不同种类的肥料对不同年龄毛竹根际土壤氮形态含量的影响

吴珍花，杜禹妍，江 斌，张文元，郭晓敏*

(1.江西农业大学 园林与艺术学院，江西 南昌 330045;2.江西省森林培育重点实验室，江西 南昌 330045;3.南京林业大学，江苏 南京 210000;4.江西省官山林场，江西 吉安 331500)

氮是植物生长发育所需的大量营养元素之一，是组成生物体各种有机物质的重要组成成分［1-2］。土壤氮素养分是决定土壤肥力和植物生物量生产力的一个重要因素［3］。不同形态氮的存在和分布是土壤中氮素循环过程的具体体现［4］。根际是植物根系周围，受植物根系生长、根系分泌物释放导致与原土体具有不同理化性质的微环境区域［5］，是土壤水分和矿物质进入根系参与生物循环的门户，也是根系自身生命活动和代谢对土壤影响最直接、最强烈的区域［6］。植物对氮素的获取受控于土壤供氮情况，而这取决于从土体到根表面的氮通量以及根际土壤氮素的原始浓度和转化效率［3］。土壤氮库的氮形态是影响土壤氮素植物利用效率的因素之一［7］，不同形态氮的化学组成和性质的不同，决定了其在转化特征、生物有效性及移动性等方面的差异［8］。植物可直接吸收利用的氮素主要是铵态氮和硝态氮，但在吸收、运输、同化、能量要求和C骨架需求方面不同［9］，对不同碳源呈现不同的生长响应［10］。

毛竹(Phyllostachys edulis(Carr.)H.de Lehaie)是我国竹林中分布范围最广、面积最大、蓄积量最多、经济价值最高的竹类植物之一［11］，约占我国竹林总面积的70%［12］，在区域碳预算中发挥重要的作用［13］。氮素是毛竹在生长过程中需求量最大的元素［14］，生产1 000 kg生物量需消耗N 5.4 kg，K2O 2 kg，P2O50.72 kg［15］。在毛竹的经营过程中，伐竹挖笋带走了大量的营养物质，同时毛竹枯枝落叶量少，养分归还量较少，造成竹林地养分匮乏和生产力下降。因此，施肥是确保毛竹林持续高产和经济收益的一项重要经营管理措施［16］。不同种类的肥料对土壤养分含量提高的程度也不同，在传统的施肥研究和生产实践中采用的施肥措施，大多数是基于传统的经验方法，施肥种类、用量、时间等条件的确定都是经验所得，这些方法虽然对林地土壤养分含量具有一定的提高作用，但是存在一系列的问题，如肥料利用率较低、肥效时间短暂等。同时相同的施肥方法和用量对不同区域土壤养分含量的提高值不同，主要原因可能是由于不同地区毛竹林土壤的养分本底值不同，且林分结构不同造成对土壤养分的吸收状况存在差异。目前，关于毛竹林施肥的研究主要集中于提高毛竹林生产力及施肥时期的确定［17］，受到毛竹鞭—竹系统的生长特性，很难做到竹株与土壤的一一对应，对毛竹根际微域的研究仅有少量报道。因此，为了研究不同种类肥料对毛竹根际土壤氮形态含量的影响，以促进其集约经营，本研究通过对施用不同肥料种类毛竹根际土壤各种氮素含量进行测定分析，探索毛竹根际土壤氮素含量对不同肥料类型处理的响应，以期为毛竹的高效施肥和培育技术提供理论依据。

1 研究区概况

本次试验基地位于江西省吉安市永丰县官山林场(115.30E，27.26N)内的毛竹林区，区域位于中亚热带温暖湿润气候区，总体上属于中山山地地貌。气候特点为四季分明、光照充足、无霜期长等，境内小气候较为明显，夏无酷暑，冬无严寒。年平均气温16.2℃，7月平均气温26.1℃，1月平均气温4.5℃，年平均降水量1 950～2 100 mm。区域内主要植被类型有针阔混交林、天然次生落叶阔叶林、常绿阔叶林。主要人工林有杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.)、马尾松(Pinus massoniana Lamb.)、刺槐(Robinia pseudoacacia Linn.)、毛竹(Phyllostachys edulis(Carr.)H.de Lehaie)等。

