蘇 宇,劉 鴻,2,李賢偉*, 范 川,劉晟男,張小國,陳露蔓
(1.四川農(nóng)業(yè)大學林學院,成都 611130;2.達州市達川區(qū)麻柳鎮(zhèn)人民政府,四川 達州 635000)
雷竹(Phyllostachys praecox),為禾本科竹亞科剛竹屬植物,是我國小徑竹中的優(yōu)良散生筍用竹種,因其具有筍品優(yōu)、產(chǎn)量高和易管理等特點,已在我國南方多省得到規(guī)模化推廣栽培[1]?,F(xiàn)行的經(jīng)營方式以施肥和覆蓋為核心,利用平衡化施肥措施保證筍用林的地力及筍產(chǎn)量,通過有機物的覆蓋增加土壤有效積溫,打破筍芽休眠,調(diào)控出筍期,有效地早產(chǎn)促筍,提升經(jīng)濟效益[2-3]。但由于生產(chǎn)實踐過程中的過量施肥或者覆蓋不當,易造成肥飽和效應和肥毒害現(xiàn)象,誘發(fā)雷竹筍品質(zhì)下降,并直接導致雷竹林提早退化[4-5]。林地土壤化學計量特征的研究不僅能夠反映雷竹生長速度(C/N、C/P),表征營養(yǎng)元素對生產(chǎn)力的限制性作用(N/P),還可以揭示土壤內(nèi)部 C、N、P的循環(huán)特征(C/N/P),進而反映出不同經(jīng)營模式對雷竹林分地力的影響[6]。雷竹林土壤中C、N、P的耦合關系,明顯受到地上部分歸還量的影響[2]。林地覆蓋會改變雷竹林土壤和立竹葉片的N、P化學計量特征,過度的林地經(jīng)營措施會引起N、P養(yǎng)分失衡,增強P素對雷竹生長的限制作用,產(chǎn)生土壤的酸化與毒害,導致雷竹林退化[7]。本研究將探討不同組合模式對雷竹林土壤養(yǎng)分化學計量特征,肥料貢獻率,出筍情況的影響,并分析各指標間的相關關系,篩選出合理的培育方案,以期將成熟的組合模式在類似區(qū)域和相應竹種中推廣應用,充分發(fā)揮雷竹筍用林的經(jīng)濟、社會與生態(tài)效益。
本試驗地設置于雅安市雨城區(qū)草壩鎮(zhèn)廣華村雷竹林(E102°51′~103°12′,N29°57′~30°14′),其竹林密度為 12 000 株/hm2,竹齡為 1~5 a,胸徑為 2.5~7.0 cm。供試土壤主要理化性質(zhì)為pH 4.6,有機質(zhì)含量 63.78 g/kg,全氮 2.3 g/kg,堿解氮 259.40 mg/kg,全磷 1.73 g/kg,速效磷 89.23 mg/kg。
選取生長情況相似、齡級結(jié)構(gòu)合理、竹林密度一致的雷竹林,在田間平緩地段設置4 m×10 m的試驗地。采用隨機區(qū)組試驗設計,每個處理重復3次,共設置36個樣地。試驗所用肥料有雞糞、油枯、復合肥(N、P2O5、K2O的質(zhì)量分數(shù)配比盡可能平衡為1∶1∶1);覆蓋材料為人工收集的稻草和谷殼。具體施肥量及覆蓋厚度的隨機區(qū)組試驗設計見表1。
表1 雷竹林分施肥與覆蓋組合模式隨機區(qū)組表Table 1 Randomized block design of fertilization and mulching management technology of P.praecox
其中,為保肥效的良好表現(xiàn),施肥采用定量多次撒施的方式,分3次進行,時間為2014年6月、9月和11月,施肥量依次占總量的35%、30%和35%。覆蓋則在2014年12月10日進行,采用雙層覆蓋法,即下層為增溫層(稻草),上層為保溫層(谷殼)。待增溫層覆蓋完成3~5 d后,增溫層自然壓實,再進行保溫層覆蓋。
1.3.1 樣品采集與測定
土樣采集于2015年4月雷竹出筍結(jié)束后。對雷竹竹鞭在土壤中的分布深度進行挖掘調(diào)查時發(fā)現(xiàn)90%的鞭根分布于5~30 cm的土層中。采樣時,采用“S”形布點采樣,去除表層的苔蘚、枯枝落葉以及雷竹林地覆蓋物后,用直徑5 cm的土鉆取0~30 cm土壤,混合去掉可見植物殘根和粗石粒后,放入袋中及時帶回實驗室,置于陰涼通風處攤晾,風干后研磨,分別過100目篩,裝入樣品袋備用。有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法;全氮采用凱氏定氮法;全磷采用堿熔-鉬銻抗比色法[8]。
1.3.2 雷竹出筍情況的調(diào)查
在出筍時節(jié)記錄每個樣地的出筍起止時間,計算每個樣地的出筍量,并在土層5 cm處安置紐扣式溫度計(DS1923),每2 h監(jiān)測1次土壤溫度。
