不同割膠和未割膠橡膠林種植帶土壤氮素動(dòng)態(tài)變化

不同割膠和未割膠橡膠林種植帶土壤氮素動(dòng)態(tài)變化

森林生態(tài)系統(tǒng)中氮的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化是生物地球化學(xué)循環(huán)研究的熱點(diǎn)之一（balgar清等，2002；廖冠榮等，2003；陳福生，2004；mick，2004；a類抗生素，2006；王景等，2008；yaar會(huì)計(jì)師，2010；高建梅，2011）氮是影響橡膠生長(zhǎng)的主要養(yǎng)分。土壤中的氮素形狀和含量影響著橡膠的生長(zhǎng)和發(fā)育以及擠奶的產(chǎn)量（華元?jiǎng)偟龋?008）。研究橡膠林土壤中氮的動(dòng)態(tài)變化有助于理解氮素在土壤-橡膠之間遷移與轉(zhuǎn)化及其產(chǎn)生的環(huán)境影響(羅雪華等,2006;曹建華等,2008;張敏和鄒曉明,2009)。在森林生態(tài)系統(tǒng)中,土壤氮素的供應(yīng)能力主要決定于氮素的礦化、固持和移動(dòng)(徐憲根,2009)。有效態(tài)氮主要包括無機(jī)態(tài)氮(硝態(tài)氮、銨態(tài)氮)和易水解容易被植物吸收的部分有機(jī)態(tài)氮(氨基酸、酰銨和易水解蛋白質(zhì)),其中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮在多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)中可直接被植物吸收利用,而這兩種形態(tài)的氮容易產(chǎn)生淋失(黃昌勇,2003)。西雙版納是云南省橡膠種植業(yè)的主要產(chǎn)區(qū),橡膠宜林地正好是熱帶雨林的分布地帶。與熱帶雨林相比,人工橡膠林由于單一種植及割膠更易造成土壤氮養(yǎng)分流失,使得養(yǎng)分的利用率降低(孟盈等,2001;張敏和鄒曉明,2009)。由于氮移動(dòng)性較強(qiáng),溫度、降雨、刺激割膠都將會(huì)引起土壤中氮的遷移與轉(zhuǎn)化。有研究表明,隨割膠頻率、割膠刺激劑濃度和強(qiáng)度的增加,膠乳養(yǎng)分流失的總量在增加,而氮的流失也最多(羅雪華等,2006;曹建華等,2008,2010),但是橡膠生長(zhǎng)及割膠對(duì)土壤中氮素形態(tài)變化的影響并清楚。且目前對(duì)橡膠林土壤中的養(yǎng)分研究主要局限于某一時(shí)期(林希昊等,2009;吳志祥等,2009)。雖然橡膠林耐蔭綠肥種植篩選已有研究(楊春霞等,2010),但對(duì)其種植綠肥覆蓋和雜草生長(zhǎng)覆蓋及割膠和未割膠對(duì)土壤氮素形態(tài)影響的全年變化特征則鮮有報(bào)道。本文通過對(duì)西雙版納橡膠林土壤種植綠肥和野生雜草覆蓋、割膠和未割膠橡膠林種植帶和保護(hù)帶土壤不同層次、不同時(shí)期土壤中氮素形態(tài)的變化研究,闡明橡膠生長(zhǎng)及割膠、種植綠肥、雜草生長(zhǎng)對(duì)土壤中氮素形態(tài)的影響及橡膠對(duì)土壤氮素養(yǎng)分的吸收規(guī)律,以期為提高橡膠林土壤肥力和增加橡膠產(chǎn)量提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1不同保護(hù)帶和土壤樣品采集試驗(yàn)點(diǎn)選在云南西雙版納云南省熱帶作物科學(xué)研究所江南試驗(yàn)隊(duì)14割齡橡膠林,大約450棵·hm-2,生長(zhǎng)高度大約14～16m,種植帶寬為1m,株距為2m,保護(hù)帶寬為6m,橡膠樹為GT1品系,土壤為磚紅壤,林下蔭蔽度達(dá)80%。