雷竹林覆盖不同发热物质发热规律及对土壤温度的影响

杨邦国，申 展，b，沈学桂，陈怡君，龙芝润，黎祖尧，b

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

笋用林覆盖促使竹笋早发，日本始于上世纪80年代[1]。我国从20世纪90年代开始对雷竹Phyllostachys violascens笋用林实施覆盖[2]，之后在覆盖技术、增产效果及覆盖对土壤理化性质和微生物活动的影响等领域开展了大量研究。笋用林覆盖是通过对林地增施发热物质，并覆盖砻糠等保温材料，使土壤增温，促使竹笋提早出土，能提高竹笋产量，减少水土流失，效益较为显著[3-4]。内源激素及其相互间的协同或拮抗作用对孕笋成竹有显著调控作用[5]，覆盖提早出笋主要是由于覆盖物的发热及保温作用打破了雷竹内源激素的平衡，促使竹鞭上的侧芽提早分化成笋芽并出土[6]。雷竹林覆盖会对土壤产生影响，能大量增加土壤有机质和阳离子交换量，土壤pH 值呈线性下降，土壤养分变得不平衡，从而诱发雷竹林土壤衰退[7-8]。覆盖可增加土壤中有机质的含量[9]，随着覆盖年份的延长雷竹林土壤和竹笋中的Cu、Pb和Zn 元素含量也显著上升，连续覆盖10年后，土壤中的Cd 含量超标，竹笋中Cd 含量也接近安全限量[10-11]；连续覆盖时间越久，种群拓殖能力越差，立竹度也有所下降，这将限制竹子种群的可持续发展，需要及时歇园养竹，重点进行竹林土壤生态修复[12-13]；覆盖和集约化栽培还能引起周边水体的氮、磷和可溶性碳污染[14]。使用不同覆盖材料的增产效果不同[15]，相同的覆盖材料，若覆盖厚度和覆盖时间不同，竹笋的数量、产量和出土时间也差异显著[16]，覆盖措施对土壤理化性质和温室气体排放均有较大影响[17-19]，覆盖年限过长，竹笋产量也出现下降[20]。过去关于不同发热物的发热规律（发热量、发热速度、延续时间等）及对不同土层温度的影响及变化情况报道较少。覆盖对土壤和竹林的影响程度由覆盖材料中发热物的发热效果和保温材料的保温性能共同决定，其中发热物的发热效果直接影响竹笋的出土时间和数量，而发热物质的组成成分则对土壤的理化性质和温室气体排放等产生重要作用，本试验拟探索鸡粪、枯饼和麦灰（面粉厂的下脚料）3 种笋用林覆盖中常用发热物的发热规律及对不同土层温度的影响，旨在为研究持续发热时间长、有效积温可控、土壤衰退速度慢、温室气体排量低的“高效低碳”笋用林覆盖模式提供良好的发热材料。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于江西省贵溪市鸿塘镇，117°14′24.26″E，28°17′44.91″N，海拔50 m。属于亚热带季风气候，年平均气温18.2℃，最冷月平均气温10℃，最热月平均气温22.0℃；年均降水量1 850 mm。试验区地势平坦，土壤为红壤，土层深厚，微酸性，适宜雷竹生长。试验林分地段为平地，2011年营造的雷竹纯林，林相整齐，2016 开始实施覆盖促笋措施，所选试验样地立地条件一致，竹林结构和抚育管理措施相同，林分生长状况良好。

1.2 试验设计

发热物质处理设置：本试验设置3 种发热物质处理水平，分别为新鲜鸡粪7.50 t/hm2、枯饼3.75 t/hm2、麦灰45.00 t/hm2，也是目前雷竹笋用林覆盖生产中普遍使用的发热物质施用量。

样地设置：在试验林分中选择3 个70 m2的试验区（南北长10 m，东西宽7 m），在每个试验区中央选择25 m2（5 m×5 m 的正方形）作为样地设置区，施用其中一种发热物质（新鲜鸡粪7.50 t/hm2、枯饼3.75 t/hm2或麦灰45.00 t/hm2）。将试验样地设置区划分为25 个1 m×1 m 的正方形样方，选取正中心、东南角和西北角3 个样方（3 个重复）作为观测样方，且不同观测样方相距2 m以上。

