土壤碳库平衡是土壤肥力保持的重要内容(Lefroy et al., 1993)。不同的农业经营管理措施, 特别是不同施肥措施将对土壤碳库产生不同的影响(沈宏等, 2000)。土壤活性碳、微生物生物量碳、水溶性碳以及它们和全碳的比值均是反映土壤碳库的重要指标(Sparling, 1992; Bradley et al., 1995; Liang et al., 1993), 可以指示土壤有机碳的稳定性、有效性和水溶性, 对评价土壤有机质和土地肥力具有重要意义。

雷竹(Phyllostachys praecox)是近十几年来筛选出的优良笋用竹种(汪祖潭等, 1995)。由于它易栽培, 竹笋营养丰富、味鲜美, 因而在生产上得到了大面积推广, 目前, 雷竹在中国长江以南各省均有栽培, 其中以浙江省面积最大。近几年来, 以重施肥和冬季地表覆盖增温为核心的高效栽培措施在生产上得到了广泛应用(方伟等, 1994)。一般情况下, 雷竹园建园前2年由于立竹密度稀, 笋以留养母竹为主, 施肥量较少。3~4 a后, 可采取高效栽培措施进行竹笋生产。高效栽培措施一方面使笋产量增加, 另一方面使春笋出土期提前到1月份以前, 从而使农民有丰厚的经济收益。高效栽培雷竹园, 雷笋产值上万元, 高者达2~3万元(方伟等, 1994)。在雷竹高效栽培中, 推荐施肥量超过3 000 kg·hm^-2 (汪祖潭等, 1995), 由于经济利益驱动, 有的农民施肥量更大, 冬季覆盖时间延长, 控制表土温度超过推荐温度(15~25℃), 这些都造成了雷竹林提前退化(金爱武, 1999), 竹林土壤养分残留量增加、生物学性质变得不良(姜培坤等, 2000a)。

本文对高效栽培雷竹园土壤进行了广泛采样, 分析土壤不同形态碳的含量, 探讨超量施肥和冬季地表覆盖措施对土壤不同碳形态产生的影响。

本次土壤样品采自浙江省临安市藻溪、高虹、千虹等乡镇。该区属中亚热带, 地理坐标为119°42′E, 30°14′N, 年均温15.9 ℃, 年降水量1 424 mm, 无霜期236 d。样点分布在海拔100~200 m之间, 土壤均为红壤土类。该区是浙江省雷竹主产区, 也是高效栽培措施推广最早的地区之一。该地区雷竹每年冬季11月中、下旬进行地表增温覆盖, 一般是地表先盖0.15~0.20 m的稻草, 稻草上覆盖0.10 m左右砻糠, 到第2年4月上、中旬揭去上层砻糠回收利用, 而下层稻草大部分腐烂入土。施肥一般每年分3次, 5月中旬、9月下旬和11月覆盖前, 3次肥料用量比例控制在35%~40%、30%和30%~35%, 5月中旬和9月下旬两次用肥常以化肥为主, 主要是复合肥(N:P₂O₅:K₂O为15:15:15)和尿素, 肥料翻入土中。覆盖前的一次施肥不同笋农有不同施肥法, 有的仍用复合肥和尿素, 有的则全部施用鸡粪和菜籽饼。

本次共建立30个采样点, 其中17个点近3年来3次施肥全部施用化肥, 17个点中2个样点未进行过冬季覆盖; 另13个样点近3年来11月份覆盖前均施用有机肥鸡粪和菜籽饼。30个样点建园历史均在6~13 a。单施化肥点每年化肥投入量超过了3 000 kg·hm^-2, 高的达5 500 kg·hm^-2, 11月份施有机肥的样点, 5月、9月用肥和单施化肥点无差别, 11月份有机肥施用量在2 500~3 500 kg·hm^-2。同时, 还以同海拔有可比性的天然马尾松林(Pinus massoniana)和经济林种板栗林(Castnea mollissima)为样点作对照。

