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营养元素是植物生长的基础，不同器官营养元素的含量和积累体现了植物对其的需求量和吸收能力，植物营养元素的积累与分布是研究森林生态系统物流和能流的基础，直接影响森林生产力，一定程度上制约着地力的演变，对维持林地的养分平衡有重要作用[1]。竹子是集经济、生态和社会效益于一体的优良林种，是区域社会经济发展和生态环境保护的重要刚性资源，被誉为21世纪最有发展前景的植物类型[2]。了解营养元素在竹子各器官中的分布、积累及分配规律对于指导竹林生产经营、提高系统的养分利用率和最大限度地提高林地生产力和可持续经营都具有重要意义。黄甜竹Acidosasa edulis隶属于禾本科Gramineae竹亚科Bambusoideae酸竹属Acidosasa，是一种优质笋用竹种。黄甜竹笋期为4−6月，竹笋产量高、品质佳，是已知竹笋中营养成分最丰富最合理的一种[2]。但目前对黄甜竹的研究主要集中于栽培技术、生长发育规律、竹笋营养成分和次生代谢产物[3-6]等方面，关于竹类植物营养元素的研究主要集中在毛竹Phyllostachys edulis[7-10]上，其他竹种如雷竹Phyllostachys violascens[11]、苦竹Pleioblastus amarus[12]、绿竹Bambusa oldhamii[13]、黄竹Dendrocalamus membranaceus[14]、青皮竹Bambusa textilis[15]等也有涉及，但黄甜竹的相关报道尚未见。本研究通过分析黄甜竹地上器官中氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)和锌(Zn)等9种营养元素，了解黄甜竹不同年龄和不同器官的营养元素的变化规律，为黄甜竹资源开发利用提供科学基础。
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试验地位于浙江省丽水市莲都区丽水市林业科学研究院百果园科研基地(28°28′ N，119°53′ E)，平均海拔为150 m，平均坡度为25°。该区属浙西南低山丘陵地带，年平均气温为18.1 ℃，年平均日照时数为l 783 h，年降水量1 427 mm，无霜期为256 d，极端最高气温为43.2 ℃，极端最低气温为−7.5 ℃。土壤为红壤，pH 5.1，有机质为29.8 g·kg−1，碱解氮、有效磷和速效钾分别为134.1、3.2和124.3 mg·kg−1。试验地于1990年建园，长期人工经营，黄甜竹林面积20 hm2，林分长势良好，立竹密度10 250株·hm−2，平均胸径为5.2 cm，林分保留3年生及以下的立竹，竹林结构1年生∶2年生∶3年生=1∶1∶1，4年生及以上竹子全部采伐。每年夏进行竹林垦复并施复合肥[m(氮)∶m(磷)∶m(钾)=18∶5∶8] 1次，施肥量1 500 kg·hm−2。
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2018年10月，在人工种植的黄甜竹纯林中，设立20 m×20 m标准样地3个，立竹密度(10 250±267)株·hm−2。在标准地内每株检尺，按不同竹龄测量并计算黄甜竹平均胸径；各样地中分别选取1年生、2年生、3年生平均胸径的标准竹各4株，采用全收获法砍伐。
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参照WU等[16]方法进行样品采集和生物量调查，按样地中各年龄标准株生物量和各年龄株数[15]计算地上部生物量。叶、枝、秆样品分别置于样品袋中，带回实验室分析；分别用去离子水清洗后，在105 ℃下杀青30 min，然后在80 ℃烘干至恒量，粉碎后测定元素质量分数。氮(N)的测定：浓硫酸-双氧水(H2SO4-H2O2)消化后采用凯氏半微量法(全自动凯氏定氮仪，FOSS)测定。磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)等的测定：采用微波消解法消解样品，用IRIS/AP型全谱直读电感耦合等离子体发射光谱仪测定(ICP-OES法)[17]。计算营养元素积累量(吸收量)=营养元素质量分数×干物质量；植物地上部某器官营养元素分配=某器官营养元素积累量/地上部积累量×100%[13]。
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使用Excel 2003和SPSS 22分析软件进行数据处理。
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由表1可知：不同竹龄黄甜竹地上部单株生物量均以秆最高(4 107.78 g)，叶最低(661.11 g)。单株叶、枝、秆的生物量分别占地上部生物量的11.56%、16.56%和71.86%，说明黄甜竹生物量主要集中在秆。随竹龄增大，不同部位生物量均逐渐增大，其中3年生黄甜竹秆、枝、叶生物量比1年生分别提高17.24%、38.43%和137.40%；随竹龄增长，叶和枝生物量占地上部生物量的比例有所提升。
表 1 黄甜竹标准株生物量
Table 1. Biomass of A. edulis standard plant
竹龄 秆/(g·株−1) 枝/(g·株−1) 叶/(g·株−1) 合计/(g·株−1) 1年生 3 866.67±359.49 bA 806.67±70.24 bB 410.00±26.46 cC 5 086.67 2年生 3 923.33±101.16 bA 916.67±40.41 abB 600.00±45.83 bC 5 440.00 3年生 4 533.33±446.58 aA 1 116.67±140.12 aB 973.33±45.09 aB 6 623.33 平均 4 107.78 946.67 661.11 5 716.67 说明：小写字母表示不同竹龄间差异显著(P＜0.05)，大写字母表示不同部位间差异显著(P＜0.05) -
