楊邦國，申 展，b，沈?qū)W桂，陳怡君，龍芝潤，黎祖堯，b

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) a.林學(xué)院；b.江西省竹子種質(zhì)資源與利用重點實驗室，江西 南昌 330045）

筍用林覆蓋促使竹筍早發(fā)，日本始于上世紀80年代[1]。我國從20世紀90年代開始對雷竹Phyllostachys violascens筍用林實施覆蓋[2]，之后在覆蓋技術(shù)、增產(chǎn)效果及覆蓋對土壤理化性質(zhì)和微生物活動的影響等領(lǐng)域開展了大量研究。筍用林覆蓋是通過對林地增施發(fā)熱物質(zhì)，并覆蓋礱糠等保溫材料，使土壤增溫，促使竹筍提早出土，能提高竹筍產(chǎn)量，減少水土流失，效益較為顯著[3-4]。內(nèi)源激素及其相互間的協(xié)同或拮抗作用對孕筍成竹有顯著調(diào)控作用[5]，覆蓋提早出筍主要是由于覆蓋物的發(fā)熱及保溫作用打破了雷竹內(nèi)源激素的平衡，促使竹鞭上的側(cè)芽提早分化成筍芽并出土[6]。雷竹林覆蓋會對土壤產(chǎn)生影響，能大量增加土壤有機質(zhì)和陽離子交換量，土壤pH 值呈線性下降，土壤養(yǎng)分變得不平衡，從而誘發(fā)雷竹林土壤衰退[7-8]。覆蓋可增加土壤中有機質(zhì)的含量[9]，隨著覆蓋年份的延長雷竹林土壤和竹筍中的Cu、Pb和Zn 元素含量也顯著上升，連續(xù)覆蓋10年后，土壤中的Cd 含量超標，竹筍中Cd 含量也接近安全限量[10-11]；連續(xù)覆蓋時間越久，種群拓殖能力越差，立竹度也有所下降，這將限制竹子種群的可持續(xù)發(fā)展，需要及時歇園養(yǎng)竹，重點進行竹林土壤生態(tài)修復(fù)[12-13]；覆蓋和集約化栽培還能引起周邊水體的氮、磷和可溶性碳污染[14]。使用不同覆蓋材料的增產(chǎn)效果不同[15]，相同的覆蓋材料，若覆蓋厚度和覆蓋時間不同，竹筍的數(shù)量、產(chǎn)量和出土?xí)r間也差異顯著[16]，覆蓋措施對土壤理化性質(zhì)和溫室氣體排放均有較大影響[17-19]，覆蓋年限過長，竹筍產(chǎn)量也出現(xiàn)下降[20]。過去關(guān)于不同發(fā)熱物的發(fā)熱規(guī)律（發(fā)熱量、發(fā)熱速度、延續(xù)時間等）及對不同土層溫度的影響及變化情況報道較少。覆蓋對土壤和竹林的影響程度由覆蓋材料中發(fā)熱物的發(fā)熱效果和保溫材料的保溫性能共同決定，其中發(fā)熱物的發(fā)熱效果直接影響竹筍的出土?xí)r間和數(shù)量，而發(fā)熱物質(zhì)的組成成分則對土壤的理化性質(zhì)和溫室氣體排放等產(chǎn)生重要作用，本試驗擬探索雞糞、枯餅和麥灰（面粉廠的下腳料）3 種筍用林覆蓋中常用發(fā)熱物的發(fā)熱規(guī)律及對不同土層溫度的影響，旨在為研究持續(xù)發(fā)熱時間長、有效積溫可控、土壤衰退速度慢、溫室氣體排量低的“高效低碳”筍用林覆蓋模式提供良好的發(fā)熱材料。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于江西省貴溪市鴻塘鎮(zhèn)，117°14′24.26″E，28°17′44.91″N，海拔50 m。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫18.2℃，最冷月平均氣溫10℃，最熱月平均氣溫22.0℃；年均降水量1 850 mm。試驗區(qū)地勢平坦，土壤為紅壤，土層深厚，微酸性，適宜雷竹生長。試驗林分地段為平地，2011年營造的雷竹純林，林相整齊，2016 開始實施覆蓋促筍措施，所選試驗樣地立地條件一致，竹林結(jié)構(gòu)和撫育管理措施相同，林分生長狀況良好。

1.2 試驗設(shè)計

發(fā)熱物質(zhì)處理設(shè)置：本試驗設(shè)置3 種發(fā)熱物質(zhì)處理水平，分別為新鮮雞糞7.50 t/hm2、枯餅3.75 t/hm2、麥灰45.00 t/hm2，也是目前雷竹筍用林覆蓋生產(chǎn)中普遍使用的發(fā)熱物質(zhì)施用量。

