施肥与带宽对采伐带毛竹生长及土壤特性的影响

郑风英, 蔡宗明, 韩永振, 荣俊冬, 郑郁善, 陈礼光

(福建农林大学林学院,福建 福州 350002)

毛竹(Phyllostachysedulis)是经济价值较高的优良竹种[1],对竹农脱贫致富起着重要的作用.目前,有关毛竹林传统砍伐的培育研究已有很多,但是,随着劳动成本高、作业难度大等问题的日益突出,带状采伐模式迅速兴起.带状采伐会影响竹林的整体质量.李欣欣等[2]认为,8 m带宽下,毛竹光合作用强,酶活性较高.曾宪礼等[3]指出:6～9 m带宽毛竹林恢复能力最强;同时,带宽为12 m时,土壤质量最佳[4].张洋洋等[5]研究得出,带宽7 m的毛竹林土壤质量最佳.王树梅等[6]认为,采伐带宽为9 m时,新竹的数量最多.吴昌明等[7]认为,9 m采伐带宽下,土壤细菌群落的恢复力和抵抗力更强、稳定性更高.由此可见,带宽对竹林的生长和土壤质量均有影响.

在实际生产中,提升毛竹林地生产力的方式通常为施用常规复合肥[8].复合肥能在短期内补充毛竹生长所需要的养分,但长期使用会导致土壤板结[9];施肥量过多会污染土壤[10],且会导致毛竹对土壤养分的利用率降低,进而影响毛竹的生长.张云舒等[11]研究表明,减氮配施炭基肥能显著提高土壤养分含量;吴志庄等[12]认为,生物炭肥的施用能提高黄连木(Pistaciachinensis)的地径、树高、冠幅;吴有恒[13]研究表明,施用稀土毛竹专用肥对竹林出笋量、新竹产量和新竹胸径的增长有明显效果.因此,减施复合肥增施生物炭肥能改善土壤的理化性质[14]、提升苗木质量[15],施用稀土微肥也能提高林木的生长质量[16].

复合肥、生物炭肥、稀土微肥对带状采伐后的毛竹生长及其林地土壤理化性质的影响尚未见报道.因此,本试验设计以采伐带宽、稀土用量及复合肥与生物炭肥质量比为因素的正交试验,探究不同处理下的竹林生长状况及土壤特性,旨在寻求一种促进采伐带毛竹快速恢复及改善土壤理化性质的经营模式.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

福建省漳平市是我国南方48个重点林业县之一,竹林面积大.试验样地设于漳平市拱桥镇大阪村,地理位置为117°18′E、25°04′N[17],属亚热带海洋性季风气候,海拔400 m,坡度25°,年平均温度18.8 ℃,年平均降雨量1 450～2 100 mm,无霜期251～317 d,土壤为红壤.选择立地条件和竹林结构较一致且同一坡向的毛竹纯林,于2016年11月首次进行垂直带状采伐,保留带与采伐带相邻且等宽,带长为30 m;2020年11月对其进行第2次带状采伐,将首次的保留带作为此次的采伐带,首次的采伐带作为此次的保留带.2020年采伐前,对样地进行了本底调查:毛竹立竹数1 368株·hm-2,平均胸径8.4 cm,平均株高10.2 m,平均枝下高5.2 m;土壤全氮、全磷、全钾质量分数分别为0.85、0.45、17.96 g·kg-1;林下植被主要有海芋(Alocasiamacrorrhiza)、苎麻(Boehmerianivea)、香附子(Cyperusrotundus)等.

1.2 材料

复合肥(mN∶mP∶mK=15∶15∶15),湖北三宁化工股份有限公司生产;生物炭肥[mN∶mP∶mK=15∶15∶10,ω生物炭(以C计)≥6%],沈阳康禾生物质新材料有限公司生产;稀土[ωREO≥40%,REO为稀土元素氧化物(rare earth oxides)],内蒙古天赐矿业有限公司生产.

