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Effects of Mulching Management on Soil Nitrogen, Nitrification and Denitrification in Phyllostachys praecox Stand

林地覆盖经营对雷竹林土壤氮素形态及硝化-反硝化作用的影响



全 文 :林业科学研究!"#$%!"&"%#$* +,
!"#$%&$%$(#)*
!!文章编号!$##$($)*&""#$%##%(#*(#%
林地覆盖经营对雷竹林土壤氮素形态及
硝化U反硝化作用的影响
叶莉莎! 陈双林!! 郭子武
"中国林业科学研究院亚热带林业研究所!浙江 杭州!,$$)###
收稿日期$ "#$%(#"(#*
基金项目$ 浙江省省院合作林业科技项目""#$,Mf#)#*中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目"0NM ^$"%&#
作者简介$ 叶莉莎"$**#)#!女!浙江舟山人!硕士研究生!从事竹林生态与培育研究2
!
通讯作者$ 研究员!博士!从事竹林生态与培育研究23(4567$=D7A54A>><$"2=>4
摘要!为探讨林地覆盖经营对雷竹林土壤氮素形态和硝化作用反硝化作用的影响!选择了覆盖 $$,% 5和不覆盖
"ES#) 种处理的雷竹林!测定 # "# =4土层土壤全氮铵态氮和硝态氮含量!并采用气压过程分离系统"-5GM#测
定土壤总硝化速率和反硝化速率( 结果表明$随着覆盖年限的增加!试验雷竹林 # "# =4土层土壤全氮含量总体
呈增加趋势!覆盖雷竹林全氮含量显著高于ES*土壤铵态氮和硝态氮含量均呈倒%1&型变化!覆盖 , 5雷竹林的铵
态氮和硝态氮含量最高*土壤铵硝比递增!覆盖 , 5后显著提高!覆盖 % 5后铵态氮是雷竹林土壤无机氮库的主要存
在形式*土壤总硝化速率呈下降趋势!总体上与不同形态氮素含量铵硝比相关性不显著!且相关性强度随覆盖经营
年限的增加而减弱( 土壤反硝化速率在覆盖 , 5及以下年限时基本为 #!覆盖 % 5时显著提高!达 *2%,
!
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J$
+
@
J$
( 研究表明!林地覆盖经营对雷竹林土壤氮素形态及组分比例的影响较明显!削弱了土壤硝化作用!土壤氮素不
是限制硝化作用进行的主要因子!长期覆盖经营会显著提高土壤反硝化作用!增大土壤氮素的损失( 在实际生产中
建议采用休闲式覆盖方式!连续覆盖时间不超过 , 5(
关键词!雷竹*林地覆盖*氮素形态*硝化作用*反硝化作用
中图分类号!M+*% 文献标识码!.
!..%81&(.O5,8H)3 O+)+3%I%)1()6(,@1$(3%)! @1$.8+1()+)/
?%)1$.8+1())(-./01234-.1:93)40? 61+)/
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林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
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O@P7>DD>QD>6796OB>:P92E5DW57OTUPD>Q4W7=@69:5BPBP=>44P9RPR 69 5=OW57UB>RW=O6>9! 86O@ =>9O69W>WD=>VPB5:P
>Q7PDDO@59 , TP5BD2
9%- :($/&$ 0*12"%&()*1%G#($)"V* 4W7=@69:4595:P4P9O* D>6796OB>:P9* 96OB6Q6=5O6>9* RP96OB6Q6=5O6>9
土壤中能够被植物直接吸收利用的有效态氮主
要以铵态氮"1Z
)
a
(1#和硝态氮"1b
,
J
(1#等无机
态存在,$- !二者的含量变化影响植物的根系吸收生
长发育及产量!即无机态氮的多寡限制着植物对土
壤氮素的利用效率," J,- ( 土壤中有机氮矿化硝化(
反硝化等作用的发生及微生物的生命活动对土壤铵
态氮和硝态氮含量产生显著变化!而硝化(反硝化作
用又是土壤与大气之间进行氮交换的主要途径,)- !
