毛竹(Phyllostachys edulis)是我国分布范围最广、面积最大、经济价值最高的生态经济竹种,具有秆型高大、生长周期短、产量高、用途广等优点,在我国竹资源中具有重要地位(江泽慧,2002)。根据第8次森林资源清查,全国现有竹林面积达601万hm²,其中毛竹林有443.01万hm²,占竹林总面积的73.7%(国家林业局,2014； 杜满义等,2015)。毛竹林具有明显的“大小年”的生物特性。大年大量发笋,全笋在出土前节数已定,出土后仅40~60天左右结束高生长,小年换叶和长鞭,对土壤养分消耗较大(周芳纯,1998)。毛竹林经营中,每年伐竹挖笋带走大量营养物质,竹箨、竹枝等的充分利用使归还的养分减少,残留的竹蔸和根系腐烂分解周期长,养分周转缓慢。随着经营期的延长,毛竹林土壤的自然肥力下降,地力衰退,竹林生产力低下(楼一平等,1997)。施肥是合理及时补充土壤养分和改善地力条件的有效措施,其中,N肥是提高竹林生产力的主导养分因子(顾小平等,2004； 郭晓敏等,2007)。长期以来对N肥的过度依赖也带来诸如土壤酸化(李晓欣等,2003)、土壤板结、地下水污染(金洁等,2005)等问题,因此如何合理提高N肥利用率是目前毛竹林集约经营过程中面临的关键问题之一(楼一平等,1997； 朱兆良等,2013)。

目前,关于毛竹林施肥的研究较多,如配方施肥(封焕英等,2012)、平衡施肥(郭晓敏等,2003)、缓/控释肥(封焕英等,2014)等,为毛竹合理施肥提供有效的指导作用,但均未能精确阐述不同年龄毛竹及不同器官对N肥的吸收利用及N素分配状况。¹⁵N示踪技术作为检测N动态和深入揭示N转化循环的最好方法(Gava et a.,2006),可有效区别植株吸收的N素的来源——新施N肥和土壤N库,已被广泛应用到研究植物N素营养及分配状况、N肥利用率以及N肥去向等方面。石婕等(2014)研究发现毛白杨(Populus tomentosa)功能叶片吸收的N素积累于茎部,而欧洲黑杨(P.nigra)主要积累在根系。Iandolino等(2014)研究发现N肥施用量对N肥利用率具有显著影响,施肥量增加1倍,N肥利用率下降5%。Chen等(2010)通过研究水稻(Oryza sativa)-小麦(Triticum)轮作耕作制度发现,作物中有17.17%的N素来源于N肥。左红娟等(2012)发现,华北冬小麦吸收的N素中有26.6%~33.6%来自于肥料,对土壤N素的依赖程度较高,在66%以上。李玉中等(2002)研究羊草(Leymus chinensis)中硝态N和铵态N的去向,发现铵态N的利用率与损失率分别为11.2%和61.9%,硝态N的利用率与损失率分别为20.13%和10.7%。

目前,¹⁵N同位素示踪技术在毛竹林的应用尚未见到报道。本研究应用¹⁵N示踪技术,施用¹⁵N标记尿素,从毛竹单株和林分水平上,研究毛竹的N素分配状况和N肥利用率,以期为毛竹林精准施肥及可持续经营提供理论依据和数据支撑。

研究区位于浙江省临安市青山镇(30° 14′N,119° 42′E),属亚热带季风型气候,温暖湿润,雨量充沛。年均降水量1 420 mm左右,年均气温为15.6 ℃,年均无霜期230天左右。土壤类型为黄壤,地形地貌为低山丘陵,海拔100~300 m。地带性植被为常绿阔叶林,主要分布有毛竹、青冈(Cyclobalanopsis glauca)、木荷(Schima superba)、马尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、板栗(Castanea mollissima)等。

