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磷是森林生态系统中重要的限制营养元素，参与生物体的各种代谢，其有效性在植物净初级生产力和微生物活性中起着重要作用[1]。为研究土壤磷的有效性，一般将磷分为无机磷和有机磷两大类，利用不同的化学提取液对土壤磷进行分级[2]。植物根系结合微生物利用一系列机制增加土壤磷的有效性[3]，传统的化学分级方法没有充分反映植物根系和微生物介导磷转化过程。基于此，DELUCA等[4]提出了基于生物有效性的磷分级方法(biologically based phosphorus method，BBP法)，定义了4种形式的生物可利用土壤磷组分，分别为用氯化钙提取的根系拦截和扩散的可溶性无机磷(CaCl2-P)，用柠檬酸盐提取的吸附在黏土颗粒上或弱结合在无机沉淀物上的活性无机磷(Citrate-P)，用酶提取被酸性磷酸酶和植酸酶水解的有机磷(Enzyme-P)，用盐酸提取被植物和微生物产生的具有可溶性的活性无机磷质子(HCl-P)。该方法考虑到土壤根际与微生物分泌活化的磷表征磷组分[5]，有助于深入理解生态系统内驱动磷转化的生物学机制。
由于人为排放的活性氮含量增加，大气氮沉降加剧[6]。中国亚热带地区是氮沉降最严重的地区之一，在过去30 a里氮沉降量的增幅约60%[7-8]。相关研究表明：长期高强度氮输入会改变土壤微生物生物量和活性，增加土壤酸性磷酸酶活性，从而影响土壤磷循环过程[9-11]。因此，在氮沉降背景下维持有效磷的供应来满足较高森林生产力已成为重要问题。毛竹Phyllostachys edulis是东亚和东南亚地区广泛栽植的竹种[12]，在中国面积为467.78万 hm2，占全国竹林面积的72.96%，是重要的森林资源，在缓解气候变化方面具有重要的潜力[7, 13-14]。毛竹是无性繁殖植物，由复杂的地下根鞭上的笋芽发育而成[15]，地下根系生物量占地上生物量的30%~50%，远高于其他类型森林生态系统[7, 16]。因此，毛竹林土壤磷循环尤其是生物有效磷组分极有可能与其他森林不同。毛竹主要分布在中国亚热带地区，其氮沉降量已经达30 kg·hm−2·a−1 [17]。LI等[11]研究发现：氮添加增加了毛竹林凋落物量、磷归还量、土壤酸化、土壤微生物生物量磷和有效磷，但降低了叶片磷养分吸收率和丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)侵染率[18]，而氮沉降对毛竹土壤磷组分的研究还未见报道，制约了对大气氮沉降增强背景下毛竹林生产力响应机制的认识。本研究拟在不同氮添加强度处理下，分析毛竹林土壤不同深度磷组分的含量及其影响因素，量化各组分对土壤有效磷的贡献程度，为改进毛竹林经营管理措施、提升毛竹林生产力提供科学依据。
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样地位于浙江省杭州市临安区青山湖街道。该地区属于亚热带季风气候，年均气温为15.6 ℃，年均降水量为1 420 mm，年均日照时数为1 847 h，年均无霜期约230 d，地形地貌为低山丘陵，海拔为100~300 m，土壤类型属于黄土壤[19]。
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2012年11月在样地内设立了12个20 m×20 m的典型样地，并在样地间设置了20 m的缓冲隔离区以避免附近地块的干扰。以当地平均大气氮沉降速率约30 kg·hm−2·a−2和年平均铵态氮/硝态氮比值(NH4 +/NO3 −)1.28为依据，以硝酸铵(NH4NO3)为氮源[17]，设置了4个氮沉降处理水平，分别为对照(0 kg·hm−2·a−1，N0)、低氮(30 kg·hm−2·a−1，N30)、中氮(60 kg·hm−2·a−1，N60)和高氮(90 kg·hm−2·a−1，N90)，每个处理重复3次。从2013年1月开始每月初配置对应样地所需质量的NH4NO3溶于10 L水中，使用电动喷雾器将配好的溶液均匀地喷洒在每个样地上，1 a进行12次等量的喷洒，同时在对照组内采用同样的方法喷洒10 L水，避免加水对试验的影响。受新冠病毒疫情影响，样地从2020年1月起停止喷氮。
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2020年8月，在每个样地内随机选取5个点，去除土壤上层凋落物，使用土钻对各处理样地的土壤分为表层(0~20 cm)和深层(20~40 cm)进行采样，将各土层的土样均匀混合，装入无菌袋后放入4 ℃便携式恒温箱中带回实验室。带回后立即对土壤进行预处理，剔除其中的石块、根系等杂物后，过2 mm土筛，将土样分为3份，分别作自然风干及储存于4 ℃和−20 ℃冰箱内低温保存处理。
土壤pH采用PHS-3C酸度计测定，土壤有机碳和土壤全氮通过碳氮元素分析仪测定，土壤全磷采用高氯酸-硫酸(HClO4-H2SO4)法测定，土壤有效磷采用0.5 mol·L−1 碳酸氢钠(NaHCO3)浸提，钼蓝比色法测定。土壤微生物生物量磷采用0.5 mol·L−1 NaHCO3作为土壤浸提剂的氯仿熏蒸浸提法[20]。土壤酸性磷酸酶活性采用对硝基苯磷酸二钠比色法测定[21]。
基于生物有效性的土壤磷分级测定采用DELUCA等[4]提出的BBP方法。分别称取0.5 g土壤加入4个15 mL离心管，分别平行加10 mL提取液，其中0.01 mol·L−1 CaCl2提取液用于提取CaCl2-P，10 mmol·L−1柠檬酸提取液用于提取Citrate-P，0.02×16.67 μkat·L−1酶提取液用于提取Enzyme-P，1 mol·L−1盐酸提取液用于提取HCl-P，震荡3 h，离心提取上清液。所有提取液稀释并采用孔雀石绿法测定磷质量分数[22]。
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采用可重复双因素方差分析(two-way ANOVA)探讨氮添加和土壤深度及两者的交互作用对磷组分和土壤理化性质的影响。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)探讨不同氮添加处理间土壤理化性质和磷组分差异，利用Pearson相关系数分析土壤磷组分与土壤理化性质的相关性。采用SPSS 25.0软件完成数据分析，所有数据为平均值±标准差。
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可重复双因素方差分析(表1)表明：除总磷外，氮添加、土壤深度及两者复合作用均显著影响了土壤理化性质(P＜0.05)。由表2可知：与对照组相比，表层土壤中，氮添加显著降低了pH (P＜0.05)，降幅为5.2%~6.2%，显著增加了表层土壤中的全磷、有效磷和微生物生物量磷质量分数及酸性磷酸酶活性(P＜0.05)，增幅分别为14.3%~23.8%、62.4%~197.8%、100.1%~229.1%和47.9%~79.2%；添加低氮和高氮显著增加了表层土壤有机碳质量分数(P＜0.05)，增幅分别为27.2%和4.7%；添加中氮显著降低了表层土壤有机碳质量分数 (P＜0.05)，降幅为3.9%。在深层土壤中，氮添加显著降低了土壤pH和有机碳质量分数(P＜0.05)，降幅分别为6.2%~11.6%和9.3%~33.3%；显著增加了土壤全磷、有效磷和微生物生物量磷质量分数及酸性磷酸酶活性 (P＜0.05)，增幅分别为26.5%~40.8%、36.4%~175.5%、34.3%~59.3%、23.7%~76.3%。在对照组和氮添加处理下，深层土壤中的pH显著高于表层土壤(P＜0.05)，高3.5%~10.7%，而有机碳质量分数、有效磷质量分数和酸性磷酸酶活性显著低于表层土壤(P＜0.05)，分别低49.6%~185.3%、320.9%~819.3%、26.3%~46.8%。深层土壤全磷质量分数在低氮和中氮添加下分别显著提高了32.7%和29.2% (P＜0.05)，微生物生物量磷质量分数在中氮添加下显著增加了20.2% (P＜0.05)，在高氮添加下显著降低了23.7% (P＜0.05)。
