梁明月, 劉長安, 華帥, 段柱標

1. 中國科學院大學，北京100049；

2. 中國科學院西雙版納熱帶植物園/熱帶植物資源可持續(xù)利用重點實驗室，云南 勐臘666303

輕木（Ochroma lagopusSwartz）是木棉科常綠喬木，又稱為巴沙木，原產(chǎn)于南美洲熱帶地區(qū)，具有生長速度快，密度低，生產(chǎn)周期短等特點[1,2]?，F(xiàn)代大型風力發(fā)電機槳翼設(shè)計普遍采用輕木為基材的復合夾芯板，且無替代產(chǎn)品。我國輕木原料完全依賴進口，隨著輕木需求量持續(xù)攀升和中外貿(mào)易的不確定性，輕木原料供應已經(jīng)成為我國風能發(fā)電裝備制造業(yè)的“卡脖子”問題。

輕木林不能承受5級以上的風力[3]，西雙版納具有得天獨厚的氣候條件，積溫高，冬季無極端低溫，又無臺風，適合輕木的生長，是國內(nèi)唯一適合輕木規(guī)?；N植的地區(qū)[4]。國內(nèi)風電企業(yè)已在西雙版納建立了大規(guī)模的輕木種植基地，希望實現(xiàn)輕木原材料國產(chǎn)化。輕木生長速度快，土壤肥力消耗巨大，可持續(xù)性差，對土壤水分需求量大。輕木可持續(xù)栽培模式探索是實現(xiàn)輕木原料國產(chǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。大豆(Glycine max(Linn.) Merr.)是重要的糧食、油料、飼料和能源兼用作物，在西雙版納地區(qū)廣泛種植。林下套種大豆能夠有效提高土壤有機質(zhì)和土壤氮、磷、鉀等速效養(yǎng)分含量[5,6,7]。地膜覆蓋不僅可以有效抑制雜草生長、加速養(yǎng)分運轉(zhuǎn)為作物生長提供養(yǎng)分供給[8,9]，還可以通過減少蒸發(fā)和促進蒸騰作用提高水分利用效率[10,11]、增加土壤貯水量[12,13]。目前國內(nèi)外關(guān)于輕木可持續(xù)栽培模式的研究尚未見報道，希望我們的研究為輕木原料國產(chǎn)化提供重要理論依據(jù)和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究以2017年5月在中國科學院西雙版納植物園構(gòu)建的4.7 hm2輕木基地進行（21°55′N、101°14′E，海拔510 m）。該地區(qū)年平均氣溫 21.5℃，年平均降雨量 1 500 mm 左右。該地區(qū)屬于西南熱帶季風氣候，干、濕季變化明顯，一年可分為旱季和雨季，5—10 月為雨季，氣候濕熱，且集中了全年85%的降水；11月至次年4月為旱季，降雨較少。輕木種植規(guī)格3.5 m × 4.0 m，約675株·hm-2，每年輕木投入復合肥671.6 kg·hm-2（N: P2O5: K2O =1∶1∶1，總養(yǎng)分45%）。大豆選用“中黃57”，種子使用量約為119.4 kg·hm-2，2020年5月底播種，8月底收獲。

1.2 試驗設(shè)計

2020年5月進行試驗布置，該試驗共有3個處理：輕木純林、輕木-大豆復合林和輕木-大豆覆膜復合林。每個栽培模式各設(shè)3個重復，每個重復面積7 m×8 m，每個重復小區(qū)包括9株輕木。根據(jù)當?shù)卦耘啻胧?，大豆栽培均需起壟，壟?0 cm，溝寬30 cm，壟上大豆種植株行距20 × 25 cm，大豆投入復合肥為447.8 kg·hm-2（N: P2O5: K2O = 1∶1∶1，總養(yǎng)分45%）（見圖1）。為了控制輕木林下雜草的生長，覆膜處理采用的膜為黑膜。

