雷竹覆蓋物分解速率及其硅含量的變化

黃張婷，張 艷，宋照亮，2，姜培坤，2，* ，項婷婷

(1.浙江農林大學環境與資源學院，臨安 311300;2.浙江農林大學浙江省森林生態系統碳循環與固碳減排重點實驗室，臨安 311300)

雷竹(Phyllostachys praecox)屬于禾本科竹亞科剛竹屬，是我國優良的筍用竹，在我國亞熱帶地區被廣泛引種栽培。自20世紀80年代以來，雷竹早產高效栽培技術的廣泛應用，使雷竹筍的上市時間提早到春節時期，極大地提高了竹農的經濟收益［1］，同時也產生了一些如竹林退化［2］、周邊水體污染［3］等問題。早產高效栽培技術的核心是通過冬季地表覆蓋來提高土壤溫度，促使雷竹提早出筍，通過施重肥以大幅增加產量。

雷竹覆蓋物作為外源有機物料，因生產需要，被大量引入林地中，與雷竹林地自然凋落物有較大差別，又經人為處理，其分解過程不同于一般的林地自然凋落物，分解行為對土壤元素循環(如Si元素)和土壤的環境因子的影響與林地自然凋落物有較大差別。

硅(Si)是地殼中除氧外含量最豐富的元素，其豐度約為28.8%。陸地植物每年以BSi的形式固定約1.68×109—5.60×109t的 Si［4］，可見通過這種形式進入陸地生態系統循環中的 Si數量相當可觀。研究發現［5］，單子葉植物中Si含量高于雙子葉植物，其中又以禾本科植物為陸地環境中積累高濃度Si的代表。雷竹作為典型的禾本科植物，具有Si超富集能力［6］。Si是多種植物生長所必需的營養元素，對植物的生長產生積極的影響［7］。植物體本身就是一個相當大的硅庫，在植硅體形成的過程中，活細胞中有機碳可被固定在其中形成植硅體碳(phytolith-occluded organic carbon，PhytOC)。土壤中的許多其他有機碳可能在一個較短的時間內分解而進入大氣，而PhytOC由于受植硅體保護可長期累積于土壤中［8］，從而成為陸地土壤長期(萬年尺度)固碳的重要機制之一(貢獻率為15%—37%)［5］。土壤中PhytOC是一個重要的長期的陸地碳庫，因此，在調節全球碳循環和緩解全球氣候變暖趨勢等方面具有重要作用［8-9］。

在雷竹早產高效技術中使用的覆蓋材料(竹葉、稻草)本身也是具有高硅含量的禾本科植物殘體，分解后能為雷竹生態系統額外提供大量BSi的輸入，因此雷竹林生態系統中的硅素變化具有其特殊性。而以往對雷竹的研究主要集中在雷竹栽培、雷竹林地土壤的基本養分及其周邊水體的質量變化等方面，而對雷竹生態系統中的覆蓋物分解的研究不多，尤其是對在雷竹林中覆蓋高硅含量材料的硅含量變化規律尚不清楚。因此，有必要開展雷竹林覆蓋物分解速率的年動態變化和覆蓋分解物中硅含量變化規律的研究，為今后開展雷竹林生態系統植硅體及其固碳方面的研究做鋪墊，也為雷竹林地生產實踐提供一定的理論依據。

1 試驗設計與研究方法

1.1 研究區域概況

試驗地設在浙江省臨安市三口鄉蔥坑村的雷竹主產區(30°14'N，119°42'E)。該地區海拔150 m，屬中亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫16℃，無霜期236 d，年平均降水量1614 mm，降水日158 d，日照充足，四季分明，氣候垂直變化明顯。降水量年內分配不勻，集中于汛期4—10月，其中7—8月受太平洋副熱帶高壓控制，相對于汛期其他月份，氣溫高、雨量少。土壤為發育于粉砂巖的紅壤土類，黃紅壤亞類，地形以丘陵為主。

該試驗地雷竹建園歷史8 a，雷竹地立竹密度20450株/hm2，立竹平均胸徑3.9 cm。按照當地竹農的栽培習慣，在每年11月下旬進行雷竹林地表覆蓋(先覆蓋10 cm稻草，再覆蓋20 cm竹葉)，到翌年4月中旬揭去未腐爛的覆蓋物。并在每年11月中旬、翌年5月中旬和9月下旬施肥3次，3次肥料用量比例分別控制在35%—40%，30%和 30%—35%，化肥以尿素和復合肥(N ∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)為主，尿素 1.125 t/hm2，復合肥2.25 t/hm2。施肥后，結合翻耕1次。

