枯饼、谷壳和水分对覆盖厚竹林土壤温度的影响

程慧娟，申 展，2，陈怡君，沈学桂，惠柳笛，龙芝润，黎祖尧，2

（1.江西农业大学，江西 南昌 330045；2.江西省竹子种质资源与利用重点实验室，江西 南昌 330045）

笋用林冬季覆盖促笋技术是通过对林地表面增施枯饼等能够分解发热的物质，并覆盖谷壳等保温材料，来提高土壤温度，打破竹子内源激素平衡，促使竹鞭上侧芽提早分化成笋芽及竹笋出土，从而使竹笋提早萌发，并延长出笋期，提高竹笋产量和效益[1-4]。覆盖材料、覆盖厚度和覆盖时间不同，增产效果不同[5-6]。但是，在笋用林覆盖过程中，大量鸡粪、枯饼等有机物质发热分解，改变了土壤理化性质，可诱发土壤衰退[7-9]，还会增加土壤温室气体排放[10-11]，甚至会出现土壤温度过高，产生高温胁迫，而烧死竹林的现象，给林农带来巨大的经济损失。所以，研究发热物质、保温材料、覆盖厚度及水分等因素及其互作关系对土壤温度的影响，探索发热物质用量少、增温时间长、保温效果好、CO2排量低的高效低碳覆盖模式，一直是土壤覆盖研究领域的重点内容。

厚竹Phyllostachys edulis‘Pachyloen’是江西特有的笋、材品质均优于毛竹P.edulis的毛竹变种，因其秆壁厚度是等径毛竹的1.8倍以上而得名[12-13]， 2017年被审定为国家级良种。厚竹发笋量大且大小年差异不明显[14]，竹笋营养丰富，品质高[15-16]， 且竹笋近实心，可食率高于雷竹和毛竹，作为优良笋用竹种推广前景非常广阔。毛达民等[17]的试验结果表明，毛竹笋用林覆盖可提高冬笋产量97%以上；朱志建等[18]经研究发现，毛竹笋用林须覆盖25 cm 以上才能达到较理想的增温效果，大量浇水能使土壤升温较快，但持续增温效果不理想。研究冬季覆盖过程中发热物质、保温材料和水分对厚竹笋用林土壤温度的影响，探索高效低碳笋用林覆盖模式，是实现厚竹笋用林高产高效的关键。本试验中通过调查不同枯饼（发热物质）用量、谷壳层（保温材料）厚度和覆盖前林地补水量处理下覆盖期土壤温度变化规律，研究覆盖因子及其互作对土壤温度的影响，旨在为进一步研究厚竹笋用林高效低碳覆盖模式提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江西省贵溪市鸿塘镇厚竹笋用林基地，地理位置117°14′24.26″E、28°17′44.91″N，海拔50 m。年均气温18.2 ℃，年均降水量1 850 mm， 气温偏高，光照充足，雨量丰沛，无霜期长，属亚热带季风湿润气候。试验地地势平坦，灌溉条件良好，土壤类型为红壤，土层深厚，微酸性。试验林分为2014年造林，生长状况良好，立地条件、竹林结构和抚育管理措施一致。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

采用3 因子3 水平正交试验设计。发热物质为枯饼（油菜籽榨油后的剩余物），施用量分别为3.0、4.5、6.0 t/hm2；保温材料为谷壳（稻谷碾米后的剩余物），覆盖厚度分别为15、25、 35 cm；覆盖前使用潜水泵抽水浇灌林地进行补水，林地补水量分别为灌溉至湿润土壤10、15、 20 cm。采用考虑交互作用的L27(913)正交表，确定每块试验样地的覆盖模式，共27 个处理，重复3 次。

1.2.2 样地设置

在试验林分中设置27 块面积为25 m2（5 m× 5 m）的试验样地，样地之间保留2 m 隔离带，根据试验设计确定各样地的覆盖因子和水平。每个样地划分为25 个1 m×1 m 的正方形样方，选择正中央、东南角和西北角3 个样方（3 个重复）作为温度观测样方。

