石墨烯對(duì)杉木幼林生長(zhǎng)的短期影響研究簡(jiǎn)報(bào)

章進(jìn)峰, 陳洪華, 魏永平

(福建省永安國(guó)有林場(chǎng)，福建 永安 366000)

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國(guó)主要針葉速生用材樹種之一，其栽培面積及蓄積量均居全國(guó)人工造林樹種首位，在保障國(guó)家木材和生態(tài)安全方面起重要作用[1]。由于杉木經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，南方杉木產(chǎn)區(qū)連栽現(xiàn)象較普遍，導(dǎo)致地力下降日益嚴(yán)重[2-3]。林地施肥是保持地力及林分生產(chǎn)力的重要措施之一[4]，但當(dāng)前南方林區(qū)基本沿用傳統(tǒng)施肥技術(shù)，施肥效率較低。石墨烯是一種新型碳素納米材料， 廣泛應(yīng)用于能源、醫(yī)學(xué)、材料等領(lǐng)域[5-6]。近年來，石墨烯在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍，常海偉等[7]研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯可有效促進(jìn)小麥生長(zhǎng)，提高其產(chǎn)量及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。此外，石墨烯還可促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)，提升植物吸收水分和養(yǎng)分的效率[8-9]。目前，有關(guān)石墨烯在農(nóng)林業(yè)的應(yīng)用研究主要集中在農(nóng)作物上，在林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用尚未開展。鑒于此，本研究以1年生及3 年生杉木幼林為研究對(duì)象，分析石墨烯與復(fù)合肥混合施用對(duì)杉木幼林地徑、樹高及冠幅生長(zhǎng)的影響，以期為杉木林高效培育提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

1年生杉木幼林位于福建省永安國(guó)有林場(chǎng)永漿管護(hù)站66林班35大班1小班(117°24′E，25°55′N)，坡向西南，坡度25°。3年生杉木幼林位于永安市貢川鎮(zhèn)林場(chǎng)12林班08大班050、110小班(117°27′E，26°04′N)，坡向東南，坡度26°。該區(qū)夏長(zhǎng)冬短，氣候溫暖濕潤(rùn)，年均氣溫19.3 ℃，無霜期約300 d，年均日照時(shí)數(shù)1 800 h，年均降雨量約1 600 mm，年均降雨日數(shù)130～170 d。土壤為山地紅壤，立地類型為Ⅱ類地。

1.2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)林營(yíng)建

杉木種苗來源于將樂明頭山杉木第3代無性系種子園培育的1年生裸根苗；木荷(Schimasuperba)種苗由福建省沙縣官莊國(guó)有林場(chǎng)省級(jí)保障性苗圃提供的1年生裸根苗。(1)1年生杉木幼林造林地前身為杉木人工林。2019年1—2月進(jìn)行清雜整地、挖明穴回表土。2019年3月栽植杉木×木荷混交林，造林密度為3 300株·hm-2，塊狀混交，杉木與木荷混交比例為6∶4。造林當(dāng)年6月進(jìn)行帶狀翻土、培土，9月進(jìn)行帶鋤帶劈。(2)3年生杉木幼林造林地前身為杉木人工林。2017年1—2月進(jìn)行清雜整地、挖明穴回表土。2017年3月栽植杉木純林，造林密度為3 120株·hm-2。造林當(dāng)年6月進(jìn)行帶狀翻土、培土，9月進(jìn)行帶鋤帶劈、培土；造林第2年6、9月進(jìn)行帶鋤帶劈、培土；造林第3年9月進(jìn)行全面劈草。