表 1 氮添加和土壤深度及其交互作用对土壤磷组分质量分数和理化性质的双因素方差分析
Table 1. Two-way ANOVA about the effects of N addition, soil depth and their interactions on the concentrations of P fraction content and soil physicochemical properties
项目 氮添加 土壤深度 氮添加×土壤深度 F η2 F η2 F η2 pH 79.76** 0.93 253.45** 0.94 12.09** 0.69 SOC 82.37** 0.94 603.42** 0.99 41.48** 0.89 TN 105.50** 0.95 213.81** 0.99 7.46* 0.58 TP 81.43** 0.94 68.09** 0.81 0.38 0.07 AP 87.08** 0.94 101.26** 0.95 82.86** 0.94 MBP 452.98** 0.98 60.66** 0.79 182.38** 0.97 ACP 512.74** 0.99 124.97** 0.94 22.77** 0.63 CaCl2-P 24.50** 0.82 8.26* 0.34 1.59 0.23 Citrate-P 118.65** 0.93 65.89** 0.92 39.42** 0.84 Enzyme-P 30.23** 0.65 8.13* 0.60 9.02* 0.63 HCl-P 574.53** 0.99 86.86** 0.94 81.68** 0.94 说明：pH指酸碱度；SOC指有机碳；TN指总氮；TP指总磷；AP指有效磷；MBP指土壤微生物生物量磷；ACP指酸性磷酸酶活性； η2指方差分析中的效应量。*P＜0.05；**P＜0.01 表 2 氮添加对表层和深层土壤理化性质的影响
Table 2. Soil physical and chemical properties of topsoil and subsoil under N addition treatments
土壤深度/cm 处理 pH SOC/(g·kg−1) TN/(g·kg−1) TP/(g·kg−1) AP/(mg·kg−1) MBP/(mg· kg−1) ACP/
(μmol·g−1·h−1)0~20 N0 4.20±0.07 aB 24.31±0.29 cA 2.29±0.09 aA 0.42±0.01 cA 4.63±0.09 dA 7.26±0.31 cB 0.48±0.02 dA N30 3.98±0.03 bB 30.93±0.16 aA 1.80±0.04 cA 0.52±0.01 aB 13.79±0.04 aA 14.53±0.16 bA 0.71±0.02 cA N60 3.97±0.06 bA 23.35±0.08 dA 2.10±0.01 bA 0.48±0.02 bB 7.52±0.03 cA 14.52±0.17 bB 0.79±0.01 bA N90 3.94±0.03 bB 25.45±0.50 bA 2.08±0.08 bA 0.52±0.01 aA 8.87±0.09 bA 23.89±0.67 aA 0.86±0.02 aA 20~40 N0 4.65±0.03 aA 16.25±0.05 aB 1.42±0.02 aB 0.49±0.02 cA 1.10±0.05 dB 11.44±0.34 dA 0.38±0.01 dB N30 4.36±0.05 bA 10.84±0.08 dB 0.96±0.01 dB 0.69±0.01 aA 1.50±0.05 cB 15.36±0.30 cA 0.47±0.04 cB N60 4.11±0.06 cA 14.74±0.31 bB 1.25±0.03 bB 0.62±0.01 bA 1.93±0.01 bB 17.45±0.50 bA 0.55±0.01 bB N90 4.21±0.03 cA 12.33±0.10 cB 1.01±0.01 cB 0.48±0.01 cA 3.03±0.04 aB 18.22±0.25 aB 0.67±0.11 aB 说明：不同小写字母表示在同一土壤深度处理下不同氮添加处理间差异显著(P＜0.05)；不同大写字母表示同一氮添加处理下不同土 壤深度间差异显著(P＜0.05) -
可重复双因素方差分析(表1)表明：氮添加和土壤深度及其复合作用，除CaCl2-P外，对其他几种生物有效性磷组分质量分数均具有显著影响(P＜0.05)。图1显示：氮添加显著增加了基于生物有效性的土壤磷组分质量分数(P＜0.05)。在表层土壤中，与对照组相比，低氮显著增加了CaCl2-P和Citrate-P质量分数(P＜0.05)，增幅分别为28.5%和43.5%；中氮显著增加了CaCl2-P、Enzyme-P和HCl-P质量分数(P＜0.05)，增幅分别为39.7%、32.4%和101.0%；高氮显著增加了CaCl2-P和HCl-P质量分数(P＜0.05)，增幅分别为63.3%和155.2%。在深层土壤中，与对照组相比，低氮显著增加了CaCl2-P和Enzyme-P质量分数(P＜0.05)，增幅分别为33.6%和33.6%；中氮显著增加了CaCl2-P质量分数(P＜0.05)，增幅为44.3%，而显著降低了Citrate-P质量分数(P＜0.05)，降幅为24.3%；高氮显著增加了CaCl2-P和Enzyme-P质量分数(P＜0.05)，增幅分别为58.6%和33.6%；氮添加对HCl-P质量分数无显著影响，HCl-P质量分数随土壤深度的增加显著降低。在中氮处理下，Citrate-P和Enzyme-P质量分数随土壤深度的增加显著降低。
图 1 不同氮添加对不同深度土壤磷组分质量分数的影响
Figure 1. Soil P fraction content in different soil depth and N addition treatments
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相关性结果(表3)表明：表层土壤有效磷与各磷组分均呈显著正相关(P＜0.05)，其中有效磷质量分数与Citrate-P质量分数的相关性最高(r=0.696)，与Enzyme-P (r=0.522)和HCl-P (r=0.417)次之，与CaCl2-P最低(r=0.375)；深层土壤有效磷与Enzyme-P呈显著正相关(P＜0.01，r=0.711)。
表 3 不同土壤深度磷组分与有效磷之间的相关关系
Table 3. Correlation coefficients between P components and available P in different soil depth
项目 土壤深度/cm CaCl2-P Citrate-P Enzyme-P HCl-P AP 0~20 0.375* 0.696** 0.522** 0.417* 20~40 0.286 −0.151 0.711** −0.493 说明：*P＜0.05；**P＜0.01 由图2~5可见：土壤pH与CaCl2-P(P＜0.01)、Enzyme-P (P＜0.05)和HCl-P (P＜0.01)呈显著负相关，土壤酸性磷酸酶活性与CaCl2-P、Enzyme-P和HCl-P呈显著正相关(P＜0.01)，土壤微生物生物量磷与CaCl2-P呈显著正相关(P＜0.01)，土壤有机碳与Citrate-P (P＜0.01)和HCl-P (P＜0.05)呈显著正相关。土壤pH和酸性磷酸酶活性对CaCl2-P (P＜0.01)的影响更为显著。土壤有机碳对Citrate-P (P＜0.01)的影响更为显著。
图 2 不同磷组分与土壤pH的相关性
Figure 2. Relationship between different P fraction and soil pH
图 3 不同磷组分与土壤酸性磷酸酶的相关性
Figure 3. Relationship between different P fraction and soil acid phosphate
