不同肥料對(duì)油茶林土壤氮素含量、 微生物群落及其功能的影響

王 華， 牛德奎 ， 胡冬南， 張 煒 ， 郭曉敏*

(1 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土與資源環(huán)境學(xué)院， 江西南昌 330045； 2 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與藝術(shù)學(xué)院， 江西南昌 330045)

油茶(CamelliaoleiferaAbel)又名油茶樹，它是中國主要的木本食用油料，與棕櫚、 椰子和橄欖合稱為世界四大木本油料植物[1]。油茶適應(yīng)性廣，抗干旱耐瘠薄，是我國南方各省區(qū)林業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的重要樹種。由于發(fā)展缺乏連貫性，我國大部分油茶林栽培管理水平低下，處于低產(chǎn)狀態(tài)。施肥是改變油茶低產(chǎn)的重要措施，是爭(zhēng)取油茶高產(chǎn)、 優(yōu)質(zhì)、 高效的必由之路[2-3]。因此，需要因地制宜，選擇合適的肥料進(jìn)行科學(xué)施肥，充分發(fā)揮肥效，提高養(yǎng)分利用率[4-5]。氮是植物生長(zhǎng)和發(fā)育所需的大量營養(yǎng)元素之一，肥料中氮素的轉(zhuǎn)化、 吸收和利用是油茶生長(zhǎng)和高產(chǎn)的關(guān)鍵要素。土壤氮庫中的氮主要以有機(jī)氮的形式存在，而植物所能吸收利用的大部分是無機(jī)態(tài)氮，所以，土壤氮庫中的有機(jī)氮必須不斷地通過微生物的礦化作用轉(zhuǎn)化為植物可吸收的有效態(tài)氮[6-7]。銨態(tài)氮、 硝態(tài)氮作為可被植物直接吸收利用的有效態(tài)氮素，其含量的變化直接對(duì)土壤氮素的遷移轉(zhuǎn)化過程和植物生產(chǎn)力產(chǎn)生影響。土壤中氮素含量按植被生長(zhǎng)發(fā)育節(jié)律隨物候期不斷發(fā)生變化即季節(jié)性變化明顯[8-9]。近些年，南方油茶產(chǎn)區(qū)在養(yǎng)分管理[10-13]以及油茶林土壤微生物及酶活性方面[14-16]開展了一些研究，但目前針對(duì)不同肥料處理油茶林土壤氮素狀況與相關(guān)微生物方面的研究尚未見報(bào)道。本文旨在研究不同肥料類型對(duì)油茶林土壤中氮素含量、 微生物群落及其功能的季節(jié)動(dòng)態(tài)的影響，探討它們之間的關(guān)聯(lián)，以期為油茶的合理施肥提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料贛無油茶無性系由江西林業(yè)科學(xué)研究院提供，本論文根據(jù)課題組多年油茶養(yǎng)分研究和林業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的需要，選用與油茶生產(chǎn)實(shí)踐緊密相連且目前最常用最典型的復(fù)合肥、 油茶專用肥和生物有機(jī)肥。生物有機(jī)肥含有機(jī)質(zhì)30%、 腐殖酸20%、 氮磷鉀養(yǎng)分含量6%，N ∶P2O5∶K2O=1 ∶1 ∶1；油茶專用肥的氮磷鉀養(yǎng)分含量為26.6%，N ∶P2O5∶K2O=1 ∶0.8 ∶1，并添加了硼砂、 硫酸鋅、 生石灰等一些中微量元素；復(fù)合肥的氮磷鉀養(yǎng)分含量為45%，N ∶P2O5∶K2O=1 ∶1 ∶1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)研究與實(shí)踐中油茶產(chǎn)量較佳的施肥量，選擇生長(zhǎng)較為一致的8年生油茶，試驗(yàn)設(shè)4個(gè)施肥處理：1)生物有機(jī)肥每年每株施2.0 kg(YJF)； 2)油茶無機(jī)專用肥每年每株施1.0 kg(ZYF)； 3)復(fù)合肥每年每株施0.6 kg(FHF)； 4)不施肥(CK)。每個(gè)樣地每個(gè)處理20株，3個(gè)重復(fù)樣地，隨機(jī)區(qū)組排列。施肥采用溝施法(沿樹冠滴水線挖環(huán)狀溝施入)，分兩次施入(5月和11月初)。處理間設(shè)置保護(hù)行。從2009年起進(jìn)行施肥處理。復(fù)合肥和油茶專用肥的氮、 磷、 鉀總養(yǎng)分一致，生物有機(jī)肥中的氮、 磷、 鉀總養(yǎng)分約為前二者的一半，但富含有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)等。

