雷竹覆盖物分解速率及其硅含量的变化

2013-12-20黄张婷宋照亮姜培坤项婷婷

生态学报 2013年23期

黄张婷，张艳，宋照亮，2，姜培坤，2，* ，项婷婷

(1.浙江农林大学环境与资源学院，临安 311300;2.浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室，临安 311300)

雷竹(Phyllostachys praecox)属于禾本科竹亚科刚竹属，是我国优良的笋用竹，在我国亚热带地区被广泛引种栽培。自20世纪80年代以来，雷竹早产高效栽培技术的广泛应用，使雷竹笋的上市时间提早到春节时期，极大地提高了竹农的经济收益［1］，同时也产生了一些如竹林退化［2］、周边水体污染［3］等问题。早产高效栽培技术的核心是通过冬季地表覆盖来提高土壤温度，促使雷竹提早出笋，通过施重肥以大幅增加产量。

雷竹覆盖物作为外源有机物料，因生产需要，被大量引入林地中，与雷竹林地自然凋落物有较大差别，又经人为处理，其分解过程不同于一般的林地自然凋落物，分解行为对土壤元素循环(如Si元素)和土壤的环境因子的影响与林地自然凋落物有较大差别。

硅(Si)是地壳中除氧外含量最丰富的元素，其丰度约为28.8%。陆地植物每年以BSi的形式固定约1.68×109—5.60×109t的 Si［4］，可见通过这种形式进入陆地生态系统循环中的 Si数量相当可观。研究发现［5］，单子叶植物中Si含量高于双子叶植物，其中又以禾本科植物为陆地环境中积累高浓度Si的代表。雷竹作为典型的禾本科植物，具有Si超富集能力［6］。Si是多种植物生长所必需的营养元素，对植物的生长产生积极的影响［7］。植物体本身就是一个相当大的硅库，在植硅体形成的过程中，活细胞中有机碳可被固定在其中形成植硅体碳(phytolith-occluded organic carbon，PhytOC)。土壤中的许多其他有机碳可能在一个较短的时间内分解而进入大气，而PhytOC由于受植硅体保护可长期累积于土壤中［8］，从而成为陆地土壤长期(万年尺度)固碳的重要机制之一(贡献率为15%—37%)［5］。土壤中PhytOC是一个重要的长期的陆地碳库，因此，在调节全球碳循环和缓解全球气候变暖趋势等方面具有重要作用［8-9］。

在雷竹早产高效技术中使用的覆盖材料(竹叶、稻草)本身也是具有高硅含量的禾本科植物残体，分解后能为雷竹生态系统额外提供大量BSi的输入，因此雷竹林生态系统中的硅素变化具有其特殊性。而以往对雷竹的研究主要集中在雷竹栽培、雷竹林地土壤的基本养分及其周边水体的质量变化等方面，而对雷竹生态系统中的覆盖物分解的研究不多，尤其是对在雷竹林中覆盖高硅含量材料的硅含量变化规律尚不清楚。因此，有必要开展雷竹林覆盖物分解速率的年动态变化和覆盖分解物中硅含量变化规律的研究，为今后开展雷竹林生态系统植硅体及其固碳方面的研究做铺垫，也为雷竹林地生产实践提供一定的理论依据。

1 试验设计与研究方法

1.1 研究区域概况

试验地设在浙江省临安市三口乡葱坑村的雷竹主产区(30°14'N，119°42'E)。该地区海拔150 m，属中亚热带季风气候区，年平均气温16℃，无霜期236 d，年平均降水量1614 mm，降水日158 d，日照充足，四季分明，气候垂直变化明显。降水量年内分配不匀，集中于汛期4—10月，其中7—8月受太平洋副热带高压控制，相对于汛期其他月份，气温高、雨量少。土壤为发育于粉砂岩的红壤土类，黄红壤亚类，地形以丘陵为主。

该试验地雷竹建园历史8 a，雷竹地立竹密度20450株/hm2，立竹平均胸径3.9 cm。按照当地竹农的栽培习惯，在每年11月下旬进行雷竹林地表覆盖(先覆盖10 cm稻草，再覆盖20 cm竹叶)，到翌年4月中旬揭去未腐烂的覆盖物。并在每年11月中旬、翌年5月中旬和9月下旬施肥3次，3次肥料用量比例分别控制在35%—40%，30%和 30%—35%，化肥以尿素和复合肥(N ∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)为主，尿素 1.125 t/hm2，复合肥2.25 t/hm2。施肥后，结合翻耕1次。

