不同氮濃度添加對樟子松幼苗根際土壤的影響

李思怡，劉松青，吳雅琨，趙金金，劉洋，劉錚

（1.沈陽寶華天潤農(nóng)業(yè)科技有限公司，遼寧沈陽 110134；2.遼寧省農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧沈陽 110031；3.葫蘆島市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧葫蘆島 125000；4.葫蘆島市農(nóng)業(yè)綜合行政執(zhí)法隊(duì)，遼寧葫蘆島 125000；5.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，遼寧沈陽 110161）

樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）是松科松屬常綠喬木，具有紋理直、材質(zhì)堅(jiān)硬、生長速度快、抗寒抗旱能力強(qiáng)的特性，是我國“三北”地區(qū)主要造林樹種，也是我國所需木材的重要來源，具有較高的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益[1]。近年來，我國在樟子松選種、育苗和栽培管理等方面取得了較為顯著的研究進(jìn)展，然而在實(shí)際造林過程中，存在樟子松應(yīng)用量大、幼苗供應(yīng)不足的問題，其主要原因是當(dāng)前的苗圃選育的樟子松幼苗質(zhì)量不好、移栽成活率不高、幼苗長勢不良等，這成為樟子松幼苗培育和人工造林蓬勃發(fā)展的限制因素[2]，影響后期造林推廣應(yīng)用。已有報(bào)道指出，作為最早引種樟子松的地區(qū)——章古臺，人工固沙樟子松純林大面積感病、相繼枯死，并出現(xiàn)明顯的生長衰退。為提高樟子松的栽培成活率，探索新的技術(shù)措施迫在眉睫。綜合文獻(xiàn)報(bào)道，氮素缺乏成為限制優(yōu)質(zhì)樟子松培育的關(guān)鍵因素之一[3-4]，氮的施入在一定程度上正向影響樟子松生長。同時(shí)，氮在植物體內(nèi)的作用是舉足輕重的，氮元素是組成有機(jī)化合物的重要成分，并從許多方面影響著植物的生長代謝和發(fā)育。由此推斷氮素對樟子松幼苗的生長發(fā)育也有一定的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)為內(nèi)蒙古呼倫貝爾市根河市大興安嶺國家級生態(tài)站，試驗(yàn)土壤為黑鈣土，試驗(yàn)時(shí)間為2022 年6—9月。試驗(yàn)植株為1 年生的樟子松幼苗，該批幼苗購于呼倫貝爾市根河市森工公司中心苗圃。試驗(yàn)土壤pH 為8.4，有機(jī)質(zhì)含量為15.56 g/kg，土壤有效氮含量為135 mg/kg，速效磷含量為8 mg/kg、速效鉀含量為120 mg/kg。

1.2 處理方法

選取大小相近的樟子松幼苗，用清水將根系淋洗干凈，經(jīng)消毒后移栽至裝有試驗(yàn)土壤的塑料盆中，經(jīng)過1 周緩苗，之后進(jìn)行氮添加試驗(yàn)。

選擇高純度的硝酸銨（NH4NO3）作為試驗(yàn)用氮肥，采用完全隨機(jī)分組設(shè)計(jì)，共設(shè)置4 個(gè)不同濃度的氮添加處理組，硝酸銨添加量分別為0、20、40、80 g/m2·a-1，并用CK、N1、N2 和N3 對應(yīng)表示，CK 組噴淋等量的清水。

分別在每月施肥后的第15 天對各個(gè)處理組用抖落法進(jìn)行土樣采集，經(jīng)晾干、研磨、過篩，用于pH 的測定、土壤中各養(yǎng)分含量的測定（有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀等）；挖取深度約5～10 cm 處的土壤，注意取土?xí)r不可破壞幼苗及根部，取土后將盆中土重新填好并壓緊，土壤樣品經(jīng)晾干、研磨、過20 目篩，用于土壤酶活性（脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖轉(zhuǎn)化酶）、土壤凈氮轉(zhuǎn)化率和N2O排放速率的測定。

1.3 試驗(yàn)方法

土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮含量、速效磷含量和速效鉀含量的測定分別采用pH 計(jì)法、LN/T1237-1999 標(biāo)準(zhǔn)方法、堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉法和火焰光度法。脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖轉(zhuǎn)化酶活性的測定分別采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、3，5-二硝基水楊酸比色法、高錳酸鉀滴定法和3，5-二硝基水楊酸比色法進(jìn)行測定。凈氮轉(zhuǎn)化分為凈氮硝化速率（Rn）和凈氮礦化速率（Rm），參照王子龍（2021）的方法對Rn 和Rm 進(jìn)行計(jì)算，通過平行培養(yǎng)試驗(yàn)測定N2O 排放速率。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度氮添加對土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 不同濃度氮添加對土壤pH 的影響。供試土壤初始pH 為8.4。試驗(yàn)各階段土壤pH 如表1 所示。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，各處理組土壤pH 均逐漸降低，其中N3 處理組pH下降幅度最大，為0.36 個(gè)pH 單位。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是由于試驗(yàn)用氮肥屬酸性肥料導(dǎo)致的。

