生物有机肥对毛竹林笋竹生长及土壤养分的影响

郑 蓉 王祥华 陈建兴 杨 杰 林振清 黄少华 温晓芸

(1 福建省林业科学研究院 福州 350012；2 建瓯市房道林业站 福建建瓯 353105；3 建瓯市林业局 福建建瓯 353100；4 建瓯市林业技术推广中心 福建建瓯 353100)

毛竹(Phyllostachys edulis) 为禾本科竹亚科刚竹属植物,是中国分布最广、蓄积量最大、用途最为广泛的重要经济竹种[1]。作为重要的森林资源,毛竹生长迅速、经济价值高、生态效益佳,在建材、食品、造纸、轻工等各行业都有着广泛应用,新技术、新产品正不断涌现[2]。未来“以竹代木”“以竹代塑”的发展潜力巨大,市场前景广阔。随着社会经济的快速发展,各地竹林经营管理技术日臻完善,在林地营养管理、林分结构调控、定向培育技术等方面取得长足进步[3]；与此同时,各地竹林经营也面临着劳动力成本上升、规模化经营程度不高、科技创新能力不足、产业效益不显著等现实问题[4]。在毛竹产区,传统而分散式的经营方式已不能满足当今竹产业多元化需求,为达到竹林持续增产而过度依赖化学品投入,特别是大量施用化肥,导致土壤酸化、竹笋质量下降、竹林经营的物化成本和要素成本投入不断提高等矛盾日益突出[5－7]。迫切需要基于环境友好、笋竹质量精准提升的经营措施,以整体提升竹林经营水平和规范竹农管理意识,实现笋竹增产、增效、优质、环保的目标。本研究依托毛竹笋竹两用丰产林标准化培育示范区建设工作,实施竹林结构管理、土壤抚育除草、水分管理、科学施肥、竹笋采收等关键技术措施,取得了良好效果。在科学施肥措施中,开展了毛竹林施用生物有机肥对笋竹生长及土壤养分的影响研究,探讨生物有机肥对竹笋质量及环境土壤的安全性,旨在为毛竹林的标准化可持续经营和综合效益提升提供理论依据和技术指导。

1 研究区概况

研究区位于福建省建瓯市房道镇埂尾村和吴大元村,中亚热带海洋性季风气候,四季分明,雨量充沛,春夏多雨,秋冬干燥,年平均气温14～20 ℃,极端低温－7.3 ℃,极端高温41.4 ℃。日照时数1 813 h。无霜期280 d 左右。年平均降雨量1 600～1 800 mm。土壤以花岗岩发育而成的山地红壤,土层厚度100 cm 以上,平均坡度10°～25°。立地等级II 级。地带性森林植被类型为亚热带常绿阔叶林,植物种类繁多。

研究区所在小班面积36.4 hm2,其中埂尾村25.1 hm2(以下简称埂尾区)、吴大元村11.3 hm2(以下简称吴大元区)。区域内竹林以笋材两用为经营目标,前期管理方式较传统,竹林结构较不合理,老竹偏多,竹林大小年明显,主要采用人工劈草松土、施复合肥或化肥等经验式管理,林分内保留一些伴生阔叶树种,如鹿角栲(Castanopsis lamontii)、猴欢喜(Sloanea sinensis)、木荷(Schima superba)、福建含笑 (Michelia fujianensis) 等。经调查,埂尾区平均立竹密度200 株/667 m2,平均胸径9.6 cm,平均竹高14.2 m,每度(2 年) 产笋4.8 t/hm2、产竹材12 t/hm2；吴大元区竹林平均立竹密度210 株/667 m2,平均胸径9.5 cm,平均竹高13.5 m,每度产笋4.65 t/hm2、产竹材12 t/hm2。