2 材料和方法

2.1 试验设计

试验样地采用立地条件控制相结合的方法，选择江西永丰立地条件和竹林结构一致的成片毛竹林，随机设置12块固定标准地，每块样地面积为400 m2，每块样地间距10 m。试验设置4种不同处理，每种处理3个重复。处理Ⅰ(K1):3块样地各施45%毛竹专用矿渣肥(利用工业原料钢渣中的有益矿质元素，通过添加改性剂、大量元素等适合毛竹营养需求的新型专用控释肥，其养分含量为45%，其中N ∶P2O5∶K2O=1∶0.67∶0.48，安徽文胜肥业有限责任公司生产)15 kg;处理Ⅱ(K2):3 块样地各施 39%毛竹专用矿渣肥(志用控释肥，但其养分含量为 39%，其中 N ∶P2O5∶K2O=1∶0.31∶0.29)15 kg;处理Ⅲ(ZYF):3块样地各施毛竹专用肥(江西农业大学针对江西省毛竹林地土壤状况而研制，其养分含量为27%，N ∶P2O5∶K2O=1∶0.68∶0.98，湖南浏阳复混肥厂生产)15 kg;处理Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ均施肥结合垦复处理，对照(CK):3块样地不施肥但垦复。施肥方式:以沟施方式，施肥时间从2008年开始一年两次分别约在3月和8月施肥。

2.2 样品采集与处理方法

2.2.1 样品采集 于2013年8月份对各样地毛竹进行每竹检尺，计算其平均胸径，根据计算结果，在每样地内分别选取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ度竹各3株，考虑毛竹生长的特点，以抖落法方式进行根际土样的采集［18］，即沿毛竹基部挖开，以抖落法顺竹蔸取粘在根上粒径＜1 mm土壤作为根际土壤样品。取其根际土300 g，带回室内风干，过0.25 mm网筛，保存供分析。

2.2.2 测试指标及方法 土壤有机质、pH、全氮、碱解N、铵态氮、硝态氮分别采用重铬酸钾容量法、pH计法(无CO2水浸提)、凯氏定氮法、碱解扩散法、靛酚蓝比色法、双波长紫外比色法。测定方法均根据《森林土壤分析方法》(1999)中的方法和步骤进行。

将凯氏定氮法测定值算作全氮含量;土壤无机氮为铵态氮和硝态氮之和，有机氮为凯氏定氮法测定值与铵态氮之差。计算贡献率过程中，土壤全氮为凯氏定氮法测定值与硝态氮之和［19］。

2.2.3 数据处理 数据采用 Excel 2007、SPSS 19.0 和 Sigmaplot 10.0 处理。

3 结果与分析

3.1 不同肥料种类对毛竹根际土壤氮形态含量的影响

3.1.1 全氮和碱解氮 对不同肥料处理毛竹根际土壤全氮和碱解氮进行分析(表1)可知，毛竹根际土壤全氮和碱解氮随着毛竹年龄的增加呈现一定的规律性变化，总体为升—降的变化趋势。对其进行肥料和年龄的双因素方差分析(表2)可知，仅肥料种类对毛竹根际土壤全氮含量有显著影响，多重比较结果与有机质含量相似;而肥料、年龄及它们的交互作用对毛竹根际土壤碱解氮含量均有显著影响，39%矿渣肥处理显著大于其他处理，对照处理显著小于其他处理，而毛竹专用肥和39%矿渣肥处理间无显著差异。由于碱解氮为植物短期内可吸收利用的氮素，因此，不同肥料和不同年龄毛竹根际土壤可利用氮素均具有差异。

以肥料和年龄的组合作为因素，进行单因素方差分析和多重比较可知，不同组合间毛竹根际土壤全氮和碱解氮差异显著。45%矿渣肥处理III度竹根际土壤全氮、II度和III度竹根际土壤碱解氮及39%矿渣肥处理II度和IV度竹根际土壤碱解氮显著大于其他年龄竹子，其余肥料处理不同年龄毛竹根际土壤全氮和碱解氮无显著差异;相同年龄不同肥料处理间，除了III度竹在45%和39%矿渣肥间无显著差异外，39%矿渣肥处理各龄毛竹根际土壤全氮和碱解氮均显著大于其余肥料处理对应年龄毛竹根际土壤。

3.1.2 有机氮 土壤有机氮是矿质态氮的源和库，影响土壤氮素的有效性［20］。毛竹根际土壤有机氮在不同年龄间的变化趋势大体上与全氮相同，但对照处理毛竹根际土壤有机氮随年龄的增加略有减小的趋势。毛竹根际土壤有机氮仅在不同肥料种类间差异显著，且39%矿渣肥处理毛竹根际有机氮含量显著大于其他肥料处理。

