施肥与覆盖处理对雷竹林土壤养分化学计量特征及肥料贡献率的影响

苏 宇，刘 鸿，2，李贤伟*， 范 川，刘晟男，张小国，陈露蔓

（1.四川农业大学林学院，成都 611130；2.达州市达川区麻柳镇人民政府，四川 达州 635000）

雷竹（Phyllostachys praecox），为禾本科竹亚科刚竹属植物，是我国小径竹中的优良散生笋用竹种，因其具有笋品优、产量高和易管理等特点，已在我国南方多省得到规模化推广栽培[1]。现行的经营方式以施肥和覆盖为核心，利用平衡化施肥措施保证笋用林的地力及笋产量，通过有机物的覆盖增加土壤有效积温，打破笋芽休眠，调控出笋期，有效地早产促笋，提升经济效益[2-3]。但由于生产实践过程中的过量施肥或者覆盖不当，易造成肥饱和效应和肥毒害现象，诱发雷竹笋品质下降，并直接导致雷竹林提早退化[4-5]。林地土壤化学计量特征的研究不仅能够反映雷竹生长速度（C/N、C/P），表征营养元素对生产力的限制性作用（N/P），还可以揭示土壤内部 C、N、P的循环特征（C/N/P），进而反映出不同经营模式对雷竹林分地力的影响[6]。雷竹林土壤中C、N、P的耦合关系，明显受到地上部分归还量的影响[2]。林地覆盖会改变雷竹林土壤和立竹叶片的N、P化学计量特征，过度的林地经营措施会引起N、P养分失衡，增强P素对雷竹生长的限制作用，产生土壤的酸化与毒害，导致雷竹林退化[7]。本研究将探讨不同组合模式对雷竹林土壤养分化学计量特征，肥料贡献率，出笋情况的影响，并分析各指标间的相关关系，筛选出合理的培育方案，以期将成熟的组合模式在类似区域和相应竹种中推广应用，充分发挥雷竹笋用林的经济、社会与生态效益。

1 材料和方法

1.1 试验林概况

本试验地设置于雅安市雨城区草坝镇广华村雷竹林（E102°51′～103°12′，N29°57′～30°14′），其竹林密度为 12 000 株/hm2，竹龄为 1～5 a，胸径为 2.5～7.0 cm。供试土壤主要理化性质为pH 4.6，有机质含量 63.78 g/kg，全氮 2.3 g/kg，碱解氮 259.40 mg/kg，全磷 1.73 g/kg，速效磷 89.23 mg/kg。

1.2 试验设计与处理

选取生长情况相似、龄级结构合理、竹林密度一致的雷竹林，在田间平缓地段设置4 m×10 m的试验地。采用随机区组试验设计，每个处理重复3次，共设置36个样地。试验所用肥料有鸡粪、油枯、复合肥（N、P2O5、K2O的质量分数配比尽可能平衡为1∶1∶1）；覆盖材料为人工收集的稻草和谷壳。具体施肥量及覆盖厚度的随机区组试验设计见表1。

表1 雷竹林分施肥与覆盖组合模式随机区组表Table 1 Randomized block design of fertilization and mulching management technology of P.praecox

其中，为保肥效的良好表现，施肥采用定量多次撒施的方式，分3次进行，时间为2014年6月、9月和11月，施肥量依次占总量的35%、30%和35%。覆盖则在2014年12月10日进行，采用双层覆盖法，即下层为增温层（稻草），上层为保温层（谷壳）。待增温层覆盖完成3～5 d后，增温层自然压实，再进行保温层覆盖。

1.3 研究方法

1.3.1 样品采集与测定

土样采集于2015年4月雷竹出笋结束后。对雷竹竹鞭在土壤中的分布深度进行挖掘调查时发现90%的鞭根分布于5～30 cm的土层中。采样时，采用“S”形布点采样，去除表层的苔藓、枯枝落叶以及雷竹林地覆盖物后，用直径5 cm的土钻取0～30 cm土壤，混合去掉可见植物残根和粗石粒后，放入袋中及时带回实验室，置于阴凉通风处摊晾，风干后研磨，分别过100目筛，装入样品袋备用。有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法；全氮采用凯氏定氮法；全磷采用碱熔-钼锑抗比色法[8]。

