施N肥對會同杉木人工林N、P含量的影響

趙 月， 陳 嬋， 陳安娜 (1.中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410004； 2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410004)

施N肥對會同杉木人工林N、P含量的影響

趙 月1，2， 陳 嬋1，2， 陳安娜1，2
(1.中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410004； 2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410004)

以湖南會同杉木基地Ⅱ號集水區(qū)杉木人工林為研究對象，對其進(jìn)行施N肥實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行一年期采樣，測定不同施肥處理下N肥對杉木林N、P含量的影響及杉木器官與土壤N、P含量之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：施肥能夠提高杉木土壤、細(xì)根、葉片的N和P含量，其中施N肥25 g/m2能提高土壤的N、P含量，施N肥25 g/m2比施N肥5 g/m2和15 g/m2更能提高土壤中細(xì)根的N、P含量，施N肥5 g/m2比施N肥15 g/m2和25 g/m2對提高葉片中的N含量的效果好，施N肥并未提高凋落物N含量。會同杉木人工林氮磷含量的增加說明施肥能夠促進(jìn)杉木林的生長。

施N肥； 杉木人工林； 氮磷含量

近十幾年來，人工林發(fā)展迅速，世界人工林總面積約1.8億hm2，其中發(fā)達(dá)國家約1億hm2，發(fā)展中國家為0.812 0億hm2。特別是近20年來在熱帶、亞熱帶地區(qū)速生豐產(chǎn)林發(fā)展迅猛，營造速生豐產(chǎn)林已成為當(dāng)今世界林業(yè)發(fā)展的一種趨勢[1]。杉木人工林給人類帶來了巨大的效益，也為世界林業(yè)發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，但杉木人工林的發(fā)展也出現(xiàn)了許多弊端，其中最主要的是人工林立地質(zhì)量下降影響林地的生產(chǎn)力長期保持的問題，這已引起了各國林業(yè)學(xué)者的關(guān)注，成為營林學(xué)科研究的熱點(diǎn)。許多學(xué)者希望通過施肥來維持林地的生產(chǎn)力，并做了大量的林木施肥試驗(yàn)研究。大量的研究表明，施肥能增加林地養(yǎng)分和改善土壤性狀[2-4]，對提高或維持林地生產(chǎn)力具有重要作用。

陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力主要受N元素的限制[5]，增加生態(tài)系統(tǒng)中的有效N含量可提高植物光合作用和生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力[6-7]。施肥可影響植物N、P吸收機(jī)制，改變?nèi)郝涞膬?yōu)勢物種，促使植物調(diào)整化學(xué)計(jì)量、改變生物量分配以更好地競爭有效資源。施肥通過直接改變土壤養(yǎng)分影響植物N、P含量[8]。營養(yǎng)匱乏地區(qū)的施肥差異可導(dǎo)致植物養(yǎng)分吸收能力的顯著變化：在P缺乏的沼澤地施N肥可促使植物根系死亡[9]。而夏威夷森林中植物根在N匱乏地區(qū)比P匱乏地區(qū)更替的速度快，前者施P后效果更顯著[10]。本文通過開展對湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站Ⅱ號集水區(qū)的杉木人工林進(jìn)行施N肥和采樣工作，對不同施肥梯度的杉木林進(jìn)行為期一年的試驗(yàn)，探討N肥對杉木林N、P含量及杉木器官與土壤N、P含量之間的關(guān)系，為杉木林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測站和南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室為研究基地，實(shí)驗(yàn)地選擇在湖南省會同縣廣坪鎮(zhèn)生態(tài)站杉木基地，地理坐標(biāo)為26°50′N，109°45′E。試驗(yàn)地處湖南省西南部，東枕雪峰山脈，西倚云貴高原，位于省境中部偏西，中國第二級地勢階梯的南段轉(zhuǎn)折帶，云貴高原東坡過渡到江南丘陵的東側(cè)邊幅，是較獨(dú)特的地理單元，屬低山丘陵地貌，海拔120～200 m，坡度為15°～25°。年均氣溫16.8 ℃，無霜期為270～300 d，日照時(shí)數(shù)年均1 677.1 h；雨量充沛，年平均降雨量1 422 mm，屬典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。

樣地內(nèi)植被主要為杉木，林分特征詳見表1。根據(jù)調(diào)查，樣地內(nèi)還有少量的油桐(Vernicia fordii(Hemsl.))、千年桐(Aleurites montana)和白櫟(Quercus fabri Hance)。樣地內(nèi)的土壤主要為黃壤，土壤的理化性質(zhì)詳見表2。

表1 樣地林分特征Tab 1 Characteristicsofthethreeagedstandsofchinesefirplantations林分密度(株/hm2)郁閉度平均胸徑(cm)平均樹高(m)凋落物量(g/m2)15020 813 611 5540