1.4 樣品采集

1.5 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤全氮采用半微量開氏法；銨態(tài)氮采用KCl浸提—蒸餾法；硝態(tài)氮采用KCl浸提—還原蒸餾法測(cè)定[18]。氨化細(xì)菌數(shù)和亞硝化細(xì)菌量采用稀釋培養(yǎng)—最大或然數(shù)法測(cè)定；硝化作用強(qiáng)度用亞硝酸鹽殘留量法測(cè)定；氨化作用強(qiáng)度用土壤培養(yǎng)法測(cè)定[19]。

由于硝化作用是由兩個(gè)階段完成的，第一階段是氨氧化為亞硝酸，由亞硝化細(xì)菌來完成，第二階段是由亞硝酸氧化為硝酸，由硝化細(xì)菌完成。因?yàn)樵谕寥乐邢趸饔玫牡谝浑A段和第二階段是連續(xù)進(jìn)行的。所以測(cè)定參與第一階段的亞硝酸細(xì)菌的數(shù)量，即能反映硝化細(xì)菌數(shù)量的多寡[19]。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel軟件進(jìn)行整理和計(jì)算， SPSS 17.0軟件作方差分析和相關(guān)性分析，LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同肥料對(duì)土壤中氮素含量的影響

2.1.1 土壤全氮含量的季節(jié)變化 由表1可以看出，油茶林土壤中全氮含量在同一季節(jié)4個(gè)施肥處理間均存在顯著差異，F(xiàn)HF、 ZYF、 YJF與CK相比全氮含量的年平均值分別增加19.57%、 17.46%、 9.79%； 3種肥料對(duì)提高油茶林土壤全氮含量均有顯著效果，尤其是復(fù)合肥和油茶專用肥。

不同施肥條件下季節(jié)變化對(duì)土壤全氮含量的影響表現(xiàn)為從春季到秋季遞增，在秋季達(dá)到最大值后下降。在春、 夏、 秋、 冬4個(gè)季節(jié)中，F(xiàn)HF與ZYF處理油茶林的土壤全氮含量差異不顯著，但CK處理的季節(jié)差異顯著。YJF、 FHF和ZYF處理在秋季其土壤全氮含量顯著高于其他季節(jié)，而其他季節(jié)間無明顯差異。

2.1.2 土壤銨態(tài)氮含量的季節(jié)變化 表2顯示，在相同季節(jié)油茶林土壤中銨態(tài)氮含量除了秋季ZYF與YJF差異不顯著外，其它季節(jié)處理間均存在顯著差異。 ZYF、 FHF、 YJF與CK相比，銨態(tài)氮年平均含量依次增加304.12%、 214.48%、 151.39%。可見，3種肥料均能大幅度提高油茶林土壤銨態(tài)氮含量，其中油茶專用肥的效果最佳。

表1 不同肥料處理土壤全氮含量季節(jié)變化 (g/kg)

表2 不同肥料處理土壤銨態(tài)氮含量季節(jié)變化 (mg/kg)

2.1.3 土壤硝態(tài)氮含量的季節(jié)變化 硝態(tài)氮含量在同一季節(jié)除春季的FHF和YJF之間無顯著差異外，其他季節(jié)處理間均存在顯著差異(表3)。硝態(tài)氮含量的變化基本趨勢(shì)為FHF>ZYF>YJF>CK。FHF、 ZYF、 YJF與CK對(duì)相比，硝態(tài)氮年平均含量分別增加84.75%、 73.74%、 48.70%。復(fù)合肥與油茶專用肥對(duì)油茶林土壤中硝態(tài)氮含量提高的效果較佳。