其产生的温室气体 "1
"
b#会造成土壤氮素的损
失,%- ( 因此!对土壤的氮素形态及硝化(反硝化作用
的影响研究具有农学与环境的双重意义(
土壤氮素相互转化硝化(反硝化作用主要受土
壤温度含水量UZ值等环境因子及施肥凋落物输
入和微生物等生物因素的影响, J+- ( 土地利用方式
的差异也会引起土壤环境因子和生物因素的改变!
进而影响土壤氮素条件与氮循环过程( 目前!国内
外学者对不同生态系统中的土壤氮循环已有一些研
究( 李辉信等,&-研究表明!红壤氮素矿化和硝化速
率与土壤 UZ值速效磷含量和有机质含量呈正相
关( 施振香等,*-通过不同类型农业用地的硝化作用
和反硝化作用进行比较发现!土壤总硝化速率与铵态
氮含量呈正相关!总硝化速率反硝化速率与土壤含
水量通气孔隙度及全氮含量显著相关( 余泺等,$#-
通过研究几种不同耕作方式下土壤硝化作用发现!土
壤 UZ值是影响硝化作用的重要因素!呈正相关关系(
雷竹 "0*12"%&()*1%G#($)"Vh2/2E@W POE2M2
E@5>Q2UBPVPB9576DM2f2E@P9 POE2f2f5>#是我国优
良的笋用竹种之一!具有出笋早笋期长笋质优效
益好等特点!在我国长江以南各省广泛栽培( "# 世
纪 &# 年代以来!推广了以冬季覆盖和大量施肥为主
要措施的集约经营技术!通过有机物料隔绝冷空气
及有机物料腐烂所产生的热量来达到增温保温和
保湿效果!从而达到提前出笋的目的!使雷竹林产量
和经济效益显著提高!但长期林地覆盖经营会引起
雷竹林土壤酸化,$$- 酶活性异常,$"- 微生物区系明
显改变,$,-等问题!从而可能导致雷竹林土壤氮循环
的变化!对土壤中不同形态氮素含量及硝化(反硝化
作用产生影响( 为此!本文测定了不同林地覆盖经
营年限雷竹林土壤不同形态氮素含量和土壤总硝化
速率反硝化速率!试图探讨林地覆盖经营是否会引
起雷竹林土壤不同形态氮素含量及铵硝比的变化!
以及是否影响雷竹林土壤硝化(反硝化作用及其与
土壤氮素含量和铵硝比的相关关系问题!旨在为雷
竹林的合理覆盖经营提供理论参考(
$!研究区概况
试验地位于浙江省临安市""*o%I1 ,#o",I
1!$$&o%$I3 $$*o+"I3#太湖源镇!属中亚热带季
风气候!年降水量 $ "%# $ ## 44!年平均气温
$%2) K!年平均无霜期 ",% R!年日照 $ &%# $ *%#
@( 土壤为红壤( 试验区属于浙江省临安市竹笋产
业第一大镇!全镇有雷竹林面积 #2) 万 @4"!是雷竹
林地覆盖经营技术推广最早的乡镇!竹笋业已成为
当地农村家庭经济收入的重要来源(
试验区雷竹林一般每年施肥 , 次!每次将肥料
撒施于竹林地表!深翻入土( 施肥时间为 %) 月
&)* 月和 $$)$" 月"覆盖前#( 肥料主要以氮磷钾
复合肥和尿素等化肥为主!厩肥菜籽饼等有机肥为
辅!每年施入复合肥"含 1$%g $&g# "2"% O+
@4
J"和尿素"含1)g#$2#% O+@4J"左右!每次施
入量基本相同( 雷竹林冬季覆盖主要方法为每年的
$$ 月下旬至 $" 月上旬进行双层覆盖!下层为增温
层"稻草竹叶等#!上层为保温层"砻糠竹叶等#!