植物不同器官生理机能不同，不同营养元素在植物体内的功能也不同，因此营养元素在植物不同部位及不同营养元素在同一部位中的分布具有差异性[18-19]。由表2可知：黄甜竹地上部营养元素最高为叶(48.73 g·kg−1)，其次是枝(17.61 g·kg−1)，秆中最低(16.30 g·kg−1)，与毛竹[8]、雷竹[11]、青皮竹[15]、高节竹Phyllostachys prominens[20]、慈竹Neosinocalamus affinis[21]等的研究结果一致。对不同部位营养元素分布的方差分析可知：除Zn外，叶中其他8种营养元素质量分数均显著高于秆和枝(P＜0.05)。N、P和K质量分数分别为31.20、1.18和7.49 g·kg−1，分别比枝高133.13%、178.27%和172.03%，比秆高215.79%、81.59%和62.80%；Ca比枝和秆分别高971.70%和952.40%，Mg比枝和秆分别高出856.62%和470.50%；Fe、Mn和Cu质量分数分别比枝高208.29%、192.26%和116.53%，比秆高132.50%、247.14%和197.07%。叶和秆中Zn质量分数分别为37.27和37.55 mg·kg−1，两者差异不显著(P＞0.05)，但均显著高于枝中(P＜0.05)。枝和秆中营养元素质量分数高低不一，N质量分数表现为枝中高于秆中(P＜0.05)，P、K和Zn表现为秆中高于枝中(P＜0.05)，Ca、Mg、Fe、Mn和Cu在枝和秆中差异不显著(P＞0.05)。
表 2 不同竹龄黄甜竹各部位营养元素质量分数分析
Table 2. Nutrient content in different parts of A. edulis with different bamboo ages
部位 竹龄 N/(g·kg−1) P/(g·kg−1) K/(g·kg−1) Ca/(g·kg−1) Mg/(g·kg−1) 叶 1年生 31.45±2.76 aA 1.14±0.03 aA 7.81±0.39 aA 5.40±1.01 bA 1.65±0.06 aA 2年生 30.20±3.57 aA 1.21±0.08 aA 7.33±0.24 aA 6.26±0.91 abA 1.39±0.23 aA 3年生 31.94±1.77 aA 1.18±0.27 aA 7.34±0.80 aA 8.00±1.42 aA 1.51±0.32 aA 平均 31.20±1.53 A 1.18±0.07 A 7.49±0.06 A 6.55±0.53 A 1.52±0.17 A 枝 1年生 15.88±1.48 aB 0.58±0.08 aB 4.42±0.24 aB 0.67±0.18 aB 0.26±0.01 aB 2年生 13.70±0.32 bB 0.47±0.13 aC 2.37±0.17 bC 0.49±0.10 aB 0.10±0.03 bB 3年生 10.56±1.09 cB 0.22±0.04 bC 1.47±0.07 cC 0.68±0.15 aB 0.11±0.05 bB 平均 13.38±0.52 B 0.42±0.06 C 2.75±0.13 C 0.61±0.07 B 0.16±0.02 B 秆 1年生 9.52±1.79 aC 0.54±0.11 aB 6.30±0.53 aA 0.26±0.02 bB 0.18±0.01 bB 2年生 9.33±1.21 aC 0.79±0.28 aB 4.03±0.32 bB 0.47±0.10 bB 0.21±0.04 abB 3年生 10.79±0.84 aC 0.61±0.12 aB 3.48±0.37 bB 1.13±0.52 aB 0.40±0.16 aB 平均 9.88±1.17 C 0.65±0.17 B 4.60±0.18 B 0.62±0.15 B 0.27±0.06 B 部位 竹龄 Fe/(mg·kg−1) Mn/(mg·kg−1) Cu/(mg·kg−1) Zn/(mg·kg−1) 叶 1年生 282.01±24.01 aA 551.68±53.53 aA 7.22±0.36 aA 38.65±7.87 aA 2年生 177.98±30.25 bA 519.09±53.53 aA 6.43±0.33 bA 35.16±6.50 aA 3年生 152.25±10.06 bA 567.65±34.83 aA 5.72±0.18 bA 38.00±8.42 aB 平均 204.08±21.44 A 546.14±47.30 A 6.46±0.29 A 37.27±7.6 A 枝 1年生 39.45±10.03 bC 165.74±50.11 aB 3.98±1.13 aB 25.31±2.75 bB 2年生 38.02±6.89 bC 166.21±89.96 aB 2.86±0.32 abB 23.07±4.33 bB 3年生 121.13±38.06 aA 228.66±111.23 aB 2.10±0.08 bB 36.88±3.33 aB 平均 66.20±18.33B 186.87±83.76B 2.98±0.51 B 28.42±3.47 B 秆 1年生 88.13±20.34 aB 46.39±12.99 bC 2.37±0.15 aC 29.86±5.76 aB 2年生 95.86±19.35 aB 124.30±34.72 abB 2.36±0.38 aB 33.67±6.68 aA 3年生 79.34±6.61 aB 301.28±79.33 aB 1.79±0.26 aB 49.11±7.58 aA 平均 87.78±15.43 B 157.32±42.34 B 2.17±0.27 B 37.55±6.67 A 说明：小写字母表示不同竹龄间差异显著(P＜0.05)，大写字母表示不同部位间差异显著(P＜0.05) 同一部位中不同营养元素质量分数也不同，叶中各元素质量分数从高到低依次为N、K、Ca、Mg、P、Mn、Fe、Zn、Cu，枝中依次为N、K、Ca、P、Mn、Mg、Fe、Zn和Cu，秆中依次为N、K、P、Ca、Mg、P、Mn、Fe、Zn、Cu。不同部位中各营养元素质量分数大致相似，最大的2种元素均为N和K，最小的2种元素均为Cu和Zn，与葛高波等[14]在黄竹上的研究结果相似。
