间作油茶对土壤中氮素吸收、分配及利用的影响

　　摘要：【目的】探讨不同间作模式对油茶幼苗氮素的影响特征，为增加油茶农林复合生态系统经济效益，促进生态系统多样性提供理论科学依据，以提高后期油茶果实产量。【方法】以2年生油茶幼苗为研究对象，采用15N示踪法，于N0(0mg/kg)、N1(50mg/kg)和N2(250mg/kg)3种氮素水平下，分别设置油茶单作(D)、油茶-辣椒(L)和油茶-花生间作(H)3种模式，对油茶生物量及土壤中氮素的吸收、利用和分配进行探究。【结果】油茶生物量在N0、N1、N2下分别表现为H>L>D、L>H>D和L>D>H;不同器官在不同模式下氮素贡献率(Ndff)差异性显著(P<0.05)，前后期茎Ndff均为D>L>H，叶Ndff前期最高和最低分别为N2(0.39%)和N1(0.11%)下H;后期为N1(0.42%)和N0(0.26%)下L;各器官氮素分配率前期均为根>叶>茎，后期叶、茎、根最高分别为N1下H(50.55%)、N2下H(42.50%)和N0下L(50.59%);氮素利用率随氮素水平的增加而降低，在不同间作模式下分配率表现为H(20.33%)>L(16.23%)>D(8.89%)。【结论】一年生经济作物辣椒和花生在适度氮素水平(N1)与油茶幼苗间作对氮素吸收、利用和分配以及生物量有一定的促进作用，高氮素(N2)下间作有一定的抑制作用。因此，在农林复合生态系统中应采用不同生长周期的一年生经济作物与油茶进行短周期、不同作物轮番间作的模式可能具有更好的效果。

　　关键词：间作油茶;土壤氮素;吸收;利用;分配

　　油茶Camelliaoleifera为山茶科Theaceae山茶属Camellia常绿小乔木或灌木，广泛分布于我国长江流域以南的红壤地区，其中在湖南、广西和和江西3省区分布面积最大，是我国重要的木本油料物种[1]，在农林复合生态系统中具有重要的经济价值[1-3];其成熟果实提取的脂肪油脂是优质食用植物油之一，对人类健康具有良好作用[4]。油茶一般从幼苗种植5—6年后才有一定产量，8—16年后才能进入油茶果实丰产期[5]。油茶种植生态系统土壤行间距空隙较大、土地空缺严重、板结程度深，导致油茶种植前期行间距土地资源未能得到充分利用，养分吸收利用效率低下，油茶从土壤中吸收的氮素以及其他必需营养元素愈加减少[6]，使得油茶农林经济模式效益不佳。

　　氮素是作物生长过程中必不可少的营养元素之一，也是植物生长的重要物质基础，合理施加氮素对生态系统中作物器官建造、物质代谢、生化过程、果实产量及品质的形成都有不可替代的作用，随着人类活动引起全球范围内大气氮沉降的升高，进一步加剧陆地生态系统中氮素输入对于作物的重要性[7-8]。油茶土壤生境中氮素含量匮乏，会使得作物吸收营养物质不充分而导致油茶幼苗生长发育滞后，后期产量降低;氮素添加能够促进土壤中氮素的淋失，淋失效果随氮素水平的升高而增加[8]，导致生境中氮素含量过高时，过度的氮含量会抑制油茶根系对于氮素的吸收与利用。

　　此外，油茶种植生态系统相对其他农林复合生态系统土壤呼吸速率较高[9]，根系对氮素产生拮抗作用，导致土壤板结，作物吸收氮素养分不充足，油茶农林种植过程中生产成本增加，污染环境，降低油茶品质[10]。间作是一种重要的农林种植技术，不仅可以提高生物多样性、微生物环境和土壤养分利用率，还可以提高作物产量与品质，在当下农林复合生态系统中应用广泛[11]。通常将油茶与不同生态位作物进行间作，以达到提高土地资源利用率、提升油茶种植地生态系统生物多样性和功能稳定性的目的[12]。

　　探索合理、高效的油茶林间作模式，如大豆、红薯、花生、辣椒等[13-14]一年生经济作物，茶叶、牧草[15]以及林下中药材[16]等，改变油茶幼林土壤结构，提供充足的养分，解决油茶长期培育过程中土地资源浪费，氮素未得到充分吸收的难题，对提高油茶种植基地经济效益和生态效益有重要意义。近年来，通过15N示踪法探究农作物氮素吸收、分配和利用规律的相关研究日趋增多。

