施肥方式對筍用毛竹林氮流失的影響

楊 杰

(福建省林業(yè)科學(xué)研究院，國家林業(yè)和草原局南方山地用材林培育重點實驗室，福建省森林培育與林產(chǎn)品加工利用重點實驗室，福建 福州 350012)

毛竹(Phyllostachysedulis)是一種優(yōu)良的筍材兩用竹種，在我國具有廣泛的分布面積、悠久的栽培歷史和良好的經(jīng)濟效益[1]。毛竹林的生產(chǎn)經(jīng)營主要以筍用林為主，經(jīng)營措施包括伐竹、劈草、墾覆、施肥、噴水和挖筍等[2-3]。在所有經(jīng)營措施中墾覆和施肥是近年應(yīng)用最廣也是促進(jìn)筍產(chǎn)量不斷提高的最重要因素[2]，其中N肥在所有肥料中投入量最大，特別是在部分筍用毛竹林中N素施用量高達(dá)521.3 kg·hm-2，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)林業(yè)[4]。大量研究表明，單純致力于產(chǎn)量提高而進(jìn)行的N肥盲目投入和不科學(xué)的施肥方式易造成肥料利用率降低和土壤養(yǎng)分流失加劇[3,5]。汪慶兵等[6]對浙北毛竹林地表氮磷流失的研究表明，施肥后毛竹林NO3--N、NH4+-N和TN濃度分別高達(dá)0.04～1.02 mg·L-1、0.04～2.55 mg·L-1和2.07～5.40 mg·L-1，且研究周期內(nèi)超過水體富營養(yǎng)化閾值的次數(shù)超過總觀測次數(shù)的40.0%、42.5%和100%。與此同時，大量流失的養(yǎng)分進(jìn)入水體也在一定程度上加重了局部水體富營養(yǎng)化，引起一系列環(huán)境問題[7-8]。

毛竹林施肥方式主要有撒施、溝施和穴施3種[9]，其中撒施最為方便快捷，節(jié)省勞動力。溝施是傳統(tǒng)筍用林經(jīng)營過程中最普遍的施肥方式，溝施通過開溝的方式將肥料埋入土中，除了能夠提高養(yǎng)分利用率、減少肥料損失外還能夠起到松土和保水的作用[10]。穴施是直到近幾年才逐漸被廣泛利用的施肥方式，其不僅能夠?qū)⒎柿下袢胪林薪档头柿蠐p失也具有一定的蓄水、保水的作用[10]。然而，當(dāng)前研究普遍聚焦于施肥方式對筍竹產(chǎn)量及土壤質(zhì)量的影響[11-13]，很少關(guān)注到在降雨發(fā)生時由于施肥方式的不同引起的土壤和肥料中養(yǎng)分，特別是氮素流失的差異。因此，開展施肥方式對筍用毛竹林養(yǎng)分流失的影響研究尤為重要。該研究以毛竹林施用量最大的N為對象，建立竹林徑流場，收集徑流水樣品，測定不同施肥方式對毛竹筍用林氮素流失的影響，探索不同施肥方式條件下N流失規(guī)律，改善目前生產(chǎn)中僅基于經(jīng)驗開展的盲目施肥、粗放經(jīng)營的管理方式，為福建省毛竹林的科學(xué)經(jīng)營與氮素精準(zhǔn)管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于福建省尤溪縣九阜山(118°01′E，26°03′N)，為亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫16.6 ℃，年均降水量1 650 mm，降水主要集中在1—7月。毛竹林土壤類型主要為紅壤和黃紅壤，土壤pH為4.34～4.52，土壤有機質(zhì)含量為34.4～45.1 g·kg-1，堿解氮含量為153～216 mg·kg-1，有效磷含量為2.28～3.51 mg·kg-1，速效鉀含量為55.9～93.9 mg·kg-1，全氮含量為1.65～2.07 g·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計與樣品采集

