不同肥料对油茶林土壤氮素含量、 微生物群落及其功能的影响

王 华， 牛德奎 ， 胡冬南， 张 炜 ， 郭晓敏*

(1 江西农业大学国土与资源环境学院， 江西南昌 330045； 2 江西农业大学园林与艺术学院， 江西南昌 330045)

油茶(CamelliaoleiferaAbel)又名油茶树，它是中国主要的木本食用油料，与棕榈、 椰子和橄榄合称为世界四大木本油料植物[1]。油茶适应性广，抗干旱耐瘠薄，是我国南方各省区林业发展战略的重要树种。由于发展缺乏连贯性，我国大部分油茶林栽培管理水平低下，处于低产状态。施肥是改变油茶低产的重要措施，是争取油茶高产、 优质、 高效的必由之路[2-3]。因此，需要因地制宜，选择合适的肥料进行科学施肥，充分发挥肥效，提高养分利用率[4-5]。氮是植物生长和发育所需的大量营养元素之一，肥料中氮素的转化、 吸收和利用是油茶生长和高产的关键要素。土壤氮库中的氮主要以有机氮的形式存在，而植物所能吸收利用的大部分是无机态氮，所以，土壤氮库中的有机氮必须不断地通过微生物的矿化作用转化为植物可吸收的有效态氮[6-7]。铵态氮、 硝态氮作为可被植物直接吸收利用的有效态氮素，其含量的变化直接对土壤氮素的迁移转化过程和植物生产力产生影响。土壤中氮素含量按植被生长发育节律随物候期不断发生变化即季节性变化明显[8-9]。近些年，南方油茶产区在养分管理[10-13]以及油茶林土壤微生物及酶活性方面[14-16]开展了一些研究，但目前针对不同肥料处理油茶林土壤氮素状况与相关微生物方面的研究尚未见报道。本文旨在研究不同肥料类型对油茶林土壤中氮素含量、 微生物群落及其功能的季节动态的影响，探讨它们之间的关联，以期为油茶的合理施肥提供理论依据和科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1.2 试验材料

试验材料赣无油茶无性系由江西林业科学研究院提供，本论文根据课题组多年油茶养分研究和林业生产实践的需要，选用与油茶生产实践紧密相连且目前最常用最典型的复合肥、 油茶专用肥和生物有机肥。生物有机肥含有机质30%、 腐殖酸20%、 氮磷钾养分含量6%，N ∶P2O5∶K2O=1 ∶1 ∶1；油茶专用肥的氮磷钾养分含量为26.6%，N ∶P2O5∶K2O=1 ∶0.8 ∶1，并添加了硼砂、 硫酸锌、 生石灰等一些中微量元素；复合肥的氮磷钾养分含量为45%，N ∶P2O5∶K2O=1 ∶1 ∶1。

1.3 试验设计

根据研究与实践中油茶产量较佳的施肥量，选择生长较为一致的8年生油茶，试验设4个施肥处理：1)生物有机肥每年每株施2.0 kg(YJF)； 2)油茶无机专用肥每年每株施1.0 kg(ZYF)； 3)复合肥每年每株施0.6 kg(FHF)； 4)不施肥(CK)。每个样地每个处理20株，3个重复样地，随机区组排列。施肥采用沟施法(沿树冠滴水线挖环状沟施入)，分两次施入(5月和11月初)。处理间设置保护行。从2009年起进行施肥处理。复合肥和油茶专用肥的氮、 磷、 钾总养分一致，生物有机肥中的氮、 磷、 钾总养分约为前二者的一半，但富含有机质和腐殖质等。

1.4 样品采集

1.5 测定项目与方法

土壤全氮采用半微量开氏法；铵态氮采用KCl浸提—蒸馏法；硝态氮采用KCl浸提—还原蒸馏法测定[18]。氨化细菌数和亚硝化细菌量采用稀释培养—最大或然数法测定；硝化作用强度用亚硝酸盐残留量法测定；氨化作用强度用土壤培养法测定[19]。

由于硝化作用是由两个阶段完成的，第一阶段是氨氧化为亚硝酸，由亚硝化细菌来完成，第二阶段是由亚硝酸氧化为硝酸，由硝化细菌完成。因为在土壤中硝化作用的第一阶段和第二阶段是连续进行的。所以测定参与第一阶段的亚硝酸细菌的数量，即能反映硝化细菌数量的多寡[19]。

试验数据用Excel软件进行整理和计算， SPSS 17.0软件作方差分析和相关性分析，LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同肥料对土壤中氮素含量的影响

