坡度与施肥密度对毛竹林氮素流失的影响

杨杰

（1.福建省林业科学研究院，福建福州 350012；2.国家林业和草原局南方山地用材林培育重点实验室，福建福州 350012；3.福建省森林培育与林产品加工利用重点实验室，福建福州 350012）

毛竹（Phyllostachys edulis）广泛分布于我国沿江及江南各地，有悠久的栽培历史和良好的经济效益[1]。在毛竹生产经营的过程中，竹笋是竹林收益最主要的来源，约占竹林总收益的80%左右[2]。施肥和垦覆是提高竹笋产量最主要的栽培措施，由于毛竹喜氮的生理特性使得氮肥成为其最主要的肥料类型[1,3]。研究表明，我国笋用毛竹林单位面积氮肥施用量远高于传统林业，为提高冬笋产量而进行的垦覆经营措施强度也远高于其他林分，这些单纯致力于提高产量而进行的过量氮素投入和不科学的垦覆措施容易造成氮素利用率偏低以及土壤氮素流失加剧[3-5]。大量流失的氮素进入水体和大气，在一定程度上加重了水体富营养化和大气污染等环境问题[6]。研究表明，农林污染源已超过工业排放，贡献了水体污染物中氮磷总量的60%左右[7]，肥料流失被认为是农林面源污染最主要的来源，特别是雷竹（Phyllostachys praecox）[7]、山核桃（Carya ca⁃thayensis）[8]和板栗（Castanea mollissima）等经济效益较高的林分。氮素流失造成的水体点和面源污染已不容忽视。

毛竹林地下鞭根系统复杂、结构各异且异龄交错，不同立地类型毛竹林对土壤中养分的利用差异较大，在立地类型差异较大的竹林中，坡度与施肥密度是影响养分随径流水流失的主要因素[5]。有针对性地进行坡度与施肥密度对毛竹林氮素流失影响的研究，对提升氮素利用水平、提高资源收益、减少环境污染、实现竹林健康和可持续经营有重要现实意义。

本研究以核心养分元素氮为对象，建立竹林径流场，收集径流水样品，探索不同坡度条件及施肥密度对笋用毛竹林氮素流失的影响，可为福建省毛竹林的科学经营与氮素精准管理提供理论指导与技术示范，改善目前生产中仅基于经验开展的盲目开沟和粗犷经营的管理方式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建省尤溪县九阜山（118°01´E，26°03´N），属亚热带季风气候，年均气温16.6℃，年均降水量1 650 mm，降水主要集中在1—7月。试验竹林山顶土壤为山地红壤，山谷土壤为黄红壤。

1.2 试验设计与样品采集

试验林由天然毛竹林改造而来，经营历史超过50年，朝向西南，生长良好，立竹密度2 400株/hm2。2019年1—12月，在山谷和山顶分别选取1个试验点，在每个试验点分别选取10°、20°和30°坡建立试验区，每个试验区内分别建立3个8 m×8 m的正方形径流场，每个径流场面积为64 m2，相邻径流场及径流场与外界环境之间用防水PVC板隔开，埋深30 cm防止渗水，于径流场内侧距防水板5～10 cm处开深度为10 cm的行水槽，径流场最低端放置1个200 L的PVC积水桶，径流产生后汇集于积水桶内。

相同坡度上的3个径流场分别为处理1（沟施间距1 m）、处理2（沟施间距2 m）和处理3（沟施间距3 m），为不同施肥密度处理，沟施间距越小对应的施肥密度越大。

竹林为笋用毛竹林，小年长竹大年挖笋，近十年每年进行人工锄草和施肥1次，每两年砍除5年生以上老竹。为使试验结果更准确，剔除以往施肥对试验的影响，试验前1年不施肥。2019年2月，进行人工锄草，2019年3月2日进行水样采集，之后以开沟（20 cm×20 cm）施肥的方式施入尿素（N≥46%）。按当地传统施肥量折算，每个试验小区施尿素4.8 kg，施肥后及时覆土。施肥前采集20 cm本底土壤样品。

每次大雨结束后采集径流水样品，采集后装入500 mL塑料瓶，密封带回实验室及时进行测定，水样品采集的同时详细记录各径流场的径流量。土壤样品采集时，先将土壤表面枯枝落叶拂去，用锄头挖取20 cm深土壤剖面，以小土铲从剖面上竖直挖取土壤样品，捏碎混匀，取500 g左右带回实验室，挑除根系杂草及肉眼可见的有机物质，自然风干后研磨过20和100目筛，储存待测。

