埋管通氣對雷竹林土壤氧氣體積分數(shù)的影響

郭益昌， 莊舜堯， 胡昱彥， 桂仁意

（1. 浙江農(nóng)林大學 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室， 浙江 杭州311300； 2. 中國科學院 南京土壤研究所 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室， 江蘇 南京210008）

水、 肥、 氣、 熱是保障土壤肥力和植物健康生長的四大要素， 其中氧氣是土壤氣體的重要部分， 在植物的生命活動中起著重要作用［1］。 土壤中氧濃度會影響植物根系對土壤中營養(yǎng)元素的吸收， 進而影響地上部分的生長。 土壤缺氧則會影響植物的呼吸作用、 根的伸長和蒸騰作用［2］， 同時， 還會降低植物對疾病的抗性［3-4］。 雷竹Phyllostachys violascens是優(yōu)良的筍用竹種， 其覆蓋栽培是浙江省“一畝山萬元錢”的十大經(jīng)營模式之一。 林地有機材料覆蓋能使竹筍萌發(fā)顯著提前， 從而極大地提高了竹林經(jīng)濟效益［5］。但由于不合理的連年覆蓋、 過量的化學肥料使用、 經(jīng)營不善等導致雷竹林退化嚴重［6］。 在覆蓋條件下， 土壤通透性下降， 供氧能力不足， 影響到雷竹林地下鞭根系統(tǒng)的正常生長， 造成筍產(chǎn)量和質(zhì)量的下降。 有研究表明， 地下鞭根結(jié)構(gòu)與筍產(chǎn)量密切相關(guān)［7］。 立地條件好， 土壤疏松通氣的雷竹林地， 地下鞭根粗壯， 健壯芽數(shù)量多； 反之， 土壤黏濕通氣不暢、 板結(jié)、 排水性能差的林地， 則會導致地下鞭根生長不良， 筍芽空殼甚至發(fā)霉［8］。 因此， 提高土壤氧是雷竹林可持續(xù)經(jīng)營的重要手段。 目前， 改善土壤缺氧的研究已有較多的報道［9-10］， 如通過耕作改善土壤結(jié)構(gòu)［11］， 提高排灌管理技術(shù)［12］， 還有機械加氣［13］、 化學溶氧［14-15］和微納米氣泡曝氣［16-17］等都是改善土壤缺氧的研究。 但是， 這些研究在雷竹林中的應用還鮮有報道。 本研究旨在采用土壤埋管通氣的方法來提高雷竹林土壤氧氣體積分數(shù)， 比較不同通氣處理下土壤水平和垂直方向上氧氣體積分數(shù)的變化， 為改善土壤氧氣體積分數(shù)提供方法手段， 并為退化雷竹林恢復及可持續(xù)經(jīng)營提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省杭州市臨安區(qū)太湖源鎮(zhèn)潘母崗的浙江農(nóng)林大學雷竹林基地（30°11′47″N， 119°37′40″E），該區(qū)屬北亞熱帶季風氣候區(qū)， 地形以丘陵山地為主， 年均降水量為1 614 mm， 年降水日為158 d， 年平均無霜期為237 d。 土壤為粉砂巖母質(zhì)上發(fā)育的棕壤土， 土壤質(zhì)地為中壤-重壤， 微酸性， 適宜雷竹生長。 雷竹林覆蓋方法按照當?shù)剞r(nóng)戶的習慣做法實施［18］， 于當年12 月20 日進行。 樣地立竹度為15 000 株·hm-2， 雷竹林平均胸徑為3.89 cm， 其中， 竹桿數(shù)量為1 年生∶2 年生∶3 年生=1.00∶1.89∶0.58。 分別在土壤含水量最低（土壤凋萎含水量）和最高（土壤飽和含水量）時對土壤氧氣體積分數(shù)進行測定， 土壤氧氣體積分數(shù)基本小于14%， 覆蓋后有所下降， 且隨著土壤深度的增加和土壤含水量的上升而下降（表1）。

