持續(xù)施用生石灰對早竹筍品質(zhì)及竹材力學(xué)性質(zhì)的影響

劉 軍，沈強(qiáng)勇，金 錦，張 崑，傅偉軍，吳家森

（1.省部共建亞熱帶森林培育國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州31130；2.浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州31130；3.杭州市余杭區(qū)林業(yè)工作站，浙江 余杭311100）

早竹［Phyllostachys violascens（Carr.）A.et C.Riv.］［1］，又稱雷竹、早園竹，是優(yōu)良的筍用竹種，浙江臨安、余杭、德清等原產(chǎn)地種植面積達(dá)3.0×104hm2［2］。20世紀(jì)90年代初，以林地覆蓋和重施肥為主的高效栽培技術(shù)的推廣，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。早竹種植10 a后，早竹土壤pH值僅為3.2～3.8［3-4］，下降了3個單位［5］，34.7%的調(diào)查樣點(diǎn)土壤pH值低于4.6［2］，土壤重金屬活性增大［6］，可利用鋁含量劇增，危害早竹的正常生長［7］，嚴(yán)重阻礙了該產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

施用石灰是調(diào)節(jié)土壤酸度的有效手段，可以降低土壤酸度，補(bǔ)充鈣、鎂元素，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)［8］。施用生石灰后，早竹林地土壤pH值顯著提高［9］，土壤酸度和有效態(tài)重金屬元素含量顯著下降［10］。已有研究表明，早竹筍淀粉、糖、蛋白質(zhì)等受到經(jīng)營措施的影響［11］，竹筍鈣、鎂含量與土壤交換性鈣、鎂含量間的相關(guān)性顯著［12］，竹筍鉛、鋅、鎘含量與土壤有效態(tài)元素之間的相關(guān)性達(dá)顯著（極顯著）水平［13］。早竹彎曲、斷裂等冰雪災(zāi)害的損害程度隨土壤pH的降低而愈顯嚴(yán)重［14］。但，具體早竹林施用石灰對竹筍品質(zhì)及竹材材質(zhì)的研究至今沒有報(bào)道。研究通過設(shè)置不同石灰用量的定位試驗(yàn)，探討早竹筍品質(zhì)及竹材力學(xué)特性對石灰施用的響應(yīng)，為早竹林土壤修復(fù)的石灰施用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于浙江省杭州市余杭區(qū)余杭街道上湖村陸家灣（119°52′59″E，30°17′20″N）。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.1℃，極端最高氣溫40.7℃，極端最低氣溫-11.8℃，一月平均氣溫3.9℃，七月平均氣溫28.3℃，相對濕度79.5%，年平均降水量1 509 mm，年平均日照時(shí)數(shù)1 527 h［8］。試驗(yàn)用早竹林于1992年開墾種植，1998年覆蓋出筍經(jīng)營，采用“三年覆蓋出筍、二年休耕留竹，未清除稻草等覆蓋材料”栽培法，2015年底受冰雪災(zāi)害危害嚴(yán)重，立竹密度12 300株·hm-2。土壤為發(fā)育于花崗巖的紅壤土類，0～20 cm土壤pH 3.6，有機(jī)碳24.6 g·kg-1，堿解氮210.7 mg·kg-1，有效磷270.2 mg·kg-1，速效鉀207.0 mg·kg-1。生石灰為塊狀結(jié)構(gòu)，CaO含量452.5 g·kg-1，pH 13.7，EC值725.6 us·cm-1。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

共設(shè)4個處理，即CK、SH1、SH2、SH3，生石灰用量分別為0，1 500，4 500，7 500 kg·hm-2·a-1，3次重復(fù)，共12個小區(qū)，面積分別為100 m2，小區(qū)間挖10 cm×10 cm（寬×深）的排水溝（操作道）作為隔離。2016年開始，每年4月下旬將不同用量的生石灰均勻拋撒于相應(yīng)處理的早竹林地表，自然潮解入土，同年10月中旬墾復(fù)、翻耕土壤5～10 cm，連續(xù)實(shí)施3 a。挖取自然筍、留養(yǎng)母竹、刪除老竹、不施用肥料等經(jīng)營措施在不同處理間均相同。

1.3 樣品采集與分析

2018年3月29 日采集早竹筍樣品，在每個小區(qū)中采集大小均勻的已露頭10～15 cm的自然筍7支，及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室，剝?nèi)スS殼后留下可食部分，并縱向切成4條，測定可溶性固形物后，置于105℃烘箱中殺青30 min后，保持70℃烘干至恒重，將樣品粉碎后待測。