1.3.2 雷竹出笋情况的调查

在出笋时节记录每个样地的出笋起止时间，计算每个样地的出笋量，并在土层5 cm处安置纽扣式温度计（DS1923），每2 h监测1次土壤温度。

用阶段性活动积温（Action TTS）[9]来计算出笋期的土壤积温，计算公式如下：

式中，ATTS为出笋期的土壤积温（℃）；n（i=1，2，3，…n）为出笋时长（d）；ai为当天的土壤均温（℃）；c为雷竹出笋的下限温度，根据资料[10]选取10℃。

1.3.3 林地肥料贡献率计算

基础地力产量（yield of basic soil productivity，BSPY，kg/hm2）=未经营区笋产量；

基础地力贡献率（contribution rate of basic soil productivity to yield，BSPCR，%）=未经营区笋产量/经营区笋产量；

肥料贡献率（fertilizer contribution rate，FCR，%）=（经营区笋产量-未经营区笋产量）/经营区笋产量。

1.4 数据处理与分析

每个处理重复3次，取3次实验的平均值±标准差。采用Microsoft Excel 2010对数据进行简单整理、统计分析及图表制作，Origin8.0作图，采用SPSS 20.0统计分析软件对数据进行单因素方差分析（One-way ANOVA）、双因素方差分析（Two-way ANOVA），采用LSD与Duncan法进行多重比较，最后采用Pearson相关系数进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 施肥与覆盖组合对雷竹林土壤养分化学计量特征的影响

雷竹林土壤中的C、N、P含量经线性与非线性方程拟合表明具有函数关系。其中C-N间的相关性最强（R2=0.532 8，P＜0.01），C-P 间（R2=0.475 8，P＜0.01），N-P 间（R2=0.418 7，P＜0.01）（见图 1～图 3）。C-N，P-C之间分别可以用线性方程进行拟合，而N-P之间的关系则是通过非线性的方程拟合度更高。

图1 雷竹林土壤C、N含量间的关系Figure 1 Linear relationships in soil C-N contents

图2 雷竹林土壤N、P含量间的关系Figure 2 Linear relationships in soil N-P contents

图3 雷竹林土壤C、P含量间的关系Figure 3 Non-linear relationships in soil C-P contents

由表2可知，对照的雷竹林地土壤C/N为3.36，变异系数（CV）为 11.57%；A1 系列经营中只有A1B2处理，C/N上升为 4.05，变异系数下降到8.78%，其余两组上升趋势不显著（P＞0.05）。A2 系列经营都使得雷竹林的C/N显著升高，A2B1为4.27（CV14.33%），A2B2 为 4.27（CV4.17%），A2B3 为 4.89（CV11.91%），A2B4 为 4.72（CV6.09%）。A3 系列组合模式和未经营A1B1模式比较变化并不显著。A3B1 林地土壤 C/P 为 3.40（CV2.03%），低于 A1B1雷竹林地，A1B2与A2系列模式C/P均表现出显著性的增加（P＜0.05）。土壤 N/P，与 A1B1 相比所有的组合模式均未表现出显著性的改变。

表2 不同组合模式下雷竹林地土壤化学计量特征Table 2 Chemical properties in intensively cultivated soils of P.praecox

雷竹林土壤中C、N、P元素之间的相关性会随着组合模式的改变而发生变化，在未经营的A1B1模式中土壤C、N元素呈现显著负相关（见表3），而随着覆盖与施肥组合模式的进行土壤元素含量间的相关性也发生了改变，其余模式下C-N-P未呈现显著相关关系。在A2B1处理后C-P呈现出显著正相关，A2B3处理后N-P则呈现出显著负相关关系。根据不同组合模式经营后雷竹林土壤生态化学计量特征影响的双因素方差分析可知，施肥与覆盖模式对土壤中的C、N、P元素皆呈现极显著的影响（P＜0.01），但两个因素的交互影响并不显著（见表4）。而对于C/N、C/P、N/P这3项土壤计量特征，仅施肥因素呈现极显著的影响（P＜0.01）。