至翌年 ,) 月逐步移去覆盖物(
#+
第 % 期 叶莉莎!等$林地覆盖经营对雷竹林土壤氮素形态及硝化(反硝化作用的影响
"!材料与方法
>2;<试验雷竹林选择
"#$) 年 * 月!在试验区选择覆盖 $ 5""#$, 年覆
盖#覆盖 , 5" "#$$)"#$, 年覆盖#覆盖 % 5
""##*)"#$, 年覆盖#和不覆盖"ES# ) 种不同覆盖
经营年限雷竹林各 , 块!每块试验雷竹林面积约 #2$
@4
"
( 试验雷竹林栽植前均为种植水稻的农业耕作
田!土地平整!立地条件基本一致!栽植年限接近!各
试验林林分结构见表 $(
表 ;<试验林林分结构
雷竹林覆盖
时间\5
立竹密度
\"株+@4J"#
立竹胸径
\=4
立竹年龄结构
", 年生$" 年生$$ 年生#
#"ES# $% ## ,2+ $$#2+%$$2,,
$ "# ### ,2* $$#2&,$$2,)
, $& *## ,2++ $$#2+%$"2##
% $ )## ,2%$ $$#2#$$2)#
!!注$立竹年龄结构为 , 年生" 年生$ 年生立竹株数的比例(
>2><土壤样品采集与测定
"#$) 年 * 月!在每块试验雷竹林中按对角线法
取 , 处 # "# =4土层土壤约 "## :!去除竹叶等杂
质!其中!取 &# :鲜土用于测定铵态氮和硝态氮含
量含水量及 UZ值!剩余土样经风干后研磨过 " 44
筛!去除 " 44以上的沙砾和植物残体!再按四分法
弃取!取约 $## :土样!研磨过 #2$% 44筛!混合均
匀后!装袋备用!用于测定土壤全氮含量*同时!在每
块试验雷竹林中按对角线法用环刀 "体积为 $##
=4
,
#取 # "# =4表层原状土样 , 组 $% 个"% 个 $
组#!用于测定土壤总硝化速率和反硝化速率( 另
外!用地表温度计测定取样时的雷竹林土表温度(
土壤铵态氮含量用氯化钾 J靛酚蓝比色法测
定!硝态氮含量用酚二磺酸比色法测定!全氮含量用
半微量开氏定氮法测定!土壤含水量用质量法测定!
土壤 UZ值"水浸#用电位法测定,$)- (
土壤总硝化速率和反硝化速率测定,$%- $将每组
% 个环刀土样放入-5GM 技术测定装置的培养器中!
盖上带传感器的盖子!调整温度至取土样时的土壤
温度( 系统平衡 $ @ 左右抽气检查培养器的密闭
性!输入样品的预水分含量UZ值% 个环刀样土壤
总质量及其它相关参数!软件收集数据 $" @ 后!由
/P7O5分析或线性回归分析得到总硝化速率和反硝
化速率(
>2B<数据处理与分析
试验数据在3Y=P7"##, 统计软件中进行处理和
图表制作!采用 MGMM $+2# 统计软件进行单因素方
差分析"b9P(85T.1bm.#和HM/"
!