竹龄对不同部位营养元素质量分数影响不同。总体上看，叶受竹龄影响最小，秆其次，枝受竹龄影响最大。具体看，叶中N、P和K质量分数受竹龄影响不大，枝中N、P、K质量分数随竹龄增大而降低，秆中N、P质量分数受竹龄影响不大，但K质量分数随竹龄增大而降低，其中1年生显著高于2年生、3年生立竹(P＜0.05)。叶和秆中Ca质量分数随竹龄增大而增大，叶中Mg质量分数受竹龄影响不大，枝中表现为1年生最高，显著高于2年生和3年生(P＜0.05)，秆中则表现为逐年增大。叶中Fe和Cu表现为随竹龄增大而降低，Mn和Zn较稳定，受竹龄影响不大；枝中Fe和Zn表现为3年生高于1年生和2年生，Cu表现为逐年下降；秆中Mn质量分数表现逐年增高，各竹龄差异显著(P＜0.05)，Zn随竹龄增大而逐年增高，但差异不显著(P＞0.05)，而Fe和Cu受竹龄影响不显著(P＞0.05)。
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从表3可知：黄甜竹地上部9种营养元素积累总量为1 186.69 kg·hm−2，秆中的积累量最大(687.38 kg·hm−2)，其次是叶(333.01 kg·hm−2)，枝积累量最小，仅166.29 kg·hm−2，与绿竹[13]研究结果相同。不同营养元素累积量从大到小依次为N、K、Ca、P、Mg、Mn、Fe、Zn、Cu。
表 3 黄甜竹不同部位各营养元素的积累量
Table 3. Accumulation of nutrient elements in different parts of A. edulis
部位 N/
(kg·hm−2)P/
(kg·hm−2)K/
(kg·hm−2)Ca/
(kg·hm−2)Mg/
(kg·hm−2)Cu/
(kg·hm−2)Zn/
(kg·hm−2)Fe/
(kg·hm−2)Mn/
(kg·hm−2)合计/
(kg·hm−2)叶 212.18 8.00 50.37 47.00 10.19 0.04 0.25 1.27 3.72 333.01 枝 126.98 3.90 25.22 5.87 1.47 0.03 0.28 0.69 1.85 166.29 秆 417.91 27.21 191.10 27.34 11.50 0.09 1.61 3.68 6.95 687.38 合计 757.06 39.11 266.69 80.21 23.16 0.16 2.14 5.63 12.52 1 186.69 如图1可知：9种营养元素在黄甜竹叶、枝、秆中的分配率不同，除Ca外，其他元素的分配率均表现为秆中最大，其次是叶，枝中最小；秆中分配率最低的为Ca(34.09%)和Mg(49.65%)，另外7种元素均大于50%。叶中分配率最高的为Ca和Mg，占营养元素总量的58.59%和43.99%。
图 1 黄甜竹营养元素在各部位中的分配
Figure 1. Distribution of nutrient elements in aboveground parts of A. edulis
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植物营养元素含量是植物生物学特性与生态环境相统一的结果，不但反映了植物自身的特征，也反映了植物在一定生境下从土壤中吸收和蓄积养分的能力[22]。竹子依靠根鞭吸收养分，按各器官所需运输、分配并积累；长期的自然进化导致竹叶作为有机物合成的“加工厂”，代谢活动最为活跃，营养元素需求量也最多，这也是黄甜竹竹叶中大部分营养元素远高于枝和秆的原因，与秦武明等[23]、刘鹏等[24]认为代谢越活跃的部位营养元素含量越高的观点一致。从营养元素功能的角度看，氮、磷、镁等是光合色素的重要组成元素，钾参与光合酶活化、促进碳水化合物合成、加速光合产物的流动，是确保光合过程高效运行的重要因子，因此，N、P、K、Mg等元素在光合器官叶中的质量分数显著高于非光合器官枝和秆。各营养元素在地上部分布规律大体相似，不同部位质量分数最大的2种元素均为N和K，最小的均为Cu和Zn，可能与物种的遗传特性密切相关[25]。对不同经营方式下毛竹各器官营养元素的研究表明[9]，毛竹各器官营养元素在集约经营和粗放经营中差异并不显著，表现出了较高的遗传稳定性。
黄甜竹不同器官通过有机配合进行物质的循环和能量的流动，以适应生长发育需要。随着竹龄的增长，竹叶通过周期性换叶增加竹叶数量实现叶生物量的积累，而竹枝和竹秆主要是靠竹壁增厚和竹壁密度的增加来实现生物量的积累，因此不同部位营养元素质量分数受竹龄的影响不同。本研究发现：不同竹龄的竹叶中营养元素质量分数差别不大，而秆和枝则受年龄的影响较大；说明不同竹龄竹叶生理状态和有机物合成能力相似，尽管竹龄增加了，但由于周期性脱落换新，叶龄相近。不同器官对养分需求量有差异，不同竹龄黄甜竹生物量增长不同，1年生单株枝和秆的生物量增长远高于2年生和3年生，与黄张婷等[11]和杨杰等[26]的研究结果相似，说明竹类植物在不同生长阶段竹叶对养分的合成能力差异不大，但在物质分配和积累上有较大差异。
黄甜竹地上部营养元素主要积累在秆中，其次为叶，枝中最少，积累量高低与生物量大小不完全一致，差异主要体现在叶和枝上，原因在于生物量的构成不仅仅包括上述9种营养元素，还包括大量的碳(C)、氢(H)、氧(O)等其他元素；叶中营养元素含量远远高于枝，因此叶中营养元素的积累量高于枝。就各营养元素积累量来看，黄甜竹N积累量高达63.80%，表现出了极强的N吸收能力；以此计算林地需肥量，适时补充N肥，为黄甜竹林地养分管理和定向培育提供数据支撑。
竹叶中含多种矿质元素，其中很多有一定的生理和药理作用，是竹叶保健功能的物质基础之一[27]。K在人体中可维持碳水化合物、蛋白质代谢，维持细胞正常渗透压；Ca参加骨骼和牙齿的组成；Fe参与血红蛋白形成，促进造血；Mn被认为是抗癌元素，是多种酶的催化剂；Zn参与多种酶的合成，促进人体生长发育，增强创伤组织再生[28]。本研究发现：黄甜竹叶中K、Ca、Fe、Mn、Zn等元素极为丰富，如K高达7.49 g·kg−1，Ca高达6.55 g·kg−1，是潜在的保健食品原料。在植物生长代谢过程中，营养元素不仅是细胞生长的物质来源，而且参与植物初生代谢和次生代谢，影响植物体内生理活性物质的组分和含量[29]，在日益关注健康的当下，挖掘竹子的保健功能已成为竹产业发展的新业态与新趋势[29]，分析营养元素的积累与分配可为黄甜竹竹叶资源综合开发利用提供理论基础和方向。