以肥料和年龄的组合作为因素，进行单因素方差分析和多重比较可知，不同组合间毛竹根际土壤全氮和碱解氮差异显著。除了45%矿渣肥处理中III度竹显著大于IV度竹外，其余肥料处理不同年龄间无显著差异。除了III度竹根际土壤有机氮含量在不同肥料处理间无显著差异，其余年龄毛竹根际土壤有机质含量为39%矿渣肥处理显著大于对照处理。

3.1.3 无机氮 土壤无机氮包括铵态氮和硝态氮等。毛竹根际土壤无机氮和铵态氮在不同年龄间的变化规律大体相同，与硝态氮略有差异，相对无机氮和铵态氮，硝态氮在不同年龄间的变化较平缓。除了对照处理无机氮和铵态氮在不同年龄间呈现降—升的变化外，其余均为升—降的变化规律。不同肥料种类毛竹根际土壤无机氮、铵态氮和硝态氮含量差异显著。对照处理的无机氮和铵态氮均显著小于施肥处理，对照处理硝态氮只与毛竹专用肥处理无显著差异，而显著小于矿渣肥处理。

相同年龄毛竹根际土壤无机氮和硝态氮在施肥处理较高，I度竹和IV度竹根际土壤无机氮及IV度竹根际土壤铵态氮在不同肥料间差异不显著。39%矿渣肥和毛竹专用肥处理II度竹根际土壤硝态氮显著大于45%矿渣肥和对照处理，而无机氮含量显著大于对照处理，与45%矿渣肥处理间无显著差异;39%和45%矿渣肥和毛竹专用肥处理III度竹根际土壤硝态氮显著大于对照处理，而无机氮含量毛竹专用肥与处理间无显著差异。相同年龄毛竹根际土壤硝态氮在不同肥料处理间无显著差异。

表1 不同肥料种类对土壤氮形态含量的影响Tab.1 Effects of different fertilizer types on content of nitrogen forms in rhizosphere soil of P.edulis

表2 土壤氮形态含量的双因素(肥料与年龄)方差分析Tab.2 Two-factor(fertilizer and age)variance analysis of total nitrogen forms’content in rhizospheresoils

3.2 不同形态氮对毛竹根际土壤氮组成的贡献

对毛竹根际土壤不同形态氮对土壤氮组成的贡献进行分析(图1)可知，毛竹根际土壤中有机氮是土壤氮的重要组成部分，贡献率占97.55%～99.06%;而无机氮对土壤氮组成的贡献率较小，其中铵态氮的贡献率为0.31%～1.86%，硝态氮贡献率为0.46%～1.46%。39%矿渣肥和毛竹专用肥处理中，铵态氮的贡献率大于硝态氮;45%矿渣肥处理I度和II度竹根际土壤硝态氮贡献率高于铵态氮，III度和IV度竹与I度和II度竹相反;对照处理中I度竹根际土壤铵态氮贡献率高于硝态氮，III度竹与之相反，II度和IV度竹根际土壤硝态氮和铵态氮的贡献率相当。

根际土壤不同氮形态随年龄的变化趋势在不同肥料处理间具有差异性。有机氮贡献率随年龄的增加在39%矿渣肥处理中呈现增加的趋势，在45%矿渣肥和毛竹专用肥中呈现降—升的趋势，在对照中为先升后降。铵态氮的贡献率随年龄的增加在45%和39%矿渣肥、毛竹专用肥中为升—降的趋势，在对照中变化趋势相反;硝态氮的贡献率随年龄的增加在45%矿渣肥、39%矿渣肥、毛竹专用肥和对照处理中分别为升—降、略有降低、略有升高和降—升高的变化趋势。各形态氮对土壤氮组成的贡献率在不同肥料间无显著差异。

图1 不同形态氮对毛竹根际土壤氮组成的贡献Fig.1 Contribution of different nitrogen forms to total nitrogen in rhizosphere of P.edulis