2 研究内容与方法

2.1 材料选择

在研究区内选择立地级条件相对一致的毛竹林分为研究对象,设置标准样地和对照样地,其中埂尾区6 个、吴大元区3 个、对照区3 个(位于埂尾区),共12 个样地,每个样地面积20 m ×20 m,样地之间保持10 m 以上隔离带,做好固定样地编号标识。

2.2 研究方法

根据研究区土壤基础养分状况和当地施肥经验,设置3 个施肥处理区(埂尾区、吴大元区、常规施肥区) 和1 个无施肥对照区,每个处理3次重复。埂尾区和吴大元区施用生物有机肥1 500 kg/hm2,常规施肥区按当地经验施用复合肥600 kg/hm2,无施肥对照区仅劈草抚育管理不施肥,共计12 块样地。施用的生物有机肥,有机质≥40%,有效活菌数≥0.20 亿/g,含水量≤30%,总养分(N ＋P2O5＋K2O) ≥5.0%,品牌“禾丰康田”,生产厂家武汉新禾丰农化资料有限公司；施用的复合肥,N ∶P2O5∶K2O ＝16 ∶16 ∶16,总养分≥48%,品牌“阿康”,生产厂家俄罗斯ACRON 公司。

2020—2021 年每年施用生物有机肥1 次,在7 月结合除草松土开沟施入土壤后覆土,沟距2～3 m、沟深25 cm、沟宽25 cm；常规施复合肥于每年7 月,采取立竹坡上方50 cm 处挖穴施入,每穴施0.25 kg,施肥株数2 400 株/hm2。竹林采取毛竹丰产培育标准化管理(林地劈草松土、结构调整、水分管理、竹笋采收和病虫害防治等),主要技术措施参照福建省毛竹丰产栽培技术规程(DB35/T 1194—2011)。

2.3 样地调查

2.3.1 笋竹生长调查

2019 年调查标准样地竹林基本情况,包括竹高、胸径、年龄、枝下高、冠幅等指标。2020—2021 年每年进行笋竹生长调查,包括出笋成竹情况、冬笋采收量、春笋采收量、新竹胸径、新竹数等,同时记录竹林抚育管理情况。新竹产量的测算根据公式W＝0.0736D2.5091,式中W为竹秆质量(kg),D为胸径(cm)。

2.3.2 土壤化学性质测定

在每块标准样地中采用随机5 点混合取土样法,取土深度30 cm,每样地取一个混合样品1.0 kg左右带回实验室,自然风干后研磨过筛测定土壤主要养分和重金属元素含量。测定方法:pH 值采用电位测定法；有机质采用高温外热重铬酸钾氧化法；碱解氮采用碱解－扩散法；有效磷采用盐酸－氟化铵浸提钼锑抗比色法；速效钾采用乙酸铵浸提原子吸收分光光度法；全氮采用自动定氮仪法；镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铅(Pb)、铬(Cr)、铜(Cu) 等元素采取电感耦合等离子体质谱法。

2.3.3 竹笋养分及元素测定

出笋盛期在每块标准样地内选挖3 根春笋,用四分法混合选取可食部分作为测试样品,部分样品制成匀浆测定重金属元素含量,部分样品置105 ℃烘箱杀青15 min,再于60～70 ℃恒温干燥至恒重,称重后测定竹笋营养成分。测定方法:铅、铬、镉采用电感耦合等离子体质谱法；汞、总砷采用原子荧光法；氨基酸采取茚三酮比色法；粗蛋白采用凯氏定氮法；粗脂肪采用索氏提取法；可溶性糖采用蒽酮比色法。

2.4 统计分析

用Excel 2010 计算竹林调查值和养分测定值的平均值、标准误差等描述性数值,用SPSS19.0进行方差分析和多重比较。

3 结果与分析

3.1 生物有机肥对新竹生长的影响

生物有机肥施用前后新竹生长各指标的调查统计结果见表1。

表1 生物有机肥施用前后新竹生长对比Tab.1 Comparison of bamboo growth before and after application of bio-organic fertilizer

