坡度與施肥密度對毛竹林氮素流失的影響

楊杰

（1.福建省林業科學研究院，福建福州 350012；2.國家林業和草原局南方山地用材林培育重點實驗室，福建福州 350012；3.福建省森林培育與林產品加工利用重點實驗室，福建福州 350012）

毛竹（Phyllostachys edulis）廣泛分布于我國沿江及江南各地，有悠久的栽培歷史和良好的經濟效益[1]。在毛竹生產經營的過程中，竹筍是竹林收益最主要的來源，約占竹林總收益的80%左右[2]。施肥和墾覆是提高竹筍產量最主要的栽培措施，由于毛竹喜氮的生理特性使得氮肥成為其最主要的肥料類型[1,3]。研究表明，我國筍用毛竹林單位面積氮肥施用量遠高于傳統林業，為提高冬筍產量而進行的墾覆經營措施強度也遠高于其他林分，這些單純致力于提高產量而進行的過量氮素投入和不科學的墾覆措施容易造成氮素利用率偏低以及土壤氮素流失加劇[3-5]。大量流失的氮素進入水體和大氣，在一定程度上加重了水體富營養化和大氣污染等環境問題[6]。研究表明，農林污染源已超過工業排放，貢獻了水體污染物中氮磷總量的60%左右[7]，肥料流失被認為是農林面源污染最主要的來源，特別是雷竹（Phyllostachys praecox）[7]、山核桃（Carya ca?thayensis）[8]和板栗（Castanea mollissima）等經濟效益較高的林分。氮素流失造成的水體點和面源污染已不容忽視。

毛竹林地下鞭根系統復雜、結構各異且異齡交錯，不同立地類型毛竹林對土壤中養分的利用差異較大，在立地類型差異較大的竹林中，坡度與施肥密度是影響養分隨徑流水流失的主要因素[5]。有針對性地進行坡度與施肥密度對毛竹林氮素流失影響的研究，對提升氮素利用水平、提高資源收益、減少環境污染、實現竹林健康和可持續經營有重要現實意義。

本研究以核心養分元素氮為對象，建立竹林徑流場，收集徑流水樣品，探索不同坡度條件及施肥密度對筍用毛竹林氮素流失的影響，可為福建省毛竹林的科學經營與氮素精準管理提供理論指導與技術示范，改善目前生產中僅基于經驗開展的盲目開溝和粗獷經營的管理方式。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于福建省尤溪縣九阜山（118°01′E，26°03′N），屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫16.6℃，年均降水量1 650 mm，降水主要集中在1—7月。試驗竹林山頂土壤為山地紅壤，山谷土壤為黃紅壤。

1.2 試驗設計與樣品采集

試驗林由天然毛竹林改造而來，經營歷史超過50年，朝向西南，生長良好，立竹密度2 400株/hm2。2019年1—12月，在山谷和山頂分別選取1個試驗點，在每個試驗點分別選取10°、20°和30°坡建立試驗區，每個試驗區內分別建立3個8 m×8 m的正方形徑流場，每個徑流場面積為64 m2，相鄰徑流場及徑流場與外界環境之間用防水PVC板隔開，埋深30 cm防止滲水，于徑流場內側距防水板5～10 cm處開深度為10 cm的行水槽，徑流場最低端放置1個200 L的PVC積水桶，徑流產生后匯集于積水桶內。

相同坡度上的3個徑流場分別為處理1（溝施間距1 m）、處理2（溝施間距2 m）和處理3（溝施間距3 m），為不同施肥密度處理，溝施間距越小對應的施肥密度越大。

竹林為筍用毛竹林，小年長竹大年挖筍，近十年每年進行人工鋤草和施肥1次，每兩年砍除5年生以上老竹。為使試驗結果更準確，剔除以往施肥對試驗的影響，試驗前1年不施肥。2019年2月，進行人工鋤草，2019年3月2日進行水樣采集，之后以開溝（20 cm×20 cm）施肥的方式施入尿素（N≥46%）。按當地傳統施肥量折算，每個試驗小區施尿素4.8 kg，施肥后及時覆土。施肥前采集20 cm本底土壤樣品。

每次大雨結束后采集徑流水樣品，采集后裝入500 mL塑料瓶，密封帶回實驗室及時進行測定，水樣品采集的同時詳細記錄各徑流場的徑流量。土壤樣品采集時，先將土壤表面枯枝落葉拂去，用鋤頭挖取20 cm深土壤剖面，以小土鏟從剖面上豎直挖取土壤樣品，捏碎混勻，取500 g左右帶回實驗室，挑除根系雜草及肉眼可見的有機物質，自然風干后研磨過20和100目篩，儲存待測。

