鄭 威，王萬才，閆文德，蔣行健，徐祎晨，陳雅真，饒成嬌，胡 蕾

（中南林業(yè)科技大學(xué) a.生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；b.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室；c.城市森林生態(tài)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004）

油茶Camellia oleifera為山茶科Theaceae 山茶屬Camellia常綠小喬木或灌木，廣泛分布于我國長江流域以南的紅壤地區(qū)，其中在湖南、廣西和江西3 省區(qū)分布面積最廣，是我國重要的木本油料物種[1]，在農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-3]；其成熟果實(shí)提取的脂肪油脂是優(yōu)質(zhì)食用植物油之一，對(duì)人類健康具有良好作用[4]。油茶一般從幼苗種植5～6年后才有一定產(chǎn)量，8～16年后才能進(jìn)入油茶果實(shí)豐產(chǎn)期[5]。油茶種植生態(tài)系統(tǒng)土壤行間距空隙較大、土地空缺嚴(yán)重、板結(jié)程度深，導(dǎo)致油茶種植前期行間土地資源未能得到充分利用，養(yǎng)分吸收利用效率低下，油茶從土壤中吸收的氮素以及其他必需營養(yǎng)元素愈加減少[6]，使得油茶農(nóng)林經(jīng)濟(jì)模式效益不佳。

氮素是作物生長過程中必不可少的營養(yǎng)元素之一，也是植物生長的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，合理施加氮素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中作物器官建造、物質(zhì)代謝、生化過程、果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)的形成都有不可替代的作用，隨著人類活動(dòng)引起全球范圍內(nèi)大氣氮沉降的升高，進(jìn)一步加劇陸地生態(tài)系統(tǒng)中氮素輸入對(duì)于作物的重要性[7-8]。油茶土壤生境中氮素含量匱乏，會(huì)使得作物吸收營養(yǎng)物質(zhì)不充分而導(dǎo)致油茶幼苗生長發(fā)育滯后，后期產(chǎn)量降低；氮素添加能夠促進(jìn)土壤中氮素的淋失，淋失效果隨氮素水平的升高而增加[8]，導(dǎo)致生境中氮素含量過高時(shí)，過度的氮含量會(huì)抑制油茶根系對(duì)于氮素的吸收與利用。此外，油茶種植生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)其他農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸速率較高[9]，根系對(duì)氮素產(chǎn)生拮抗作用，導(dǎo)致土壤板結(jié)，作物吸收氮素養(yǎng)分不充足，油茶農(nóng)林種植過程中生產(chǎn)成本增加，污染環(huán)境，降低油茶品質(zhì)[10]。

間作是一種重要的農(nóng)林種植技術(shù)，不僅可以提高生物多樣性、微生物環(huán)境和土壤養(yǎng)分利用率，還可以提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)，在當(dāng)下農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[11]。通常將油茶與不同生態(tài)位作物進(jìn)行間作，以達(dá)到提高土地資源利用率、提升油茶種植地生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性和功能穩(wěn)定性的目的[12]。探索合理、高效的油茶林間作模式，如大豆、紅薯、花生、辣椒等[13-14]1年生經(jīng)濟(jì)作物，茶葉、牧草[15]以及林下中藥材[16]等，改變油茶幼林土壤結(jié)構(gòu)，提供充足的養(yǎng)分，解決油茶長期培育過程中土地資源浪費(fèi)，氮素未得到充分吸收的難題，對(duì)提高油茶種植基地經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益有重要意義。近年來，通過15N 示蹤法探究農(nóng)作物氮素吸收、分配和利用規(guī)律的相關(guān)研究日趨增多。如櫻桃[17]、蘋果[18]、梨[19]、冬棗[20]、葡萄[21]等果樹對(duì)氮素營養(yǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)及分配，已為作物種植合理施肥提供科學(xué)依據(jù)，為農(nóng)業(yè)生態(tài)發(fā)展帶來巨大收獲。運(yùn)用此方法關(guān)于油茶的相關(guān)研究多集中于單一施肥條件下樹體對(duì)氮肥的吸收、分配和利用[22-23]，而油茶幼苗在不同間作模式外源施氮環(huán)境下對(duì)土壤中氮素吸收、分配和利用的研究鮮有報(bào)道。因此，該研究以2年生油茶幼苗為研究對(duì)象，對(duì)不同間作模式下油茶生物量及土壤中氮素吸收、分配和利用進(jìn)行研究，以期為確定適宜油茶間作模式、提高土地資源利用率、氮素利用率及高質(zhì)高產(chǎn)農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