覆盖措施：覆盖时间为2018年11月26日。覆盖前对林地灌溉补水至湿润土层15 cm。在每个所选观测样方中的同一位置预埋0 cm（地表）、10 cm、20 cm 土层玻璃棒水银地温计（地温计精度为0.1℃）。然后均匀撒施发热物质，最后覆盖25 cm 厚的砻糠（谷壳）。

1.3 土壤温度的测定

从2018年12月1日（竹林覆盖后）起，每周六9:00—11:00 观测并记录所有调查样方中不同土层的土壤温度，直至2019年3月16日。读取地温计时视线与地温计中的水银面平齐，若遇到温度计破损断裂或水银缺失等现象，及时更换新的地温计并重新测量土壤温度。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 软件对相关数据进行统计、整理并绘制图表，利用SPSS 21.0 软件对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同发热物质覆盖的地表温度变化规律

覆盖前对林地灌溉补水至湿润土层15 cm，分别以新鲜鸡粪、未发酵枯饼和麦灰作为发热物质，覆盖砻糠厚度25 cm 的覆盖模式下，覆盖期内地表温度变化规律如图1所示。

图1 不同发热物的地表温度变化Fig.1 Surface temperature changes of different heating substances

从图1可以看出，覆盖期内不同发热物质的3种覆盖模式的地表温度均在10℃以上，高于未覆盖的林地地表温度。覆盖后前5 周地表温度较高，第6 周开始温度逐渐下降，第13 周时温度达到最低，之后又开始上升。原因是前期有发热物质快速分解产生大量热量，上层有砻糠保温层，使地表温度升高；第6 周开始，未分解的发热物质数量不断减少，加上气温较低，地表温度不断下降；翌年2月底，气温达到最低，之后随着气温不断升高，地表温度也逐渐上升。覆盖物林地的地表温度受气温影响较大，特别是第6 周因气温剧降，地表温度也出现明显下降，原因是25 cm 厚的砻糠保温层保温效果有限，覆盖层下的地表温度与气温差异大，部分热量被散失。但是，相同的林地补水量和砻糠覆盖厚度，因为发热物质不同，覆盖期内的地表温度变化规律不同，说明不同发热物质的发热规律不同。麦灰作为发热物质时，前期升温速度非常快，但第3 周即开始下降，说明麦灰分解发热速度快且集中，持续发热时间短；枯饼作为发热物质时，前4 周温度平稳上升，第5周开始下降，降温速度较慢而平稳，说明枯饼的分解发热速度平稳，持续发热时间较长；鸡粪作为发热物质时，前3 周因为最高气温从22℃下降至9℃，地表温度也稍有下降，第4、5 周虽然有所升温，但最高温度仍比枯饼和麦灰低，说明鸡粪发热量较小。

2.2 不同土层的温度差异比较

为了分析发热物质和土层厚度对土壤温度的影响，比较覆盖期内不同时期同一天同土层不同发热物质间和同发热物质不同土层间的温度差异，结果如表1所示。

由表1可知，覆盖期内，所有观察日不同发热物质及不同土层间的温度均存在差异，但不同观察日的温度差异程度不同。覆盖当日，发热物质还未开始发酵，土壤温度主要受气温影响，不同发热物质间温度差异不显著，因当日气温高达22℃，土壤温度自地表向深层递减，但差异均不显著。覆盖2 周后，麦灰为发热物质的地表温度最高，且显著高于鸡粪（P＜0.05）；因当日最高气温仅5℃，鸡粪和枯饼为发热物质的地表温度均低于下层土壤温度，但麦灰为发热物质的地表温度显著高于下层土壤温度（P＜0.05），说明麦灰不但分解发热快，而且发热量非常多。第4 周开始，枯饼为发热物质的土壤温度较高，并且第3、4、6周显著高于鸡粪的（P＜0.05），第6、7 周显著高于麦灰的（P＜0.05）；鸡粪为发热物质的地表温度变化小，而麦灰为发热物质的地表温度开始下降，进一步说明了枯饼发热平稳且持续发热时间长，麦灰发热快但持续时间短，鸡粪发热量小。第11 周（翌年2月9日）之后，鸡粪为发热物质的地表温度显著偏高（P＜0.05），原因可能是鸡粪成分复杂，微生物种群多，后期发热量相对较多[21]。综合分析当地气温情况发现，最高气温低于10℃时，基本上都表现出地表温度显著低于下层土壤温度，说明25 cm 厚的砻糠保温层保温能力有限，透过砻糠保温层向大气中散失的热量多。从表1还可看出，鸡粪和麦灰作为发热物质时，同一土层不同样地间的温度差异小，但枯饼作为发热物质时，同一土层不同样地间的温度差异较大，原因可能是施用的枯饼为块状，造成小范围发热量不等，今后生产中可在施用前将枯饼进一步碎化，提高覆盖效果。