表2 土壤理化性質(zhì)Tab 2 Thephysicalandchemistrypropertiesofsoil容重(g/cm3)pH值溫度(℃)C(mg/g)N(mg/g)P(mg/g)1 194 8616 313 9±0 771 32±0 090 6±0 05

2 研究方法

2.1樣地設(shè)置及施肥方案

在研究區(qū)Ⅱ號集水區(qū)坡底處選取2塊20 m×20 m的試驗(yàn)大樣方，每個(gè)大樣方平均分為4個(gè)小樣方A、B、C、D，Ⅱ號集水區(qū)的1號樣地與2號樣地按“田”字形平均分為A、B、C、D，分別為不施肥、施N肥5 g/m2、施N肥25 g/m2、施N肥15 g/m2。本研究中選用的N肥是含N 46%的尿素，在2014年6月底進(jìn)行施肥，每季度采集一次樣品，進(jìn)行為期一年的試驗(yàn)。

2.2土樣和植物樣品采集

每塊小樣方選一個(gè)點(diǎn)，土壤剖面取樣總深度為60 cm，由上至下分為1、2、3層(0～15 cm，15～30 cm，30～60 cm)。環(huán)刀取樣，稱取鮮重并編號，用于土壤容重的測定；帶回實(shí)驗(yàn)室105 ℃烘干冷卻稱重，測定含水率；在選取樣點(diǎn)的周圍用布袋采集凋落物和杉木葉片、細(xì)根，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干、粉碎后用于實(shí)驗(yàn)室其他理化性質(zhì)分析。

2.3樣品處理

土樣在室溫條件下自然風(fēng)干，風(fēng)干后去除根、石頭等雜物，研磨，過0.25 mm篩，保存好用于測定土壤全氮、全磷等。植物樣品烘干后，用粉碎機(jī)粉碎后裝好用于測定植物細(xì)根、葉片和凋落物的全氮、全磷等。采用凱氏定氮儀測定全氮含量，利用鉬銻抗比色法測定全磷含量。

2.4數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010和SPSS18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，用SigmaPlot12.5進(jìn)行繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1施N肥對杉木林N含量的影響

3.1.1 施N肥對土壤N含量的影響 施N肥能夠顯著提高土壤的N含量。從圖1中可以看出，9月份不同施肥對土壤N含量的影響表現(xiàn)出的規(guī)律為C>D>B，這與施N肥的含量保持一致。1月份不同施肥處理對土壤N含量的影響表現(xiàn)出的規(guī)律為D>C>B。在施肥前期不同施肥處理提高了土壤的N含量，分別平均提高了9%、29%、25%。在施肥后期施肥效果逐漸減弱。9月份和7月份不同施肥對土壤N含量的影響表現(xiàn)出的規(guī)律為C>D>B，這與施N肥的含量保持一致。2號樣地不同施肥處理提高了土壤的N含量，分別提高了11%、18%、12%，施高度N肥的土壤N含量增加的更多。

圖1 不同施肥處理對土壤氮含量的影響Fig.1 Effect of fertilization on soil nitrogen content

3.1.2 施N肥對細(xì)根N含量的影響 由圖2可知，施肥沒有顯著提高杉木細(xì)根N的含量。9月份1號和2號樣地只有施N肥5 g/m2導(dǎo)致了杉木細(xì)根N含量的增加，都提高了9%。1號樣地在1月份、4月份和7月份不同施肥處理均導(dǎo)致了杉木細(xì)根N的含量減少。2號樣地1月份不同施肥處理對杉木細(xì)根N含量的影響表現(xiàn)出的規(guī)律為B>C>D，4月份的規(guī)律為D>C>B，7月份的規(guī)律為C>B>D。不同施肥處理導(dǎo)致杉木細(xì)根N含量增加，分別提高了2%、9%和5%，施高度N肥對杉木細(xì)根N含量提高更多。

圖2 不同施肥處理對細(xì)根氮含量的影響Fig.2 Effect of fertilization on root nitrogen content

3.1.3 施N肥對葉片N含量的影響 施N肥沒有顯著提高杉木葉片N的含量，1號樣地在9月份、1月份和4月份不同施肥處理對杉木葉片N含量的影響呈現(xiàn)出一致的規(guī)律：B>C>D。2號樣地在9月份、1月份和4月份不同施肥處理對杉木葉片N含量的影響呈現(xiàn)出一致的規(guī)律：C>B>D，7月份1號樣地和2號樣地不同施肥處理對杉木葉片N含量的影響呈現(xiàn)出一致的規(guī)律：B>D>C，這與施N肥含量剛好相反(見圖3)。

