刺槐無(wú)性系速生豐產(chǎn)林施肥方案優(yōu)化研究

于振旭，李逸凡，秦光華，宋玉民，喬玉玲，馬 玲

（1山東省林業(yè)科學(xué)研究院，濟(jì)南250000；2濟(jì)南市花圃公園服務(wù)中心，濟(jì)南250000；3山東省國(guó)土空間數(shù)據(jù)和遙感技術(shù)中心，濟(jì)南250000）

0 引言

刺槐(Robinia pseudoacacia)原產(chǎn)于北美阿巴拉契亞山脈，18世紀(jì)末引入青島[1]。刺槐具有速生、耐干旱瘠薄、易于萌芽更新等特點(diǎn)[2]，是重要的用材、薪炭材和生態(tài)林造林樹(shù)種。刺槐根系發(fā)達(dá)，具有很強(qiáng)的生物固氮能力。據(jù)調(diào)查，1株4年生幼齡刺槐每年可固氮25.8 g，成齡刺槐林年固氮量可達(dá)35～75 kg/hm2[3-4]。刺槐對(duì)養(yǎng)分的吸收具有選擇性，能很快汲取瘠薄土壤中的P、K、Mg、Na、Ca等元素，雖對(duì)氮的吸收緩慢但生物固氮和落葉中的氮大量進(jìn)入土壤，因而對(duì)土壤具有改良作用[1]；刺槐從土壤中年吸收養(yǎng)分量以Ca最多，N次之，S最少，且隨樹(shù)齡增長(zhǎng)年吸收量增大，由幼樹(shù)到桿材期年吸收量約增加1倍，由桿材期到成熟期N、P、K、Mg年吸收量緩慢增加，而Ca、S的吸收量有所下降[5]。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于土壤養(yǎng)分被作物吸收，而作物產(chǎn)品大部分被人們所利用，田地養(yǎng)分逐漸不足，施肥成為提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量的一個(gè)重要手段[6]，但過(guò)量施肥導(dǎo)致肥料利用率降低，其中氮肥過(guò)量施肥尤為嚴(yán)重[7]。農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中通常以環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)的Coase原理和農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的邊際收益分析原理為依據(jù)指導(dǎo)氮肥施肥[8-9]。土壤中的磷除小部分來(lái)自干濕沉降外，大多數(shù)來(lái)自土壤母質(zhì)。土壤pH是影響土壤固磷作用的重要因子，以pH 6.5～6.8之間為宜；增加土壤有機(jī)質(zhì)含量和淹水可以提高土壤磷的有效性[7]；有研究認(rèn)為，深施有利于提高磷肥利用率[10]，施肥過(guò)淺導(dǎo)致玉米磷肥利用率低[11]。植物對(duì)土壤中鉀的利用主要依靠交換性鉀的釋放，干燥、灼燒和冰凍有利于提高土壤的釋鉀能力[7]，干旱年份植物的鉀素營(yíng)養(yǎng)水平提高[12]。

林地施肥試驗(yàn)最早記載于1847年的法國(guó)，人們利用草木灰、銨鹽和礦渣進(jìn)行林地施肥提高樹(shù)木生長(zhǎng)量。1930—1960年北美、日本和澳大利亞等進(jìn)行森林施肥試驗(yàn)[13]，20世紀(jì)60年代初芬蘭和瑞典就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)缺肥林地增施氮磷鉀肥，中國(guó)自20世紀(jì)70年代開(kāi)始林地施肥試驗(yàn)研究。1982年劉壽坡等[14]對(duì)意大利214楊進(jìn)行了林地施肥試驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)施肥可以顯著提高試材的胸徑、樹(shù)高、材積，各肥料對(duì)試材的作用由大到小依次為氮肥、綠肥、磷肥、鉀肥，并得到了各肥料的最優(yōu)施肥配比為每株施N 150 g、P2O5150 g、K2O 50 g及綠肥壓青10 kg。

而在施肥模型方面，陳輝[15]在對(duì)錐栗人工林營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)償試驗(yàn)中，利用{3,2}單行重心設(shè)計(jì)，采用遺傳算法對(duì)響應(yīng)方程在約束條件下尋優(yōu)，求出3種肥料的最佳理論配方為尿素0.30 kg、過(guò)磷酸鈣0.59999961 kg、氯化鉀 0.1000038 kg；尹鵬達(dá)等[16]在對(duì)填充型烤煙栽培研究中利用了三因素四水平的回歸最優(yōu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)得到的回歸模型計(jì)算氮磷鉀肥的最優(yōu)基礎(chǔ)施肥量，即氮肥40.08～52.49 kg/hm2、磷肥36.19～62.19 kg/hm2、鉀肥 70.73～114.41 kg/hm2。