1.3 試驗(yàn)方法

2019年7月分別設(shè)置1年生及3年生杉木樣地。為避免混交樹種木荷對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，在保證同一林齡各樣地海拔、坡位、坡向一致的前提下，在1年生杉木×木荷塊狀混交林中選擇杉木純林作為樣地。采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每種林分各設(shè)3個(gè)區(qū)組，每個(gè)區(qū)組4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每小區(qū)均為400 m2(20 m×20 m)。復(fù)合肥的N∶P2O5∶K2O為16∶16∶16，由美國(guó)瑞恩集團(tuán)公司生產(chǎn)；石墨烯母液由山西大同大學(xué)趙建國(guó)教授課題組提供。借鑒前人的研究結(jié)果[10]及課題組苗木組培的試驗(yàn)結(jié)果，將5 g·L-1石墨烯母液稀釋后配制為50、150、250倍液，即100、30、20 mg·L-1石墨烯溶液。分別設(shè)置100 mg·L-1石墨烯+復(fù)合肥(A1處理)、30 mg·L-1石墨烯+復(fù)合肥(A2處理)、20 mg·L-1石墨烯+復(fù)合肥(A3處理)3個(gè)處理，以僅施復(fù)合肥為對(duì)照(CK)。

2019年9月對(duì)樣地內(nèi)杉木幼樹進(jìn)行混施試驗(yàn)。于幼樹上坡位20 cm處挖1條長(zhǎng)10 cm的環(huán)形溝，分別施入0.5 L·株-1石墨烯溶液與50 g·株-1復(fù)合肥，覆土。2019年12月、2020年12月分別對(duì)試驗(yàn)林進(jìn)行每木調(diào)查，其中地徑采用游標(biāo)卡尺測(cè)量；樹高采用測(cè)高桿測(cè)量；冠幅為東西和南北方向樹冠寬度的平均值，采用皮尺測(cè)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excle 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪制表格；采用SPSS 26.0進(jìn)行差異性檢驗(yàn)分析以及單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 石墨烯與復(fù)合肥混施對(duì)1年生杉木幼林生長(zhǎng)的影響

不同質(zhì)量濃度石墨烯與復(fù)合肥混施對(duì)1年生杉木幼林生長(zhǎng)的影響見表1。由表1可知，與2019年12月相比，2020年12月A1處理杉木幼林平均地徑、樹高、冠幅增幅分別為182.14%、119.37%、60.30%；A2處理幼林平均地徑、樹高、冠幅增幅分別為166.29%、117.55%、55.03%；A3處理分別為148.41%、125.99%、65.47%。隨著石墨烯濃度的增加，1年生杉木幼林平均地徑增幅呈升高趨勢(shì)，A1處理平均地徑增幅最大，且顯著高于其他處理(P<0.05)。平均樹高增幅表現(xiàn)為：A3>CK>A1>A2，平均冠幅增幅表現(xiàn)為：A3>A1>CK>A2，且各處理間差異均不顯著(P>0.05)。綜合來看，A1處理有利于1年生杉木幼林地徑生長(zhǎng)，A3處理則有利于其樹高及冠幅生長(zhǎng)。

表1 不同質(zhì)量濃度石墨烯處理對(duì)1年生杉木幼林生長(zhǎng)的影響1)Table 1 Effects of different concentrations of graphene on growth of 1-year-old C.lanceolata forest

2.2 石墨烯與復(fù)合肥混施對(duì)3年生杉木幼林生長(zhǎng)的影響

不同質(zhì)量濃度石墨烯與復(fù)合肥混施對(duì)3年生杉木幼林生長(zhǎng)的影響見表2。由表2可知，2020年12月A1處理的3年生杉木幼林平均地徑、樹高、冠幅與2019年12月相比分別提高了94.40%、100.98%、32.88%；A2處理平均地徑、樹高、冠幅分別提高了95.38%、96.64%、31.65%；A3處理則分別提高了94.12%、96.22%、29.76%。隨著石墨烯濃度的增加，3年生杉木幼林平均樹高增幅逐漸上升，且A1處理顯著大于CK(P<0.05)。平均地徑增幅表現(xiàn)為：A2>A1>A3>CK，平均冠幅增幅表現(xiàn)為：A1>CK>A2>A3，且各處理間差異均不顯著(P>0.05)。綜合來看，A1處理有利于3年生杉木幼林樹高及冠幅生長(zhǎng)，A2處理則有利于其地徑生長(zhǎng)。