樣地設(shè)置：在試驗林分中選擇3 個70 m2的試驗區(qū)（南北長10 m，東西寬7 m），在每個試驗區(qū)中央選擇25 m2（5 m×5 m 的正方形）作為樣地設(shè)置區(qū)，施用其中一種發(fā)熱物質(zhì)（新鮮雞糞7.50 t/hm2、枯餅3.75 t/hm2或麥灰45.00 t/hm2）。將試驗樣地設(shè)置區(qū)劃分為25 個1 m×1 m 的正方形樣方，選取正中心、東南角和西北角3 個樣方（3 個重復(fù)）作為觀測樣方，且不同觀測樣方相距2 m以上。

覆蓋措施：覆蓋時間為2018年11月26日。覆蓋前對林地灌溉補水至濕潤土層15 cm。在每個所選觀測樣方中的同一位置預(yù)埋0 cm（地表）、10 cm、20 cm 土層玻璃棒水銀地溫計（地溫計精度為0.1℃）。然后均勻撒施發(fā)熱物質(zhì)，最后覆蓋25 cm 厚的礱糠（谷殼）。

1.3 土壤溫度的測定

從2018年12月1日（竹林覆蓋后）起，每周六9:00—11:00 觀測并記錄所有調(diào)查樣方中不同土層的土壤溫度，直至2019年3月16日。讀取地溫計時視線與地溫計中的水銀面平齊，若遇到溫度計破損斷裂或水銀缺失等現(xiàn)象，及時更換新的地溫計并重新測量土壤溫度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016 軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、整理并繪制圖表，利用SPSS 21.0 軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同發(fā)熱物質(zhì)覆蓋的地表溫度變化規(guī)律

覆蓋前對林地灌溉補水至濕潤土層15 cm，分別以新鮮雞糞、未發(fā)酵枯餅和麥灰作為發(fā)熱物質(zhì)，覆蓋礱糠厚度25 cm 的覆蓋模式下，覆蓋期內(nèi)地表溫度變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 不同發(fā)熱物的地表溫度變化Fig.1 Surface temperature changes of different heating substances

從圖1可以看出，覆蓋期內(nèi)不同發(fā)熱物質(zhì)的3種覆蓋模式的地表溫度均在10℃以上，高于未覆蓋的林地地表溫度。覆蓋后前5 周地表溫度較高，第6 周開始溫度逐漸下降，第13 周時溫度達到最低，之后又開始上升。原因是前期有發(fā)熱物質(zhì)快速分解產(chǎn)生大量熱量，上層有礱糠保溫層，使地表溫度升高；第6 周開始，未分解的發(fā)熱物質(zhì)數(shù)量不斷減少，加上氣溫較低，地表溫度不斷下降；翌年2月底，氣溫達到最低，之后隨著氣溫不斷升高，地表溫度也逐漸上升。覆蓋物林地的地表溫度受氣溫影響較大，特別是第6 周因氣溫劇降，地表溫度也出現(xiàn)明顯下降，原因是25 cm 厚的礱糠保溫層保溫效果有限，覆蓋層下的地表溫度與氣溫差異大，部分熱量被散失。但是，相同的林地補水量和礱糠覆蓋厚度，因為發(fā)熱物質(zhì)不同，覆蓋期內(nèi)的地表溫度變化規(guī)律不同，說明不同發(fā)熱物質(zhì)的發(fā)熱規(guī)律不同。麥灰作為發(fā)熱物質(zhì)時，前期升溫速度非常快，但第3 周即開始下降，說明麥灰分解發(fā)熱速度快且集中，持續(xù)發(fā)熱時間短；枯餅作為發(fā)熱物質(zhì)時，前4 周溫度平穩(wěn)上升，第5周開始下降，降溫速度較慢而平穩(wěn)，說明枯餅的分解發(fā)熱速度平穩(wěn)，持續(xù)發(fā)熱時間較長；雞糞作為發(fā)熱物質(zhì)時，前3 周因為最高氣溫從22℃下降至9℃，地表溫度也稍有下降，第4、5 周雖然有所升溫，但最高溫度仍比枯餅和麥灰低，說明雞糞發(fā)熱量較小。