表1 樣地土壤氧氣體積分數(shù)基本情況Table 1 Soil oxygen content in sampling plots

1.2 試驗處理

以人工經(jīng)營雷竹林為對象， 共設(shè)置4 個處理， 即覆蓋不通氣（M）、 覆蓋通氣（MA）、 不覆蓋通氣（A）和不覆蓋不通氣（ck）， 每處理3 次重復。 埋管通氣方法： 在每個處理中選擇立地條件較為一致的小區(qū)（10 m × 3 m）共12 個， 采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計。 用鉆孔機在每個小區(qū)60 cm 土層深處（雷竹根鞭主要分布于20～30 cm 土層）平行于地面進行直線打孔， 孔間距為60 cm， 然后穿引鋪設(shè)塑料通氣管道， 并依次進行連接， 其中管道外徑21 mm， 壁厚1 mm。 并在管壁上每隔30 cm 打1 個直徑為0.2 mm 的小孔用作通氣。 每小區(qū)總管連接氣泵， 土壤中所通氣體為空氣， 由壓縮機（泉州勁霸， V-1.05/12.5， 壓力為12 kg）輸送。 通氣時間為20 min， 于每天7：00-9：00 一次性通氣， 其中覆蓋通氣樣地后期通氣時間增加到40 min， 于每天7：30 和16：30 進行通氣， 每次20 min。

試驗于2017 年12 月林地有機材料覆蓋開始后進行。 雷竹林覆蓋增產(chǎn)技術(shù)的核心是提高地溫， 因此必須在不影響土壤溫度的前提下提高氧濃度。 在30 cm 土層深處， 覆蓋和ck 在通氣后， 各處理間土壤溫度無顯著差異， 表明埋管通氣方法并不會影響土壤溫度。

1.3 土壤氧氣體積分數(shù)的測定

土壤氧氣體積分數(shù)測定采用光纖式氧氣測量儀（Firesting O2, Pyro Science, 德國）。 在垂直方向中， 于通氣管道正上方埋入測氧探頭， 埋入深度分別為10 cm（V10）、 20 cm（V20）、 30 cm（V30）和40 cm（V40）； 在水平方向中， 于土層深40 cm 處， 水平垂直于通氣管道方向上， 以V40（H0）為起點， 相隔距離分別為15 cm（H15）、 30 cm（H30）、 45 cm（H45）和60 cm（H60）依次埋入探頭。 隔0.5 h 測定1 次實時土壤氧氣體積分數(shù)， 監(jiān)測24 h， 各樣地選3 處進行重復。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 進行數(shù)據(jù)處理并繪圖， 用SPSS 11.5 進行統(tǒng)計分析， 處理間差異用LSD 或Duncan 比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 埋管通氣對氧氣在土壤中擴散分布的影響

2.1.1 埋管通氣對土壤水平方向上氧氣擴散的影響 在土壤含水率25%左右， 連續(xù)每天通氣的情況下，40 cm 土層土壤各點氧氣體積分數(shù)改善顯著（圖1）。 H0位于通氣管道正上方， 與通氣管道垂直相距20 cm， 不覆蓋通氣處理下（A）， 日均氧氣體積分數(shù)可達（19.31±0.03）%， 覆蓋通氣處理下（MA）日均氧氣體積分數(shù)為（17.62±0.28）%。 在A 處理下， 7：30 開始通氣后， 土壤氧氣體積分數(shù)有1 個明顯的急劇上升過程， 0.5 h 后達到峰值， 氧氣體積分數(shù)為（19.98±0.15）%， 之后逐漸下降趨于平緩， 呈單峰曲線變化。 H15和H30氧氣體積分數(shù)分別在22：30 和6：30 時達最大值， 分別為（18.19±0.20）%和（17.10±0.12）%， 且氧氣體積分數(shù)的波動幅度較為平緩。 其中， H30距離通氣管道距離最遠， 2：00 左右開始緩慢上升， 至第2 天6：30 達最大值， 之后緩慢下降， 說明通氣效果具有滯后性。 同樣深度下， ck 處理的氧氣體積分數(shù)僅維持在14.00%左右， 且保持穩(wěn)定。 MA 處理下， 由于分2 次通氣， 土壤氧氣體積分數(shù)呈雙峰曲線變化， H0在8：30 和17：00 達峰值， 分別為（19.91±0.23）%和（19.92±0.27）%。 H15和H30變化幅度較緩， 在23：00 和12：30 出現(xiàn)峰值， 分別為（18.39±0.12）%和（17.30±0.10）%， 與A 處理的變化規(guī)律相似， 同樣深度下， 覆蓋不通氣處理（M）下氧氣體積分數(shù)僅為（13.81±0.24）%。 H45、 H60與H15和H30位置相對一致， 變化趨勢相似， 故在圖1 中省略。 由于管道間距為60 cm， 因此兩管道中間的氧氣體積分數(shù)最低， 總體呈波浪式的規(guī)律， 距離通氣管道越近， 氧氣體積分數(shù)越高（圖2）。 在A 處理下， H15、 H30、 H45與H0分別達到顯著差異（P＜0.05）， 但與H60差異不顯著（P＞0.05）； 在MA 處理下， H30、 H45與H0達到顯著差異（P＜0.05）。 說明埋管通氣能明顯提高土壤中水平方向的氧氣體積分數(shù)， 但氣體在橫向擴散時由于受到的阻力和擴散過程中氧氣的消耗和逃逸， 延遲了土壤氧氣體積分數(shù)峰值出現(xiàn)的時間和平均氧氣體積分數(shù)。