1.3 采樣和檢測方法

2020年1月和8月，每個重復小區(qū)隨機鉆取4個0—20 cm的土樣，然后混合成一個樣。土樣風干過篩后檢測土壤全磷、速效磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。全磷用HClO4-HF消解，用iCAP7400 測定（Thermo Fisher Scientific U.S.A）。土壤速效磷測定前先對土樣進行pH測定，堿性土壤樣品用0.5 mol L-1NaHCO3浸提，酸性土壤用0.03 mol L-1NH4F-0.025 mol L-1HCl浸提，然后用Auto Analyzer 3進行測定（SEAL Analytical GmbH）。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮用2 mol L-1KCL提取，用Auto Analyzer 3進行測定（SEAL Analytical GmbH Germany）。2020年1月、5—12月及2021年1月對輕木胸徑進行監(jiān)測。截至2020年1月和2021年1月輕木生長期分別為2年8個月和3年8個月。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SAS軟件（8.0版）對不同栽培處理全磷、速效磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、輕木胸徑、材積進行方差分析（P≤ 0.05），用SigmaPlot 10.0進行制圖。對輕木胸徑統(tǒng)計分析時，我們先對每個重復樣地輕木胸徑求均值，再用每個樣地輕木胸徑均值再進行方差分析。同時，我們對中國科學院西雙版納熱帶植物園80年代收集的1 238個輕木胸徑和2.7 m莖干材積數(shù)據(jù)進行整理，并對二者之間的關(guān)系進行回歸。

2 結(jié)果

2.1 不同栽培處理土壤養(yǎng)分變化

2020年1月和8月不同栽培處理之間土壤全磷沒有顯著性差異（見圖2）。2020年1月不同栽培處理之間土壤速效磷含量沒有顯著差異。從2020年1月到2020年8月，輕木純林土壤速效磷出現(xiàn)下降趨勢，而輕木-大豆復合林和輕木-大豆覆膜復合林分別增加了5.54 mg kg-1和10.72 mg kg-1。從2020年1月到2020年8月，所有栽培處理土壤銨態(tài)氮含量顯著降低，而硝態(tài)氮含量顯著提高，其中覆膜復合林土壤硝態(tài)氮含量增加了126.32 mg kg-1。

圖 1 不同輕木栽培模式Fig. 1 Different cultivation modes of balsa wood plantations

2.2 不同栽培處理輕木胸徑和材積變化

試驗開始前，輕木純林、輕木-大豆復合林和輕木-大豆覆膜復合林 2年8個月的輕木胸徑分別為22.4、21.8和24.6 cm（見圖3）。經(jīng)過1年栽培處理之后，輕木純林、輕木-大豆復合林和輕木-大豆覆膜復合林胸徑分別為25.9、25.4和28.9 cm，分別比1年前增加了3.5、3.6和4.3 cm（見圖3和圖4）。2020年，輕木胸徑雨季增加量要明顯高于旱季，輕木純林、輕木-大豆復合林和輕木-大豆覆膜復合林雨季胸徑增加量分別占到全年胸徑增加量的58.3%、61.1%和61.4%。胸徑和2.7 m輕木莖干材積之間存在顯著二次冪函數(shù)關(guān)系（見圖5）。2年8個月輕木經(jīng)過1年生長之后，輕木純林、輕木-大豆復合林和輕木-大豆覆膜復合林2.7 m莖干材積分別增加了33.6%、35.2%和38.1%（見圖6）。

圖 2 2020年1月和8月不同處理0-20 cm土層土壤全磷、速效磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量Fig. 2 Contents of soil total phosphorus, available phosphorus, ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in 0-20 cm soil layer under different treatments in January and August 2020

圖 3 不同處理下2年8個月和3年8個月輕木胸徑大小Fig. 3 Diameter at breast height of balsa trees under different treatments for 2 years and 8 months and 3 years and 8 months

2.3 不同栽培處理土壤貯水量變化

2020年1月—2021年1月、2020年4月—2020年11月不同栽培處理之間0～100 cm土層土壤貯水量沒有顯著性差異（見圖7）。在2020年1月—2021年1月，輕木純林、輕木-大豆復合林和輕木-大豆覆膜復合林0～100 cm土層土壤貯水量增長分別為27.19 mm、44 mm、47 mm，輕木-大豆復合林和輕木-大豆覆膜復合林分別比輕木純林高出16.81 mm、19.81 mm。在2020年4月—2020年11月，輕木純林0～100 cm土層土壤貯水量降低了13.19 mm，輕木-大豆復合林和輕木-大豆覆膜復合林0～100 cm土層土壤貯水量分別提高了29.11 mm、21.74 mm。從同處理的不同時間變化來看（見圖8），在旱季，2020年4月輕木純林60～100 cm土層土壤貯水量明顯降低，這是由于旱季輕木生長，向更深土層獲取水分。在雨季（2020年8月），輕木純林0～20 cm土層土壤貯水量高出20～40 cm土層土壤貯水量，差值為12.06 mm，變化幅度大于其他層；輕木-大豆復合林和輕木-大豆覆膜復合林減少了0～20 cm與20～40 cm土層土壤貯水量的差值，在輕木-大豆復合林0～20 cm土層土壤貯水量高出20～40 cm土層土壤貯水量4.4 mm，輕木-大豆覆膜復合林提高了20～40 cm土層土壤貯水量，較之0～20 cm土層土壤貯水量增加了0.62 mm。