图 4 不同磷组分与土壤微生物生物量磷的相关性
Figure 4. Relationship between different P fraction and soil microbial biomass phosphorus
图 5 不同磷组分与土壤有机碳的相关性
Figure 5. Relationship between different P fraction and soil organic carbon
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本研究中，除深层土壤中HCl-P质量分数外，氮添加显著增加了各土层生物有效性磷质量分数。主要原因是氮添加导致了植物和土壤中氮磷摩尔比远小于陆地生态系统中的氮磷摩尔比[23]。在表层和深层土壤中，所有水平的氮添加显著增加了CaCl2-P质量分数，原因可能是氮添加增加了毛竹林根系生物量[7]，增加了根系对无机磷的拦截，从而提高了土壤中CaCl2-P质量分数。在表层土壤中，Citrate-P质量分数仅在低氮处理下显著增加，而在中氮和高氮处理下无显著变化，原因是中、高氮处理下土壤中铵态氮和硝态氮离子含量显著提高，促使土壤中离子达到饱和状态[24]，从而抑制了根系分泌的有机酸对磷的活化作用。中、高氮添加处理提高了Enzyme-P和HCl-P质量分数，这是由于中、高氮处理显著增加了酸性磷酸酶(ACP)活性，降低了土壤pH。相关性分析也表明：Enzyme-P和HCl-P质量分数与土壤pH呈显著负相关，而与ACP呈显著正相关，支持了上述观点。在深层土壤中，所有水平的氮添加均显著增加了Enzyme-P质量分数，但对HCl-P质量分数无显著影响，表明氮添加促进了深层土壤中的有机磷转化，而对中等无机磷转化无显著影响。在对照和氮添加处理下，表层土壤中各磷组分的质量分数高于深层土壤，尤其是HCl-P质量分数。这可能是因为毛竹林表层土壤中根系生物量和微生物量高于深层土壤，高的根系和微生物量和活性加剧了土壤磷的转化，从而增加了土壤生物有效磷质量分数。陈红等[25]研究发现：毛竹表层土壤(0~20 cm)的根系生物量是深层土壤(20~40 cm)的2.35倍，且毛竹土壤微生物生物量随土壤深度的增加而减少[26]，支持了上述观点。因此表层土壤会提供更多的生物有效磷。
对照及其氮添加处理下的4种磷组分质量分数由高到低依次是HCl-P、Citrate-P、CaCl2-P、Enzyme-P，氮添加未改变4种磷组分质量分数分布模式，表明土壤生物有效性磷主要以无机形式存在，不会受氮添加的影响。表层土壤中有效磷与所有磷组分间均有显著的正相关关系，与Citrate-P的相关系数最大，与Enzyme-P的相关系数次之，表明毛竹林表层土壤中的有效磷主要来自于有机酸活化释放的无机磷。在农田生态系统中也发现Citrate-P的贡献最大[27]。深层土壤中有效磷仅与Enzyme-P呈显著正相关，表明毛竹林深层土壤有机磷库的酶矿化显著影响了有效磷，DODD等[28]研究发现：土壤有机磷库矿化直接转化为有效磷，影响了有效磷的水平。
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土壤pH显著影响土壤磷组分，但影响程度和方向有所不同[29]。本研究发现：土壤pH与土壤磷组分质量分数呈显著负相关，这与DELUCA等[4]的大尺度研究结果相反。氮添加导致土壤pH显著降低，土壤pH降低会加速土壤有机磷的矿化，从而增加有效磷质量分数[30]。有研究表明：酸性土壤中磷的有效性与铁、铝参与的化学过程密切相关，土壤有效磷增加会和可交换铝离子(Al3+)和铁离子(Fe3+)结合形成稳定的磷[31]。短时间内由于土壤磷限制，这些可利用磷会被植物和土壤中微生物利用，但长期的氮添加可能使土壤中的Al3+和Fe3+吸附和固定作用降低[32]，从而导致土壤生物有效性磷的质量分数降低。因此，需要加强土壤pH与土壤磷组分关系的研究。
微生物在土壤磷的转化过程中起着重要作用[33-34]。土壤微生物是土壤生态环境中最为重要且对环境变化极其敏感的生物活性因子[35]。施氮会影响土壤微生物活动，DENG等[36]研究表明：低水平的氮添加促进微生物生长，而当氮添加的量超过饱和点后会对微生物生长表现出抑制作用。本研究发现：氮添加显著增加了土壤微生物生物量磷，从而增加了土壤的有效磷，主要原因是氮肥的成分硝酸铵中存在NH4 +，且土壤pH降低，都有助于微生物分解无机磷。土壤微生物生物量磷与CaCl2-P质量分数呈显著正相关，表明土壤磷与微生物显著相关。土壤微生物的代谢和活性还与土壤有机碳密切相关[37]。氮添加加快了土壤表层凋落物分解，叶凋落物生物量与土壤有机碳呈负相关[38]，从而导致土壤有机碳含量增加。土壤中有机碳含量的增加有助于形成更丰富活跃的土壤微生物群落，促进菌根的形成和无机活性质子的增加[39]，从而增加生物有效性磷含量。土壤有机碳作为微生物活动能量的主要来源[40]，它的增加还可以提高脲酶和磷酸酶等的活性[41]。土壤酸性磷酸酶是酸性土壤中参加磷矿化的重要酶类。酸性磷酸酶与CaCl2-P、Enzyme-P和HCl-P呈显著正相关。磷酸酶中的氮含量相对较高，在它们参与的反应过程中需要大量的氮，因此氮添加可以显著增加土壤酸性磷酸酶的产量和活性，从而提高磷的生物有效性[42-43]，减轻磷限制，有利于毛竹林生产力的提升[7]。
Effect of nitrogen addition on soil phosphorus fractions in the Phyllostachys edulis plantation
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摘要:
目的 了解氮输入对毛竹Phyllostachys edulis林土壤磷组分的影响及其转化机制，为实现毛竹林土壤磷的高效利用提供参考。 方法 以毛竹林为研究对象，设置4个氮添加梯度：0(对照)、30、60、90 kg·hm−2·a−1，利用生物有效磷分级方法测定表层土壤(0~20 cm)和深层土壤(20~40 cm)中的磷组分包括可溶性无机磷(CaCl2-P)、活性无机磷(Citrate-P)、酶水解有机磷(Enzyme-P)和可溶性活性无机磷质子(HCl-P)质量分数，探讨氮添加对毛竹林土壤磷组分的影响及其与土壤有效磷和理化性质的关系。 结果 与对照相比，氮添加显著(P＜0.05)增加了所有土层土壤中的CaCl2-P质量分数(28.5%~63.3%)和深层土壤中Enzyme-P质量分数(16.3%~33.6%)，而对深层土壤中HCl-P质量分数无显著影响(P＞0.05)。低氮处理显著(P＜0.05)增加了表层土壤中Citrate-P质量分数(43.5%)，中高氮处理显著(P＜0.05)增加了表层土壤中HCl-P质量分数(101.0%~155.2%)。在对照和氮添加处理中，表层土壤中的不同磷组分质量分数均显著(P＜0.05)高于深层土壤。表层土壤中不同磷组分均与有效磷呈显著正相关(P＜0.05)，而深层土壤中仅Enzyme-P与有效磷呈显著正相关(P＜0.01)。氮添加通过降低土壤pH，增加土壤有机碳、微生物生物量磷和酸性磷酸酶活性，促进了土壤不同磷组分向土壤有效磷的转化。 结论 氮添加提高了毛竹林土壤磷的生物有效性，为全球变化背景下毛竹林高效经营提供了科学参考。