1.3 样品分析

水体中的总氮（TN）含量测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，铵态氮（NH4+-N）含量测定采用靛酚蓝比色法，硝态氮（NO3--N）含量测定采用紫外分光光度法，总磷（TP）含量测定采用钼酸铵分光光度法[9]。每个样品重复3次。

土壤pH值测定采用土水比1∶2.5，土壤有机质含量测定采用高温外加热重铬酸钾氧化-容量法，全N含量测定采用半微量开氏法，碱解N含量测定采用碱解扩散法，速效P含量测定采用盐酸-氟化铵法，速效钾（K）含量测定采用乙酸铵浸提法[10]。经测定，土壤施肥前的pH值为4.34～4.52，有机质含量为34.4～45.1 g/kg，全N含量为1.65～2.07 g/kg，碱解N含量为152.6～216.1 mg/kg，速效P含量为2.28～3.51 mg/kg，速效K含量为55.9～93.9 mg/kg。

1.4 数据处理

采用SPSS 18.0软件进行统计分析，Duncan新复极差法测验不同处理的差异性；采用Origin 7.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同坡度毛竹林径流水中的氮磷含量

坡度对毛竹林径流水中的氮磷含量影响较大（表1）。随着坡度的增加，NH4+-N、NO3--N和TN的平均含量升高；TP的平均含量呈先升高后下降的趋势，表现为20°（0.26 mg/L）>30°（0.21 mg/L）>10°（0.08 mg/L）。

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10°、20°和30°坡径流水中的NH4+-N含量分别为0.03～0.38、0.11～0.57和0.21～0.81 mg/L；NO3--N含量分别为0.24～0.98、0.23～0.98和0.42～1.74 mg/L；TN含量高于NH4+-N和NO3--N含量，分别为0.87～2.50、0.95～3.42和0.93～4.22 mg/L。

NH4+-N/NO3--N在2019年4月21日前表现为升高趋势，NO3--N/TN则表现为降低趋势，两者在整个试验周期内均无明显变化规律，比值分别为0.18～0.95和0.19～0.46。NH4+-N/TN和TP/TN在整个试验周期内的变化较小，分别为0.08～0.24和0.04～0.17（图1）。

2.2 不同施肥密度毛竹林径流水中的氮磷含量

施肥密度对径流水中的氮含量影响较明显，特别是在施肥后短时间内，不同施肥密度径流水中的NH4+-N、NO3--N和TN含量上升较明显（表2）。施肥后，NH4+-N在处理1、处理2和处理3径流水中的含量分别为0.27～0.80、0.14～0.54和0.12～0.38 mg/L，平均含量表现为处理1（0.57 mg/L）>处理2（0.34 mg/L）>处理3（0.20 mg/L）。施肥后，NO3--N在径流水中的平均含量表现为处理1（1.11 mg/L）>处理2（0.74 mg/L）>处理3（0.48 mg/L）；不同处理的最高含量均出现在2019年6月19日，分别为1.42、1.02和0.68 mg/L；最低含量均出现在2019年7月12日，分别为0.55、0.29和0.21 mg/L。TN含量在不同时间无明显变化规律，施肥后在处理1、处理2和处理3径流水中的含量分别为2.44～4.13、1.75～3.39和1.34～2.34 mg/L，平均含量表现为处理1（3.06 mg/L）>处理2（2.39 mg/L）>处理3（1.81 mg/L）。不同密度施肥处理后，径流水中的NH4+-N、NO3--N和TN平均含量均高于施肥前（2019年3月2日）。在整个试验周期内，不同处理径流水中的TP含量施肥后与施肥前均差异不显著。

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2.3 不同坡度及施肥密度毛竹林径流水中氮磷流失量

坡度对径流量有明显影响，大部分时间内坡度为20°时径流量最小（图2a）。不同坡度毛竹林中的NH4+-N年流失总量表现为30°（69.72 g·hm-2·a-1）>20°（40.89 g·hm-2·a-1）>10°（21.09 g·hm-2·a-1），对应的单次流失量分别为4.92～12.49、0.63～9.62和0.23～5.89 g/hm（2图2b）。施肥前，不同坡度毛竹林中的NH4+-N流失量表现为20°（8.51 g/hm2）>30°（6.63 g/hm2）>10°（5.23 g/hm2），高于大部分同坡度施肥后的单次流失量；施肥后10°和30°坡毛竹林中的NH4+-N流失量短期内表现为减少趋势。

