施肥方式对笋用毛竹林氮流失的影响

杨 杰

(福建省林业科学研究院，国家林业和草原局南方山地用材林培育重点实验室，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(Phyllostachysedulis)是一种优良的笋材两用竹种，在我国具有广泛的分布面积、悠久的栽培历史和良好的经济效益[1]。毛竹林的生产经营主要以笋用林为主，经营措施包括伐竹、劈草、垦覆、施肥、喷水和挖笋等[2-3]。在所有经营措施中垦覆和施肥是近年应用最广也是促进笋产量不断提高的最重要因素[2]，其中N肥在所有肥料中投入量最大，特别是在部分笋用毛竹林中N素施用量高达521.3 kg·hm-2，远高于传统林业[4]。大量研究表明，单纯致力于产量提高而进行的N肥盲目投入和不科学的施肥方式易造成肥料利用率降低和土壤养分流失加剧[3,5]。汪庆兵等[6]对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浓度分别高达0.04～1.02 mg·L-1、0.04～2.55 mg·L-1和2.07～5.40 mg·L-1，且研究周期内超过水体富营养化阈值的次数超过总观测次数的40.0%、42.5%和100%。与此同时，大量流失的养分进入水体也在一定程度上加重了局部水体富营养化，引起一系列环境问题[7-8]。

毛竹林施肥方式主要有撒施、沟施和穴施3种[9]，其中撒施最为方便快捷，节省劳动力。沟施是传统笋用林经营过程中最普遍的施肥方式，沟施通过开沟的方式将肥料埋入土中，除了能够提高养分利用率、减少肥料损失外还能够起到松土和保水的作用[10]。穴施是直到近几年才逐渐被广泛利用的施肥方式，其不仅能够将肥料埋入土中降低肥料损失也具有一定的蓄水、保水的作用[10]。然而，当前研究普遍聚焦于施肥方式对笋竹产量及土壤质量的影响[11-13]，很少关注到在降雨发生时由于施肥方式的不同引起的土壤和肥料中养分，特别是氮素流失的差异。因此，开展施肥方式对笋用毛竹林养分流失的影响研究尤为重要。该研究以毛竹林施用量最大的N为对象，建立竹林径流场，收集径流水样品，测定不同施肥方式对毛竹笋用林氮素流失的影响，探索不同施肥方式条件下N流失规律，改善目前生产中仅基于经验开展的盲目施肥、粗放经营的管理方式，为福建省毛竹林的科学经营与氮素精准管理提供依据。

1 材料与方法

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。毛竹林土壤类型主要为红壤和黄红壤，土壤pH为4.34～4.52，土壤有机质含量为34.4～45.1 g·kg-1，碱解氮含量为153～216 mg·kg-1，有效磷含量为2.28～3.51 mg·kg-1，速效钾含量为55.9～93.9 mg·kg-1，全氮含量为1.65～2.07 g·kg-1。

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，西南朝向，生长良好，立竹密度2 400株·hm-2。研究于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，以防止渗水，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。试验设3种施肥方式，分别为撒施、沟施(沟间距2 m、沟宽×沟深为20 cm×20 cm)和穴施(穴位于竹篼上坡方向30 cm、穴直径×穴深为20 cm×20 cm)，每种施肥方式6个重复。

竹林为笋用毛竹林，小年长竹大年挖笋，近10年每年进行锄草和施肥1次，每2年砍除5年以上老竹。2020年2月进行人工锄草，2020年3月以3种施肥方式施入尿素(N≥46%)。按当地传统施肥量折算，每个试验小区施尿素4.8 kg，施肥前以5点采样法采集20 cm深土壤样品。

施肥后至2020年12月31日前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检测径流水中硝态氮(NO3--N)、铵态氮(NH4+-N)、总氮(TN)和总磷(TP)浓度，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除去，采集20 cm深土壤样品，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目和100目筛，储存待测。