圖 4 2020年不同處理全年、雨季和旱季輕木胸徑增加量Fig. 4 The increase of DBH of balsa trees under different treatments in the whole year, rainy season and dry season in 2020

圖 5 輕木胸徑和2.7 m莖干材積之間的關(guān)系Fig. 5 Relationship between DBH and 2.7 m stem volume of balsa trees

圖 6 種植了2年8個月和3年8個月輕木2.7 m莖干的材積Fig. 6 The volume of 2.7 m stem of balsa wood planted for 2 year and 8 months and 3 year and 8 months

圖 7 2020年1月—2021年1月、2020年4月—2020年11月不同處理土壤貯水量變化Fig. 7 Changes of soil water storage under different treatments from January 2020 to January 2021 and from April 2020 to November 2020

圖 8 2020年1月—2021年1月不同處理土壤貯水量變化Fig. 8 Changes in soil water storage under different treatments from January 2020 to January 2021

3 討論和結(jié)論

輕木是世界上最速生的樹種之一，一年可長到6 m以上，直徑8-12 cm[14,15]，因此土壤肥力消耗巨大。土壤養(yǎng)分持續(xù)供給能力是確保輕木能夠持續(xù)快速生長的重要基礎(chǔ)。我們研究發(fā)現(xiàn)輕木林持續(xù)種植會導致土壤速效磷含量下降，而輕木林下覆膜栽培大豆可以顯著提高土壤速效磷含量。同時我們研究發(fā)現(xiàn)輕木林下覆膜栽培大豆更有利于提高土壤硝態(tài)氮含量，滿足輕木生長對速效氮的需求。有研究表明地膜覆蓋可以通過改善土壤水溫條件提高土壤微生物活性，加快碳氮的礦化提高養(yǎng)分的有效性[16]。因此輕木林下覆膜栽培大豆可以維持土壤肥力，同時可以減少氮肥的投入，避免氮肥過度投入對環(huán)境帶來的危害[17]。

風電企業(yè)收購輕木的標準是胸徑不低于20 cm。我們研究發(fā)現(xiàn)在西雙版納地區(qū)，當輕木種植2年8個月時輕木胸徑可達23 cm左右，符合企業(yè)收購標準。當輕木繼續(xù)種植到3年8個月時胸徑可達26 cm，經(jīng)過1年的生長，輕木2.7 m莖干材積增加了30%以上，同時輕木的主干高度增加1 m以上，綜合收益會持續(xù)顯著增加。因此，在西雙版納地區(qū)為了獲取較高的經(jīng)濟收入，輕木可以持續(xù)種4—5年。

輕木原產(chǎn)地氣候濕熱，終年有雨，年降雨量1 600～3 000 mm[1,3]。西雙版納地區(qū)氣候?qū)儆跓釒Ъ撅L氣候，年平均降雨量1 500 mm；年干濕季分明，可分為旱季 ( 11月—次年4月) 與雨季( 5—10月) ，旱季降雨量在300 mm左右; 雨季氣候濕熱，降雨量1 200 mm左右[18]。因此，西雙版納地區(qū)雨季非常適合輕木生長，但旱季較低的降雨將會對輕木的生長產(chǎn)生嚴重的制約，而干旱、缺水會對輕木幼苗的生長產(chǎn)生影響，從而導致其力學性質(zhì)的改變[19]。我們研究發(fā)現(xiàn)，在雨季，輕木純林種植會加劇20～40 cm土層土壤貯水量的消耗，而在旱季會加劇60～100 cm土壤貯水量的消耗，輕木-大豆覆膜復合林有效提高全年0～100 cm土層土壤總貯水量，改善旱季土壤貯水狀況，提高20～40 cm土層土壤貯水量。有研究表明地膜覆蓋可有效減少非生產(chǎn)性的蒸發(fā)，增加雨水蓄積，從而增加土壤貯水量[20,21]。此外，我們研究發(fā)現(xiàn)在西雙版納地區(qū)雨季輕木胸徑增加量可以找到占到全年的60%以上。因此，輕木林下覆膜栽培大豆可以維持土壤水分狀況，同時為了獲取更高的輕木產(chǎn)量，在有灌溉條件下可以在旱季對輕木進行灌溉。

總之，在西雙版納地區(qū)可以進行輕木的種植，輕木林下覆膜栽培大豆可以有效維持土壤肥力、提高土壤貯水量，促進輕木可持續(xù)生長。