2.1.1 土壤全氮含量的季节变化 由表1可以看出，油茶林土壤中全氮含量在同一季节4个施肥处理间均存在显著差异，FHF、 ZYF、 YJF与CK相比全氮含量的年平均值分别增加19.57%、 17.46%、 9.79%； 3种肥料对提高油茶林土壤全氮含量均有显著效果，尤其是复合肥和油茶专用肥。

不同施肥条件下季节变化对土壤全氮含量的影响表现为从春季到秋季递增，在秋季达到最大值后下降。在春、 夏、 秋、 冬4个季节中，FHF与ZYF处理油茶林的土壤全氮含量差异不显著，但CK处理的季节差异显著。YJF、 FHF和ZYF处理在秋季其土壤全氮含量显著高于其他季节，而其他季节间无明显差异。

2.1.2 土壤铵态氮含量的季节变化 表2显示，在相同季节油茶林土壤中铵态氮含量除了秋季ZYF与YJF差异不显著外，其它季节处理间均存在显著差异。 ZYF、 FHF、 YJF与CK相比，铵态氮年平均含量依次增加304.12%、 214.48%、 151.39%。可见，3种肥料均能大幅度提高油茶林土壤铵态氮含量，其中油茶专用肥的效果最佳。

表1 不同肥料处理土壤全氮含量季节变化 (g/kg)

表2 不同肥料处理土壤铵态氮含量季节变化 (mg/kg)

2.1.3 土壤硝态氮含量的季节变化 硝态氮含量在同一季节除春季的FHF和YJF之间无显著差异外，其他季节处理间均存在显著差异(表3)。硝态氮含量的变化基本趋势为FHF>ZYF>YJF>CK。FHF、 ZYF、 YJF与CK对相比，硝态氮年平均含量分别增加84.75%、 73.74%、 48.70%。复合肥与油茶专用肥对油茶林土壤中硝态氮含量提高的效果较佳。

土壤硝态氮含量不同处理的季节变化均显著，相同处理不同季节间均存在显著差异，但不同处理的季节变化的趋势并不一致。YJF、 FHF、 ZYF处理从春季到夏季呈递减趋势，并在夏季达到最小值，在夏季到冬季则呈递增趋势。CK处理从春季到秋季呈递增趋势，之后减小，冬季达到最小值。

表3 不同肥料处理土壤硝态氮含量季节变化 (mg/kg)

2.2 不同肥料对氮素转化主要功能菌的影响

土壤氮素的矿化作用是林地生态系统氮素循环中重要的过程之一，主要包括氨化作用和硝化作用。土壤氨化细菌和硝化细菌是参与上述过程的主要菌群。

2.2.1 土壤氨化细菌数量的季节变化 由图1可知，除秋季FHF和ZYF处理之间土壤氨化细菌的数量无显著差异外，在相同季节不同处理之间均存在显著差异。且氨化细菌的变化趋势均为YJF>ZYF>FHF>CK。YJF、 ZYF、 FHF与CK对比，氨化细菌年平均量依次增加79.51%、 58.39%、 38.33%。生物有机肥对增加土壤氨化细菌数量的效果最好。

不同处理土壤氨化细菌数量的季节变化明显，相同处理不同季节间均存在显著差异。各处理在不同季节的变化趋势一致，从春季到秋季呈递增趋势，在秋季达最大值，之后递减，在冬季达最小值。

图1 不同肥料处理氨化细菌数量季节变化Fig.1 Seasonal variations of ammonifying bacteria under different fertilizer treatments

2.2.2 土壤亚硝化细菌数量的季节变化 亚硝化细菌是氮转化过程中的另一类功能菌群。图2显示，在相同季节不同处理之间亚硝化细菌数量存在显著差异，且均为YJF>ZYF>FHF>CK。YJF、 ZYF、 FHF与CK相比，亚硝化细菌年平均量分别增加643.60%、 531.54%、 478.10%。由此可见，3种肥料处理的亚硝化细菌的数量均大幅度增加。

图2 不同肥料处理亚硝化细菌数量季节变化Fig.2 Seasonal variations of nitrite bacteria under different fertilizer treatments

2.3 不同肥料对土壤氮素转化功能的影响

2.3.1 对土壤氨化作用强度的影响 不同肥料处理对土壤氨化作用强度除秋季FHF处理和ZYF处理之间无显著差异外，在同一季节不同处理之间均存在显著差异(图3)。氨化作用强度均表现为YJF>ZYF>FHF>CK。 与CK相比，YJF、 ZYF、 FHF处理的氨化作用强度年平均量分别增加72.41%、 44.72%、 33.32%。由此可知，3种肥料处理均能显著增强土壤的氨化作用强度，其中以生物有机肥的效果最为明显。

