質(zhì)素與纖維素濃度、C/N、木質(zhì)素/N、C/P等［20］，其中N濃度、C/N最能影響分解的速率［21-22］。N濃度決定微生物生物量的增長(zhǎng)和微生物礦化有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)，高N濃度的植物殘?bào)w更易被微生物分解［21，23］。本試驗(yàn)中竹葉C/N比為20.51，顯著低于稻草的C/N比(49.04)，竹葉N含量為22.26 g/kg，遠(yuǎn)高于稻草N含量(8.64 g/kg)，這是竹葉分解較快的原因之一(表1)。雷竹冬季覆蓋中采用雙層覆蓋技術(shù)，一般稻草處于厚重的竹葉覆蓋物的下層，在分解過程中，O2被好氧微生物耗盡，加上土壤呼吸釋放的CO2不能及時(shí)排出，使好氧菌的生長(zhǎng)受到影響，降低了微生物生物量，改變了種群結(jié)構(gòu)，可能使稻草分解比較緩慢(圖1)。另外，Si含量較高的植物殘?bào)w具有較低的可分解性［24］，而稻草中的Si含量高于竹葉(表1)，這可能是稻草月平均分解速率低于竹葉的另一原因。本試驗(yàn)中，采用分解管內(nèi)雙層覆蓋物的處理是為了更好地還原實(shí)際生產(chǎn)中的覆蓋技術(shù)操作，研究該種雷竹栽培條件下覆蓋物的分解動(dòng)態(tài)變化過程，因此不可避免地產(chǎn)生如兩種覆蓋物的分解條件有些許差異的問題。為更好地表達(dá)稻草和竹葉這兩種覆蓋物在相同條件下的雷竹林地內(nèi)分解時(shí)的不同規(guī)律，并探討其與實(shí)際生產(chǎn)操作之間的差異，在今后的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)增加分解管內(nèi)單層覆蓋稻草或者竹葉這兩種對(duì)照處理。另外，為了更好地模擬自然狀態(tài)下的分解狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)在供試的PVC分解管壁上開若干小孔，并用孔徑為0.5 mm的尼龍網(wǎng)蓋住，使管內(nèi)覆蓋物既不會(huì)掉落又大大增加其通氣程度，以期分解在盡可能接近自然的條件下進(jìn)行。

從雷竹覆蓋物分解動(dòng)態(tài)來看，竹葉和稻草分解高峰處于3—10月，主要是由于氣溫回暖，微生物活性增強(qiáng)，分解速率隨溫度的升高而增加［25-26］。5月起稻草分解速率激增、質(zhì)量損失率迅速提高可能是真菌作用所致，在5月采集稻草樣品時(shí)發(fā)現(xiàn)有大量的白色菌類，表明土壤中的真菌深入稻草中，加速了稻草中木質(zhì)素等難分解物質(zhì)的分解［27］。受梅雨季節(jié)和夏季臺(tái)風(fēng)暴雨的影響，覆蓋物的分解加速，到7月、8月，竹葉、稻草分解速率分別高達(dá)16.3%和19.1%。試驗(yàn)結(jié)果中，關(guān)于C、N、C/N的結(jié)果與前人研究結(jié)果一致:竹葉和稻草在分解過程中C含量隨時(shí)間的推移而下降［28-29］，而N元素出現(xiàn)富集現(xiàn)象［28-32］。覆蓋物分解過程中的N素富集可能還與大氣N沉降［33］、微生物固持［20］和其他土壤生物的活動(dòng)有關(guān)［28］。另外，稻草中N素的迅速增加可能還與上層竹葉分解后N素淋溶下滲有關(guān)。

3.2 分解殘余物中Si含量及其與其他元素的關(guān)系

本試驗(yàn)中，覆蓋物的分解殘余物中Si含量出現(xiàn)相對(duì)富集，這與Si元素通常被結(jié)合在較難分解的物質(zhì)中有關(guān);而在分解末期竹葉分解殘余物中Si含量較高，這可能是由于竹葉質(zhì)量損失率較稻草大，而通常損失的這部分質(zhì)量大多是易分解的糖、蛋白質(zhì)、纖維素等一些類似的有機(jī)物被分解而引起的［34］，而Si含量的增加正是伴隨著這些物質(zhì)的分解，產(chǎn)生了含量上的相對(duì)富集，使竹葉分解殘余物中Si含量高于稻草。殘余物中Si含量與Al、Fe含量之間呈極顯著的相關(guān)性，而與P含量之間無顯著相關(guān)性?？赡苁且?yàn)镾i與Al、Fe的生物分解系數(shù)比較接近，而與P相差較大［14］，在分解過程中損失緩慢，都表現(xiàn)為相對(duì)富集。

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