不同施肥方式对毛竹林碳储量及土壤理化性质的影响

2018-09-04陈本学刘广路蔡春菊李雁冰

四川农业大学学报 2018年3期

陈本学，刘广路*，蔡春菊，李雁冰，2

（1.国际竹藤中心竹藤科学与技术重点实验室，北京 100102；2.周口师范学院，河南周口 466001）

森林生态系统的碳储量是研究森林生态系统与大气圈之间碳交换的基本参数，是反映生态系统生物生产力或能量转化效率的重要指标，在缓解气候变化、陆地生态系统循环中起重要作用[1-4]。森林生态系统的碳储量主要集中在土壤库中，土壤有机碳储量约是森林生态系统地上部的2～3倍，是陆地生态系统中最大的碳库[5-7]。竹林是我国南方重要的森林资源之一，根据第八次全国森林资源清查结果，森林面积中竹林601万hm2，约占全国森林面积的3%，碳储量占森林碳储量的比例超过10%[8]，竹林具有较好的固碳能力。在全球森林面积不断下降的背景下，竹林面积以3%的速度在递增，意味着竹林的碳汇不断增大[9]。毛竹（Phyllostachys edulis（Carr.）H.de Lehaie）是我国分布最广、面积最大的竹种，具有生长快、产量高、用途广的特点。毛竹林具有较高的社会和经济效益，且固碳能力强[10-11]。有研究表明集约经营毛竹林年固碳量是粗放经营的1.56倍，与杉木人工林、热带山地雨林和马尾松林相比，毛竹林具有更大的固定CO2的能力[12]。当前对竹林进行经营（林地除草、垦复、施肥、覆盖和灌溉等）是我国竹产区竹林培育的一种普遍作业方式[13]。施肥在显著提高毛竹林生产力的同时，会消耗土壤更多的有机质[14-15]，造成土壤碳储量的流失。当前，有关毛竹碳储量的研究主要集中在不同区域，不同混交模式对毛竹林生态系统碳分配、碳储量碳循环的影响等方面[16-21]，不同施肥方式对毛竹林系统碳储量的影响研究较少。

竹腔施肥通过竹腔注射肥料促进竹子生长，对林地的干扰较小；穴施专用肥通过在竹林挖穴施专用肥，对林地的扰动较大，开展两种施肥方式对竹林系统碳储量的影响研究可以为毛竹林固碳增汇经营模式的选择提供依据。本文以不施肥毛竹林为对照，系统研究竹腔施肥和穴施专用肥对毛竹林生物量和土壤碳储量的影响，以期为毛竹林固碳促进技术模式的选择提供依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验地位于四川省长宁县南部梅硐镇（28°15′18″～28°47′48″N，104°44′22″～105°03′30″E），梅硐镇是长宁竹海国家自然保护区的重要组成部分，是喀斯特地貌在我国发育最典型的地区之一，属中低山地貌，中亚热带湿润性季风气候，年平均气温18.3℃，平均降雨量1 141.7 mm，无霜期长达358 d，雨热同季，四季分明。主要土壤为山地黄壤、紫色土。竹林是当地最主要的森林类型，以毛竹、苦竹（Pleioblastus amarus）、硬头黄竹（Bambusa rigida）为主。试验地为毛竹纯林，样地平均胸径9.49 cm，平均株高14.71 m。

1.2 试验设计

1.2.1 样地设置

根据小班经营档案和资源分布情况，以穴施毛竹专用肥（Ⅰ）和毛竹竹腔施肥（Ⅱ）的竹林为研究对象，以不施肥毛竹林（Ⅲ）为对照，设置试验样地。每个样地面积为20 m×30 m，每种施肥类型3次重复，共9块样地，相邻样地之间设置≥3 m的缓冲带。其中，竹腔施肥方法参照王丹等的方法[22-23]，即对拟竹腔施肥的区组内目标母竹，在毛竹基部距地面8～10 cm处，用无绳电钻引孔，将毛竹增产剂原液（BNP，江西省林业科学院和江西省林业科技推广总站联合研制）与清水按1∶4比例配成稀释液，进行注射施肥，每株注射量为5mL，引孔用黄土封堵。穴施毛竹林施肥时间为取样前1年5月份施入，肥料为毛竹专用肥（总养分含量≥30%，N∶P2O5∶K2O=9∶5∶6），每株用量为 0.25 kg，水平距离竹蔸（20±5）cm 穴施，穴深度20～30 cm。试验样地施肥方式基本情况见表1。

1.2.2 土样采集与测定

取土样时间为施肥1年后的9月份，一次性取样。在每一标准地沿对角线布点，用环刀按5 cm一层在0～60 cm分层取样，测定土壤容重[24]22-24、孔隙度[24]22-24和持水性能[24]22-24，每20 cm土层数据取其平均值作为 0～20、20～40 和 40～60 cm 土层物理性质指标。再挖 5个土壤剖面，0～20、20～40和 40～60 cm从下至上分层取土，共取土壤样品135个。样品在室内风干研磨粉碎、过100目筛，然后装入保鲜袋待测定有机碳和全氮。土壤有机碳采用重铬酸钾-外加热法[24]106-108，全氮采用半微量凯氏法测定[24]75-77。各理化性质测定与计算参照中华人民共和国林业行业标准《森林土壤分析方法》[24]。