試驗林由天然毛竹林改造而來，經(jīng)營歷史超過50年，西南朝向，生長良好，立竹密度2 400株·hm-2。研究于山谷和山頂分別選取1個試驗點，在每個試驗點分別選取10°、20°和30°坡建立試驗區(qū)，每個試驗區(qū)內(nèi)分別建立3個8 m×8 m的正方形試驗徑流場，每個徑流場面積為64 m2，相鄰徑流場及徑流場與外界環(huán)境之間用防水PVC板隔開，埋深30 cm，以防止?jié)B水，于徑流場內(nèi)側(cè)距防水板5～10 cm處開深度為10 cm的行水槽，徑流場最低端放置1個200 L的PVC積水桶，徑流產(chǎn)生后匯集于積水桶內(nèi)。試驗設(shè)3種施肥方式，分別為撒施、溝施(溝間距2 m、溝寬×溝深為20 cm×20 cm)和穴施(穴位于竹篼上坡方向30 cm、穴直徑×穴深為20 cm×20 cm)，每種施肥方式6個重復(fù)。

竹林為筍用毛竹林，小年長竹大年挖筍，近10年每年進(jìn)行鋤草和施肥1次，每2年砍除5年以上老竹。2020年2月進(jìn)行人工鋤草，2020年3月以3種施肥方式施入尿素(N≥46%)。按當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施肥量折算，每個試驗小區(qū)施尿素4.8 kg，施肥前以5點采樣法采集20 cm深土壤樣品。

施肥后至2020年12月31日前每次大雨結(jié)束后采集徑流水樣品，采集后裝入500 mL塑料瓶，密封帶回實驗室及時檢測徑流水中硝態(tài)氮(NO3--N)、銨態(tài)氮(NH4+-N)、總氮(TN)和總磷(TP)濃度，水樣品采集的同時詳細(xì)記錄各徑流場的徑流量。土壤樣品采集時，先將土壤表面枯枝落葉除去，采集20 cm深土壤樣品，捏碎混勻，分取500 g左右?guī)Щ貙嶒炇?，挑除根系雜草及肉眼可見的有機物質(zhì)，自然風(fēng)干后研磨過20目和100目篩，儲存待測。

1.3 樣品分析

水體中TN測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894—89)，NH4+-N測定采用靛酚藍(lán)比色法(GB/T 8538—1995)，NO3--N采用紫外分光光度法[14]，TP采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—89)[14]，每個樣品重復(fù)3次。

本底土壤pH的測定采用土水比1∶2.5進(jìn)行測定，土壤有機質(zhì)采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法，堿解氮的測定采用堿解擴散法，有效磷的測定采用鹽酸—氟化銨法，速效鉀測定采用乙酸銨浸提法，全氮測定采用半微量開氏法[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計

數(shù)據(jù)處理使用SPSS 18.0系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計分析，Duncan新復(fù)極差法測驗不同處理的差異顯著性；Origin 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥方式毛竹林徑流水氮磷含量

在整個試驗周期內(nèi)徑流水中NH4+-N、NO3--N和TN的平均含量在不同處理間總體表現(xiàn)為撒施>溝施>穴施(表1)。其中NH4+-N在溝施、撒施和穴施處理徑流水中的含量分別在0.77～3.35 mg·L-1、0.72～4.74 mg·L-1和0.99～2.12 mg·L-1之間，平均含量分別為1.86 mg·L-1、2.69 mg·L-1和1.49 mg·L-1。NO3--N在溝施、撒施和穴施處理毛竹林徑流水中的含量分別在1.11～2.44 mg·L-1、1.39～3.67 mg·L-1和0.99～2.11 mg·L-1之間，平均含量分別為1.75 mg·L-1、2.19 mg·L-1和1.50 mg·L-1。TN在溝施、撒施和穴施處理毛竹林徑流水中的含量分別在1.86～7.54 mg·L-1、2.35～9.14 mg·L-1和2.18～6.91 mg·L-1之間，平均含量分別為4.06 mg·L-1、4.66 mg·L-1和3.60 mg·L-1。

與NH4+-N、NO3--N和TN不同，不同處理徑流水中TP平均含量表現(xiàn)為溝施>穴施>撒施，含量分別為0.90 mg·L-1、0.75 mg·L-1和0.84 mg·L-1(表1)。

表1 不同施肥方式毛竹林徑流水NH4+-N、NO3--N、TN和TP濃度Tab.1 The contents of NH4+-N, NO3--N, TN and TP in runoff water from Ph. edulis with different fertilization methods

