枯餅、谷殼和水分對覆蓋厚竹林土壤溫度的影響

程慧娟，申 展，2，陳怡君，沈?qū)W桂，惠柳笛，龍芝潤，黎祖堯，2

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西 南昌 330045；2.江西省竹子種質(zhì)資源與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045）

筍用林冬季覆蓋促筍技術(shù)是通過對林地表面增施枯餅等能夠分解發(fā)熱的物質(zhì)，并覆蓋谷殼等保溫材料，來提高土壤溫度，打破竹子內(nèi)源激素平衡，促使竹鞭上側(cè)芽提早分化成筍芽及竹筍出土，從而使竹筍提早萌發(fā)，并延長出筍期，提高竹筍產(chǎn)量和效益[1-4]。覆蓋材料、覆蓋厚度和覆蓋時(shí)間不同，增產(chǎn)效果不同[5-6]。但是，在筍用林覆蓋過程中，大量雞糞、枯餅等有機(jī)物質(zhì)發(fā)熱分解，改變了土壤理化性質(zhì)，可誘發(fā)土壤衰退[7-9]，還會(huì)增加土壤溫室氣體排放[10-11]，甚至?xí)霈F(xiàn)土壤溫度過高，產(chǎn)生高溫脅迫，而燒死竹林的現(xiàn)象，給林農(nóng)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以，研究發(fā)熱物質(zhì)、保溫材料、覆蓋厚度及水分等因素及其互作關(guān)系對土壤溫度的影響，探索發(fā)熱物質(zhì)用量少、增溫時(shí)間長、保溫效果好、CO2排量低的高效低碳覆蓋模式，一直是土壤覆蓋研究領(lǐng)域的重點(diǎn)內(nèi)容。

厚竹Phyllostachys edulis‘Pachyloen’是江西特有的筍、材品質(zhì)均優(yōu)于毛竹P.edulis的毛竹變種，因其稈壁厚度是等徑毛竹的1.8倍以上而得名[12-13]， 2017年被審定為國家級良種。厚竹發(fā)筍量大且大小年差異不明顯[14]，竹筍營養(yǎng)豐富，品質(zhì)高[15-16]， 且竹筍近實(shí)心，可食率高于雷竹和毛竹，作為優(yōu)良筍用竹種推廣前景非常廣闊。毛達(dá)民等[17]的試驗(yàn)結(jié)果表明，毛竹筍用林覆蓋可提高冬筍產(chǎn)量97%以上；朱志建等[18]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，毛竹筍用林須覆蓋25 cm 以上才能達(dá)到較理想的增溫效果，大量澆水能使土壤升溫較快，但持續(xù)增溫效果不理想。研究冬季覆蓋過程中發(fā)熱物質(zhì)、保溫材料和水分對厚竹筍用林土壤溫度的影響，探索高效低碳筍用林覆蓋模式，是實(shí)現(xiàn)厚竹筍用林高產(chǎn)高效的關(guān)鍵。本試驗(yàn)中通過調(diào)查不同枯餅（發(fā)熱物質(zhì)）用量、谷殼層（保溫材料）厚度和覆蓋前林地補(bǔ)水量處理下覆蓋期土壤溫度變化規(guī)律，研究覆蓋因子及其互作對土壤溫度的影響，旨在為進(jìn)一步研究厚竹筍用林高效低碳覆蓋模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于江西省貴溪市鴻塘鎮(zhèn)厚竹筍用林基地，地理位置117°14′24.26″E、28°17′44.91″N，海拔50 m。年均氣溫18.2 ℃，年均降水量1 850 mm， 氣溫偏高，光照充足，雨量豐沛，無霜期長，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。試驗(yàn)地地勢平坦，灌溉條件良好，土壤類型為紅壤，土層深厚，微酸性。試驗(yàn)林分為2014年造林，生長狀況良好，立地條件、竹林結(jié)構(gòu)和撫育管理措施一致。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用3 因子3 水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。發(fā)熱物質(zhì)為枯餅（油菜籽榨油后的剩余物），施用量分別為3.0、4.5、6.0 t/hm2；保溫材料為谷殼（稻谷碾米后的剩余物），覆蓋厚度分別為15、25、 35 cm；覆蓋前使用潛水泵抽水澆灌林地進(jìn)行補(bǔ)水，林地補(bǔ)水量分別為灌溉至濕潤土壤10、15、 20 cm。采用考慮交互作用的L27(913)正交表，確定每塊試驗(yàn)樣地的覆蓋模式，共27 個(gè)處理，重復(fù)3 次。

