不同施氮量和灌水水平下毛白杨林地土壤矿质氮动态*

黄梦遥 张润哲 史 策 杨 昊 魏一凡 张兆德 祝 琳宋连君 聂立水 王登芝

（1. 北京林业大学林学院 森林培育与保护教育部重点实验室 北京 100083；2. 河北省威县苗圃场 邢台 054700）

硝态氮和铵态氮是杨树（Populus）吸收利用的2种主要氮素形态，也是土壤矿质氮的重要组成部分（董雯怡等，2009；Domenicanoet al., 2011），二者在土壤中的含量与分布受施氮灌溉措施、土壤质地、林地类型、降雨和季节变化等因素影响（Cassmanet al.,2002；张金波等，2004）。研究表明，华北平原杨树速生丰产林年适宜施氮（尿素）量为100～400 kg·hm-2（朱嘉磊等，2019），通过灌水将土壤含水量维持在田间持水量的60%～75%可确保林地较高材积生长（任忠秀等，2011；张润哲等，2019）。氮肥和水分投入虽可促进林木快速生长，但过量施用容易造成土壤中累积大量氮素，在灌水或强降雨作用下向深土层淋失，导致地下水污染（Gehlet al., 2005)。因此，弄清楚土壤硝态氮和铵态氮的动态变化对林地精准施肥和灌水具有重要作用。

尿素施入土壤后快速溶解，在脲酶作用下逐渐水解为铵态氮，随后通过硝化作用氧化为硝态氮，同时铵态氮还存在NH3形式损失（Huanget al., 2017）。土壤脲酶活性直接影响尿素水解速率，从而影响土壤中硝态氮和铵态氮含量以及氨挥发速率（Siguaet al.，2020）。加入尿素量使脲酶活性达到平稳前，脲酶活性与土壤中尿素浓度呈正相关，而对水分含量的响应结果不一（周礼恺等，1984）。氨挥发是土壤氮素气态损失的主要途径之一，其损失率有时可达施氮量的40%～50%（曹兵等，2001），不仅降低氮肥利用率，还会引起土壤酸化、水体富营养化等问题(Rochetteet al.,2001)。土壤氨挥发是多种因素共同作用的结果，如土壤状况、环境因子、管理措施等，尿素施用量是主要因素（Duanet al., 2000；Liet al., 2008）。不同生态系统氨挥发特征对施氮量和灌水水平的响应可能具有一定差异性，我国北方潮土主要粮食作物氨挥发损失率可达1%～48%（Caiet al., 2002），对人工林地土壤氨挥发特征研究相对较少（Guoet al., 2022；王成等，2019）。

杨树生长季土壤水热条件相对充足，氮素含量及其形态变化剧烈。目前，杨树水氮施用试验时间多以季度或年为单位（Heet al., 2020；张润哲等，2019），对单次施肥周期内土壤矿质氮动态、氨挥发特征和酶活性变化鲜有报道，尤其是人工林地生态系统。鉴于此，本研究以毛白杨（Populus tomentosa）长期定位施氮试验林为对象，进行单次施氮周期内不同施氮量和灌水水平下土壤矿质氮动态研究，分析土壤矿质氮含量、氨挥发速率和脲酶活性的相关关系，以期指导杨树速生丰产林更加精确的水氮管理措施，提高林地生产力和水氮利用效率，降低氮素损失，为林地长期施氮和灌溉水平的合理选择提供理论依据。

1 试验地概况

试验林地位于华北平原南部河北省邢台市威县苗圃场（113°52—115°49E，36°50—37°47′N），地势平坦，属暖温带大陆性半干旱季风气候。年平均气温13 ℃，5月平均气温21 ℃，年日照2 574.8 h，无霜期198天，年降雨量497.7 mm。林地土壤为砂壤土，质地和肥力在空间上分布均匀。土壤总孔隙度为46.7%，田间持水量为26%，密度为1.43 g·cm-3。林地100 cm土层内有机质、全氮、有效磷、速效钾含量均值分别为8.6 g·kg-1、0.58 g·kg-1、8.09 mg·kg-1、90.0 mg·kg-1。

林地于2007年4月造林，为“十一五”、“十二五”长期水氮施用试验林，造林材料为2龄三倍体毛白杨无性系S86（母本Populus tomentasa×P. bolleana，父本P. alba × P. glandulosa）苗木。造林总面积1.21 hm2，株行距4 m × 6 m（造林密度833株·hm-2），共36个小区，每小区面积252 m2，小区间设有保护行，林间无间作作物，每年3月耕地松土1次。