图5表3参43 Abstract:Objective This paper aims to understand the effect of nitrogen (N) input on soil phosphorus (P) fraction and its transformation mechanism in moso bamboo (Phyllostachys edulis) plantation, so as to provide a reference for achieving efficient use of soil phosphorus in moso bamboo plantation. Method Moso bamboo plantation were used as research subjects, four N addition gradients (0, 30, 60, 90 kg·hm−2·a−1) were set and the bioavailable P method was used to determine P fractions (CaCl2-P, Citrate-P, Enzyme-P and HCl-P) in the topsoil (0−20 cm) and subsoil (20−40 cm). The effect of N input on P fraction of moso bamboo plantation and its relationship with available P and soil physicochemical properties were explored. Result Compared to the control group, nitrogen addition significantly increased CaCl2-P content (28.5%−63.3%) in all soil layers and Enzyme-P content (16.3%−33.6%) in the subsoil, and had no significant effect on the HCl-P content in the subsoil. Low N treatment significantly increased the Citrate-P content (43.5%) in the topsoil and the medium to high N treatment significantly increased the HCl-P content in the topsoil (101.0%−155.2%). In both the control and N addition treatments, the different phosphorus fractions were significantly higher in the topsoil than in the subsoil. Each soil P fractions in the topsoil were significantly and positively correlated with available P (P＜0.05). Enzyme-P in the subsoil was only significantly and positively correlated with available P (P＜0.01). N addition accelerated the conversion of soil bioavailable P to available P by decreasing soil pH, increasing soil organic carbon, microbial biomass phosphorus, acid phosphatase activity. Conclusion The input of N increased the bioavailability of soil phosphorus in moso bamboo plantation, which could provide scientific reference for efficient management of moso bamboo plantation in the context of global change. [Ch, 5 fig. 3 tab. 43 ref.] -
Key words:
- nitrogen input /
- bioavailable phosphorus /
- Phyllostachys edulis /
- soil microorganisms /
- acid phosphatase
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水分和养分是影响植物生长发育的两大重要因素。水分是植株输送营养的必要条件，养分只有溶解在水中才能被植物吸收，水分状况在很大程度上决定着肥料的有效性、吸收量和利用率[1-3]。在农林生产中，经常通过灌溉或施肥来改善植物的生长状况，但施用过多会造成水资源和肥料浪费，严重时还会导致水体富营养化、土壤盐渍化等环境问题[4]。水肥耦合可以提高水分和肥料的利用效率，还能调节苗木的生理生长过程，达到节水节肥、促进苗木生长的目的[5]。对花椒Zanthoxylum bungeanum[6]和楸树Catalpa bungei[7]进行水肥研究发现：适宜的水肥耦合条件能够促进幼苗生长和养分吸收利用，能显著提高苗木生物量。栓皮栎Quercus variabilis是壳斗科Fagaceae栎属Quercus落叶乔木，是中国温带、暖温带和亚热带地区森林植被的优势树种，是生产木材、软木、栲胶、薪炭、食用菌等的主要原料，也是发展燃料乙醇重要的“非粮”原料[8]，具有很高的经济价值。作为提供大径级无节良材的珍贵乡土树种，栓皮栎在中国水源涵养、水土保持、改善生态环境方面发挥重要的作用[9-10]。栓皮栎在天然林中种群更新困难，育苗成活率低，苗木质量不高，因此深入开展栓皮栎水肥需求规律的研究，对于提高出圃栓皮栎苗木质量具有重要意义。目前，关于栓皮栎苗期水肥需求的研究，主要涉及水分和氮肥单因素及交互效应对苗木生长和养分状况的影响[11-13]。磷、钾肥对植物的生长同样具有重要作用，是植物必需的营养元素之一[7]，但磷、钾元素如何影响栓皮栎苗木生长的研究尚未有相关报道，且有关水肥交互效应如何影响苗高、地径、根系生物量等重要苗木质量指标的研究较少，无法制定精准的灌溉施肥制度。本研究以栓皮栎当年生幼苗为研究对象，采用4因素5水平二次回归通用旋转组合设计进行盆栽试验，通过水肥耦合处理对苗木生长指标的测定，建立其与土壤水分、施氮量、施磷量、施钾量的回归模型，探讨栓皮栎生长对水肥耦合的响应规律，重点探究各生长指标的水肥耦合交互效应，确立最佳水肥组合，以期为栓皮栎苗期的水分管理和合理施肥提供理论依据。
1. 样地概况及研究材料
1.1 样地概况
于2018年4−11月在中国林业科学研究院科研温室(40°00′10″N，116°14′38″E)中进行试验。海拔61 m，研究期间平均气温为24.0 ℃，夜间气温不低于10.0 ℃，白天气温不高于30.0 ℃，光合光子照度为200~1 000 μmol·m−2·s−1，湿度为60%~70%。
1.2 研究材料
2017年9−10月，于河南林州随机选取50株健康栓皮栎母树，母树间距不小于20 m，采集到的种子用60 ℃温水持续浸泡2 h杀虫处理后置于阴凉处阴干。对种子进行筛选、消毒，将成熟种子进行沙藏储存。2018年4月挑选已发芽的栓皮栎种子断根并播种，种子播在花盆(内径10 cm，高20 cm)内，培养基质为V(泥炭土)∶V(珍珠岩)=5∶3，基质容重为0.28 g·cm−3，田间持水量18.5%，pH 6.05，速效氮、速效磷、速效钾质量分数分别为74.67、27.17、11.63 mg·kg−1。
种子播种后到幼苗出苗整齐，统一采用上方喷灌，每天喷水1次，使基质保持湿润。出苗后每隔1周喷洒质量浓度为0.1%的50%多菌灵可湿性粉剂。在培育过程中，采用自然光，所有苗木每周进行1次位置轮换，以减少边缘效应。待5月中旬出苗整齐后开始进行试验，试验处理前测定苗木平均高度和地径分别为16.8 cm和2.09 mm。肥料选用氮肥(尿素，含质量分数为46%的氮)、磷肥(磷酸二氢钠，含质量分数为26%磷)、钾肥(硫酸钾，含质量分数为50%钾)。
2. 研究方法
2.1 试验设计