1.2.2 樣地設(shè)置

在試驗(yàn)林分中設(shè)置27 塊面積為25 m2（5 m× 5 m）的試驗(yàn)樣地，樣地之間保留2 m 隔離帶，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定各樣地的覆蓋因子和水平。每個(gè)樣地劃分為25 個(gè)1 m×1 m 的正方形樣方，選擇正中央、東南角和西北角3 個(gè)樣方（3 個(gè)重復(fù)）作為溫度觀測樣方。

1.2.3 覆蓋及溫度測量

2018年12月2日，覆蓋前對樣地灌溉補(bǔ)水，在選定調(diào)查樣方的0、10、20 cm 土層埋置玻璃棒水銀地溫計(jì)（精度為0.1 ℃），然后均勻撒施發(fā)熱物質(zhì)并覆蓋谷殼。從2018年12月1日（竹林覆蓋前）起，直至2019年3月16日，每周六中午觀測并記錄所有調(diào)查樣方中不同土層的土壤溫度。若地溫計(jì)破損、斷裂或水銀缺失，及時(shí)更換新的地溫計(jì)并重新測量土壤溫度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007 和SPASS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 厚竹筍用林覆蓋期土壤溫度變化規(guī)律

覆蓋期27 個(gè)厚竹筍用林樣地不同土層溫度的變化規(guī)律如圖1 所示。從圖1 可以看出，整個(gè)覆蓋期0、10 和20 cm 土層的土壤溫度變化規(guī)律均表現(xiàn)為覆蓋后前2 周溫度快速上升，第3 ～5 周溫度較高，第6 周溫度快速下降，第7 ～12 周溫度變化幅度小，第13 周（翌年2月底）土壤溫度最低，之后又開始上升。覆蓋初期，枯餅發(fā)酵分解，受微生物種群擴(kuò)繁和溫度升高的雙重影響，微生物分解活動(dòng)加快[19]，大量熱能被釋放，土壤溫度快速升高；第3 ～5 周，微生物分解活動(dòng)達(dá)到頂峰，土壤溫度也較高；第6 周開始，由于大量枯餅已被分解，微生物活動(dòng)減弱，枯餅釋放熱量減少，加上氣溫下降，土壤溫度也隨之下降；第7 ～12 周，枯餅分解發(fā)熱量少，增溫效果不顯著，但因?yàn)橛泄葰さ谋刈饔?，土壤溫度穩(wěn)定在14 ℃左右；翌年3月，隨著氣溫回升，土壤溫度又開始上升。

圖1 厚竹筍用林覆蓋期內(nèi)各土層溫度的變化Fig.1 Variation of average temperature in different soil layers during mulching on P.edulis ‘Pachyloen’ bamboo forest

2.2 厚竹筍用林覆蓋期各覆蓋因子對土壤溫度的影響

2.2.1 枯餅用量對土壤溫度的影響

在厚竹筍用林覆蓋過程中，枯餅作為發(fā)熱物質(zhì)，其發(fā)酵分解時(shí)釋放的熱量是土壤溫度升高的熱量來源，對覆蓋期土壤溫度變化影響較大。覆蓋期不同枯餅施用量水平下不同土層土壤溫度的動(dòng)態(tài)變化如圖2所示。從圖2可以看出，不同枯餅施用量條件下，0、10、20 cm 土層土壤溫度的變化規(guī)律基本一致，但枯餅施用量不同，土壤溫度的峰值、峰值出現(xiàn)時(shí)間及變化速度均有所不同。不同枯餅施用量處理間溫度的差異主要出現(xiàn)在覆蓋后第2 ～4 周高溫期，枯餅施用量多，土壤溫度峰值高，后期溫度較低?？蒿炇┯昧可伲捌诎l(fā)熱量小，土壤溫度較低，低溫抑制了微生物的活動(dòng)，影響了枯餅的進(jìn)一步分解發(fā)熱，致使土壤高溫期溫度較低；枯餅施用量太多，高溫期溫度較高，微生物的擴(kuò)繁和分解活動(dòng)旺盛，前期枯餅分解速度快，致使后期未分解的枯餅量少，土壤溫度較低。