表1 各處理組不同時(shí)期的土壤pH

2.1.2 不同濃度氮添加對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響。供試土壤的初始有機(jī)質(zhì)含量為15.56 g/kg。由表2 可知，土壤有機(jī)質(zhì)含量持續(xù)減少，說明植物的生長以及土壤微生物的生命活動(dòng)會(huì)消耗土壤中的有機(jī)質(zhì)。其中N3 處理組有機(jī)質(zhì)含量減少最多，為0.94 g/kg?？梢酝茢?，單施氮肥與土壤有機(jī)質(zhì)含量沒有線性關(guān)系，也可能是受環(huán)境溫度的影響，植物生長吸收及土壤微生物繁殖和分解發(fā)生了不確定的改變，從而使有機(jī)質(zhì)含量沒有表現(xiàn)出規(guī)律的變化。

表2 各處理組不同時(shí)期的土壤有機(jī)質(zhì)含量g/kg

2.1.3 不同濃度氮添加對土壤有效氮含量的影響。供試土壤初始有效氮含量為135 mg/kg。4 個(gè)處理組在9 月測定的值分別為94、99、137 和347 mg/kg（表3）。由數(shù)據(jù)可知，CK 組試驗(yàn)?zāi)┢谟行У陆底钌?，?1 mg/kg；N2 處理組與本組初始值相差不大；N3 處理組比初始有效氮含量多，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CK 處理組，說明N2 處理的氮添加量可以基本滿足試驗(yàn)植物的氮需求，N3 處理組土壤出現(xiàn)了氮素富集的情況。在測定各處理組土壤有效氮含量時(shí)發(fā)現(xiàn)，各組由于氮添加量的不同，對氮素的利用率也有較大差異。

表3 各處理組不同時(shí)期的土壤有效氮含量mg/kg

2.1.4 不同濃度氮添加對土壤速效磷含量的影響。供試土壤初始速效磷含量為8 mg/kg。4 個(gè)處理組的速效磷含量均有較為一致的下降趨勢。其中N2 處理組速效磷減少量最多，為4.14 mg/kg；N3 處理組減少量最少，為3.14 mg/kg（表4）。說明N2 處理的氮添加量更適宜植物對磷元素的吸收，而N3 處理的氮添加量在一定程度上阻礙了磷元素的吸收。

表4 各處理組不同時(shí)期的土壤速效磷含量mg/kg

2.1.5 不同濃度氮添加對土壤速效鉀含量的影響。供試土壤初始速效鉀含量為120 mg/kg。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，4 個(gè)處理組土壤中速效鉀含量整體呈現(xiàn)出較為一致的下降趨勢，其中N2 處理組減少量最多，為42 mg/kg（表5）。說明在CK 處理組和N3 處理組的氮肥添加量條件下，植物對速效鉀的吸收能力基本相同；N2 處理組氮添加量有利于植物對鉀元素的吸收。由此可以推斷，氮添加量過低或過高均會(huì)抑制植物對鉀元素的吸收。

表5 各處理組不同時(shí)期的土壤速效鉀含量mg/kg

2.2 不同氮濃度添加對土壤酶活性的影響

2.2.1 不同氮濃度添加對土壤脲酶活性的影響。9 月測定值為N2＞N1＞N3＞CK（表6）。CK 和N3 處理組試驗(yàn)各階段酶活基本保持不變；N1 和N2 處理組的酶活性在試驗(yàn)?zāi)┢诰性鰪?qiáng)，且N2 處理組酶活增強(qiáng)最為明顯，由最初的0.26 mg·g-1·24 h-1上升至0.30 mg·g-1·24 h-1?？芍?，在一定范圍內(nèi)，脲酶活性隨著氮添加量的加大呈增強(qiáng)的趨勢，當(dāng)?shù)砑恿康竭_(dá)一定值后，脲酶活性又隨氮添加量的增大而減弱。

表6 各處理組不同時(shí)期的土壤脲酶活性mg/g·24 h-1

2.2.2 不同氮濃度添加對土壤堿性磷酸酶活性的影響。9月測定值為N3＞N2=N1＞CK（表7）。4 個(gè)處理組在整個(gè)試驗(yàn)周期中，堿性磷酸酶的活性均表現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢。可知3 種氮添加量對土壤堿性磷酸酶活性的影響沒有太大差異，而不額外添加氮元素則相對阻礙了堿性磷酸酶的活性增強(qiáng)。