圖2 通氣管道距離對土壤氧氣體積分數(shù)的影響Figure 2 Soil oxygen content away from different sensors position

圖3 垂直方向上不覆蓋通氣樣地（A）和覆蓋通氣樣地（MA）各土層氧氣體積分數(shù)的變化Figure 3 Daily variation of soil oxygen content in vertical level after aeration of different treatments between no mulching with aeration（A） and mulching with aeration（MA）

2.1.2 埋管通氣對土壤垂直方向上氧氣擴散的影響 在整個檢測期間， 通氣處理樣地的土壤氧氣體積分數(shù)顯著高于不通氣處理樣地， 且隨著土壤深度的增加氧氣體積分數(shù)呈上升趨勢。 各土層的氧氣體積分數(shù)變化趨勢一致， 均在通氣后呈明顯急劇上升趨勢， 到達峰值后逐漸緩慢下降最后趨于平穩(wěn)（圖3）。 在不覆蓋通氣處理（A）中， 各土層從淺到深氧氣體積分數(shù)比對照（ck）分別提高了0.78%、 2.68%、 4.07%和4.98%。 其中， V20和V30氧氣體積分數(shù)較為相似， 與V10相差較大， 可能與竹鞭的生長分布有關(guān)（20～30 cm）。 在覆蓋通氣處理（MA）中， 各土層氧氣體積分數(shù)均存在2 個明顯上升階段， 即7：30 和16：30 通氣開始后， 之后逐漸下降趨于平穩(wěn)， 相較與A 處理， 各土層從淺到深氧氣體積分數(shù)分別提高了1.09%、2.54%、 3.65%和3.80%。 在ck 處理和M 處理中， 不通氣和覆蓋處理的土壤氧氣體積分數(shù)均隨著深度的增加而下降， 且各處理下多數(shù)土層間氧氣體積分數(shù)相似， 但ck 處理的各土層氧氣體積分數(shù)均高于M 處理。 本研究中， 通氣明顯提高了土壤垂直方向上的氧氣體積分數(shù)， 且隨著土壤深度的增加， 提升的幅度越大， 說明距離通氣管道越近氧氣體積分數(shù)越高， 但氣體在向上擴散過程中損失和消耗了部分氧氣， 使得氧氣體積分數(shù)呈下降趨勢。 表2 表明： 通氣處理與不通氣處理各土層間氧氣體積分數(shù)差異顯著（P＜0.05）。

表2 不同處理下各土層的氧氣體積分數(shù)Table 2 Soil oxygen content in vertical layer under different treatments

2.1.3 埋管通氣對土壤橫剖面氧氣體積分數(shù)的影響 從表3 可見： 通氣后， 各土層氧氣體積分數(shù)均能保持在14%以上。 隨著土層的變淺和通氣管道的距離增加， 土壤氧氣體積分數(shù)呈下降趨勢。 顯著性檢驗表明： 剖面上大部分點之間的氧氣體積分數(shù)達到差異顯著水平（P＜0.05）。 土壤通氣后， 隨著與通氣源點距離的增加， 空氣濃度逐漸稀釋， 通氣增氧效果逐漸減弱。 在不覆蓋通氣處理（A）中， 土層40 cm 深，距離管道30 cm 處的氧氣體積分數(shù)反而顯著低于上層， 可能由于土壤氣體的橫向擴散能力弱于縱向擴散能力和煙囪效應， 氣體優(yōu)先流向土壤表面。 覆蓋通氣處理（MA）中， 土壤剖面各點的氧氣體積分數(shù)比A處理小， 變化幅度較緩。

表3 通氣對土壤剖面氧氣體積分數(shù)的影響Table 3 Effect of aeration on soil oxygen content in the cross section of soil