土壤硝態(tài)氮含量不同處理的季節(jié)變化均顯著，相同處理不同季節(jié)間均存在顯著差異，但不同處理的季節(jié)變化的趨勢(shì)并不一致。YJF、 FHF、 ZYF處理從春季到夏季呈遞減趨勢(shì)，并在夏季達(dá)到最小值，在夏季到冬季則呈遞增趨勢(shì)。CK處理從春季到秋季呈遞增趨勢(shì)，之后減小，冬季達(dá)到最小值。

表3 不同肥料處理土壤硝態(tài)氮含量季節(jié)變化 (mg/kg)

2.2 不同肥料對(duì)氮素轉(zhuǎn)化主要功能菌的影響

土壤氮素的礦化作用是林地生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)中重要的過程之一，主要包括氨化作用和硝化作用。土壤氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌是參與上述過程的主要菌群。

2.2.1 土壤氨化細(xì)菌數(shù)量的季節(jié)變化 由圖1可知，除秋季FHF和ZYF處理之間土壤氨化細(xì)菌的數(shù)量無顯著差異外，在相同季節(jié)不同處理之間均存在顯著差異。且氨化細(xì)菌的變化趨勢(shì)均為YJF>ZYF>FHF>CK。YJF、 ZYF、 FHF與CK對(duì)比，氨化細(xì)菌年平均量依次增加79.51%、 58.39%、 38.33%。生物有機(jī)肥對(duì)增加土壤氨化細(xì)菌數(shù)量的效果最好。

不同處理土壤氨化細(xì)菌數(shù)量的季節(jié)變化明顯，相同處理不同季節(jié)間均存在顯著差異。各處理在不同季節(jié)的變化趨勢(shì)一致，從春季到秋季呈遞增趨勢(shì)，在秋季達(dá)最大值，之后遞減，在冬季達(dá)最小值。

圖1 不同肥料處理氨化細(xì)菌數(shù)量季節(jié)變化Fig.1 Seasonal variations of ammonifying bacteria under different fertilizer treatments

2.2.2 土壤亞硝化細(xì)菌數(shù)量的季節(jié)變化 亞硝化細(xì)菌是氮轉(zhuǎn)化過程中的另一類功能菌群。圖2顯示，在相同季節(jié)不同處理之間亞硝化細(xì)菌數(shù)量存在顯著差異，且均為YJF>ZYF>FHF>CK。YJF、 ZYF、 FHF與CK相比，亞硝化細(xì)菌年平均量分別增加643.60%、 531.54%、 478.10%。由此可見，3種肥料處理的亞硝化細(xì)菌的數(shù)量均大幅度增加。

圖2 不同肥料處理亞硝化細(xì)菌數(shù)量季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variations of nitrite bacteria under different fertilizer treatments

2.3 不同肥料對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化功能的影響

2.3.1 對(duì)土壤氨化作用強(qiáng)度的影響 不同肥料處理對(duì)土壤氨化作用強(qiáng)度除秋季FHF處理和ZYF處理之間無顯著差異外，在同一季節(jié)不同處理之間均存在顯著差異(圖3)。氨化作用強(qiáng)度均表現(xiàn)為YJF>ZYF>FHF>CK。 與CK相比，YJF、 ZYF、 FHF處理的氨化作用強(qiáng)度年平均量分別增加72.41%、 44.72%、 33.32%。由此可知，3種肥料處理均能顯著增強(qiáng)土壤的氨化作用強(qiáng)度，其中以生物有機(jī)肥的效果最為明顯。

不同處理的土壤氨化作用強(qiáng)度季節(jié)變化顯著，除了ZYF處理的春季和冬季之間差異不顯著外，其他均存在顯著差異。不同處理在4個(gè)季節(jié)的變化趨勢(shì)一致，從春季到秋季遞增，在秋季達(dá)最大值，之后遞減，在冬季達(dá)最小值。

