配方施肥對杉木中齡林生長及土壤化學計量特征的影響

任衍敏, 陳敏健, 李惠通, 侯政杰, 蘇 鐵, 劉愛琴,2

(1.福建農林大學林學院，福建 福州 350002；2.國家林業(yè)局杉木工程技術研究中心，福建 福州 350002)

杉木(Cunninghamialanceolata)作為營造速生豐產林的主要樹種，因生長速度快、產量大、抗性強和材質優(yōu)良而在我國南方廣泛種植[1]。第九次全國森林資源清查結果顯示，全國杉木人工林面積達990.20萬hm2，占我國人工林總面積的17.33%[2]。目前，我國木材供應市場多以中、小徑材為主，大徑材資源少，木材供需的結構性矛盾突出，加強杉木中齡林的定向培育日益受到重視。長期以來，由于杉木自肥能力差、耗肥量大且存在煉山整地、純林連載等不合理經營，杉木人工林地力衰退現(xiàn)象普遍[3]。為促進林木生長、提高林地生產力，改善木材供需矛盾，施肥已成為一項重要的營林措施。然而，生產上普遍存在盲目過量施肥現(xiàn)象，不僅造成資源浪費，也極易引起肥飽和效應和肥毒害現(xiàn)象，誘發(fā)杉木品質下降，致使杉木林提早退化[4]。因此，篩選杉木人工林培育的最佳施肥量與施肥配方已成為當前林業(yè)生產急需解決的重大課題。

生態(tài)化學計量學從元素比率角度出發(fā)，研究生態(tài)過程中多重化學元素(主要是C、N、P等)的平衡關系[5-6]。施肥影響植物對N、P等元素的吸收和分配，從而導致土壤養(yǎng)分含量和生態(tài)化學計量比發(fā)生變化[7]。林地土壤化學計量特征研究對反映林木生長速率與養(yǎng)分吸收的內在聯(lián)系，表征營養(yǎng)元素對林地生產力的限制性作用以及揭示土壤內部C、N、P等元素的循環(huán)特征等有重要作用[8-10]。因此，本研究以15年生杉木中齡林為研究對象，設置了“3414”不完全處理(鉀固定)、測土配方、測樹配方以及微量元素平衡配方共12種處理，比較不同施肥處理的林木生長效果，并應用生態(tài)化學計量學原理探究外源養(yǎng)分添加對杉木人工林養(yǎng)分分配格局的影響，旨在為促進杉木人工林的速生豐產、地力維護和科學施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于福建省三明市三元區(qū)莘口教學林場(26°17′N、117°55′E)，平均海拔229 m，坡度25°～37°，地形地貌以低山丘陵為主，屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫19 ℃，年均降水量1 749 mm。土壤為粉砂巖發(fā)育而來的紅壤，土層厚度大于1 m，腐殖質含量高。林下灌木層物種以杜莖山(Maesajaponica)、粗葉榕(Ficussimplicissima)、箬竹(Indocalamustessellatus)為主，草本層物種以烏毛蕨(Blechnumorientale)、金毛狗(Cibotiumbarometz)、福建蓮座蕨(Angiopterisfokiensis)為主。

2015年試驗地杉木人工林林分密度約1 375株·hm-2，林齡15 a(2000年造林)，平均樹高12.52 m，平均胸徑15.52 cm，土壤養(yǎng)分情況為：0～20 cm土層全碳、全氮、全磷和全鉀含量分別為13.86、1.85、0.34和28.33 g·kg-1；20～40 cm土層全碳、全氮、全磷和全鉀含量分別為6.73、1.41、 0.29和30.98 g·kg-1；40～60 cm土層全碳、全氮、全磷和全鉀含量分別為4.01、1.33、0.28和32.86 g·kg-1。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 設12種處理，各處理施肥量見表1。處理1～處理9是在“3414”完全施肥配方基礎上，依據(jù)南方酸性土壤養(yǎng)分狀況，將K元素固定而確立的“3414”不完全處理，設置的3個元素分別為氮肥(尿素，含46% N)、磷肥(過磷酸鈣，含12% P2O5)和鉀肥(硫酸鉀，含60% K2O)，4個水平分別為0水平(不施肥處理)、1水平(2水平的0.5倍)、2水平(本地常規(guī)施肥量)和3水平(2水平的1.5倍)。依據(jù)三明市莘口教學林場農戶施肥經驗，確定2水平的氮肥、磷肥和鉀肥施入量分別為240、600和150 g·株-1。處理10為測土配方施肥，依據(jù)當?shù)赝寥罍y試結果而確定[11]。處理11為測樹配方施肥，依據(jù)杉木營養(yǎng)特性而確定[11]。處理12為微量元素平衡配方，在常規(guī)氮肥、磷肥和鉀肥施入量下增施硼肥(硼酸，含11% B)和鋅肥(EDTA-Zn，含15% Zn)，以研究B、Zn兩種微量元素的肥料效應。每個處理設置3次重復，共36個小區(qū)。每小區(qū)長×寬為10 m×10 m，有11～13株杉木。各小區(qū)之間均設2～3 m隔離帶，作為處理間的緩沖帶。所有小區(qū)采用完全隨機區(qū)組設計排列。2015年3月進行首次施肥、2018年3月進行追肥，都采用溝施，即在距樹基100 cm的上方挖溝，溝長120 cm、深15 cm。同一小區(qū)前后兩次的施肥量與施肥方式相同。