3.1.1 有机肥对成竹率的影响

竹林施肥能够显著提高竹林的成竹数量。由表1 可知,竹林施用生物有机肥后,埂尾区、吴大元区的新竹成竹率比对照区(未施肥、有抚育管理) 明显提高,成竹率分别达75.5%、70.8%,是对照的1.97、1.84 倍,成竹数量远多于未施肥竹林。方差分析表明,施肥对成竹率影响达极显著水平,使用有机肥和科学管理明显增加成竹株数。

3.1.2 有机肥对新竹胸径的影响

研究指出,新竹胸径增长反映出竹林生长质量[8]。由表1 可知,埂尾区、吴大元区的新竹平均胸径增长量分别为1.0、0.6 cm,分别比对照区(未施肥) 增加9.4%、6.3%。施用有机肥改善了竹林生长环境条件,在一定程度上提高了新竹胸径生长量。

3.1.3 有机肥对新竹数及新竹产量的影响

施肥可显著地提高毛竹叶片光合性能,增强土壤有效养分供应能力,从而提高新竹数量[9]。由表1 可知,施用生物有机肥的埂尾区、吴大元区新竹数量和新竹产量明显提高。其中,2 个处理区的新竹数量分别为62、60 株/667 m2,是对照区的(36 株/667 m2) 1.72 倍、1.67 倍；新竹产量分别达1 651.89、1 450.16 kg/667 m2,是对照区的(746.16 kg/667 m2) 2.21 倍、1.94 倍,即施用有机肥比不施肥新竹产量翻了一番,生物有机肥有效地提高了当地竹林生产力。经方差分析和多重比较表明,施肥区(埂尾区、吴大元区) 与未施肥区之间的新竹数差异达极显著水平,F＝17.852＞F0.01(2,6) ＝10.925,新竹产量差异也达极显著水平,F＝15.376＞F0.01(2,6)＝10.925。

3.2 生物有机肥对竹笋产量的影响

随着毛竹林集约经营水平的提高,施肥成为竹林丰产稳产的重要措施之一。由表2 可知,2个研究区域施用生物有机肥和竹林管护后,毛竹每度(2 年) 的冬笋平均产量为131.4 kg/667 m2,春笋产量为321.0 kg/667 m2,竹笋总产量(452.4 kg/667 m2) 比常规施肥毛竹林 (351.0 kg/667 m2) 增加了28.9%,竹笋增产效果明显。其中,埂尾区和吴大元区的平均竹笋产量分别为458.7、445.9 kg/667 m2,比同期对照竹林(施用复合肥) 产量增加了30.7%、27.0%；埂尾区冬笋和春笋产量是对照区的1.44 倍、1.26 倍,以冬笋增产明显,而吴大元区冬笋、春笋产量是对照区的1.26 倍、1.28 倍,冬、春笋增产差异不明显。

比较施肥前、后竹笋产量变化表明(表2),埂尾区在加强竹林管理和施用生物有机肥后,笋产量比施肥前(平均产量320.5 kg/667 m2) 增产了138.2 kg/667 m2,增长率为43.1%；吴大元区施肥管理后的笋产量比施肥前(平均产量318.0 kg/667 m2) 增加了127.9 kg/667 m2,增长率为40.2%。此外,常规施肥区实行当地经验式管理,采用株穴施用高养分复合肥(40 kg/667 m2,氮磷钾养分含量≥45%) 和劈草抚育措施,竹笋产量较施肥之前增长了16.3%。方差分析表明,施肥前竹林笋产量(冬笋、春笋) 差异不显著,施肥后冬笋、春笋、总产量均达极显著差异水平,对应F值分别为11.466、23.253、24.068；经多重比较分析,埂尾区、吴大元区竹笋产量与常规施肥区之间具有极显著差异。由此说明,在当前立地条件下,施肥可促进竹笋增产,生物有机肥对冬春笋的增产效果优于复合肥。