2.2 不同土層的溫度差異比較

為了分析發(fā)熱物質(zhì)和土層厚度對土壤溫度的影響，比較覆蓋期內(nèi)不同時期同一天同土層不同發(fā)熱物質(zhì)間和同發(fā)熱物質(zhì)不同土層間的溫度差異，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，覆蓋期內(nèi)，所有觀察日不同發(fā)熱物質(zhì)及不同土層間的溫度均存在差異，但不同觀察日的溫度差異程度不同。覆蓋當(dāng)日，發(fā)熱物質(zhì)還未開始發(fā)酵，土壤溫度主要受氣溫影響，不同發(fā)熱物質(zhì)間溫度差異不顯著，因當(dāng)日氣溫高達22℃，土壤溫度自地表向深層遞減，但差異均不顯著。覆蓋2 周后，麥灰為發(fā)熱物質(zhì)的地表溫度最高，且顯著高于雞糞（P＜0.05）；因當(dāng)日最高氣溫僅5℃，雞糞和枯餅為發(fā)熱物質(zhì)的地表溫度均低于下層土壤溫度，但麥灰為發(fā)熱物質(zhì)的地表溫度顯著高于下層土壤溫度（P＜0.05），說明麥灰不但分解發(fā)熱快，而且發(fā)熱量非常多。第4 周開始，枯餅為發(fā)熱物質(zhì)的土壤溫度較高，并且第3、4、6周顯著高于雞糞的（P＜0.05），第6、7 周顯著高于麥灰的（P＜0.05）；雞糞為發(fā)熱物質(zhì)的地表溫度變化小，而麥灰為發(fā)熱物質(zhì)的地表溫度開始下降，進一步說明了枯餅發(fā)熱平穩(wěn)且持續(xù)發(fā)熱時間長，麥灰發(fā)熱快但持續(xù)時間短，雞糞發(fā)熱量小。第11 周（翌年2月9日）之后，雞糞為發(fā)熱物質(zhì)的地表溫度顯著偏高（P＜0.05），原因可能是雞糞成分復(fù)雜，微生物種群多，后期發(fā)熱量相對較多[21]。綜合分析當(dāng)?shù)貧鉁厍闆r發(fā)現(xiàn)，最高氣溫低于10℃時，基本上都表現(xiàn)出地表溫度顯著低于下層土壤溫度，說明25 cm 厚的礱糠保溫層保溫能力有限，透過礱糠保溫層向大氣中散失的熱量多。從表1還可看出，雞糞和麥灰作為發(fā)熱物質(zhì)時，同一土層不同樣地間的溫度差異小，但枯餅作為發(fā)熱物質(zhì)時，同一土層不同樣地間的溫度差異較大，原因可能是施用的枯餅為塊狀，造成小范圍發(fā)熱量不等，今后生產(chǎn)中可在施用前將枯餅進一步碎化，提高覆蓋效果。

表1 不覆蓋期內(nèi)不同發(fā)熱物及不同土層溫度差異性比較?Table 1 Comparison of temperature difference between different heat materials and different soil layers during non-coverage period

2.3 發(fā)熱物質(zhì)和土層對土壤溫度的影響

分析覆蓋期內(nèi)3 種發(fā)熱物質(zhì)覆蓋后不同土層的溫度變化，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，3 種發(fā)熱物質(zhì)覆蓋后不同土層溫度的變化規(guī)律基本一致，且均是地表溫度最低，變化幅度大，10 cm 和20 cm 土層溫度差異不大，變化幅度較地表溫度小，說明發(fā)熱物質(zhì)對不同土層的溫度均有影響。由于土壤導(dǎo)熱能力較弱，具有一定的保溫能力，土層厚度對不同土壤溫度也有較大影響。進一步分析覆蓋期內(nèi)發(fā)熱物質(zhì)和土層厚度對土壤溫度的綜合影響，結(jié)果如表2所示。

圖2 三種發(fā)熱物質(zhì)不同土層土壤溫度變化Fig.2 Changes of soil temperature in different layer with different heating materials

表2 不同時期發(fā)熱物質(zhì)和土層厚度影響土壤溫度的方差分析?Table 2 Variance analysis of soil temperature influenced by heating substances and soil thickness in different periods