表1 杉木人工林施肥處理表

1.2.2 杉木林生長情況的測定 于施肥前(2015年3月)對各小區(qū)進行每木檢尺，包括單木定位、編號，調查樹高、胸徑；2019年12月使用圍徑尺和測高儀測量各小區(qū)內杉木樹高、胸徑，并依據(jù)單株樹高、胸徑測量值計算單株材積(Vi)[12]。Vi=0.000 058 777 042·Di1.969 983 1·Hi0.896 461 57。式中，Di為單株胸徑，Hi為單株樹高。

1.2.3 土壤化學計量特征的測定 (1)2015年3月進行施肥前林地土壤養(yǎng)分初始情況調查。在試驗地杉木人工林分別建立3塊20 m×20 m的標準樣地，按照“S”型5點取樣法，分別采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土樣，然后混合土樣，帶回實驗室風干過篩后測定。(2)2019年12月調查施肥后各小區(qū)土壤養(yǎng)分含量，在各小區(qū)內按照“S”型5點取樣法，分別采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土樣，各區(qū)同層土壤混合均勻后，帶回實驗室風干過篩后測定。土壤全碳、全氮含量采用碳氮元素分析儀(Elementar VARIO MAX CN)測定，土壤全磷含量采用硫酸高氯酸消煮鉬銻抗比色法測定[13]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS 23軟件和Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與繪圖。

2 結果與分析

2.1 配方施肥對杉木中齡林生長的影響

從表2可知，不同施肥處理下杉木平均樹高、胸徑和單株材積都有明顯增長，各施肥處理的杉木單株材積生長量均大于CK。其中，處理6、處理10和處理8的胸徑生長量顯著大于CK和處理2；處理10、處理12、處理6和處理8的樹高生長量顯著大于CK和處理4；處理10和處理6的單株材積生長量顯著大于CK。由此可見，處理10和處理6的施肥效果最佳，林木生長量明顯高于其他處理，單株材積生長量分別是CK的2.00倍和1.89倍。林木生長量與氮肥、磷肥施入量之間的相關關系(表3)表明，杉木樹高生長與磷肥施入量呈顯著正相關。本試驗中，處理4、處理5、處理6和處理7的氮肥、鉀肥施入量相同，表明在同一氮、鉀水平下，林木樹高、胸徑和單株材積生長量隨磷肥施入量增多呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢。處理2、處理3、處理6和處理8的磷肥和鉀肥施入量相同，林木樹高、胸徑和單株材積生長量也均有隨氮肥施入量增多呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢。

表2 不同施肥處理對杉木中齡林生長的影響1)

表3 施肥量與杉木中齡林林木生長量之間的相關性分析1)

2.2 配方施肥對杉木中齡林土壤養(yǎng)分的影響

不同施肥處理對杉木中齡林土壤養(yǎng)分的影響見圖1。(1)表層土壤(0～20 cm)。各施肥處理的土壤全碳含量均大于CK，全碳、全氮和全磷含量的最大值均為處理11。不同處理的全氮、全磷含量未呈現(xiàn)隨氮肥、磷肥施入量的增加而保持增大的變化趨勢。(2)中層土壤(20～40 cm)。全碳和全氮含量的最大值均為處理4，分別為CK的1.35、1.44倍。全磷含量的最大值為處理10，是CK的1.33倍。(3)深層土壤(40～60 cm)。全碳、全氮和全磷含量的最大值分別為處理2、處理6和處理7。不同處理的全碳含量無顯著差異性，處理6的全氮含量顯著大于CK。各處理全磷含量差異性較大，其中CK的全磷含量最小，處理7是CK的2.38倍，兩處理間差異顯著。