1.2 设计与采样分析

供试的覆盖物(竹叶和稻草)的化学性质见表1。覆盖物分解试验采用分解管分解法。在20 m×30 m的采样区内一次均匀放置36个直径为30 cm的PVC分解管，分解底部(即靠近地面的一端)用尼龙网包扎，尼龙网孔径为0.5 mm。先将覆盖物(下层为10 cm厚的稻草，上层再盖20 cm厚的竹叶)分别装入已编号的分解管中，然后将分解管放置在已去除枯枝落叶的林地地表，在顶端包扎同样的尼龙网。采集覆盖物材料样品(稻草、竹叶各1份)作为本底样。翌年1—12月每月15日左右采样1次，每次取回分解管3个。将管内剩余的稻草和竹叶取出，仔细分拣，小心剔除分解剩余稻草和竹叶表面沾的泥沙及其他非分解残余物后，分别于80℃烘干至恒重，称量得到稻草和竹叶的残余质量，计算两者的分解速率和质量损失率。将烘干后的样品在高速粉碎机中磨细，贴上标签保存备用。

将每月处理好的样品分为两份，一份用Elementar vario MAX CN碳氮元素分析仪测定其C、N元素含量。另一份用偏硼酸锂熔融-ICP-AES法，用ICP perkin 7000测定其Si、Al、Fe等元素的含量，用钼蓝比色－分光光度法测定P元素含量［10］。

表1 覆盖物的化学性质Table 1 Chemical properties of the mulching materials used in the experiment

1.3 土壤取样与分析

在试验区内，用自制采样器蛇形法多点分3层采集0—20 cm、20—40 cm和40—60 cm土样。土壤样品风干后，磨细过筛，备用。土样分析方法如下:土壤有机质，重铬酸钾外加热法;全氮，凯氏法;水解氮，碱解法;有效磷，Bray法;速效钾，乙酸铵浸提［10］。试验地土壤基本理化性质见表2。

表2 试验地土壤基本理化性质Table 2 The basic physicochemical properties of the soil used in the experiment

1.4 覆盖物分解速率和质量损失速率的计算

式中，Wi为第i次取样时的剩余干质量，Wi+1为下一次取样时的剩余干质量，i=1，2，…，11。

式中，W0为覆盖物本底样的干质量，Wi为覆盖后第i次取样时的剩余干质量，i=1，2，…，12。

1.5 数据分析

数据计算及作图采用Excel软件处理。数据处理使用DPS系统进行统计分析。

2 结果分析

2.1 覆盖物分解速率和物质量损失率动态变化规律

由图1可见，在覆盖物1a的分解过程中，竹叶和稻草的月平均分解速率分别为11.9%和8.5%。竹叶的分解速率从分解的第2个月起迅速提高，除了5月、6月外，其余月份均超过10%;稻草在1—4月缓慢分解，从5月起分解速率迅速提高，此后除11月出现一次低值，其余月份也都高于10%，5—12月稻草的平均分解速率高达12.0%。

总体来说，在分解过程中，竹叶和稻草的月分解速率都有一定的波动，两者的分解高峰处于3—10月，7—8月时两者的分解速率最高可达16.3%和19.1%。

图1 覆盖物分解速率动态变化规律和物质量损失率动态变化规律Fig.1 Monthly decomposition rate and mass losing rate of mulching materials

在覆盖物1a的分解过程中，竹叶和稻草的总分解量分别达到79.3%和67.5%(图1)。两种覆盖物质量损失率变化趋势基本一致，即随着时间的延长，覆盖物的质量损失率增加，但增加幅度缓急不一。竹叶质量损失率在1—4月迅速提高，5—6月竹叶质量损失率变化不明显，此后又持续上升直至12月。与竹叶不同的是，稻草1—4月的质量损失率很低，从5月起迅速提高，并持续至10—12月才有所减缓。

2.2 覆盖物C、N含量及C/N动态变化

在1 a的分解过程中，竹叶和稻草分解残余物的C含量随时间的推移而下降(图2)，竹叶C含量下降了14.8%，稻草C含量下降了15.3%;两者的N含量都出现了增加的趋势(图2)，到12月时，竹叶、稻草N含量分别增加到25.71 g/kg和23.61 g/kg，是试验开始时的1.16和2.74倍。从分解过程来看，2种覆盖物N含量的最大值均出现在9月，分别为27.33 g/kg和24.92 g/kg。经过1 a的分解，竹叶N含量只增加了15.8%;而稻草N含量则增加了174.4%，且主要集中于分解初期。