2 研究方法

2.1 试验设计

设3种灌水水平W1、W2、W3（表示灌水下限分别为田间持水量的45%、60%、75%），每种灌水水平下设4种施氮量N0、N1、N2、N3（以纯氮量计算分别为0、101.6、203.2、304.8 kg·hm-2），共12组处理，每组3次重复，共36小区。自2007年起，每年在毛白杨生长旺季5、6、7月分3次进行氮、磷、钾同步施肥，所施肥料分别为尿素（N，46%）、过磷酸钙（P2O5，16%）和硫酸钾（K2SO4，50%），磷肥用量为101.6 kg·hm-2，钾肥用量为50.8 kg·hm-2。采用穴施方法，每次施入肥料总量的1/3，穴与树干距离为树冠投影长度的一半，施肥后立即覆土、灌水，灌水方式采用沟灌。试验期间定期除去林地竞争性杂草。土壤含水量监测方法参照张润哲等（2019）。

2.2 样品采集与测定

2.2.1 土样样品采集与测定 于2021年5月施氮0、3、7、15、30 天后，在每小区随机选取3个距树1 m左右的样点，垂直采取0～20、20～40、40～60、60～100 cm土层土壤样品，同层混合后四分法取样，共取得土样720份。0～4 ℃条件下带回，测定土壤硝态氮和铵态氮含量。每次另取表层0～20 cm土样测定脲酶活性，共120份。

土壤硝态氮含量测定采用紫外分光光度计法，铵态氮含量测定采用靛酚蓝比色法（鲍士旦，2000；Sakamotoet al., 2009），脲酶活性测定采用比色法，以37 ℃恒温培养24 h后1 g土壤中含NH3-N的质量（mg）表示（关松荫，1983）。

2.2.2 土壤氨挥发采集与测定 氨挥发测定采用双层海绵通气法（王朝辉等，2002）。施氮当天，在各小区试验树体两侧穴施点上方分别放置1个通气法捕获装置，开始进行氨挥发采集。施氮后第1周，1天取样1次；第2周，3～4 天取样1次；第3周，视测到的氨挥发数量，5～7天取样1次；之后取样间隔可延长至7～15天，直至监测到氨挥发数值稳定。均在上午10:00时取样。

2.3 数据统计与分析

1） 硝态氮和铵态氮累积量（张润哲等，2019）：

式中：M为硝态氮或铵态氮累积量（kg·hm-2）；C为硝态氮含量（mg·kg-1）；H为土层厚度（cm）；D为土壤密度（g·cm-3）。

2） 氨挥发速率（王朝辉等，2002）：

式中：V为土壤氨挥发速率（kg·hm-2d-1）；W为单个吸收装置平均每次测得的氨挥发量（NH3-N，mg）；A为捕获装置的横截面积（m2）；T为每次连续捕获的时间（d）。

3） 氨挥发累积量 （王峰等，2016）：

式中：Si为第i次测定的NH3累积量（kg·hm-2）；i为取样次数；（ti-ti-1）为2次相邻取样间隔时间（d）。

4） 氨挥发损失率（王峰等，2016）：采用施氮处理氨挥发量减去N0处理氨挥发量除以施氮量再乘以100的方式计算。

采用Excel 2021软件进行数据处理，Origin 2019软件进行图表绘制。应用SPSS 24.0软件运用双因素方差分析（two-way ANOVA）检验不同施氮量和灌水水平处理下土壤硝态氮含量、铵态氮含量、脲酶活性、氨挥发速率及总量的差异性；采用Duncan法（P＜ 0.05）进行多重比较。利用皮尔逊相关性分析和偏相关分析检验土壤表层硝态氮含量、铵态氮含量、脲酶活性和氨挥发速率任意二者间的相关关系。

3 结果与分析

3.1 不同施氮和灌水水平下土壤硝态氮和铵态氮分布动态

3.1.1 土壤硝态氮分布和累积量动态 单次施氮周期内，毛白杨林地土壤硝态氮分布动态如图1所示，0～100 cm土层硝态氮平均含量为4.84～29.02 mg·kg-1。各施氮处理土层硝态氮平均含量随时间推移先增大后降低，施氮后第7天时达最大值（26.64～62.34 mg·kg-1），为本底值的3.64～4.40倍。硝态氮含量随土层加深而降低，在表层0～20 cm最高，且主要集中在0～60 cm，60～100 cm土层含量则显著降低。

图1 不同施氮量和灌水水平下土壤硝态氮分布动态Fig. 1 Dynamics change of soil NO3--N contents under different N and W application levels短柱表示标准偏差。Bars indicate standard deviation (n = 3).

