楊杰

（1.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建福州 350012；2.國(guó)家林業(yè)和草原局南方山地用材林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350012；3.福建省森林培育與林產(chǎn)品加工利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350012）

毛竹（Phyllostachys edulis）廣泛分布于我國(guó)沿江及江南各地，有悠久的栽培歷史和良好的經(jīng)濟(jì)效益[1]。在毛竹生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的過(guò)程中，竹筍是竹林收益最主要的來(lái)源，約占竹林總收益的80%左右[2]。施肥和墾覆是提高竹筍產(chǎn)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(lèi)型[1,3]。研究表明，我國(guó)筍用毛竹林單位面積氮肥施用量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)林業(yè)，為提高冬筍產(chǎn)量而進(jìn)行的墾覆經(jīng)營(yíng)措施強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于其他林分，這些單純致力于提高產(chǎn)量而進(jìn)行的過(guò)量氮素投入和不科學(xué)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(jìn)入水體和大氣，在一定程度上加重了水體富營(yíng)養(yǎng)化和大氣污染等環(huán)境問(wèn)題[6]。研究表明，農(nóng)林污染源已超過(guò)工業(yè)排放，貢獻(xiàn)了水體污染物中氮磷總量的60%左右[7]，肥料流失被認(rèn)為是農(nóng)林面源污染最主要的來(lái)源，特別是雷竹（Phyllostachys praecox）[7]、山核桃（Carya ca?thayensis）[8]和板栗（Castanea mollissima）等經(jīng)濟(jì)效益較高的林分。氮素流失造成的水體點(diǎn)和面源污染已不容忽視。

毛竹林地下鞭根系統(tǒng)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)各異且異齡交錯(cuò)，不同立地類(lèi)型毛竹林對(duì)土壤中養(yǎng)分的利用差異較大，在立地類(lèi)型差異較大的竹林中，坡度與施肥密度是影響?zhàn)B分隨徑流水流失的主要因素[5]。有針對(duì)性地進(jìn)行坡度與施肥密度對(duì)毛竹林氮素流失影響的研究，對(duì)提升氮素利用水平、提高資源收益、減少環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)竹林健康和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)有重要現(xiàn)實(shí)意義。

本研究以核心養(yǎng)分元素氮為對(duì)象，建立竹林徑流場(chǎng)，收集徑流水樣品，探索不同坡度條件及施肥密度對(duì)筍用毛竹林氮素流失的影響，可為福建省毛竹林的科學(xué)經(jīng)營(yíng)與氮素精準(zhǔn)管理提供理論指導(dǎo)與技術(shù)示范，改善目前生產(chǎn)中僅基于經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展的盲目開(kāi)溝和粗獷經(jīng)營(yíng)的管理方式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于福建省尤溪縣九阜山（118°01′E，26°03′N(xiāo)），屬亞熱帶季風(fēng)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(yàn)竹林山頂土壤為山地紅壤，山谷土壤為黃紅壤。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

試驗(yàn)林由天然毛竹林改造而來(lái)，經(jīng)營(yíng)歷史超過(guò)50年，朝向西南，生長(zhǎng)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(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，在每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別選取10°、20°和30°坡建立試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)分別建立3個(gè)8 m×8 m的正方形徑流場(chǎng)，每個(gè)徑流場(chǎng)面積為64 m2，相鄰徑流場(chǎng)及徑流場(chǎng)與外界環(huán)境之間用防水PVC板隔開(kāi)，埋深30 cm防止?jié)B水，于徑流場(chǎng)內(nèi)側(cè)距防水板5～10 cm處開(kāi)深度為10 cm的行水槽，徑流場(chǎng)最低端放置1個(gè)200 L的PVC積水桶，徑流產(chǎn)生后匯集于積水桶內(nèi)。

相同坡度上的3個(gè)徑流場(chǎng)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(duì)應(yīng)的施肥密度越大。

竹林為筍用毛竹林，小年長(zhǎng)竹大年挖筍，近十年每年進(jìn)行人工鋤草和施肥1次，每?jī)赡昕吵?年生以上老竹。為使試驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確，剔除以往施肥對(duì)試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)前1年不施肥。2019年2月，進(jìn)行人工鋤草，2019年3月2日進(jìn)行水樣采集，之后以開(kāi)溝（20 cm×20 cm）施肥的方式施入尿素（N≥46%）。按當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施肥量折算，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)施尿素4.8 kg，施肥后及時(shí)覆土。施肥前采集20 cm本底土壤樣品。