用階段性活動積溫(Action TTS)[9]來計算出筍期的土壤積溫,計算公式如下:
式中,ATTS為出筍期的土壤積溫(℃);n(i=1,2,3,…n)為出筍時長(d);ai為當天的土壤均溫(℃);c為雷竹出筍的下限溫度,根據(jù)資料[10]選取10℃。
1.3.3 林地肥料貢獻率計算
基礎地力產(chǎn)量(yield of basic soil productivity,BSPY,kg/hm2)=未經(jīng)營區(qū)筍產(chǎn)量;
基礎地力貢獻率(contribution rate of basic soil productivity to yield,BSPCR,%)=未經(jīng)營區(qū)筍產(chǎn)量/經(jīng)營區(qū)筍產(chǎn)量;
肥料貢獻率(fertilizer contribution rate,F(xiàn)CR,%)=(經(jīng)營區(qū)筍產(chǎn)量-未經(jīng)營區(qū)筍產(chǎn)量)/經(jīng)營區(qū)筍產(chǎn)量。
每個處理重復3次,取3次實驗的平均值±標準差。采用Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進行簡單整理、統(tǒng)計分析及圖表制作,Origin8.0作圖,采用SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(One-way ANOVA)、雙因素方差分析(Two-way ANOVA),采用LSD與Duncan法進行多重比較,最后采用Pearson相關系數(shù)進行相關性分析。
雷竹林土壤中的C、N、P含量經(jīng)線性與非線性方程擬合表明具有函數(shù)關系。其中C-N間的相關性最強(R2=0.532 8,P<0.01),C-P 間(R2=0.475 8,P<0.01),N-P 間(R2=0.418 7,P<0.01)(見圖 1~圖 3)。C-N,P-C之間分別可以用線性方程進行擬合,而N-P之間的關系則是通過非線性的方程擬合度更高。
圖1 雷竹林土壤C、N含量間的關系Figure 1 Linear relationships in soil C-N contents
圖2 雷竹林土壤N、P含量間的關系Figure 2 Linear relationships in soil N-P contents
圖3 雷竹林土壤C、P含量間的關系Figure 3 Non-linear relationships in soil C-P contents
由表2可知,對照的雷竹林地土壤C/N為3.36,變異系數(shù)(CV)為 11.57%;A1 系列經(jīng)營中只有A1B2處理,C/N上升為 4.05,變異系數(shù)下降到8.78%,其余兩組上升趨勢不顯著(P>0.05)。A2 系列經(jīng)營都使得雷竹林的C/N顯著升高,A2B1為4.27(CV14.33%),A2B2 為 4.27(CV4.17%),A2B3 為 4.89(CV11.91%),A2B4 為 4.72(CV6.09%)。A3 系列組合模式和未經(jīng)營A1B1模式比較變化并不顯著。A3B1 林地土壤 C/P 為 3.40(CV2.03%),低于 A1B1雷竹林地,A1B2與A2系列模式C/P均表現(xiàn)出顯著性的增加(P<0.05)。土壤 N/P,與 A1B1 相比所有的組合模式均未表現(xiàn)出顯著性的改變。
表2 不同組合模式下雷竹林地土壤化學計量特征Table 2 Chemical properties in intensively cultivated soils of P.praecox
雷竹林土壤中C、N、P元素之間的相關性會隨著組合模式的改變而發(fā)生變化,在未經(jīng)營的A1B1模式中土壤C、N元素呈現(xiàn)顯著負相關(見表3),而隨著覆蓋與施肥組合模式的進行土壤元素含量間的相關性也發(fā)生了改變,其余模式下C-N-P未呈現(xiàn)顯著相關關系。在A2B1處理后C-P呈現(xiàn)出顯著正相關,A2B3處理后N-P則呈現(xiàn)出顯著負相關關系。根據(jù)不同組合模式經(jīng)營后雷竹林土壤生態(tài)化學計量特征影響的雙因素方差分析可知,施肥與覆蓋模式對土壤中的C、N、P元素皆呈現(xiàn)極顯著的影響(P<0.01),但兩個因素的交互影響并不顯著(見表4)。而對于C/N、C/P、N/P這3項土壤計量特征,僅施肥因素呈現(xiàn)極顯著的影響(P<0.01)。