油茶幼苗為湖南省中科果物研究所培育基地的2年生“普通白花”；間作物辣椒和花生分別為湖南省長沙市蔬菜研究所育苗基地培育的“HYBRID F1”長辣天椒系列和山東壽禾種業(yè)公司培育的“四粒紅”；花盆高度和直徑分別為28和30 cm，盆栽土取自中南林業(yè)科技大學(xué)校內(nèi)生態(tài)站人工林，取樣后過1 cm 篩，篩除粒徑較大的雜物和礫石等。測定盆栽土壤中相關(guān)營養(yǎng)元素含量如表1所示，盆栽土中外源添加尿素含N 46%，過磷酸鈣含P 12%，氯化鉀含K2O 60%；15N 同位素標(biāo)記尿素采購自上海化工研究所。

表1 盆栽土中土壤養(yǎng)分含量Table 1 Soil nutrients of potted soil

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)于2019年3—10月在中南林業(yè)科技大學(xué)南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室溫室大棚中進(jìn)行，將實(shí)驗(yàn)材料花生、辣椒和油茶幼苗設(shè)置為：辣椒-油茶間作(L)，花生-油茶間作(H) 以及油茶單作(D)，每個(gè)種植模式設(shè)置5 個(gè)重復(fù)；按照辣椒、花生與油茶比例分別為2∶2，每盆4 株進(jìn)行種植；各種植模式下設(shè)置3 種不同氮素處理對(duì)照，氮素含量分別為N0(0 mg/kg)，N1(50 mg/kg)和N2(250 mg/kg)。將鉀肥(80 mg/kg)和磷肥(60 mg/kg)與土壤混合均勻盛裝于花盆中備用，從油茶幼苗中選取長勢基本一致且無病蟲害的植株移栽至花盆中，待幼苗在花盆中生長基本穩(wěn)定后，將辣椒和花生按照間作設(shè)置模式移栽到花盆中。緩苗一周后，在盆栽中心和周邊一共選取9 個(gè)點(diǎn)，采用土壤注射法將15N 同位素標(biāo)記尿素溶液均勻的注射到每個(gè)花盆中，以此評(píng)價(jià)間作系統(tǒng)中油茶對(duì)氮素的吸收、分配和利用情況。

1.3 樣品采集與測定

根據(jù)辣椒和花生生長周期特性，設(shè)置取樣周期為6月（間作前期）和9月（間作后期），每個(gè)取樣時(shí)期將油茶幼苗進(jìn)行整株取樣，在大棚中對(duì)油茶根、莖、葉按照自來水→去離子水→1%鹽酸→3 次去離子水順序沖洗后帶回實(shí)驗(yàn)室，置于（105±2）℃烘箱中將根莖葉進(jìn)行殺青30 min，隨后烘箱溫度設(shè)置為80℃將植物樣烘干至恒質(zhì)量，隨即使用電子天平對(duì)植物樣品進(jìn)行稱重，測定油茶幼苗生物量；使用凱氏定氮法測定油茶幼苗各器官N 含量，通過15N 示蹤法對(duì)油茶幼苗15N 豐度進(jìn)行檢測。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

（1）Ndff (%) = [植物樣品中15N 豐度-15N 自然豐度(0.366 3%)]/[肥料中15N 豐度-15N 自然豐度(0.366 3%)]×100；

（2）15N 分配率(%) = 各器官中的15N 量(mg)/15N 吸收總量(mg)×100；

（3）15N 利用率(%) =15N 吸收量(g)/15N 標(biāo)記量(g)×100。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，Minitab18 軟件進(jìn)行one-way ANOVA，LSD 法進(jìn)行差異顯著性比較(P＜0.05)，Graph Pad Prism 8軟件進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同間作模式對(duì)油茶幼苗生物量的影響