以割膠和未割膠(停割)處理作比較,未割膠橡膠保護(hù)帶生長(zhǎng)野生雜草;割膠橡膠保護(hù)帶種植豆科距瓣豆(CentrosemapubescensBenth)綠肥,同時(shí)以割膠保護(hù)帶生長(zhǎng)野生雜草為對(duì)照與之相應(yīng)的種植帶無任何植被覆蓋。距瓣豆2009年3月份砂床播種,5月份移栽種植,以20cm×30cm的株行距種植于開割橡膠林保護(hù)帶,按常規(guī)進(jìn)行管理,距瓣豆12月份莖平均長(zhǎng)度為24cm,地上部生物量干物質(zhì)達(dá)949.5kg·hm-2。野生雜草以禾本科屬為主,平均高度27cm,其地上部生物量干物質(zhì)達(dá)1141.8kg·hm-2;每保護(hù)帶處理小區(qū)面積大約30m2,3次重復(fù)。采樣時(shí)間從2009年7—12月的每個(gè)月中旬,分別在割膠橡膠保護(hù)帶種植距瓣豆綠肥、割膠橡膠保護(hù)帶生長(zhǎng)野生雜草,未割膠橡膠保護(hù)帶生長(zhǎng)野生雜草、及與之相應(yīng)的無任何覆蓋物的橡膠種植帶土壤采集土壤樣品,每一處理選橡膠樹粗細(xì)大小一致10棵樹為研究對(duì)象,在每個(gè)月中旬采集距離每棵膠樹基部5cm種植帶和3m保護(hù)帶處不同層次土壤、多點(diǎn)混和采集作1復(fù)合樣品。土壤樣品采集土層深度為0～20cm、20～40cm、40～60cm。一部分新鮮土樣混合均勻立即送回實(shí)驗(yàn)室作為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測(cè)定,一部分土樣風(fēng)干磨細(xì)過0.25mm篩用于全氮的測(cè)定,磨細(xì)過1mm篩用于堿解氮的測(cè)定。1.2土壤樣品的測(cè)定土壤全氮測(cè)定:濃硫酸消煮凱氏定氮法;堿解氮測(cè)定:堿解擴(kuò)散法;銨態(tài)氮和硝態(tài)氮測(cè)定:用0.05mol·L-1的CaCl2溶液浸提新鮮土壤樣品(液土比為5∶1),其浸提液分別測(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮,銨態(tài)氮用靛酚藍(lán)比色法,硝態(tài)氮用紫外分光光度法(鮑士旦,2000)。1.3數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS11.5統(tǒng)計(jì)分析軟件分析,Duncan檢驗(yàn)方法進(jìn)行多重比較,差異顯著性為α=0.05水平。2結(jié)果與分析2.1割膠對(duì)土壤全氮、堿解氮的影響從表1可見,橡膠林土壤不同層次、不同形態(tài)氮的全年變化特征,土壤全氮和堿解氮含量為未割膠條件下野生雜草生長(zhǎng)覆蓋>割膠綠肥種植覆蓋>割膠野生雜草覆蓋,表明,割膠條件下帶走的土壤氮相對(duì)較多。按未割膠雜草覆蓋土壤全氮年平均含量以100%計(jì)算,割膠綠肥覆蓋占未割膠雜草覆蓋土壤全氮的89%,割膠雜草覆蓋占未割膠雜草覆蓋土壤全氮83%,17%的氮被割膠帶走?？梢?割膠帶走了土壤中大量的氮(表1和圖1)。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量低暗示割膠加速了土壤中氮的遷移。土壤中全氮含量:割膠綠肥種植覆蓋>割膠雜草覆蓋,且表層土壤中銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量相對(duì)較高,說明綠肥種植能夠提高土壤中氮含量,尤其是硝態(tài)氮含量。橡膠林土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量較低,尤其是硝態(tài)氮的含量最低,暗示了橡膠林土壤中大量的氮被割膠帶走或橡膠吸收(表1和圖1)。土壤全氮和堿解氮含量的變化趨勢(shì)是表層大于中層和底層,而銨態(tài)氮和硝態(tài)氮由于含量較低,氮的遷移轉(zhuǎn)化強(qiáng)烈,年變異較大,層次變化不明顯,但是保護(hù)帶土壤銨態(tài)氮底層高于表層,土壤銨態(tài)氮有向下遷移的趨勢(shì)。