2001-03上旬, 在每个确定的样点建立10 m×20 m的采样区, 在采样区中用采样器蛇形多点采集0~0.25 m土层内混合土样。土样分成两份, 1份鲜样供土壤C_MB和C_WS测定; 另一份风干后供土壤C_T、C_A和土壤养分含量测定。分析方法如下:C_MB采用氯仿熏蒸法(Vance et al., 1987); C_WS采用25℃蒸馏水恒温振荡30 min后, 用0.45 μm滤膜抽滤, 再用岛津TOC-500A有机碳分析仪测定, 浸提水土比为5:1;C_T采用重铬酸钾外加热法测定; C_A采用333 mmol·L^-1高锰酸钾氧化, 565 nm波长比色测定(沈宏等, 2000), C_T与C_A差值为稳定态碳(C_UA)。土壤全氮, 凯氏法; 水解氮, 碱解法; 有效磷, Bray法; 速效钾, 乙酸铵浸提, 火焰光度法(中国土壤学会, 1999)。

从表 1可知, 土壤C_T马尾松林 > 雷竹林 > 板栗林, 说明雷竹林和板栗林人为利用后土壤矿化C_T均下降, 但雷竹林由于冬季覆盖物输入, 土壤C_T仍保持较高水平。说明高效栽培措施有利于土壤碳总量的提高。造成雷竹林土壤碳总量较高有施肥和覆盖两方面的原因, 施用有机肥料使雷竹土壤有机碳含量显著提高, 近3 a有机无肥混施地块土壤C_T超过马尾松林(表 2)。覆盖使土壤C_T增加, 并随着覆盖年份增加, 土壤有机碳总量明显上升(图 1), 覆盖1~5 a土壤C_T增加了13.16%。有机肥和覆盖物(稻草)作为土壤有机质来源进入土壤势必会造成土壤碳素含量增加(沈宏等, 2000)。长期以来, 学者们认为土壤有机碳含量与土壤肥力具有正相关, 近年来, 有学者指出高有机碳含量或土壤肥力达到一定水平后, 两者之间不一定是正相关(Blair et al., 1995), 必须分析碳素不同形态的含量(Loginow et al., 1987)。

表 1 雷竹林、马尾松和板栗林土壤不同形态碳含量比较^① Tab.1 Content of different fractions C in soils covered with different species of trees

表 1 雷竹林、马尾松和板栗林土壤不同形态碳含量比较① Tab.1 Content of different fractions C in soils covered with different species of trees

表 2 不同施肥措施对雷竹土壤不同碳形态含量的影响^① Tab.2 Effect of different treatments on content of different fractions C in soils under Phyllostachys praecox

表 2 不同施肥措施对雷竹土壤不同碳形态含量的影响① Tab.2 Effect of different treatments on content of different fractions C in soils under Phyllostachys praecox

图 1 不同覆盖年份下土壤不同形态碳含量的变化 Fig. 1 Content change in different fractions C of soil mulching from 0 to 5 years □—全C Total C; —●—非活性C Unactive C; —▲—活性C Active C; —○—水溶性C Water-soluble C; —■—微生物C Microbebiomass C.

土壤微生物生物量碳含量及它与土壤有机碳总量的比值是反映土壤碳素有效性的理想指标。表 1显示, 土壤C_MB和C_MB/C_T 3种林分中以雷竹林最低, 说明雷竹高效栽培使土壤碳素有效性降低。研究表明, 长期施用化肥会造成土壤C_MB下降(沈宏等, 2000; Liang et al., 1993), 表 2中单施化肥地块土壤C_MB比有机肥无机肥混合施用地块降低了61.54%, 并差异达极显著水平, 这一点和前人的研究类似。从图 1、表 3看到, 不同覆盖年竹园土壤C_MB、C_MB/C_T均低于未覆盖林地, 这似乎显示覆盖造成了土壤C_MB、C_MB/C_T下降, 但进一步观察可发现, 随着覆盖年份增加土壤C_MB和C_MB/C_T明显上升, 覆盖从1a到5a土壤C_MB和C_MB/C_T增加了1.02、0.75倍。因而笔者以为造成C_MB和C_MB/C_T土壤下降的原因不是覆盖物本身, 而是化肥的过量施用, 特别是覆盖前施用化肥。