1.2.3 覆盖及温度测量

2018年12月2日，覆盖前对样地灌溉补水，在选定调查样方的0、10、20 cm 土层埋置玻璃棒水银地温计（精度为0.1 ℃），然后均匀撒施发热物质并覆盖谷壳。从2018年12月1日（竹林覆盖前）起，直至2019年3月16日，每周六中午观测并记录所有调查样方中不同土层的土壤温度。若地温计破损、断裂或水银缺失，及时更换新的地温计并重新测量土壤温度。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2007 和SPASS 22.0 软件进行统计分析和图表制作。

2 结果与分析

2.1 厚竹笋用林覆盖期土壤温度变化规律

覆盖期27 个厚竹笋用林样地不同土层温度的变化规律如图1 所示。从图1 可以看出，整个覆盖期0、10 和20 cm 土层的土壤温度变化规律均表现为覆盖后前2 周温度快速上升，第3 ～5 周温度较高，第6 周温度快速下降，第7 ～12 周温度变化幅度小，第13 周（翌年2月底）土壤温度最低，之后又开始上升。覆盖初期，枯饼发酵分解，受微生物种群扩繁和温度升高的双重影响，微生物分解活动加快[19]，大量热能被释放，土壤温度快速升高；第3 ～5 周，微生物分解活动达到顶峰，土壤温度也较高；第6 周开始，由于大量枯饼已被分解，微生物活动减弱，枯饼释放热量减少，加上气温下降，土壤温度也随之下降；第7 ～12 周，枯饼分解发热量少，增温效果不显著，但因为有谷壳的保温作用，土壤温度稳定在14 ℃左右；翌年3月，随着气温回升，土壤温度又开始上升。

图1 厚竹笋用林覆盖期内各土层温度的变化Fig.1 Variation of average temperature in different soil layers during mulching on P.edulis ‘Pachyloen’ bamboo forest

2.2 厚竹笋用林覆盖期各覆盖因子对土壤温度的影响

2.2.1 枯饼用量对土壤温度的影响

在厚竹笋用林覆盖过程中，枯饼作为发热物质，其发酵分解时释放的热量是土壤温度升高的热量来源，对覆盖期土壤温度变化影响较大。覆盖期不同枯饼施用量水平下不同土层土壤温度的动态变化如图2所示。从图2可以看出，不同枯饼施用量条件下，0、10、20 cm 土层土壤温度的变化规律基本一致，但枯饼施用量不同，土壤温度的峰值、峰值出现时间及变化速度均有所不同。不同枯饼施用量处理间温度的差异主要出现在覆盖后第2 ～4 周高温期，枯饼施用量多，土壤温度峰值高，后期温度较低。枯饼施用量少，前期发热量小，土壤温度较低，低温抑制了微生物的活动，影响了枯饼的进一步分解发热，致使土壤高温期温度较低；枯饼施用量太多，高温期温度较高，微生物的扩繁和分解活动旺盛，前期枯饼分解速度快，致使后期未分解的枯饼量少，土壤温度较低。

2.2.2 谷壳层厚度对土壤温度的影响

覆盖期不同谷壳覆盖厚度条件下不同土层土壤温度的动态变化如图3 所示。从图3 可以看出，谷壳层越厚，各土层土壤温度越高。原因是谷壳保温层越厚，保温效果越好，其阻止土壤中热量散失的能力越强，土壤中保留的枯饼发酵释放的热量越多，土壤温度越高。谷壳层厚度为15 cm 时，地表温度在覆盖1 周后出现下降，可能是因为气温骤然下降（1 周内最高气温从22 ℃下降到5 ℃，最低气温从14 ℃下降到2 ℃），土壤温度和大气温度差异大，热量散失多，说明谷壳覆盖层厚度达到25 cm 以上才能有效降低大气低温对土壤温度的影响，使土壤温度保持在一个相对稳定的区间，从而有利于厚竹笋芽的提早分化和竹笋出土，这与朱志建等[18]的研究结果一致。

2.2.3 覆盖前林地补水对土壤温度的影响

覆盖期不同林地补水量条件下不同土层土壤的温度变化如图4 所示。从图4 可以看出，覆盖前进行林地补水对土壤温度的影响相对较小，不同补水量处理间土壤温度在覆盖后第2 ～4 周有一定差异。补水量少，前期升温快，出现温度峰值的时间早，降温时间也较早；补水量多，温度峰值推后，降温时间也推后。