表1 长宁县试验样地施肥方式基本情况Table1 Brief description of the sample fertilization mode

1.2.3 毛竹林生物量与碳储量测定

毛竹生物量采用收获法：根据标准样地内每竹调查数据，按平均胸径每种施肥方式分别选取Ⅰ度（1a生）、Ⅱ度（3a生）、Ⅲ度（5a生）标准竹各2株，每种处理6株标准竹，共选取标准竹18株。采用竹蔸挖掘方式，分别称量竹秆、竹枝、竹叶、竹根、竹鞭质量，并选取部分样品，带回实验室测定含水率，以计算各部位生物量，并换算出单位面积的生物量。竹鞭生物量的测定采用挖掘法[25]。

毛竹碳储量计算[26-27]：毛竹不同器官的碳储量=毛竹不同器官生物量×碳密度，生物量与碳储量的转换系数为0.504 2。

土壤碳储量的计算[28]：土壤碳储量=土壤容重×采样深度×土壤碳含量×面积。

1.3 数据处理与统计分析

试验数据用Excel 2010软件进行基础整理和作图，用 Spss Statistics 20.0（IBM，USA）软件进行 ANOVA方差分析、多重比较（LSD）及相关性分析。对数据进行方差齐性levene检验，sig＞0.5时，用Duncan进行组间差异性显著检验分析；当方差非齐性时，用Tamhane进行组间差异显著性检验分析。采用Correlate中的Pearson相关系数评价各器官间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同施肥方式对毛竹林碳储量的影响

2.1.1 不同施肥方式对毛竹生物量的影响

由图1可知，不同施肥方式对竹株生物量影响程度不同。竹株生物量排序为穴施专用肥＞竹腔施肥＞不施肥，其中穴施专用肥的毛竹生物量与对照差异显著，而竹腔施肥与对照差异不显著。研究发现，短期内施用毛竹专用肥增加竹株生物量最明显，为16.97 t/hm2，较对照增加55.12%，；其次是竹腔施肥，生物量为15.73 t/hm2，较对照增加43.78%。由图2可知，施肥方式不同，毛竹生物量的分配格局不同。其中对照毛竹的生物量分配排列顺序为竹秆＞竹枝＞竹蔸＞竹鞭＞竹根＞竹叶；竹腔施肥的生物量排列顺序为竹秆＞竹枝＞竹蔸＞竹根＞竹鞭＞竹叶；穴施专用肥的生物量排列顺序为竹秆＞竹根＞竹鞭＞竹枝＞竹蔸＞竹叶。竹腔施肥可以增加竹秆、竹叶生物量比例，减少竹枝和鞭根系统生物量比例；穴施毛竹专用肥可以增加竹秆、竹叶、竹根生物量比例，减少竹枝、竹蔸、竹鞭生物量比例。未施肥、竹腔施肥、穴施专用肥3种施肥方式下器官竹秆生物量占比均达到总生物量的60%以上（分别为60.166%、63.284%和62.859%）。其中，穴施专用肥竹秆的生物量最高，与未施肥毛竹林竹秆相比达到显著水平。

图1 不同施肥方式对毛竹总生物量的影响Figure1 Total biomass in moso bamboo(Phyllostachys edulis)with fertilization mode

2.1.2 不同施肥方式土壤碳储量

由图3可知，不同施肥方式对土壤碳储量的影响不同。0～60 cm土壤碳储量的排序为Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ，竹腔施肥林地土壤碳储量为112.197 t/hm2，未施肥林地为71.447t/hm2，穴施毛竹专用肥林地为62.193 t/hm2，且穴施毛竹专用肥、竹腔施肥、未施肥土壤碳储量间的差异均达到显著水平（P＜0.05）。

2.1.3 不同施肥方式毛竹林碳储量

由图4可知，不同施肥方式下毛竹林系统碳储量变化较大，排列顺序为Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ。竹腔施肥模式下毛竹林碳储量最高，为144.757 t/hm2；竹腔施肥毛竹林系统碳储量显著高于穴施毛竹专用肥和未施肥模式（P＜0.05）。穴施毛竹专用肥与未施肥模式相比，对毛竹林系统碳储量的影响未达到显著水平（P＞0.05）。

图2 不同施肥方式对竹株器官生物量的影响Figure2 Biomass in moso bamboo(Phyllostachys edulis)organs with fertilization mode

图3 不同施肥方式对土壤碳储量的影响Figure3 Soil carbon storage with different fertilization modes

2.2 不同施肥方式对毛竹林土壤理化性质的影响

2.2.1 不同施肥方式土壤物理性质变化

图4 不同施肥方式对毛竹林总碳储量的影响Figure4 Total carbon storage of bamboo forest in different fertilizing modes