不同間作模式下油茶幼苗生物量如圖1，在間作前期N0氮素D、L、H 總生物量分別為2.94、4.34 和4.76 g，H 生物量較D 提升38.24%，L 提升32.26%，兩種間作模式生物量之間無顯著性差異(P＞0.05)，但均與D 生物量具有顯著性差異(P＜0.05)。N1氮素水平下，生物量表現(xiàn)為L＞H＞D，與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，生物量較前兩種氮素水平均降低，H 降低最顯著，較N0相比降低45.19%。其原因可能是間作前期油茶幼苗還未適應(yīng)高氮素生境，進(jìn)而表現(xiàn)出間作生物量低于油茶幼苗單作。

圖1 前后期油茶幼苗總生物量Fig.1 Total biomass of Camellia oleifera in the early and late stages

間作后期油茶幼苗生物量較前期均有提升，在N0水平下H 生物量為5.84 g，L 為5.39 g，H較前期提升19.18%，較D 提升49.66%，L 提升19.48%；表明在N0水平下H 對(duì)于油茶幼苗生物量提升具有良好效果。N1氮素水平下，L 較前期提升23.25%，H 提升26.13%，表明在不同氮素水平下間作不同經(jīng)濟(jì)作物對(duì)油茶幼苗生物量效果不同，在N0水平下適宜L，而在N1水平下適宜H。N2氮素水平下，油茶幼苗在3 種種植模式下的生物量均無顯著提升，整個(gè)后期油茶幼苗在不同間作模式下差異性不顯著；體現(xiàn)高氮素水平并不一定適宜油茶幼苗的生長。

2.2 不同間作模式對(duì)油茶幼苗Ndff的影響

油茶幼苗在不同間作模式下Ndff如圖2所示；間作前期，莖Ndff最高為N2下D，在3 種氮素水平下均表現(xiàn)為D＞L＞H，隨著氮素的增加油茶幼苗Ndff逐漸增加。間作前期根Ndff與莖表現(xiàn)一致，不同間作模式根Ndff與氮素水平呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系。油茶幼苗葉Ndff在N0水平表現(xiàn)為L＞H＞D，隨著氮素水平增加至N1，葉Ndff在間作模式下與N0相比降低，而D 保持增加；在N2氮素水平下，葉Ndff較前兩者具有顯著性差異（P＜0.05），其中H 模式下葉Ndff達(dá)到最高(0.39%)，較N0氮素水平相比，增長0.22%，N2氮素L 下葉Ndff為0.31%，較D 提升不明顯，表明L 和H 在氮素資源充沛環(huán)境下可以提高油茶幼苗葉對(duì)氮素的吸收征調(diào)能力。

圖2 間作前期油茶幼苗莖、根、葉NdffFig.2 Ndff of stem,root and leaf of Camellia oleifera in early stage of intercropping

間作后期油茶幼苗Ndff響應(yīng)特征如圖3，隨著氮素水平的增加，油茶幼苗莖和根Ndff先增加后降低，莖Ndff無論是單作還是間作，均在N1達(dá)到最大值，N2開始下降。油茶幼苗葉Ndff在N0、N1和N2氮素水平下，較前期同等條件下均有顯著提升，可能是由于間作時(shí)間的原因，油茶幼苗從土壤中吸收調(diào)配氮素運(yùn)輸至葉片中的能力逐漸增強(qiáng)；其中在N0和N2水平下D 葉Ndff能力最強(qiáng)；在N1氮素下，L 葉Ndff達(dá)到整個(gè)種植過程中最高，與前期相比，N1氮素下L 對(duì)于提高油茶葉Ndff有突出效果。

圖3 間作后期油茶莖、根、葉NdffFig.3 Ndff of stem,root and leaf of Camellia oleifera in late stage of intercropping

2.3 不同間作模式對(duì)油茶幼苗氮素分配率的影響

間作前期油茶幼苗根、莖、葉氮素分配率如圖4，根、莖、葉中氮素分配率均表現(xiàn)為根占比最高，其中分配率最高和最低分別為L 時(shí)N0水平下的83.22%和N1水平下的43.31%；分配率其次為葉片，最后為莖；可能是因?yàn)橥寥拉h(huán)境中氮素在前期階段主要接觸器官為根，加之根和葉是植物與外界進(jìn)行物質(zhì)交換的主要接觸部位，故在間作前期氮素分配率始終表現(xiàn)為根＞葉＞莖。

圖4 不同種植模式前期各器官氮素分配率Fig.4 Nitrogen distribution rates of different organs in the early stage of different planting patterns