1.3 樣品分析

水體中的總氮（TN）含量測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，銨態氮（NH4+-N）含量測定采用靛酚藍比色法，硝態氮（NO3--N）含量測定采用紫外分光光度法，總磷（TP）含量測定采用鉬酸銨分光光度法[9]。每個樣品重復3次。

土壤pH值測定采用土水比1∶2.5，土壤有機質含量測定采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法，全N含量測定采用半微量開氏法，堿解N含量測定采用堿解擴散法，速效P含量測定采用鹽酸-氟化銨法，速效鉀（K）含量測定采用乙酸銨浸提法[10]。經測定，土壤施肥前的pH值為4.34～4.52，有機質含量為34.4～45.1 g/kg，全N含量為1.65～2.07 g/kg，堿解N含量為152.6～216.1 mg/kg，速效P含量為2.28～3.51 mg/kg，速效K含量為55.9～93.9 mg/kg。

1.4 數據處理

采用SPSS 18.0軟件進行統計分析，Duncan新復極差法測驗不同處理的差異性；采用Origin 7.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同坡度毛竹林徑流水中的氮磷含量

坡度對毛竹林徑流水中的氮磷含量影響較大（表1）。隨著坡度的增加，NH4+-N、NO3--N和TN的平均含量升高；TP的平均含量呈先升高后下降的趨勢，表現為20°（0.26 mg/L）>30°（0.21 mg/L）>10°（0.08 mg/L）。

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10°、20°和30°坡徑流水中的NH4+-N含量分別為0.03～0.38、0.11～0.57和0.21～0.81 mg/L；NO3--N含量分別為0.24～0.98、0.23～0.98和0.42～1.74 mg/L；TN含量高于NH4+-N和NO3--N含量，分別為0.87～2.50、0.95～3.42和0.93～4.22 mg/L。

NH4+-N/NO3--N在2019年4月21日前表現為升高趨勢，NO3--N/TN則表現為降低趨勢，兩者在整個試驗周期內均無明顯變化規律，比值分別為0.18～0.95和0.19～0.46。NH4+-N/TN和TP/TN在整個試驗周期內的變化較小，分別為0.08～0.24和0.04～0.17（圖1）。

2.2 不同施肥密度毛竹林徑流水中的氮磷含量

施肥密度對徑流水中的氮含量影響較明顯，特別是在施肥后短時間內，不同施肥密度徑流水中的NH4+-N、NO3--N和TN含量上升較明顯（表2）。施肥后，NH4+-N在處理1、處理2和處理3徑流水中的含量分別為0.27～0.80、0.14～0.54和0.12～0.38 mg/L，平均含量表現為處理1（0.57 mg/L）>處理2（0.34 mg/L）>處理3（0.20 mg/L）。施肥后，NO3--N在徑流水中的平均含量表現為處理1（1.11 mg/L）>處理2（0.74 mg/L）>處理3（0.48 mg/L）；不同處理的最高含量均出現在2019年6月19日，分別為1.42、1.02和0.68 mg/L；最低含量均出現在2019年7月12日，分別為0.55、0.29和0.21 mg/L。TN含量在不同時間無明顯變化規律，施肥后在處理1、處理2和處理3徑流水中的含量分別為2.44～4.13、1.75～3.39和1.34～2.34 mg/L，平均含量表現為處理1（3.06 mg/L）>處理2（2.39 mg/L）>處理3（1.81 mg/L）。不同密度施肥處理后，徑流水中的NH4+-N、NO3--N和TN平均含量均高于施肥前（2019年3月2日）。在整個試驗周期內，不同處理徑流水中的TP含量施肥后與施肥前均差異不顯著。

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2.3 不同坡度及施肥密度毛竹林徑流水中氮磷流失量

坡度對徑流量有明顯影響，大部分時間內坡度為20°時徑流量最小（圖2a）。不同坡度毛竹林中的NH4+-N年流失總量表現為30°（69.72 g·hm-2·a-1）>20°（40.89 g·hm-2·a-1）>10°（21.09 g·hm-2·a-1），對應的單次流失量分別為4.92～12.49、0.63～9.62和0.23～5.89 g/hm（2圖2b）。施肥前，不同坡度毛竹林中的NH4+-N流失量表現為20°（8.51 g/hm2）>30°（6.63 g/hm2）>10°（5.23 g/hm2），高于大部分同坡度施肥后的單次流失量；施肥后10°和30°坡毛竹林中的NH4+-N流失量短期內表現為減少趨勢。