采用4因素5水平二次回归通用旋转设计(RCCD)，共30个处理。各试验因素和水平编码值见表1，试验结构矩阵见表2。土壤含水率上限设为田间持水量。采用FOM/mts便携式土壤湿度、温度和盐度计测量土壤水分，同时结合称量法进行校正。3 d测定1次土壤含水率，测定时将传感器的探针插入基质中进行测定，得到体积含水量，根据土壤容重，经换算得到质量含水率，测得土壤含水率(占田间持水量的比例)低于下限则灌水。灌水量(mL)=[(田间持水量−土壤含水率)/容重]×盆土质量/水的密度。于5月底到7月底，7 d施氮肥1次，共10次，15 d施1次磷肥和钾肥，共5次[13]。每次施肥量固定，对苗木进行水分补充时将肥料溶于水中施入。此期间为栓皮栎苗木的速生期，水溶肥少量多施，符合植物根系不间断吸收养分的特点，以减少一次性大量施肥造成肥料损失。
表 1 试验因素和水平编码值Table 1 Coded and physical values of experimental factors编码水平 土壤含水
率/%施氮量/
(mg·株−1)施磷量/
(mg·株−1)施钾量/
(mg·株−1)−2.0 40 0 0 0 −1.0 50 75.0 15.0 15.0 0 60 150.0 30.0 30.0 1.0 70 225.0 45.0 45.0 2.0 80 300.0 60.0 60.0 表 2 结构矩阵和各处理栓皮栎苗木生长情况Table 2 Experimental design matrix and growth of Q. variabilis seedlings under different treatments处理 x1 x2 x3 x4 苗高/cm 地径/mm 根干质量/g 生物量/g 叶面积/cm2 1 −1.0 −1.0 −1.0 −1.0 31.97±0.56 h 3.46±0.11 cd 3.45±0.03 k 6.69±0.18 de 291.93±3.41 g 2 1.0 −1.0 −1.0 −1.0 38.80±0.85 cd 3.82±0.20 bc 4.57±0.02 e 8.53±0.25 bc 364.24±7.36 de 3 −1.0 1.0 −1.0 −1.0 30.07±0.75 i 3.92±0.10 bc 3.84±0.03 i 6.90±0.23 de 274.35±4.79 h 4 1.0 1.0 −1.0 −1.0 40.20±0.77 c 4.15±0.17 ab 5.21±0.04 b 9.71±0.12 b 397.33±10.49 c 5 −1.0 −1.0 1.0 −1.0 29.47±0.73 i 3.42±0.13 d 3.66±0.02 j 6.47±0.41 de 275.37±5.81 h 6 1.0 −1.0 1.0 −1.0 39.03±0.92 cd 3.93±0.19 bc 4.74±0.05 d 9.18±0.10 bc 370.65±7.67 de 7 −1.0 1.0 1.0 −1.0 30.92±0.64 hi 3.83±0.16 bc 4.10±0.03 h 7.33±0.18 cd 298.80±10.18 g 8 1.0 1.0 1.0 −1.0 42.27±0.98 b 4.24±0.20 ab 5.81±0.04 a 10.79±0.11a 426.75±13.37 b 9 −1.0 −1.0 −1.0 1.0 28.90±0.76 i 3.72±0.10 c 3.48±0.03 k 6.18±0.17 de 259.70±11.61 i 10 1.0 −1.0 −1.0 1.0 37.00±0.91 e 4.10±0.09 ab 4.56±0.05 e 8.65±0.11 bc 360.34±5.49 e 11 −1.0 1.0 −1.0 1.0 31.30±0.54 hi 3.66±0.13 cd 3.80±0.03 i 6.82±0.16 de 276.32±9.52 h 12 1.0 1.0 −1.0 1.0 39.33±0.85 cd 4.03±0.14 b 5.29±0.02 b 9.95±0.18 ab 390.31±6.27 cd 13 −1.0 −1.0 1.0 1.0 30.77±0.66 hi 3.61±0.11 cd 3.20±0.02 l 5.88±0.39 e 249.13±6.11 i 14 1.0 −1.0 1.0 1.0 38.97±0.82 cd 4.16±0.17 ab 4.67±0.04 d 8.94±0.11 bc 367.71±11.04 de 15 −1.0 1.0 1.0 1.0 30.77±0.60 hi 3.45±0.12 cd 3.78±0.01 i 6.96±0.45 de 294.75±8.29 g 16 1.0 1.0 1.0 1.0 44.57±0.95 a 4.04±0.20 b 5.75±0.03 a 10.99±0.12 a 445.03±13.33 a 17 −2.0 0 0 0 26.03±0.67 j 3.44±0.14 cd 2.60±0.06 m 4.85±0.35 e 245.46±5.69 i 18 2.0 0 0 0 43.13±0.99 b 4.34±0.26 a 5.72±0.05 a 10.69±0.35 ab 439.87±11.94 ab 19 0 −2.0 0 0 33.27±0.74 g 3.61±0.17 cd 3.77±0.04 i 7.10±0.19 c 272.22±7.48 hi 20 0 2.0 0 0 36.37±0.70 ef 3.82±0.15 bc 4.87±0.04 c 8.85±0.18 bc 339.81±8.12 f 21 0 0 −2.0 0 31.53±0.64 h 3.88±0.16 bc 4.13±0.04 h 7.48±0.18 c 327.63±4.80 f 22 0 0 2.0 0 33.97±0.77 g 3.91±0.19 bc 4.50±0.03 ef 8.30±0.20 bc 334.72±10.71 f 23 0 0 0 −2.0 35.50±0.81 f 3.92±0.17 bc 4.42±0.04 f 8.07±0.19 bc 335.99±10.88 f 24 0 0 0 2.0 36.33±0.58 ef 3.88±0.17 bc 4.30±0.03 g 7.95±0.31 c 330.40±12.97 f 25 0 0 0 0 37.87±0.89 de 4.00±0.22 bc 4.67±0.03 de 8.84±0.18 bc 376.50±9.18 d 26 0 0 0 0 36.77±0.69 ef 4.10±0.15 ab 4.45±0.04 f 8.44±0.20 c 356.43±4.59 e 27 0 0 0 0 38.53±0.78 d 4.05±0.12 b 4.80±0.03 cd 9.05±0.19 bc 397.25±4.30 c 28 0 0 0 0 39.33±0.82 cd 4.00±0.16 bc 4.70±0.03 d 8.82±0.19 bc 394.06±12.09 c 29 0 0 0 0 37.80±0.70 de 3.90±0.13 bc 4.87±0.04 c 9.09±0.21 bc 386.09±9.43 cd 30 0 0 0 0 39.77±0.81 cd 3.91±0.09 bc 4.70±0.04 d 8.85±0.17 bc 394.45±6.87 c 说明：x1、x2、x3、x4分别表示土壤含水率、施氮量、施磷量和施钾量的水平编码值；表中数值为平均值±标准误；不同小写字母代 表各处理间苗木苗高、地径和生物量在0.05水平上差异显著 2.2 指标测定与数据分析
2018年10月测量每处理苗木的苗高、地径，并对苗木进行破坏性取样。使用LI-3000(LI-COR Inc.，美国)测定叶面积，每处理测15株。随后将待测植株分成根、茎、叶，置于烘箱105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒量，称量。用Excel 365和SPSS 23.0进行数据整理，采用Design Expert 8.0.6与Matlab 2018建立模型并进行回归分析和回归系数显著性检验。各指标与土壤含水率和施肥量的回归分析采用如下模型：