土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮分別占土壤堿解氮的6%和2.6%,表明了土壤中堿解氮是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的源和庫(kù)。2.2橡膠林土壤堿解氮、銨態(tài)氮含量變化規(guī)律從圖1可見,在不同種植條件及管理方式下,橡膠林土壤(0～60cm)中不同形態(tài)氮的動(dòng)態(tài)變化特征規(guī)律(2009年7—12月)。橡膠林土壤中不同形態(tài)氮呈現(xiàn)明顯的變化波動(dòng)和不同的波動(dòng)規(guī)律,這與不同形態(tài)氮的特性及在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化、橡膠生長(zhǎng)及對(duì)土壤中不同形態(tài)氮的吸收有關(guān)。圖1A顯示,未割膠條件下(停割)雜草覆蓋、割膠綠肥種植覆蓋與割膠雜草覆蓋土壤中全氮含量月變化趨勢(shì)一致。土壤全氮含量在7月后逐漸下降,可能與土壤中的氮被橡膠生長(zhǎng)大量吸收有關(guān)。且未割膠條件下雜草覆蓋土壤中全氮含量>割膠綠肥種植覆蓋>割膠雜草覆蓋,表明種植綠肥能夠提高土壤氮的含量,緩沖土壤中部分氮的損失,但是氮隨時(shí)間變化是逐漸下降的、田間條件下植物的生物固氮能力不能滿足橡膠生長(zhǎng)對(duì)土壤氮的需求,說明,如果橡膠林土壤不補(bǔ)充氮肥,土壤中全氮含量是逐年下降的。圖1B顯示,土壤中堿解氮從2009年7—10月逐漸升高,10月達(dá)到高峰期,而后逐漸下降。因?yàn)?—10月云南西雙版納降雨量和氣溫較高、微生物的活動(dòng)旺盛,導(dǎo)致氮的有效性較高。土壤堿解氮在10月份達(dá)到最高,表明了10月份土壤的供氮能力最強(qiáng),而橡膠膠乳產(chǎn)量在10月最高,由此可以看出堿解氮可能是引起膠乳產(chǎn)量高的主要原因之一。土壤中堿解氮平均含量:未割膠>割膠條件雜草覆蓋>割膠綠肥覆蓋,割膠條件下橡膠帶走土壤中的氮更多。割膠條件下綠肥覆蓋土壤中堿解氮變異>未割膠條件下雜草覆蓋變異>割膠條件下雜草覆蓋變異,表明了綠肥種植條件土壤氮的遷移轉(zhuǎn)化相對(duì)強(qiáng)烈,綠肥種植對(duì)土壤氮的影響高于雜草覆蓋。圖1C顯示,土壤中銨態(tài)氮呈現(xiàn)大的變異趨勢(shì),與堿解氮的變化趨勢(shì)相反,這也許是導(dǎo)致土壤中堿解氮變異大的原因,9—10月銨態(tài)氮含量相對(duì)較低,8月和12月含量相對(duì)較高,這可能與橡膠生長(zhǎng)及割膠對(duì)土壤中銨態(tài)氮含量的影響有關(guān)。銨態(tài)氮含量總體趨勢(shì):割膠條件下綠肥覆蓋>未割膠條件下雜草覆蓋>割膠條件雜草覆蓋,尤其是9—12月最為明顯,綠肥種植能提高土壤中銨態(tài)氮含量。割膠條件下雜草覆蓋土壤銨態(tài)氮變異>割膠條件下綠肥覆蓋變異>未割膠條件下雜草覆蓋變異,表明割膠狀態(tài)下銨態(tài)氮的遷移轉(zhuǎn)化相對(duì)強(qiáng)烈,同時(shí)與割膠條件下雜草對(duì)銨態(tài)氮的吸收有關(guān)。圖1D顯示,割膠條件下綠肥覆蓋的橡膠林土壤中硝態(tài)氮的含量較高,表明綠肥種植同樣能夠提高土壤硝態(tài)氮的含量。與其他形態(tài)氮相比,硝態(tài)氮的含量較低,變異較大。這與硝態(tài)氮容易被橡膠大量吸收,同時(shí)由于NO3-帶負(fù)電,易于從土壤中淋溶流失有關(guān)。割膠條件下綠肥覆蓋土壤硝態(tài)氮變異>割膠條件下雜草覆蓋>未割膠條件下雜草覆蓋,割膠條件下土壤中硝態(tài)氮的遷移轉(zhuǎn)化強(qiáng)烈。