研究区内毛竹林多属集约经营类型,隔年留养新竹和采伐老竹,6年以上老竹均被采伐。竹林的主要经营措施有伐除林下灌木、杂草、钩梢、号竹,每年5月深翻1次,并结合翻耕施用化肥(周国模等,2010),化肥施用量为CO(NH₂)₂ 450 kg·hm^-2,Ca(H₂PO₄)₂ 450 kg·hm^-2,KCl 150 kg·hm^-2,因而竹材、竹笋产量较高。

于2014年5月上旬选取立地条件一致具有典型性、代表性的毛竹纯林,设置20 m×20 m样地,采用随机区组设计,3个区组,每个区组2个处理,包括施肥处理和不施肥对照处理,共6块样地,采用便携式GPS、罗盘仪对样地立地因子和植被状况进行调查,调查内容包括： 海拔、坡度、胸径、立竹度和枝下高等。竹林立竹密度为(3 362±309)株·hm^-2,平均胸径为(10.16±0.13)cm,平均株高(12.80±1.67)m,平均枝下高(6.71±0.72)m,年龄结构为1,3和5年生类型。土壤密度为(0.97±0.07)g·cm^-3,土壤有机碳、全N和全磷的含量分别为(23.70±0.20),(1.10±0.04),(0.50±0.01)g·kg^-1,土壤pH(4.46±0.01)。

每个样地内设置1个5 m×5 m的样方,样方周围挖80 cm深壕沟,埋入铝塑板,将土回填,阻止样方周围鞭根向样方内生长。铝塑板上方露出地表0.05 m,防止由于降雨导致的N肥流失。施肥前对样方进行喷施草甘膦除草。样方内施用肥为¹⁵N标记尿素,购于上海化工研究院,¹⁵N丰度为5.0%,每块样方施用量为1 125 g。施肥方式采用均匀撒施,然后人工模拟降雨均匀喷施水,不施肥样方仅喷施相同体积的水。

采用收获法,根据样地调查资料,计算出林地内1,3和5年生毛竹的平均立竹,各选取2株标准竹砍伐,每个样方内砍伐6株,共采伐36株。毛竹伐倒后,分别测定竹秆、竹枝和竹叶鲜质量； 挖出竹蔸和竹根,漂洗干净,风干表面水称鲜质量。随机选择1 m × 1 m小样方,挖出竹鞭,漂洗干净风干表面水,称鲜质量。各器官取200~500 g带回实验室,置于105 ℃烘干至恒质量,由样品的烘干失重,计算含水量。生物量公式为：

式中： W_T为毛竹林生物量,n_i为i龄竹株数,w_i为i龄标准竹生物量。

在2015年1月初于每个样方中随机选择2株1,3和5年生标准竹,记录胸径,分离出竹叶、竹枝、竹秆、竹根、竹蔸和竹鞭。植物样品于实验室105 ℃杀青0.5 h后60 ℃烘干至恒质量,经过处理后用于全N含量和¹⁵N丰度的测定。样品全N含量及¹⁵N丰度的测定根据稳定同位素比率质谱仪法,仪器型号为DELTA plus XP。