从图2可以看出，竹叶C/N波动不大，总体呈现下降趋势，分解1 a后，从20.33下降到14.97，下降幅度为26.4%，而稻草 C/N 从49.04下降到15.93，下降幅度为67.5%，其中1—2月下降了26.44，占全年下降总量的79.9%，除此之外，其它月份变化与竹叶一致。

2.3 覆盖物Si含量及其与其他元素的关系

2.3.1 覆盖分解残余物中Si含量

图3显示，竹叶和稻草两种覆盖物在1 a的分解过程中，分解残余物中Si含量变化趋势基本一致，都随着分解时间的增加而提高，但两者在不同月份之间Si含量增幅有所不同。在整个分解过程中，竹叶分解残余物中Si含量处平稳上升趋势，在分解末期达到一年中的最大值(80.8 g/kg)，为本底样Si含量的3.9倍。稻草残余物的Si含量在1—2月有明显上升，此后上升幅度减缓，同样在分解末期达到最大值(81.8 g/kg)，是本底样Si含量的 3.1 倍。

图2 覆盖物C含量、N含量及C∶N动态变化Fig.2 Dynamic changes in carbon and nitrogen concentrations，and carbon to nitrogen ratio(C ∶N)in residual mulching materials

2.3.2 覆盖分解残余物中其他元素含量

图4显示，在1 a的分解中，两种覆盖物分解残余物中Al含量变化趋势基本一致，即随着分解时间的延长，覆盖分解残余物中的Al含量基本呈现上升趋势，但在分解末期出现分异。稻草分解残余物中Al含量变化范围在 0.2—8.4 g/kg，变化幅度达 4100%;竹叶分解残余物中Al含量变化范围在 0.3—5.4 g/kg，变化幅度达1700%。竹叶和稻草Al含量从分解开始到9月一直平稳上升，但9月之后两种覆盖物中的Al含量开始出现不同的变化:竹叶中Al含量迅速上升后，到10月开始缓慢下降，而稻草中的Al含量则在试验末期迅速提高。

Fe含量变化趋势与Al含量变化趋势相近，且在末期也出现一致的分异(图4)。竹叶残余物中Fe含量变化范围为0.3—3.6 g/kg，稻草残余物中 Fe含量变化范围为0.2—3.8 g/kg，变幅分别达1100%和1800%。

两种覆盖物的分解残余物中P含量变化趋势与Al、Fe含量的变化差异较大，曲线大致呈现双峰型，尤其在稻草P含量变化趋势上更为明显(图4(c))。稻草分解过程中P含量变化范围为0.7—1.4 g/kg，分解末期比初期提高了1倍，在4月和11月时出现峰值，最小值则出现在分解初和8月份;竹叶中P含量变化范围为1.0—1.7 g/kg，峰值出现在5月和10月，最小值的出现时期与稻草相同。

2.3.3 覆盖分解残余物中Si含量与其他元素含量的相关性

本研究发现，稻草分解残余物中的Si含量与Al含量呈极显著的指数相关(R2=0.8057，P＜0.01)，Si含量与Fe含量呈极显著的指数相关(R2=0.8239，P＜0.01);竹叶分解残余物中的Si含量与Al含量呈极显著的指数相关(R2=0.8425，P＜0.01)，Si含量与 Fe 含量呈极显著的指数相关(R2=0.9124，P＜0.01)。但两者的分解残余物中Si含量与P含量之间的相关性都不显著(图5)。

3 结论与讨论

3.1 雷竹覆盖物的分解过程

图3 覆盖残余物Si含量动态变化规律Fig.3 Dynamic changes in Si contents in residual mulching materials

图4 覆盖物Al含量、Fe含量和P含量的动态变化Fig.4 Dynamic changes in Al，Fe and P contents in residual mulching materials

图5 稻草和竹叶覆盖物中Si含量与Al含量、Fe含量、P含量之间的相关性Fig.5 Relationship between Si contents and in Al，Fe or P contents in residual mulching materials of straw and bamboo leaves