表1 不覆盖期内不同发热物及不同土层温度差异性比较†Table 1 Comparison of temperature difference between different heat materials and different soil layers during non-coverage period

2.3 发热物质和土层对土壤温度的影响

分析覆盖期内3 种发热物质覆盖后不同土层的温度变化，结果如图2所示。

由图2可知，3 种发热物质覆盖后不同土层温度的变化规律基本一致，且均是地表温度最低，变化幅度大，10 cm 和20 cm 土层温度差异不大，变化幅度较地表温度小，说明发热物质对不同土层的温度均有影响。由于土壤导热能力较弱，具有一定的保温能力，土层厚度对不同土壤温度也有较大影响。进一步分析覆盖期内发热物质和土层厚度对土壤温度的综合影响，结果如表2所示。

图2 三种发热物质不同土层土壤温度变化Fig.2 Changes of soil temperature in different layer with different heating materials

表2 不同时期发热物质和土层厚度影响土壤温度的方差分析†Table 2 Variance analysis of soil temperature influenced by heating substances and soil thickness in different periods

由表2可知，在整个覆盖时期内，发热物质和土层厚度对土壤温度均有显著影响（P＜0.05），不同时期的影响程度不同，但发热物质与土层厚度对土壤温度的交互作用均不显著。覆盖后的前4 周，发热物质分解产生大量热量，主导了土壤温度的升高，故发热物质对土壤温度的影响显著（P＜0.05）。第6 周开始，随着未发热物质数量的减少，而且气温和土温均大幅下降，微生物活动减弱，发热物质的发热量减少，对土壤温度的影响程度降低，加上砻糠保温层保温效果有限，大量热量向大气中散失，土壤的保温作用凸显，深层土壤温度明显高于地表温度，土层厚度对不同土层温度差异的影响达到显著程度（P＜0.05）。由于不同发热物质的组成成分、C/N 及分解发热物质的微生物群落不一样[22-23]，分解发热规律不相同，覆盖11周后，不同发热物质的发热量差异加大，对土壤温度的影响程度不同，加上2月份气温仍然较低，土壤和大气的温差大，热量向大气散失多，保温效果对土壤温度的影响非常大，所以发热物质和土层厚度对土壤温度的影响均达到显著水平（P＜0.05）。

3 讨论与结论

3.1 讨 论

发热物质发酵分解释放热量，是笋用林覆盖土壤增温的动力，其发热规律和发热量，直接决定土壤的增温效果及覆盖期内土壤温度的变化规律。微生物的活动情况对发热物质发热速度和发热量的影响非常显著[24-25]，合适的发热物质C/N值和环境温度可为微生物提供充足的营养物质和适宜的环境，有利于微生物活动，能够促进发热物质的分解并产生热量，提高土壤温度[21-23]。本试验发现，目前笋用林覆盖中普遍施用的3 种发热物质（麦灰、枯饼和鸡粪）的发热规律不一样，升温和降温速度不同，高温持续时间也存在差异，主要原因可能是发热物质本身的C/N 值不同。麦灰的C/N 值高，提供给微生物的养分多，微生物活动活跃，分解速度快，发热量大，土壤升温快；高温又促进了微生物的活动，致使土壤前期温度比较高，增温效果显著；但麦灰是面粉厂的下脚料，主要是麦秆、麦芒和麦粒壳的混合物，除碳水化合物以外，其他营养物质含量相对枯饼和鸡粪较少，微生物种群相对较少，造成了麦灰的分解速度过快，土壤高温持续时间短，覆盖后第2周土壤温度便开始下降。枯饼营养元素比较全面，营养成分含量较高，分解枯饼的微生物种类丰富，不同的微生物种群分解枯饼的不同成分，开始分解的时间和分解速度不同，使得土壤温度上升和下降均比较平稳，高温持续时间比较长。新鲜鸡粪可能由于C/N 值不适宜和分解过程中产生氨气等原因，微生物种群繁殖受到抑制，前期发酵分解速度慢，释放热量少，土壤升温晚，升温速度慢，低温环境又不利于微生物活动，故前期土壤温度比较低；由于前期分解速度慢，未分解的鸡粪残留较多，故后期温度较麦灰和枯饼更高。