NO3--N和TN的流失量隨時間變化無明顯規律（圖3～4）。施肥后，10°坡毛竹林中的NO3--N和TN單次最高流失量分別為11.50和42.78 g/hm2，最低分別為3.59和9.18 g/hm2，年流失總量分別為63.57和222.22 g·hm-2·a-1。20°和30°坡毛竹林中的NO3--N單次最高流失量分別為13.90和27.34 g/hm2，最低分別為4.12和8.48 g/hm2，年流失總量分別為75.76和136.13 g·hm-2·a-1；TN年流失總量分別為268.07和413.50 g·hm-2·a-1。

圖4 不同坡度TN流失量Fig.4 TN runoff amounts of different slopes

與NH4+-N、NO3--N和TN不同，TP在整個試驗周期內無論是單次流失量還是年流失總量均較低，且不同坡度施肥前的流失量高于大部分同坡度施肥后的單次流失量（圖5）。10°、20°和30°坡毛竹林中的TP單次流失量分別為0.14～4.97、0.51～9.15和0.55～4.25 g/hm2，年流失總量表現為20°（32.05 g·hm-2·a-1）>30°（24.25 g·hm-2·a-1）>10°（11.09 g·hm-2·a-1）。

施肥后，不同處理間毛竹林徑流量差異較大，年徑流總量表現為處理3（150.21 t/hm2）>處理2（141.90 t/hm2）>處理1（127.92 t/hm2），單次徑流量隨時間無明顯變化規律（圖6a）。整個試驗周期內，NH4+-N、NO3--N和TN流失量隨時間變化規律相似，總體表現為TN>NO3--N>NH4+-N（圖6b～8）。NH4+-N在處理1、處理2和處理3毛竹林中的年流失總量分別為64.47、39.19和28.15 g·hm-2·a-1；NO3--N的年流失總量分別為132.74、84.63和58.09 g·hm-2·a-1；TN的年流失總量分別為364.94、302.93和235.91 g·hm-2·a-1。NH4+-N、NO3--N和TN的單次流失量在施肥前和施肥后無明顯變化規律。

圖8 不同施肥密度TN流失量Fig.8 TN runoff amounts of different fertilization densities

TP在整個試驗周期內隨時間無明顯變化規律，年流失總量表現為處理2（27.57 g·hm-2·a-1）>處理3（20.44 g·hm-2·a-1）>處理1（19.37 g·hm-2·a-1）（圖9）。處理1和處理3毛竹林中的TP單次最高流失量均出現在施肥前，分別為5.82和5.85 g/hm2，處理2毛竹林中的最高流失量出現在2019年7月12日（9.75 g/hm2）；處理1和處理3毛竹林中的TP單次最低流失量均出現在2019年5月19日，分別為0.48和0.37 g/hm2，處理2毛竹林中的最低流失量出現在2019年8月26日（0.53 g/hm2）。

圖9 不同施肥密度TP流失量Fig.9 TP runoff amounts of different fertilization densities

3 討論與結論

3.1 坡度和施肥密度對毛竹林氮素流失的影響

降雨是徑流產生的根源，降雨產生徑流的能力被稱為徑流系數，陳正維等[11]在對紫色土耕地地表徑流與氮素流失的研究中指出，通常情況下耕地徑流系數為0.02～0.07，受降雨和密集度及地質條件的影響，可達0.36～0.54。徑流大小還受坡度的影響[12-13]，并具有隨坡度增大呈先增加后降低的規律，坡度超過20°臨界值時徑流量開始降低[11]。與前人研究結果相反，本研究中大部分時間內20°坡毛竹林中的徑流量較小，這可能是因為毛竹林地下根鞭系統比耕地更復雜、根更深且吸水速率更快。

氮素的流失與其形態相關性很強，一般來說，土壤顆粒和土壤膠體對NH4+-N有較強的吸附作用[14]，而且NH4+-N不穩定，容易通過揮發的形式氣態損失或通過硝化作用轉化為NO3--N，使得隨徑流流失的NH4+-N濃度遠低于NO3--N濃度[8]，加上毛竹林有一定的坡度，地下根鞭系統生長旺盛，土壤通氣性好[15]，使得氮素更容易被氧化，因此在整個試驗周期中，NH4+-N/NO3--N僅在施肥后的短期內升高，之后便開始下降；當施入土壤的肥料在隨水流失、轉化和毛竹吸收利用等共同作用下已被消耗殆盡時，流失的氮素來源開始從肥料轉為水體中土壤顆粒和土壤膠體的釋放，由于土壤顆粒和土壤膠體吸附并固定的均為NH4+-N，所以NH4+-N/NO3--N在試驗后期再次升高。