表2 生物有机肥施用前后笋产量对比Tab.2 Comparison of bamboo shoot yield before and after application of bio-organic fertilizer

3.3 生物有机肥对竹林土壤的影响

3.3.1 竹林土壤主要养分变化

土壤养分状况是影响毛竹林生产力的基础,表3 为样地土壤主要养分含量的测定分析结果。由表3 可知,研究区竹林开展施肥及配套管理措施后,土壤pH 值增高,为5.23～5.29,平均增长率分别为12.5% (埂尾区)、8.2% (吴大元区)；除吴大元区样地的有机质含量有所下降以外,其他样地有机质、碱解氮、有效磷、速效钾和全氮等主要养分含量的增长率为1.8%～38.4%,以碱解氮和速效钾含量增加较明显。在不同施肥区域,碱解氮增长率达38.4% (埂尾区)、31.9% (吴大元区),速效钾增长率达35.7% (埂尾区)、24.3% (吴大元区),而有效磷增长率差异较大,这与竹林土壤属南方山地红壤,土壤磷素易淋失、含量普遍偏低有关。由此分析,经过2 年的竹林管理和科学施肥,土壤酸化情况有缓解,土壤氮素、钾素供应能力明显提高,这为毛竹林的整体质量精准提升提供了良好的基础保障。

表3 生物有机肥施用前后土壤养分对比Tab.3 Comparison of soil nutrients before and after application of bio-organic fertilizer

3.3.2 示范区土壤污染风险元素变化

对研究区样地土壤的污染风险安全性相关指标测定分析表明(表4),毛竹林土壤pH 值范围为4.65～5.29,参照《农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018) 中土壤pH 值≤5.5 所对应的土壤质量标准限量值进行比较分析。由表4 可知,竹林土壤各项污染风险项目的平均值均未超过土壤污染风险筛选值,属于生产安全环境条件。分析生物有机肥施用前后各元素在土壤中含量多少,施用前土壤的重金属及砷、汞含量多少排序为Pb＞Cr＞Cu＞As＞Cd ＝Hg (埂尾区)、Pb＞Cr＞Cu＞As＞Cd＞Hg (吴大元区),施用后2 个处理区的土壤重金属含量及砷、汞含量排序均为Pb＞Cu＞Cr＞As＞Hg＞Cd；比较施用前后各元素含量变化情况,埂尾区在施用后铅、铬元素分别下降了10.5%、38.8%,吴大元区在施用后土壤的铅、铬、镉分别下降了14.9%、25.2%、31.8%,其他元素则有所增长,但所有土壤的污染风险项目测定值均为合格值。因此,竹林施用生物有机肥对土壤污染影响程度低,在一定程度上对铅、铬、镉含量影响明显,表现负增长效应,可有效保障竹林土壤质量安全。

表4 生物有机肥施用前后土壤污染风险指标对比Tab.4 Comparison of soil pollution risk indexes before and after application of bio-organic fertilizer

3.4 生物有机肥对竹笋品质的影响

3.4.1 竹笋主要养分变化

测定分析了生物有机肥研究区毛竹春笋的主要养分含量变化情况(表5),由表5 可知,竹林实施标准化管理后,竹笋主要养分含量均有所改善。其中,可溶性糖干基含量平均增长率为1.3% (埂尾区)、26.1% (吴大元区),粗蛋白干基含量平均增长率为4.5% (埂尾区)、16.9% (吴大元区)；而粗脂肪、氨基酸干基含量呈现下降趋势,分别降低了23.7%、3.5% (埂尾区)、32.1%、4.1% (吴大元区)。研究指出,可溶性糖是竹笋品质的主要营养物质,也是决定其风味的主要物质[10],而蛋白质是竹笋最重要的营养成分,是竹笋食品的评判标志[11],本研究区施用生物有机肥对毛竹春笋的可溶性糖、粗蛋白含量具有一定促进作用,增强了竹笋的适口性和营养价值。