Content and distribution of the main nutrient elements in aboveground parts of Acidosasa edulis in southwest of Zhejiang Province
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摘要:
目的 研究浙西南地区不同年龄黄甜竹Acidosasa edulis地上部营养元素质量分数及分配特性，为黄甜竹林地土壤养分管理和资源开发利用提供依据。 方法 采用全收获法计算生物量，测定不同年龄(1~3 a)和不同地上部位(叶、枝、秆)的植株样品中氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)和锌(Zn)等9种营养元素。 结果 ①黄甜竹地上部营养元素质量分数最高为叶(48.73 g·kg−1)，其次为枝(17.61 g·kg−1)，秆中最低(16.30 g·kg−1)；叶中各营养元素从高到低依次为N、K、Ca、Mg、P、Mn、Fe、Zn、Cu，枝中为N、K、Ca、P、Mn、Mg、Fe、Zn、Cu，秆中为N、K、P、Ca、Mg、P、Mn、Fe、Zn、Cu。各部位营养元素质量分数受竹龄影响不同，其中枝受竹龄影响最大，秆次之，叶最小。②营养元素积累量秆中最大(687.38 kg·hm−2)，其次是叶(333.01 kg·hm−2)，枝中最小(166.29 kg·hm−2)。不同营养元素的积累量从大到小依次为N、K、Ca、P、Mg、Mn、Fe、Zn、Cu。③不同部位营养元素分配率不同，总体表现为秆中最高(57.92%)，其次是叶(28.06%)，枝中最低(14.01%)。 结论 黄甜竹中N元素积累量最高，表明黄甜竹有较强的氮吸收能力，生产上要适时补充氮肥。竹叶中营养元素全面，有较高的开发利用价值。图1表3参29 Abstract:Objective With an investigation of the content and distribution characteristics of the main nutrient elements in the aboveground parts of Acidosasa edulis of different ages located in the southwest of Zhejiang Province, this study is aimed to provide a scientific basis for the management and exploitation of soil nutrients, as well as the rational utilization of Phyllostachys pubescens resources. Method Total harvest method was employed to estimate the biomass, and the contents of nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K), calcium (Ca), magnesium (Mg), iron (Fe), manganese (Mn), copper (Cu) and zinc (Zn) in plant samples of different ages (1−3 a) in different parts (leaves, branches and culms). Result a) In the aboveground parts of A. edulis, the total contents of the nine nutrient elements were as follows: leaf (48.73 g·kg−1), branch (17.61 g·kg−1) and culm (16.30 g·kg−1); whereas the contents of nutrient elements in leaves, branches and culms were as follows: N, K, Ca, Mg, P, Mn, Fe, Zn and Cu in leaf; N, K, Ca, P, Mn, Mg, Fe, Zn and Cu in branch; N, K, P, Ca, Mg, P, Mn, Fe, Zn and Cu in culm. b) The contents of nutrient elements in different parts were affected differently by the bamboo age which means that branches were most affected, culms were the second, and leaves were the least affected. c) The accumulation of the nine kinds of nutrient elements in culms was the highest (687.38 kg·hm−2), followed by that of the leaves (333.01 kg·hm−2), and the branches (166.29 kg·hm−2). d) The accumulation of different nutrient elements in A. edulis is as follows: N, K, Ca, P, Mg, Mn, Fe, Zn and Cu. e) The distribution rate of