收獲時間和覆土對杜仲短周期矮化林生物量的影響

丁歡歡，劉慧東，張 寧，王 璐，杜慶鑫，杜紅巖， 劉攀峰，孫志強

（1.國家林業(yè)和草原局泡桐研究開發(fā)中心，河南 鄭州 450003；2.南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210037；3.河南頤城控股有限公司，河南 鄭州 450003；4.河南省科學技術信息研究院,河南 鄭州 450003；5.經濟林種質創(chuàng)新與利用國家林業(yè)局重點實驗室，河南 鄭州 450003；6.國家林業(yè)局杜仲工程技術研究中心，河南 鄭州 450003）

高密度的短周期速生樹種矮林可為生物質能源、燃料、醫(yī)藥及其他工業(yè)領域快速提供所需原材料[1-2]。例如，用于提供生物質能源和造紙原料的楊樹Populusspp.、柳樹Salixspp.和桉樹Eucalyptusspp.的短周期矮林模式[3-5]，以及供提取天然藥用成分的葉用銀杏Ginkgo biloba矮林模式[6-7]。杜仲Eucommia ulmoides是中國特有的貴重中藥材和橡膠工業(yè)原料樹種，杜仲膠產業(yè)化目前所面臨的主要瓶頸問題之一是資源不足[8-9]。近年來，圍繞杜仲高密度短周期矮林種植模式，學者們從多個角度開展了系統(tǒng)研究。Zhu 等[10]報道，在同一時期（10 a 以內）葉用林模式的杜仲葉片、樹皮和莖的總生物量和次生代謝物積累量顯著高于杜仲傳統(tǒng)喬木栽培模式。有研究結果表明，對杜仲矮林進行葉面噴施外源激素，不僅可提高葉片、樹皮等的產量，還顯著提高了杜仲膠的產量，第1 輪伐期膠產量182.90 kg/hm2，為對照的5.01倍[11-12]，第2 輪伐期的葉片和樹皮杜仲膠理論總產量最高達到391.00 kg/hm2，是對照的1.42 倍[13]。高密度短周期杜仲矮林模式有望成為杜仲膠產業(yè)化資源林培育的主要模式之一。

有學者指出，短周期矮林的收獲方式和收獲時間等會影響到收獲的成本和效益，以及后續(xù)的生物量[14]。Santiago 等[15]的研究結果表明，收獲季節(jié)對短周期輪作桉樹和楊樹樹樁的存活和生長活力均有相當大的影響，建議在冬季收獲，與Souza 等[1]得出的結論一致。Souza 等[1]指出，桉樹和棉白楊Populus deltoides冬季收割比夏季收割其萌條存活率高，而收割方式對其根蘗再生無影響。Hytonen[16]的研究結果也表明，在7月底或8月初砍伐異花柳樹（exotic willows）會對其存活、高生長和生物量產生不利的影響。Sims 等[17]報道，在新西蘭北島中部，短期輪作的桉樹通常應在10—11月的春季收獲。與葉用銀杏短周期矮林主要供工業(yè)化提取有效成分類似，杜仲矮林也是每年進行收割以獲得葉片和樹皮，來提取有效成分和杜仲膠。何文廣等[18]通過對杜仲葉林模式6—10月生物量動態(tài)變化的調查分析，建議以杜仲葉片為原料的加工產業(yè)，應在9月采摘葉片。目前，關于不同收獲時間對杜仲短周期矮林后續(xù)生長及生物量影響的研究未見報道。

本研究中，以2015年營建的杜仲矮林為對象，2017年在單一密度的杜仲矮林中設定不同的收獲時間和標準樣株進行收割平茬，2018年系統(tǒng)調查樣株的發(fā)芽時間、生長指標和生物量，并進一步比較不同種植密度杜仲矮林地上部分生物量，旨在確定杜仲矮林模式適宜的收獲時間和種植密度，為杜仲矮林的產業(yè)化利用和機械化收割提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于中國林業(yè)科學研究院經濟林研究開發(fā)中心孟州基地（112°42′58′′E，34°51′38′′N）。該基地南臨黃河，屬黃河灘地，大陸性暖溫帶季風氣候，年降水量約549.9 mm，年平均氣溫14.3 ℃，無霜期224 d，具有中部平原地區(qū)黃河故道沙地典型立地特征。沙壤土，土壤（0 ～40 cm 土層）的理化性質：pH 8.67，有機質含量4.07 g/kg，總氮含量0.03 g/kg，有效氮含量18.79 mg/kg，有效磷含量4.80 mg/kg，有效鉀含量156.62 mg/kg。