由表2可知，不同的施肥方式对土壤物理性质的影响较小。0～20 cm土层，穴施专用肥土壤容重（1.04 g/cm3）显著低于竹腔施肥（1.13 g/cm3）和未施肥（1.23 g/cm3）毛竹林地，竹腔施肥毛管孔隙度最高，达46.82%，显著高于未施肥和穴施专用肥模式，而非毛管孔隙度则是穴施专用肥显著高于未施肥和竹腔施肥模式，穴施专用肥和竹腔施肥总孔隙度均显著高于未施肥竹林地土壤；3种施肥模式下未造成土壤最大持水量、最小持水量和毛管持水量的显著变化。不同的施肥方式对20～40和40～60 cm层土壤物理性质的影响较小，除竹腔施肥非毛管孔隙度在20～40 cm显著低于穴施专用肥和未施肥林地外，其他物理性质未发生显著变化。

2.2.2 不同施肥方式土壤化学性质变化

由表3可知，施肥方式对土壤不同层次的化学性质影响程度不同。其中，对0～20 cm土层土壤化学性质的影响最为明显，随着土层的加深，影响程度降低。在0～20 cm土层，3种施肥方式下土壤有机质含量、全磷含量、全钾含量、有机碳含量之间的差异达到显著水平。竹腔施肥模式下土壤有机质含量（56.85 g/kg）最高，显著高于其他2种模式，全磷含量则在未施肥模式下最高，为0.63 g/kg，全钾含量在穴施专用肥模式下最高，为19.46 g/kg；20～40 cm土壤层穴施专用肥模式下有机质和有机碳含量较其他2种模式显著降低，其他化学性质的差异不显著；40～60 cm层土壤化学性质的差异均未达到显著水平。对土壤不同层次碳储量进行比较发现，3种施肥方式均以0～20 cm碳储量最高，随着土层深度增加碳储量逐渐减少。毛竹林土壤有机碳集中分布在表层土壤中，在同一生态系统中，土壤有机碳含量随土壤深度的增加而减少。

表2 不同施肥模式下土壤物理性质状况Table2 The soil physical properties with different fertilization modes

表3 不同施肥方式土壤化学性质Table3 The soil chemical properties with different fertilization modes

2.2.3 土壤理化因子对土壤碳储量的回归分析

对土壤理化性质进行主成分分析，土壤物理性质降维成X1和X2，累计方差达到93.561%，土壤化学性质降维成X3和X4，累计方差达到95.866%。根据土壤理化成分结构特征，可用土壤容重结构X1、土壤孔隙度X2、土壤全磷全钾含量X3、土壤有机碳含量X4来表达土壤理化性质变化情况。经线性回归分析（表4：PⅠ=0.000；PⅡ=0.019；PⅢ=0.004）可知，3种施肥模式下，土壤碳储量都与X2呈负相关关系。在穴施专用肥模式下，土壤有机碳含量（标准系数=-0.135）对土壤碳储量的影响小于土壤孔隙度（标准系数=-1.08）；在竹腔施肥模式下，土壤有机碳含量（标准系数=0.944）对土壤碳储量的影响大于土壤孔隙度（标准系数=0.069）；在不施肥模式下，土壤有机碳含量（标准系数=1.008）对土壤碳储量的影响远大于土壤孔隙度（标准系数=0.012）。由此可见，在土壤理化结构中，土壤碳储量的变化在3种模式下都是土壤物理性质和化学性质共同作用的结果。

3 讨论

3.1 施肥方式对毛竹林系统碳储量的影响

施肥方式对毛竹林系统碳储量的影响主要是通过植被生物量、土壤碳储量两个方面实现的。竹腔施肥和穴施专用肥均能显著提高植被的总生物量，施肥方式对土壤碳储量的影响则不同，竹腔施肥显著提升土壤碳储量，穴施专用肥降低土壤碳储量，本研究中竹腔施肥（112.197 t/hm2）模式下土壤碳储量最高，略高于刘应芳等[29]的研究结果。本研究结果表明，竹腔施肥方式下土壤碳储量占毛竹林生态系统碳储量比例达77.507%，试验进一步验证了在竹林系统碳储量中，土壤层是最大的有机碳库，这与范叶青等[30-31]的研究结论相一致，土壤层碳储量对整个生态系统的碳储量起决定性作用。

表4 不同施肥方式土壤理化性质对土壤碳储量的回归分析Table4 Regression analysis of soil physical and chemical properties on soil carbon reserves with different fertilization mode

3.2 施肥方式对毛竹林土壤理化性质的影响

竹腔施肥显著提高了毛竹林土壤碳储量，而穴施毛竹专用肥显著降低了毛竹林土壤碳储量。土壤扰动会降低土壤碳储量，进而降低该区域整体生态系统的碳汇能力，改变毛竹林生态系统的碳分配格局，与唐晓鹿等[32-33]研究结论相吻合。土壤物理性质方面，穴施毛竹专用肥显著降低土壤容重，而竹腔施肥对其无影响；对土壤养分元素来说竹腔施肥方式下土壤有机质含量（0～20 cm）显著高于其他2种方式，施肥对全磷和全钾有显著影响。土壤理化性质是区域内环境气候条件长期累积形成的结果，短期内施肥对土壤物理性质的影响较小，试验中土壤其他理化性质变化不明显。