1.3 试验设计

对2020年采伐带进行正交试验设计[L9(33)],试验因素与水平见表1,试验设计见表2,共9个处理.其中,复合肥与生物炭肥依据总量为1 125 kg·hm-2进行配比施用.施肥方法:沿等高线每隔2 m开一条深15 cm、宽20 cm的沟,将肥料施入沟中并覆土.

表1 试验因素及其水平

表2 正交试验设计

1.4 毛竹生长指标调查

从2021年3月(少量发笋)到5月(新竹全部抽枝展叶)调查样地内各条带的出笋量.2021年6月,统计不同条带内的毛竹立竹数,同时对每一条带内的每株毛竹进行检尺,记录胸径、株高、枝下高和冠幅.

1.5 土壤样品采集及测定

土壤含水量和孔隙度测定:在每块样地中按照上坡、中坡、下坡选择3个点,分0～20、20～40、40～60 cm 3个土层,使用100 cm3环刀采集土样.将装有土壤的环刀去除顶盖后浸水(不超过土层表面)24 h,使用粗天平称质量,再分别放于干砂2、24、48、72 h后称质量;然后将土壤转移到牛皮纸袋中分装,恒温(105 ℃)下烘干至质量恒定后称质量;最后计算土壤的含水量及总孔隙度[18].

土壤养分含量测定:按照上坡、中坡、下坡选择3个点,分0～20、20～40、40～60 cm 3个土层,每个土层取约150 g土放于自封袋中,然后将同一样地同一土层的土混合,带回实验室进行风干处理.将风干后的土壤磨碎碾细,过2 mm以及0.149 mm的孔筛.采用凯氏定氮仪测定土壤全氮质量分数,土壤有机碳、全磷、全钾、水解氮、有效磷、速效钾质量分数的测定参照文献[18].

1.6 数据处理

采用Excel软件整理数据,采用SPSS软件对数据进行极差分析和方差分析,数据为平均值±标准差.

2 结果与分析

2.1 不同处理对毛竹生长的影响

不同处理下毛竹的生长指标值存在差异.其中,处理4的出笋量、立竹数、胸径、株高、枝下高以及冠幅均最高(表3).极差分析结果表明:提高毛竹出笋量、立竹数、株高、枝下高、冠幅的最优组合均为A2B2C2;提高胸径的最优组合为A1B2C2(表4).由方差分析结果可知:因素A(采伐带宽)对出笋量和立竹数具有极显著影响(P<0.01),对胸径、株高、枝下高、冠幅无显著影响(P>0.05);因素B(稀土用量)以及因素C(复合肥与生物炭肥质量比)对出笋量、立竹数、胸径、株高、枝下高均具有极显著影响(P<0.01),对冠幅无显著影响(P>0.05)(表5).

表3 不同处理下的毛竹生长指标值1)

表4 不同处理下的毛竹生长指标极差分析

表5 不同处理下的毛竹生长指标方差分析

2.2 不同处理对土壤特性的影响

不同处理下的土壤特性存在差异:处理2的含水量和全氮质量分数最高,处理7的总孔隙度最大,处理4的有机碳、水解氮、全磷质量分数最大,处理8的有效磷质量分数最大,处理6的全钾、速效钾质量分数最大(表6).极差分析结果表明:提高土壤含水量的最优组合为A1B3C2;提高土壤总孔隙度的最优组合为A2B2C3;提高土壤有机碳、水解氮、全磷质量分数的最优组合为A2B2C2;提高土壤全氮质量分数的最优组合为A1B2C2;提高土壤有效磷质量分数的最优组合为A3B1C1;提高土壤全钾和速效钾质量分数的最优组合为A2B2C1(表7).由方差分析结果可知:因素A(采伐带宽)对含水量及有机碳、全氮、水解氮、有效磷、全钾、速效钾质量分数具有极显著影响(P<0.01),对全磷质量分数和总孔隙度无显著影响(P>0.05);因素B(稀土用量)对有效磷质量分数有极显著影响(P<0.01),对有机碳、全氮质量分数有显著影响(P<0.05),对含水量、总孔隙度及水解氮、全磷、全钾、速效钾质量分数无显著影响(P>0.05);因素C(复合肥与生物炭肥质量比)对含水量、总孔隙度及全氮、水解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾质量分数具有极显著影响(P<0.01),对有机碳质量分数无显著影响(P>0.05)(表8).