2.3 厚竹笋用林覆盖期影响土壤温度的主导因子

覆盖期土壤温度峰值对竹笋萌发的影响非常大。高温峰值过低，不利于笋芽和鞭芽打破休眠，无法达到促进竹笋萌发的目的；高温峰值过高，易形成高温胁迫，烧伤笋芽、鞭芽和鞭根，反而抑制竹笋萌发。枯饼施用量、谷壳层厚度和覆盖前林地补水量及其交互作用对不同土层土壤高温峰值的影响见表1。由表1 可知，根据冬季覆盖过程中对厚竹笋用林土壤高温峰值的影响由大到小排序，各因子依次为谷壳层厚度、枯饼用量、林地补水量。其中，谷壳层厚度对土壤温度的影响极显著（P＜0.01），枯饼施用量及其与谷壳层厚度的交互作用对土壤温度的影响显著（P＜0.05）。说明保温层厚度和发热物质施用量是影响土壤温度的主要因子，其中保温层厚度是首要因素。

图2 不同枯饼施用量条件下厚竹笋用林土壤温度的变化Fig.2 Soil temperature variation of different oil cake quantities in P.edulis ‘Pachyloen’ bamboo forest

图3 不同覆盖厚度条件下厚竹笋用林土壤温度的变化Fig.3 Soil temperature variation of different mulching thicknesses in P.edulis ‘Pachyloen’ bamboo forest

进一步分析覆盖期内枯饼施用量和谷壳层厚度及其交互作用对土壤温度的动态影响，结果见表2。由表2 可知，谷壳层厚度在整个覆盖期间对土壤温度的影响均达到极显著程度（P＜0.01），枯饼用量仅在覆盖后的第2 周和覆盖期即将结束时（3月中旬）对土壤温度的影响显著（P＜0.05）；从覆盖后的第2 周开始枯饼用量和谷壳层厚度之间的交互作用对土壤温度的影响显著，土层越深，产生显著影响的时间越长。原因是覆盖期内气温低，土壤温度和大气温度差异大，阻止土壤热量向大气散失，对土壤温度的影响极大，谷壳层厚，保温效果好，土壤温度高；覆盖初期枯饼发酵分解释放热量多，对土壤温度的影响大，随着枯饼的不断分解，发热量降低，对土壤温度的影响变得不显著；翌年3月中旬气温升高，土壤温度与大气温度差异小，谷壳的保温作用不明显，枯饼发热量对土壤温度的影响作用又突显出来。

图4 不同林地补水量条件下厚竹笋用林土壤温度的变化Fig.4 Soil temperature variation of different water recharges in P.edulis ‘Pachyloen’ bamboo forest

表1 不同覆盖因子对厚竹笋用林土壤温度的影响Table 1 Effects of different mulching factors on soil temperature of P.edulis ‘Pachyloen’ bamboo forest

2.4 厚竹笋用林覆盖期土壤温度主导影响因子的增温效果

相同谷壳覆盖厚度条件下，不同枯饼用量处理中各土层土壤的温度峰值如图5 所示。从图5可以看出，当谷壳层厚度为15 cm 时，土壤最高温度为18.22 ℃，随着土层的加深，土壤温度逐渐升高，不同枯饼用量间各土层土壤温度峰值的差异均不显著（图5A）。谷壳层厚度为25 cm 时，土壤最高温度为22.99 ℃，各土层均表现为枯饼施用6.0 t/hm2处理的土壤温度峰值最高，枯饼施用3.0 t/hm2处理的最低，但差异未达到显著水平（图5B）。当谷壳层厚度达到35 cm 时，土壤最高温度达28.8 ℃，随着土层的加深，土壤温度有所降低，各土层均表现为枯饼施用4.5 和6.0 t/hm2处理的土壤温度峰值显著高于枯饼施用3.0 t/hm2处理（P＜0.05），枯饼施用4.5 和6.0 t/hm2处理间温度峰值差异不显著（图5C）。

相同枯饼施用量条件下，不同谷壳覆盖厚度处理间各土层土壤的温度峰值如图6 所示。由图6可以看出，3 种枯饼施用量条件下，各土层均表现为谷壳覆盖厚度35 cm 处理的温度峰值最高，谷壳覆盖厚度15 cm 处理的温度峰值最低，土壤温度随着谷壳层厚度的增加而显著升高（P＜0.05），与方差分析的结果一致。同一枯饼施用量条件下，各土层间温度峰值的差异不大，进一步说明谷壳层厚度对土壤增温影响显著。