由圖1還見，不同土層土壤全碳含量均隨土層加深而降低。表層土壤的全氮含量最大，但隨土層加深未呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。從0～60 cm土層土壤養(yǎng)分總量來看，處理11的全碳含量最高，CK最低，處理11比CK高5.2%；處理6的全氮含量最高，處理12最低，處理6比CK高26.5%；處理11的全磷含量最高，CK最低，處理11比CK高61.7%。

不同小寫字母表示同一土層不同施肥處理間差異達0.05顯著水平。

2.3 配方施肥對杉木中齡林土壤生態(tài)化學計量特征的影響

由圖2可知，各土層不同處理間的C∶N、C∶P和N∶P均具有較大差異，C∶N、C∶P和N∶P的變化區(qū)間分別為6.83～15.16、25.42～108.84和2.78～11.63。不同處理下表層土壤(0～20 cm)的C∶P和N∶P均大于其他土層，表層土壤N∶P的差異性最顯著。C∶N、C∶P和N∶P的最大值分別為處理12、處理9和處理2，C∶N、C∶P和N∶P的最小值分別為處理1、處理3和處理12。中層土壤(20～40 cm)的N∶P差異性最顯著，C∶N、C∶P和N∶P的最大值分別為處理12、處理4和處理4，C∶N、C∶P和N∶P的最小值分別為處理6、處理8和處理12。深層土壤(40～60 cm)的C∶P差異性最顯著，C∶N、C∶P和N∶P的最大值分別為處理11、處理2和處理2，C∶N、C∶P和N∶P的最小值分別為處理6、處理7和處理12。

不同小寫字母表示同一土層不同施肥處理間差異達0.05顯著水平。

2.4 杉木中齡林生長量與土壤養(yǎng)分含量及化學計量比的相關性分析

杉木中齡林土壤碳、氮、磷含量及其化學計量比與杉木生長量之間的相關性見表4。杉木生長量與各土層土壤養(yǎng)分之間均無顯著相關關系。3個土層中，土壤全氮與C∶N之間，全磷與C∶P、N∶P之間，C∶N與N∶P之間均呈極顯著負相關(P<0.01)，C∶P與N∶P之間均呈極顯著正相關(P<0.01)。表層土壤(0～20 cm)中，全碳與全磷、C∶N呈極顯著正相關(P<0.01)，全碳與N∶P呈顯著負相關(P<0.05)；中層土壤(20～40 cm)中，全碳與全氮、C∶P之間，全氮與N∶P之間呈極顯著正相關(P<0.01)；深層土壤(40～60 cm)中，全碳與全氮、C∶P之間，全氮與N∶P之間均呈極顯著正相關(P<0.01)。

表4 杉木中齡林生長量與土壤養(yǎng)分含量及化學計量比的相關性分析1)

3 討論與結論

3.1 杉木中齡林生長對施肥的響應

為調和林木需肥與土壤供肥、提高經濟效益與保護生態(tài)環(huán)境之間的矛盾，以養(yǎng)分補償學為原則的測土配方施肥在生產實踐和科學研究中逐漸推廣[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，測土配方施肥(N土P土K土，處理10)對杉木林木生長有顯著促進作用，這與楊艷等[15]對楊樹人工林和劉宏宇等[16]對桉樹人工林的施肥研究結果相一致；同時，測土配方施肥也有較高的肥料利用水平。本試驗中，處理6(N2P2K2)的林木生長量僅次于處理10，但處理6的氮肥、磷肥和鉀肥的施入量分別比處理10高100、230和90 g·株-1。郭紅等[17]研究表明，與常規(guī)施肥相比，測土配方施肥可顯著提高肥料利用率。本試驗與該研究結果相符。

本研究發(fā)現(xiàn)，林木生長量隨氮肥、磷肥施入量的增多呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢，這與劉新亮等[18]、楊艷等[15]、劉宏宇等[16]的研究結果基本一致，可能與植株需肥特性有關。若肥料施用量過少，植株生長增長不明顯，肥效不顯著，而施用量過多則導致植株營養(yǎng)過?；蛟斐啥竞Γ矔绊懼仓晟L[19]。王東等[20]研究發(fā)現(xiàn)，氮磷肥配施對林木生長有顯著促進作用。本研究中，處理2(N0P2K2)和處理4(N2P0K2)分別為無氮和無磷施肥處理，而處理2和處理4的單株材積生長量僅比CK高22.2%和33.3%，表明氮肥、磷肥單施對杉木林生長成效欠佳，這與覃文淵[21]的結論相一致。