1.2 試驗設計

杜仲矮林于2015年3月營造，總面積 3 000 m2。采用寬窄行栽植模式，寬行距1 m，窄行距0.5 m，窄行內株距分別為0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 m，栽植密度分別相當于66 667株/hm2（D1）、33 333 株/hm2（D2）、22 222 株/hm2（D3）、 16 667 株/hm2（D4） 和13 333 株/hm2（D5）。每年春季平茬。從第2 輪伐期開始，對栽植密度D3、D4、D5 的植株均保留4 個萌條，栽植密度D2 的植株留2 ～3 個萌條，栽植密度D1 的植株保留1 個主干。

2017年春季平茬后，栽植密度D1 處理組按完全隨機區(qū)組試驗設計，設定4 個收獲時間，每個時間點收獲時分成2 組，一組平茬后將根樁覆土（記為C），另一組不覆土（記為NC）。按收獲時間，設置8 個處理，分別為8月30 日（C1 和NC1）、9月15 日（C2 和NC2）、9月30 日（C3和NC3）和10月15 日（C4 和NC4）。2017年秋季，按上述設定的時間，對每個處理進行收割并隨機平茬10 株，重復3 次。每個收獲時間點合計平茬60 株。所有植株均進行標記。

1.3 生長指標和生物量的測定

2018年春季，觀察標記樣株并逐一記錄初始發(fā)芽時間。5月3 日，測定初始苗高和初始基徑，隨后每隔20 d 測量1 次苗高（cm）和基徑（mm），至9月6 日，共計120 d。適時澆水、除草，試驗期間不施肥。2018年，逐一收獲并稱量各樣株的全部葉片、樹皮和莖的鮮質量。將采集的葉片、樹皮和莖（取中間20 cm 長的莖）在65 ℃條件下烘干后，再分別稱取其質量。采用差重法計算含水率。

為比較不同栽植密度下生物量的差異，10月15 日在各栽植密度的林分中隨機選取5 株植株，按上述方法測量葉片、樹皮和莖的鮮質量，然后分別計算單位面積葉生物量、單位面積皮生物量、單位面積莖生物量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用單因素方差分析方法檢驗不同收獲時間的植株各生長性狀的差異，并進行Duncan 多重比較。運用Student-T檢驗方法對同一收獲時間的覆土與未覆土組次年初始和最終苗高，以及葉片、樹皮和莖生物量進行差異性檢驗。此外，采用單因素方差分析方法比較不同密度下的生物量差異，并進行Duncan 多重比較。采用SPSS 軟件（20.0 版）進行數(shù)據(jù)分析。

2 結果與分析

2.1 收獲時間和覆土對次年植株發(fā)芽時間的影響

不同處理組中樣株的初始發(fā)芽時間和持續(xù)時間略有差異（圖1）。10月15 日收割的苗木次年整體上發(fā)芽最早，無論平茬后根樁覆土與否，均在次年3月14 日發(fā)芽。明顯的區(qū)別在于，8月30 日和9月30 日收割的苗木次年發(fā)芽時間較10月15日收割的苗木整體上約晚1 周，而9月15 日平茬后根樁覆土苗木發(fā)芽時間較10月15 日收割的苗木約晚10 d。8月30 日、9月15 日和9月30 日收割后根樁覆土的苗木，整體上比未覆土苗木發(fā)芽持續(xù)時間長，如9月15 日平茬的苗木，覆土組發(fā)芽時間從3月17 日持續(xù)至4月3 日，而未覆土的苗木發(fā)芽時間較為集中，3月22—24 日，僅3 d 時間。 8月30 日、9月30 日和10月15 日平茬的苗木，覆土組最晚發(fā)芽時間各有差異，其中最晚為4月1日，而未覆土組時間相同，最晚均為3月27 日。

圖1 不同收獲時間下覆土與未覆土組杜仲次年發(fā)芽時間Fig.1 Sprouting dates in E.ulmoides harvested on different dates in mulching and non-mulching treatments

2.2 收獲時間和覆土對植株生長指標的影響

2.2.1 對植株苗高的影響

在不同收獲時間點，覆土組初始苗高0.42 ～ 0.47 m，最終苗高2.36 ～2.53 m，各收獲時間的苗高間均無顯著差異；未覆土組初始苗高0.41 ～ 0.50 m，最終苗高2.25 ～2.43 m，各收獲時間的苗高間均無顯著差異（圖2）。整體上，覆土后的最終苗高略高于未覆土組，其中9月30 日平茬后覆土的苗高高于其他3 組。

