覆盖对毛竹林土壤物理性质及养分含量的影响

胡文杰，庞宏东，胡兴宜，刘清平，徐丽君，李 玲，张 涛

（1.湖北省林业科学研究院，湖北 武汉 430075；2.湖北幕阜山竹林生态系统国家定位观测研究站，湖北 咸宁 437100；3.咸宁市林业科学院，湖北 咸宁 437100；4.恩施自治州林业调查规划设计院，湖北 恩施 445000）

毛竹在我国南方分布广泛，是发展竹产业的重要竹种[1]。毛竹林覆盖是指在冬季将稻草和谷壳等有机物料覆盖于毛竹笋用林内，通过有机物料发酵腐解，增加土壤温度，促进竹笋早出[2-3]，以获得较好的经济效益。研究表明，毛竹林覆盖不仅可以提高竹笋产量[4]，还可显著提高鞭芽数量[5]，甚至对竹笋的形态特征产生影响。覆盖作为一种经营措施，已在部分毛竹产区推广应用。但是，覆盖往往会将大量的养分带入土壤，使土壤理化性质、土壤微生物和土壤酶等产生变化[6]，经过长期经营，这种变化不仅会对竹笋的产量、品质等产生负面影响，同时也会对生态环境产生不利影响。研究经过覆盖后土壤理化性质的变化情况对毛竹林可持续经营具有重要意义。

土壤是森林生态系统的重要组成部分，其理化性质直接反映了土壤质量的优劣，是衡量土壤健康与否的重要指标[7]。研究表明，覆盖可显著提高土壤有机碳总量[8]，进而改善土壤理化性质[9]。 但也有研究表明，长期覆盖会降低土壤非毛管孔隙度和土壤总孔隙度，并提高土壤容重[10]，甚至影响土壤入渗情况[11-12]，从而使土壤劣变。一般来说，覆盖措施、覆盖时长及不同研究区域等因素都可能对土壤理化性质有较为明显的影响，因此，为掌握不同覆盖措施对竹林土壤的影响，以鄂南地区毛竹林为研究对象，探讨经不同覆盖措施覆盖3 a 后土壤物理性质及养分含量的变化情况，以期为毛竹笋用林的经营提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖北省咸宁市潜山（114°18′53.83″E，29°48′54.46″N），海拔113 m，坡向西北。土壤为黄棕壤，土层厚度80 cm 以上。该区属亚热带季风气候区，年平均气温16.8 ℃，年均降水量1 700 mm。林分密度2 475 ～2 745 株/hm2，平均胸径10.7 ～11.1 cm。开展覆盖试验前该毛竹林为材用林，经营粗放，每2 ～3 a 清理林下杂灌1 次，无垦复、施肥等措施。

1.2 样地设置与土壤取样

2015年11月，在同一片毛竹林分中选取12块15 m × 18 m 的样地，每块样地间开沟隔开，防止窜笋。覆盖措施分为稻草20 cm +谷壳10 cm（A1）、稻草10 cm +谷壳20 cm（A2）和稻草20 cm +谷壳20 cm（A3）等3 种处理，对照（CK）不采取任何覆盖措施，所有样地除覆盖处理以外的其他经营管理措施完全相同。每个处理和对照各3 块样地，采用完全随机区组排列。2015—2017年均在11月份进行覆盖，覆盖前对所有样地进行浅锄并浇透水，均匀撒施复合肥750 kg/hm2，覆盖时先均匀铺摊稻草，然后适量浇水使稻草潮湿，之后在稻草上覆盖鸡粪以促进稻草腐烂，用量为30 t/hm2，最后用谷壳覆盖以起到保温效果。翌年5月移除覆盖物，并对各样地进行翻耕、除草等。

2018年，覆盖物移除后进行土壤取样。在每个样地按照“S”形分别挖掘5 个土壤剖面，分0 ～10、10 ～20 和20 ～40 cm 层取环刀样，用以测定土壤物理性质，并于每层取土壤样品1 kg左右以测定土壤养分含量。

1.3 土壤分析与统计

土壤物理性质包括土壤容重（BD）、最大持水量（MWHC）、毛管持水量（CWHC）、毛管孔隙度（CP）、非毛管孔隙度（NCP）和总孔隙度（TPO），测定方法按照《森林土壤水分-物理性质的测定》[13]进行；土样养分包括全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、水解氮（HN）、有效磷（AP）和速效钾（AK），具体测定方法按照《土壤农业化学分析》进行[14]。数据分析采用SPSS 22.0，作图在Origin 8.0 中完成。