由表2可知，在整個覆蓋時期內(nèi)，發(fā)熱物質(zhì)和土層厚度對土壤溫度均有顯著影響（P＜0.05），不同時期的影響程度不同，但發(fā)熱物質(zhì)與土層厚度對土壤溫度的交互作用均不顯著。覆蓋后的前4 周，發(fā)熱物質(zhì)分解產(chǎn)生大量熱量，主導(dǎo)了土壤溫度的升高，故發(fā)熱物質(zhì)對土壤溫度的影響顯著（P＜0.05）。第6 周開始，隨著未發(fā)熱物質(zhì)數(shù)量的減少，而且氣溫和土溫均大幅下降，微生物活動減弱，發(fā)熱物質(zhì)的發(fā)熱量減少，對土壤溫度的影響程度降低，加上礱糠保溫層保溫效果有限，大量熱量向大氣中散失，土壤的保溫作用凸顯，深層土壤溫度明顯高于地表溫度，土層厚度對不同土層溫度差異的影響達到顯著程度（P＜0.05）。由于不同發(fā)熱物質(zhì)的組成成分、C/N 及分解發(fā)熱物質(zhì)的微生物群落不一樣[22-23]，分解發(fā)熱規(guī)律不相同，覆蓋11周后，不同發(fā)熱物質(zhì)的發(fā)熱量差異加大，對土壤溫度的影響程度不同，加上2月份氣溫仍然較低，土壤和大氣的溫差大，熱量向大氣散失多，保溫效果對土壤溫度的影響非常大，所以發(fā)熱物質(zhì)和土層厚度對土壤溫度的影響均達到顯著水平（P＜0.05）。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

發(fā)熱物質(zhì)發(fā)酵分解釋放熱量，是筍用林覆蓋土壤增溫的動力，其發(fā)熱規(guī)律和發(fā)熱量，直接決定土壤的增溫效果及覆蓋期內(nèi)土壤溫度的變化規(guī)律。微生物的活動情況對發(fā)熱物質(zhì)發(fā)熱速度和發(fā)熱量的影響非常顯著[24-25]，合適的發(fā)熱物質(zhì)C/N值和環(huán)境溫度可為微生物提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)和適宜的環(huán)境，有利于微生物活動，能夠促進發(fā)熱物質(zhì)的分解并產(chǎn)生熱量，提高土壤溫度[21-23]。本試驗發(fā)現(xiàn)，目前筍用林覆蓋中普遍施用的3 種發(fā)熱物質(zhì)（麥灰、枯餅和雞糞）的發(fā)熱規(guī)律不一樣，升溫和降溫速度不同，高溫持續(xù)時間也存在差異，主要原因可能是發(fā)熱物質(zhì)本身的C/N 值不同。麥灰的C/N 值高，提供給微生物的養(yǎng)分多，微生物活動活躍，分解速度快，發(fā)熱量大，土壤升溫快；高溫又促進了微生物的活動，致使土壤前期溫度比較高，增溫效果顯著；但麥灰是面粉廠的下腳料，主要是麥稈、麥芒和麥粒殼的混合物，除碳水化合物以外，其他營養(yǎng)物質(zhì)含量相對枯餅和雞糞較少，微生物種群相對較少，造成了麥灰的分解速度過快，土壤高溫持續(xù)時間短，覆蓋后第2周土壤溫度便開始下降。枯餅營養(yǎng)元素比較全面，營養(yǎng)成分含量較高，分解枯餅的微生物種類豐富，不同的微生物種群分解枯餅的不同成分，開始分解的時間和分解速度不同，使得土壤溫度上升和下降均比較平穩(wěn)，高溫持續(xù)時間比較長。新鮮雞糞可能由于C/N 值不適宜和分解過程中產(chǎn)生氨氣等原因，微生物種群繁殖受到抑制，前期發(fā)酵分解速度慢，釋放熱量少，土壤升溫晚，升溫速度慢，低溫環(huán)境又不利于微生物活動，故前期土壤溫度比較低；由于前期分解速度慢，未分解的雞糞殘留較多，故后期溫度較麥灰和枯餅更高。

覆蓋初期地表溫度高于下層土壤溫度，之后迅速變化為地表溫度低于下層土壤溫度；12月份影響不同土層溫度差異的主要因子是發(fā)熱物質(zhì)，1月份土層厚度變成了不同土層溫度差異的主要影響因子，2月份以后，發(fā)熱物質(zhì)和土層厚度共同對不同土層的溫度差異產(chǎn)生顯著影響。原因是覆蓋初期氣溫較高，發(fā)熱物質(zhì)發(fā)熱量大，土壤導(dǎo)熱性能較差，熱量主要集中在土壤表層，造成地表溫度高于下層土壤溫度；隨著發(fā)熱物質(zhì)的逐漸分解，發(fā)熱量越來越少，加上環(huán)境溫度下降，25 cm 厚的谷殼保溫層保溫效果有限，表層土壤的熱量散失較快。因為土壤導(dǎo)熱能力較弱，下層土壤中的熱量散失較慢，所以土層厚度對不同土層的溫度差異影響顯著，下層土壤溫度較地表溫度高。2月份以后，氣溫較平穩(wěn)并逐步回升，土壤中微生物活動又開始活躍，發(fā)熱物質(zhì)分解速度加快，形成了發(fā)熱物質(zhì)和土層厚度共同影響不同土層溫度差異的局面。邵香君等[16]的研究表明，發(fā)熱物質(zhì)對土壤溫度的高低產(chǎn)生直接作用，但保溫材料的保溫性能和覆蓋厚度也對土壤溫度有顯著影響。今后在生產(chǎn)中可以通過適當(dāng)增加保溫層的厚度，減少發(fā)熱物質(zhì)的用量，達到提高覆蓋效果、降低CO2排放的目的。