表3 不同组合模式雷竹林土壤C、N、P之间的相关性Table 3 Effects of different intensive management technologies on soil chemical properties in P.praecox forests

表4 不同组合模式经营后雷竹林土壤生态化学计量特征影响的双因素方差分析Table 4 Soil physic-chemical properties in intensively cultivated soils of P.praecox by double factor variance analysis

2.2 雷竹林分肥料贡献率特征与土壤化学计量特征相关性的影响

根据基础地力产量（BSPY）等于未经营区的笋产量可知，本试验雷竹林地的基础地力产量为12.98×103kg/hm2。在进行不同组合模式经营后，基础地力贡献率（BSPCR）皆显著降低，在A2B3模式下为 54.07%，较未经营的 A1B1下降了 45.93%（图4）。3种施肥处理中覆盖模式均呈现出规律的变化趋势，BSPCR 表现为 B1＞B4＞B2＞B3。FCR 表现为B3＞B2＞B4＞B1，在 A2B3 表现最优（图 5）。

图4 不同组合模式基础地力贡献率Figure 4 Effects of different fertilization and mulching treatments on BSPCR

图5 不同组合模式肥料贡献率Figure 5 Effects of different fertilization and mulching treatments on FCR

C/N、C/P与N/P与其分子分母之间的相关性如表5，C/N与C呈现极显著的相关关系，与N相关性不显著；C/P与C呈极显著相关，与P含量不显著；N/P与P呈现极显著的负相关关系。此外，C/N与C/P呈极显著正相关，C/P与N/P呈显著正相关。BSPCR与土壤中C、N、P呈极显著负相关关系，FCR则与土壤中 C、N、P呈极显著正相关关系。且BSPCR与FCR皆不与土壤中C/N、C/P与N/P呈现显著的相关关系。

表5 雷竹林土壤化学计量特征与肥料贡献率的相关性Table 5 The correlation analysis between bamboo shooting and soil physicochemical properties and FCR

2.3 雷竹林出笋情况与肥料贡献率的相关性

由表6可知，在不同组合模式下的笋期长与笋期土壤有效积温（ATTS）呈现极显著正相关，鲜笋产量与笋期的土壤有效积温呈显著的正相关，但BSPCR则与鲜笋产量、ATTS呈极显著负相关。

表6 雷竹林笋期长、鲜笋产量、出笋期土壤有效积温与肥料贡献率的相关性Table 6 The correlation analysis between shoot-yield period，bamboo shooting，ATTS，BSPCR and FCR

2.4 不同施肥与覆盖组合模式下的雷竹林经济收益

雷竹林的经济收益在不同的施肥与覆盖组合模式下都有一定程度的提高，B1系列的收益较未经营A1B1模式仅增长13%～16%（见表7）。由于覆盖材料具有显著促早产能力，能够大幅度的提高雷竹笋的单价，因此随着覆盖与施肥双重经营的投入，经济收益随之升高，经济增益高达105%～205%。其中增益最高组合为A2B3。但过量的覆盖物投放会增加成本负担，一定程度上降低经济收益，故而B4系列的经济收益都低于同A组别的B3处理。

表7 不同经营模式下每公顷经济及收益表Table 7 Economy and income statement per hectare under different fertilization and mulching treatments

3 讨论

3.1 不同施肥与覆盖组合下雷竹林分土壤碳、氮、磷平衡状况

本研究将土壤养分的测定范围确定为雷竹鞭根系统主要分布的0～30 cm土层[11]，这可以更为直观地表现出雷竹林地上层土壤受到经营措施扰动后的养分异动特征，而且土壤C、N、P的生态化学计量特征对于揭示土壤养分的可获得性以及营养元素的平衡机制具有良好的指示作用[12]。通过本实验进行的C、N、P含量之间的拟合模型可以看出，N、P与C之间呈现线性相关关系。虽然土壤N-P呈现极显著的相关性，但由于N与P在雷竹林生态系统中一直处于流动的状态，其回归拟合并不是单纯的线性关系，而是表现为更复杂的非线性相关关系。