表6 不同处理下的土壤特性1)

表7 不同处理下的土壤特性极差分析

表8 不同处理下的土壤特性方差分析

3 讨论

本研究表明,8 m带宽的出笋量和立竹数最多,而6 m带宽的毛竹胸径最大,但其与8 m带宽的毛竹胸径差异较小.而李欣欣等[2]指出,带状采伐(第1次)后,10 m采伐带的出笋数量最多,8 m采伐带的毛竹胸径最大.这可能受采伐次数和出笋期天气(如气候干旱、降雨量少等)的影响.采伐带其他生长指标值均表现为8 m带宽最佳,说明8 m采伐带宽更有利于毛竹林的恢复.这与谭宏超等[19]认为的8m采伐带宽对细叶龙竹(Dendrocalamusmembranaceuscv.grandis)的生长恢复效果较好相似.35 kg·hm-2的稀土用量下,采伐带毛竹生长状况最好,说明稀土含量过少或过多都难以最大程度地提升苗木质量,与徐六一等[20]和吴有恒[13]的研究结果基本一致.张塞等[21]也认为,适当的稀土肥料施用量,可以增加作物产量,提高经济效益,且对农产品和人畜都是安全的.此外,复合肥与生物炭肥质量比为7∶3时,采伐带的毛竹生长状况最好.这可能与生物炭肥能延缓养分的释放,减少早期养分的流失,同时能改良土壤的物理特性有关[14];但当生物炭肥占比更大时,由于提供的速效养分不足,释放养分过慢,毛竹的生长质量又会有所下降.综合考虑毛竹的各生长指标得出,A2B2C2为促进采伐带毛竹生长的最优组合.

本研究表明,当带宽为6 m时,采伐带内土壤的含水量最高.这可能是因为带宽较小,太阳直射面积较小,水分蒸发较慢;同时,下雨时,带宽越小,截留雨水越多,带宽越大,受山地地形影响,土壤的水分流失越快.生物炭因具有比表面积较大、结构疏松等特点,可以有效改良土壤的物理性质.本研究表明,当复合肥与生物炭肥质量比为7∶3时,土壤含水量最大,这说明土壤含水量不随生物炭肥的增加而一直增加,与前人的研究[22]一致.当复合肥与生物炭肥质量比为4∶6时,土壤总孔隙度最大.这说明生物炭肥越多,土壤孔隙度越大,这与生物炭肥的特点相一致.当稀土用量为50 kg·hm-2时,土壤的含水量最大,说明稀土有利于土壤含水量的增加.

土壤养分含量直接影响毛竹的生长状态.曾宪礼等[4]研究显示,采伐带宽为12 m时土壤质量最佳,6 m带宽次之;张洋洋等[5]研究表明,带宽为7 m时的毛竹林土壤质量优于5 m带宽;曹殿云等[23]研究表明,施用生物炭肥可以提高土壤中的有效磷、无机磷等含量;Borchard et al[24]研究表明,施用生物炭肥可以增加土壤中的全氮含量.本研究中,带宽8 m、稀土用量35 kg·hm-2、复合肥与生物炭肥质量比7∶3组合处理下的土壤养分质量较高.其中,中等水平的稀土用量对提高土壤养分含量最有利,与汪勇等[25]的研究结论相似.总体来看,适当减施复合肥增施生物炭肥能实现养分持续供给,也能改善土壤的物理性质,提高土壤养分含量;但当生物炭肥占比过大时,土壤氮素的有效性可能会降低,进而导致土壤养分含量降低[26].综合考虑土壤的含水量、总孔隙度以及养分含量得出,改善土壤特性的最优组合为A2B2C2.

综上所述,提高采伐带毛竹生长量及改善土壤理化性质的最佳经营模式为A2B2C2组合,即采伐带宽8 m、稀土用量35 kg·hm-2,复合肥与生物炭肥质量比7∶3.