表2 不同时期主要覆盖因子对厚竹笋用林土壤温度的影响†Table 2 Effects of major mulching factors on soil temperature during different periods of P.edulis ‘Pachyloen’ bamboo forest

图5 不同枯饼施用量条件下厚竹笋用林土壤增温效果的比较Fig.5 Comparison of warming soil effects of different oil cakes quantity on P.edulis ‘Pachyloen’ bamboo forest

图6 不同覆盖厚度条件下厚竹笋用林土壤增温效果的比较Fig.6 Comparison of different mulching thicknesses effects on raising soil temperature of P.edulis ‘Pachyloen’ bamboo forest

3 结论与讨论

在冬季覆盖期，厚竹笋用林土壤温度变化规律为前2 周快速升高，第3 ～5 周温度较高，第6周快速下降，第13 周（翌年2月底）温度最低，之后缓慢上升。枯饼（发热物质）用量和谷壳层（保温材料）厚度对土壤温度有显著影响。其中，谷壳层厚度是影响土壤温度的首要因素，谷壳层越厚，土壤温度越高。枯饼是提高土壤温度的动力，对土壤温度的变化产生显著影响，但要有适宜厚度的谷壳保温层配合才能保证其增温效果。覆盖前进行林地补水对土壤的升温速度和温度峰值出现的时间有一定影响。

土壤温度随覆盖材料、覆盖方式、土壤水分等的改变而变化[20]。笋用林冬季覆盖后，通过真菌、细菌、放线菌等微生物分解发热物质释放热能，利用谷壳等保温层有效阻碍空气与林地土壤间的水热交换，从而提高土壤温度[21]，促进笋芽分化和萌发。本研究结果表明，发热物质（枯饼）和保温材料（谷壳）是影响土壤温度的主要因子，水分对土壤温度的影响相对较小。发热物质（枯饼）是笋用林覆盖期间土壤升温的动力，决定土壤温度的动态变化规律，但要有适宜厚度的谷壳保温层配合才能保证其增温效果。枯饼用量少，释放热量少，土壤温度低；枯饼用量过多，并且谷壳覆盖层较厚时，前期土壤升温快，温度高，较高的土壤温度促进微生物活动，使大量枯饼快速分解，造成后期发热量偏低，从而出现枯饼用量过多的样地在覆盖后期土壤温度反而较低的现象。谷壳覆盖厚度是影响土壤温度的首要因子。当谷壳覆盖层较薄时，因为保温效果差，枯饼发酵分解释放的热量散失快，土壤升温速度慢，温度较低，不利于土壤微生物活动，枯饼分解发酵速度慢，减少了发热量，土壤温度低。谷壳覆盖层越厚，保温效果越好，土壤温度越高。另外，土壤具有一定的保温作用，土壤中根系和竹笋生长代谢会产生部分热量，所以，当谷壳覆盖层较薄（＜15 cm） 时，深层土壤温度高于表层土壤温度；当厚度达到35 cm 时，谷壳保温层能有效隔绝大气温度对土壤温度的影响，阻碍枯饼发酵分解释放的热量向大气散失，表层土壤温度高，由于土壤的导热性能差，随着土层的加深，土壤温度降低。

覆盖前进行林地补水对土壤温度峰值的影响不明显，但会影响土壤的升温速度和温度峰值出现的时间。其原因可能是水分比空气热容量大，覆盖前林地补水量越多，提高土壤温度所需的热量越多，土壤升温速度慢，温度峰值出现时间推后，当土壤温度下降时，因为水分释放热量多，可以延缓土壤温度的下降速度。另外，由于林地表面覆盖了谷壳保温层，覆盖期内自然降水无法到达土壤层，也无法对林地进行灌溉，土壤水分得不到补充，而竹笋萌发和生长需要充足的水分，覆盖前进行林地补水可能对竹笋产量和品质产生影响。

不同竹种的笋芽分化和竹笋出土温度不同，本试验中主要探讨了枯饼用量、谷壳保温层厚度和覆盖前林地补水量对土壤温度变化的影响，关于不同笋用竹种的高效低碳覆盖模式和覆盖方法有待深入研究。