3.3 不同肥料种类对毛竹根际土壤pH和有机质的影响

对不同肥料处理毛竹根际土壤pH进行分析(图2)，研究区土壤pH变化范围为3.64～4.69，呈酸性，这是由于研究区内的土壤类型(南方红壤酸性土壤)决定。不同年龄毛竹根际土壤pH变化规律在不同肥料种类处理中不同，其中45%和39%矿渣肥处理规律相似，为I度和II度竹根际土壤pH大于III度和IV度竹;对照处理I度竹根际土壤pH大于其他度竹;毛竹专用肥处理毛竹根际土壤pH随年龄增加呈增大的趋势。对比不同肥料处理毛竹根际土壤pH可知，施肥降低了毛竹根际土壤pH，并表现为45%矿渣肥＜39%矿渣肥＜毛竹专用肥＜对照的变化规律，主要由于人为氮肥施入超过生态系统(包括植物和土壤)的氮积累速率，将导致硝酸根的净输出增加，加速土壤酸化进程［21］。

土壤有机质是土壤肥力和环境质量状况的最重要表征，是制约土壤理化性质和作物高产稳产的关键因素［22］。不同肥料处理毛竹根际土壤有机质含量在不同年龄间的变化规律呈现一定的相似性(图2)，除了39%矿渣肥处理IV度竹大于其他年龄竹子外，其余处理均为II度和III度竹大于I度和IV度竹。对比不同肥料处理毛竹根际土壤有机质含量可知，39%矿渣肥处理毛竹根际土壤有机质含量最高，毛竹专用肥和45%矿渣肥处理毛竹根际土壤有机质含量相当，对照处理最低;且39%矿渣肥处理各度毛竹根际土壤有机质含量均大于其他肥料处理。

对毛竹根际土壤pH和有机质进行肥料和年龄的双因素方差分析(图2)，结果显示不同种类肥料间毛竹根际土壤pH和有机质含量有极显著差异，而年龄及其与肥料的交互作用对毛竹根际土壤pH和有机质含量没有影响。多重比较结果表明对照处理毛竹根际土壤pH显著大于45%和39%矿渣肥处理，但与毛竹专用肥间无显著差异(P＞0.05);39%矿渣肥处理毛竹根际土壤有机质含量显著大于其他处理，其余3种肥料处理间差异不显著。

图2 不同肥料对毛竹根际土壤pH和有机质的影响Fig.2 Effect of different fertilizers on soil pH and SOM in rhizosphere soil of P.edulis

3.4 根际pH和有机质及其与N形态的关联

不同肥料处理毛竹根际土壤氮形态与pH、有机质存在一定的差异性(表3)。各施肥处理毛竹根际土壤有机质与全氮均为极显著正相关。对照处理中，pH分别碱解氮、硝态氮和铵态氮均呈负显著相关;而在45%矿渣肥处理和39%矿渣肥处理中，pH分别与硝态氮和铵态氮呈极显著负相关。除了毛竹专用肥处理外，其余肥料处理毛竹根际土壤有机质和铵态氮均呈极显著相关;有机质与碱解氮分别在39%矿渣肥和毛竹专用肥处理中呈显著和极显著相关;有机质与铵态氮在45%矿渣肥和对照处理中均呈极显著相关。各形态氮在不同肥料处理中亦呈现一定的显著相关，总的来说对照处理中，不同形态氮之间及其与pH、有机质有较高的相关性，其次是两种矿渣肥处理，而毛竹专用肥处理，不同形态氮之间及其与pH、有机质相关性较弱。

表3 不同肥料处理毛竹根际土壤氮形态与pH、有机质的相关性Tab.3 Correlation coefficients of nitrogen forms with pH and organic matter

4 结论与讨论

4.1 施肥处理对毛竹林土壤氮素含量的影响

毛竹经营中笋、竹秆、竹箨和竹枝的充分利用，大量消耗了竹林有机物，导致养分归还减少，阻碍了正常的养分循环，降低了竹林自肥能力［23］。施肥是解决竹林因采笋、材造成土壤地力衰退的主要方法，是竹林丰产培育中必不可少的基础措施［24］。本研究表明，施肥能够有效地增加毛竹根际土壤有机质和不同形态氮含量，与大多数对施肥毛竹林土壤研究结果一致［25］。

不同肥料类型与土壤养分动态变化密切相关［26］，本研究得出肥料类型对毛竹根际土壤有机质和不同形态氮含量有显著影响，这主要与肥料性质和养分分解、循环特征有关。39%矿渣肥处理土壤不同形态氮含量较其他处理高，但土壤养分含量还受到植物吸收的影响，郭宝华等［27］对不同生产力水平毛竹林研究发现不同生产力水平毛竹林土壤有机碳含量、氮含量和水解氮含量差异显著或极显著，全氮和水解氮含量随生产力增加而下降。刘广路等［28］研究了不同施肥时间毛竹林土壤性质的变化，结果表明施肥提高了毛竹生产力的同时，也消耗了土壤大量的养分。本研究中未考虑竹林生物量及氮吸收量，考虑到土壤氮素易淋失，造成环境污染，因此并不能判断39%矿渣肥最适用于毛竹生长。