每次大雨結(jié)束后采集徑流水樣品，采集后裝入500 mL塑料瓶，密封帶回實(shí)驗(yàn)室及時(shí)進(jìn)行測(cè)定，水樣品采集的同時(shí)詳細(xì)記錄各徑流場(chǎng)的徑流量。土壤樣品采集時(shí)，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?guī)Щ貙?shí)驗(yàn)室，挑除根系雜草及肉眼可見(jiàn)的有機(jī)物質(zhì)，自然風(fēng)干后研磨過(guò)20和100目篩，儲(chǔ)存待測(cè)。

1.3 樣品分析

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

土壤pH值測(cè)定采用土水比1∶2.5，土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法，全N含量測(cè)定采用半微量開(kāi)氏法，堿解N含量測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法，速效P含量測(cè)定采用鹽酸-氟化銨法，速效鉀（K）含量測(cè)定采用乙酸銨浸提法[10]。經(jīng)測(cè)定，土壤施肥前的pH值為4.34～4.52，有機(jī)質(zhì)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(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Duncan新復(fù)極差法測(cè)驗(yàn)不同處理的差異性；采用Origin 7.5軟件作圖。

2 結(jié)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(duì)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(shì)，表現(xiàn)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(xiàn)為升高趨勢(shì)，NO3--N/TN則表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，兩者在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)均無(wú)明顯變化規(guī)律，比值分別為0.18～0.95和0.19～0.46。NH4+-N/TN和TP/TN在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)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(duì)徑流水中的氮含量影響較明顯，特別是在施肥后短時(shí)間內(nèi)，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shí)間無(wú)明顯變化規(guī)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(xiàn)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(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，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(duì)徑流量有明顯影響，大部分時(shí)間內(nèi)坡度為20°時(shí)徑流量最?。▓D2a）。不同坡度毛竹林中的NH4+-N年流失總量表現(xiàn)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(duì)應(yīng)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(xiàn)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(nèi)表現(xiàn)為減少趨勢(shì)。

NO3--N和TN的流失量隨時(shí)間變化無(wú)明顯規(guī)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(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)無(wú)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(xiàn)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(xiàn)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(shí)間無(wú)明顯變化規(guī)律（圖6a）。整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，NH4+-N、NO3--N和TN流失量隨時(shí)間變化規(guī)律相似，總體表現(xiàn)為T(mén)N>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(wú)明顯變化規(guī)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(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)隨時(shí)間無(wú)明顯變化規(guī)律，年流失總量表現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(jié)論

3.1 坡度和施肥密度對(duì)毛竹林氮素流失的影響

降雨是徑流產(chǎn)生的根源，降雨產(chǎn)生徑流的能力被稱(chēng)為徑流系數(shù)，陳正維等[11]在對(duì)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(shù)為0.02～0.07，受降雨和密集度及地質(zhì)條件的影響，可達(dá)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(guī)律，坡度超過(guò)20°臨界值時(shí)徑流量開(kāi)始降低[11]。與前人研究結(jié)果相反，本研究中大部分時(shí)間內(nèi)20°坡毛竹林中的徑流量較小，這可能是因?yàn)槊窳值叵赂尴到y(tǒng)比耕地更復(fù)雜、根更深且吸水速率更快。

氮素的流失與其形態(tài)相關(guān)性很強(qiáng)，一般來(lái)說(shuō)，土壤顆粒和土壤膠體對(duì)NH4+-N有較強(qiáng)的吸附作用[14]，而且NH4+-N不穩(wěn)定，容易通過(guò)揮發(fā)的形式氣態(tài)損失或通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N，使得隨徑流流失的NH4+-N濃度遠(yuǎn)低于NO3--N濃度[8]，加上毛竹林有一定的坡度，地下根鞭系統(tǒng)生長(zhǎng)旺盛，土壤通氣性好[15]，使得氮素更容易被氧化，因此在整個(gè)試驗(yàn)周期中，NH4+-N/NO3--N僅在施肥后的短期內(nèi)升高，之后便開(kāi)始下降；當(dāng)施入土壤的肥料在隨水流失、轉(zhuǎn)化和毛竹吸收利用等共同作用下已被消耗殆盡時(shí)，流失的氮素來(lái)源開(kāi)始從肥料轉(zhuǎn)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(yàn)后期再次升高。