]#2#%#多重比
较!分析不同林地覆盖经营年限雷竹林土壤全氮铵
态氮硝态氮含量和铵硝比及总硝化速率和反硝化
速率的差异!并对总硝化速率与土壤全氮铵态氮
硝态氮含量和铵硝比进行相关性分析(
,!结果与分析
B2;<林地覆盖经营对雷竹林土壤全氮$铵态氮和硝
态氮含量及铵硝比的影响
!!由表 " 可知$随着覆盖经营年限的增加!试验雷
竹林土壤全氮含量总体呈增加趋势!其中!覆盖雷竹
林与ES雷竹林差异显著!而覆盖 $,% 5雷竹林间
差异不显著( 不同覆盖经营年限雷竹林土壤铵态氮
和硝态氮含量均有显著差异!二者都随着覆盖经营
年限的增加呈倒%1&型变化趋势!其中!覆盖 , 5雷
竹林的铵态氮和硝态氮含量最高!显著高于 ES雷
竹林!覆盖 $ 5雷竹林的铵态氮含量和覆盖 % 5雷竹
林的硝态氮含量最低!显著低于 ES雷竹林( 土壤
铵硝比随着覆盖经营年限增加依次增大!覆盖 $ 5
与ES雷竹林差异不显著!覆盖 %, 5雷竹林与 ES
雷竹林差异显著!且覆盖 % 5雷竹林铵硝比显著高
于覆盖 $, 5雷竹林!铵态氮成为雷竹林土壤无机
氮库的主要存在形式(
表 ><不同覆盖经营年限雷竹林土壤全氮$铵态氮$硝态氮含量和铵硝比
雷竹林覆盖时间\5 全氮\":+e:J$# 铵态氮\"4:+e:J$# 硝态氮\"4:+e:J$# 铵硝比
#"ES# $2) q#2#% A *2)# q#2+$ = $$2,# q#2*" A #2*) q#2#" =
$ $2+% q#2$, 5 )2&# q#2)# R %2$% q#2++ = #2*& q#2#$ =
, $2&% q#2"$ 5 "$2$, q#2*, 5 $%2, q#2+$ 5 $2$* q#2# A
% $2&) q#2#& 5 $"2+) q#2* A )2% q#2" = "2+& q#2$" 5
!!注$同列不同小写字母表示差异显著"Gi#2#%#!下同(
B2><林地覆盖经营对雷竹林土壤总硝化速率和反
硝化速率的影响
!!由图 $ 可知$随着林地覆盖经营年限的增加!雷
竹林土壤总硝化速率呈下降趋势!覆盖 ,% 5后急
剧降低!降幅分别达到 )+2##g和 $2+)g( 覆盖 $
5与ES雷竹林差异不显著!覆盖 ,% 5雷竹林间差
$+
林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
异显著!并均与覆盖 $ 5ES雷竹林差异显著( 覆盖
$, 5和ES雷竹林土壤反硝化速率基本为 #!覆盖 %
5雷竹林土壤反硝化速率明显提高!达 *2%,
!
:+
e:
J$
+@
J$
(
图 $!不同覆盖经营年限雷竹林土壤总硝化速率和反硝化速率
B2B<林地覆盖经营对雷竹林土壤总硝化速率与土
壤氮素含量及铵硝比的相关性影响
!!由表 , 可知$ES雷竹林土壤总硝化速率与土壤
铵态氮含量呈显著正相关!与土壤全氮硝态氮含量
和铵硝比的相关性并不显著( 覆盖雷竹林土壤总硝
化速率与土壤全氮铵态氮硝态氮含量及铵硝比相
关性均不显著!而且随着覆盖经营年限的增加!相关
性总体上呈递减趋势( 说明土壤不同形态氮素含量
及组分比例并不是影响林地覆盖经营雷竹林土壤硝
化作用的主要因素(
表 B<林地覆盖经营雷竹林土壤总硝化速率与土壤全氮$
铵态氮$硝态氮含量及铵硝比之间的相关系数
雷竹林覆盖时间
\5
相关系数"##
全氮 铵态氮 硝态氮 铵硝比
#"ES# #2,*#
#2**&
!
#2+#* #2&)$
$ #2,$$ #2&, #2&$* #2)#
, #2)&% #2))$ #2*$* #2"%*
% #2"$) #2+% #2#* #2",
!!注$
!