　　如樱桃[17]、苹果[18]、梨[19]、冬枣[20]、葡萄[21]等果树对氮素营养的运转及分配，已为作物种植合理施肥提供科学依据，为农业生态发展带来巨大收获。运用此方法关于油茶的相关研究多集中于单一施肥条件下树体对氮肥的吸收、分配和利用[22-23]，而油茶幼苗在不同间作模式外源施氮环境下对土壤中氮素吸收、分配和利用的研究鲜有报道。因此，该研究以2年生油茶幼苗为研究对象，对不同间作模式下油茶生物量及土壤中氮素吸收、分配和利用进行研究，以期为确定适宜油茶间作模式、提高土地资源利用率、氮素利用率及高质高产农林复合生态系统提供科学理论依据。

　　1材料与方法

　　1.1实验材料

　　油茶幼苗为湖南省中科果物研究所培育基地的2年生“普通白花”;间作物辣椒和花生分别为湖南省长沙市蔬菜研究所育苗基地培育的“HYBRIDF1”长辣天椒系列和山东寿禾种业公司培育的“四粒红”;花盆高度和直径分别为28和30cm，盆栽土取自中南林业科技大学校内生态站人工林，取样后过1cm筛，筛除粒径较大的杂物和砾石等。测定盆栽土壤中相关营养元素含量。盆栽土中外源添加尿素含N46%，过磷酸钙含P12%，氯化钾含K2O60%;15N同位素标记尿素为上海化工研究所出售。

　　1.2实验设计

　　实验于2019年3—10月在中南林业科技大学南方林业生态应用技术国家工程实验室温室大棚中进行，将实验材料花生、辣椒和油茶幼苗设置为：辣椒-油茶间作(L)，花生-油茶间作(H)以及油茶单作(D)，每个种植模式设置5个重复;按照辣椒、花生与油茶比例分别为2∶2，每盆4株进行种植;各种植模式下设置3种不同氮素处理对照，氮素含量分别为N0(0mg/kg)，N1(50mg/kg)和N2(250mg/kg)。

　　将钾肥(80mg/kg)和磷肥(60mg/kg)与土壤混合均匀盛装于花盆中备用，从油茶幼苗中选取长势基本一致且无病虫害的植株移栽至花盆中，待幼苗在花盆中生长基本稳定后，将辣椒和花生按照间作设置模式移栽到花盆中。缓苗一周后，在盆栽中心和周边一共选取9个点，采用土壤注射法将15N同位素标记尿素溶液均匀的注射到每个花盆中，以此评价间作系统中油茶对氮素的吸收、分配和利用情况。

　　1.3样品采集与测定

　　根据辣椒和花生生长周期特性，设置取样周期为6月(间作前期)和9月(间作后期)，每个取样时期将油茶幼苗进行整株取样，在大棚中对油茶根、茎、叶按照自来水→去离子水→1%盐酸→3次去离子水顺序冲洗后带回实验室，置于(105±2)℃烘箱中将根茎叶进行杀青30min，随后烘箱温度设置为80℃将植物样烘干至恒重，随即使用电子天平对植物样品进行称重，测定油茶幼苗生物量;使用凯氏定氮法测定油茶幼苗各器官N含量，通过15N示踪法对油茶幼苗15N丰度进行检测。

　　1.4数据处理与分析

　　(1)Ndff(%)=[植物样品中15N丰度-15N自然丰度(0.3663%)]/[肥料中15N丰度-15N自然丰度(0.3663%)]×100;(2)15N分配率(%)=各器官中的15N量(mg)/15N吸收总量(mg)×100;(3)15N利用率(%)=15N吸收量(g)/15N标记量(g)×100。实验数据采用Excel2010进行数据汇总，Minitab18进行one-wayANOVA，LSD法进行差异显著性比较(P<0.05)，GraphPadPrism8进行图表绘制。

　　2结果与分析

　　2.1不同间作模式对油茶幼苗生物量的影响

　　不同间作模式下油茶幼苗生物量，在间作前期N0氮素D、L、H总生物量分别为2.94、4.34和4.76g，H生物量较D提升38.24%，L提升32.26%，两种间作模式生物量之间无显著性差异(P>0.05)，但均与D生物量具有显著性差异(P<0.05)。N1氮素水平下，生物量表现为L>H>D，与N0氮素水平相比，H生物量降低13.87%，D生物量提高16.48%。N2氮素水平下，生物量较前两种氮素水平均降低，H降低最显著，较N0相比降低45.19%。其原因可能是间作前期油茶幼苗还未适应高氮素生境，进而表现出间作生物量低于油茶幼苗单作。