降雨是氮素流失的一個重要影響因素，已有研究表明當降雨強度較小時，雨水會向土壤內部滲透，形成壤中流，溶解并帶出施入土壤的肥料及土壤原有養分，導致流出水體中養分濃度升高；當降雨強度較大時，土壤持水量達到飽和后，會同時形成地表徑流和壤中流，稀釋作用導致流出水體中的養分濃度升高[16-17]。毛竹林有一定的坡度，降低了地表徑流產生的條件，不論降雨量大或小，高低勢差的存在都使得壤中流不斷被壓出地面與地表徑流混合，因此在整個試驗周期內毛竹林地表徑流水中的NH4+-N、NO3--N和TN含量均沒有出現隨降雨量規律變化的現象。徑流水中的NH4+-N、NO3--N和TN含量以及年流失總量均表現出隨坡度增加而升高的趨勢，表明坡度是影響毛竹林氮素流失的一個重要因素，氮素流失量與林地坡度呈正相關。因此，在毛竹林經營過程中，應根據坡度有選擇性地調整施肥等經營措施。

在一定的降雨強度下，地表徑流呈隨坡度增加而增加的趨勢，但徑流水中不同形態氮素濃度的變化與土壤條件[18]、肥料種類[19]、地表粗糙程度[20]、微地形[21]和經營措施[3]關系更為密切。牟延森等[18]通過土壤摻沙的方法改良土壤質地，試驗結果表明土壤含沙量直接決定土壤持水能力，進而影響土壤水分和養分流失情況；陳維正等[11]和褚素貞等[22]在紫色土和紅壤氮流失的研究中指出，土壤類型和質地是影響氮素流失的一個主要因素；張霞等[20]通過野外模擬降雨試驗，研究坡度與地表糙度對土壤侵蝕的影響，認為坡度越大，降雨前后坡面地表糙度增幅越大，地表微地形變化越明顯；師宏強等[23]在坡度坡面對輸沙能力影響的研究中，指出微地形是影響水土流失和養分流失的重要因素。對于毛竹林來說，經營措施及強度直接決定地表粗糙程度和微地形，因此經營措施及強度是影響毛竹林養分流失的最主要因素。研究中，隨著施肥密度的增加，地表被破壞，粗糙程度增加，徑流水中的NH4+-N、NO3--N和TN含量以及年流失總量均不斷升高，與前人研究結果相似。

3.2 毛竹林養分流失對環境的影響

徑流對土壤有侵蝕和直接挾帶的雙重作用，是導致水土流失的重要因子[16,24]，隨水流失的土壤顆粒和肥料已被證明是水體養分最主要的來源，二者的不同在于肥料養分有限且絕大部分為易溶或可溶成分，因此肥料流失量一般遵循隨施肥時間增加不斷減少的趨勢[25-27]，而來源于土壤的養分則比較穩定，短期內不會發生很大的變化。本研究中，NH4+-N、NO3--N和TN的單次流失量均沒有隨時間出現明顯的下降趨勢，TP在徑流水中的含量及單次流失量差異也較小，TP/TN在整個試驗周期內保持相對穩定，由于試驗過程中并未使用磷肥，所以隨水流失的TP只可能來源于土壤及有機物質，說明隨水流失的土壤及有機物質可能是徑流水中養分最主要的貢獻者，而施肥僅在短期內影響徑流水中可溶性養分的含量，對水體污染的影響有限。

作為我國南方地區最主要林分之一，毛竹林在全國的分布面積超過670×104hm2[28]，在所有森林類型中經營水平最高、施肥密度最大，因此，在很多地區，毛竹林的經營被認為是土壤養分流失和水體富營養化的最主要貢獻者。本研究結果表明，單位面積10°～30°坡毛竹林中的TN年流失總量分別為222.22、268.07和413.50 g/hm2，施肥密度最大的毛竹林中的TN年流失總量為364.94 g/hm2，均低于山核桃林（11.02 kg/hm2）[8]和雷竹林（53.00 kg/hm2）[29]等經濟林中的年流失總量，更遠遠低于農業領域內種植水稻（Oryza sativa）[27]和蔬菜[25]等過程中的養分流失，毛竹林土壤本身對徑流水中流失養分的貢獻可能遠大于肥料中的養分，因此由人類經營引起的毛竹林養分流失對水體污染的貢獻可以忽略不計。