nutrient elements was different in leaves, branches and culms with the total distribution rate as follows: culm (57.92%), leaf (28.06%) and branch (14.01%). Conclusion The accumulation of N is the highest, indicating that A. edulis has strong nitrogen absorption capacity. Thus, extra attention should be paid to the timely supplement of nitrogen fertilizer to ensure a better production. Also, the leaves of A. edulis have high utilization value because of their comprehensive nutrient elements for human health, thus highly exploitable. [Ch, 1 fig. 3 tab. 29 ref.] -
Key words:
- Acidosasa edulis /
- nutrient elements /
- accumulation /
- distribution
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土地沙漠化是全球性的环境问题。土壤沙化不但使生态环境恶化，而且对社会经济的可持续发展也产生深远影响[1]。根据《第5次全国荒漠化和沙化状况公报》，截至2014年，全国沙化土地总面积172.12 万km2，占国土总面积的17.93%。对比《第4次全国荒漠化和沙化状况公报》，虽然土壤沙化总体呈现被遏制的态势，但沙化治理形势依然严峻，引起的生态负效益仍不容忽视[2-3]。四川省阿坝州红原县位于青藏高原东南部四川省阿坝州，海拔平均3 552 m，地势起伏平坦。主要为沼泽、草甸、灌丛、森林四大植被类型，主要土壤类型为沼泽土、亚高山草甸土、风沙土[4]。根据当地政府统计数据，红原县沙化土地面积为4 450 hm2，轻度沙化面积为378 hm2，其余为中度沙化土壤；过度放牧是引起当地土壤沙化的主要成因。该地区年均降水为754 mm，80%是集中在5−9月，而且多为雷阵雨和暴雨[5]。土壤及养分流失的隐患较为突出。红原发达的畜牧业导致每年产生的牲畜粪便数量惊人，特别是牦牛Bos grunniens粪，仅仅红原县瓦切乡年产生量就高达59万t·a−1。然而，当地以焚烧作为牦牛粪的主要处理方式，效率较低。如何充分利用当地丰富的牦牛粪资源开展沙化土壤治理是本研究关注的重点。传统的畜禽粪便就是良好的有机肥料，含有大量的有机质、矿物质等[6-7]。此外，生物质炭是当前废弃物资源化利用的研究热点之一，国内外学者已经对牛粪热解制备生物质炭以及牛粪生物质炭改良土壤进行了初步的探索。施加适量的生物质炭可改善土壤结构，增加土壤有机质含量和提高土壤微生物活性，有利于作物生长发育，增加产量和农业收益[8]；DUAN等[9]探讨在牛粪堆肥过程中，生物质炭单独与菌群改良剂联合使用对改善土壤微生物群落和增强土壤酶活性有积极作用。另有研究表明：聚丙烯酰胺(PAM)可以改善土壤的物理性状[10]，保持土壤良好的透气性和保水性，还可以防治水土流失，与分散的土壤颗粒形成大团聚体，增强表层的抗冲蚀能力[11]。目前基于牦牛粪制备生物质炭或者堆肥对土壤改良的研究报道较少。同时，考虑到红原县沙化土壤特性，PAM可以有效改变沙化土壤粒径组成，因此，本研究以红原县当地丰富的牦牛粪为基质，制备生物质炭和堆肥产品，通过实验室模拟研究，验证炭肥产品的混施以及添加PAM来进行沙化土壤改良、以减少渗流造成的土壤养分流失的可行性。
1. 材料与方法
1.1 供试肥料及制备方法
土样采自红原县瓦切乡野外沙化草甸的0~40 cm土层，混合均匀后备用。牦牛粪生物质炭、牦牛粪堆肥产品是向当地牧民处购买新鲜牦牛粪进行制备。牦牛粪生物质炭的制备依照丁黎等[12]的生物质炭制备方法，在热解炉中以600 ℃高温热解。牦牛粪堆肥环境为40 ℃恒温大棚。牦牛粪堆肥基本理化性质为有机质128.30 g·kg−1，全氮33.79 g·kg−1，总磷7.97 g·kg−1，全钾14.35 g·kg−1。牦牛粪基生物质炭基本理化性质为有机碳357.32 g·kg−1，全氮11.85 g·kg−1。PAM购自山东宝莫生物化工股份有限公司。
1.2 研究方法
1.2.1 实验设计
从2016年9−11月，周期为60 d。淋溶土柱为聚丙烯(PP)圆柱体(图1)，内径为9.7 cm，高为48.3 cm。用钻孔机在土柱上从下往上每10 cm钻1个孔，共4个孔，以此模拟40 cm深的土层。每个小孔安装1个土壤溶液采集器，收集土壤浸出液，模拟水分流失。共设置4个处理：单施堆肥处理(H1)，炭肥混施(1∶1)处理(H2)，以及单施生物质炭处理(H3)，此外，另设定不添加炭肥的空白处理(H0)。同时，在上述同样处理的基础上再对应地添加PAM，构成添加PAM区组(分别记为h0、h1、h2、h3)，共计8个处理(表1)，每个处理设3个重复，供试土壤有机质质量分数为19.20 g·kg−1，全氮1.71 g·kg−1，总磷0.38 g·kg−1，速效磷7.7 mg·kg−1。制作土柱时，首先在土柱20~40 cm处加入沙化土壤，经称量为1 500 g，再将改良材料和同质量的1 500 g土壤混合均匀后再加入0~20 cm土柱，加入炭肥改良材料的质量为土壤质量的3%，为45 g。根据红原县当地降雨量，模拟降水注入超纯水，2 d加1次水，每周收集1次土壤溶液采集器中的水样。