2.3.2 對(duì)土壤硝化作用強(qiáng)度的影響 在相同季節(jié)不同處理之間硝化作用強(qiáng)度存在顯著差異(圖4)，均為YJF>ZYF>FHF>CK。 YJF、 ZYF、 FHF處理的硝化作用強(qiáng)度的年平均量分別比CK增加222.06%、 159.16%、 114.37%。說明3種肥料對(duì)提高硝化作用強(qiáng)度的效果顯著。

圖3 不同肥料處理氨化作用強(qiáng)度季節(jié)變化Fig.3 Seasonal variations of ammonification intensity under different fertilizer treatments

4個(gè)處理的土壤硝化作用強(qiáng)度的季節(jié)變化規(guī)律不一致。CK各季節(jié)之間存在差異，春、 夏、 秋呈遞增趨勢(shì)，冬季降到最低。YJF處理的硝化作用強(qiáng)度春、 夏、 秋之間無明顯差異，但均顯著大于冬季。FHF處理春季與秋季的硝化作用較強(qiáng)且兩者間無顯著差異，夏季次之，冬季最弱，季節(jié)之間存在顯著差異。ZYF在秋季和夏季的硝化作用較強(qiáng)，兩個(gè)季節(jié)間差異不顯著，而春季水平較低，在冬季達(dá)最小值，差異顯著。

圖4 不同肥料處理硝化作用強(qiáng)度季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variations of nitrification intensity under different fertilizer treatments

2.4 土壤氮素轉(zhuǎn)化功能細(xì)菌、 生化強(qiáng)度與土壤氮素變化的關(guān)系

2.4.1 氨化細(xì)菌數(shù)量、 氨化作用強(qiáng)度以及銨態(tài)氮含量之間相關(guān)性分析 由表4可以看出，土壤銨態(tài)氮與氨化細(xì)菌、 氨化作用強(qiáng)度的相關(guān)性極顯著。表明土壤銨態(tài)氮的含量受氨化細(xì)菌數(shù)量及其氨化作用強(qiáng)度的影響顯著。尤其是氨化作用強(qiáng)度與氨化細(xì)菌數(shù)量的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.973，充分說明氨化作用強(qiáng)度與氨化細(xì)菌數(shù)量存在極顯著的相關(guān)性。

表4 氨化細(xì)菌、 氨化作用及銨態(tài)氮相關(guān)性

2.4.2 硝化細(xì)菌數(shù)量、 硝化作用強(qiáng)度以及硝態(tài)氮含量之間相關(guān)性分析 表5表明，土壤硝態(tài)氮與硝化細(xì)菌、 硝化作用強(qiáng)度的相關(guān)性達(dá)0.01顯著水平。氨化作用與硝化作用是土壤氮素礦化的主要生物過程，其強(qiáng)度與氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的數(shù)量有密切關(guān)系。因此，可以通過施肥等措施提高有關(guān)功能菌的數(shù)量，加強(qiáng)其生化作用強(qiáng)度，從而提高土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量。

2.5 不同肥料對(duì)油茶產(chǎn)量的影響

在2012年10月21日，將不同施肥處理的油茶樹分別單株采果稱重，然后求平均值。圖5顯示，CK處理的單株平均產(chǎn)量為1735.75 g，F(xiàn)HF處理為2214.00 g，YJF為3056.73g，ZYF為3082.13g。FHF、 YJF、 ZYF與CK相比，油茶單株平均產(chǎn)量分別增加了27.55%、 76.10%、 77.57%。可見，施3種肥料均能提高油茶產(chǎn)量，尤其是油茶專用肥和生物有機(jī)肥的增產(chǎn)效果顯著。

表5 硝化細(xì)菌、 硝化作用及硝態(tài)氮相關(guān)性

圖5 不同肥料處理單株油茶鮮果均產(chǎn)量Fig.5 Average fruit yields of different strains of Camelia oleifera under different fertilizer treatments