1.3 样品分析

水体中TN测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894—89)，NH4+-N测定采用靛酚蓝比色法(GB/T 8538—1995)，NO3--N采用紫外分光光度法[14]，TP采用钼酸铵分光光度法(GB 11893—89)[14]，每个样品重复3次。

本底土壤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，碱解氮的测定采用碱解扩散法，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[15]。

1.4 数据处理与统计

数据处理使用SPSS 18.0系统进行统计分析，Duncan新复极差法测验不同处理的差异显著性；Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥方式毛竹林径流水氮磷含量

在整个试验周期内径流水中NH4+-N、NO3--N和TN的平均含量在不同处理间总体表现为撒施>沟施>穴施(表1)。其中NH4+-N在沟施、撒施和穴施处理径流水中的含量分别在0.77～3.35 mg·L-1、0.72～4.74 mg·L-1和0.99～2.12 mg·L-1之间，平均含量分别为1.86 mg·L-1、2.69 mg·L-1和1.49 mg·L-1。NO3--N在沟施、撒施和穴施处理毛竹林径流水中的含量分别在1.11～2.44 mg·L-1、1.39～3.67 mg·L-1和0.99～2.11 mg·L-1之间，平均含量分别为1.75 mg·L-1、2.19 mg·L-1和1.50 mg·L-1。TN在沟施、撒施和穴施处理毛竹林径流水中的含量分别在1.86～7.54 mg·L-1、2.35～9.14 mg·L-1和2.18～6.91 mg·L-1之间，平均含量分别为4.06 mg·L-1、4.66 mg·L-1和3.60 mg·L-1。

与NH4+-N、NO3--N和TN不同，不同处理径流水中TP平均含量表现为沟施>穴施>撒施，含量分别为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径流水NH4+-N、NO3--N、TN和TP浓度Tab.1 The contents of NH4+-N, NO3--N, TN and TP in runoff water from Ph. edulis with different fertilization methods

总体来看，无论是沟施、撒施还是穴施，施肥后短期内径流水中NH4+-N、NO3--N和TN含量均较高，随施肥时间的推移有所降低，而不同处理TP的含量在整个试验周期内无明显规律性(表1)。

如图1所示，NH4+-N/NO3--N和NH4+-N/TN在施肥后表现为先升高后降低再升高的趋势，其中NH4+-N/NO3--N最高和最低分别为1.66和0.60；NH4+-N/TN最高和最低分别为0.85和0.29。NO3--N/TN和TP/TN在施肥后均表现为先升高后降低的趋势，在整个试验周期内变化范围分别为0.33～0.69和0.02～0.47。

图1 NH4+-N/NO3--N、 NH4+-N/TN、NO3--N/TN和TP/TN变化趋势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径流流失量

不同施肥方式之间径流量几乎没有差异(图2)，变化趋势也相同。沟施、撒施和穴施处理单次径流量最高均为31.3 t·hm-2，最低分别为2.47 t·hm-2、2.37 t·hm-2和1.82 t·hm-2，径流总量分别为67.3 t·hm-2、65.1 t·hm-2和65.8 t·hm-2。

图2 不同施肥方式径流量Fig.2 Water runoff amount of different fertilization methods

对不同施肥方式NH4+-N流失量计算后发现3种施肥方式施肥后短期内NH4+-N单次流失量均较高，而后迅速下降，但在整个试验周期内无明显规律性变化(图3A)。总体来看，施肥后至5月27日，不同施肥方式NH4+-N单次流失量均表现为撒施>沟施>穴施，单次流失量最高分别为148.2 g·hm-2、104.5 g·hm-2和55.9 g·hm-2，最低分别为2.5 g·hm-2、2.4 g·hm-2和2.5 g·hm-2。全年来看，不同施肥方式单次流失量无明显规律性，每年沟施、撒施和穴施处理总流失量分别为158 g·hm-2、228 g·hm-2和101 g·hm-2。差异显著性分析结果表明，撒施处理NH4+-N单次流失量于5月8日和6月10日显著高于沟施和穴施处理(P<0.05，图3A)，于4月18日单次流失量显著高于穴施处理(P<0.05，图3A)，其余时间内不同处理之间均无显著性差异(P>0.05，图3A)。

