土壤类型对毛竹林氮素流失的影响

杨 杰，郑 蓉，温晓芸，吴承文，郑瑞钰，黄怀青

（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；4.尤溪县林业局，福建 尤溪365100）

毛竹（Phyllostachys edulis）作为一种重要的笋材两用竹种，有着悠久的栽培历史和广泛的分布面积。在中国，毛竹总分布面积达480×104hm2，其中以福建省分布面积最广，超过100×104hm2［1］。毛竹具有生长周期短、产量高、养分需求量大等特点［2］，由于毛竹林特殊的生产特点，特别是在人为经营程度较高笋用竹林中养分输出远大于养分归还，致使自然状态下竹林养分需求量远大于土壤供给能力［2－4］。因此，肥料的大量施用成为当前毛竹林持续生产力保持的关键措施［2］。

作为毛竹生长需求量最大的营养元素，氮素在毛竹整个生命过程中都扮演着重要的角色，吸收量远高于其它营养元素，在中国南方地区毛竹笋用林中一直被大量施用［3，12－14］。不同类型的土壤因孔隙度、团粒结构组成及矿物晶格的不同对氮素的存储能力差异很大［6，8，10］。研究表明，自然状态下中国东北黑土氮素含量最高可达2.56～6.95 g·kg－1，而西北部地区常见的灰钙土氮素含量仅为0.4～1.05 g·kg－1，差异巨大［5－6］。除此之外，中国由北向南，随着土壤类型的规律性变化及受气候环境的影响，土壤对外源氮素的保存能力也具有巨大的差异［6－8］。而土壤中氮素的含量和存储能力直接影响毛竹林施肥后对氮肥的保存能力［14］，进而影响毛竹对肥料的吸收利用率，关系到局部流域水体的氮素污染［3，11，15］。因此，对不同土壤类型生长的毛竹林加以区分，把握不同类型土壤毛竹林氮素流失规律对提高氮素利用率、降低水体氮素污染至关重要。研究以核心养分元素氮为对象，建立竹林径流场，收集采集径流水样品，开展土壤类型对毛竹笋材两用林氮素流失的影响性研究，探索不同土壤类型氮素流失规律，为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。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

试验地位于福建省尤溪县九阜山（118°01′E，26°03′N），为亚热带季风气候，年均气温16.6℃，年均降水量1 650 mm，降水主要集中在1－7月。试验毛竹林山脊土壤为红壤，山谷土壤为黄红壤。试验竹林土壤养分基本情况如表1。

表1 试验毛竹林土壤基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of soil in Phyllostachys edulis forests

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 a，生长良好，立竹密度2 400株·hm－2。2019年1－12月，在山谷和山脊分别选取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的正方形试验径流场，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。

竹林为笋用毛竹林，小年长竹大年挖笋，近10 a每年进行人工锄草和施肥1次，每2 a砍除5年生以上老竹。试验前1 a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深本底土壤样品。

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，分取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

水体中总氮（TN）测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB 11894－89）、铵态氮测定（NH4＋-N）采用靛酚蓝比色法（GB／T8538－1995）、硝态氮（NO3－-N）采用紫外分光光度法、总磷（TP）采用钼酸铵分光光度法（GB 11893－89）［5］，每个样品重复3次。

土壤pH的测定采用土水比1∶2.5进行测定，土壤有机质采用高温外加热重铬酸钾氧化－容量法、碱解氮的定采用碱解扩散法、有效磷的测定采用盐酸－氟化铵法、速效钾测定采用乙酸铵浸提法、全氮测定采用半微量开氏法［6］。

1.4 数据处理与统计

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显著性；采用Origin 7.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同土壤类型毛竹林径流水氮磷含量

对采集后的不同土壤类型毛竹林径流水样品进行测定，结果表明黄红壤和红壤毛竹林径流水中NH4＋-N含量分别为0.26～0.71 mg·L－1和0.12～0.47 mg·L－1，平均含量分别为0.46 mg·L－1和0.24 mg·L－1，NO3－-N含量分别为0.36～1.63 mg·L－1和0.34～0.90 mg·L－1，平均含量分别为0.87 mg·L－1和0.59 mg·L－1，TN含量分别为0.93～3.89 mg·L－1和0.91～2.68 mg·L－1，平均含量分别为2.57 mg·L－1和1.93 mg·L－1，TP平均含量分别为0.26 mg·L－1和0.10 mg·L－1，总体来说黄红壤毛竹林径流水中NH4＋-N，NO3－-N，TN和TP的含量均远高于红壤。逐月来看，黄红壤径流水中NH4＋-N和NO3－-N含量均于2019／6／28显著高于红壤（P＜0.05），TN的含量分别于2019／5／19日和2019／5／29日显著高于红壤，TP含量分别于2019／3／2，2019／4／6，2019／6／19和2019／6／28均显著高于红壤（表2）。