图 1 土柱实验示意图Figure 1 Schematic diagram of the soil column experiment1. 土柱上层2. 土柱下层3. 土壤溶液采集口表 1 实验设置Table 1 Experimental treatments编号 生物质炭/g 牛粪堆肥/g 聚丙烯酰胺/g 原土/kg H0 3.0 H1 45.0 3.0 H2 22.5 22.5 3.0 H3 45.0 3.0 h0 15.0 3.0 h1 45.0 15.0 3.0 h2 22.5 22.5 15.0 3.0 h3 45.0 15.0 3.0 1.2.2 土壤样品采集及处理
土壤样品的采集时间分别是第1、15、30、45、60天，共5次。每次分层采集土柱中的土壤。每次采集用特制的细孔径取土钻取土20 g。装入自封袋扎孔后放入冻干机中冻干。冻干后用研钵磨细分别过60目筛和100目筛备用。
1.2.3 分析项目及方法
参照参考文献[13]测定分析土壤样品养分，测定的土壤养分为：全氮、硝态氮、铵态氮、有机质、土壤pH、总磷、有效磷。为有效评价PAM的添加对外源物质(牦牛粪炭和堆肥)中养分淋溶的影响，用以下公式计算外源养分淋溶率：
$$ R = \left( {{w_{\rm{T2}}} - {w_{{\rm{ck2}}}}} \right)/\left( {{w_{\rm{T1}}} - {w_{{\rm{ck1}}}}} \right) \times 100\% \text{。} $$ 其中：wT1和wT2为处理组，ck为空白对照组，1代表0~20 cm土壤上层养分质量分数，2代表20~40 cm土壤下层养分质量分数，外源养分淋溶率值越小表示养分淋溶率越低。(wT2−wck2)为处理组和对照组下层土壤养分质量分数之差，(wT1−wck1)为处理组和对照组上层养分质量分数之差。
1.2.4 数据处理
利用Excel 2003进行数据处理，采用Sigma Plot 13.0软件制图，运用SPASS 22.0并选择Brown-Forsythe和Tamhane’s T2方法对结果进行方差分析。
2. 结果与分析
2.1 牦牛粪生物质炭及其堆肥对土壤酸碱度的影响
如图2所示：处理60 d时，施用生物质炭和堆肥产品均可以显著提高0~20 cm土壤的pH值(P＜0.05)，但20~40 cm与对照相比差异不显著。总体来说，在施用PAM的区组中0~20 cm土壤pH值要高于20~40 cm；而未施用PAM的区组中，各个土层的pH值差异不显著。
图 2 不同处理60 d时土壤pH值Figure 2 pH values in the soils with different treatments at the 60th day2.2 牦牛粪生物质炭及其堆肥对土壤氮质量分数的影响
经统计分析，60 d时，h0处理在0~20 cm土壤全氮质量分数显著低于h1、h2、h3处理(P＜0.05)。与h0相比，h1、h2、h3处理土壤全氮质量分数分别增加163%、255%、227%(图3A)。而在未添加PAM区组中(图3B)，H0在0~20 cm土壤全氮质量分数显著低于H1、H2、H3处理(P＜0.05，F=344)。与H0相比，H1、H2、H3处理分别增加43.5%、71.2%、54.0%(图3B)。H1、H2、H3土壤全氮质量分数随着深度增加而下降。
4个处理中，未添加PAM区组外源养分全氮的淋溶率分别为23.5%、12.8%、26.5%，而添加PAM区组外源养分全氮的淋溶率为5.4%、3.2%、8.3%。可以发现炭肥混施(H2和h2)在各自处理中淋溶率最低。
在60 d时，各处理土壤硝态氮质量分数如图4。添加PAM区组中，0~20 cm土壤硝态氮质量分数显著高于20~40 cm，单施生物质炭和炭肥混施效果最显著(P＜0.05)。而在未添加PAM区组中，H1、H2、H3处理的20~40 cm土壤硝态氮质量分数低于H0，0~20 cm土壤硝态氮质量分数显著高于20~40 cm(P＜0.05)。与H0相比，H1、H2、H3处理分别增加7.8%、24.1%、19.8%。
图 4 土壤硝态氮的质量分数Figure 4 Nitrate nitrogen contents in the soils with different treatments图5为土壤铵态氮质量分数图。60 d时，添加PAM区组中，0~20 cm土壤铵态氮质量分数显著高于20~40 cm(P＜0.05)；而未添加PAM区组中各处理无显著性差异(P＞0.05)。H1、H2、H3处理外源养分铵态氮淋溶率分别为40.8%、20.7%、49.2%，h1、h2、h3处理外源养分铵态氮淋溶率分别为34.9%、25.5%、34.8%(图5)。
图 5 土壤铵态氮质量分数Figure 5 Ammonium nitrogen content in the soils with or without PAM for different treatments2.3 牛粪生物质炭及其堆肥对土壤磷素质量分数及形态的影响
各处理土壤总磷质量分数变化趋势如图6所示。除空白处理外，各处理0~20 cm土壤中总磷质量分数显著高于20~40 cm(P＜0.05)；20~40 cm土壤中总磷质量分数在0~45 d内呈现上升趋势，在45 d后，总磷质量分数下降。60 d时，H1、H2、H3总磷淋溶率分别为16.5%、11.4%、19.3%，而h1、h2、h3组总磷淋溶率为6.3%、4.3%、9.1%。
图 6 土壤总磷质量分数Figure 6 Total phosphorus contents in the soils with different treatments经统计分析，添加PAM区组各处理土壤有效磷质量分数存在显著差异(P＜0.05)。0~20 cm层土壤有效磷质量分数在处理期间整体呈下降趋势，而在20~40 cm层土壤中则变化幅度较小(图7)。总体来说，未添加PAM区组各处理土壤有效磷质量分数存在显著差异(P＜0.05)，20~30 cm层土壤有效磷质量分数在0~30 d表现上升趋势，并在30 d达到峰值，随后逐渐下降。
图 7 土壤有效磷质量分数Figure 7 Available phosphorus contents in the soils with different treatments2.4 牛粪生物质炭及其堆肥对土壤有机质质量分数的影响