2018年11月23日，砍伐小區(qū)中1、2年生的早竹標(biāo)準(zhǔn)株（平均胸徑植株）各3株，用于竹材物理力學(xué)特性的測定；按3點(diǎn)法采集0～20 cm的土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，過2 mm或0.149 mm篩后待測。

土壤理化性質(zhì)的測定采用魯如坤的方法［15］；筍樣中可溶性固形物采用折光儀法、氨基酸采用考馬斯亮蘭法；氮采用元素分析儀法；HNO3-HClO4消煮竹筍樣品，磷采用鉬銻抗比色法，其它元素的測定采用ICP法［15］。竹材物理力學(xué)特性的測定參考於瓊花等的方法進(jìn)行［16］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理早竹筍中可溶性固形物和氨基酸含量

從圖1可知，早竹筍中可溶性固形物和游離氨基酸含量在不同處理間沒有顯著性差異，可溶性固形物含量為5.5%～7.0%，游離氨基酸含量2.21～2.53 g·kg-1。

圖1 不同處理早竹筍可溶性固形物和游離氨基酸量Fig.1 Contents of soluble solids and free amino acids of Phyllostachys violascens shoots under different treatments

2.2 不同處理早竹筍中營養(yǎng)元素含量

早竹筍元素含量大小總體表現(xiàn)為氮＞鉀＞磷＞鎂＞鈣＞鐵＞鋅＞錳＞銅（表1）。早竹筍中氮、磷、鉀含量分別為49.80～54.27，4.86～5.61，20.83～22.71 g·kg-1，不同處理間沒有顯著性差異；生石灰施用并沒有改變早竹筍中鐵、錳、鋅含量，其值分別為58.02～66.45，46.63～53.35，104.16～114.12 mg·kg-1。

生石灰施用增加了早竹筍中鈣、鎂元素含量，與對照相比，筍體中鈣含量顯著提高了32.4%～48.5%（P＜0.05），SH2、SH3處理早竹筍鎂含量也顯著提高了14.7%～15.3%（P＜0.05）。而施用生石灰降低了早竹筍銅、鉛、鎘的含量（表1），與對照相比，早竹筍銅、鉛、鎘含量顯著下降了15.1% ～20.8%，16.6% ～19.5%，17.1%～21.0%（P＜0.05）。

2.3 不同處理早竹的竹材物理力學(xué)性質(zhì)

由表2可知，早竹竹材的物理學(xué)和力學(xué)性質(zhì)均表現(xiàn)為2年生優(yōu)于1年生。竹材基本密度大小排序?yàn)?年生＞1年生（P＜0.05）；竹材徑向、弦向、體積干縮系數(shù)表現(xiàn)為2年生顯著低于1年生（P＜0.05）；竹材順紋抗拉、抗彎強(qiáng)度的大小則表現(xiàn)為2年生顯著高于1年生（P＜0.05）。

1、2年早竹竹材基本密度介于0.41～0.45，0.51～0.56 gcm-3，不同處理間沒有顯著性差異（P＞0.05）。施用石灰降低了竹材徑向、斜向、體積干縮系數(shù)，其中1年生竹材徑向、斜向干縮系數(shù)表現(xiàn)為SH1、SH2、SH3顯著低于CK（P＜0.05）；2年生竹材徑向干縮系數(shù)則表現(xiàn)為SH2、SH3顯著低于CK（P＜0.05），斜向干縮系數(shù)則表現(xiàn)為SH3顯著低于CK（P＜0.05）；1年生竹材體積干縮系數(shù)表現(xiàn)為SH3顯著低于CK（P＜0.05），2年生竹材體積干縮系數(shù)則表現(xiàn)為SH2、SH3顯著低于CK（P＜0.05）。

表1 不同處理早竹筍元素含量Tab.1 Element content of Phyllostachys violascens shoots under different treatments

施用生石灰增強(qiáng)了早竹抗拉及抗彎強(qiáng)度，1年生早竹竹材順紋抗拉、抗彎強(qiáng)度均表現(xiàn)為SH3顯著高于CK（P＜0.05），而2年生早竹竹材的順紋抗拉、抗彎強(qiáng)度則表現(xiàn)為SH2、SH3顯著高于CK（P＜0.05）。

表2 不同處理早竹材的物理力學(xué)性質(zhì)Tab.2 Physical mechanical properties of Phyllostachys violascens under different treatments

3 討論

土壤是植物生長發(fā)育的母體，其中土壤酸堿度對植物生長具有重要影響，pH值的高低及其變化直接影響著植物生長和品質(zhì)的優(yōu)劣［17］；同時(shí)，酸堿度與土壤元素的有效性密切相關(guān)，影響著土壤養(yǎng)分的有效供給，從而對植物生長產(chǎn)生間接影響。