表2 不同土壤径流水氮磷含量Tab.2 Nitrogen and phosphorus content in runoff water of different soil types

NH4＋-N／NO3－-N在不同类型土壤中差异明显，除2019／4／6和2019／6／28外均表现为黄红壤大于红壤。其中，黄红壤毛竹林径流水中NH4＋-N／NO3－-N分布在0.2～1.12之间，平均为0.66，红壤毛竹林径流水中NH4＋-N／NO3－-N分布在0.15～0.85之间，平均为0.43，表明在红壤毛竹林径流水中NH4＋-N含量远低于NO3－-N含量。与NH4＋-N／NO3－-N的结果相似，NH4＋-N／TN在绝大部分时间内也表现为黄红壤大于红壤，变化范围分别为0.09～0.32和0.05～0.2，而TN／TP则在绝大部分时间内表现为红壤大于黄红壤，变化范围分别为5.9～47.5和3.3～44.2。NO3－-N／TN在2种土壤之间则无明显的规律性。

2.2 不同土壤类型径流量与氮磷流失量

径流量与降雨量和降雨时间有关，从图1中可以看出，2种土壤径流量随时间的变化规律相同，径流量最高均出现在施肥前的2019／3／2，径流量为31.25 t·hm－2，最低径流量分别出现在2019／8／26和2019／5／19，径流量分别为3.49 t·hm－2和16.30 t·hm－2，全年径流总量分别为81.81 t·hm－2和198.18 t·hm－2，红壤毛竹林径流量远高于黄红壤。

NH4＋-N流失量与径流量和径流水中NH4＋-N含量有关，2种土壤类型毛竹林NH4＋-N流失量差异很大（图1），其中黄红壤NH4＋-N最大和最小流失量分别出现在2019／3／2和2019／5／29，流失量分别为9.35 g·hm－2和1.54 g·hm－2，年度总流失量为35.73 g·hm－2。红壤最大和最小流失量分别出现在2019／4／6和2019／6／19，流失量分别为13.20 g·hm－2和3.72 g·hm－2，年度总流失量为52.08 g·hm－2。总体来看，黄红壤毛竹林施肥后NH4＋-N流失量表现出随时间先减小后增大再减小的趋势，与径流量变化规律相似，而红壤NH4＋-N流失量呈现先减小再增大的规律，与径流量变化规律差异较大，除了2019／3／2和2019／6／28以外，其余时间黄红壤毛竹林NH4＋-N流失量均低于红壤。

图1 不同土壤类型径流量与NH 4＋-N流失量Fig.1 The water runoff and NH4＋-N runoff amount in different soil types

与NH4＋-N变化规律相同，黄红壤毛竹林施肥后NO3－-N流失量也表现出随时间先减小后增大再减小的趋势（图2），单位面积NO3－-N流失量分布在2.78～10.41 g·hm－2之间，年度总流失量为58.34 g·hm－2。红壤毛竹林施肥后NO3－-N流失量无明显变化规律，单位面积NO3－-N流失量分布在6.94～24.75 g·hm－2之间，最大流失量是最小流失量的3.6倍，年度总流失量为125.30 g·hm－2。

图2 不同土壤类型径流量与NO3－-N流失量Fig.2 The water runoff and NO3－-N runoff amount in different soil types

TN的流失量在2种土壤类型之间的差异也较为明显，具体表现为施肥前红壤毛竹林流失量低于黄红壤，而施肥后红壤毛竹林流失量均远高于黄红壤。总体来看TN的变化规律与NO3－-N相似，其中黄红壤最大和最小流失量分别出现在2019／4／6和2019／8／26，流失量分别为31.54 g·hm－2和8.09 g·hm－2，年度总流失量为183.44 g·hm－2。红壤最大和最小流失量分别出现在2019／6／28和2019／5／19，流失量分别为65.72 g·hm－2和26.18 g·hm－2，年度总流失量为419.09 g·hm－2，红壤流失量约是黄红壤的2.3倍（图3）。

图3 不同土壤类型径流量与TN流失量Fig.3 The water runoff and total-N runoff amount in different soil types

与NH4＋-N流失量变化规律相似，黄红壤毛竹林TP流失量表现出随时间先减小后增大再减小的趋势，而红壤无明显规律性（图4）。2种土壤毛竹林TP最大流失量分别出现在2019／3／2和2019／7／12，流失量分别为8.28 g·hm－2和7.49 g·hm－2，最小流失量分别出现在2019／8／26和2019／5／19，流失量分别为0.16 g·hm－2和0.71 g·hm－2，年度TP总流失量分别为24.09 g·hm－2和20.80 g·hm－2。