1.2 設計與采樣分析

供試的覆蓋物(竹葉和稻草)的化學性質見表1。覆蓋物分解試驗采用分解管分解法。在20 m×30 m的采樣區內一次均勻放置36個直徑為30 cm的PVC分解管，分解底部(即靠近地面的一端)用尼龍網包扎，尼龍網孔徑為0.5 mm。先將覆蓋物(下層為10 cm厚的稻草，上層再蓋20 cm厚的竹葉)分別裝入已編號的分解管中，然后將分解管放置在已去除枯枝落葉的林地地表，在頂端包扎同樣的尼龍網。采集覆蓋物材料樣品(稻草、竹葉各1份)作為本底樣。翌年1—12月每月15日左右采樣1次，每次取回分解管3個。將管內剩余的稻草和竹葉取出，仔細分揀，小心剔除分解剩余稻草和竹葉表面沾的泥沙及其他非分解殘余物后，分別于80℃烘干至恒重，稱量得到稻草和竹葉的殘余質量，計算兩者的分解速率和質量損失率。將烘干后的樣品在高速粉碎機中磨細，貼上標簽保存備用。

將每月處理好的樣品分為兩份，一份用Elementar vario MAX CN碳氮元素分析儀測定其C、N元素含量。另一份用偏硼酸鋰熔融-ICP-AES法，用ICP perkin 7000測定其Si、Al、Fe等元素的含量，用鉬藍比色－分光光度法測定P元素含量［10］。

表1 覆蓋物的化學性質Table 1 Chemical properties of the mulching materials used in the experiment

1.3 土壤取樣與分析

在試驗區內，用自制采樣器蛇形法多點分3層采集0—20 cm、20—40 cm和40—60 cm土樣。土壤樣品風干后，磨細過篩，備用。土樣分析方法如下:土壤有機質，重鉻酸鉀外加熱法;全氮，凱氏法;水解氮，堿解法;有效磷，Bray法;速效鉀，乙酸銨浸提［10］。試驗地土壤基本理化性質見表2。

表2 試驗地土壤基本理化性質Table 2 The basic physicochemical properties of the soil used in the experiment

1.4 覆蓋物分解速率和質量損失速率的計算

式中，Wi為第i次取樣時的剩余干質量，Wi+1為下一次取樣時的剩余干質量，i=1，2，…，11。

式中，W0為覆蓋物本底樣的干質量，Wi為覆蓋后第i次取樣時的剩余干質量，i=1，2，…，12。

1.5 數據分析

數據計算及作圖采用Excel軟件處理。數據處理使用DPS系統進行統計分析。

2 結果分析

2.1 覆蓋物分解速率和物質量損失率動態變化規律

由圖1可見，在覆蓋物1a的分解過程中，竹葉和稻草的月平均分解速率分別為11.9%和8.5%。竹葉的分解速率從分解的第2個月起迅速提高，除了5月、6月外，其余月份均超過10%;稻草在1—4月緩慢分解，從5月起分解速率迅速提高，此后除11月出現一次低值，其余月份也都高于10%，5—12月稻草的平均分解速率高達12.0%。

總體來說，在分解過程中，竹葉和稻草的月分解速率都有一定的波動，兩者的分解高峰處于3—10月，7—8月時兩者的分解速率最高可達16.3%和19.1%。

圖1 覆蓋物分解速率動態變化規律和物質量損失率動態變化規律Fig.1 Monthly decomposition rate and mass losing rate of mulching materials

在覆蓋物1a的分解過程中，竹葉和稻草的總分解量分別達到79.3%和67.5%(圖1)。兩種覆蓋物質量損失率變化趨勢基本一致，即隨著時間的延長，覆蓋物的質量損失率增加，但增加幅度緩急不一。竹葉質量損失率在1—4月迅速提高，5—6月竹葉質量損失率變化不明顯，此后又持續上升直至12月。與竹葉不同的是，稻草1—4月的質量損失率很低，從5月起迅速提高，并持續至10—12月才有所減緩。

2.2 覆蓋物C、N含量及C/N動態變化

在1 a的分解過程中，竹葉和稻草分解殘余物的C含量隨時間的推移而下降(圖2)，竹葉C含量下降了14.8%，稻草C含量下降了15.3%;兩者的N含量都出現了增加的趨勢(圖2)，到12月時，竹葉、稻草N含量分別增加到25.71 g/kg和23.61 g/kg，是試驗開始時的1.16和2.74倍。從分解過程來看，2種覆蓋物N含量的最大值均出現在9月，分別為27.33 g/kg和24.92 g/kg。經過1 a的分解，竹葉N含量只增加了15.8%;而稻草N含量則增加了174.4%，且主要集中于分解初期。