抚育是影响土壤有机质和氮含量的重要经营措施。严晨［29］对不同抚育方式毛竹林土壤化学性质进行研究发现土壤有机质、全氮、水解氮和pH均表现为劈草抚育最高，其次是化学锄草和浅锄抚育，深翻抚育最差。而垦复可以增加有机质和全氮含量，增加土壤养分供给能力，但降低了土壤酸度［30］，本研究也发现施肥增加了毛竹根际土壤有机质和氮含量的同时降低了土壤pH。

4.2 毛竹林土壤氮素含量组成与转化

土壤含氮量主要受土壤中易分解的有机碳源和无机氮源数量的影响［31］。土壤氮矿化速率受土壤有机质特性的影响，长期施用有机肥土壤有机质持续增加，改善了土壤有机质的特性，提高土壤活性有机质和易氧化有机质的含量［32］。而不施肥土壤中较易分解的含碳、氮有机物在长期过程中已分解殆尽，可供微生物使用的碳、氮少，微生物的活性相对较弱［33］。土壤因素和人为干扰均会影响土壤氮素含量及其转化。

本研究发现施肥虽然对毛竹根际土壤各形态氮含量有一定的提高，但对各形态氮对土壤全氮的贡献率无显著影响，即施肥未改变毛竹根际土壤氮组成，有机氮是毛竹根际土壤氮的重要组成部分，贡献率占97.55%～99.06%;而无机氮对土壤氮组成的贡献率较小，其中铵态氮的贡献率为0.31%～1.86%，硝态氮贡献率为0.46%～1.46%，这可能受毛竹根际生长的影响。施肥改变了毛竹根际土壤无机氮组分，39%矿渣肥和毛竹专用肥处理中，铵态氮的贡献率大于硝态氮;45%矿渣肥处理I度和II度竹根际土壤硝态氮贡献率高于铵态氮，III度和IV度竹与I度和II度竹相反;对照处理中I度竹根际土壤铵态氮贡献率高于硝态氮，III度竹与之相反，II度和IV度竹根际土壤硝态氮和铵态氮的贡献率相当。毛竹林土壤氮含量及组成受毛竹林经营活动的影响，集约经营改变了土壤氮素组分，铵态氮的施入会提高铵态氮在无机氮中的比例，但集约经营对土壤硝化速率无显著影响［34］。

毛竹林土壤养分变化具有一定的季节性。徐秋芳等［35］研究发现高产和低产毛竹林土壤有机质和全氮含量在5月份最低，8月份以后开始缓慢增加，而碱解氮在3月份达到最大，5～8月最小。许庆标［36］研究了毛竹春笋幼竹期毛竹林养分特征发现幼竹长根后独立吸收养分的能力较弱，表现为幼竹根围土壤养分含量显著高于I、II、III度竹，但各龄级母竹根围土壤养分含量无显著差异。这一结果与本研究中毛竹根际土壤养分含量随年龄变化总体呈现先增加后降低的趋势略有不同，可能是由于本研究采样期，毛竹根系已经发育完全，同时经过幼年期的快速物质合成，消耗大量根际土壤养分，而壮年毛竹根系代谢、周转活跃，使得养分含量较高;与以上研究相同之处是，不同年龄毛竹根际土壤无显著差异，可能是受毛竹克隆整合作用的影响。

本次试验中，在不同施肥处理下研究了不同年龄毛竹根际土壤各种氮素含量特征，揭示了毛竹根际微域氮素养分含量及其组成变化规律，对毛竹的高效施肥和培育技术具有一定的理论参考价值。由于毛竹生长节律以2 a为周期，施肥时间对土壤养分含量具有重要影响，因此本研究未能突出时间尺度上的连续性;同时，土壤氮素含量及转化是受多种因素共同作用的结果，本研究对于土壤中与氮素转化相关的环境、微生物情况未进行深入研究，因此需要开展长期的定位研究，才能更准确的揭示不同肥料种类对毛竹根际土壤氮形态含量的影响。

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