覆盖初期地表温度高于下层土壤温度，之后迅速变化为地表温度低于下层土壤温度；12月份影响不同土层温度差异的主要因子是发热物质，1月份土层厚度变成了不同土层温度差异的主要影响因子，2月份以后，发热物质和土层厚度共同对不同土层的温度差异产生显著影响。原因是覆盖初期气温较高，发热物质发热量大，土壤导热性能较差，热量主要集中在土壤表层，造成地表温度高于下层土壤温度；随着发热物质的逐渐分解，发热量越来越少，加上环境温度下降，25 cm 厚的谷壳保温层保温效果有限，表层土壤的热量散失较快。因为土壤导热能力较弱，下层土壤中的热量散失较慢，所以土层厚度对不同土层的温度差异影响显著，下层土壤温度较地表温度高。2月份以后，气温较平稳并逐步回升，土壤中微生物活动又开始活跃，发热物质分解速度加快，形成了发热物质和土层厚度共同影响不同土层温度差异的局面。邵香君等[16]的研究表明，发热物质对土壤温度的高低产生直接作用，但保温材料的保温性能和覆盖厚度也对土壤温度有显著影响。今后在生产中可以通过适当增加保温层的厚度，减少发热物质的用量，达到提高覆盖效果、降低CO2排放的目的。

鸡粪、枯饼和麦灰是目前生产中最为常用的笋用林覆盖发热物质，其中麦灰前期分解速度快，发热量大，土壤升温速度快，部分林农为了提早出笋，在11月中旬气温较高时就开始覆盖，结果因为土壤温度过高，对雷竹产生高温胁迫。高温造成笋用林的鞭芽被灼伤，笋体发育不正常，出笋量减少，竹笋直径变小，严重的还出现母竹被烧死，竹林被毁，损失严重。鸡粪前期发热量小，后期温度较高，是较好的发热物质，但新鲜鸡粪中抗生素和重金属残留较多，大量使用容易造成土壤污染和地力衰退[26-28]。枯饼的发热量比较平稳，并且各种成分含量比较稳定，发热量相对可控，是笋用林覆盖比较好的发热物质。

影响微生物分解有机物活动的因素比较多，除了有机物本身的C/N 值、成分组成及环境温度以外，水分和通气状况对微生物的活动也有影响。厌氧反应时发热物质分解速度慢，反应不完全[29]。含水量偏高，氧浓度较低，有机物分解发酵速度降低，但湿度过低，水分会限制微生物的新陈代谢，导致微生物活性下降[30]。40%～60%的含水量，5%～15%的氧气含量，有利于微生物对畜禽粪便等有机物的分解发酵活动[31]。保温层的厚度也是影响土壤温度的主要因子[15]，保温层厚，温度较高，可促进微生物活动；但保温层太厚，通气性能差，氧气含量低，又会降低有机物的分解速度。水分是影响竹笋萌发的重要因子，并且由于覆盖材料的阻隔作用，整个覆盖期内土壤都得不到水分补充，覆盖前的林地补水量对竹笋产量影响大，补水量少，不利于竹笋萌发；但补水量太多，会降低土壤的氧气含量，不利于发热物质的分解，影响覆盖的增温效果。另外，相同发热物质不同的施用量所产生的热量也不相同。本试验未研究发热物质的施用量、谷壳保温层厚度及覆盖前林地补水量对发热物质发热规律及土壤温度的影响，下一步将重点研究发热物质、保温层厚度和土壤水分等对土壤温度的耦合影响，探讨不同覆盖组合模式的增温效果和CO2等温室气体排放情况，凝练发热量大、有效积温可控、持续发热时间长、温室气体排放低的“高效低碳”笋用林覆盖模式。

3.2 结 论

新鲜鸡粪、枯饼和麦灰作为发热物质覆盖林地均能提高土壤温度但发热规律不同。麦灰发热速度快且集中，持续发热时间短，温度难以控制；枯饼发热量比较平稳，持续发热时间较长；鸡粪开始发热慢，发热量较小，且容易造成环境污染。发热物质和土层厚度均对不同土层的温度差异产生显著影响，前期发热物质起主导作用，中期土层厚度起主导作用，后期共同影响。3 种发热物质中，枯饼发热效果较好，生产上可广泛使用，并可配合谷壳保温层厚度、二次覆盖等措施，控制土壤温度和竹笋出土期，提高笋用林的产量和效益。