毛白杨林地土壤0～100 cm土层硝态氮累积量为55.39～ 331.99 kg·hm-2（图2）。施氮前硝态氮累积量为55.39～74.00 kg·hm-2，施氮后硝态氮累积量显著增加，施氮后第7天达最大值（201.55～331.99 kg·hm-2）。当施氮量和灌水量较大时，如N3处理60～100 cm土层硝态氮累积量占100 cm以内硝态氮总量比例从施氮后7～30天分别由7.2%～10.4%增至19.6%～25.7%；施氮后30天，W3处理土壤硝态氮均在60～100 cm土层出现累积（图1），表明林地灌溉可促进硝态氮向深土层运移。方差分析表明，施氮量和灌水水平对0～100 cm土层硝态氮含量和累积量影响极显著（P＜0.01）。硝态氮含量和累积量与施氮量呈正相关，即N3 ＞ N2 ＞ N1 ＞ N0，不同灌水水平随施氮后时间推移则无一致规律。

图2 不同施氮和灌水水平下土壤硝态氮累积量动态Fig. 2 Dynamics change of soil NO3--N accumulations under different N and W application levels小写字母表示同一处理在不同施氮后时间0.05水平上差异显著。The different small letters indicate significant difference at 0.05 level among different time after N application in the same treatment.

3.1.2 土壤铵态氮分布和累积量动态 毛白杨林地土壤0～100 cm土层不同处理铵态氮分布动态如图3所示，铵态氮平均含量为3.18～13.22 mg·kg-1，通常在表层0～20 cm最大，随土层加深而降低。施氮前铵态氮含量为1.77～4.54 mg·kg-1；施氮后3天，尿素快速水解，各施氮处理0～20 cm和20～40 cm土层铵态氮含量显著增至最大值（26.61～51.32 mg·kg-1和16.71～19.67 mg·kg-1），其余土层则无显著变化；施氮后7 天，随硝化作用进行铵态氮含量逐渐降低，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层相比施氮后3天显著降低52.8%～92.9%，60～100 cm土层铵态氮含量则无显著变化（2.18～3.57 mg·kg-1）。

图3 不同施氮和灌水水平下土壤铵态氮分布动态Fig. 3 Dynamics changes of soil NH4+-N content under different N and W application levels.短柱表示标准偏差。Bars indicate standard deviation (n = 3).

毛白杨林地土壤0～100 cm土层铵态氮累积量为31.45～254.21 kg·hm-2（图4）。铵态氮累积量随施氮后时间推移先增加后降低，施氮后第3天达最大值（150.15～254.21 kg·hm-2）。方差分析表明，单次施氮周期内，不同施氮量和灌水水平对林地铵态氮含量和累积量影响显著（P＜ 0.05）。铵态氮含量和累积量随施氮量增大而增大，随灌水量增大先增加后降低，即N3 ＞ N2 ＞ N1，W2 ＞ W3 ＞ W1。

图4 不同施氮和灌水水平下土壤铵态氮累积量动态Fig. 4 Dynamics changes of soil NH4+-N content under different N and W application levels

3.2 不同施氮和灌水水平下土壤氨挥发动态

单次施氮周期内林地土壤氨挥发速率如图5所示，N0处理氨挥发速率较低（0.04～0.10 kg·hm-2d-1），各施氮处理氨挥发速率在1～2天后即可达到峰值（0.96～3.46 kg·hm-2d-1），10天后开始降至较低水平。林地土壤氨挥发主要发生在施氮10天内，其累积量达单次施氮周期氨挥发总量的81.5%～91.4%。施氮后30 天，土壤氨挥发累积量为1.57～18.29 kg·hm-2，损失率为14.05%～18.97%（表1）。累积总量随施氮和灌水水平增加显著增加（P＜ 0.01），且施氮影响远大于灌水，其中N3处理氨挥发累积量均值达17.86 kg·hm-2，为N2（12.59 kg·hm-2）和N1（7.05 kg·hm-2）处理的1.4和2.5倍。

表1 不同施氮和灌水水平下土壤氨挥发累积量与损失率（均值±标准差）Tab. 1 Cumulation and loss rate of NH3 volatilization under different N and W application levels（mean ± SD）

图5 不同施氮和灌水水平下土壤氨挥发速率动态变化Fig. 5 Dynamics changes of soil NH3 volatilization rates under different N and W application levels