表 3 不同覆盖年份下土壤不同形态碳和全碳的比值^① Tab.3 The ratios of different fractions C to total C

表 3 不同覆盖年份下土壤不同形态碳和全碳的比值① Tab.3 The ratios of different fractions C to total C

在雷竹栽培中笋农都有覆盖前地表撒施肥料的习惯, 而单施化肥笋农则在覆盖前撒施尿素或复合肥, 多量化肥施于地表后, 稻草迅速覆盖, 由于冬季降雨量小, 常只能湿润覆盖物而不能下渗到表土, 因而使表土中化肥不能溶解并下渗分散, 化肥长时间集结于表层土, 使表层土壤C_MB大幅度下降。表 3显示覆盖1a后土壤C_MB就下降了53.23%。而随着覆盖年份增加, 稻草每年有部分腐烂入土, 补充了土壤碳库, 土壤C_MB和C_MB/C_T也随之增加。可以想象如果冬季覆盖前不施化肥或合理撒施有机肥, 那么至少在覆盖后土壤C_MB不会出现下降趋势。遗憾的是本文未能分析盖前施用有机肥不同覆盖时间样点土壤C_MB的变化情况。

高效栽培雷竹林土壤C_A和C_A/C_T明显高于板栗林, 总体上仍保持天然林的水平, C_A还稍高于天然林(表 1)。表 2中, 单施化肥地块土壤C_A和C_A/C_T分别比有机肥无机肥混施地块低了27.87%和23.08%, 并差异达极显著水平, 这一点和前人的研究类似(沈宏等, 2000)。而施有机肥不仅使C_A增加, 同时也使C_A/C_T上升, 表 2中近3 a有机无机肥混施地块土壤C_A达到1.83 mg·kg^-1, C_A/C_T达到1.60, 分别是马尾松天然林的1.24和1.23倍。图 1则说明了随着覆盖年份增加, 土壤C_A明显上升, 覆盖从1 a到5 a土壤C_A增加了26.55%, 其中覆盖1 a后C_A就超过了板栗林, 说明覆盖物腐烂会明显提高土壤C_A量。覆盖使C_A增加, 但C_UA未明显变化, 说明覆盖增加土壤总碳中主要增加了C_A的量, 结果是C_A/C_T变化不大(表 3), 也就是说覆盖未增加土壤活性碳的比例。而覆盖物加上有机肥不仅增加了土壤碳库总量, 还使土壤碳素有效性增大(C_A/C_T)。

土壤水溶性有机碳一方面在提供土壤养分方面起重要作用(Liang et al., 1993);另一方面, 对土壤重金属元素的毒理和迁移有深刻的影响(Guggenberger et al., 1993)。土壤水溶性有机碳的数量和地被物多少有直接关系(Hagedorn et al., 1993)。雷竹林和板栗林开耕后破坏了原来天然林的枯落物, 因而C_WS和C_WS/C_T明显低于马尾松林(表 1), 但雷竹林的地表覆盖物弥补了C_WS的来源库, 土壤C_WS和C_WS/C_T又明显高于板栗林(表 1)。随着覆盖年份的增加, 土壤C_WS的库源也增大, 土壤C_WS的含量逐年上升(表 3), 覆盖从1a到5a, 土壤C_WS增加了1倍, 连续覆盖3a的样点, C_WS含量已接近马尾松天然林地。连年的冬季覆盖不仅增加了土壤C_WS, 还使土壤C_WS/C_T上升(表 3), 覆盖从1a到5a土壤C_WS/C_T增加了0.75倍。研究表明有机肥的施用会使土壤C_WS和C_WS/C_T上升(Liang et al., 1993)。但从本文分析来看, 长期施肥用有机肥样点土壤C_WS、C_WS/C_T和长期施用化肥样点无差异, 这是否可以解释为雷竹冬季地表覆盖物增加土壤C_WS的作用较大, 而有机肥对C_WS的增加作用相对较小, 后者的增加效应被前者掩盖了呢?这值得进一步研究。