不同处理的土壤氨化作用强度季节变化显著，除了ZYF处理的春季和冬季之间差异不显著外，其他均存在显著差异。不同处理在4个季节的变化趋势一致，从春季到秋季递增，在秋季达最大值，之后递减，在冬季达最小值。

2.3.2 对土壤硝化作用强度的影响 在相同季节不同处理之间硝化作用强度存在显著差异(图4)，均为YJF>ZYF>FHF>CK。 YJF、 ZYF、 FHF处理的硝化作用强度的年平均量分别比CK增加222.06%、 159.16%、 114.37%。说明3种肥料对提高硝化作用强度的效果显著。

图3 不同肥料处理氨化作用强度季节变化Fig.3 Seasonal variations of ammonification intensity under different fertilizer treatments

4个处理的土壤硝化作用强度的季节变化规律不一致。CK各季节之间存在差异，春、 夏、 秋呈递增趋势，冬季降到最低。YJF处理的硝化作用强度春、 夏、 秋之间无明显差异，但均显著大于冬季。FHF处理春季与秋季的硝化作用较强且两者间无显著差异，夏季次之，冬季最弱，季节之间存在显著差异。ZYF在秋季和夏季的硝化作用较强，两个季节间差异不显著，而春季水平较低，在冬季达最小值，差异显著。

图4 不同肥料处理硝化作用强度季节变化Fig.4 Seasonal variations of nitrification intensity under different fertilizer treatments

2.4 土壤氮素转化功能细菌、 生化强度与土壤氮素变化的关系

2.4.1 氨化细菌数量、 氨化作用强度以及铵态氮含量之间相关性分析 由表4可以看出，土壤铵态氮与氨化细菌、 氨化作用强度的相关性极显著。表明土壤铵态氮的含量受氨化细菌数量及其氨化作用强度的影响显著。尤其是氨化作用强度与氨化细菌数量的相关系数高达0.973，充分说明氨化作用强度与氨化细菌数量存在极显著的相关性。

表4 氨化细菌、 氨化作用及铵态氮相关性

2.4.2 硝化细菌数量、 硝化作用强度以及硝态氮含量之间相关性分析 表5表明，土壤硝态氮与硝化细菌、 硝化作用强度的相关性达0.01显著水平。氨化作用与硝化作用是土壤氮素矿化的主要生物过程，其强度与氨化细菌和硝化细菌的数量有密切关系。因此，可以通过施肥等措施提高有关功能菌的数量，加强其生化作用强度，从而提高土壤中铵态氮和硝态氮的含量。

2.5 不同肥料对油茶产量的影响

在2012年10月21日，将不同施肥处理的油茶树分别单株采果称重，然后求平均值。图5显示，CK处理的单株平均产量为1735.75 g，FHF处理为2214.00 g，YJF为3056.73g，ZYF为3082.13g。FHF、 YJF、 ZYF与CK相比，油茶单株平均产量分别增加了27.55%、 76.10%、 77.57%。可见，施3种肥料均能提高油茶产量，尤其是油茶专用肥和生物有机肥的增产效果显著。

表5 硝化细菌、 硝化作用及硝态氮相关性

图5 不同肥料处理单株油茶鲜果均产量Fig.5 Average fruit yields of different strains of Camelia oleifera under different fertilizer treatments

3 讨论与结论

近年来农林业生产中为了追求高产，常配施高量的氮肥，导致单位播种面积施氮量迅速上升，但氮的利用率一直不高，因而造成肥料的浪费和加重农林业面源污染，研究不同施肥条件下油茶林土壤氮素含量状况和相关微生物群落及其功能，可进一步了解不同肥料对土壤氮素养分循环及土壤微生物类群影响的内在联系，为合理施肥，提高肥料利用率和减少面源污染提供理论依据。