3.3 不同施氮和灌水水平下土壤脲酶活性动态

土壤脲酶活性随时间推移先升高后降低，在施氮后3天后达最大值（3.14～4.48 mg·g-1），而后逐渐下降至低于本底值。各施氮灌水处理后3天，土壤脲酶活性相较土壤本底值分别增大7.4%～36.4%（图6）。方差分析表明，不同施氮和灌水水平对毛白杨林地土壤脲酶活性影响极显著（P＜ 0.01），当其中一个因素一定时，脲酶活性随另一因素增大而增大，即N3 ＞ N2 ＞ N1 ＞N0，W3 ＞ W2 ＞ W1，二者共同作用下W3N3处理脲酶活性最高。

图6 不同施氮和灌水水平下土壤脲酶活性动态变化Fig. 6 Dynamics changes of soil urease activity under different N and W application levels

除土壤表层0～20 cm硝态氮和铵态氮含量无显著相关外，其他各因子之间均极显著相关（P＜ 0.01，表2）。为避免共同变量干扰导致2个变量间的假性相关，固定共同变量后再进行偏相关分析，结果表明，土壤硝态氮与铵态氮含量呈显著负相关，氨挥发速率与铵态氮含量呈显著正相关，脲酶活性与其他因素无显著相关。

表2 土壤硝态氮、铵态氮、氨挥发速率、脲酶活性相关系数①Tab. 2 Correlation coefficient of soil NO3--N, NH4+-N, NH3 volatilization rate and urease activity

4 讨论

4.1 不同施氮和灌水水平对林地土壤硝态氮和铵态氮分布动态的影响

施氮和灌水均显著影响林地土壤矿质氮含量和累积量，施氮量与二者呈正相关，灌水可促进氮素向深土层运移。硝态氮和铵态氮主要分布在0～40 cm土层，其含量随土层加深和施氮后时间推移先增加后降低，与以往研究趋势一致（巨晓棠等，2003），并分别在施氮后第7 和3天达最大值。单次施氮周期内，0～100 cm土层硝态氮平均含量为4.84～29.02 mg·kg-1，高于杨树人工林地整个生长季施氮后硝态氮平均含量（3.12～10.92 mg·kg-1）（张润哲等，2019），这表明水氮施用后林地土壤硝态氮含量在短期内转化较为剧烈，单次施氮周期对土壤氮素动态变化的监测更加精确。N3和W3处理下深土层硝态氮含量占比逐渐增大，表明高施氮量下硝态氮含量可能超过该周期内林木生长所需，随土壤水向深土层运移。0～100 cm土层铵态氮平均含量为3.18～13.22 mg·kg-1，含量稳定且保持在较低水平（除0～20 cm土层外），与田间滴灌试验（戴腾飞等，2018）和旱地土壤氮素残留试验（王西娜等，2007）趋势相同，这可能是因为铵态氮带正电，易被土壤胶体吸附，因而受不同试验环境的影响较小。

单次施氮周期后毛白杨林地0～100 cm土层硝态氮累积量为56.84～104.88 kg·hm-2，铵态氮累积量为33.53～53.63 kg·hm-2，为硝态氮的51.1%～60.1%，说明土壤中矿质氮主要以硝态氮形式累积。林地0～100 cm土层硝态氮累积量显著低于田间作物和果园等（Liuet al., 2003; Fanget al., 2006；Liuet al., 2019），铵态氮累积量范围与其他土地利用类型则相差较小（蔡万涛等，2009；南镇武等，2016；卢九斤等，2020）。这可能因为毛白杨是华北地区主要速生树种，在生长季期间对水分和氮素的需求量巨大，尤其是硝态氮（董雯怡等，2009）。此外，还与不同生态系统的栽培管理条件、土壤水分状况、酸碱度和体积质量等相关（冯晓波等，2014）。已有研究表明，华北平原杨树年施氮100～400 kg·hm-2时能保证林木生长和土壤氮素供应（朱嘉磊等，2019；贺曰林等，2018），综合本研究土壤氮素分布和累积特点，建议年施氮量为203.2 kg·hm-2，且分多次少量施用，同时土壤含水量宜控制在田间持水量的60% ～75%。