$$\begin{split} y{\rm{ = }}&{b_0}{\rm{ + }}{b_1}{x_{\rm{1}}} + {b_2}{x_2} + {b_3}{x_3}{\rm{ + }}{b_4}{x_4} + {b_1}{b_2}{x_1}{x_2} + {b_1}{b_3}{x_1}{x_3}{\rm{ + }}{b_1}{b_4}{x_1}{x_4} + {b_2}{b_3}{x_2}{x_3} + \\ & {b_2}{b_4}{x_2}{x_4} + {b_3}{b_4}{x_3}{x_4} + {b_{11}}{x_1}^2 + {b_{22}}{x_2}^2 + {b_{33}}{x_3}^2 + {b_{44}}{x_4}^2 \text{。} \end{split} $$ 式(1)中：y表示响应变量，x1、x2、x3、x4分别表示土壤含水率、施氮量、施磷量和施钾量的水平编码值，b表示回归系数[14]。
3. 结果与分析
3.1 栓皮栎苗木生长情况分析
3.1.1 水肥耦合对栓皮栎苗木苗高、地径的影响
如表2所示：各处理苗木的苗高、地径的趋势总体一致，且存在显著差异(P＜0.05)。低水、低肥处理生长量相对较低，其中处理17苗高、地径、单株叶面积数值最低。高水、高氮处理生长量较大，其中处理8、处理16、处理18苗高为40.20~44.57 cm，处理4、处理8、处理18地径为4.15~4.34 mm。处理8、处理16、处理18的叶面积为426.75~445.03 cm2。总的来说，不同水肥配比对各指标的影响有一定差异，适宜的水肥配比可以促进苗木生长。
3.1.2 水肥耦合对栓皮栎苗木生物量的影响
如表2所示：各处理苗木总生物量间存在显著差异，低水、低氮肥的处理生物量较低，其中处理17生物量最低。高水、高氮肥处理生物量较大，其中处理12、处理8、处理16、处理18生物量为9.95~10.99 g，处理8、处理16、处理18的根系生物量为5.72~5.81 g。适宜的灌溉和施肥量对苗木生物量有促进作用，土壤水分含量过低，施肥水平过高或过低都可能抑制苗木生长。
3.2 回归分析
以栓皮栎苗木苗高、地径、叶面积、根干质量、总生物量为目标函数，土壤含水率、施氮量、施磷量和施钾量为自变量，运用方差分析和F-test对方程的可靠性和匹配程度进行检验，回归方程均为显著(P＜0.05)，R2为0.950 1~0.981 7，因此，模拟结果与实际情况拟合较好。剔除不显著的回归系数后，模型表达如下：
$${y_{\text{苗高}}} {\text{=}} 38{\rm{.34 \,+\, 4}}{\rm{.59}}{x_1} \,+\, 0.82{x_2} \,+\, 0.59{x_3} \,+\, 0.66{x_1}{x_2} + 0.61{x_1}{x_3} \,-\, 0.83{x_1}^2 \,-\, 0.70{x_2}^2 \,-\, 1.28{x_3}^2 - 0.49{x_4}^2\text{；}$$ (2) $${y_{\text{地径}}} {\text{=}} 3{\rm{.990 \,+\, 0}}{\rm{.220}}{x_{\rm{1}}} \,+\, 0.063{x_2}{\rm{ \,+\, }}0.046{x_1}{x_3} - 0.120{x_2}{x_4} \,-\, 0.026{x_1}^2 \,-\, 0.070{x_2}^2 \,-\, 0.026{x_3}^2 - 0.024{x_4}^2\text{；}$$ (3) $$ \begin{split} \!\!\!\!\!\!{y_{\text{叶面积}}}\,{\text{=}}\, &{\rm{ 384}}{\rm{.13 \,+\, 53}}{\rm{.78}}{x_1} \,+\, 16.66{x_2} \,+\, 5.33{x_3} \,+\, 8.03{x_1}{x_2} \,+\, 8.77{x_2}{x_3}\, -\, 9.42{x_1}^2 \,-\, 18.59{x_2}^2 \,-\, 12.30{x_3}^2 - \\ & 11.79{x_4}^2\text{；} \end{split} $$ (4) $$ \begin{split} {y_{\text{根干质量}}} {\text{=}} & 4{\rm{.700 + 0}}{\rm{.730}}{x_1} + 0.310{x_2} + 0.094{x_3} + 0.110{x_1}{x_2} + 0.074{x_1}{x_3} + 0.067{x_2}{x_3} - 0.120{x_1}^2 - 0.081{x_2}^2 - \\ & 0.083{x_3}^2 - 0.071{x_4}^2\text{；} \end{split} $$ (5) $$ \begin{split} {y_{\text{生物量}}} {\text{=}} & 8{\rm{.85 + 1}}{\rm{.47}}{x_1} \,+\, 0.52{x_2} \,+\, 0.20{x_3} \,+ \,0.21{x_1}{x_2}\, +\, 0.19{x_1}{x_3} + 0.12{x_1}{x_4} + 0.14{x_2}{x_3} - 0.23{x_1}^2 - 0.18{x_2}^2 -\\ & 0.20{x_3}^2 - 0.17{x_4}^2\text{。} \end{split} $$ (6) 式(2)~(6)中，y表示响应变量，x1、x2、x3、x4分别表示土壤含水率、施氮量、施磷量和施钾量的水平编码值。
3.2.1 主效应分析
土壤含水率、施氮量、施磷量对苗高、单株叶面积、根干质量、生物量有显著正效应，效应从高到低依次为土壤含水率、施氮量、施磷量；土壤含水率、施氮量对地径有显著正效应，且土壤含水率效应高于施氮量。施钾量对所有指标的效应不显著，施磷对地径无显著效应。此外，土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量对苗高有显著正交互效应，且后者大于前者；土壤含水率×施磷量对地径有显著正交互效应，施氮量×施钾量有显著负交互效应，且施氮量×施钾量的负效应大于土壤含水率×施磷量的正效应；土壤含水率×施氮量、施氮量×施磷量对单株叶面积有显著正交互效应，且后者大于前者；土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量、施氮量×施磷量、土壤含水率×施钾量对生物量有显著正交互效应，且从高到低依次为土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量、施氮量×施磷量、土壤含水率×施钾量；土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量、施氮量×施磷量根系生物量有显著正交互效应，且从高到低依次为土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量、施氮量×施磷量。土壤含水率和施氮量的交互效应对植物的生长影响更大。
3.2.2 单因素效应分析
为了更直观地分析水肥因素对生长的影响效应，对回归模型进行降维处理，分析各个因素对苗高、地径、单株叶面积、根干质量、生物量的单独效应。如图1所示：氮、磷和钾效应对各指标的影响均为抛物线形状，呈现出先增加后减小的变化趋势，符合“报酬递减”的规律，但各指标达到峰值时对应的土壤水分、施肥量因子不同。当土壤含水率达到一定程度(x1=1.0)时，增长速率减缓。5个指标均随着施氮量的增加而显著增加，当施氮量达到一定水平(x2=1.0)时，苗木的生长会受到抑制，开始出现下降的趋势。磷肥对各指标的影响趋势为先促进后抑制，x3=0.5时，开始对根系生长和总生物量产生抑制作用。在较低水平(x4=−0.5)的钾肥下5个指标均可达到最高值，且x4=2.0时比不施钾肥的苗木生长量和生物量更小。土壤水分对幼苗的生长影响更大，其次为氮肥。增加土壤水分和施肥量可以显著促进幼苗的生长和生物量的积累，但过度灌溉和施肥会限制幼苗生长。
图 1 土壤含水率、施氮量、施磷量、施钾量对栓皮栎苗高、地径、单株叶面积、根干质量、生物量单因素效应Figure 1 Monofactor effects of soil water content, N, P and K fertilizers on stem height, ground diameter, root weight, biomass, leaf area of Q. variabilis seedlings3.2.3 水肥耦合效应分析