3 討論與結(jié)論

近年來農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中為了追求高產(chǎn)，常配施高量的氮肥，導(dǎo)致單位播種面積施氮量迅速上升，但氮的利用率一直不高，因而造成肥料的浪費(fèi)和加重農(nóng)林業(yè)面源污染，研究不同施肥條件下油茶林土壤氮素含量狀況和相關(guān)微生物群落及其功能，可進(jìn)一步了解不同肥料對(duì)土壤氮素養(yǎng)分循環(huán)及土壤微生物類群影響的內(nèi)在聯(lián)系，為合理施肥，提高肥料利用率和減少面源污染提供理論依據(jù)。

3.1 不同肥料對(duì)油茶林土壤氮素養(yǎng)分的影響

本研究結(jié)果表明，油茶專用肥、 復(fù)合肥和生物有機(jī)肥對(duì)提高油茶林土壤全氮、 銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量效果顯著，油茶專用肥和復(fù)合肥效果較佳。不同肥料處理對(duì)油茶林土壤硝態(tài)氮含量的增加明顯，但與土壤銨態(tài)氮相比增加幅度較小，這與硝態(tài)氮是土壤氮素轉(zhuǎn)化、 遷移過程中最活躍的氮素形態(tài)而難以被土壤顆粒吸附有關(guān)。本研究結(jié)果顯示，不同肥料處理油茶林土壤全氮含量的季節(jié)變化均表現(xiàn)為春季至秋季遞增，秋季達(dá)到最大值。全氮含量的季節(jié)變化特征不僅受施肥等措施的影響，而且與不同時(shí)期的植物吸收作用、 水分條件、 植物根際分泌物以及地表枯落物的分解以及有機(jī)氮的礦化平衡有關(guān)，并受銨態(tài)氮、 硝態(tài)氮和有機(jī)氮含量變化相疊加的結(jié)果的影響[20]。另外也有報(bào)道認(rèn)為溫度的高低、 土壤結(jié)構(gòu)的好壞，土壤中輸入有機(jī)物的多少及其消耗的快慢是出現(xiàn)季節(jié)變化的主要原因[21]。因此，所有處理中土壤全氮含量均在秋季最高，可能與秋季地表枯落物的積累以及在此季節(jié)水分和氣候等條件下微生物對(duì)枯落物分解將氮素等營養(yǎng)物質(zhì)大量歸還表層土壤有關(guān)，而且油茶此時(shí)生長(zhǎng)消耗也逐漸減少。本研究顯示，不同肥料處理油茶林土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的季節(jié)變化比較復(fù)雜，其季節(jié)變化不完全一致。4個(gè)處理銨態(tài)氮含量在秋季均下降，因?yàn)樵谙募镜角锛荆怯筒韫麑?shí)迅速增長(zhǎng)的時(shí)期，油茶根系大量吸收土壤中的有效養(yǎng)分以滿足其生長(zhǎng)需要，從而使秋季的土壤銨態(tài)氮含量下降。硝態(tài)氮含量在夏季偏低，可能是因?yàn)樵谙募居晁^多，造成硝態(tài)氮淋溶流失較多，使得夏季的硝態(tài)氮含量整體偏低。