　　间作后期油茶幼苗生物量较前期均有提升，在N0水平下H生物量为5.84g，L为5.39g，H较前期提升19.18%，较D提升49.66%，L提升19.48%;表明在N0水平下H对于油茶幼苗生物量提升具有良好效果。N1氮素水平下，L较前期提升23.25%，H提升26.13%，表明在不同氮素水平下间作不同经济作物对油茶幼苗生物量效果不同，在N0水平下适宜L，而在N1水平下适宜H。N2氮素水平下，油茶幼苗在3种种植模式下的生物量均无显著提升，整个后期油茶幼苗在不同间作模式下差异性不显著;体现高氮素水平并不一定适宜油茶幼苗的生长。

　　2.2不同间作模式对油茶幼苗Ndff的影响

　　间作前期，茎Ndff最高为N2下D，在3种氮素水平下均表现为D>L>H，随着氮素的增加油茶幼苗Ndff逐渐增加。间作前期根Ndff与茎表现一致，不同间作模式根Ndff与氮素水平呈现一定的正相关关系。油茶幼苗叶Ndff在N0水平表现为L>H>D，随着氮素水平增加至N1，叶Ndff在间作模式下与N0相比降低，而D保持增加;在N2氮素水平下，叶Ndff较前两者具有显著性差异(P<0.05)，其中H模式下叶Ndff达到最高(0.39%)，较N0氮素水平相比，增长0.22%，N2氮素L下叶Ndff为0.31%，较D提升不明显，表明L和H在氮素资源充沛环境下可以提高油茶幼苗叶对氮素的吸收征调能力。

　　间作后期油茶幼苗Ndff响应特征，随着氮素水平的增加，油茶幼苗茎和根Ndff先增加后降低，茎Ndff无论是单作还是间作，均在N1达到最大值，N2开始下降。油茶幼苗叶Ndff在N0、N1和N2氮素水平下，较前期同等条件下均有显著提升，可能是由于间作时间的原因，油茶幼苗从土壤中吸收调配氮素运输至叶片中的能力逐渐增强;其中在N0和N2水平下D叶Ndff能力最强;在N1氮素下，L叶Ndff达到整个种植过程中最高，与前期相比，N1氮素下L对于提高油茶叶Ndff有突出效果。

　　2.3不同间作模式对油茶幼苗氮素分配率的影响

　　间作前期油茶幼苗根、茎、叶氮素分配率，根、茎、叶中氮素分配率均表现为根占比最高，其中分配率最高和最低分别为L时N0水平下的83.22%和N1水平下的43.31%;分配率其次为叶片，最后为茎;可能是因为土壤环境中氮素在前期阶段主要接触器官为根，加之根和叶是植物与外界进行物质交换的主要接触部位，故在间作前期氮素分配率始终表现为根>叶>茎。油茶幼苗间作后期，氮素分配率与前期相比具有一定差异性。

　　在N0氮素D时，油茶幼苗器官中分配率最高的仍然为根(44.09%)。在N1和N2条件下，3种器官中分配率表现最高的均为叶的54.13%和43.03%，茎分配率在N2条件下仅次于叶为30.33%;N0氮素水平L下，较D相比，叶分配率降低约10%，而根和茎的分配率分别提升4%和6%。在N1水平下，叶片分配率最高为39.22%，氮素水平N2时，分配率最高为根。然而，H后期时氮素分配最高为N0时根(45.21%)，在N1和N2下最高分别为叶(50.59%)和茎(42.50%)。

　　2.4不同间作模式对油茶幼苗氮素利用率的影响

　　间作前期N0氮素水平下，L和H的氮素利用率分别为14.47%和20.33%，均显著高于D氮素利用率;前期N1水平下，D的氮素利用率较L和H更高，可能是因为种植过程中油茶幼苗刚接触较高浓度的氮素水平，未能很好的吸收利用生境中的氮素，或是由于油茶幼苗根系自身对于氮素的拮抗作用，从而导致N1单作模式高于间作模式。在N2条件下，L氮素利用率为2.88%，显著高于D和H。

　　随着氮素水平的增加，L和H的氮素利用率逐渐降低，同氮素水平表现出负相关关系，表明无论在单作还是间作，都应科学控制油茶幼苗种植时氮素的添加，过量的氮素水平可能对油茶生长及氮素的吸收、利用和分配产生相应的胁迫作用，过多反而会抑制油茶对于氮素的利用效果。油茶幼苗间作后期N0水平下，L和H的氮素利用率分别为16.23%和17.25%，均与油茶幼苗单作时氮素利用率具有显著性差异(P<0.05);在N1氮素水平，3种种植模式油茶氮素利用率表现为L>D>H，L和H氮素利用率分别为13.07%和10.89%;N2氮素水平下，H氮素利用率3.85%显著低于L和D。