表3 不同組合模式雷竹林土壤C、N、P之間的相關性Table 3 Effects of different intensive management technologies on soil chemical properties in P.praecox forests
表4 不同組合模式經(jīng)營后雷竹林土壤生態(tài)化學計量特征影響的雙因素方差分析Table 4 Soil physic-chemical properties in intensively cultivated soils of P.praecox by double factor variance analysis
根據(jù)基礎地力產(chǎn)量(BSPY)等于未經(jīng)營區(qū)的筍產(chǎn)量可知,本試驗雷竹林地的基礎地力產(chǎn)量為12.98×103kg/hm2。在進行不同組合模式經(jīng)營后,基礎地力貢獻率(BSPCR)皆顯著降低,在A2B3模式下為 54.07%,較未經(jīng)營的 A1B1下降了 45.93%(圖4)。3種施肥處理中覆蓋模式均呈現(xiàn)出規(guī)律的變化趨勢,BSPCR 表現(xiàn)為 B1>B4>B2>B3。FCR 表現(xiàn)為B3>B2>B4>B1,在 A2B3 表現(xiàn)最優(yōu)(圖 5)。
圖4 不同組合模式基礎地力貢獻率Figure 4 Effects of different fertilization and mulching treatments on BSPCR
圖5 不同組合模式肥料貢獻率Figure 5 Effects of different fertilization and mulching treatments on FCR
C/N、C/P與N/P與其分子分母之間的相關性如表5,C/N與C呈現(xiàn)極顯著的相關關系,與N相關性不顯著;C/P與C呈極顯著相關,與P含量不顯著;N/P與P呈現(xiàn)極顯著的負相關關系。此外,C/N與C/P呈極顯著正相關,C/P與N/P呈顯著正相關。BSPCR與土壤中C、N、P呈極顯著負相關關系,F(xiàn)CR則與土壤中 C、N、P呈極顯著正相關關系。且BSPCR與FCR皆不與土壤中C/N、C/P與N/P呈現(xiàn)顯著的相關關系。
表5 雷竹林土壤化學計量特征與肥料貢獻率的相關性Table 5 The correlation analysis between bamboo shooting and soil physicochemical properties and FCR
由表6可知,在不同組合模式下的筍期長與筍期土壤有效積溫(ATTS)呈現(xiàn)極顯著正相關,鮮筍產(chǎn)量與筍期的土壤有效積溫呈顯著的正相關,但BSPCR則與鮮筍產(chǎn)量、ATTS呈極顯著負相關。
表6 雷竹林筍期長、鮮筍產(chǎn)量、出筍期土壤有效積溫與肥料貢獻率的相關性Table 6 The correlation analysis between shoot-yield period,bamboo shooting,ATTS,BSPCR and FCR
雷竹林的經(jīng)濟收益在不同的施肥與覆蓋組合模式下都有一定程度的提高,B1系列的收益較未經(jīng)營A1B1模式僅增長13%~16%(見表7)。由于覆蓋材料具有顯著促早產(chǎn)能力,能夠大幅度的提高雷竹筍的單價,因此隨著覆蓋與施肥雙重經(jīng)營的投入,經(jīng)濟收益隨之升高,經(jīng)濟增益高達105%~205%。其中增益最高組合為A2B3。但過量的覆蓋物投放會增加成本負擔,一定程度上降低經(jīng)濟收益,故而B4系列的經(jīng)濟收益都低于同A組別的B3處理。
表7 不同經(jīng)營模式下每公頃經(jīng)濟及收益表Table 7 Economy and income statement per hectare under different fertilization and mulching treatments