總體來看，無論是溝施、撒施還是穴施，施肥后短期內(nèi)徑流水中NH4+-N、NO3--N和TN含量均較高，隨施肥時間的推移有所降低，而不同處理TP的含量在整個試驗周期內(nèi)無明顯規(guī)律性(表1)。

如圖1所示，NH4+-N/NO3--N和NH4+-N/TN在施肥后表現(xiàn)為先升高后降低再升高的趨勢，其中NH4+-N/NO3--N最高和最低分別為1.66和0.60；NH4+-N/TN最高和最低分別為0.85和0.29。NO3--N/TN和TP/TN在施肥后均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，在整個試驗周期內(nèi)變化范圍分別為0.33～0.69和0.02～0.47。

圖1 NH4+-N/NO3--N、 NH4+-N/TN、NO3--N/TN和TP/TN變化趨勢Fig.1 The change trends of NH4+-N/NO3--N, NH4+-N/TN, NO3--N/TN and TP/TN

2.2 不同施肥方式毛竹林氮磷徑流流失量

不同施肥方式之間徑流量幾乎沒有差異(圖2)，變化趨勢也相同。溝施、撒施和穴施處理單次徑流量最高均為31.3 t·hm-2，最低分別為2.47 t·hm-2、2.37 t·hm-2和1.82 t·hm-2，徑流總量分別為67.3 t·hm-2、65.1 t·hm-2和65.8 t·hm-2。

圖2 不同施肥方式徑流量Fig.2 Water runoff amount of different fertilization methods

對不同施肥方式NH4+-N流失量計算后發(fā)現(xiàn)3種施肥方式施肥后短期內(nèi)NH4+-N單次流失量均較高，而后迅速下降，但在整個試驗周期內(nèi)無明顯規(guī)律性變化(圖3A)。總體來看，施肥后至5月27日，不同施肥方式NH4+-N單次流失量均表現(xiàn)為撒施>溝施>穴施，單次流失量最高分別為148.2 g·hm-2、104.5 g·hm-2和55.9 g·hm-2，最低分別為2.5 g·hm-2、2.4 g·hm-2和2.5 g·hm-2。全年來看，不同施肥方式單次流失量無明顯規(guī)律性，每年溝施、撒施和穴施處理總流失量分別為158 g·hm-2、228 g·hm-2和101 g·hm-2。差異顯著性分析結(jié)果表明，撒施處理NH4+-N單次流失量于5月8日和6月10日顯著高于溝施和穴施處理(P<0.05，圖3A)，于4月18日單次流失量顯著高于穴施處理(P<0.05，圖3A)，其余時間內(nèi)不同處理之間均無顯著性差異(P>0.05，圖3A)。

圖3 不同施肥方式NH4+-N(A)、NO3--N(B)、TN(C)和 TP(D)流失量Fig.3 The NH4+-N (A), NO3--N (B), TN (C) and TP (D) runoff amount of different fertilization methods

由圖3可知，NO3--N與TN的流失量隨時間變化無明顯規(guī)律性(圖3B和3C)，其中不同處理NO3--N在整個試驗周期內(nèi)單次流失量分別在2.8～76.3 g·hm-2、4.8～115.0 g·hm-2和3.0～54.8 g·hm-2之間，每年總流失量分別為132 g·hm-2、178 g·hm-2和104 g·hm-2。不同處理TN單次流失量分別為10.6～236.0 g·hm-2、10.4～286.0 g·hm-2和5.0～216.0 g·hm-2，年流失總量分別為354 g·hm-2、418 g·hm-2和322 g·hm-2。差異顯著性分析結(jié)果表明，僅4月9日NO3--N單次流失量在撒施和穴施處理之間具有顯著性差異(P<0.05，圖3B)，而在整個試驗周期內(nèi)，TN單次流失量在不同處理之間差異均不顯著(P>0.05，圖3C)。

與NH4+-N、NO3--N和TN不同，TP在整個試驗周期內(nèi)無論是單次流失量還是流失總量均較低(圖3D)，且不同處理毛竹林TP單次流失量無明顯規(guī)律性變化。整個試驗周期內(nèi)溝施、撒施和穴施毛竹林TP單次流失量變化范圍分別為0.29～8.54 g·hm-2、0.14～5.12 g·hm-2和0.20～10.10 g·hm-2，年流失總量表現(xiàn)為溝施>穴施>撒施，年流失量分別為39.3 g·hm-2、33.3 g·hm-2和26.1 g·hm-2。