从雷竹林土壤不同形态碳之间以及不同形态碳与土壤养分含量之间的相关分析可以看到(表 4), 土壤C_T与C_A、C_WS, 土壤C_A与C_WS, 土壤C_T、C_A、C_WS与土壤养分含量间相关性均极显著水平(P < 0.01), 这符合一般的研究规律(沈宏等, 2000)。对C_T与C_A进行线性回归后得回归方程为C_A=0.093 0C_T+0.491 8, 对C_T与C_WS进行线性回归后得回归方程为C_WS=0.006 39C_T+0.084 8。值得指出的是土壤C_MB与C_T、C_A、C_WS及养分氮、磷、钾含量之间相关性均不显著, 特别是与有效磷和速效钾呈现出负相关。研究表明, 土壤C_MB与土壤C_T及养分含量之间有显著正相关, 并可以作为土壤质量指标(Sparling, 1992)。雷竹土壤出现这种异常现象, 笔者认为最主要是竹林地肥料特别是化肥量投入过大造成的, 笔者在先前的研究中发现, 目前高效栽培雷竹地土壤养分含量普遍偏高, 特别是磷、钾含量(姜培坤, 2000b), 并随着土壤养分积累增加, 和C_MB一样, 同可作为土壤生物活性指标的土壤酶活性呈现下降趋势, 其中土壤磷含量与磷酸酶活性的负相关更为显著(姜培坤, 2000a)。

表 4 雷竹土壤不同碳形态之间以及与养分含量间的相关系数 Tab.4 The correlation coefficients between soil carbon fractions and nutrients

表 4 雷竹土壤不同碳形态之间以及与养分含量间的相关系数 Tab.4 The correlation coefficients between soil carbon fractions and nutrients

从上面分析可以看出, 长期施肥的高效栽培雷竹地土壤各种形态碳均有不同程度下降, 特别是土壤微生物量碳下降十分明显。而化肥用量的有增无减, 意味着随着雷竹栽培不断深入, 土壤质量将会严重下降, 使竹林业可持续经营难以保障。因此定位研究雷竹林土壤养分(N、P等)迁移流失规律及其对环境的损害, 提出雷竹控制施肥标准, 显得十分迫切。

高效栽培雷竹林由于冬季覆盖物和有机肥施用, 虽经过长期耕作, 但土壤C_T仍保持较高水平。超量施用化肥, 特别是覆盖前地表撒施多量化肥是造成雷竹地土壤C_MB和C_MB/C_T下降的主要原因, 盖前施用有机肥可显著提高土壤C_MB和C_MB/C_T, 随着覆盖年份增加, 土壤C_MB呈现上升趋势。高效栽培雷竹地土壤C_A、C_A/C_T保持天然林相同水平, 有机肥和冬季地表覆盖物均可使土壤C_A增加, 其中有机肥除了增加C_A外, 还使土壤C_A/C_T显著升高。冬季覆盖物作为库源增加了雷竹土壤C_WS, 也使C_WS/C_T上升, 随着覆盖年份增加土壤C_WS和C_WS/C_T随之上升。雷竹土壤C_T、C_A、C_WS之间以及它们与土壤全氮、水解氮、有效磷、速效钾之间均有极显著相关性, 但土壤C_MB与C_T、C_A、C_WS、全氮、水解氮、有效磷、速效钾之间相关性均不显著。