根据各指标的回归方程，对其中效应显著的交互项做耦合效应分析。如图2所示：土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量对苗高有显著正效应。苗高随着土壤含水率和施氮量的增加而显著增加，当x1=−2.0、x2=1.5时，苗高达到最大，为45.79 cm。低水分条件下，低磷肥和高磷肥均不利于苗高生长，苗高随着水分和磷肥同时增加而增大，达到一定程度时增加速率减缓，当x1=2.0、x3=0.7时，苗高最大可达44.84 cm。土壤含水率×施磷量对地径有显著正效应。水分较低时，磷肥过高或者过低都会抑制地径生长。水分较高时，添加适量磷肥有利于地径生长，当x1=2.0、x3=1.6，地径可达4.40 mm。施氮量×施钾量对地径有显著负效应，氮肥和钾肥都较低时地径生长受到抑制，但随着氮肥的增加，添加少量钾肥可以促进地径的增加，随后继续添加钾肥会对地径产生显著的抑制作用。
图 2 水肥耦合对栓皮栎苗木苗高、地径、叶面积、根干质量的影响Figure 2 Coupling effects of water and fertilizeron stem height, ground diameter, leaf area, root weight of Q. variabilis seedlings如图2所示：土壤含水率×施氮量、施氮量×施磷量对叶面积有显著正效应。单株叶面积随着水分和氮肥的增加而逐渐增大，当x1=2.0、x2=0.9时，单株叶面积达到最大为467.00 cm2。氮肥和磷肥的交互效应相比水氮交互效应小，且随着氮肥和磷肥的增加，单株叶面积先增加后降低，当x2=0.5、x3=0.4时，单株叶面积最大达到390.00 cm2。
如图2所示：土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量、施氮量×施磷量对根干质量有显著正效应。随着水分和氮肥的同时增加，根干质量逐渐增大，水分较氮肥的影响更大，当x1=2.0、x2=2.0时，根干质量达到最大为6.40 g。水磷交互作用较水氮交互作用小，随着磷肥和水分的增加，根干质量逐渐增大，当x1=2.0、x3=1.2时，根干质量可达最大，为5.80 g。肥料之间的交互作用较水分和肥料的交互作用小，氮肥和磷肥均处于较低水平时根干质量较小，随着施肥量的增加，根干质量呈现出先增大后减小的趋势，当x2=1.3、x3=1.0时，根干质量可达最大为5.10 g。
如图3所示：土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量、土壤含水率×施钾量、施氮量×施磷量对苗木生物量有显著正效应。低水分和氮肥苗木的生物量较小，随着水分和氮肥的增加，生物量逐渐增大，当x1=2.0、x2=2.0时，植株生物量可达到11.95 g。低磷肥和高磷肥均能抑制苗木生长，随着水分和磷肥的增加，生物量呈现先增加后减小的变化趋势，直到x1=1.9、x3=1.4，生物量可以达到11.20 g。低钾肥和高钾肥均会抑制苗木生长，且在低水和高钾肥的条件下生物量较小，当x1=2.0、x4=0.5时，生物量最高可达10.88 g。氮和磷肥的交互作用相对水肥交互作用的影响小，且生物量随施氮量和施磷量的增加先增大后减小；在低水分条件下，过高的磷、钾肥比低磷、钾肥更易对生物量产生抑制作用，当x2=1.7、x3=1.0时，生物量达到最大为9.43 g。适宜的水肥比有利于苗木生长和生物量的积累。
图 3 水肥耦合对栓皮栎苗木生物量的影响Figure 3 Coupling effects of water and fertilizer on biomass of Q. variabilis seedlings3.2.4 模型寻优
综合各个指标进行多目标决策模型分析，在各因素取−2.0≤x≤2.0时，用计算机对模型进行模拟寻优，以寻求可促进栓皮栎生长量最大化的最佳水肥条件组合。得出当x1=1.9，x2=1.3，x3=0.8，x4=−0.9，即土壤含水率为79%，施氮量为215.3 mg·株−1，施磷量46.0 mg·株−1，施钾量为18.1 mg·株−1，苗木生长可达最优，苗高可达45.14 cm，地径达4.40 mm，根干质量达6.30 g，生物量达11.70 g，单株叶面积可达460.83 cm2。
4. 讨论
4.1 水分和施肥单因素效应对栓皮栎苗木生长和生物量的影响
土壤水分和养分(氮、磷、钾)是影响植物生长的重要因素且发挥着不同的作用[15-16]，并与植物生理生长紧密相关，对植物的生物量积累、光合作用、营养分配和根系生长有着显著影响[17]。本研究中水分、氮肥和磷肥对苗木生长有着显著影响，并且水分大于施氮量和施磷量的影响，这与之前研究结论类似[18-20]。本研究中测定的5个指标均随着土壤含水率的增加而快速增长，当土壤含水率达到一定程度(70%)时，增长速率减缓。5个指标均随着施氮量的增加而显著增加，当施氮量达到一定水平时(大于225.0 mg·株−1)，苗木生长减缓，各指标开始出现下降的趋势。磷肥大于45.0 mg·株−1，开始对苗木生物量产生抑制作用。5个指标均在较低水平的钾肥(22.5 mg·株−1)下达到最高值，但钾肥单因素影响较其他3个因素的影响不显著。这说明合理增施肥料可促进栓皮栎苗木生长发育，施肥量过高会导致土壤水分亏缺，此时再施加肥料会产生拮抗效应，引起水分胁迫，进而使苗木生长受阻。
4.2 水肥交互效应对栓皮栎苗木生长的影响
水分与肥料之间的互作效应对栓皮栎苗木的生长影响显著。在一定范围内，土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量能产生正向协同效应。高水分和高氮肥有利于栓皮栎的生长，这与杨自立[13]的研究结果不同，可能是因为样地条件和种源地不同而导致的苗木间的差异。然而，水氮交互能够显著影响其他树种的生长状况，如土壤含水率×施氮量对楸树苗高、地径、叶面积、生物量有显著正效应，土壤含水率×施磷量对楸树苗高有显著正效应[7]；土壤含水率×施氮量对尾巨桉Eucalyptus urophylla × E. grandis生物量具有显著正效应[21]。干旱环境中土壤养分会对植物生长产生互作影响，在水分亏缺的条件下，施肥可以提高植物的耐旱能力[22]，如通过氮磷等养分的施入可以补偿小麦Triticum aestivum水分亏缺产生的不良反应，使生长抑制现象得到一定缓解[23]。但也有研究表明，施肥会加剧植物生长后期的水分胁迫[24]。本研究中，土壤含水率×施磷量除叶面积外，对其他4个指标均有显著交互正效应，且在低水分条件下，添加高磷肥比低磷肥更能抑制苗木生长。土壤含水率×施钾量对生物量有正向协同效应，低水分条件下施加氮肥可促进生物量积累，过量施加钾肥会明显产生拮抗作用。较高水分条件下，施加高氮肥、磷肥可促进苗木生长、根生物量和总生物量增加，低钾肥可促进地径增加和生物量的积累。原因是土壤水分增加时，土壤中的有机氮会矿化为更利于植物吸收的铵态氮和硝态氮，让有机态磷矿化为植物可以吸收的无机态磷，并增强钾元素的移动性。而土壤水分缺乏时，各营养元素进入根部会受到影响，各组织中的元素比例会失调，进而植物生长受到抑制[25]。随着水分的增加，适宜的施肥量能够很快促进苗木生长，而养分过量和亏缺都会对植株生长造成伤害。MARIS等[26]研究表明：土壤水分能促进植物对养分的吸收，且在很大程度上决定着养分的吸收，土壤中的养分只有溶解在水中才能被植物吸收，充足的灌溉能显著提高养分吸收的有效性。
4.3 不同元素交互效应对栓皮栎苗木生长的影响