2.2.2 谷殼層厚度對土壤溫度的影響

覆蓋期不同谷殼覆蓋厚度條件下不同土層土壤溫度的動(dòng)態(tài)變化如圖3 所示。從圖3 可以看出，谷殼層越厚，各土層土壤溫度越高。原因是谷殼保溫層越厚，保溫效果越好，其阻止土壤中熱量散失的能力越強(qiáng)，土壤中保留的枯餅發(fā)酵釋放的熱量越多，土壤溫度越高。谷殼層厚度為15 cm 時(shí)，地表溫度在覆蓋1 周后出現(xiàn)下降，可能是因?yàn)闅鉁伢E然下降（1 周內(nèi)最高氣溫從22 ℃下降到5 ℃，最低氣溫從14 ℃下降到2 ℃），土壤溫度和大氣溫度差異大，熱量散失多，說明谷殼覆蓋層厚度達(dá)到25 cm 以上才能有效降低大氣低溫對土壤溫度的影響，使土壤溫度保持在一個(gè)相對穩(wěn)定的區(qū)間，從而有利于厚竹筍芽的提早分化和竹筍出土，這與朱志建等[18]的研究結(jié)果一致。

2.2.3 覆蓋前林地補(bǔ)水對土壤溫度的影響

覆蓋期不同林地補(bǔ)水量條件下不同土層土壤的溫度變化如圖4 所示。從圖4 可以看出，覆蓋前進(jìn)行林地補(bǔ)水對土壤溫度的影響相對較小，不同補(bǔ)水量處理間土壤溫度在覆蓋后第2 ～4 周有一定差異。補(bǔ)水量少，前期升溫快，出現(xiàn)溫度峰值的時(shí)間早，降溫時(shí)間也較早；補(bǔ)水量多，溫度峰值推后，降溫時(shí)間也推后。

2.3 厚竹筍用林覆蓋期影響土壤溫度的主導(dǎo)因子

覆蓋期土壤溫度峰值對竹筍萌發(fā)的影響非常大。高溫峰值過低，不利于筍芽和鞭芽打破休眠，無法達(dá)到促進(jìn)竹筍萌發(fā)的目的；高溫峰值過高，易形成高溫脅迫，燒傷筍芽、鞭芽和鞭根，反而抑制竹筍萌發(fā)?？蒿炇┯昧?、谷殼層厚度和覆蓋前林地補(bǔ)水量及其交互作用對不同土層土壤高溫峰值的影響見表1。由表1 可知，根據(jù)冬季覆蓋過程中對厚竹筍用林土壤高溫峰值的影響由大到小排序，各因子依次為谷殼層厚度、枯餅用量、林地補(bǔ)水量。其中，谷殼層厚度對土壤溫度的影響極顯著（P＜0.01），枯餅施用量及其與谷殼層厚度的交互作用對土壤溫度的影響顯著（P＜0.05）。說明保溫層厚度和發(fā)熱物質(zhì)施用量是影響土壤溫度的主要因子，其中保溫層厚度是首要因素。

圖2 不同枯餅施用量條件下厚竹筍用林土壤溫度的變化Fig.2 Soil temperature variation of different oil cake quantities in P.edulis ‘Pachyloen’ bamboo forest

圖3 不同覆蓋厚度條件下厚竹筍用林土壤溫度的變化Fig.3 Soil temperature variation of different mulching thicknesses in P.edulis ‘Pachyloen’ bamboo forest