表5 生物有机肥施用前后竹笋养分指标对比Tab.5 Comparison of bamboo shoot nutrient indexes before and after application of bio-organic fertilizer

3.4.2 竹笋质量安全性变化分析

对样地春笋测定分析了食品质量安全性相关指标(表6)。由表6 可知,对照《食品中污染物限量》(GB 2762—2017) 的规定,竹笋各项重金属元素鲜基含量平均值未超过限量值。其中,铅、铬、总砷含量呈现下降趋势,镉含量有所上升,汞元素含量处于低水平,基本保持不变。因此,竹笋质量安全状况良好,均为合格竹笋产品。

表6 生物有机肥实施前后竹笋质量安全指标对比Tab.6 Comparison of bamboo shoot safety indexes before and after application of bio-organic fertilizer

4 小结与讨论

毛竹在生长过程中,需要从土壤中吸收许多种化学元素作为营养,通过光合作用制造碳水化合物来供应生长,特别是在毛竹林集约经营时,笋竹生长对养分的需求量较高,科学施肥成为竹林培育丰产的重要技术措施。传统施肥根据以往用肥经验施入大量氮磷钾肥,却忽略了长期施用化肥,养分单一所造成的土壤养分失衡问题。本研究按照化肥减量使用原则[12],根据研究区良好土壤条件和竹笋安全生产要求,在前期土壤养分测试分析的基础上,施肥选用以植物源有机质制成的生物有机肥料,在增加土壤有机养料的同时,可提高土壤pH 值至5.23～5.29,解决因施化肥带入土壤酸化和外源污染的风险,土壤各项污染风险指标的平均值均未超过污染风险筛选值；而且增加了土壤微生物活性[13],增强土壤有效养分供应能力,以碱解氮和速效钾含量增加明显,碱解氮增长率达38.4% (埂尾区)、31.9% (吴大元区),速效钾增长率达35.7% (埂尾区)、24.3%(吴大元区),土壤生态环境也得到明显改善。此外,生物有机肥采用沿水平等高线开沟方式施肥,施入后覆土,水平沟距2～3 m,起到林地除草清杂作用,减少竹林过度垦复造成的水土流失和养分流失问题,更利于竹林发笋成竹[14]。

本研究表明,连续施用2 年生物有机肥后明显增加了研究区毛竹新竹、冬笋和春笋的产量。埂尾区、吴大元区的新竹产量是对照(不施肥)的2.21 倍、1.94 倍,有效提高了竹林生产能力；在当前立地条件下,生物有机肥对冬、春笋的增产效果优于复合肥,2 个施肥处理区的竹笋总产量(452.5 kg/667 m2) 比同期一般经营毛竹林(351.0 kg/667 m2) 增加了28.9%。针对前期使用化肥的竹林而言,2 个施肥处理区实施标准化管理和施用有机肥后的竹笋增产效果亦明显,埂尾区增产138.2 kg/667 m2,吴大元区增产127.9 kg/667 m2,增长率分别为43.1%、40.2%。对研究区竹笋养分和质量安全性研究表明,施肥管理促进了竹笋粗蛋白和可溶性糖含量提高、粗脂肪含量降低,竹笋各项重金属元素含量平均值均未超过限量值,竹笋营养品质和质量安全状况良好,体现出经营措施直接影响竹笋的营养、适口性和利用价值[11,15]。

综上,实施毛竹林标准化培育,不仅解决了过去的经验施肥、使用除草剂及经营密度过大等经营方式所造成的养分损失、经济效益不高、生态破坏等问题,而且提升了竹农规范化管理水平,促进了竹林可持续经营和综合效益提高。此外,倡导化肥减量、有机肥替代施肥更新了农民的用肥观念,提高了对精准施肥和竹笋质量安全的认识,避免常年施用复合肥造成竹林土壤养分失衡问题,真正从思想上认识到科技兴竹的意义。