刺槐是速生用材樹(shù)種，在國(guó)內(nèi)有大面積的人工集約經(jīng)營(yíng)面積，相對(duì)精確的施肥方案對(duì)于指導(dǎo)刺槐人工林經(jīng)營(yíng)具有重要意義。本試驗(yàn)針對(duì)目前國(guó)內(nèi)施肥模型建立過(guò)程中養(yǎng)分資源特征差異導(dǎo)致試驗(yàn)因素增加、試驗(yàn)因素水平過(guò)少等問(wèn)題[17]，綜合王圣瑞等[18]在施肥模型建立過(guò)程中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換利用方法，基于黃河古道刺槐人工林土壤特征和刺槐需肥特點(diǎn)，旨在通過(guò)連續(xù)3年的刺槐林地施肥，提出相對(duì)科學(xué)的刺槐林地施肥方案。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

參試材料為來(lái)自河南孟州林科所培育的窄冠刺槐優(yōu)良無(wú)性系，2015年育出，1年生實(shí)生苗，造林后不平茬，株行距為3 m×4 m；自2015年開(kāi)始連續(xù)施肥3年，2017年末利用連續(xù)3年的數(shù)據(jù)進(jìn)行施肥方程模擬。試驗(yàn)地設(shè)置在河南省商丘市民權(quán)縣民權(quán)林場(chǎng)(115°00′—115°24′E，34°48′—34°51′N(xiāo))，年均氣溫 14.1℃，年降水量679 mm，土壤類(lèi)型為黃河古道粉沙性黃潮土，有機(jī)質(zhì)含量低，蓄水能力差，地下水位1.5～2.0 m。

1.2 研究方法

1.2.1 基于林地土壤養(yǎng)分本底的施肥方案設(shè)計(jì) 試驗(yàn)地進(jìn)行多點(diǎn)取樣混合，利用ASI法[19-20]測(cè)定土壤本底養(yǎng)分水平，土壤本底的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、磷及鉀元素的含量均為低水平。土壤吸附試驗(yàn)推薦氮元素添加量為50 mg/L，鉀元素添加量為244.03 mg/L，磷元素添加量為56.04 mg/L。

根據(jù)土壤本底養(yǎng)分水平和吸附試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)[21-23]，進(jìn)行最佳處理設(shè)置，在盆栽試驗(yàn)基礎(chǔ)上，最終得到推薦施肥量：氮（尿素）165 kg/hm2、磷(P2O5)120 kg/hm2、鉀(K2O)150 kg/hm2，根據(jù)推薦施肥量換算每株施肥量，參照控釋肥利用率[24]和尿素、鈣鎂磷肥、硫酸鉀肥料的含元素比例，得到施肥量的中間水平，利用編碼表編碼各小區(qū)處理。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用三因子二次回歸正交設(shè)計(jì)（表1～2），試驗(yàn)設(shè)置16個(gè)處理（含2個(gè)中間水平處理），3次重復(fù)。試驗(yàn)地按照南北方向布設(shè)重復(fù)，重復(fù)間小區(qū)排列順序一致。單行排列小區(qū)，6株小區(qū)，兩側(cè)設(shè)置保護(hù)株。因試驗(yàn)地面積限制，3個(gè)重復(fù)之間共用中間水平小區(qū)處理（15、16小區(qū)）。試驗(yàn)地東西南北外圍各植2行保護(hù)行。

表1 因子水平編碼表 g/株

表2 三因子二次回歸正交設(shè)計(jì)表

1.2.3 施肥方法 施肥采用溝施，最大限度地保證刺槐根系對(duì)肥料的接觸面積。在行內(nèi)株間距離樹(shù)基部1.0 m位置挖出長(zhǎng)0.5 m、寬0.2 m、深0.2 m溝，將每棵苗所施不同肥料均勻撒在溝內(nèi)，填平，踩實(shí)。每年的5月下旬和7月下旬施肥，每次施肥后灌澆（控制浸潤(rùn)層深度60 cm以?xún)?nèi)）；第一年施肥量根據(jù)本底測(cè)定結(jié)果作為中間水平編碼，第二年則以上一年度生長(zhǎng)最優(yōu)小區(qū)的各元素施肥量適度加量作為中間水平進(jìn)行編碼，以此類(lèi)推。