NO3--N和TN的流失量随时间变化无明显规律（图3～4）。施肥后，10°坡毛竹林中的NO3--N和TN单次最高流失量分别为11.50和42.78 g/hm2，最低分别为3.59和9.18 g/hm2，年流失总量分别为63.57和222.22 g·hm-2·a-1。20°和30°坡毛竹林中的NO3--N单次最高流失量分别为13.90和27.34 g/hm2，最低分别为4.12和8.48 g/hm2，年流失总量分别为75.76和136.13 g·hm-2·a-1；TN年流失总量分别为268.07和413.50 g·hm-2·a-1。

图4 不同坡度TN流失量Fig.4 TN runoff amounts of different slopes

与NH4+-N、NO3--N和TN不同，TP在整个试验周期内无论是单次流失量还是年流失总量均较低，且不同坡度施肥前的流失量高于大部分同坡度施肥后的单次流失量（图5）。10°、20°和30°坡毛竹林中的TP单次流失量分别为0.14～4.97、0.51～9.15和0.55～4.25 g/hm2，年流失总量表现为20°（32.05 g·hm-2·a-1）>30°（24.25 g·hm-2·a-1）>10°（11.09 g·hm-2·a-1）。

施肥后，不同处理间毛竹林径流量差异较大，年径流总量表现为处理3（150.21 t/hm2）>处理2（141.90 t/hm2）>处理1（127.92 t/hm2），单次径流量随时间无明显变化规律（图6a）。整个试验周期内，NH4+-N、NO3--N和TN流失量随时间变化规律相似，总体表现为TN>NO3--N>NH4+-N（图6b～8）。NH4+-N在处理1、处理2和处理3毛竹林中的年流失总量分别为64.47、39.19和28.15 g·hm-2·a-1；NO3--N的年流失总量分别为132.74、84.63和58.09 g·hm-2·a-1；TN的年流失总量分别为364.94、302.93和235.91 g·hm-2·a-1。NH4+-N、NO3--N和TN的单次流失量在施肥前和施肥后无明显变化规律。

图8 不同施肥密度TN流失量Fig.8 TN runoff amounts of different fertilization densities

TP在整个试验周期内随时间无明显变化规律，年流失总量表现为处理2（27.57 g·hm-2·a-1）>处理3（20.44 g·hm-2·a-1）>处理1（19.37 g·hm-2·a-1）（图9）。处理1和处理3毛竹林中的TP单次最高流失量均出现在施肥前，分别为5.82和5.85 g/hm2，处理2毛竹林中的最高流失量出现在2019年7月12日（9.75 g/hm2）；处理1和处理3毛竹林中的TP单次最低流失量均出现在2019年5月19日，分别为0.48和0.37 g/hm2，处理2毛竹林中的最低流失量出现在2019年8月26日（0.53 g/hm2）。

图9 不同施肥密度TP流失量Fig.9 TP runoff amounts of different fertilization densities

3 讨论与结论

3.1 坡度和施肥密度对毛竹林氮素流失的影响

降雨是径流产生的根源，降雨产生径流的能力被称为径流系数，陈正维等[11]在对紫色土耕地地表径流与氮素流失的研究中指出，通常情况下耕地径流系数为0.02～0.07，受降雨和密集度及地质条件的影响，可达0.36～0.54。径流大小还受坡度的影响[12-13]，并具有随坡度增大呈先增加后降低的规律，坡度超过20°临界值时径流量开始降低[11]。与前人研究结果相反，本研究中大部分时间内20°坡毛竹林中的径流量较小，这可能是因为毛竹林地下根鞭系统比耕地更复杂、根更深且吸水速率更快。

氮素的流失与其形态相关性很强，一般来说，土壤颗粒和土壤胶体对NH4+-N有较强的吸附作用[14]，而且NH4+-N不稳定，容易通过挥发的形式气态损失或通过硝化作用转化为NO3--N，使得随径流流失的NH4+-N浓度远低于NO3--N浓度[8]，加上毛竹林有一定的坡度，地下根鞭系统生长旺盛，土壤通气性好[15]，使得氮素更容易被氧化，因此在整个试验周期中，NH4+-N/NO3--N仅在施肥后的短期内升高，之后便开始下降；当施入土壤的肥料在随水流失、转化和毛竹吸收利用等共同作用下已被消耗殆尽时，流失的氮素来源开始从肥料转为水体中土壤颗粒和土壤胶体的释放，由于土壤颗粒和土壤胶体吸附并固定的均为NH4+-N，所以NH4+-N/NO3--N在试验后期再次升高。