雷竹冬季地表覆盖物是一种特殊的外源有机物，目的在于提高冬季雷竹林地土壤温度，实现竹笋反季节生产。这些覆盖物的分解有别于一般的林木凋落物，但作为有机物料，其分解过程及其对环境条件的响应与林木凋落物有一定的相似之处。植物分解损失50%的质量所需要的时间称为该植物分解的半衰期，其大小因植物种类不同而变化。本试验中，竹叶、稻草的半衰期分别为166 d和228 d，远小于我国亚热带主要树种( 水杉、青冈、毛竹等 9 种的分解半衰期为 0.98—4.95 a)［11］、亚热带人工林(马尾松、湿地松等)［12］和一些其他树种［13-19］，说明雷竹覆盖物分解速率大于亚热带地区多数林地的自然凋落物。

从凋落物性质来看，影响凋落物分解的因素有N浓度、P浓度、木质素与纤维素浓度、C/N、木质素/N、C/P等［20］，其中N浓度、C/N最能影响分解的速率［21-22］。N浓度决定微生物生物量的增长和微生物矿化有机碳的周转，高N浓度的植物残体更易被微生物分解［21，23］。本试验中竹叶C/N比为20.51，显著低于稻草的C/N比(49.04)，竹叶N含量为22.26 g/kg，远高于稻草N含量(8.64 g/kg)，这是竹叶分解较快的原因之一(表1)。雷竹冬季覆盖中采用双层覆盖技术，一般稻草处于厚重的竹叶覆盖物的下层，在分解过程中，O2被好氧微生物耗尽，加上土壤呼吸释放的CO2不能及时排出，使好氧菌的生长受到影响，降低了微生物生物量，改变了种群结构，可能使稻草分解比较缓慢(图1)。另外，Si含量较高的植物残体具有较低的可分解性［24］，而稻草中的Si含量高于竹叶(表1)，这可能是稻草月平均分解速率低于竹叶的另一原因。本试验中，采用分解管内双层覆盖物的处理是为了更好地还原实际生产中的覆盖技术操作，研究该种雷竹栽培条件下覆盖物的分解动态变化过程，因此不可避免地产生如两种覆盖物的分解条件有些许差异的问题。为更好地表达稻草和竹叶这两种覆盖物在相同条件下的雷竹林地内分解时的不同规律，并探讨其与实际生产操作之间的差异，在今后的实验设计中，应当增加分解管内单层覆盖稻草或者竹叶这两种对照处理。另外，为了更好地模拟自然状态下的分解状态，应当在供试的PVC分解管壁上开若干小孔，并用孔径为0.5 mm的尼龙网盖住，使管内覆盖物既不会掉落又大大增加其通气程度，以期分解在尽可能接近自然的条件下进行。

从雷竹覆盖物分解动态来看，竹叶和稻草分解高峰处于3—10月，主要是由于气温回暖，微生物活性增强，分解速率随温度的升高而增加［25-26］。5月起稻草分解速率激增、质量损失率迅速提高可能是真菌作用所致，在5月采集稻草样品时发现有大量的白色菌类，表明土壤中的真菌深入稻草中，加速了稻草中木质素等难分解物质的分解［27］。受梅雨季节和夏季台风暴雨的影响，覆盖物的分解加速，到7月、8月，竹叶、稻草分解速率分别高达16.3%和19.1%。试验结果中，关于C、N、C/N的结果与前人研究结果一致:竹叶和稻草在分解过程中C含量随时间的推移而下降［28-29］，而N元素出现富集现象［28-32］。覆盖物分解过程中的N素富集可能还与大气N沉降［33］、微生物固持［20］和其他土壤生物的活动有关［28］。另外，稻草中N素的迅速增加可能还与上层竹叶分解后N素淋溶下渗有关。

3.2 分解残余物中Si含量及其与其他元素的关系

本试验中，覆盖物的分解残余物中Si含量出现相对富集，这与Si元素通常被结合在较难分解的物质中有关;而在分解末期竹叶分解残余物中Si含量较高，这可能是由于竹叶质量损失率较稻草大，而通常损失的这部分质量大多是易分解的糖、蛋白质、纤维素等一些类似的有机物被分解而引起的［34］，而Si含量的增加正是伴随着这些物质的分解，产生了含量上的相对富集，使竹叶分解残余物中Si含量高于稻草。残余物中Si含量与Al、Fe含量之间呈极显著的相关性，而与P含量之间无显著相关性。可能是因为Si与Al、Fe的生物分解系数比较接近，而与P相差较大［14］，在分解过程中损失缓慢，都表现为相对富集。

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