雞糞、枯餅和麥灰是目前生產(chǎn)中最為常用的筍用林覆蓋發(fā)熱物質(zhì)，其中麥灰前期分解速度快，發(fā)熱量大，土壤升溫速度快，部分林農(nóng)為了提早出筍，在11月中旬氣溫較高時就開始覆蓋，結(jié)果因為土壤溫度過高，對雷竹產(chǎn)生高溫脅迫。高溫造成筍用林的鞭芽被灼傷，筍體發(fā)育不正常，出筍量減少，竹筍直徑變小，嚴重的還出現(xiàn)母竹被燒死，竹林被毀，損失嚴重。雞糞前期發(fā)熱量小，后期溫度較高，是較好的發(fā)熱物質(zhì)，但新鮮雞糞中抗生素和重金屬殘留較多，大量使用容易造成土壤污染和地力衰退[26-28]?？蒿灥陌l(fā)熱量比較平穩(wěn)，并且各種成分含量比較穩(wěn)定，發(fā)熱量相對可控，是筍用林覆蓋比較好的發(fā)熱物質(zhì)。

影響微生物分解有機物活動的因素比較多，除了有機物本身的C/N 值、成分組成及環(huán)境溫度以外，水分和通氣狀況對微生物的活動也有影響。厭氧反應(yīng)時發(fā)熱物質(zhì)分解速度慢，反應(yīng)不完全[29]。含水量偏高，氧濃度較低，有機物分解發(fā)酵速度降低，但濕度過低，水分會限制微生物的新陳代謝，導(dǎo)致微生物活性下降[30]。40%～60%的含水量，5%～15%的氧氣含量，有利于微生物對畜禽糞便等有機物的分解發(fā)酵活動[31]。保溫層的厚度也是影響土壤溫度的主要因子[15]，保溫層厚，溫度較高，可促進微生物活動；但保溫層太厚，通氣性能差，氧氣含量低，又會降低有機物的分解速度。水分是影響竹筍萌發(fā)的重要因子，并且由于覆蓋材料的阻隔作用，整個覆蓋期內(nèi)土壤都得不到水分補充，覆蓋前的林地補水量對竹筍產(chǎn)量影響大，補水量少，不利于竹筍萌發(fā)；但補水量太多，會降低土壤的氧氣含量，不利于發(fā)熱物質(zhì)的分解，影響覆蓋的增溫效果。另外，相同發(fā)熱物質(zhì)不同的施用量所產(chǎn)生的熱量也不相同。本試驗未研究發(fā)熱物質(zhì)的施用量、谷殼保溫層厚度及覆蓋前林地補水量對發(fā)熱物質(zhì)發(fā)熱規(guī)律及土壤溫度的影響，下一步將重點研究發(fā)熱物質(zhì)、保溫層厚度和土壤水分等對土壤溫度的耦合影響，探討不同覆蓋組合模式的增溫效果和CO2等溫室氣體排放情況，凝練發(fā)熱量大、有效積溫可控、持續(xù)發(fā)熱時間長、溫室氣體排放低的“高效低碳”筍用林覆蓋模式。

3.2 結(jié) 論

新鮮雞糞、枯餅和麥灰作為發(fā)熱物質(zhì)覆蓋林地均能提高土壤溫度但發(fā)熱規(guī)律不同。麥灰發(fā)熱速度快且集中，持續(xù)發(fā)熱時間短，溫度難以控制；枯餅發(fā)熱量比較平穩(wěn)，持續(xù)發(fā)熱時間較長；雞糞開始發(fā)熱慢，發(fā)熱量較小，且容易造成環(huán)境污染。發(fā)熱物質(zhì)和土層厚度均對不同土層的溫度差異產(chǎn)生顯著影響，前期發(fā)熱物質(zhì)起主導(dǎo)作用，中期土層厚度起主導(dǎo)作用，后期共同影響。3 種發(fā)熱物質(zhì)中，枯餅發(fā)熱效果較好，生產(chǎn)上可廣泛使用，并可配合谷殼保溫層厚度、二次覆蓋等措施，控制土壤溫度和竹筍出土期，提高筍用林的產(chǎn)量和效益。