施肥方式對筍用毛竹林氮流失的影響

楊 杰

(福建省林業科學研究院，國家林業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品加工利用重點實驗室，福建 福州 350012)

毛竹(Phyllostachysedulis)是一種優良的筍材兩用竹種，在我國具有廣泛的分布面積、悠久的栽培歷史和良好的經濟效益[1]。毛竹林的生產經營主要以筍用林為主，經營措施包括伐竹、劈草、墾覆、施肥、噴水和挖筍等[2-3]。在所有經營措施中墾覆和施肥是近年應用最廣也是促進筍產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521.3 kg·hm-2，遠高于傳統林業[4]。大量研究表明，單純致力于產量提高而進行的N肥盲目投入和不科學的施肥方式易造成肥料利用率降低和土壤養分流失加劇[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，且研究周期內超過水體富營養化閾值的次數超過總觀測次數的40.0%、42.5%和100%。與此同時，大量流失的養分進入水體也在一定程度上加重了局部水體富營養化，引起一系列環境問題[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，節省勞動力。溝施是傳統筍用林經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，其不僅能夠將肥料埋入土中降低肥料損失也具有一定的蓄水、保水的作用[10]。然而，當前研究普遍聚焦于施肥方式對筍竹產量及土壤質量的影響[11-13]，很少關注到在降雨發生時由于施肥方式的不同引起的土壤和肥料中養分，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流失規律，改善目前生產中僅基于經驗開展的盲目施肥、粗放經營的管理方式，為福建省毛竹林的科學經營與氮素精準管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

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 試驗設計與樣品采集

試驗林由天然毛竹林改造而來，經營歷史超過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，每個試驗區內分別建立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境之間用防水PVC板隔開，埋深30 cm，以防止滲水，于徑流場內側距防水板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，徑流產生后匯集于積水桶內。試驗設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。

竹林為筍用毛竹林，小年長竹大年挖筍，近10年每年進行鋤草和施肥1次，每2年砍除5年以上老竹。2020年2月進行人工鋤草，2020年3月以3種施肥方式施入尿素(N≥46%)。按當地傳統施肥量折算，每個試驗小區施尿素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氮(NO3--N)、銨態氮(NH4+-N)、總氮(TN)和總磷(TP)濃度，水樣品采集的同時詳細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左右帶回實驗室，挑除根系雜草及肉眼可見的有機物質，自然風干后研磨過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3次。

本底土壤pH的測定采用土水比1∶2.5進行測定，土壤有機質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 數據處理與統計

數據處理使用SPSS 18.0系統進行統計分析，Duncan新復極差法測驗不同處理的差異顯著性；Origin 8.5作圖。

2 結果與分析

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無明顯規律性(表1)。

如圖1所示，NH4+-N/NO3--N和NH4+-N/TN在施肥后表現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在施肥后均表現為先升高后降低的趨勢，在整個試驗周期內變化范圍分別為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流失量計算后發現3種施肥方式施肥后短期內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無明顯規律性變化(圖3A)?？傮w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律性(圖3B和3C)，其中不同處理NO3--N在整個試驗周期內單次流失量分別在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，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律性變化。整個試驗周期內溝施、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性

徑流水中NH4+-N、NO3--N、TN和TP含量相關性分析結果表明TN與NH4+-N及NO3--N之間均具有極顯著正相關關系(P<0.01，圖4A和4B)，NH4+-N與NO3--N之間及TN與TP之間具有顯著相關關系(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)之間相關關系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形態隨時間不斷變化

降雨產生徑流是促使養分流失最主要的因素，除此之外養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境的影響[16]。研究表明，土壤膠體帶有負電荷，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不穩定容易通過揮發的形式氣態損失或通過硝化作用轉化為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急劇升高后不斷降低。當施入土壤的肥料在隨水流失、轉化、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，撒施被認為是最為方便快捷，節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)，可能是由于當年當地總降雨量較少，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將肥料埋入土中降低肥料損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小于溝施和撒施(表1和2)，表明穴施引發竹林養分流失的風險最低。

進一步對徑流水中TP含量進行分析發現，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主要來源于土壤風化和有機物質分解礦化。由于P在土壤中易被固定，因此在降水發生時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，導致竹林地面粗糙度和土壤疏松度增加，且有機物質接觸空氣后礦化速率加快，吸附有少量N、P等養分元素的土壤微小顆粒更容易隨徑流水流失，因此表現為溝施處理TP流失量最大，同時也表明竹林經營過程中除了施肥帶來的肥料中養分流失外，對土壤的擾動也是造成土壤養分流失的因素之一[17,21]。對NH4+-N，NO3--N、TN和TP之間相關性分析結果也表明TN分別與NH4+-N和NO3--N之間均具有極顯著相關關系而TN與TP之間相關性不明顯(圖4A、4B、4D)，表明TN與NH4+-N和NO3--N之間關系更為密切，來源可能相同，而TN與TP來源不同。因此在坡地毛竹林經營過程中，做到覆土施肥的同時應盡量降低施肥對土壤的擾動，減少土壤自身養分的流失。

3.3 毛竹林養分流失對水體污染的貢獻有限

農林業土壤養分流失所引起的環境問題受到越來越多的廣泛關注，其中N作為最主要面源污染物的產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分管理被認為是減少水土和養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分流失最主要的流失通道，施肥方式對養分流失具有明顯的影響[26]。毛竹林作為我國南方地區最重要的經濟林分之一，全國分布面積超過460萬hm2[27]，在所有森林類型中經營水平最高，施肥密度最大，因此在很多地區毛竹林的經營被認為是土壤養分流失和水體富營養化的主要貢獻者[2,3,25]。張奇春等[28]關于毛竹林生態系統地表徑流與氮素流失的研究結果表明，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]對浙北集約經營毛竹林的研究結果顯示，集約經營毛竹林總氮年單位流失量可達45.26 kg·hm-2，比粗放經營毛竹林增加了80.68%，需要重點關注。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、立地環境、經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流失量遠小于同領域中花卉(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]等經濟林流失量，也無法與農業領域水稻(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]等農作物種植過程養分流失相比，表明在經營方式合理的條件下，由人類經營活動引起的毛竹林養分流失對水體污染的貢獻是有限的。

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，降低林區局部水體污染風險。由毛竹林經營施肥而引起的N流失量遠小于其它主要經濟林分和主要農作物，對水體污染的貢獻有限。