研究表明,土壤全氮在同一年中的不同生育階段發(fā)生較大的變化(圖1),各處理下降幅度平均超過20%,可能與橡膠吸氮或割膠消耗所致有關(guān)。土壤全氮含量變異26%<堿解氮變異30%<銨態(tài)氮變異46%<硝態(tài)氮變異105%,這與NO3-帶負(fù)電,易于從土壤中淋溶流失及被橡膠吸收有關(guān),表明了土壤中硝態(tài)氮的遷移轉(zhuǎn)化強(qiáng)烈。由于土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是橡膠樹吸收的主要氮素形態(tài),而土壤堿解氮又主要包括硝態(tài)氮、銨態(tài)氮,因此,銨態(tài)氮和硝態(tài)氮變化將會(huì)引起土壤堿解氮變化,土壤堿解氮的變化將會(huì)引起全氮含量減少。2.3土壤堿解氮、硝態(tài)氮含量出現(xiàn)變從圖2可見,土壤不同形態(tài)氮(0～60cm)的變化特征。研究表明,種植帶土壤的全氮、堿解氮、銨態(tài)氮與保護(hù)帶的變化特征相似,但保護(hù)帶土壤硝態(tài)氮含量總體下降趨勢(shì),而種植帶是先下降后升高?？傮w趨勢(shì):橡膠林土壤中全氮、堿解氮和硝態(tài)氮都是種植帶低于保護(hù)帶,說明越靠近橡膠樹根系的地方其養(yǎng)分越容易被橡膠樹吸收、其含量越低。同時(shí)也意味著土壤中的氮有可能借助于濃度差由保護(hù)帶向種植帶遷移。種植帶和保護(hù)帶土壤中全氮含量逐漸下降,證實(shí)了橡膠樹對(duì)種植帶和保護(hù)帶土壤中氮的吸收影響規(guī)律是一致的,隨時(shí)間變化,橡膠生長(zhǎng)及割膠會(huì)加速土壤氮養(yǎng)分向橡膠樹轉(zhuǎn)移。土壤銨態(tài)氮的含量在種植帶和保護(hù)帶之間沒有顯著差異,這與銨態(tài)氮容易轉(zhuǎn)化有關(guān)。而硝態(tài)氮在種植帶和保護(hù)帶之間變化較大,表明離橡膠根系越近,橡膠生長(zhǎng)對(duì)硝態(tài)氮的吸收影響越顯著。2.4土壤堿解氮的影響從圖3可見,土壤堿解氮與銨態(tài)氮之間呈顯著負(fù)相關(guān),即土壤銨態(tài)氮高的時(shí)候,堿解氮反而下降(圖3A),與硝態(tài)氮之間呈顯著正相關(guān)。土壤銨態(tài)氮的遷移轉(zhuǎn)化影響了土壤堿解氮的含量,土壤堿解氮在橡膠生長(zhǎng)條件下10月份達(dá)到最高,表明10月份土壤的供氮能力最強(qiáng),而橡膠膠乳產(chǎn)量在10月最高,證實(shí)了銨態(tài)氮在10月份最低原因,橡膠生長(zhǎng)引起了土壤中銨態(tài)氮被大量轉(zhuǎn)化吸收。同時(shí)土壤中銨態(tài)氮含量多少取決于土壤有機(jī)質(zhì)含量,這表明土壤有機(jī)質(zhì)礦化相對(duì)較高,銨態(tài)氮相對(duì)較低。圖3B顯示,土壤堿解氮高時(shí)土壤中的硝態(tài)氮也高,土壤堿解氮對(duì)硝態(tài)氮有較大的緩沖力,對(duì)橡膠生長(zhǎng)及膠乳產(chǎn)量有較大的影響。說明土壤中堿解氮是銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的源和庫(kù)。3割膠種植土壤氮素的分布本研究表明,受橡膠生長(zhǎng)及割膠、植被覆蓋方式的影響,橡膠林土壤中氮呈現(xiàn)明顯的垂直性空間變化和月變化。環(huán)境條件是影響橡膠樹體內(nèi)養(yǎng)分元素的一個(gè)很重要的因素、而又以土壤養(yǎng)分總量和有效養(yǎng)分含量影響最為強(qiáng)烈(李明銳和沙麗清,2005)。有研究表明,土壤氮貯量對(duì)環(huán)境變化相當(dāng)敏感,土壤有機(jī)氮貯量隨著溫度遞升和降水量遞減呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)(陳慶美等,2003;王敬等,2008)。