图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

由图3可知，NO3--N与TN的流失量随时间变化无明显规律性(图3B和3C)，其中不同处理NO3--N在整个试验周期内单次流失量分别在2.8～76.3 g·hm-2、4.8～115.0 g·hm-2和3.0～54.8 g·hm-2之间，每年总流失量分别为132 g·hm-2、178 g·hm-2和104 g·hm-2。不同处理TN单次流失量分别为10.6～236.0 g·hm-2、10.4～286.0 g·hm-2和5.0～216.0 g·hm-2，年流失总量分别为354 g·hm-2、418 g·hm-2和322 g·hm-2。差异显著性分析结果表明，仅4月9日NO3--N单次流失量在撒施和穴施处理之间具有显著性差异(P<0.05，图3B)，而在整个试验周期内，TN单次流失量在不同处理之间差异均不显著(P>0.05，图3C)。

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流失总量均较低(图3D)，且不同处理毛竹林TP单次流失量无明显规律性变化。整个试验周期内沟施、撒施和穴施毛竹林TP单次流失量变化范围分别为0.29～8.54 g·hm-2、0.14～5.12 g·hm-2和0.20～10.10 g·hm-2，年流失总量表现为沟施>穴施>撒施，年流失量分别为39.3 g·hm-2、33.3 g·hm-2和26.1 g·hm-2。

2.3 施肥方式与氮磷流失相关性

径流水中NH4+-N、NO3--N、TN和TP含量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(P<0.01，图4A和4B)，NH4+-N与NO3--N之间及TN与TP之间具有显著相关关系(P<0.05，图4C和4D)。

图4 径流水中TN与NH4+-N含量(A)、TN含量与NO3--N含量(B)、NO3--N与NH4+-N含量(C)及TN与TP含量(D)之间相关关系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 讨论

3.1 径流水中N形态随时间不断变化

降雨产生径流是促使养分流失最主要的因素，除此之外养分流失还受土壤类型、矿物晶格组成和土壤胶体类型等微环境的影响[16]。研究表明，土壤胶体带有负电荷，因此土壤颗粒和土壤胶体对NH4+有很强的吸附作用[16]，同时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[17]，再加上毛竹林本身具有一定的坡度，土壤通气性好[18]，使得NH4+-N更加容易被氧化，因而在整个试验周期中NH4+-N/NO3--N仅在施肥后的短期内急剧升高后不断降低。当施入土壤的肥料在随水流失、转化、毛竹吸收利用等共同作用下已被消耗殆尽时，土壤胶体释放的N占水体中总N的比例便不断升高，由于土壤颗粒和土壤胶体吸附、固定的均为NH4+-N[16-18]，致使NH4+-N/NO3--N在整个试验的后期再次有所升高。

3.2 施肥方式对毛竹林土壤养分流失的影响

毛竹林施肥主要有撒施、沟施和穴施3种，撒施被认为是最为方便快捷，节省时间和劳动力成本的方式而逐渐被广泛推崇，但有研究表明[19]，长期撒施容易引起竹鞭上浮、林下植被生长过快、增加水土流失风险等问题。沟施通过开沟的方式将肥料埋入土中，除了能够在施肥的同时疏松土壤、提高养分利用率、减少肥料损失外，沿水平线开挖的施肥沟还能够起到蓄水、保水和透气的作用[10]，有利于笋竹生长。而研究中不同施肥方式之间单次径流量和总径流量均无明显差异(图2)，可能是由于当年当地总降雨量较少，且降雨较为集中所致。穴施是直到近几年才逐渐被广泛利用的施肥方式，研究表明其不仅能够将肥料埋入土中降低肥料损失也具有一定的蓄水、保水的作用[10]。研究中穴施施肥方式无论是径流水中NH4+-N，NO3--N和TN的平均浓度还是总流失量均远小于沟施和撒施(表1和2)，表明穴施引发竹林养分流失的风险最低。