油茶幼苗間作后期，氮素分配率與前期相比具有一定差異性；如圖5所示，在N0氮素D 時(shí)，油茶幼苗器官中分配率最高的仍然為根(44.09%)。在N1和N2條件下，3 種器官中分配率表現(xiàn)最高的均為葉的54.13%和43.03%，莖分配率在N2條件下僅次于葉為30.33%；N0氮素水平L 下，較D 相比，葉分配率降低約10%，而根和莖的分配率分別提升4% 和6%。在N1水平下，葉片分配率最高為39.22%，氮素水平N2時(shí)，分配率最高為根。然而，H 后期時(shí)氮素分配最高為N0時(shí)根(45.21%)，在N1和N2下最高分別為葉(50.59%)和莖(42.50%)。

圖5 不同種植模式后期各器官氮素分配率Fig.5 Nitrogen distribution rates of different organs in the late stage of different planting patterns

2.4 不同間作模式對(duì)油茶幼苗氮素利用率的影響

間作對(duì)于油茶幼苗氮素利用率的影響如圖6所示，間作前期N0氮素水平下，L 和H 的氮素利用率分別為14.47%和20.33%，均顯著高于D 氮素利用率；前期N1水平下，D 的氮素利用率較L和H 更高，可能是因?yàn)榉N植過程中油茶幼苗剛接觸較高濃度的氮素水平，未能很好地吸收利用生境中的氮素，或是由于油茶幼苗根系自身對(duì)于氮素的拮抗作用，從而導(dǎo)致N1單作模式高于間作模式。在N2條件下，L 氮素利用率為2.88%，顯著高于D 和H；隨著氮素水平的增加，L 和H 的氮素利用率逐漸降低，同氮素水平表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明無論在單作還是間作，都應(yīng)科學(xué)控制油茶幼苗種植時(shí)氮素的添加，過量的氮素水平可能對(duì)油茶生長及氮素的吸收、利用和分配產(chǎn)生相應(yīng)的脅迫作用，過多反而會(huì)抑制油茶對(duì)于氮素的利用效果。

圖6 間作前期、后期油茶幼苗氮素利用率Fig.6 Nitrogen utilization rates of Camellia oleifera in early and late intercropping stages

油茶幼苗間作后期N0水平下，L 和H 的氮素利用率分別為16.23% 和17.25%，均與油茶幼苗單作時(shí)氮素利用率具有顯著性差異（P＜0.05）；在N1氮素水平，3 種種植模式油茶氮素利用率表現(xiàn)為L＞D＞H，L 和H 氮素利用率分別為13.07%和10.89%；N2氮素水平下，H 氮素利用率3.85%顯著低于L 和D。

3 討 論

農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中，氮素是作物生長發(fā)育的關(guān)鍵因素之一，適宜的外源氮素添加對(duì)作物干物質(zhì)、氮素積累及果實(shí)產(chǎn)量形成具有顯著促進(jìn)作用[24-25]。本研究表明，在不同間作模式下，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現(xiàn)為間作模式生物量高于單作模式，同決明子與油茶幼苗間作效果一致[16]。表明將辣椒和花生與油茶幼苗間作可以顯著提高油茶幼苗生物量，加快油茶幼苗的生長，縮短油茶結(jié)果周期。隨著施氮水平的增加，無論是間作還是油茶幼苗單作，其生物量并沒有呈現(xiàn)隨著氮素增加而增加的現(xiàn)象，這與葛順峰[26]對(duì)作物生物量隨施氮水平增加而提高的研究結(jié)果有所不同，其原因可能與研究對(duì)象、作物生長周期、所需養(yǎng)分以及作物生長環(huán)境[27]的不同有關(guān)，再加上該研究對(duì)象主要為油茶幼苗，受盆栽實(shí)驗(yàn)環(huán)境的局限和部分人為干擾的影響；因此，基于該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)下油茶成熟樹體生物量的影響有待進(jìn)一步探究。