圖3 不同施肥處理對葉片氮含量的影響Fig.3 Effect of fertilization on leaf nitrogen content

3.1.4 施N肥對凋落物N含量的影響 施N肥沒有顯著提高杉木凋落物的N含量，反而導(dǎo)致杉木凋落物N含量的降低，1號樣地不同施肥處理導(dǎo)致了凋落物的N含量分別降低了7%、13%和4%，2號樣地不同施肥處理導(dǎo)致了凋落物的N含量分別降低了7%、15%和19%。其中兩塊樣地在9月份和4月份不同施肥處理對凋落物N含量的影響呈現(xiàn)出一致的規(guī)律：B>C>D(見圖4)。

圖4 不同施肥處理對凋落物氮含量的影響Fig.4 Effect of fertilization on litter nitrogen content

3.1.5 杉木器官與土壤間N含量的關(guān)系 從圖5中可以看出，不施肥的處理下杉木器官與土壤間氮含量呈正相關(guān)關(guān)系，均不顯著；施N肥5 g/m2的處理下杉木器官與土壤間氮含量呈正相關(guān)關(guān)系，其中葉片與土壤間氮含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(P=0.03)；施N肥25 g/m2的處理下杉木器官與土壤間氮含量呈正相關(guān)關(guān)系，其中凋落物與土壤間氮含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P=0.000)；施N肥15 g/m2的處理下杉木器官與土壤間氮含量呈正相關(guān)關(guān)系，其中凋落物與土壤間氮含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P=0.003)。

圖5 杉木器官與土壤氮含量的關(guān)系Fig.5 Relationship of nitrogen content between soil and the organs of Chinese fir

3.2施N肥對杉木林P含量的影響

3.2.1 施N肥對土壤P含量的影響 施N肥沒有顯著提高土壤的P含量，反而有些施肥處理導(dǎo)致土壤P含量的降低，1號樣地施N肥25 g/m2和15 g/m2導(dǎo)致土壤的P含量分別提高了4%和5%，而施N肥5 g/m2導(dǎo)致土壤的P含量降低了5%，2號樣地不同施肥處理導(dǎo)致了土壤的P含量分別提高了2%、6%和20%。可以看出，施N肥15 g/m2對土壤的P含量影響最大(見圖6)。

3.2.2 施N肥對細(xì)根P含量的影響 從圖7中可以看出，1號樣地在9月份不同的施肥處理顯著提高了杉木細(xì)根的P含量，不同的施肥處理對杉木細(xì)根P含量的影響呈現(xiàn)出的規(guī)律為C>B>D，到施肥后期，不同施肥處理對杉木細(xì)根P含量的影響逐漸減弱。2號樣地不同施肥處理導(dǎo)致杉木細(xì)根P含量的降低，分別降低了13%、3%和17%。

圖6 不同施肥處理對土壤磷含量的影響Fig.6 Effect of fertilization on soil phosphorus content

圖7 不同施肥處理對細(xì)根磷含量的影響Fig.7 Effect of fertilization on root phosphorus content

3.2.3 施N肥對葉片P含量的影響 施N肥能顯著提高杉木葉片的P含量，1號樣地不同施肥處理對杉木葉片P含量的影響，與對照相比，分別提高了6%、11%和2%，2號樣地不同施肥處理對杉木葉片P含量的影響，與對照相比，分別提高了15%、20%和6%(見圖8)。

圖8 不同施肥處理對葉片磷含量的影響Fig.8 Effect of fertilization on leaf phosphorus content

3.2.4 施N肥對凋落物P含量的影響 施N肥沒有顯著提高凋落物的P含量，反而有些施肥處理導(dǎo)致了凋落物P含量的下降。由圖9可知，1號樣地不同施肥處理對凋落物P含量的影響，與對照相比，分別降低了8%、3%和2%。2號樣地施N肥25 g/m2導(dǎo)致凋落物P含量降低了21%，施N肥5 g/m2和施N肥15 g/m2對凋落物P含量的影響，與對照相比，分別提高了8%和3%。

3.2.5 杉木器官與土壤間P含量的關(guān)系 從圖10中可以看出，不施肥的處理下杉木器官與土壤間磷含量呈正相關(guān)關(guān)系，均不顯著；施N肥5 g/m2的處理下杉木細(xì)根與土壤間磷含量呈正相關(guān)關(guān)系，杉木葉片、凋落物與土壤間磷含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，均不顯著；施N肥25 g/m2的處理下杉木器官與土壤間磷含量呈正相關(guān)關(guān)系，均不顯著；施N肥15 g/m2的處理下杉木器官與土壤間磷含量呈正相關(guān)關(guān)系，均不顯著。

圖9 不同施肥處理對凋落物磷含量的影響Fig.9 Effect of fertilization on litter phosphorus content

圖10 杉木器官與土壤磷含量的關(guān)系Fig.10 Relationship of phosphorus content between soil and the organs of Chinese fir

