通气对有机物覆盖雷竹林的影响及其机理研究

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雷竹是我国优良散生笋用竹种,因其具有易栽培、笋期早、产量高、味道鲜等特点,被誉为“江南第一笋”。有机物覆盖作为一种促进竹笋早出的栽培技术被广泛应用于雷竹笋用林的经营过程中,使雷竹具有较高的栽培经济价值。种植雷竹是广大竹农提高经济收入的重要方式。然而,连续覆盖经营3至4年后,雷竹林都会出现退化现象,如竹林老化、开花和笋产量明显下降等。目前,有机物覆盖栽培雷竹林退化现象严重,已经对竹农收入产生不利影响。基于前期的调查研究,我们发现随着覆盖时间延长,雷竹竹鞭在土中分布位置逐渐上移(竹鞭上浮);在生产经营中,竹农通常通过对退化竹林覆盖土壤,增加竹鞭分布深度来防治竹林退化。初步认为,雷竹竹鞭上浮是导致雷竹林退化的直接原因,而覆盖经营过程中根层土壤的缺氧可能是雷竹竹鞭上浮的主要诱因。因此,我们推测提高覆盖经营雷竹林土壤的通气性能够防止雷竹退化,从而促进雷竹的可持续经营,但目前仍缺乏相关的深入研究。本研究提出“有机物覆盖引起土壤缺氧,进而导致雷竹林退化”的假设,采用埋管通气的方式验证该假设,研究通气措施对雷竹林的影响及其机理,为防治覆盖雷竹林退化提供参考。本研究以江西省鹰潭市中国科学院红壤生态实验站人工经营的雷竹林为研究对象,参照实际生产方式,采用鸡粪(发酵增温层)+稻壳(保温层)的覆盖模式,于2019至2021年开展了为期三年的覆盖试验。其中2019年覆盖前所有处理均未施复合肥,2020年及2021年覆盖前对所有处理均施用了复合肥;覆盖时间为当年的1至3月,并且通过钻孔埋管方式营造土壤通气条件。研究采用完全随机区组试验设计,共包含四个处理,分别为:覆盖不通气处理(TM);覆盖+弱通气处理(TA1,通气密度为每平方米埋设1根通气管);覆盖+强通气处理(TA2,通气密度为每平方米埋设2根通气管);不进行覆盖处理(对照,CK),每个处理三个重复。3月气温回升后移除覆盖物,并在当年的5月、9月和11月,对所有处理都分别施用复合肥。在未覆盖时期,四个处理的雷竹管理均相同。由于受到2020年上半年新冠疫情的影响,仅在2019年和2021年的覆盖期间及未覆盖期间动态采集了各处理的表层土壤和雷竹植物组织样品,研究了四种不同处理下的雷竹林土壤理化性质、土壤酶活性、土壤微生物指标及雷竹的生长和生理特性。主要结果如下:1.覆盖不通气处理(TM)显著降低了土壤氧气(O2)含量,弱通气处理(TA1)和强通气处理(TA2)均可显著提升覆盖土壤O2含量,其中TA2处理效果较好,与TM相比可提升18.45%-23.85%的土壤O2。但是,TA2处理降低了土壤的保温和保湿效果。与CK相比,覆盖处理能显著提高覆盖期间的土壤pH值,通气处理可以进一步提高土壤pH,缓解因施用化肥导致的土壤酸化问题。与TM处理相比,TA2处理不仅能显著提高覆盖期间土壤有机质(SOM)、全氮和全磷含量,而且能显著提高土壤硝态氮、有效磷和速效钾含量,有利于雷竹生长。覆盖处理明显提高了土壤碳氮比,但各处理土壤氮磷比(N/P)均较低,表明土壤磷(P)元素残留较严重。2.雷竹林土壤脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和β-葡萄糖苷酶活性具有明显的年际变化,且表现为随覆盖时间延长而增加的趋势,覆盖结束后的夏季最高,冬季最低。土壤pH是覆盖末期影响土壤酶活性的主导因素。