如图8所示：60 d时，添加PAM区组中0~20 cm土壤有机质质量分数高于20~40 cm(P＜0.05)，与h0相比，h1、h2、h3处理土壤pH分别增加230%、341%、321%。未添加PAM区组中0~20 cm土壤有机质质量分数高于20~40 cm(P＜0.05)。与H0相比，H1、H2、H3处理有机质质量分数分别增加322%、530%、515%。H1、H2、H3外源养分有机质的淋溶率分别为19.0%、11.2%、15.9%，h1、h2、h3组有机质淋溶率为5.1%、1.2%、5.9%。
3. 讨论
3.1 生物质炭与堆肥配施对沙化土壤养分质量分数的影响
生物质炭施入土壤后显著提高了土壤pH值，因为生物质炭表面的−COO−和−O−等有机官能团和生物质炭中的碳酸盐是碱性的主要存在形态[14]。添加热解生物质炭能提升土壤的pH值，但畜禽粪便制成的生物质炭因含有更多的灰分，要较木炭和秸秆有更高的pH值[15]。有研究表明：生物质炭对于酸性或者弱酸性沙化土壤提高pH的效果较为理想[16]。本研究的结果与之相一致，因为牦牛粪堆肥的pH为7.1，低于生物质炭[17]。由此可以得出，生物质炭与堆肥之比中所占的比例不同，其对土壤酸碱度的改良程度也不同，生物质炭所占比例越多则土壤的pH越高。
添加生物质炭可导致土壤水向下迁移速度减慢，从而使得在一定时间内全氮的淋溶率降低，这与王燕等[18]、杨放等[19]和盖霞普[20]的研究结果一致，其原因是生物质炭改变土壤容重和增加孔隙度，从而提高土壤储水能力，增加土壤溶液中氮素在各土层中的持留时间，减少全氮的淋溶量[21-23]。根据不同处理的氮素淋溶率结果可知：单施堆肥效果要优于单施生物质炭，这是由于堆肥氮素含量显著高于生物质炭，而且添加堆肥后可以增加土壤容重减少孔隙度，减少养分淋溶，而炭肥混施后可以抵消单独施用时养分淋溶和养分含量提升不够的问题，可以显著减少土壤中全氮的淋溶率。
炭肥混施可以增强土壤的硝化作用[24]，生物质炭通过提高土壤氨氧化细菌的丰度间接促进铵态氮向硝态氮的催化氧化[25]，堆肥提高土壤中硝化细菌的活性，促进了硝化反应的进程[26]。研究周期中，硝态氮的淋溶远高于铵态氮，这是由于土壤黏土矿物颗粒带负电，生物质炭表面也带负电，对铵态氮的吸附能力较强[27]，还有一部分铵态氮通过硝化反应形成硝态氮，而硝态氮带负电荷，不易被土壤吸附，会随着模拟降水不断向下淋溶，使得含量降低[27]。另外，单施堆肥仅能显著提高土壤中氮素的质量分数，但无法有效抑制养分渗流；而炭肥混施则可有效减少养分的淋溶损失。谢胜禹等[28]研究表明：加入生物质炭可以降低堆肥中铵态氮的损失。本研究中添加了炭肥混施效果最显著，与上述结果相符合。
0~45 d土壤30~40 cm处总磷质量分数呈上升趋势，45 d后，总磷质量分数表现为下降趋势，只是因为前期上层土壤磷素淋溶，后期上层磷素释放减少。空白对照组中，土壤总磷质量分数随淋溶的进行保持水平，无明显变化；土壤总磷质量分数呈现明显升高趋势的主要原因为生物质炭和堆肥中磷素的释放，土壤有机物料中的水溶性磷与土壤淋溶液中的磷质量分数密切相关[29]。有研究表示：炭肥混施后，作为外源输入功能材料，直接或间接参与土壤生态系统中的磷素循环，并对土壤磷素物质转化过程产生重要影响[30]。一方面，生物质炭够吸附土壤中磷元素，减少流失；另一方面，生物质炭热解炭化有机磷化学键的断裂，极大提高了磷的有效性[31-33]。
有机质质量分数的增加是因为生物质炭和堆肥产品本身能够增加土壤中有机质的质量分数，生物质炭作为一种本身有着大量有机质的改良剂，可以提高土壤中有机质的质量分数，且具有巨大的比表面积和良好的吸附和固定能力，能吸附土壤中的有机物[34]。MIDDELBURG等[35]研究证实：生物质炭有助于土壤有机质的积累，土壤中生物质炭表面可被部分轻度氧化形成羰基、酚基和醌基，提高土壤的阳离子交换量，增加对有机质的吸附[36]。同时堆肥具有很高的有机质含量，可以显著提高土壤中有机质的质量分数。
3.2 PAM添加对沙化土壤养分渗流的影响
单施炭肥可以提升土壤中有机质质量分数，但没有有效改善其渗流的状况。炭肥混施不仅能提高有机质质量分数还能抑制淋溶情况，添加PAM后可以抑制养分渗流的情况。单施炭肥同样无法改善磷素渗流的情况，炭肥混施后才能有效抑制土壤磷素渗流，添加PAM后外源养分淋溶率下降说明炭肥混施并添加PAM可以抑制土壤中磷素的流失。
根据外源养分淋溶率可知，炭肥混施组中全氮下降9.6%，总磷下降7.4%，有机质下降10.1%，单施炭肥有效降低外源养分淋溶率。因此可知，添加PAM可以显著减少土壤中养分淋溶率。有研究指出：PAM是通过分子结构中的基键与土壤颗粒间形成吸附力，维系土壤结构，防止土壤结皮，提高土壤入渗率，减小地表径流，减轻土壤侵蚀，增强土壤保肥能力[37]，与分散的土壤颗粒形成大团聚体，增强表层的抗冲蚀能力，大幅度减少土壤中氮磷钾等营养元素的损失[38]。
4. 结论
牦牛粪生物质炭及其堆肥产品混施对川西北沙化土壤养分渗流损失的抑制能力要优于单施生物质炭和单施堆肥处理。炭肥混施能够有效改善土壤的理化性质，增加土壤全氮、硝态氮、总磷、有效磷和有机质，分别提升255%、24%、120%、78%、530%。添加PAM可有效减少0~20 cm土壤养分渗流，全氮淋溶率减少9.6%，总磷减少7.1%。因此，利用红原当地的牦牛粪资源进行沙化土壤治理是确实可行的，并且可为后续的植被恢复奠定良好的基础。
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图 1 黄甜竹营养元素在各部位中的分配
Figure 1 Distribution of nutrient elements in aboveground parts of A. edulis
表 1 黄甜竹标准株生物量
Table 1. Biomass of A. edulis standard plant