4 結(jié)論與討論

(1)土壤中的養(yǎng)分不足是限制植物快速生長的主要原因，合理的施肥可以增加土壤中匱乏的營養(yǎng)元素，改變土壤的養(yǎng)分構(gòu)成，更有利于植物吸收生長所需的養(yǎng)分[11]。本試驗(yàn)研究表明施N肥25 g/m2能提高土壤的N、P含量，原因是試驗(yàn)地在之前的研究中發(fā)現(xiàn)土壤的N缺乏，施高度N肥能有效地改變土壤的養(yǎng)分構(gòu)成，更有利于杉木的生長。

(2)細(xì)根是與土壤直接接觸的植物器官，是植物生長和生理最為活躍的一部分，對土壤的養(yǎng)分變化非常敏感[12]，因此N對細(xì)根的影響較大[13]。本試驗(yàn)研究表明施N肥25 g/m2比施N肥5 g/m2和15 g/m2更能提高土壤中細(xì)根的N、P含量，因?yàn)橥寥赖腘缺乏，而貧瘠土壤中養(yǎng)分有效性的增加對細(xì)根的影響比肥沃土壤更明顯[14]。劉金梁等[15]研究表明施肥會導(dǎo)致細(xì)根直徑增加，施 N 肥增加了根尖中維管束的直徑和皮層的厚度，這有可能意味著施肥能夠提高根系吸收養(yǎng)分的速率，土壤中養(yǎng)分增加越多，細(xì)根能吸收的養(yǎng)分越多，這也可能是細(xì)根N、P含量增加的原因。因此，會同杉木林增加N肥的含量對杉木的生長更有利。

(3)葉片是植物體進(jìn)行生理代謝非常活躍的器官，同時(shí)也是進(jìn)行光合作用的主要器官[16]。本試驗(yàn)表明施N肥提高了杉木葉片的N含量，施N肥5 g/m2比施N肥15 g/m2和25 g/m2對提高葉片中的N含量的效果好。這與吳福忠等的研究結(jié)果一致，認(rèn)為輕度施N肥能夠提高葉片的全N[17]。從以上分析可以得出，適量施N肥強(qiáng)化了N的吸收。

(4)凋落物是植物枝葉等新陳代謝的產(chǎn)物，通過施N肥可影響植物新鮮器官如枝葉等的生產(chǎn)量或分配比例[18]。本實(shí)驗(yàn)中施N肥并未提高凋落物的N含量，可能是因?yàn)槎唐诘脑鍪┑什⑽磳χ参镄迈r器官生產(chǎn)量產(chǎn)生顯著的影響，對森林生產(chǎn)力的初期影響也非常有限[19]。Kozovits等在巴西薩瓦拉熱帶森林進(jìn)行的相關(guān)試驗(yàn)表明，氮輸入增加對森林凋落物產(chǎn)生的影響在施肥的第二年才顯現(xiàn)[20]。所以一次性的施肥是否能夠達(dá)到養(yǎng)分的奢侈吸收還需要進(jìn)一步的研究。

(5)凋落物和土壤間的N含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明凋落物的養(yǎng)分歸還能夠顯著提高土壤的營養(yǎng)成分；施N肥5 g/m2處理下葉片與土壤之間的N含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，因?yàn)槿~片是儲存和利用營養(yǎng)元素最主要的器官，植物的生長需要從土壤里吸收營養(yǎng)元素，這與前面的結(jié)論保持一致。

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EffectsofNfertilizationonNandPcontentofChinesefirplantation

ZHAO Yue1，2， CHEN Chan1，2， CHEN Anna1，2

(1.Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， China；2.National Engineering Lab for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China， Changsha 410004， China)

Taken Chinese fir as research object in Ⅱ catchment in Huitong of Hunan Province,N fertilizer experiment was carried out on it，and taken sample for one year,to determine the effects of N fertilizer on N，P content and the correlation between N and P content in Chinese fir plantation and soil under different fertilization treatments.The results show that by applying fertilizer，contents of N and P in soil-root-leaf increase.Among them，applying N fertilizer 25 g/m2increases more contents of N and P in the soil than applying N fertilizer 5 g/m2and 15 g/m2，and applying N fertilizer 25 g/m2increases contents of N and P in the root of the soil markedly.Applying N fertilizer 5 g/m2increases contents of N in the leaf effects better than applying N fertilizer 15 g/m2and 25 g/m2.Applying N fertilizer does not increase contents of N of litter.The increase of contents of N and P in the soil-root-leaf of Chinese fir plantation in Huitong shows that applying fertilizer helps the growing of Chinese fir plantation.

N fertilizer； Chinese fir plantation； content of N and P

2016-03-19

趙 月(1990-)，女，江西省吉安市人，碩士，主要從事森林生態(tài)學(xué)研究。

S 791.27; S 714

A

1003 — 5710(2016)03 — 0049 — 07

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2016. 03. 009

(文字編校：龔玉子)