表2 不同質(zhì)量濃度石墨烯處理對(duì)3年生杉木幼林生長(zhǎng)的影響1)Table 2 Effects of different concentrations of graphene on growth of 3-year-old C.lanceolata forest

2.3 石墨烯與復(fù)合肥混施對(duì)杉木幼林生長(zhǎng)指標(biāo)增長(zhǎng)量影響的方差分析

從表3可以看出，石墨烯與復(fù)合肥混施對(duì)1年生和3年生杉木幼林冠幅增長(zhǎng)量、1年生樹高增長(zhǎng)量以及3年生地徑增長(zhǎng)量影響差異不顯著(P>0.05)，但顯著影響1年生杉木幼林地徑增長(zhǎng)量與3年生樹高增長(zhǎng)量(P<0.05)。

表3 石墨烯對(duì)杉木幼林生長(zhǎng)指標(biāo)增長(zhǎng)量影響的方差分析1)Table 3 Variance analysis of the effect of graphene on the growth of 1- and 3-year-old C.lanceolata forests

3 討論與小結(jié)

杉木是我國(guó)南方最重要的針葉速生用材樹種之一。施用復(fù)合肥可提高杉木林的生長(zhǎng)量及生物量，但施肥效果隨林齡的不同而存在差異[11-12]。幼林期合理施肥是營(yíng)建高質(zhì)量杉木林分的重要措施之一[13-14]。石墨烯與混合肥配施可改善土壤質(zhì)地、提高肥料利用率，同時(shí)也會(huì)對(duì)植株產(chǎn)生抑制作用。劉澤慧等[15]研究發(fā)現(xiàn)，33.3 mg·L-1石墨烯對(duì)蠶豆幼苗生長(zhǎng)起促進(jìn)作用，但超過50 mg·L-1時(shí)則起抑制作用；趙琳等[16]研究表明，石墨烯處理對(duì)玉米幼苗的生長(zhǎng)具有一定的抑制作用，且隨著質(zhì)量濃度的增大抑制作用逐漸增強(qiáng)；劉頓等[17]研究發(fā)現(xiàn)，低質(zhì)量濃度氧化石墨烯對(duì)紫穗槐種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用，但超過250 mg·L-1時(shí)則抑制其生長(zhǎng)。本研究表明，不同質(zhì)量濃度石墨烯與復(fù)合肥混施總體上可促進(jìn)杉木幼林地徑、樹高及冠幅的生長(zhǎng)。其中，A1處理最有利于1年生杉木幼林地徑及3年生杉木幼林樹高的生長(zhǎng)，且與CK具有顯著差異；A1處理還有利于3年生杉木幼林冠幅的生長(zhǎng)，但與CK差異不顯著；A2處理最有利于3年生杉木幼林地徑生長(zhǎng)；A3處理最有利于1年生杉木幼林樹高、冠幅生長(zhǎng)，這可能與不同質(zhì)量濃度石墨烯對(duì)幼樹根系生長(zhǎng)的影響不同有關(guān)，且與土壤微生物狀況也存在一定關(guān)聯(lián)[18-19]。

杉木人工林經(jīng)營(yíng)過程中可采用石墨烯與復(fù)合肥混施的方式進(jìn)行林地施肥，但施肥時(shí)應(yīng)考慮不同林齡杉木人工林的最佳石墨烯質(zhì)量濃度。本研究?jī)H分析了石墨烯施用對(duì)杉木幼林短期生長(zhǎng)的影響，有關(guān)試驗(yàn)林長(zhǎng)期的生長(zhǎng)狀況有待于進(jìn)一步跟蹤觀察。