图4 不同土壤类型径流量与TP流失量Fig.4 The water runoff and total-P runoff amount in different soil types

2.3 氮磷流失的相关性

对径流水中NH4＋-N、NO3－-N、TN和TP含量进行相关性分析，结果表明TN 与NH4＋-N 及NO3－-N之间均具有极显著正相关关系（图5－6），而NH4＋-N与NO3－-N及TN与TP之间具有极显著二次相关关系（图7－8）。

图5 径流水中TN含量与NH 4＋-N含量之间相关关系Fig.5 The correlation between total-N content and NH4＋-N content in runoff water

图6 径流水中TN含量与NO3－-N含量之间相关关系Fig.6 The correlation between total-N content and NO3－-N content in runoff water

图7 径流水中NO3－-N含量与NH 4＋-N含量之间相关关系Fig.7 The correlation between NO3－-N content and NH4＋-N content in runoff water

图8 径流水中TN含量与TP含量之间相关关系Fig.8 The correlation between total-N content and total-Pcontent in runoff water

3 结论与讨论

3.1 土壤类型是影响径流量与径流水氮、磷含量的主要因素

降雨是径流产生的根源，降雨量的大小对地表径流的产生具由重要的影响［10，16－17］，已有研究表明在具有一定坡度的雷竹林［18－21］和山核桃林［21－22］内降雨量和地表径流量存在显著性正相关关系，表明降雨量越大则产生的径流量越大。但是对土壤的研究表明地表径流的产生及径流量的大小除了与降雨有关外主要受土壤土质的影响［4，9－10，18，23］。对于沙质土壤来说透水性好，雨水能够快速渗透进入土体内部，但保水性能较差，短时间内仍然会以渗流、蒸发等形式排出［10］。壤质土结构性好、孔隙度高在降雨时不但能够吸收大量水分还能够稳定地保存在土体中［6，8］。而以红壤、砖红壤为代表的黏质土则渗透性和水分涵养能力较差，容易产生地表径流［8］。姚支农等［10］对典型黄壤和石灰土的研究也表明，径流量除了与降雨量相关外和土壤类型之间存在密切联系。研究中施肥后红壤逐次径流量均远大于黄红壤（图5），主要是由于土壤差异造成。

径流水主要来源于降雨和土壤渗流，一般情况下径流水中含有一定的氮、磷等养分。研究中，施肥后径流水中NH4＋-N、NO3－-N与TN的含量在短期内均出现明显升高，说明黄红壤和红壤毛竹林均发生了肥料随径流水流失的情况。有研究表明径流水中养分浓度除了受施肥量、土壤类型和经营措施影响外，还与径流量的大小有关，在整个试验过程中随着施肥时间的延长，土壤中施入的尿素不断转化、被毛竹吸收和随水流失，剩下的氮素不断降低，但黄红壤和红壤毛竹林径流水中NH4＋-N、NO3－-N与TN的含量均没有出现持续降低的趋势，主要是受到降雨及净流量大小影响。同时，黄红壤毛竹林径流水中NH4＋-N、NO3－-N、TN和TP含量均高于红壤毛竹林，这也是径流量的增加在一定程度上造成流失养分稀释的结果。

径流是土壤养分流失的驱动力，也是养分流失的载体［13，18－19，24］。研究表明，随着农林业肥料投入的增加，地表径流水中氮磷等养分含量也越来越高，引起越来越多的农林水体面（点）源污染［19］。《第一次全国污染源普查公报》结果显示，2007年中国TN和TP的排放总量已达472.89×104t和42.32×104t［19，22，25－26］，其中由农林行业排放量分别占总量的57.19%和67.27%，氮磷作为径流水体最主要的污染物已成为公认的事实。陆欣欣等［27］和姚金玲等［28］在对水稻等作物的研究中进一步证实，径流水体中大量的氮磷均是来源于化肥的使用。虽然很多研究都已证实肥料的施用是水体污染最主要的因素，但是不同作物因施肥量和土壤差异氮磷流失的结果存在很大差异，其中以集约栽培笋用雷竹林［19］、南方水稻田［22，25－26］和山核桃林［22，25］径流水中TN含量最高，可分别高达3.82～6.82 mg·L－1、1.82～3.06 mg·L－1和2.01～3.60 mg·L－1，在研究中测得黄红壤和红壤毛竹林TN平均含量分别在为0.93～3.89 mg·L－1和0.91～2.68 mg·L－1之间，低于笋用雷竹林，与水稻田和山核桃林相似，但高水体富营养化发生的临界浓度。因此毛竹笋用林氮流失也是引起水体污染的一个原因。