　　3讨论

　　农林复合生态系统中，氮素是作物生长发育的关键因素之一，适宜的外源氮素添加对作物干物质、氮素积累及果实产量形成具有显著促进作用[24-25]。本研究表明，在不同间作模式下，油茶幼苗生物量在N0氮素水平L和H最高，其余氮素生境下也表现为间作模式生物量高于单作模式，同决明子与油茶幼苗间作效果一致[16]。表明将辣椒和花生与油茶幼苗间作可以显著提高油茶幼苗生物量，加快油茶幼苗的生长，缩短油茶结果周期。

　　随着施氮水平的增加，无论是间作还是油茶幼苗单作，其生物量并没有呈现随着氮素增加而增加的现象，这与葛顺峰[26]对作物生物量随施氮水平增加而提高的研究结果有所不同，其原因可能与研究对象、作物生长周期、所需养分以及作物生长环境[27]的不同有关，再加上该研究对象主要为油茶幼苗，受盆栽实验环境的局限和部分人为干扰的影响;因此，基于该实验设计下油茶成熟树体生物量的影响有待进一步探究。

　　植株器官及外部形态特征可以直观的体现作物对于外界因素的相应[28]，Ndff是指植株器官从土壤肥料中吸收分配到的15N量对该器官全氮量的贡献率，反映了植株器官对肥料中15N的吸收征调能力，是作物植株对于氮素吸收能力的一种体现[29]。

　　本研究利用15N示踪法对油茶植株根、茎、叶进行探究表明，在间作油茶幼苗前期，各器官Ndff均为N2氮素水平下最大，N0和N1水平下各器官Ndff差异性不明显，此研究结果与赵风霞等[17]研究的甜樱桃15N吸收量随施氮量的增加而增加结果相似。

　　间作油茶幼苗后期，油茶幼苗叶Ndff在N1氮素水平下L最高，其次为N2，最后为N0;茎Ndff在3种种植模式下均表现为N1>N2>N0，与叶片保持一致，进一步揭示适宜的氮素水平对于油茶幼苗生长发育的影响[22]。油茶幼苗各器官对于氮素的分配率表明在不同生长时期氮素存在于油茶的不同器官中，反映了农林复合生态系统中氮素在不同时期对作物的不同作用效果[26]。该研究前期，氮素主要分配于油茶幼苗根部，3种种植模式下其器官分配率均表现为根>叶>茎，其主要为油茶幼苗树体吸收的氮素先转运至根，然后向枝叶中转移，分配于茎的极少[25]。

　　种植后期，在N1氮素水平L和H，油茶幼苗器官氮素分配率发生变化，转变为叶>根>茎，其中H油茶幼苗叶片中氮素分配率达到最高，这与前人对冬枣[20]、苹果[30]的研究结果果树不同器官15N分配的能力会随着生长中心转变而转移的结果一致。不同氮素水平下，油茶对于氮素的利用率也有较大的区别，进一步证实了施氮量的合理添加对作物的重要性[8]。油茶在前后期对于氮素利用率均为N0氮素水平表现最优，各间作模式下表现为H>L>D，表明低氮素水平下合理进行间作也能较好提升油茶对于氮素的利用，从而促进油茶的生长，该结果与陈倩等[31]对矮化苹果15N-尿素的吸收利用所得到的研究结果一致。

　　原因可能是低氮素水平下，油茶幼苗对于氮素的吸收需求量较大，利用率较高;随着时间推移，植株生长和氮素需求量会不同，油茶幼苗前期所吸收的氮素已经满足自身生长和发育需要，氮素利用率已达最大化，从而导致氮素利用率并未随着氮素水平的增加而增加，过多的氮素反而抑制了油茶幼苗的利用率[2]。根据油茶幼苗各器官在不同间作模式下对氮素利用的研究可知，在农林复合生态系统中，若要提高油茶幼苗对于土壤中氮素的利用，应控制适宜的氮素水平和选择合适的作物间作。因此，在往后的研究中应进一步增加多种氮素水平、多种作物轮番间作的模式来探讨更加适宜油茶幼苗的间作模式。

　　4结论

　　油茶幼苗生物量间作均大于油茶单作，在不同的氮素水平下其提升效果具有一定差异，且并未随着氮素水平的增加而增加。油茶幼苗在L和H两种模式下对于土壤中氮素的吸收、分配和利用均表现为间作优于D，且N1氮素水平下间作效果更佳，表明低氮含量和高氮含量都是抑制农林复合生态系统中油茶幼苗生长发育的主要原因之一，低氮含量会使得养分不足，高氮含量又会出现吸收不充分而抑制的现象。因此，未来农林复合生态系统中对于农林经济作物油茶产量的提升在优选间作物的同时，还需注意科学合理添加氮素，以克服油茶农林复合生态系统土地资源浪费，养分吸收不充分的短板，提高油茶产量。

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　　作者：郑威，王万才，闫文德，蒋行健，徐祎晨，陈雅真，饶成娇，胡蕾