表示显著相关"Gi#2#%#(
)!结论与讨论
E2;<林地覆盖经营对雷竹林土壤全氮$无机氮含量
及铵硝比的影响
!!林地覆盖经营虽然能显著提高雷竹林经济产
出!但对雷竹林土壤性状也会产生一定的负面影
响,$ J$&- !包括改变土壤氮素条件,$!$*- ( 本研究表
明$随着覆盖经营年限的增加!雷竹林 # "# =4土
壤全氮含量总体上逐渐升高!覆盖雷竹林显著高于
ES雷竹林!与郭子武等,"#-的研究结果一致!这主要
与覆盖经营中的大量施肥和林地存留覆盖物分解的
氮素输入等有关!仅 ,# =4厚的覆盖物每年可向雷
竹林地输入氮素达 "*%2&* e:+@4J","$- ( 另外!随
着覆盖经营年限的增加!雷竹林土壤铵态氮硝态氮
含量均呈倒%1&型变化趋势!出现先降低后升高再
降低的同步变化!覆盖 $ 5雷竹林土壤铵态氮含量
和覆盖 % 5雷竹林土壤硝态氮含量最低*铵硝比随
着覆盖年限增加逐渐升高!ES覆盖 $ 5雷竹林土壤
铵硝比接近 $!而覆盖 ,% 5雷竹林显著增加!说明
随着覆盖年限的延长铵态氮成为雷竹林土壤无机氮
库的主要存在形式( 造成这种现象的原因可能有以
下几点$一是与施肥有关( 目前!雷竹林集约经营的
模式下氮肥的利用率不足 ,#g!大量氮肥过剩导致
土壤中氮含量总体上呈增加趋势,""- !但覆盖 $ 5的
雷竹林土壤无机氮含量降低!可能是因为覆盖 $ 5
促进了雷竹吸收利用土壤中的有效态氮*二是与有
机覆盖材料的分解有关( 林地存留有机物的分解增
加土壤有机质含量!并产生大量酚酸类物质降低土
壤 UZ值,$&- !而有机质具有保持和供应铵态氮和硝
态氮的作用!氮素的矿化作用与有机质含量呈正相
关关系,", J")- !有机质在酸性条件更有利于转化成有
效态氮!因此!覆盖 ,% 5后随着有机材料残留量增
加!土壤中无机态氮含量升高!但覆盖 % 5雷竹林又
由于反硝化作用增加损失一部分硝态氮( 三是与环
境变化有关( 林地覆盖下土壤理化性质质地及通
气状况发生改变,"%- !进而影响氨氧化微生物的群落
结构及活性!改变对氮素的固定与转化能力," J"+- (
综合分析认为!长期林地覆盖经营会导致雷竹林土
壤氮素形态及其组分比例发生明显变化!明显提高
土壤氮素损失!不利于雷竹林可持续经营!并会造成
环境污染( 在实际生产中建议采用休闲式覆盖方
式!连续覆盖经营年限不宜超过 , 5(
E2><林地覆盖经营对雷竹林硝化(反硝化作用及硝
化作用与无机氮含量$铵硝比相关性的影响
!!本研究结果表明!随着覆盖经营年限增加!雷竹
林土壤硝化作用依次减弱!覆盖 ,% 5雷竹林的土
壤硝化速率明显降低!但覆盖 % 5时土壤反硝化作
用明显增强( 对硝化作用与土壤不同形态氮素含
量铵硝比的相关性分析发现!仅 ES雷竹林土壤铵
态氮含量与总硝化速率呈显著正相关!覆盖雷竹林
土壤总硝化速率与铵态氮硝态氮含量和铵硝比相
关性均不显著!但相关趋势随着覆盖经营年限的增
"+
第 % 期 叶莉莎!等$林地覆盖经营对雷竹林土壤氮素形态及硝化(反硝化作用的影响
加而减弱( 硝化作用一直被认为是仅由自养细菌参
与的在中性或弱碱性条件下才会发生的过程!酸性
条件会限制铵的氧化,"&- !但已有研究表明硝化作用
也可以在酸性条件下进行,"*- !本研究结果也证明了
这一点( 铵态氮和硝态氮分别是硝化作用的基质和
产物!其浓度尤其是铵态氮浓度直接影响土壤硝化
作用进行的强度,,# J,$- !但本研究发现!林地覆盖经
营雷竹林土壤硝化作用并没有表现出与无机态氮含
量及铵硝比的强烈相关性!这可能与覆盖经营后对
环境的显著影响有着密切的关系(
参考文献!
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,&- 李辉信! 蔡贵信! 胡!峰! 等2红壤氮素的矿化和硝化作用特征
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