进一步对径流水中TP含量进行分析发现，与NH4+-N、NO3--N和TN的浓度相反，径流水中TP的平均浓度和流失量均表现为沟施>穴施>撒施，因试验过程中未有P肥输入，因此随径流水流失的P主要来源于土壤风化和有机物质分解矿化。由于P在土壤中易被固定，因此在降水发生时P损失的主要载体是随水流失的泥沙[20]。而沟施对土壤的扰动最为强烈，导致竹林地面粗糙度和土壤疏松度增加，且有机物质接触空气后矿化速率加快，吸附有少量N、P等养分元素的土壤微小颗粒更容易随径流水流失，因此表现为沟施处理TP流失量最大，同时也表明竹林经营过程中除了施肥带来的肥料中养分流失外，对土壤的扰动也是造成土壤养分流失的因素之一[17,21]。对NH4+-N，NO3--N、TN和TP之间相关性分析结果也表明TN分别与NH4+-N和NO3--N之间均具有极显著相关关系而TN与TP之间相关性不明显(图4A、4B、4D)，表明TN与NH4+-N和NO3--N之间关系更为密切，来源可能相同，而TN与TP来源不同。因此在坡地毛竹林经营过程中，做到覆土施肥的同时应尽量降低施肥对土壤的扰动，减少土壤自身养分的流失。

3.3 毛竹林养分流失对水体污染的贡献有限

农林业土壤养分流失所引起的环境问题受到越来越多的广泛关注，其中N作为最主要面源污染物的产生过程和迁移途径受降雨和地形地貌影响最为明显[22-24]。在诸多因素中，合理的耕作方式和养分管理被认为是减少水土和养分流失最有效的措施[24]。研究表明[25-26]，在坡地耕作的过程中地表径流是土壤养分流失最主要的流失通道，施肥方式对养分流失具有明显的影响[26]。毛竹林作为我国南方地区最重要的经济林分之一，全国分布面积超过460万hm2[27]，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主要贡献者[2,3,25]。张奇春等[28]关于毛竹林生态系统地表径流与氮素流失的研究结果表明，沿江毛竹林年径流总量、泥沙流失量和全氮流失量分别高达568 t·hm-2、692 kg·hm-2和1.84 kg·hm-2。陆荣杰等[21]对浙北集约经营毛竹林的研究结果显示，集约经营毛竹林总氮年单位流失量可达45.26 kg·hm-2，比粗放经营毛竹林增加了80.68%，需要重点关注。该研究涉及的笋用毛竹林位于福建省中部，不同施肥方式中单位面积TN流失量最高为418 g·hm-2(表2)，与已有研究差距较大，表明地理位置、立地环境、经营方式等均会对竹林氮素流失造成影响。此外，该研究中毛竹林单位面积TN流失量远小于同领域中花卉(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]等经济林流失量，也无法与农业领域水稻(Oryzasativa)(20.0 kg·hm-2)[30]、玉米(Zeamays)(5.1 kg·hm-2)[20]和冬小麦(Triticumaestivum)(1.5 kg·hm-2)[31]等农作物种植过程养分流失相比，表明在经营方式合理的条件下，由人类经营活动引起的毛竹林养分流失对水体污染的贡献是有限的。

表2 不同植物N、P流失量Tab.2 The N and P runoff amount of different plants

4 结论

施肥方式对毛竹林N流失有明显影响，穴施有助于减少毛竹林N流失量，降低林区局部水体污染风险。由毛竹林经营施肥而引起的N流失量远小于其它主要经济林分和主要农作物，对水体污染的贡献有限。