T檢驗結果顯示，8月30 日收獲的樣株，覆土和未覆土（C1 和NC1）組的初始苗高有顯著差異（T=-2.194，Df=18，P=0.042），其余收獲時間點，無論是否覆土，初始苗高和最終苗高均無顯著性差異。

2.2.2 對植株基徑的影響

不同收獲時間點，覆土組初始基徑4.71 ～ 5.33 mm， 無顯著差異； 最終基徑14.68 ～ 17.56 mm，差異顯著（F=2.863，P=0.05）。其中，覆土組10月15 日處理（C4）的植株基徑最大，其次為8月30 日、9月30 日和9月15 日處理。未覆土處理組植株的初始基徑4.59 ～5.18 mm，無顯著差異；最終基徑13.95 ～16.79 mm，差異顯著（F=2.964，P=0.046）。9月30 日處理（C3）的植株基徑最大，其次為10月15 日、8月30 日和9月15 日處理。整體上，覆土組最終基徑均值（16.07 mm）略高于未覆土組（15.52 mm）（圖3）。

圖2 不同收獲時間下覆土與未覆土組杜仲苗高生長曲線Fig.2 Growth curves of seedling heights in E.ulmoides harvested on different dates in mulching and non-mulching treatments

圖3 不同收獲時間下覆土與未覆土組杜仲基徑生長曲線Fig.3 Growth curves of ground diameters in E.ulmoides harvested on different dates in mulching and non-mulching treatments

2.3 收獲時間和覆土對植株生物量的影響

不同收獲時間下，覆土組葉片（F=3.255，P=0.034）、樹皮（F=5.265，P=0.004）和莖（F=4.108，P=0.014）生物量呈顯著性差異，而未覆土組無顯著性差異（P＞0.05）（表1）。不論覆土與否，9月30 日（C3）平茬苗木葉片的次年生物量最大，覆土組為3 433.35 kg/hm2，未覆土組為 3 457.20 kg/hm2。在10月15 日收獲時，覆土組樹皮和莖的次年生物量最大，分別為1 269.70 和 7 776.97 kg/hm2，其次為9月30 日，生物量分別為1173.69 和7 720.93 kg/hm2，2個處理組間的生物量無顯著性差異。9月30 日收獲的處理中，未覆土組樹皮和莖的次年生物量最大，分別為 1 169.52 和8 321.09 kg/hm2（表1）。

T檢驗結果顯示，8月30 日平茬后，葉片生物量在覆土與未覆土組間差異顯著（T=-2.250，Df=10，P=0.048），而10月15 日平茬苗木的樹皮生物量在覆土與未覆土組間差異極顯著（T=3.341，Df=17，P=0.004），其他處理組間無顯著性差異 （表2）。

2.4 栽植密度對次年植株生物量的影響

不同栽植密度下同一時間收獲的杜仲葉片（F=9.201，P＜0.001）、樹皮（F=18.749，P＜ 0.001）和莖（F=15.773，P＜0.001）的生物量均值存在極顯著差異。根據(jù)葉片、樹皮和莖生物量由高到低排列，各栽植密度依次均為D2、D1、D4、D3、D5。其中，栽植密度D1 和D2 的杜仲莖和葉片的生物量之間無顯著差異，但顯著高于其他3 個栽植密度，栽植密度D2 杜仲樹皮的生物量顯著高于其他4 個栽植密度。栽植密度D2 杜仲的葉片、樹皮和莖生物量均值分別為4 656.71、 1 967.28 和15 121.02 kg/hm2；栽植密度D1 杜仲葉片、樹皮和莖生物量均值分別為3 982.07、1 633.01 和13 037.27 kg/hm2。 栽植密度D5杜仲的葉片、樹皮和莖生物量最低，其均值僅為 2 432.05、929.69、和7 561.77 kg/hm2（圖4）。

表1 不同收獲時間下覆土與未覆土組杜仲生物量?Table 1 Biomass in E.ulmoides harvested on different dates in mulching and non-mulching treatments

表2 同一收獲時間下覆土與未覆土組杜仲生物量T 檢驗 結果?Table 2 T test result of biomass in E.ulmoides harvested on the same date in mulching and non-mulching treatments

圖4 不同栽植密度下杜仲各器官的生物量Fig.4 Biomass of different organs in E.ulmoides under different planting densities