式中：Ndff%为植物从肥料中吸收的N素占植物总N量的百分率。

采用Excel软件和SPSS统计软件进行数据处理和单因素方差分析,并采用最小显著差数法(LSD)进行多重比较。

毛竹吸收的N素在不同器官间将进行再分配,单株水平上毛竹不同器官中¹⁵N分配存在差异。由表 1可知,1年生毛竹单株中,竹秆、竹蔸和竹叶的¹⁵N分配率最高,分别为32.65%±1.85%,21.70%±1.91%和13.57%±1.89%,分配量分别为(5.41±0.53)、(3.61±0.52)和(2.26±0.42)g； 除了竹叶与竹鞭之间、竹根与竹鞭之间外,其余器官的¹⁵N分配率差异显著(P＜0.05)。3年生毛竹单株中,竹秆、竹鞭和竹蔸占有较高的¹⁵N分配率,分别为31.18%±2.48%,25.37%±1.66%和20.33%±3.14%,分配量分别为(2.58±0.24),(2.09±0.02)和(1.69±0.33)g； 除了竹枝与竹根之间,其余器官的¹⁵N分配率差异显著(P＜0.05)。5年生毛竹与3年生毛竹表现出一致的分配规律,竹秆、竹鞭和竹蔸的¹⁵N分配率分别为31.25%±2.03%,26.43%±2.74%和16.35%±0.57%,分配量分别为(2.51±0.42),(2.09±0.02)和(1.31±0.23)g； 除了竹叶与竹枝之间、竹根与竹鞭之间外,其余器官的¹⁵N分配率差异显著(P＜0.05)。各器官中,竹秆虽然具有最大的¹⁵N吸收总量,但¹⁵N浓度却最小,竹叶拥有最大的¹⁵N浓度(表 1)。在不同年龄毛竹之间,毛竹单株对¹⁵N的总吸收量表现为： 1年[(16.56±1.73)g]＞3年[(8.27±0.83)g]＞5年[(7.99±0.90)g],各器官的¹⁵N吸收量也表现出相同趋势(表 1)。由于毛竹的生物学特性,地下鞭根系统是竹林的养分吸收和繁殖器官,不同年龄毛竹共用一套鞭根系统,因此不同年龄毛竹对应的地下竹鞭具有相同肥料N素吸收量(表 1)和N肥利用率,彼此间不存在差异。

表 1 不同年龄毛竹单株各器官¹⁵N吸收量、分配率及浓度^① Tab. 1 The absorption, distribution ratio and concentration of ¹⁵N in each organ of single moso bamboo at different ages

表 1 不同年龄毛竹单株各器官15N吸收量、分配率及浓度① Tab.1 The absorption, distribution ratio and concentration of 15N in each organ of single moso bamboo at different ages 年龄 Age/a 竹叶 Leaf 竹枝 Branch 竹秆 Culm 竹蔸 Underground culm 竹根 Root 竹鞭 Rhizome 吸收量 Absorption/g 1 2.26±0.42 1.34±0.06 5.41±0.53 3.61±0.52 1.85±0.18 2.09±0.02 3 0.48±0.10 0.69±0.06 2.58±0.24 1.69±0.33 0.74±0.08 2.09±0.02 5 0.40±0.07 0.51±0.02 2.51±0.42 1.31±0.23 1.17±0.14 2.09±0.02 分配率 Distribution ratio(%) 1 13.57±1.89c 8.15±0.56e 32.65±1.85a 21.70±1.91b 11.26±1.71d 12.61±0.89cd 3 5.74±1.10e 8.38±0.55d 31.18±2.48a 20.33±3.14c 9.00±0.58d 25.38±1.66b 5 4.93±0.58d 6.38±0.48d 31.25±2.03a 16.35±1.38c 14.66±0.57c 26.43±2.74b 浓度 Concentration/ (mg·g-1) 1 2.05±0.38 0.45±0.02 0.41±0.04 1.52±0.22 1.08±0.11 0.65±0.01 3 0.90±0.19 0.24±0.02 0.20±0.02 0.59±0.12 0.48±0.05 0.65±0.01 5 0.96±0.18 0.18±0.01 0.18±0.03 0.57±0.10 0.49±0.06 0.65±0.01 ①同一行中数据后不同字母表示不同器官之间差异显著(P＜0.05)。Different letters in the same row mean significant difference among different organs at 0.05 level.