1.2.4 林地調(diào)查和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法 每年10月中旬生長(zhǎng)期結(jié)束后調(diào)查各處理立木的胸徑。利用SAS軟件對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行正交回歸檢驗(yàn)，利用Excel進(jìn)行轉(zhuǎn)換函數(shù)模型的擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對(duì)刺槐生長(zhǎng)量的影響

胸徑是實(shí)際生產(chǎn)中最常觀測(cè)的數(shù)據(jù)之一，選擇胸徑作為觀測(cè)數(shù)據(jù)更具實(shí)際意義。有研究表明，為促進(jìn)樹(shù)木胸徑的增長(zhǎng)，各養(yǎng)分的施用并非越多越好。只有最合理的氮、磷、鉀肥料的配比，胸徑的增長(zhǎng)才可達(dá)到最優(yōu)效果[25]。

由表3可以看出，施肥顯著增加刺槐胸徑，但增長(zhǎng)速度隨刺槐年齡的增加而減緩。從2015年開(kāi)始，每一年的最優(yōu)小區(qū)均不同，這是施肥方案不斷優(yōu)化的結(jié)果，這在一定程度上與楊艷等的研究一致[26]。2015年生長(zhǎng)季末最優(yōu)小區(qū)是第15小區(qū)(N0P0K0)，各元素施肥量分別是尿素63 g/株、鈣鎂磷肥36 g/株、硫酸鉀50 g/株，第15小區(qū)和第16小區(qū)施肥水平相同但調(diào)查結(jié)果有差異的原因主要是，施肥第一年刺槐苗木對(duì)施肥的響應(yīng)還沒(méi)有完全顯現(xiàn)出來(lái)，刺槐生長(zhǎng)差異的主導(dǎo)因素還是苗木之間的個(gè)體差異。2016生長(zhǎng)季末調(diào)查結(jié)果顯示最優(yōu)小區(qū)是第5小區(qū)（表3），施肥水平為尿素146 g/株、鈣鎂磷肥87 g/株、硫酸鉀17 g/株（表4）；2017年生長(zhǎng)季末的調(diào)查結(jié)果顯示，第15、16小區(qū)(N0P0K0)生長(zhǎng)狀況最優(yōu)，恰好此為編碼表的中間水平（表4），表明苗木生長(zhǎng)趨于平穩(wěn)，各元素的施肥量基本滿(mǎn)足苗木的生長(zhǎng)需求，可不再增施。

表3 胸徑連年調(diào)查結(jié)果

表4 連年施肥因子編碼表 g/株

從連年施肥量上可以看出（表3），隨著刺槐的生長(zhǎng)，苗木對(duì)氮、磷、鉀肥料的需求量增加，原有的施肥水平不能滿(mǎn)足苗木的生長(zhǎng)需求，連年最優(yōu)小區(qū)也不相同，表明當(dāng)?shù)?、磷、鉀肥配合施用時(shí)并非各肥料越多越好，肥料之間的配比是刺槐施肥的關(guān)鍵。其他樹(shù)種的研究結(jié)果與本研究基本一致[25-27]。

2.2 施肥模型的回歸方程擬合

利用SAS的RSREG過(guò)程分別對(duì)連續(xù)2年和連續(xù)3年施肥結(jié)果進(jìn)行二次回歸正交檢驗(yàn)，結(jié)果（表5）表明，連續(xù)施肥2年后，回歸方程的線(xiàn)性項(xiàng)(linear)、平方項(xiàng)(quadratic)、交叉項(xiàng)(crossproduct)和總回歸項(xiàng)(total model)P＞0.05，回歸檢驗(yàn)不顯著，失擬指數(shù)(lack of fit)P=0.0015＜0.01，失擬檢驗(yàn)極顯著，表明回歸方程無(wú)意義，利用回歸方程獲取最優(yōu)施肥配比無(wú)結(jié)果。連續(xù)3年施肥后（表6），回歸方程的平方項(xiàng)和總回歸項(xiàng)均小于0.05，達(dá)到顯著水平，其中平方項(xiàng)已小于0.01，達(dá)到極顯著水平，線(xiàn)性項(xiàng)和交叉項(xiàng)雖未達(dá)到顯著水平，但較2016年檢驗(yàn)結(jié)果顯著減小，失擬指數(shù)在0.01～0.05之間，表明回歸方程向著有意義的方向發(fā)展。結(jié)果顯示出較好的回歸方向，試驗(yàn)結(jié)果按照預(yù)期的目標(biāo)發(fā)展。