竹龄 秆/(g·株−1) 枝/(g·株−1) 叶/(g·株−1) 合计/(g·株−1) 1年生 3 866.67±359.49 bA 806.67±70.24 bB 410.00±26.46 cC 5 086.67 2年生 3 923.33±101.16 bA 916.67±40.41 abB 600.00±45.83 bC 5 440.00 3年生 4 533.33±446.58 aA 1 116.67±140.12 aB 973.33±45.09 aB 6 623.33 平均 4 107.78 946.67 661.11 5 716.67 说明：小写字母表示不同竹龄间差异显著(P＜0.05)，大写字母表示不同部位间差异显著(P＜0.05) 
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表 2 不同竹龄黄甜竹各部位营养元素质量分数分析
Table 2. Nutrient content in different parts of A. edulis with different bamboo ages
部位 竹龄 N/(g·kg−1) P/(g·kg−1) K/(g·kg−1) Ca/(g·kg−1) Mg/(g·kg−1) 叶 1年生 31.45±2.76 aA 1.14±0.03 aA 7.81±0.39 aA 5.40±1.01 bA 1.65±0.06 aA 2年生 30.20±3.57 aA 1.21±0.08 aA 7.33±0.24 aA 6.26±0.91 abA 1.39±0.23 aA 3年生 31.94±1.77 aA 1.18±0.27 aA 7.34±0.80 aA 8.00±1.42 aA 1.51±0.32 aA 平均 31.20±1.53 A 1.18±0.07 A 7.49±0.06 A 6.55±0.53 A 1.52±0.17 A 枝 1年生 15.88±1.48 aB 0.58±0.08 aB 4.42±0.24 aB 0.67±0.18 aB 0.26±0.01 aB 2年生 13.70±0.32 bB 0.47±0.13 aC 2.37±0.17 bC 0.49±0.10 aB 0.10±0.03 bB 3年生 10.56±1.09 cB 0.22±0.04 bC 1.47±0.07 cC 0.68±0.15 aB 0.11±0.05 bB 平均 13.38±0.52 B 0.42±0.06 C 2.75±0.13 C 0.61±0.07 B 0.16±0.02 B 秆 1年生 9.52±1.79 aC 0.54±0.11 aB 6.30±0.53 aA 0.26±0.02 bB 0.18±0.01 bB 2年生 9.33±1.21 aC 0.79±0.28 aB 4.03±0.32 bB 0.47±0.10 bB 0.21±0.04 abB 3年生 10.79±0.84 aC 0.61±0.12 aB 3.48±0.37 bB 1.13±0.52 aB 0.40±0.16 aB 平均 9.88±1.17 C 0.65±0.17 B 4.60±0.18 B 0.62±0.15 B 0.27±0.06 B 部位 竹龄 Fe/(mg·kg−1) Mn/(mg·kg−1) Cu/(mg·kg−1) Zn/(mg·kg−1) 叶 1年生 282.01±24.01 aA 551.68±53.53 aA 7.22±0.36 aA 38.65±7.87 aA 2年生 177.98±30.25 bA 519.09±53.53 aA 6.43±0.33 bA 35.16±6.50 aA 3年生 152.25±10.06 bA 567.65±34.83 aA 5.72±0.18 bA 38.00±8.42 aB 平均 204.08±21.44 A 546.14±47.30 A 6.46±0.29 A 37.27±7.6 A 枝 1年生 39.45±10.03 bC 165.74±50.11 aB 3.98±1.13 aB 25.31±2.75 bB 2年生 38.02±6.89 bC 166.21±89.96 aB 2.86±0.32 abB 23.07±4.33 bB 3年生 121.13±38.06 aA 228.66±111.23 aB 2.10±0.08 bB 36.88±3.33 aB 平均 66.20±18.33B 186.87±83.76B 2.98±0.51 B 28.42±3.47 B 秆 1年生 88.13±20.34 aB 46.39±12.99 bC 2.37±0.15 aC 29.86±5.76 aB 2年生 95.86±19.35 aB 124.30±34.72 abB 2.36±0.38 aB 33.67±6.68 aA 3年生 79.34±6.61 aB 301.28±79.33 aB 1.79±0.26 aB 49.11±7.58 aA 平均 87.78±15.43 B 157.32±42.34 B 2.17±0.27 B 37.55±6.67 A 说明：小写字母表示不同竹龄间差异显著(P＜0.05)，大写字母表示不同部位间差异显著(P＜0.05)
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表 3 黄甜竹不同部位各营养元素的积累量
Table 3. Accumulation of nutrient elements in different parts of A. edulis
部位 N/
(kg·hm−2)P/
(kg·hm−2)K/
(kg·hm−2)Ca/
(kg·hm−2)Mg/
(kg·hm−2)Cu/
(kg·hm−2)Zn/
(kg·hm−2)Fe/
(kg·hm−2)Mn/
(kg·hm−2)合计/
(kg·hm−2)叶 212.18 8.00 50.37 47.00 10.19 0.04 0.25 1.27 3.72 333.01 枝 126.98 3.90 25.22 5.87 1.47 0.03 0.28 0.69 1.85 166.29 秆 417.91 27.21 191.10 27.34 11.50 0.09 1.61 3.68 6.95 687.38 合计 757.06 39.11 266.69 80.21 23.16 0.16 2.14 5.63 12.52 1 186.69
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