林分水平上,竹秆、竹根及竹鞭的¹⁵N分配量最大,其¹⁵N分配率分别为27.33%±1.22%,26.58%±0.60%和17.43%±0.30%,分配量分别为(8.01±0.43),(7.80±0.17)和(5.11±0.04)kg(表 2)。相同器官的分配率表现为： 1年＞3年＞5年,其中1年与3年、5年差异显著(P＜0.05),3年与5年在竹枝上差异显著(P＜0.05),在其余器官间差异不显著(P＞0.05)(表 2)。毛竹林的地上器官包括竹叶、竹枝和竹秆,地上器官的¹⁵N分配率(45.49%)大于地下器官的¹⁵N分配率(54.50%)(表 2)。

表 2 毛竹林分各器官¹⁵N分配量及分配率^① Tab. 2 The distribution and distribution ratio of ¹⁵N of each organ in moso bamboo forest

表 2 毛竹林分各器官15N分配量及分配率① Tab.2 The distribution and distribution ratio of 15N of each organ in moso bamboo forest 年龄 Age/a 竹叶 Leaf 竹枝 Branch 竹秆 Culm 竹蔸 Underground culm 竹根 Root 竹鞭Rhizome 分配量 Distribution/ kg 1 2.20±0.15 0.61±0.01 4.21±0.25 1.76±0.11 3.94±0.03 3 0.96±0.08 0.31±0.02 1.97±0.08 0.68±0.12 1.93±0.08 5 1.00±0.04 0.24±0.01 1.83±0.11 0.63±0.02 1.93±0.05 5.11±0.04 总和Total 4.16±0.276 1.16±0.38 8.01±0.43 3.01±0.25 7.80±0.17 分配率 Distribution ratio(%) 1 7.52±0.54a 2.07±0.04a 14.36±0.73a 6.02±0.43a 13.42±0.29a 3 3.26±0.29b 1.07±0.06b 6.73±0.20b 2.31±0.38b 6.58±0.20b 5 3.42±0.16b 0.81±0.03c 6.24±0.29b 2.16±0.09b 6.58±0.11b 17.43±0.30 总和Total 14.21±0.99 3.95±0.13 27.33±1.22 10.49±0.90 26.58±0.60 ①同一列中数据后不同字母表示不同年龄之间差异显著(P＜0.05)。Different letters in the same column mean significant difference among different ages at 0.05 level.

由表 3可知,单株水平上不同年龄毛竹的¹⁵N利用率具有差异,经计算,表现为： 1年(3.15%±0.14%)＞3年(1.58%±0.10%)＞5年(1.52%±0.12%)。1年生毛竹单株中,各器官的¹⁵N利用率均差异显著(P＜0.05),其中竹秆、竹蔸和竹叶对¹⁵N利用率较大,分别为1.03%±0.06%,0.69%±0.43%和0.43%±0.003%。3年生毛竹单株中,竹秆、竹蔸和竹鞭的¹⁵N利用率较大,分别为0.49%±0.06%,0.32%±0.06%和0.40%±0.003%,除了竹叶与竹枝之间、竹枝与竹根之间,其余各器官间¹⁵N利用率差异显著(P＜0.05)。5年生毛竹单株与3年生类似,也是竹秆、竹蔸和竹鞭的¹⁵N利用率较大,分别为0.48%±0.08%,0.25%±0.04%和0.40%±0.003%,除了竹叶与竹枝之间、竹蔸与竹根之间,其余各器官间¹⁵N利用率差异显著(P＜0.05)。

表 3 毛竹¹⁵N利用率^① Tab. 3 The use efficiency of ¹⁵N of moso bamboo

表 3 毛竹15N利用率① Tab.3 The use efficiency of 15N of moso bamboo % 年龄Age/a 竹叶Leaf 竹枝Branch 竹秆Culm 竹蔸Underground culm 竹根Root 竹鞭Rhizome 单株Single 1 0.43±0.03c 0.26±0.01f 1.03±0.06a 0.69±0.04b 0.35±0.00e 0.40±0.00d 3 0.09±0.01e 0.13±0.01de 0.49±0.02a 0.32±0.06c 0.14±0.01d 0.40±0.00b 5 0.08±0.01d 0.10±0.00d 0.48±0.08a 0.25±0.04c 0.22±0.03c 0.40±0.00b 林分Forest 1 1.05±0.07A 0.29±0.01A 2.01±0.12A 0.84±0.05A 1.87±0.02A 2.43±0.02 3 0.46±0.04B 0.15±0.01B 0.94±0.04B 0.32±0.06B 0.92±0.04B 5 0.48±0.09B 0.11±0.00C 0.87±0.15B 0.30±0.04B 0.92±0.11B ①同一行中数据后不同小写字母表示不同器官之间差异显著(P＜0.05)；同一列中数据后不同大写字母表示不同年龄之间差异显著(P＜0.05)。下同。Different lowercase letters in the same row mean significant difference among different organs at 0.05 level, and different capital letters in the same column mean significant difference among different ages at 0.05 level.The same below.