2.2 埋管通氣對土壤飽和含水量時氧氣體積分數(shù)的影響

當土壤含水量上升達到飽和時（35%左右）， 各處理土壤氧氣體積分數(shù)明顯下降（圖4）。 覆蓋處理（M）下， 各土層氧氣體積分數(shù)從淺到深分別下降0.63%、 1.47%、 1.31%和4.05%（P＜0.05）， 對照（ck）各土層下降1.02%、 1.36%、 2.04%和4.18%（P＜0.05）； 覆蓋通氣（MA）和不覆蓋通氣（A）各土層分別下降0.45%、 1.70%、 3.17%和3.80%（P＜0.05）和1.10%、 0.53%、 1.33%、 1.56%（P＜0.05）。 表明當土壤含水量升高時， 氧氣體積分數(shù)會隨之降低， 且土層越深， 下降越多。 埋管通氣在一定程度上能減緩氧氣體積分數(shù)的下降， 并始終保持一個較為穩(wěn)定的氧氣體積分數(shù)。

3 討論

一般情況下， 土壤氧氣體積分數(shù)達15%才能滿足植物呼吸作用的需要［19］。 但由于連年覆蓋， 降雨漬水，土壤板結(jié)、 高溫等影響， 集約經(jīng)營雷竹林土壤長期存在缺氧現(xiàn)象［20-22］。 通氣能緩解缺氧脅迫， 提高根系活力［23］。 在實際生產(chǎn)中， 加氧灌溉管道水氣均一性較差，導致田間作物產(chǎn)量不均勻［24］； 長期化學增氧是否會影響植物生長還需進一步研究驗證； 機械加氣需要耗費人力電力， 增加生產(chǎn)投入。

本研究表明： 土壤埋管通氣能顯著提升垂直方向上各土層氧氣體積分數(shù)， 且隨著深度的增加提升效果越明顯， 最高可達4.98%。 在自然狀態(tài)下， 土壤中的氧主要靠大氣向土壤的擴散為主［25］， 表層土壤疏松多孔， 利于空氣交換［26］。 覆蓋后， 空氣擴散受到阻礙， 而且覆蓋物的增溫發(fā)酵也會消耗更多的氧氣。 因此， ck 處理各土層氧氣體積分數(shù)高于M 處理， 且均隨深度的增加而下降。 此外， 土壤含水量對氧氣體積分數(shù)也有較大影響［14］， 含水量上升時土壤氧氣體積分數(shù)下降（表1）。 埋管通氣后， 土壤氧的主要來源發(fā)生改變， 隨著空氣在土壤擴散以及根系和微生物的消耗， 土壤氧氣體積分數(shù)由埋管處向表層遞減。 在土層水平方向上， 通氣顯著提升了土壤氧氣體積分數(shù)， 隨著通氣管道距離的增加提升量逐漸下降。 由于氣體在土壤中優(yōu)先選擇向上擴散路徑和煙囪效應［2］， 因此， 在水平方向上土壤氧氣體積分數(shù)的提升較為平緩和滯后。 相同土層間的根系分布， 土壤理化性質(zhì)更為一致， 這也是水平方向上土壤氧氣體積分數(shù)差異更小的原因。 另外， 土壤含水量的上升對氧氣體積分數(shù)也有較大影響， 在地下灌溉后土壤氧氣體積分數(shù)明顯下降， 甚至接近于零， 灌溉后土壤的短暫通氣能迅速提高氧氣體積分數(shù)［27］。 在土壤濕度較高的情況下， 土壤水分對土壤呼吸的影響主要受氧氣的控制［28］， 因此提升土壤氧氣體積分數(shù)顯得尤為重要。

圖4 土壤飽和含水量時土壤氧氣體積分數(shù)Figure 4 Soil oxygen content under soil saturated water content

4 結(jié)論

地下埋管通氣并不會降低冬季覆蓋土壤溫度， 可以有效改善雷竹林土壤通氣狀況， 防止因漬水、 覆蓋、 板結(jié)等而導致的土壤氧氣體積分數(shù)下降等負面影響， 可有效緩解雷竹林缺氧脅迫。 在不覆蓋處理下， 每天通氣20 min 可有效提升土壤氧氣體積分數(shù)。 在覆蓋處理下， 土壤各層氧氣體積分數(shù)均會有所下降， 可增加通氣時間和通氣頻率來向土壤補充更多氧氣。 雷竹林埋管通氣是提升土壤氧氣體積分數(shù)的有效技術(shù)措施， 在實際運用中前景廣闊。