4.2 不同施氮和灌水水平对林地土壤氨挥发的影响

土壤氨挥发速率和累积量变化是气候条件（温度、风速、光照）、土壤条件（质地、pH、含水量）、管理措施（耕作、施肥、灌水）等多种因素综合作用的结果（Linet al., 2012），其中施氮和灌水可直接影响土壤中氨挥发底物浓度，是造成设施用地土壤氨挥发差异的主要原因（Holcombet al, 2011）。本研究表明，施氮量、灌水水平以及二者共同作用对毛白杨林地氨挥发影响显著，且施氮的影响远大于灌水，与杨士红等（2012）研究结果一致，这表明在不同生态系统中高施氮量是导致土壤氨挥发严重的重要原因。土壤氨挥发主要发生在施氮后10天内，并在施氮灌水后1～2天出现挥发峰值（0.96～3.46 kg·hm-2d-1），而后迅速降低进入低挥发阶段，这可能是由于施氮后立即灌溉，尿素迅速水解，氨挥发过程的底物铵态氮含量充足。本研究相关性分析也表明，氨挥发速率与表层土壤铵态氮含量呈显著正相关，因此氨挥发速率可在施肥后短时间内达到峰值，之后随硝化作用的完成而下降。

单次施氮周期内，毛白杨林地土壤氨挥发累积量为1.57～18.29 kg·hm-2，与施氮量和灌水水平呈正相关，N3处理损失量最大（17.07～18.29 kg·hm-2）。氨挥发损失率为14.05%～18.97%，低于农田作物（9.2%～45.8%）（王磊等，2018；Lin, 2012；Gong, 2013），高于果园和橡胶林地等（0.18%～10%）（阮云泽等，2014；葛顺峰等，2017；Guoet al., 2022），表明不同土地利用类型下氨挥发损失率存在较大差异，这主要与水氮施用方式、植被类型、土壤特性等相关。林地通常采用穴施或沟施施肥并覆土，氮肥深施能增加尿素颗粒与土壤的接触面积，使更多铵离子被土壤吸附，从而抑制氨挥发（Sunet al., 2021）。此外，土壤pH较低时也不利于铵态氮向氨气转化，pH每上升一个单位，氨挥发量可增加10倍（王峰等，2016）。因此，为减少土壤氨挥发，建议避免表层撒施氮肥，在碱性土壤中适当降低铵态氮肥施用量。

4.3 不同施氮和灌水水平对林地土壤脲酶活性的影响

林木生长旺盛时期，对氮素和水分需求大、响应强烈，根系代谢旺盛，酶代谢活动增强，适宜施氮灌水可刺激微生物生长繁殖，促进脲酶分泌 (王顺等，2021)。本研究表明，施氮和灌水水平对毛白杨林地土壤脲酶活性影响显著，土壤脲酶活性与施氮量呈正相关，并随施氮后时间推移先增大后降低，施氮后第3天达最大值（3.16～4.48 mg·g-1），与多数研究得出的结论一致（胡洋等，2022；张俊丽等，2012），这是由于施氮为脲酶的酶促反应提供大量基质，土壤中尿素浓度增大，水溶性有机质含量增高，因此脲酶活性也随之增加，随尿素逐渐水解完全，脲酶活性降低。

土壤脲酶活性随土壤含水量增加可能增强或减弱（周礼恺等，1984）。本研究与Antil等（2006）试验结果相同，即脲酶活性随灌水水平增大而增大，而与Lei等（2018）研究结论相反，这可能是因为土壤颗粒等级不同。灌水量增加对砂壤土透气性的影响较小，Lei等（2018）试验土壤砂粒比例较低，透气性较差，土壤含水量增加会抑制部分土壤微生物和植物根系活动，导致脲酶酶活性降低。相关性分析可知，土壤脲酶活性与表层硝态氮、铵态氮含量、氨挥发速率显著正相关，偏相关分析得出，脲酶活性与三者均无相关关系，这表明施氮和灌水是影响土壤脲酶活性的主要原因，与其他变量的相关关系是受干扰导致的假性相关。

5 结论

不同施氮量和灌水水平显著影响毛白杨林地土壤矿质氮组成与动态。高施氮量和高灌水水平下，硝态氮更易向深土层运移。土壤铵态氮含量较低且通常保持稳定（除表层外）。土壤氨挥发主要发生在施氮后10天内，大量施氮和低灌水可能导致林地氨挥发。施氮和灌水可能通过影响土壤脲酶活性而对土壤矿质氮组成和动态产生影响。单次施氮周期下土壤矿质氮动态深入研究有助于科学指导林地水氮管理，降低土壤氮素淋失和挥发风险。为降低氮素残留和淋失风险，减少氨挥发损失，建议毛白杨速生丰产林地年施氮量为200 kg·hm-2，土壤含水量控制在田间持水量的60%～75%。