從圖2可以看出，竹葉C/N波動不大，總體呈現下降趨勢，分解1 a后，從20.33下降到14.97，下降幅度為26.4%，而稻草 C/N 從49.04下降到15.93，下降幅度為67.5%，其中1—2月下降了26.44，占全年下降總量的79.9%，除此之外，其它月份變化與竹葉一致。

2.3 覆蓋物Si含量及其與其他元素的關系

2.3.1 覆蓋分解殘余物中Si含量

圖3顯示，竹葉和稻草兩種覆蓋物在1 a的分解過程中，分解殘余物中Si含量變化趨勢基本一致，都隨著分解時間的增加而提高，但兩者在不同月份之間Si含量增幅有所不同。在整個分解過程中，竹葉分解殘余物中Si含量處平穩上升趨勢，在分解末期達到一年中的最大值(80.8 g/kg)，為本底樣Si含量的3.9倍。稻草殘余物的Si含量在1—2月有明顯上升，此后上升幅度減緩，同樣在分解末期達到最大值(81.8 g/kg)，是本底樣Si含量的 3.1 倍。

圖2 覆蓋物C含量、N含量及C∶N動態變化Fig.2 Dynamic changes in carbon and nitrogen concentrations，and carbon to nitrogen ratio(C ∶N)in residual mulching materials

2.3.2 覆蓋分解殘余物中其他元素含量

圖4顯示，在1 a的分解中，兩種覆蓋物分解殘余物中Al含量變化趨勢基本一致，即隨著分解時間的延長，覆蓋分解殘余物中的Al含量基本呈現上升趨勢，但在分解末期出現分異。稻草分解殘余物中Al含量變化范圍在 0.2—8.4 g/kg，變化幅度達 4100%;竹葉分解殘余物中Al含量變化范圍在 0.3—5.4 g/kg，變化幅度達1700%。竹葉和稻草Al含量從分解開始到9月一直平穩上升，但9月之后兩種覆蓋物中的Al含量開始出現不同的變化:竹葉中Al含量迅速上升后，到10月開始緩慢下降，而稻草中的Al含量則在試驗末期迅速提高。

Fe含量變化趨勢與Al含量變化趨勢相近，且在末期也出現一致的分異(圖4)。竹葉殘余物中Fe含量變化范圍為0.3—3.6 g/kg，稻草殘余物中 Fe含量變化范圍為0.2—3.8 g/kg，變幅分別達1100%和1800%。

兩種覆蓋物的分解殘余物中P含量變化趨勢與Al、Fe含量的變化差異較大，曲線大致呈現雙峰型，尤其在稻草P含量變化趨勢上更為明顯(圖4(c))。稻草分解過程中P含量變化范圍為0.7—1.4 g/kg，分解末期比初期提高了1倍，在4月和11月時出現峰值，最小值則出現在分解初和8月份;竹葉中P含量變化范圍為1.0—1.7 g/kg，峰值出現在5月和10月，最小值的出現時期與稻草相同。

2.3.3 覆蓋分解殘余物中Si含量與其他元素含量的相關性

本研究發現，稻草分解殘余物中的Si含量與Al含量呈極顯著的指數相關(R2=0.8057，P＜0.01)，Si含量與Fe含量呈極顯著的指數相關(R2=0.8239，P＜0.01);竹葉分解殘余物中的Si含量與Al含量呈極顯著的指數相關(R2=0.8425，P＜0.01)，Si含量與 Fe 含量呈極顯著的指數相關(R2=0.9124，P＜0.01)。但兩者的分解殘余物中Si含量與P含量之間的相關性都不顯著(圖5)。

3 結論與討論

3.1 雷竹覆蓋物的分解過程

圖3 覆蓋殘余物Si含量動態變化規律Fig.3 Dynamic changes in Si contents in residual mulching materials

圖4 覆蓋物Al含量、Fe含量和P含量的動態變化Fig.4 Dynamic changes in Al，Fe and P contents in residual mulching materials

圖5 稻草和竹葉覆蓋物中Si含量與Al含量、Fe含量、P含量之間的相關性Fig.5 Relationship between Si contents and in Al，Fe or P contents in residual mulching materials of straw and bamboo leaves