3.1 不同肥料对油茶林土壤氮素养分的影响

本研究结果表明，油茶专用肥、 复合肥和生物有机肥对提高油茶林土壤全氮、 铵态氮及硝态氮含量效果显著，油茶专用肥和复合肥效果较佳。不同肥料处理对油茶林土壤硝态氮含量的增加明显，但与土壤铵态氮相比增加幅度较小，这与硝态氮是土壤氮素转化、 迁移过程中最活跃的氮素形态而难以被土壤颗粒吸附有关。本研究结果显示，不同肥料处理油茶林土壤全氮含量的季节变化均表现为春季至秋季递增，秋季达到最大值。全氮含量的季节变化特征不仅受施肥等措施的影响，而且与不同时期的植物吸收作用、 水分条件、 植物根际分泌物以及地表枯落物的分解以及有机氮的矿化平衡有关，并受铵态氮、 硝态氮和有机氮含量变化相叠加的结果的影响[20]。另外也有报道认为温度的高低、 土壤结构的好坏，土壤中输入有机物的多少及其消耗的快慢是出现季节变化的主要原因[21]。因此，所有处理中土壤全氮含量均在秋季最高，可能与秋季地表枯落物的积累以及在此季节水分和气候等条件下微生物对枯落物分解将氮素等营养物质大量归还表层土壤有关，而且油茶此时生长消耗也逐渐减少。本研究显示，不同肥料处理油茶林土壤铵态氮和硝态氮含量的季节变化比较复杂，其季节变化不完全一致。4个处理铵态氮含量在秋季均下降，因为在夏季到秋季，是油茶果实迅速增长的时期，油茶根系大量吸收土壤中的有效养分以满足其生长需要，从而使秋季的土壤铵态氮含量下降。硝态氮含量在夏季偏低，可能是因为在夏季雨水较多，造成硝态氮淋溶流失较多，使得夏季的硝态氮含量整体偏低。

3.2 不同肥料对油茶林土壤中氮素循环相关微生物群落的影响

本研究结果表明，3种肥料处理对提高油茶林土壤氨化细菌数量、 亚硝化细菌数量以及氨化作用强度和硝化作用强度的效果显著，其中生物有机肥的效果最好，其次是油茶专用肥。由于生物有机肥中含有大量的有机质和腐植酸，可为土壤生物创造良好的微生态环境，从而有效增加微生物群落。施用生物有机肥不但增加了土壤养分，同时也为微生物提供了充足的碳源，有利于微生物的生长。油茶专用肥是根据对土壤养分含量特点的分析和油茶的需肥规律，结合当地的习惯施肥水平，自然气候条件，因地制宜而研制的。除了含氮、 磷、 钾养分外，还根据当地土壤缺素状况添加了Ca、 Mg、 B等中、 微量元素。由于土壤中的养分元素是多样的，不同土壤中养分丰缺程度也各不相同，土壤肥力水平对微生物的影响非常复杂。土壤微生物的生命活动不仅需要能源，也需要生命元素，因此土壤养分限制因子及其水平均会对微生物的生命活动产生影响。因此，油茶专用肥配方养分比较全面均衡，也有利于微生物菌落的生长繁殖。本试验的所有处理中氨化细菌数量的季节变化均在秋季达到最高，与秋季油茶林地上部分杂草枯萎，以及果实采摘前的除草，使得死亡植株覆盖在土壤表层，增加了土壤有机质含量，提高了土壤微生物的数量有关。硝化细菌受温度、 湿度、 土壤理化性质等的环境因子的影响，导致亚硝化细菌数量季节变化趋势复杂。土壤低的pH值对亚硝化细菌的生长具有抑制作用，本试验样地土壤的pH偏低，使得亚硝化细菌数量整体偏低，可能由此导致季节动态变化不明显。土壤氨化和硝化作用强度受季节变化影响的因素是多方面的，与功能菌数量、 土壤有机质含量、 温度和湿度等因素有关。氨化作用强度从春季到秋季呈递增趋势，可能是土壤温度上升，湿度增大，有机质含量增加，从而有效地促进氮矿化作用。冬季作用强度最低，与冬季温度低，土壤微生物活性大大降低有关。不同处理硝化作用强度的季节变化趋势不一致，总体也是冬季偏低，同样与冬季温度低，土壤微生物活性下降有关。本研究结果显示，不同肥料处理油茶林土壤氮素含量与相关微生物数量及其生物作用强度存在极显著相关性。因此可通施用适宜的肥料类型来增加油茶林土壤中相关功能菌数量，加强其生化作用强度，提高土壤中铵态氮和硝态氮的含量，从而促进油茶生长和高产。研究结果同时表明，施用3种类型的肥料均增加了油茶产量，其中油茶专用肥和生物有机肥可提高油茶产量近80%。

综上所述，施用复合肥、 油茶专用肥和生物有机肥对提高土壤氮素含量、 微生物群落数量及其生物作用强度以及油茶产量均有显著效果。尤其富含有机质和有益菌的生物有机肥和营养元素更全面的油茶专用肥的效果更佳。因此，在生产实践中应根据实际情况，因地制宜地在施用常规的复合肥的同时，增加油茶专用肥和生物有机肥的应用，在改良土壤和提高土壤肥力的同时实现肥料的高效利用， 生态环境的保护以及油茶的稳产、 高产。

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