降雨是氮素流失的一个重要影响因素，已有研究表明当降雨强度较小时，雨水会向土壤内部渗透，形成壤中流，溶解并带出施入土壤的肥料及土壤原有养分，导致流出水体中养分浓度升高；当降雨强度较大时，土壤持水量达到饱和后，会同时形成地表径流和壤中流，稀释作用导致流出水体中的养分浓度升高[16-17]。毛竹林有一定的坡度，降低了地表径流产生的条件，不论降雨量大或小，高低势差的存在都使得壤中流不断被压出地面与地表径流混合，因此在整个试验周期内毛竹林地表径流水中的NH4+-N、NO3--N和TN含量均没有出现随降雨量规律变化的现象。径流水中的NH4+-N、NO3--N和TN含量以及年流失总量均表现出随坡度增加而升高的趋势，表明坡度是影响毛竹林氮素流失的一个重要因素，氮素流失量与林地坡度呈正相关。因此，在毛竹林经营过程中，应根据坡度有选择性地调整施肥等经营措施。

在一定的降雨强度下，地表径流呈随坡度增加而增加的趋势，但径流水中不同形态氮素浓度的变化与土壤条件[18]、肥料种类[19]、地表粗糙程度[20]、微地形[21]和经营措施[3]关系更为密切。牟延森等[18]通过土壤掺沙的方法改良土壤质地，试验结果表明土壤含沙量直接决定土壤持水能力，进而影响土壤水分和养分流失情况；陈维正等[11]和褚素贞等[22]在紫色土和红壤氮流失的研究中指出，土壤类型和质地是影响氮素流失的一个主要因素；张霞等[20]通过野外模拟降雨试验，研究坡度与地表糙度对土壤侵蚀的影响，认为坡度越大，降雨前后坡面地表糙度增幅越大，地表微地形变化越明显；师宏强等[23]在坡度坡面对输沙能力影响的研究中，指出微地形是影响水土流失和养分流失的重要因素。对于毛竹林来说，经营措施及强度直接决定地表粗糙程度和微地形，因此经营措施及强度是影响毛竹林养分流失的最主要因素。研究中，随着施肥密度的增加，地表被破坏，粗糙程度增加，径流水中的NH4+-N、NO3--N和TN含量以及年流失总量均不断升高，与前人研究结果相似。

3.2 毛竹林养分流失对环境的影响

径流对土壤有侵蚀和直接挟带的双重作用，是导致水土流失的重要因子[16,24]，随水流失的土壤颗粒和肥料已被证明是水体养分最主要的来源，二者的不同在于肥料养分有限且绝大部分为易溶或可溶成分，因此肥料流失量一般遵循随施肥时间增加不断减少的趋势[25-27]，而来源于土壤的养分则比较稳定，短期内不会发生很大的变化。本研究中，NH4+-N、NO3--N和TN的单次流失量均没有随时间出现明显的下降趋势，TP在径流水中的含量及单次流失量差异也较小，TP/TN在整个试验周期内保持相对稳定，由于试验过程中并未使用磷肥，所以随水流失的TP只可能来源于土壤及有机物质，说明随水流失的土壤及有机物质可能是径流水中养分最主要的贡献者，而施肥仅在短期内影响径流水中可溶性养分的含量，对水体污染的影响有限。

作为我国南方地区最主要林分之一，毛竹林在全国的分布面积超过670×104hm2[28]，在所有森林类型中经营水平最高、施肥密度最大，因此，在很多地区，毛竹林的经营被认为是土壤养分流失和水体富营养化的最主要贡献者。本研究结果表明，单位面积10°～30°坡毛竹林中的TN年流失总量分别为222.22、268.07和413.50 g/hm2，施肥密度最大的毛竹林中的TN年流失总量为364.94 g/hm2，均低于山核桃林（11.02 kg/hm2）[8]和雷竹林（53.00 kg/hm2）[29]等经济林中的年流失总量，更远远低于农业领域内种植水稻（Oryza sativa）[27]和蔬菜[25]等过程中的养分流失，毛竹林土壤本身对径流水中流失养分的贡献可能远大于肥料中的养分，因此由人类经营引起的毛竹林养分流失对水体污染的贡献可以忽略不计。