雷竹冬季地表覆蓋物是一種特殊的外源有機物，目的在于提高冬季雷竹林地土壤溫度，實現竹筍反季節生產。這些覆蓋物的分解有別于一般的林木凋落物，但作為有機物料，其分解過程及其對環境條件的響應與林木凋落物有一定的相似之處。植物分解損失50%的質量所需要的時間稱為該植物分解的半衰期，其大小因植物種類不同而變化。本試驗中，竹葉、稻草的半衰期分別為166 d和228 d，遠小于我國亞熱帶主要樹種( 水杉、青岡、毛竹等 9 種的分解半衰期為 0.98—4.95 a)［11］、亞熱帶人工林(馬尾松、濕地松等)［12］和一些其他樹種［13-19］，說明雷竹覆蓋物分解速率大于亞熱帶地區多數林地的自然凋落物。

從凋落物性質來看，影響凋落物分解的因素有N濃度、P濃度、木質素與纖維素濃度、C/N、木質素/N、C/P等［20］，其中N濃度、C/N最能影響分解的速率［21-22］。N濃度決定微生物生物量的增長和微生物礦化有機碳的周轉，高N濃度的植物殘體更易被微生物分解［21，23］。本試驗中竹葉C/N比為20.51，顯著低于稻草的C/N比(49.04)，竹葉N含量為22.26 g/kg，遠高于稻草N含量(8.64 g/kg)，這是竹葉分解較快的原因之一(表1)。雷竹冬季覆蓋中采用雙層覆蓋技術，一般稻草處于厚重的竹葉覆蓋物的下層，在分解過程中，O2被好氧微生物耗盡，加上土壤呼吸釋放的CO2不能及時排出，使好氧菌的生長受到影響，降低了微生物生物量，改變了種群結構，可能使稻草分解比較緩慢(圖1)。另外，Si含量較高的植物殘體具有較低的可分解性［24］，而稻草中的Si含量高于竹葉(表1)，這可能是稻草月平均分解速率低于竹葉的另一原因。本試驗中，采用分解管內雙層覆蓋物的處理是為了更好地還原實際生產中的覆蓋技術操作，研究該種雷竹栽培條件下覆蓋物的分解動態變化過程，因此不可避免地產生如兩種覆蓋物的分解條件有些許差異的問題。為更好地表達稻草和竹葉這兩種覆蓋物在相同條件下的雷竹林地內分解時的不同規律，并探討其與實際生產操作之間的差異，在今后的實驗設計中，應當增加分解管內單層覆蓋稻草或者竹葉這兩種對照處理。另外，為了更好地模擬自然狀態下的分解狀態，應當在供試的PVC分解管壁上開若干小孔，并用孔徑為0.5 mm的尼龍網蓋住，使管內覆蓋物既不會掉落又大大增加其通氣程度，以期分解在盡可能接近自然的條件下進行。

從雷竹覆蓋物分解動態來看，竹葉和稻草分解高峰處于3—10月，主要是由于氣溫回暖，微生物活性增強，分解速率隨溫度的升高而增加［25-26］。5月起稻草分解速率激增、質量損失率迅速提高可能是真菌作用所致，在5月采集稻草樣品時發現有大量的白色菌類，表明土壤中的真菌深入稻草中，加速了稻草中木質素等難分解物質的分解［27］。受梅雨季節和夏季臺風暴雨的影響，覆蓋物的分解加速，到7月、8月，竹葉、稻草分解速率分別高達16.3%和19.1%。試驗結果中，關于C、N、C/N的結果與前人研究結果一致:竹葉和稻草在分解過程中C含量隨時間的推移而下降［28-29］，而N元素出現富集現象［28-32］。覆蓋物分解過程中的N素富集可能還與大氣N沉降［33］、微生物固持［20］和其他土壤生物的活動有關［28］。另外，稻草中N素的迅速增加可能還與上層竹葉分解后N素淋溶下滲有關。

3.2 分解殘余物中Si含量及其與其他元素的關系

本試驗中，覆蓋物的分解殘余物中Si含量出現相對富集，這與Si元素通常被結合在較難分解的物質中有關;而在分解末期竹葉分解殘余物中Si含量較高，這可能是由于竹葉質量損失率較稻草大，而通常損失的這部分質量大多是易分解的糖、蛋白質、纖維素等一些類似的有機物被分解而引起的［34］，而Si含量的增加正是伴隨著這些物質的分解，產生了含量上的相對富集，使竹葉分解殘余物中Si含量高于稻草。殘余物中Si含量與Al、Fe含量之間呈極顯著的相關性，而與P含量之間無顯著相關性。可能是因為Si與Al、Fe的生物分解系數比較接近，而與P相差較大［14］，在分解過程中損失緩慢，都表現為相對富集。

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