与CK相比,TM处理显著提高了覆盖期间土壤脲酶活性;但脲酶活性在三种覆盖处理(TA1、TA2和TM)之间差异不显著。土壤过氧化氢酶活性与SOM含量显著正相关,与CK相比,覆盖处理显著提高了土壤过氧化氢酶活性。连续覆盖三年可以有效提高土壤酸性磷酸酶活性。覆盖过程中,土壤蔗糖酶和β-葡萄糖苷酶活性均表现为CK<TM<TA1<TA2。3.雷竹林土壤微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)含量均具有明显的年际变化,且表现为随覆盖时间延长而增加的趋势,覆盖结束后的夏季最高,冬季最低。与CK相比,TM、TA1和TA2处理均明显提高了土壤MBC和MBN含量,但是MBC和MBN含量在三种覆盖处理(TM、TA1和TA2)间差异不明显。MBC和MBN含量与土壤pH密切相关。连续覆盖且不通气不利于土壤细菌群落的多样性。2021年覆盖末期,与TM处理相比,TA2处理可以显著提高覆盖后的土壤细菌多样性水平。连续三年覆盖及通气显著改变了雷竹林土壤细菌群落组成。2021年覆盖末期,四种处理的优势细菌门为变形菌门Proteobacteria、酸杆菌门Acidobacteria和绿弯菌门Chloroflexi,优势细菌属为假单细胞菌属Pseudomonas,慢生根瘤菌属Bradyrhizobium和粪杆菌属Faecalibacterium。TA2和CK处理的细菌群落组成较为接近,而与TA1和TM处理差异较大。Mantel分析表明,土壤O2含量是覆盖末期影响细菌群落结构的最主要驱动因素。结构方程模型结果表明,在覆盖过程中,通气主要通过影响土壤酶活性的间接途径提高土壤的养分条件。土壤细菌的功能预测结果表明,连续覆盖三年后,与TM处理相比,TA2处理可以促进土壤碳(C)、氮(N)元素循环,而长期覆盖不通气则会对雷竹林土壤C、N元素的生物地球化学循环过程产生负面影响。4.2019年第一次覆盖显著提高了雷竹新竹的产量和竹杆胸径,三个覆盖处理中TA2处理提升效果最好。但是连续三年覆盖之后,雷竹新竹产量下降明显,特别是TM处理较第一年产量下降了35.49%;与TM处理相比,TA2处理可以显著提高雷竹新竹产量,并且一定程度上抑制雷竹林退化。连续覆盖不通气提高了雷竹叶片N/P比,表明尽管雷竹林土壤P元素非常丰富,但覆盖不通气会降低雷竹对P元素的吸收,导致雷竹的P匮缺。连续三年覆盖会导致雷竹鞭芽数量明显减少,与CK相比,TM处理中鞭芽数量减少了81.90%。TM处理的竹鞭上浮现象明显,TA2处理能缓解竹鞭上浮,促进竹鞭的粗生长。连续三年覆盖后,TM处理严重降低了雷竹叶片的气孔导度和蒸腾速率。TA2处理可显著提升覆盖条件下的雷竹光合能力。与其他处理相比,TM处理的鞭根丙二醛含量、抗氧化酶活性和厌氧呼吸酶活性显著上升,表明覆盖诱导雷竹竹鞭缺氧胁迫。TA2能提高土壤含氧量,有效缓解雷竹的缺氧胁迫。综上所述,连续三年覆盖处理会导致雷竹竹鞭和根系的缺氧胁迫,对雷竹地下部分器官的生长和发育产生不利影响。连续覆盖不通气降低了土壤细菌多样性,进而影响了土壤酶活性和土壤养分转化,诱导竹鞭缺氧胁迫和上浮,对雷竹生长和新竹生产产生负面影响。覆盖过程中进行通气处理,特别是强通气处理可以有效缓解雷竹鞭根缺氧胁迫,增强雷竹光合能力,提高细菌多样性和土壤养分有效性,促进雷竹生长。研究结果可以为揭示雷竹林退化机制提供理论依据,并为雷竹林可持续经营提供重要参考。
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