2.3 施肥方式與氮磷流失相關(guān)性

徑流水中NH4+-N、NO3--N、TN和TP含量相關(guān)性分析結(jié)果表明TN與NH4+-N及NO3--N之間均具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01，圖4A和4B)，NH4+-N與NO3--N之間及TN與TP之間具有顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05，圖4C和4D)。

圖4 徑流水中TN與NH4+-N含量(A)、TN含量與NO3--N含量(B)、NO3--N與NH4+-N含量(C)及TN與TP含量(D)之間相關(guān)關(guān)系Fig.4 The correlation between TN and NH4+-N content (A), between TN and NO3--N content (B), between NO3--N and NH4+-N (C), and between TN and TP content (D) in runoff water

3 討論

3.1 徑流水中N形態(tài)隨時間不斷變化

降雨產(chǎn)生徑流是促使養(yǎng)分流失最主要的因素，除此之外養(yǎng)分流失還受土壤類型、礦物晶格組成和土壤膠體類型等微環(huán)境的影響[16]。研究表明，土壤膠體帶有負(fù)電荷，因此土壤顆粒和土壤膠體對NH4+有很強的吸附作用[16]，同時NH4+-N不穩(wěn)定容易通過揮發(fā)的形式氣態(tài)損失或通過硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N[17]，再加上毛竹林本身具有一定的坡度，土壤通氣性好[18]，使得NH4+-N更加容易被氧化，因而在整個試驗周期中NH4+-N/NO3--N僅在施肥后的短期內(nèi)急劇升高后不斷降低。當(dāng)施入土壤的肥料在隨水流失、轉(zhuǎn)化、毛竹吸收利用等共同作用下已被消耗殆盡時，土壤膠體釋放的N占水體中總N的比例便不斷升高，由于土壤顆粒和土壤膠體吸附、固定的均為NH4+-N[16-18]，致使NH4+-N/NO3--N在整個試驗的后期再次有所升高。

3.2 施肥方式對毛竹林土壤養(yǎng)分流失的影響

毛竹林施肥主要有撒施、溝施和穴施3種，撒施被認(rèn)為是最為方便快捷，節(jié)省時間和勞動力成本的方式而逐漸被廣泛推崇，但有研究表明[19]，長期撒施容易引起竹鞭上浮、林下植被生長過快、增加水土流失風(fēng)險等問題。溝施通過開溝的方式將肥料埋入土中，除了能夠在施肥的同時疏松土壤、提高養(yǎng)分利用率、減少肥料損失外，沿水平線開挖的施肥溝還能夠起到蓄水、保水和透氣的作用[10]，有利于筍竹生長。而研究中不同施肥方式之間單次徑流量和總徑流量均無明顯差異(圖2)，可能是由于當(dāng)年當(dāng)?shù)乜偨涤炅枯^少，且降雨較為集中所致。穴施是直到近幾年才逐漸被廣泛利用的施肥方式，研究表明其不僅能夠?qū)⒎柿下袢胪林薪档头柿蠐p失也具有一定的蓄水、保水的作用[10]。研究中穴施施肥方式無論是徑流水中NH4+-N，NO3--N和TN的平均濃度還是總流失量均遠(yuǎn)小于溝施和撒施(表1和2)，表明穴施引發(fā)竹林養(yǎng)分流失的風(fēng)險最低。