試驗(yàn)結(jié)果也表明,隨時(shí)間變化,土壤全氮含量逐漸下降;堿解氮10月份最高;銨態(tài)氮(NH4-N)和硝態(tài)氮(NO3-N)含量較低。從空間分布上看,土層由上到下全氮含量逐漸減少,但是由于西雙版納降雨淋溶作用強(qiáng),氮形態(tài)轉(zhuǎn)化強(qiáng)烈,銨態(tài)氮和硝態(tài)氮容易向下遷移,年變異較大,以至層次變化并不明顯。未割膠條件下的橡膠林土壤全氮和堿解氮含量高于割膠種植綠肥覆蓋和割膠野生雜草生長(zhǎng)覆蓋,表明割膠條件下橡膠帶走的土壤氮相對(duì)較多,銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量較低,表明,割膠加速了土壤氮養(yǎng)分向橡膠樹遷移(羅雪華等,2006;曹建華等,2008,2010)。有研究表明,隨著刺激強(qiáng)度或割膠頻率的增加,膠乳養(yǎng)分流失的總量在增加,而氮被帶走最多,而膠乳中氮流失是以土壤中氮的降低為代價(jià)的(羅雪華等,2006),全氮含量逐漸下降結(jié)果也表明橡膠生長(zhǎng)及割膠帶走土壤中大量的氮。割膠條件下雜草生長(zhǎng)覆蓋下土壤中全氮含量更低,雜草生長(zhǎng)可能會(huì)與橡膠生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)土壤中的氮。橡膠林土壤中堿解氮10月份最高,膠乳產(chǎn)量在10月份也有最高值,土壤中堿解氮含量供應(yīng)的高低與膠乳產(chǎn)量密切相關(guān),而橡膠對(duì)土壤中氮的吸收主要是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮,也表現(xiàn)在土壤堿解氮與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮呈顯著相關(guān)性。與熱帶雨林相比、橡膠林土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量較低(孟盈等,2001),證實(shí)了橡膠生長(zhǎng)和割膠吸收了土壤中大量的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。割膠條件下銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變異較大,表明割膠引起的土壤中的氮轉(zhuǎn)化相對(duì)強(qiáng)烈。同時(shí)與氮的移動(dòng)性相對(duì)較強(qiáng),割膠及大量降雨引起銨態(tài)氮和硝態(tài)氮流失有關(guān),尤其在西雙版納地區(qū)降雨頻繁,NO3-N的淋溶更為嚴(yán)重(孟盈等,2001),NO3-N能夠更多地向較深的土層移動(dòng),導(dǎo)致橡膠林土壤中銨態(tài)氮比硝態(tài)氮相對(duì)較高(孟盈等,2001)。土壤中全氮含量:割膠綠肥種植覆蓋>割膠雜草覆蓋;土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量:割膠綠肥覆蓋>未割膠雜草覆蓋、割膠雜草覆蓋,表明了綠肥種植能夠提高土壤中氮含量、改善土壤肥力(Broughton,1976)。但是,由于割膠及橡膠的生長(zhǎng)吸收,氮隨時(shí)間變化逐漸下降,表明了豆科綠肥種植不能夠替代氮肥的施用。豆科綠肥種植土壤堿解氮含量相對(duì)較低,這與豆科綠肥種植土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮相對(duì)較高易被橡膠吸收,加速了土壤中氮的循環(huán)有關(guān),橡膠生長(zhǎng)也許會(huì)加速豆科綠肥種植土壤中氮素的遷移與轉(zhuǎn)化。橡膠林土壤中全氮,堿解