降雨是氮素流失的一個(gè)重要影響因素，已有研究表明當(dāng)降雨強(qiáng)度較小時(shí)，雨水會(huì)向土壤內(nèi)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(yǎng)分，導(dǎo)致流出水體中養(yǎng)分濃度升高；當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，土壤持水量達(dá)到飽和后，會(huì)同時(shí)形成地表徑流和壤中流，稀釋作用導(dǎo)致流出水體中的養(yǎng)分濃度升高[16-17]。毛竹林有一定的坡度，降低了地表徑流產(chǎn)生的條件，不論降雨量大或小，高低勢(shì)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(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)毛竹林地表徑流水中的NH4+-N、NO3--N和TN含量均沒(méi)有出現(xiàn)隨降雨量規(guī)律變化的現(xiàn)象。徑流水中的NH4+-N、NO3--N和TN含量以及年流失總量均表現(xiàn)出隨坡度增加而升高的趨勢(shì)，表明坡度是影響毛竹林氮素流失的一個(gè)重要因素，氮素流失量與林地坡度呈正相關(guān)。因此，在毛竹林經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)坡度有選擇性地調(diào)整施肥等經(jīng)營(yíng)措施。

在一定的降雨強(qiáng)度下，地表徑流呈隨坡度增加而增加的趨勢(shì)，但徑流水中不同形態(tài)氮素濃度的變化與土壤條件[18]、肥料種類(lèi)[19]、地表粗糙程度[20]、微地形[21]和經(jīng)營(yíng)措施[3]關(guān)系更為密切。牟延森等[18]通過(guò)土壤摻沙的方法改良土壤質(zhì)地，試驗(yàn)結(jié)果表明土壤含沙量直接決定土壤持水能力，進(jìn)而影響土壤水分和養(yǎng)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(lèi)型和質(zhì)地是影響氮素流失的一個(gè)主要因素；張霞等[20]通過(guò)野外模擬降雨試驗(yàn)，研究坡度與地表糙度對(duì)土壤侵蝕的影響，認(rèn)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(qiáng)等[23]在坡度坡面對(duì)輸沙能力影響的研究中，指出微地形是影響水土流失和養(yǎng)分流失的重要因素。對(duì)于毛竹林來(lái)說(shuō)，經(jīng)營(yíng)措施及強(qiáng)度直接決定地表粗糙程度和微地形，因此經(jīng)營(yíng)措施及強(qiáng)度是影響毛竹林養(yǎng)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(jié)果相似。

3.2 毛竹林養(yǎng)分流失對(duì)環(huán)境的影響

徑流對(duì)土壤有侵蝕和直接挾帶的雙重作用，是導(dǎo)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(yǎng)分最主要的來(lái)源，二者的不同在于肥料養(yǎng)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(shí)間增加不斷減少的趨勢(shì)[25-27]，而來(lái)源于土壤的養(yǎng)分則比較穩(wěn)定，短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生很大的變化。本研究中，NH4+-N、NO3--N和TN的單次流失量均沒(méi)有隨時(shí)間出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，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(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，由于試驗(yàn)過(guò)程中并未使用磷肥，所以隨水流失的TP只可能來(lái)源于土壤及有機(jī)物質(zhì)，說(shuō)明隨水流失的土壤及有機(jī)物質(zhì)可能是徑流水中養(yǎng)分最主要的貢獻(xiàn)者，而施肥僅在短期內(nèi)影響徑流水中可溶性養(yǎng)分的含量，對(duì)水體污染的影響有限。

作為我國(guó)南方地區(qū)最主要林分之一，毛竹林在全國(guó)的分布面積超過(guò)670×104hm2[28]，在所有森林類(lèi)型中經(jīng)營(yíng)水平最高、施肥密度最大，因此，在很多地區(qū)，毛竹林的經(jīng)營(yíng)被認(rèn)為是土壤養(yǎng)分流失和水體富營(yíng)養(yǎng)化的最主要貢獻(xiàn)者。本研究結(jié)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(jīng)濟(jì)林中的年流失總量，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)種植水稻（Oryza sativa）[27]和蔬菜[25]等過(guò)程中的養(yǎng)分流失，毛竹林土壤本身對(duì)徑流水中流失養(yǎng)分的貢獻(xiàn)可能遠(yuǎn)大于肥料中的養(yǎng)分，因此由人類(lèi)經(jīng)營(yíng)引起的毛竹林養(yǎng)分流失對(duì)水體污染的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。