進(jìn)一步分析覆蓋期內(nèi)枯餅施用量和谷殼層厚度及其交互作用對土壤溫度的動(dòng)態(tài)影響，結(jié)果見表2。由表2 可知，谷殼層厚度在整個(gè)覆蓋期間對土壤溫度的影響均達(dá)到極顯著程度（P＜0.01），枯餅用量僅在覆蓋后的第2 周和覆蓋期即將結(jié)束時(shí)（3月中旬）對土壤溫度的影響顯著（P＜0.05）；從覆蓋后的第2 周開始枯餅用量和谷殼層厚度之間的交互作用對土壤溫度的影響顯著，土層越深，產(chǎn)生顯著影響的時(shí)間越長。原因是覆蓋期內(nèi)氣溫低，土壤溫度和大氣溫度差異大，阻止土壤熱量向大氣散失，對土壤溫度的影響極大，谷殼層厚，保溫效果好，土壤溫度高；覆蓋初期枯餅發(fā)酵分解釋放熱量多，對土壤溫度的影響大，隨著枯餅的不斷分解，發(fā)熱量降低，對土壤溫度的影響變得不顯著；翌年3月中旬氣溫升高，土壤溫度與大氣溫度差異小，谷殼的保溫作用不明顯，枯餅發(fā)熱量對土壤溫度的影響作用又突顯出來。

圖4 不同林地補(bǔ)水量條件下厚竹筍用林土壤溫度的變化Fig.4 Soil temperature variation of different water recharges in P.edulis ‘Pachyloen’ bamboo forest

表1 不同覆蓋因子對厚竹筍用林土壤溫度的影響Table 1 Effects of different mulching factors on soil temperature of P.edulis ‘Pachyloen’ bamboo forest

2.4 厚竹筍用林覆蓋期土壤溫度主導(dǎo)影響因子的增溫效果

相同谷殼覆蓋厚度條件下，不同枯餅用量處理中各土層土壤的溫度峰值如圖5 所示。從圖5可以看出，當(dāng)谷殼層厚度為15 cm 時(shí)，土壤最高溫度為18.22 ℃，隨著土層的加深，土壤溫度逐漸升高，不同枯餅用量間各土層土壤溫度峰值的差異均不顯著（圖5A）。谷殼層厚度為25 cm 時(shí)，土壤最高溫度為22.99 ℃，各土層均表現(xiàn)為枯餅施用6.0 t/hm2處理的土壤溫度峰值最高，枯餅施用3.0 t/hm2處理的最低，但差異未達(dá)到顯著水平（圖5B）。當(dāng)谷殼層厚度達(dá)到35 cm 時(shí)，土壤最高溫度達(dá)28.8 ℃，隨著土層的加深，土壤溫度有所降低，各土層均表現(xiàn)為枯餅施用4.5 和6.0 t/hm2處理的土壤溫度峰值顯著高于枯餅施用3.0 t/hm2處理（P＜0.05），枯餅施用4.5 和6.0 t/hm2處理間溫度峰值差異不顯著（圖5C）。

相同枯餅施用量條件下，不同谷殼覆蓋厚度處理間各土層土壤的溫度峰值如圖6 所示。由圖6可以看出，3 種枯餅施用量條件下，各土層均表現(xiàn)為谷殼覆蓋厚度35 cm 處理的溫度峰值最高，谷殼覆蓋厚度15 cm 處理的溫度峰值最低，土壤溫度隨著谷殼層厚度的增加而顯著升高（P＜0.05），與方差分析的結(jié)果一致。同一枯餅施用量條件下，各土層間溫度峰值的差異不大，進(jìn)一步說明谷殼層厚度對土壤增溫影響顯著。

表2 不同時(shí)期主要覆蓋因子對厚竹筍用林土壤溫度的影響?Table 2 Effects of major mulching factors on soil temperature during different periods of P.edulis ‘Pachyloen’ bamboo forest

圖5 不同枯餅施用量條件下厚竹筍用林土壤增溫效果的比較Fig.5 Comparison of warming soil effects of different oil cakes quantity on P.edulis ‘Pachyloen’ bamboo forest

圖6 不同覆蓋厚度條件下厚竹筍用林土壤增溫效果的比較Fig.6 Comparison of different mulching thicknesses effects on raising soil temperature of P.edulis ‘Pachyloen’ bamboo forest