2 结果与分析

2.1 覆盖对土壤物理性质的影响

从图1 可以看出，覆盖对0 ～10 cm 土层的物理性质有显著影响。与对照相比，A1 和A2 处理能够显著降低该层土壤容重（图1a），提高土壤毛管持水量、最大持水量和毛管孔隙度（图1c,d,f）；而A3 处理不仅提高了土壤容重，还降低了毛管持水量、最大持水量和非毛管孔隙度（图1a,c,d,e）。这表明在进行毛竹林覆盖时，并非覆盖越厚对0 ～10 cm 土层物理性质的影响越好。从图2 和图3 可以看出，覆盖对10 ～20 cm 和20 ～40 cm 土层物理性质无显著影响（P＞0.05）。因此，A1 和A2 覆盖措施对改善0 ～10 cm 土层的物理性质有较为明显的作用，但覆盖措施对较深层土壤物理性质的影响有限。

图1 0 ～10 cm 层土壤的物理性质Fig.1 Soil physical properties of 0-10 cm layer

图2 10 ～20 cm 层土壤的物理性质Fig.2 Soil physical properties of 10-20 cm layer

2.2 覆盖对土壤养分含量的影响

在0 ～10 cm 土层，覆盖对不同土壤养分含量的影响有所不同。其中，不同覆盖措施对全氮和全磷含量的影响相同，其含量表现为在A1 覆盖措施的条件下最高，且显著高于对照，但3 个覆盖处理间差异不显著（图4）；同时，A1 覆盖处理的速效钾含量显著高于其他处理和对照（图4f）；3 种覆盖措施都显著提高了有效磷的含量（图4d）。以上表明，竹林地覆盖对提高土壤部分养分的含量有促进作用，这与覆盖引起的地温升高及覆盖物的腐熟分解有关。但各覆盖处理对水解氮和全钾未表现出显著影响，这种现象可能与土壤本身的养分条件有关。

图3 20 ～40 cm 层土壤的物理性质Fig.3 Soil physical properties of 20-40 cm layer

在10 ～20 cm 层，覆盖对有效磷、全钾和速效钾的含量产生了显著影响（图5d、e、f）。其中，全钾含量和速效钾含量分别以A2 和A1 处理最高。而在20 ～40 cm 层，覆盖则仅对有效磷和速效钾产生显著影响，其中，速效钾含量以A3 处理最高（图6d、f），这表明随着土壤层次的加深，覆盖对土壤养分含量的影响逐渐变小。不同覆盖措施在3 个土壤层次均显著提高了有效磷含量（图4d、5d、6d），表明覆盖对土壤有效磷和速效钾含量的影响更为明显。

图4 0 ～10 cm 层土壤的养分含量Fig.4 Soil nutrient contents of 0-10 cm layer

图5 10 ～20 cm 层土壤的养分含量Fig.5 Soil nutrient contents of 10-20 cm layer

图6 20 ～40 cm 层土壤的养分含量Fig.6 Soil nutrient contents of 20-40 cm layer

2.3 不同土层土壤物理性质和养分含量的差异

从表1 可以看出，土壤最大持水量、毛管持水量、毛管孔隙度和总孔隙度均是随土壤层次的加深而显著减小（P＜0.05），而容重则表现出相反的趋势，随土壤层次的加深而显著增大。这表明土壤表层的物理性质总体较好，具有更好的通透性和持水性。

从表2 可以看出，不同层次的土壤养分含量存在显著差异。全氮、全磷、水解氮、有效磷和速效钾含量均在0 ～10 cm 层最大，其中，全氮和水解氮含量随着土壤层次的加深而显著减小；10 ～ 20 cm 和20 ～40 cm 土层中全磷、有效磷和速效钾含量无显著差异，但均显著低于0 ～10 cm 土层中的含量；全钾含量随土层的加深而升高，其中20 ～40 cm 土层中的含量显著高于0 ～10 cm 土层。总体来看，除全钾以外，其他土壤养分均是较浅层次的含量更高，这可能与土壤养分本身的分布状况及施肥等处理有关。