在林分水平上,经计算,¹⁵N利用率表现为： 1年(6.06%±0.27%)＞3年(2.79%±0.18%)＞5年(2.68%±0.41%),1年与3年、5年差异显著(P＜0.05),3年与5年在竹枝上差异显著(P＜0.05),在其余器官间差异不显著(P＞0.05)。不同器官之间,竹秆仍具有最大¹⁵N利用率,为3.82%±0.31%,其次为竹根和竹鞭,分别为3.71%±0.17%和2.43%±0.02%。但整个林分的¹⁵N利用率较低,仅为13.96%±0.88%。

Ndff%反映了植物在吸收利用来源于肥料的N素的竞争能力。由表 4可知,不同年龄毛竹的Ndff%值具有一定差异,表现为： 1年＞3年＞5年,1年与3年、5年差异显著(P＜0.05),3年与5年差异不显著(P＞0.05)。不同器官的Ndff%值也具有差异,1年生竹中,竹根、竹蔸和竹叶的Ndff%值最大,分别为11.3%±0.66%,10.05%±1.14%和8.23%±1.43%； 3年生竹是竹鞭、竹根和竹蔸的Ndff%最大,其值分别为7.36%±1.82%,6.65%±1.03%和6.36%±1.80%； 5年生竹也是竹鞭、竹根和竹蔸的Ndff%最大,其值分别为7.36%±1.82%,6.38%±0.55%和5.88%±1.08%。

表 4 毛竹吸收的¹⁵N占各器官总N素的比例 Tab. 4 The ratio of ¹⁵N to total N of each organ

表 4 毛竹吸收的15N占各器官总N素的比例 Tab.4 The ratio of 15N to total N of each organ % 年龄 Age/a 竹叶 Leaf 竹枝 Branch 竹秆 Clum 竹蔸 Underground culm 竹根 Root 竹鞭 Rhizome 1 8.23±1.43 bA 6.71±0.69 cA 6.60±0.98 cA 10.05±1.14 aA 11.30±0.66 aA 7.36±1.82 bc 3 4.55±0.41 bB 3.96±0.50 bB 4.92±1.35 bB 6.36±1.80 aB 6.65±1.03 aB 7.36±1.82 a 5 4.45±0.75 cdB 3.26±0.49 dB 4.65±1.03 cB 5.88±1.08 bB 6.38±0.55 abB 7.36±1.82 a

1)不同年龄毛竹之间,1年生竹的¹⁵N分配率、利用率及¹⁵N占总N素比例显著大于3年与5年(P＜0.05),3年大于5年但差异不显著(P＞0.05)。春笋在生长的中后期进入幼竹生长期,秆基形成,竹根大量抽发,地上开始抽枝和展叶,毛竹代谢旺盛,对矿质养分的需求量较大。3年与5年生竹处于幼-壮龄阶段,生理代谢旺盛,干物质积累迅速,材质处于增进期。随竹龄增加,毛竹对N素的吸收利用逐渐减弱,与封焕英等(2014)的结论类似,这可能是因为干物质积累速率大于矿质养分积累速率。周芳纯(1998)也发现,除了SiO₂,毛竹的营养物质含量随竹龄增加而逐渐减小,这是竹子老化衰老的共同趋势。