除不同肥料与水分之间存在交互效应外，不同肥料之间也存在交互效应。水曲柳Fraxinus mandschurica苗木在氮、磷供给失衡的情况下，不能调整氮磷营养资源，单株总生物量显著下降[27]。枣树Ziziphus jujuba施肥试验也表明：钾肥可促进氮肥的增产，但两者之间存在拮抗效应[28]。此外，在低氮肥条件下，少量的磷肥可使叶面积、根干质量和总生物量达到最大，再继续添加磷肥会对苗木生长产生抑制作用，这与徐有明等[29]对湿地松Pinus elliottii幼林研究的结论类似。在较高水平的氮肥下，适当添加磷肥可促进叶面积、根干质量和总生物量的增加。钾肥与氮肥交互对地径有负效应，即随着氮肥的增加，继续添加钾肥会对地径产生显著抑制效应。原因可能是栓皮栎幼苗对钾肥需求量较小，栓皮栎种子中所含的营养元素已经能够满足其当年生长过程对钾的需求，因此再施用钾肥不会对地径生长产生促进作用。有研究发现：钾肥能缓解氮肥过量所引起的有害作用[30]，这也可能是钾肥产生负效应的原因，但具体原因还有待进一步研究。由此可见，在栓皮栎苗期，应当给予苗木充足的水分，适宜的氮肥和磷肥，在此基础上施加少量钾肥即可满足苗木生长的需求。单一种类的肥料并不能满足苗木生长的需求，需要各种肥料混合以适当的配比进行使用，并供给苗期充足的水分，从而促进植物更好地吸收养分，提高苗木的生长量。
5. 结论
土壤水分和氮肥是影响栓皮栎苗木的主要因子，而土壤水分是限制苗木生长的最主要因素。高水和高氮肥可以促进苗木吸收磷和钾，总体而言钾肥对苗木的增产效应较小。因此，本研究综合考虑单因素以及因素之间的耦合效应，对模型进行多目标决策分析得到：栓皮栎苗木苗高、地径、单株叶面积、根干质量和生物量的最大值出现在高水(田间最大持水量的79%)，高氮肥(215.3 mg·株−1)，高磷肥(46.0 mg·株−1)，低钾肥(18.1 mg·株−1)的条件下。
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图 1 不同氮添加对不同深度土壤磷组分质量分数的影响
Figure 1 Soil P fraction content in different soil depth and N addition treatments
图 3 不同磷组分与土壤酸性磷酸酶的相关性
Figure 3 Relationship between different P fraction and soil acid phosphate
图 4 不同磷组分与土壤微生物生物量磷的相关性
Figure 4 Relationship between different P fraction and soil microbial biomass phosphorus
图 5 不同磷组分与土壤有机碳的相关性
Figure 5 Relationship between different P fraction and soil organic carbon
表 1 氮添加和土壤深度及其交互作用对土壤磷组分质量分数和理化性质的双因素方差分析
Table 1. Two-way ANOVA about the effects of N addition, soil depth and their interactions on the concentrations of P fraction content and soil physicochemical properties
项目 氮添加 土壤深度 氮添加×土壤深度 F η2 F η2 F η2 pH 79.76** 0.93 253.45** 0.94 12.09** 0.69 SOC 82.37** 0.94 603.42** 0.99 41.48** 0.89 TN 105.50** 0.95 213.81** 0.99 7.46* 0.58 TP 81.43** 0.94 68.09** 0.81 0.38 0.07 AP 87.08** 0.94 101.26** 0.95 82.86** 0.94 MBP 452.98** 0.98 60.66** 0.79 182.38** 0.97 ACP 512.74** 0.99 124.97** 0.94 22.77** 0.63 CaCl2-P 24.50** 0.82 8.26* 0.34 1.59 0.23 Citrate-P 118.65** 0.93 65.89** 0.92 39.42** 0.84 Enzyme-P 30.23** 0.65 8.13* 0.60 9.02* 0.63 HCl-P 574.53** 0.99 86.86** 0.94 81.68** 0.94 说明：pH指酸碱度；SOC指有机碳；TN指总氮；TP指总磷；AP指有效磷；MBP指土壤微生物生物量磷；ACP指酸性磷酸酶活性； η2指方差分析中的效应量。*P＜0.05；**P＜0.01 
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表 2 氮添加对表层和深层土壤理化性质的影响
Table 2. Soil physical and chemical properties of topsoil and subsoil under N addition treatments
土壤深度/cm 处理 pH SOC/(g·kg−1) TN/(g·kg−1) TP/(g·kg−1) AP/(mg·kg−1) MBP/(mg· kg−1) ACP/
(μmol·g−1·h−1)0~20 N0 4.20±0.07 aB 24.31±0.29 cA 2.29±0.09 aA 0.42±0.01 cA 4.63±0.09 dA 7.26±0.31 cB 0.48±0.02 dA N30 3.98±0.03 bB 30.93±0.16 aA 1.80±0.04 cA 0.52±0.01 aB 13.79±0.04 aA 14.53±0.16 bA 0.71±0.02 cA N60 3.97±0.06 bA 23.35±0.08 dA 2.10±0.01 bA 0.48±0.02 bB 7.52±0.03 cA 14.52±0.17 bB 0.79±0.01 bA N90 3.94±0.03 bB 25.45±0.50 bA 2.08±0.08 bA 0.52±0.01 aA 8.87±0.09 bA 23.89±0.67 aA 0.86±0.02 aA 20~40 N0 4.65±0.03 aA 16.25±0.05 aB 1.42±0.02 aB 0.49±0.02 cA 1.10±0.05 dB 11.44±0.34 dA 0.38±0.01 dB N30 4.36±0.05 bA 10.84±0.08 dB 0.96±0.01 dB 0.69±0.01 aA 1.50±0.05 cB 15.36±0.30 cA 0.47±0.04 cB N60 4.11±0.06 cA 14.74±0.31 bB 1.25±0.03 bB 0.62±0.01 bA 1.93±0.01 bB 17.45±0.50 bA 0.55±0.01 bB N90 4.21±0.03 cA 12.33±0.10 cB 1.01±0.01 cB 0.48±0.01 cA 3.03±0.04 aB 18.22±0.25 aB 0.67±0.11 aB 说明：不同小写字母表示在同一土壤深度处理下不同氮添加处理间差异显著(P＜0.05)；不同大写字母表示同一氮添加处理下不同土 壤深度间差异显著(P＜0.05)
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表 3 不同土壤深度磷组分与有效磷之间的相关关系
Table 3. Correlation coefficients between P components and available P in different soil depth
项目 土壤深度/cm CaCl2-P Citrate-P Enzyme-P HCl-P AP 0~20 0.375* 0.696** 0.522** 0.417* 20~40 0.286 −0.151 0.711** −0.493 说明：*P＜0.05；**P＜0.01
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https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.20220236
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