3 結論與討論

本研究結果表明，收割時間顯著影響杜仲矮林次年植株的發(fā)芽時間及整體發(fā)芽的持續(xù)時間（圖1）。盡管同一時間點收割后根樁覆土與未覆土的最終苗高之間差異不顯著，但整體上覆土后的苗高比未覆土的略高（圖2），最終的基徑表現(xiàn)與苗高相類似（圖3）。對不同時間點收割后根樁進行覆土，次年葉片、樹皮和莖的生物量均存在顯著或極顯著差異，其中，2017年9月30 日及其之后收割的矮林，根樁覆土后次年葉片、樹皮和莖的生物量普遍較其他處理高（表1）；而不同時間點平茬后根樁未覆土，2018年收獲時，各器官生物量的差異均不顯著。另外，栽植密度66 667 和 33 333 株/hm2條件下，杜仲的葉片、樹皮和莖生物量顯著高于其他3 個栽植密度（22 222、16 667和13 333 株/hm2）（圖4）。

封頂是杜仲生長發(fā)育規(guī)律之一[19]。在高密度平茬建園的條件下，實生苗和‘華仲11 號’杜仲的幼樹均存在封頂與二次梢現(xiàn)象[20]。本研究中，自5月3 日開始測量初始苗高，從120 d 的生長曲線可知，高密度下的杜仲苗木頂端優(yōu)勢明顯，表現(xiàn)出較強生長特性。9月30 日前平茬的杜仲并未完全停止生長（田間可見有些平茬后的苗木再次萌芽，特別是8月30 日平茬的苗木，但冬季受凍后死亡），此時萌條會消耗根部營養(yǎng)[21]，從而影響次年的萌發(fā)和生長。10月15 日杜仲已經完全停止生長，此時進行平茬，不會引起再次萌發(fā)，根部的營養(yǎng)不會喪失，因此，該時間點平茬的苗木次年萌芽最早。針對桉樹矮林的最佳收獲時間，有學者強調，收獲時要避免冬季低溫對幼嫩萌條的傷害，或避免夏季干旱期因缺水導致無法萌發(fā)或生長[17]。同時，Blake[22]經研究證實，在夏季收獲時，桉樹的新萌芽數(shù)和萌條長度均有所下降。Santiago 等[15]的研究結果表明，在冬季收獲的根樁可觀察到更大的萌蘗，可能歸因于在收獲時儲存在根系中糖類儲備的高可用性，例如，在冬季具有明確休眠期的胡楊Populusspp.有更好的平茬反應率和最大的萌芽活力。

對平茬后的根樁進行覆土有利于保持水分[23]。覆土后，盡管次年萌芽持續(xù)時間較長，但苗木的苗高普遍較高，生物量得以整體提高。若平茬時間早于9月30 日，因苗木未完全進入休眠而消耗部分養(yǎng)分，導致其次年的生長受到影響，從而降低了生物量積累。因此，應盡量待杜仲矮林苗木進入休眠期再進行收割。

劉慧東等[24]在其研究報道中強調，每年為獲得更高的葉片、樹皮和莖產量，短周期杜仲矮林栽培模式應選擇更高的種植密度，如66 667 株/hm2等，或留置6.7 個/m2以上的莖。馬順興等[25]在其研究報道中提到，杜仲短周期矮林在每年9—10月輪伐1 次，第3年開始低密度下根樁可保留3 ～5個主莖。Zhu 等[26]經研究發(fā)現(xiàn)，在多莖條件下，莖干高度可達2 ～3m。本研究中，在33 333 株/hm2（D2）的栽植密度下，每個根樁留置3 個主枝。因此，不難理解本研究中66 667 和33 333株/hm2栽植密度下杜仲的總體生物量遠高于其他各栽植密度的生物量（圖4）。

綜上所述，在不同時間點收獲杜仲矮林后，從次年萌芽時間、生長指標和生物量積累，以及栽植密度綜合考慮，應盡量待苗木進入休眠期進行收割，即9月30 日以后進行收割。應及時進行平茬后根樁的覆土作業(yè)。為便于機械化收割，杜仲短周期矮林最好采用寬窄行栽植模式，寬行距1 m， 窄行距0.5 m，窄行內株距0.4 m，栽植密度相當于33 333 株/hm2，每個根樁留置2 ～3 個主枝，使年生物量達到最大。

本研究中調查時間僅為1 個生長季，并未對不同收獲時間的杜仲短周期矮化林情況進行3 ～5 a的重復觀測和調查。宋海云等[27]在8—9月設置了5 個時間點，研究了不同日期采收的澳洲堅果其必需氨基酸的差異性分布情況，結果表明采摘時間會影響澳洲堅果的營養(yǎng)品質。故下一步將研究不同收獲時間杜仲短周期矮林葉片和樹皮中有效活性成分和杜仲膠的變化，并結合本試驗結果進行重復性檢驗，以生物量、有效活性成分和杜仲膠為主要指標，得出杜仲短周期矮林的最佳收獲時間。