一般来说，土壤中存在大量带有负电荷的胶体［8］，在施肥以后土壤胶体能够吸附大量带有正电荷的铵根离子而排斥NO3－，因此NO3－-N成了径流水中氮流失最主要的形式［19，21－22］。已有对红壤栽培山核桃林［22］的研究结果表明径流水中NO3－-N在TN中的占比最高可达85.1%，研究中NO3－-N／TN远大于NH4＋-N／TN，表明无论是在红壤山核桃林还是红壤和黄红壤毛竹林中，氮素的流失均遵循以NO3－-N为主这一规律。然而在研究中还发现，黄红壤毛竹林平均NH4＋-N／NO3－-N为0.66远高于红壤毛竹林的0.43，说明黄红壤毛竹林更易流失NH4＋-N，而红壤毛竹林更易流失NO3－-N。进一步对NH4＋-N／TN和NO3－-N／TN进行分析发现，黄红壤毛竹林径流水NH4＋-N／TN和NO3－-N／TN仍然高于红壤毛竹林，说明黄红壤毛竹林流失氮中NH4＋-N、NO3－-N等可溶性氮的比例高于红壤毛竹林，主要原因在于黄红壤土壤颗粒组成中粉粒含量更丰富［6，8］，随径流水流失量也更高，随水流失的土壤颗粒养分不断释放，提高了径流水中可溶性氮（NH4＋-N、NO3－-N等）的比例。因此不同类型的土壤之间，流失氮的形态也会有很大的差异，具体表现为黄红壤毛竹林流失的氮中溶解性氮占比较大，红壤毛竹林流失的氮中非溶解性氮占比较大。

3.2 毛竹林氮、磷流失对面源污染的贡献较小

氮磷流失量是评价农林污染源的重要指标，研究表明农林污染源已经超过工业排放，贡献了水体污染物中氮磷总量的60%左右，而肥料流失被认为是农林面源污染养分最主要的来源［29－30］。由于磷肥的特殊性，只要施肥后注重覆土就能够使磷的流失量大大降低［6，8］，因此氮成了农林面源污染最主要的污染物。但是，氮作为养分流失最主要的成分，不同类型的氮化合物流失量具有很大的差异。研究表明，NO3－-N是氮素径流流失的主要类型［5，7］，其因环境条件和土壤类型的不同占TN的比例变化幅度也很大。研究结果显示在施肥初期黄红壤NH4＋-N和NO3－-N流失量分别为5.46 g·hm－2和8.86 g·hm－2，与施肥前差异不大；而红壤NH4＋-N和NO3－-N流失量分别为13.20 g·hm－2和19.40 g·hm－2，远高于施肥前流失量，可见不同类型毛竹林之间差异不大。随着施肥时间增加，大量的NH4＋-N被氧化，NO3－-N流失量也不断增加，与已有研究结论相同［4，14，18，22，24］，但无论是NH4＋-N、NO3－-N还是TN年度流失量均远低于山核桃林［22］和雷竹林［19］，黄红壤和红壤毛竹林氮流失总量分别仅占山核桃林和雷竹林流失量的1.7%和3.7%、3.8%和8.5%，远低于单位面积山核桃、雷竹等经济性较高林种氮流失量。当前中国毛竹林总面积约480×104hm2，集约经营的笋用和笋材两用毛竹林占20%左右［1］，以黄红壤和红壤每年度氮磷平均流失量301.26 g·hm－2和22.46 g·hm－2计算（表3），每年度氮磷流失总量仅为289.21 t和21.56 t，分别占中国每年农林氮磷总排放量270.46×104和28.47×104的0.010 7%和0.007 6%（表3），远小于水稻［26］、玉米［31］、蔬菜［32－33］等大田作物单位面积流失量，因此毛竹林氮磷流失造成的面源污染相对于其它作物可以忽略不计。

表3 全国集约经营毛竹林氮磷总流失量Tab.3 Total runoff of nitrogen and phosphorus from intensive management Phyllostachys edulis plantation in China

一般来说土壤氮磷流失有2个主要来源，分别是肥料养分流失和土壤自有养分流失，其中肥料养分流失被认为是径流水中养分来源的主要贡献者［29－30］，而由于肥料养分有限且绝大部分均为易溶或可溶成分，因此肥料流失量一般遵循随施肥时间增加不断减小的趋势［26，32－33］。但研究中结果表明NH4＋-N与NO3－-N、TN与TP流失量均没有出现减小趋势，并且在未施用磷肥的前提下2种土壤TP的流失量除了随径流水变化外无明显的变化规律，TP与TN的相关性分析也表明两者之间具有极显著的相关关系（P＜0.001，图8），说明无论是黄红壤还是红壤毛竹林，土壤本身对径流水中流失氮磷的贡献很可能远大于肥料中的养分，土壤的流失和土壤本身养分的流失对农林面源污染的影响值得进一步深入研究。