2)不同器官之间,1年生竹的竹秆、竹蔸和竹叶具有较大的¹⁵N分配率和利用率,3年与5年生竹为竹秆、竹鞭和竹蔸,整个林分为竹秆、竹根和竹鞭； 1年生竹的竹根、竹蔸和竹叶中¹⁵N占总N素的比例较大,3,5年生竹为竹鞭、竹根和竹蔸。竹秆具有较低的N素吸收竞争能力,具有最低的¹⁵N浓度(表 1),但作为毛竹的主体,占据了一半的总生物量(周国模等,2010),故在N肥吸收利用方面占据一定优势。刘喜庆等(2013)及石婕等(2014)在烟草(Nicotiana tabacum)及杨树上的研究也得出类似结论。叶片在幼竹期大量展放,逐渐成为毛竹光合作用的核心器官,叶绿素含量增大,光合能力增强,具有较大N素需求量及竞争能力,¹⁵N浓度最高(表 1),但其N素利用优势随竹株生长而下降,这可能与较大的干物质积累速率有关。刘喜庆等(2013)也发现叶片中¹⁵N含量较多,成熟叶片中来源于肥料的N素较少。地下鞭根系统作为竹林的养分吸收和繁殖器官,是竹林生长、发展的基础,在新竹长成后会进行前期慢后期快的生长,与竹根、竹蔸一起构成了毛竹林地下养分吸收、疏导和贮存系统,因而在N肥吸收利用及竞争方面占据一定的优势地位,地下器官较大¹⁵N分配率(54.50%)也证明了这一点。

3)整个林分的N肥利用率不高,仅为13.96%±0.88%,低于我国氮肥平均利用率30%~40%(Jin,2012),而N肥利用率受施肥量、施肥种类、作物品种、施肥时间、施肥方式及田间管理方式等方面的综合影响。本试验中施用单一种类化学N肥可能会导致较低的N肥利用率。一般认为,施肥后肥料N素被微生物同化,然后被微生物释放称为可被植物直接吸收利用的有效N。与单施化肥相比,配施有机肥能为土壤微生物提供能源,促进微生物量N提高(李贵桐等,2003)。彭佩钦等(2011)采用有机(水稻秸秆)与无机(尿素)配合施肥的作用下N肥利用率得到提高。周航等(2012)也发现与单施化肥相比,竹林在菜饼化肥配施和栏肥化肥配施下增产了28.1%和22.7%。本试验采用的是临安当地施肥量,一般为过量施用,而N肥的过量施用可能是导致N肥利用率较低的另一原因。徐寿军等(2012)发现,小麦的N肥利用率随施N量增加而降低,李向辉等(2010)和Liao等(2009)也得出类似结论。李嘉竹等(2012)通过研究玉米(Zea mays)对N肥利用率,减施30%的N肥后,土壤水分利用率提高了56.1%,N肥利用率提高了27.8%。同时,本试验施肥方式为1次施肥。顾曼如等(1981)认为,不同时期施N肥可以促进新生器官的生长和发育。丁宁等(2012)也发现,在3次追肥处理下,植株的¹⁵N吸收量及利用率最大。因此,N肥的一次性施用可能也是导致N肥利用率不高的原因之一。毛竹由于自身的生物学特性,其生长发育有其特定的周期,而本研究中取样周期较短(2014年5月初施肥,2015年1月初结束)也可能是导致利用率低下的原因。因此,为提高毛竹林N肥利用率,应注意不要过量施用单一化学N肥,可适当进行有机与无机肥配合,根据毛竹生长的关键生理期进行多次施用。

不同竹龄之间,新竹能够较好地利用N肥,可以考虑在生产实践中加强对新竹的施肥； 随着竹龄增加,地下器官(竹蔸、竹鞭和竹根)在N肥利用上的优势地位逐渐增强,可以考虑在鞭根集中分布的15~20 cm土层施肥来促进N肥的有效吸收利用； 毛竹林对N肥的吸收利用较差,后期应对其原因进行深入探究。本研究的监测周期较短,今后仍需进一步加强观测研究,为生产实践提供可靠数据。