3 結(jié)論與討論

在冬季覆蓋期，厚竹筍用林土壤溫度變化規(guī)律為前2 周快速升高，第3 ～5 周溫度較高，第6周快速下降，第13 周（翌年2月底）溫度最低，之后緩慢上升?？蒿灒òl(fā)熱物質(zhì)）用量和谷殼層（保溫材料）厚度對土壤溫度有顯著影響。其中，谷殼層厚度是影響土壤溫度的首要因素，谷殼層越厚，土壤溫度越高?？蒿炇翘岣咄寥罍囟鹊膭?dòng)力，對土壤溫度的變化產(chǎn)生顯著影響，但要有適宜厚度的谷殼保溫層配合才能保證其增溫效果。覆蓋前進(jìn)行林地補(bǔ)水對土壤的升溫速度和溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間有一定影響。

土壤溫度隨覆蓋材料、覆蓋方式、土壤水分等的改變而變化[20]。筍用林冬季覆蓋后，通過真菌、細(xì)菌、放線菌等微生物分解發(fā)熱物質(zhì)釋放熱能，利用谷殼等保溫層有效阻礙空氣與林地土壤間的水熱交換，從而提高土壤溫度[21]，促進(jìn)筍芽分化和萌發(fā)。本研究結(jié)果表明，發(fā)熱物質(zhì)（枯餅）和保溫材料（谷殼）是影響土壤溫度的主要因子，水分對土壤溫度的影響相對較小。發(fā)熱物質(zhì)（枯餅）是筍用林覆蓋期間土壤升溫的動(dòng)力，決定土壤溫度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，但要有適宜厚度的谷殼保溫層配合才能保證其增溫效果。枯餅用量少，釋放熱量少，土壤溫度低；枯餅用量過多，并且谷殼覆蓋層較厚時(shí)，前期土壤升溫快，溫度高，較高的土壤溫度促進(jìn)微生物活動(dòng)，使大量枯餅快速分解，造成后期發(fā)熱量偏低，從而出現(xiàn)枯餅用量過多的樣地在覆蓋后期土壤溫度反而較低的現(xiàn)象。谷殼覆蓋厚度是影響土壤溫度的首要因子。當(dāng)谷殼覆蓋層較薄時(shí)，因?yàn)楸匦Ч睿蒿灠l(fā)酵分解釋放的熱量散失快，土壤升溫速度慢，溫度較低，不利于土壤微生物活動(dòng)，枯餅分解發(fā)酵速度慢，減少了發(fā)熱量，土壤溫度低。谷殼覆蓋層越厚，保溫效果越好，土壤溫度越高。另外，土壤具有一定的保溫作用，土壤中根系和竹筍生長代謝會(huì)產(chǎn)生部分熱量，所以，當(dāng)谷殼覆蓋層較?。ǎ?5 cm） 時(shí)，深層土壤溫度高于表層土壤溫度；當(dāng)厚度達(dá)到35 cm 時(shí)，谷殼保溫層能有效隔絕大氣溫度對土壤溫度的影響，阻礙枯餅發(fā)酵分解釋放的熱量向大氣散失，表層土壤溫度高，由于土壤的導(dǎo)熱性能差，隨著土層的加深，土壤溫度降低。

覆蓋前進(jìn)行林地補(bǔ)水對土壤溫度峰值的影響不明顯，但會(huì)影響土壤的升溫速度和溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間。其原因可能是水分比空氣熱容量大，覆蓋前林地補(bǔ)水量越多，提高土壤溫度所需的熱量越多，土壤升溫速度慢，溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間推后，當(dāng)土壤溫度下降時(shí)，因?yàn)樗轴尫艧崃慷?，可以延緩?fù)寥罍囟鹊南陆邓俣取Ａ硗?，由于林地表面覆蓋了谷殼保溫層，覆蓋期內(nèi)自然降水無法到達(dá)土壤層，也無法對林地進(jìn)行灌溉，土壤水分得不到補(bǔ)充，而竹筍萌發(fā)和生長需要充足的水分，覆蓋前進(jìn)行林地補(bǔ)水可能對竹筍產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生影響。

不同竹種的筍芽分化和竹筍出土溫度不同，本試驗(yàn)中主要探討了枯餅用量、谷殼保溫層厚度和覆蓋前林地補(bǔ)水量對土壤溫度變化的影響，關(guān)于不同筍用竹種的高效低碳覆蓋模式和覆蓋方法有待深入研究。