進(jìn)一步對徑流水中TP含量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，與NH4+-N、NO3--N和TN的濃度相反，徑流水中TP的平均濃度和流失量均表現(xiàn)為溝施>穴施>撒施，因試驗過程中未有P肥輸入，因此隨徑流水流失的P主要來源于土壤風(fēng)化和有機物質(zhì)分解礦化。由于P在土壤中易被固定，因此在降水發(fā)生時P損失的主要載體是隨水流失的泥沙[20]。而溝施對土壤的擾動最為強烈，導(dǎo)致竹林地面粗糙度和土壤疏松度增加，且有機物質(zhì)接觸空氣后礦化速率加快，吸附有少量N、P等養(yǎng)分元素的土壤微小顆粒更容易隨徑流水流失，因此表現(xiàn)為溝施處理TP流失量最大，同時也表明竹林經(jīng)營過程中除了施肥帶來的肥料中養(yǎng)分流失外，對土壤的擾動也是造成土壤養(yǎng)分流失的因素之一[17,21]。對NH4+-N，NO3--N、TN和TP之間相關(guān)性分析結(jié)果也表明TN分別與NH4+-N和NO3--N之間均具有極顯著相關(guān)關(guān)系而TN與TP之間相關(guān)性不明顯(圖4A、4B、4D)，表明TN與NH4+-N和NO3--N之間關(guān)系更為密切，來源可能相同，而TN與TP來源不同。因此在坡地毛竹林經(jīng)營過程中，做到覆土施肥的同時應(yīng)盡量降低施肥對土壤的擾動，減少土壤自身養(yǎng)分的流失。

3.3 毛竹林養(yǎng)分流失對水體污染的貢獻(xiàn)有限

農(nóng)林業(yè)土壤養(yǎng)分流失所引起的環(huán)境問題受到越來越多的廣泛關(guān)注，其中N作為最主要面源污染物的產(chǎn)生過程和遷移途徑受降雨和地形地貌影響最為明顯[22-24]。在諸多因素中，合理的耕作方式和養(yǎng)分管理被認(rèn)為是減少水土和養(yǎng)分流失最有效的措施[24]。研究表明[25-26]，在坡地耕作的過程中地表徑流是土壤養(yǎng)分流失最主要的流失通道，施肥方式對養(yǎng)分流失具有明顯的影響[26]。毛竹林作為我國南方地區(qū)最重要的經(jīng)濟林分之一，全國分布面積超過460萬hm2[27]，在所有森林類型中經(jīng)營水平最高，施肥密度最大，因此在很多地區(qū)毛竹林的經(jīng)營被認(rèn)為是土壤養(yǎng)分流失和水體富營養(yǎng)化的主要貢獻(xiàn)者[2,3,25]。張奇春等[28]關(guān)于毛竹林生態(tài)系統(tǒng)地表徑流與氮素流失的研究結(jié)果表明，沿江毛竹林年徑流總量、泥沙流失量和全氮流失量分別高達(dá)568 t·hm-2、692 kg·hm-2和1.84 kg·hm-2。陸榮杰等[21]對浙北集約經(jīng)營毛竹林的研究結(jié)果顯示，集約經(jīng)營毛竹林總氮年單位流失量可達(dá)45.26 kg·hm-2，比粗放經(jīng)營毛竹林增加了80.68%，需要重點關(guān)注。該研究涉及的筍用毛竹林位于福建省中部，不同施肥方式中單位面積TN流失量最高為418 g·hm-2(表2)，與已有研究差距較大，表明地理位置、立地環(huán)境、經(jīng)營方式等均會對竹林氮素流失造成影響。此外，該研究中毛竹林單位面積TN流失量遠(yuǎn)小于同領(lǐng)域中花卉(12.6 kg·hm-2)[24]、雷竹(Phyllostachyspraecox‘Prevernalis’)林(53.0 kg·hm-2)[29]和山核桃(Caryacathayensis)林(11.0 kg·hm-2)[17]等經(jīng)濟林流失量，也無法與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域水稻(Oryzasativa)(20.0 kg·hm-2)[30]、玉米(Zeamays)(5.1 kg·hm-2)[20]和冬小麥(Triticumaestivum)(1.5 kg·hm-2)[31]等農(nóng)作物種植過程養(yǎng)分流失相比，表明在經(jīng)營方式合理的條件下，由人類經(jīng)營活動引起的毛竹林養(yǎng)分流失對水體污染的貢獻(xiàn)是有限的。

表2 不同植物N、P流失量Tab.2 The N and P runoff amount of different plants

4 結(jié)論

施肥方式對毛竹林N流失有明顯影響，穴施有助于減少毛竹林N流失量，降低林區(qū)局部水體污染風(fēng)險。由毛竹林經(jīng)營施肥而引起的N流失量遠(yuǎn)小于其它主要經(jīng)濟林分和主要農(nóng)作物，對水體污染的貢獻(xiàn)有限。