植株器官及外部形態(tài)特征可以直觀地體現(xiàn)作物對(duì)于外界因素的響應(yīng)[28]，Ndff是指植株器官從土壤肥料中吸收分配到的15N 量對(duì)該器官全氮量的貢獻(xiàn)率，反映了植株器官對(duì)肥料中15N 的吸收征調(diào)能力，是作物植株對(duì)于氮素吸收能力的一種體現(xiàn)[29]。本研究利用15N 示蹤法對(duì)油茶植株根、莖、葉進(jìn)行探究表明，在間作油茶幼苗前期，各器官Ndff均為N2氮素水平下最大，N0和N1水平下各器官Ndff差異性不明顯，此研究結(jié)果與趙風(fēng)霞等[17]研究的甜櫻桃15N 吸收量隨施氮量的增加而增加的結(jié)論相似。間作油茶幼苗后期，油茶幼苗葉Ndff在N1氮素水平下L 最高，其次為N2，最后為N0；莖Ndff在3 種種植模式下均表現(xiàn)為N1＞N2＞N0，與葉片保持一致，進(jìn)一步揭示適宜的氮素水平對(duì)于油茶幼苗生長發(fā)育的影響[22]。油茶幼苗各器官對(duì)于氮素的分配率表明在不同生長時(shí)期氮素存在于油茶的不同器官中，反映了農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中氮素在不同時(shí)期對(duì)作物的不同作用效果[26]。該研究前期，氮素主要分配于油茶幼苗根部，3 種種植模式下其器官分配率均表現(xiàn)為根＞葉＞莖，其主要為油茶幼苗樹體吸收的氮素先轉(zhuǎn)運(yùn)至根，然后向枝葉中轉(zhuǎn)移，分配于莖的極少[25]。種植后期，在N1氮素水平L 和H，油茶幼苗器官氮素分配率發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變?yōu)槿~＞根＞莖，其中H 油茶幼苗葉片中氮素分配率達(dá)到最高，這與前人對(duì)冬棗[20]、蘋果[30]的研究結(jié)果果樹中不同器官15N 分配的能力會(huì)隨著生長中心轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)移的結(jié)果一致。

不同氮素水平下，油茶對(duì)于氮素的利用率也有較大的區(qū)別，進(jìn)一步證實(shí)了施氮量的合理添加對(duì)作物的重要性[8]。油茶在前后期對(duì)于氮素利用率均為N0氮素水平表現(xiàn)最優(yōu)，各間作模式下表現(xiàn)為H＞L＞D，表明低氮素水平下合理進(jìn)行間作也能較好提升油茶對(duì)于氮素的利用，從而促進(jìn)油茶的生長，該結(jié)果與陳倩等[31]對(duì)矮化蘋果15N-尿素的吸收利用所得到的研究結(jié)果一致。原因可能是低氮素水平下，油茶幼苗對(duì)于氮素的吸收需求量較大，利用率較高；隨著時(shí)間推移，植株生長和氮素需求量會(huì)不同，油茶幼苗前期所吸收的氮素已經(jīng)滿足自身生長和發(fā)育需要，氮素利用率已達(dá)最大化，從而導(dǎo)致氮素利用率并未隨著氮素水平的增加而增加，過多的氮素反而抑制了油茶幼苗的利用率[2]。根據(jù)油茶幼苗各器官在不同間作模式下對(duì)氮素利用的研究可知，在農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中，若要提高油茶幼苗對(duì)于土壤中氮素的利用，應(yīng)控制適宜的氮素水平和選擇合適的作物間作。因此，在往后的研究中應(yīng)進(jìn)一步增加多種氮素水平、多種作物輪番間作的模式來探討更加適宜油茶幼苗的間作模式。

4 結(jié) 論

油茶幼苗生物量間作均大于油茶單作，在不同的氮素水平下其提升效果具有一定差異，且并未隨著氮素水平的增加而增加。油茶幼苗在L 和H 兩種模式下對(duì)于土壤中氮素的吸收、分配和利用均表現(xiàn)為間作優(yōu)于D，且N1氮素水平下間作效果更佳，表明低氮含量和高氮含量都是抑制農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中油茶幼苗生長發(fā)育的主要原因之一，低氮含量會(huì)使得養(yǎng)分不足，高氮含量又會(huì)出現(xiàn)吸收不充分而抑制的現(xiàn)象。因此，未來農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)于農(nóng)林經(jīng)濟(jì)作物油茶產(chǎn)量的提升在優(yōu)選間作物的同時(shí)，還需注意科學(xué)合理添加氮素，以克服油茶農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)土地資源浪費(fèi)，養(yǎng)分吸收不充分的短板，提高油茶產(chǎn)量。