3.1 施用生石灰對早竹筍品質(zhì)及元素含量的影響

生石灰的施用，提高了土壤交換性鈣、鎂含量［8］，鈣、鎂的有效供應(yīng)，有利于早竹筍對鈣、鎂營養(yǎng)元素的吸收，從而增加筍體中相應(yīng)元素的積累。如表1所示，石灰施用顯著提高了早竹筍鈣含量，石灰用量大于4 500 kg·hm-2·a-1的早竹筍鎂含量顯著高于對照。相關(guān)分析表明（表3），早竹筍鈣、鎂營養(yǎng)元素含量與土壤交換性鈣、鎂含量之間具有顯著（極顯著）正相關(guān)，這與徐秋芳等［12］的研究結(jié)果一致。

鉛、鎘是對公眾健康構(gòu)成較大風(fēng)險(xiǎn)的污染物，其含量的高低反映了早竹筍的安全性。從表1可知，早竹筍中鉛、鎘含量均低于食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量（GB 2762-2017）的限值，這與任傳義等對浙江、江西的食用筍健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果一致［18］。早竹林土壤有效鉛、鎘含量隨著石灰施用量的增加而明顯降低［10］，減少了早竹筍的吸收，早竹筍中鉛、鎘含量也顯著下降，這與施用石灰降低了小白菜［19］和煙葉［20］對鎘吸收量的結(jié)果相似。相關(guān)分析也表明，早竹筍中鉛、鎘含量與土壤有效態(tài)元素的相關(guān)性達(dá)極顯著水平（表3），這與姜培坤等研究結(jié)果一致［13］。

表3 早竹筍元素含量與土壤元素的相關(guān)性Tab.3 Correlation of elements in bamboo shoots and soil

3.2 施用石灰對早竹材物理力學(xué)性質(zhì)的影響.

竹材的物理力學(xué)性質(zhì)受到竹齡、施肥等因子的影響［16，21-22］。研究結(jié)果表明，2年生早竹材基本密度、順紋抗拉、抗彎強(qiáng)度均顯著大于1年生，而竹材干縮系數(shù)則隨著年齡的增大而顯著降低（表2），這與雷竹材的順紋抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度隨著年齡的增大而增強(qiáng)相一致［16，21］。冰雪災(zāi)害發(fā)生后，1年早竹斷裂損害的比例占整個竹林的三分之二［14］，這也說明了1年生早竹的抗彎強(qiáng)度低于其它年齡段。

施用尿素提高了毛竹材的抗彎、抗壓強(qiáng)度，而降低了竹材的基本密度［22］，長期施用氮肥顯著降低了毛竹材基本密度和抗彎強(qiáng)度，提高了竹材體積、弦向和徑向干縮系數(shù)［23］。與施氮結(jié)果不同，早竹材順紋抗拉、順紋抗彎強(qiáng)度均隨著生石灰施用量的增加而增大（表2）。生石灰施用后顯著提高了土壤交換性鈣含量［8］和土壤pH值［10］，有利于早竹筍對鈣的吸收（表1），從而增強(qiáng)了早竹的硬度和韌性。從表4中可知，1年生早竹材的順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗彎強(qiáng)度與土壤pH、交換性鈣的相關(guān)性達(dá)顯著水平（P＜0.05），2年生早竹材的順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗彎強(qiáng)度與土壤交換性鈣的相關(guān)性也達(dá)顯著水平（P＜0.05）（表4）。隨著土壤pH的提高，早竹冰雪災(zāi)害的損害程度下降［14］，因此生石灰的施用增強(qiáng)了早竹的順紋抗拉、抗彎強(qiáng)度，從而減輕了冰雪災(zāi)害的損害程度。

表4 早竹材物理力學(xué)性質(zhì)與土壤養(yǎng)分的關(guān)系Tab.4 Relationship between physical mechanical properties of Phyllostachys violascens and soil nutrients

4 結(jié)論

施用生石灰顯著提高了早竹筍中鈣、鎂含量，而降低了竹筍中銅、鉛、鎘含量，同時(shí)也降低了早竹材徑向、斜向、體積干縮系數(shù)，而增強(qiáng)了竹材順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗彎強(qiáng)度。早竹筍鈣、鎂營養(yǎng)元素含量與土壤交換性鈣、鎂含量之間具有顯著（極顯著）正相關(guān)，筍中銅、鉛、鎘含量與土壤有效態(tài)元素的相關(guān)性達(dá)極顯著水平，竹材順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗彎強(qiáng)度與土壤交換性鈣之間有顯著性正相關(guān)。