本研究將土壤養(yǎng)分的測定范圍確定為雷竹鞭根系統(tǒng)主要分布的0~30 cm土層[11],這可以更為直觀地表現(xiàn)出雷竹林地上層土壤受到經(jīng)營措施擾動后的養(yǎng)分異動特征,而且土壤C、N、P的生態(tài)化學計量特征對于揭示土壤養(yǎng)分的可獲得性以及營養(yǎng)元素的平衡機制具有良好的指示作用[12]。通過本實驗進行的C、N、P含量之間的擬合模型可以看出,N、P與C之間呈現(xiàn)線性相關關系。雖然土壤N-P呈現(xiàn)極顯著的相關性,但由于N與P在雷竹林生態(tài)系統(tǒng)中一直處于流動的狀態(tài),其回歸擬合并不是單純的線性關系,而是表現(xiàn)為更復雜的非線性相關關系。
本研究中的未經(jīng)營雷竹林地(A1B1)土壤C/N平均值(3.36)低于中國土壤 C/N 平均值(10~12),且低于浙江臨安雷竹林土壤(7.21)[13]。但施用雞糞(15 000 kg/hm2)+ 油枯(5 000 kg/hm2)后,C/N 顯著增加(4.27)。以往的研究表明,土壤C-N間存在耦合關系,對于環(huán)境變化表現(xiàn)出同步性響應,比值一直處于相對穩(wěn)定的狀態(tài),故林地的經(jīng)營措施對于土壤C/N的影響并不顯著[14-16]。同時,在土壤微生物的生長過程中,微生物會釋放多余的N素養(yǎng)分,這一過程也會增加土壤N含量[17]。在本研究中隨著組合模式的實施,伴隨外加有機肥料和覆蓋物的分解,會增加土壤有機質(zhì)的含量,這個過程中雖然N素也有一定量的輸入,但整體輸入量低于C含量的增加,這就使得經(jīng)營后的土壤C/N出現(xiàn)了一定程度的上升。
不同組合模式下雷竹林土壤化學計量特征的差異,反映了植株生長過程中所受的元素限制情況[18-19]。一般來說,P在林地中的吸收與存流量一直處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)[20],但在雷竹組合模式中,由于有機覆蓋物與肥料的添加,特別是大于10 cm的B3、B4覆蓋模式下,土壤中的P含量顯著增加[21]。本研究中土壤N/P平均值(1.12),遠低于全國均值(9.3),P與土壤N/P呈現(xiàn)極顯著負相關,可見P在N/P的關系中處于主導地位,成為限制性的養(yǎng)分元素[22-23],表現(xiàn)為顯著的P限制。
對于筍用竹林,外源有機質(zhì)的輸入可以保證林分的生長更新,補充土壤養(yǎng)分的消耗,提高經(jīng)濟效益。在本研究采用的組合模式中,覆蓋模式能較好地提高筍期活動積溫,促進筍芽分化,持水保肥。在覆蓋后期,有機材料分解也有利于竹鞭系統(tǒng)的發(fā)育,使竹林有效孕鞭育筍。
在本實驗設計的12種組合模式中,不同肥料使用類型的肥料利用率表現(xiàn)為:A2>A3>A1。人工添加肥料能增強竹林的碳同化能力,增加生物量的產(chǎn)出,其中由雞糞+油枯混合有機肥料的添加,可以達到最高的肥料貢獻率。在陳聞等[24]研究結(jié)果中同樣表明,常規(guī)施肥的肥料農(nóng)學利用率最低,N、P和K(鮮筍)農(nóng)學利用率分別為 4.7、23.6 和 14.2 kg/kg;而且陳裴裴等[25]的研究也表明,有機肥的施入比無機肥料增產(chǎn)10%~15%。本研究中雷竹林的肥料利用率在不同的覆蓋處理模式上表現(xiàn)為:B3>B2>B4>B1。從每公頃的經(jīng)濟收益來看:A2>A3>A1;B3>B2>B4>B1。綜合起來,這 12種模式中 A2B3[(雞糞(15 000 kg/hm2)+ 油枯(5 000 kg/hm2)+(稻草 15 cm+谷殼15 cm)]表現(xiàn)最優(yōu)。在未進行經(jīng)營的A1B1模式中C、N含量間呈現(xiàn)顯著負相關,但隨著外源養(yǎng)分的添加,這種關系逐漸被打破,在A2B3中,表現(xiàn)出N、P之間的顯著負相關,形成了新的平衡模式。針對A、B兩種系列處理模式C、N、P之間的相關分析發(fā)現(xiàn),單一處理模式均表現(xiàn)為顯著的相關關系,但施肥與覆蓋經(jīng)營組合模式并無顯著的交互影響?;瘜W計量特征之間的顯著影響則僅表現(xiàn)在A系列上,即施肥處理。
肥料貢獻率與土壤養(yǎng)分之間呈現(xiàn)極顯著相關關系,這種關系并沒有表達在土壤化學計量特征上,而是與出筍期的土壤有效積溫顯著相關。這是因為雷竹筍用林在休眠期前進行覆蓋可以增加積溫,從而激發(fā)筍芽分化,有效調(diào)控出筍時間。