3.2 不同肥料對(duì)油茶林土壤中氮素循環(huán)相關(guān)微生物群落的影響

本研究結(jié)果表明，3種肥料處理對(duì)提高油茶林土壤氨化細(xì)菌數(shù)量、 亞硝化細(xì)菌數(shù)量以及氨化作用強(qiáng)度和硝化作用強(qiáng)度的效果顯著，其中生物有機(jī)肥的效果最好，其次是油茶專用肥。由于生物有機(jī)肥中含有大量的有機(jī)質(zhì)和腐植酸，可為土壤生物創(chuàng)造良好的微生態(tài)環(huán)境，從而有效增加微生物群落。施用生物有機(jī)肥不但增加了土壤養(yǎng)分，同時(shí)也為微生物提供了充足的碳源，有利于微生物的生長(zhǎng)。油茶專用肥是根據(jù)對(duì)土壤養(yǎng)分含量特點(diǎn)的分析和油茶的需肥規(guī)律，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牧?xí)慣施肥水平，自然氣候條件，因地制宜而研制的。除了含氮、 磷、 鉀養(yǎng)分外，還根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥廊彼貭顩r添加了Ca、 Mg、 B等中、 微量元素。由于土壤中的養(yǎng)分元素是多樣的，不同土壤中養(yǎng)分豐缺程度也各不相同，土壤肥力水平對(duì)微生物的影響非常復(fù)雜。土壤微生物的生命活動(dòng)不僅需要能源，也需要生命元素，因此土壤養(yǎng)分限制因子及其水平均會(huì)對(duì)微生物的生命活動(dòng)產(chǎn)生影響。因此，油茶專用肥配方養(yǎng)分比較全面均衡，也有利于微生物菌落的生長(zhǎng)繁殖。本試驗(yàn)的所有處理中氨化細(xì)菌數(shù)量的季節(jié)變化均在秋季達(dá)到最高，與秋季油茶林地上部分雜草枯萎，以及果實(shí)采摘前的除草，使得死亡植株覆蓋在土壤表層，增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高了土壤微生物的數(shù)量有關(guān)。硝化細(xì)菌受溫度、 濕度、 土壤理化性質(zhì)等的環(huán)境因子的影響，導(dǎo)致亞硝化細(xì)菌數(shù)量季節(jié)變化趨勢(shì)復(fù)雜。土壤低的pH值對(duì)亞硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)具有抑制作用，本試驗(yàn)樣地土壤的pH偏低，使得亞硝化細(xì)菌數(shù)量整體偏低，可能由此導(dǎo)致季節(jié)動(dòng)態(tài)變化不明顯。土壤氨化和硝化作用強(qiáng)度受季節(jié)變化影響的因素是多方面的，與功能菌數(shù)量、 土壤有機(jī)質(zhì)含量、 溫度和濕度等因素有關(guān)。氨化作用強(qiáng)度從春季到秋季呈遞增趨勢(shì)，可能是土壤溫度上升，濕度增大，有機(jī)質(zhì)含量增加，從而有效地促進(jìn)氮礦化作用。冬季作用強(qiáng)度最低，與冬季溫度低，土壤微生物活性大大降低有關(guān)。不同處理硝化作用強(qiáng)度的季節(jié)變化趨勢(shì)不一致，總體也是冬季偏低，同樣與冬季溫度低，土壤微生物活性下降有關(guān)。本研究結(jié)果顯示，不同肥料處理油茶林土壤氮素含量與相關(guān)微生物數(shù)量及其生物作用強(qiáng)度存在極顯著相關(guān)性。因此可通施用適宜的肥料類型來增加油茶林土壤中相關(guān)功能菌數(shù)量，加強(qiáng)其生化作用強(qiáng)度，提高土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量，從而促進(jìn)油茶生長(zhǎng)和高產(chǎn)。研究結(jié)果同時(shí)表明，施用3種類型的肥料均增加了油茶產(chǎn)量，其中油茶專用肥和生物有機(jī)肥可提高油茶產(chǎn)量近80%。

綜上所述，施用復(fù)合肥、 油茶專用肥和生物有機(jī)肥對(duì)提高土壤氮素含量、 微生物群落數(shù)量及其生物作用強(qiáng)度以及油茶產(chǎn)量均有顯著效果。尤其富含有機(jī)質(zhì)和有益菌的生物有機(jī)肥和營養(yǎng)元素更全面的油茶專用肥的效果更佳。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，因地制宜地在施用常規(guī)的復(fù)合肥的同時(shí)，增加油茶專用肥和生物有機(jī)肥的應(yīng)用，在改良土壤和提高土壤肥力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)肥料的高效利用， 生態(tài)環(huán)境的保護(hù)以及油茶的穩(wěn)產(chǎn)、 高產(chǎn)。

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