表5 連續(xù)2年施肥回歸方程檢驗(yàn)結(jié)果

表6 連續(xù)3年施肥回歸方程檢驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表6的檢驗(yàn)結(jié)果，建立三元二次函數(shù)模型，如式(1)。

根據(jù)此方程，求得最佳施肥量為氮肥110 g/株、鉀肥65 g/株、磷肥131 g/株。

2.3 回歸方程的一元轉(zhuǎn)化

分別利用一次函數(shù)、二次函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)施肥因子進(jìn)行一元模型擬合。由表7可以看出，根據(jù)王圣瑞等[18]的施肥數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化處理建議，將三因子二次正交回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為一元函數(shù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所擬合的方程均無(wú)意義（R2數(shù)值過(guò)?。?。

表7 一元肥料效應(yīng)模型擬合結(jié)果

3 結(jié)論與討論

林木施肥的意義在于發(fā)掘土地、氣候、良種的生產(chǎn)潛力，維持土壤養(yǎng)分平衡，促進(jìn)林木生長(zhǎng)，維持林地生產(chǎn)力[28]。刺槐是國(guó)內(nèi)北方地區(qū)主要的速生造林樹(shù)種[29-30]，提高其生長(zhǎng)速度與生長(zhǎng)量具有戰(zhàn)略性的意義。試驗(yàn)顯示，施肥對(duì)刺槐的生長(zhǎng)影響顯著，連續(xù)施肥2年，胸徑生長(zhǎng)率分別達(dá)到186.67%、47.30%，刺槐胸徑從1.82 cm增粗至7.63 cm，生長(zhǎng)量顯著，施肥對(duì)刺槐的生長(zhǎng)產(chǎn)生了積極的意義。

林地施肥的試驗(yàn)規(guī)模大、周期長(zhǎng)、效果顯現(xiàn)緩慢，而探求施肥配比方案會(huì)占用比單純林地施肥更多的資源。利用正交回歸設(shè)計(jì)尋求刺槐生長(zhǎng)的氮磷鉀肥料最優(yōu)配比設(shè)計(jì)，可以用較少的試驗(yàn)建立精度較高的回歸方程，利用方程可以求出最優(yōu)施肥配比。從連年施肥配比的優(yōu)化過(guò)程可以看出，每年生長(zhǎng)最優(yōu)的施肥小區(qū)不相同，施肥配比的連年波動(dòng)表明3種肥料對(duì)刺槐生長(zhǎng)的影響并非簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，表明回歸方程的建立和探求有統(tǒng)計(jì)意義，SAS的回歸檢驗(yàn)連年變化也印證這一現(xiàn)象。擬合方程的各項(xiàng)回歸系數(shù)都向著一個(gè)明朗的方向變化，有足夠的理由相信，在試驗(yàn)的后期，可以得出擬合完美的回歸方程，從而推算出各項(xiàng)肥料的最優(yōu)配比方案。以3年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可初步擬合出相對(duì)有意義的回歸方程，以此可獲得1～3年生刺槐人工林的最佳施肥量為氮肥110 g/株、鉀肥65 g/株、磷肥131 g/株。從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理的角度分析，林地施肥的模型轉(zhuǎn)換，不如王圣瑞等[18]在農(nóng)作物施肥試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換順利，對(duì)于此種模型轉(zhuǎn)換處理的方式應(yīng)視具體情況甄別對(duì)待。

林地施肥是一個(gè)復(fù)雜的試驗(yàn)過(guò)程，不可控因素較多。采用正交回歸設(shè)計(jì)，雖然可以最大限度地減少試驗(yàn)次數(shù)，但是對(duì)于林地施肥來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)地的空間差異仍不可控，局部地段立地差異依然存在。其次，樹(shù)木的生長(zhǎng)與農(nóng)作物不同，林木施肥的效應(yīng)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，當(dāng)年的施肥效果不一定會(huì)在樹(shù)木的生長(zhǎng)性狀上體現(xiàn)，樹(shù)木生長(zhǎng)量與施肥量一樣，均為多年的累加值，因此根據(jù)試驗(yàn)所求得的最優(yōu)施肥量是一個(gè)參考值。但作為首次在刺槐林地施肥試驗(yàn)中進(jìn)行二次正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，本結(jié)論具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。如果在林地施肥試驗(yàn)中精選個(gè)體差異小的苗木減少目標(biāo)樹(shù)數(shù)量，縮小試驗(yàn)地范圍，在進(jìn)行全方位立地條件本底調(diào)查基礎(chǔ)上，輔助以嚴(yán)格的試驗(yàn)區(qū)一致性管理，或許可得到更為科學(xué)的林地施肥結(jié)論。