表7 各處理組不同時(shí)期的土壤堿性磷酸酶活性 mg/g·24 h-1

2.2.3 不同氮濃度添加對土壤過氧化氫酶活性的影響。9月測定值為N1=N3＞N2=CK（表8）?？芍? 個(gè)處理組過氧化氫酶活性均有小幅提高，但在試驗(yàn)?zāi)┢? 組基本相同。其中N1、N2 和N3 處理組在第2 次測定時(shí)，體現(xiàn)出周期內(nèi)相對大的變幅，而后續(xù)測定值則組間無明顯差異。可能是由于季節(jié)溫度等條件的變化以及土壤中微生物數(shù)量及活性對該酶產(chǎn)生了一定影響[5-6]。從整體來看，4 個(gè)處理組氮添加量的范圍內(nèi)，氮元素含量的變化對過氧化氫酶活性沒有顯著影響。

表8 各處理組不同時(shí)期的土壤過氧化氫酶活性0.1 mol/L KMnO4 g-1·h-1

2.2.4 不同氮濃度添加對土壤蔗糖轉(zhuǎn)化酶活性的影響。9月測定值為N1=N3＞N2＞CK（表9）。該酶活性隨著試驗(yàn)的進(jìn)行和氮的添加呈現(xiàn)出遞增的趨勢。其中N2 處理組試驗(yàn)初期和末期酶活性的變化最大，為24 mg·g-1·24 h-1。說明施用氮肥可以提高土壤蔗糖轉(zhuǎn)化酶的活性。

表9 各處理組不同時(shí)期的土壤蔗糖轉(zhuǎn)化酶活性 mg/g·24 h-1

2.2.5 不同氮濃度添加對土壤凈氮轉(zhuǎn)化的影響。整個(gè)試驗(yàn)過程中，凈氮硝化速率和凈氮礦化率在組內(nèi)及組間均呈現(xiàn)出遞增的趨勢，試驗(yàn)?zāi)┢跍y定結(jié)果Rn 和Rm 均為N3＞N1＞N2＞CK（表10）。N3 試驗(yàn)?zāi)┢诘膬舻趸俾屎蛢舻V化率分別為0.46 mg N·kg-1·d-1和0.52 mg N·kg-1·d-1，說明不同氮添加量對土壤凈氮轉(zhuǎn)化率有較為明顯的影響。

表10 各處理組不同時(shí)期的土壤凈氮硝化速率和凈氮礦化率mg N/kg·d-1

2.2.6 不同氮濃度添加對N2O 轉(zhuǎn)化率的影響。N2O 排放速率隨氮肥施入量的增多而增加，且N1、N2、N3 處理組N2O排放速率均高于CK 處理組（表11）。很多研究也發(fā)現(xiàn)，施肥后N2O 排放速率迅速增高[7]。但N3 處理組在9 月進(jìn)行的測定結(jié)果為5.71 μg N·kg-1·d-1，并未明顯大于其他處理組，這可能是因?yàn)镹2O 排放速率受到了土壤或環(huán)境中其他因素的抑制。

表11 各處理組不同時(shí)期的土壤N2O 排放速率μg N/kg·d-1

3 討論與結(jié)論

植物能否獲取充足的水分和養(yǎng)分與根系的健康程度有直接聯(lián)系[8]。土壤各元素之間存在相互促進(jìn)和相互抑制的關(guān)系[9]。該研究單一控制氮肥的額外添加量，未對其余營養(yǎng)元素進(jìn)行控制，可能導(dǎo)致了某元素的缺失對其他營養(yǎng)元素、土壤酶活性、根系微生物活性等造成影響。某一營養(yǎng)元素的缺乏，會(huì)使植物出現(xiàn)缺素癥；而某一營養(yǎng)元素過多，也會(huì)抑制植物對其他物質(zhì)的吸收和轉(zhuǎn)化利用，進(jìn)而導(dǎo)致植物生長不健康。

部分土壤酶活性隨著氮添加量的增多而增強(qiáng)，部分土壤酶活性與氮添加量沒有規(guī)則的線性關(guān)系，這可能是由于土壤酶對土壤環(huán)境因素敏感，不同研究者在不同區(qū)域和土壤上的研究結(jié)果存在較大差異。但可以確定的是，氮添加量對土壤酶活性的正向影響存在閾值[10]，即在一定范圍內(nèi)，土壤酶活性隨氮添加量的增加而增強(qiáng)，在到達(dá)某一限值后，土壤酶活性則不再與氮添加量呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，而是隨著氮添加量的增大而逐漸減弱。試驗(yàn)中原始土壤的磷含量相對較低，可能是造成N2O 排放速率受限的因素之一。

適當(dāng)量的氮添加有利于樟子松生長發(fā)育，但土壤中高濃度的氮亦會(huì)抑制根系對氮素以及其他營養(yǎng)元素的吸收，其吸收利用率甚至低于不額外施入氮肥的處理組。與此同時(shí)，由于土壤中磷含量的持續(xù)下降，可能導(dǎo)致植物對磷的需求量得不到滿足，限制了氮素的吸收。