表1 土壤层次间土壤物理性质的差异†Table 1 The difference of soil physical properties among soil layers

表2 土壤层次间土壤养分含量的差异Table 2 The difference of soil nutrient contents among soil layers

3 结论与讨论

覆盖是促进竹林提前出笋、提高竹笋产量的主要手段之一[15-16]。本研究表明，覆盖对0 ～10 cm 土层物理性质及养分含量的影响较大，而对10 ～20 cm 和20 ～40 cm 土层的影响较为有限，说明由覆盖引起的土壤环境变化的主要层次为表层土壤。秸秆等有机物料的覆盖可改善土壤结构，增加土壤含水量，提高水分利用等[17-18]。土壤容重反映了土壤的通气性和疏松程度，是表征土壤结构性质的重要指标[19]，而孔隙度则通过改变土壤微环境影响着水肥条件和微生物活性等[20]。研究表明，稻草还田可降低土壤容重，提高土壤孔隙 度[21-23]。在本研究中，稻草20 cm +谷壳10 cm 和稻草10 cm +谷壳20 cm 处理显著降低了0 ～10 cm 土层容重，这可能是由于稻草和谷壳增加了表层土壤有机质等养分的含量，而有机质中的长链分子能有效黏结土壤颗粒，从而改善土壤结构[24]。但稻草20 cm +谷壳20 cm 处理的土壤容重显著高于以上2 个处理，这可能是因为该处理的覆盖厚度较厚，由此引起的较高温度导致有机物料在发酵过程中产生的酚酸类物质较多，从而导致土壤团聚结构受到破坏[25]。不同覆盖措施均显著提高了0 ～10 cm 土层的毛管孔隙度，稻草20 cm +谷壳10 cm 和稻草10 cm +谷壳20 cm 处理显著降低了土壤容重，提高了毛管持水量和最大持水量，因此，从改善土壤物理性质的层面看，这2 种覆盖方式效果较好。

覆盖后，有机物料经过腐解等方式产生有机物质进入土壤，从而使土壤养分含量发生变化。研究表明，覆盖明显增加了表层土壤温度[26-27]，在笋用林地使用稻草和谷壳覆盖30 ～40 cm 厚时，地表温度可比未覆盖林地提高4.7 ～11.2 ℃，温度的升高以及有机物质的增加加强了土壤微生物及土壤酶的活性[6]，使土壤中可被林分直接吸收利用的养分含量增多。在本研究中，稻草20 cm +谷壳10 cm 处理显著提高了0 ～10 cm 土层的全氮、全磷、有效磷和速效钾含量。随着土壤层次的加深，各种覆盖措施对土壤养分含量的影响逐渐减小。

除覆盖材料和覆盖方法外，覆盖年限对竹林土壤物理性质及养分含量也有重要影响。赵睿宇等[28]对竹林覆盖的研究表明，短期覆盖有利于提高林内土壤养分含量，且对改善林地土壤质量有促进作用，但随着覆盖年限的延长，竹林表层土壤逐渐酸化，易发生铝毒胁迫[29-30]，劣化土壤理化性质，抑制土壤动物活动，最终导致竹林退化[10]。本研究采用稻草和谷壳以30 ～40 cm 厚度对竹林连续覆盖3 a 后，土壤理化性质未发生明显劣变，且表层土壤的理化性质还得到了一定程度的改善。

在毛竹林经营中，应尽量减小经营措施对环境产生的不良影响。稻草和谷壳是当前毛竹笋用林覆盖经营中的主要材料，本研究掌握了不同覆盖方式在覆盖3 a 后对土壤理化性质的影响，但缺乏土壤理化性质随覆盖时间延长的动态变化规律的研究。后期应加强覆盖年限对土壤理化性质影响的研究，以期为进一步制定合理的毛竹笋用林覆盖等经营措施提供理论依据。

总体来看，覆盖对土壤物理性质及养分含量的影响主要集中在0 ～10 cm 土层。覆盖3 a 后，合理的覆盖方式可改善0 ～10 cm 层土壤物的理性质，并提高部分养分的含量，其中土壤有效磷和速效钾含量显著提高。综合分析土壤物理性质和养分含量，在不考虑其他因素的情况下，以稻草20 cm +谷壳10 cm 方式覆盖的效果最好。