本研究中的未经营雷竹林地（A1B1）土壤C/N平均值（3.36）低于中国土壤 C/N 平均值（10～12），且低于浙江临安雷竹林土壤（7.21）[13]。但施用鸡粪（15 000 kg/hm2）+ 油枯（5 000 kg/hm2）后，C/N 显著增加（4.27）。以往的研究表明，土壤C-N间存在耦合关系，对于环境变化表现出同步性响应，比值一直处于相对稳定的状态，故林地的经营措施对于土壤C/N的影响并不显著[14-16]。同时，在土壤微生物的生长过程中，微生物会释放多余的N素养分，这一过程也会增加土壤N含量[17]。在本研究中随着组合模式的实施，伴随外加有机肥料和覆盖物的分解，会增加土壤有机质的含量，这个过程中虽然N素也有一定量的输入，但整体输入量低于C含量的增加，这就使得经营后的土壤C/N出现了一定程度的上升。

不同组合模式下雷竹林土壤化学计量特征的差异，反映了植株生长过程中所受的元素限制情况[18-19]。一般来说，P在林地中的吸收与存流量一直处于相对稳定的状态[20]，但在雷竹组合模式中，由于有机覆盖物与肥料的添加，特别是大于10 cm的B3、B4覆盖模式下，土壤中的P含量显著增加[21]。本研究中土壤N/P平均值（1.12），远低于全国均值（9.3），P与土壤N/P呈现极显著负相关，可见P在N/P的关系中处于主导地位，成为限制性的养分元素[22-23]，表现为显著的P限制。

3.2 不同施肥与覆盖组合模式的出笋情况与肥料贡献率

对于笋用竹林，外源有机质的输入可以保证林分的生长更新，补充土壤养分的消耗，提高经济效益。在本研究采用的组合模式中，覆盖模式能较好地提高笋期活动积温，促进笋芽分化，持水保肥。在覆盖后期，有机材料分解也有利于竹鞭系统的发育，使竹林有效孕鞭育笋。

在本实验设计的12种组合模式中，不同肥料使用类型的肥料利用率表现为：A2＞A3＞A1。人工添加肥料能增强竹林的碳同化能力，增加生物量的产出，其中由鸡粪+油枯混合有机肥料的添加，可以达到最高的肥料贡献率。在陈闻等[24]研究结果中同样表明，常规施肥的肥料农学利用率最低，N、P和K（鲜笋）农学利用率分别为 4.7、23.6 和 14.2 kg/kg；而且陈裴裴等[25]的研究也表明，有机肥的施入比无机肥料增产10%～15%。本研究中雷竹林的肥料利用率在不同的覆盖处理模式上表现为：B3＞B2＞B4＞B1。从每公顷的经济收益来看：A2＞A3＞A1；B3＞B2＞B4＞B1。综合起来，这 12种模式中 A2B3［（鸡粪（15 000 kg/hm2）+ 油枯（5 000 kg/hm2）+（稻草 15 cm+谷壳15 cm）］表现最优。在未进行经营的A1B1模式中C、N含量间呈现显著负相关，但随着外源养分的添加，这种关系逐渐被打破，在A2B3中，表现出N、P之间的显著负相关，形成了新的平衡模式。针对A、B两种系列处理模式C、N、P之间的相关分析发现，单一处理模式均表现为显著的相关关系，但施肥与覆盖经营组合模式并无显著的交互影响。化学计量特征之间的显著影响则仅表现在A系列上，即施肥处理。

肥料贡献率与土壤养分之间呈现极显著相关关系，这种关系并没有表达在土壤化学计量特征上，而是与出笋期的土壤有效积温显著相关。这是因为雷竹笋用林在休眠期前进行覆盖可以增加积温，从而激发笋芽分化，有效调控出笋时间。