蔣華等[22]在廣西省由第四紀母質發(fā)育的黃紅壤林區(qū)杉木中齡林對施肥的響應研究中發(fā)現(xiàn)，施肥對樹高的效應要顯著大于胸徑和單株材積，且磷肥對林木生長有顯著促進作用。本研究為福建省由粉砂巖發(fā)育而來的紅壤林區(qū)杉木中齡林，杉木樹高生長量與磷肥施入量呈顯著正相關，與蔣華等[22]的研究結果相一致，這可能與南方土壤普遍缺磷，而正值快速生長階段的杉木中齡林對磷的需求量大有關。

3.2 杉木中齡林土壤養(yǎng)分特性對施肥的響應

土壤中的C、N、P不僅是植物生長發(fā)育和物質循環(huán)的必需元素，也是考察土壤肥力狀況的重要指標。本研究發(fā)現(xiàn)，施肥可明顯改善杉木中齡林土壤養(yǎng)分狀況，同一土層不同施肥處理的土壤C、N、P元素含量具有顯著差異。本研究中，處理10表層土壤中的全碳、全氮、全磷含量均顯著高于CK。由此可見，測土配方施肥在促進杉木生長和改善林地土壤質量方面均具有顯著效果，且肥料利用水平更高，是值得推廣的施肥方案。此外，氮肥、磷肥和鉀肥配施有助于土壤碳的積累，這與林明月等[22]的研究結果相一致。本試驗并未施用有機肥，但所有經施肥處理的土壤，尤其是表層土壤的全碳含量明顯高于CK，可能是林地施肥使土壤養(yǎng)分含量提高，促使林下植被生長量增大，這不僅提高了林地固碳能力，也為土壤碳的累積提供了基礎，且土壤微生物數(shù)量和活性的提高，也促使土壤對有機質的分解能力增強[23-24]。

土壤養(yǎng)分在循環(huán)過程中是相互耦合的，C、N、P之間計量比過高或過低都會影響土壤養(yǎng)分有效性的發(fā)揮[25]。土壤C∶N和C∶P通常作為指示土壤氮素和磷素礦化能力的指標，較低的C∶N和C∶P值往往更有利于有效氮和速效磷的積累[26]。本研究中，不同施肥處理下的土壤C∶N與CK相比具有較大差異，表明施肥打破了林地土壤原有的穩(wěn)定態(tài)，C∶N變化范圍為6.83～15.16，除處理12外，其余均低于全國陸地土壤C∶N平均值(14.4)[5]，表明研究區(qū)土壤經施肥處理后保持較高的氮釋放潛力。本研究區(qū)土壤C∶N與全氮的相關系數(shù)均大于全碳，說明土壤的C∶N主要受氮的影響。本研究土壤的C∶P變化范圍為25.42～108.84，遠低于全國平均值(136)[5]，表明研究區(qū)土壤磷礦化潛力較高，此外，各土層土壤C∶P與全磷的相關系數(shù)均大于與全碳，表明林區(qū)土壤的C∶P主要受磷的影響。土壤N∶P通常用來預測和判斷土壤的限制性養(yǎng)分[25]。本研究中，無施肥處理的表層土壤N∶P為10.33，高于全國平均值(9.3)[5]，單施磷肥的處理2在施入大量磷肥后仍保持較高的N∶P水平，表明磷是影響研究區(qū)土壤生產力的主要限制性因子。對比發(fā)現(xiàn)，添加B和Zn的微量元素平衡施肥處理土壤N∶P均小于同土層的其他處理，各土層土壤的磷素含量也保持較高的水平，表明配施微肥可能有助于減弱磷對杉木人工林土壤生產力的限制。

綜上所述，測土配方施肥對杉木中齡林林木生長及土壤質量改善有顯著促進作用，且肥料利用水平更高，林木樹高、胸徑和單株材積生長量分別比CK提高58.5%、68.2%和100%，土壤全碳、全氮、全磷含量分別比CK提高23.12%、17.98%和55.32%。杉木中齡林林木樹高增長與磷肥施入量為顯著正相關關系。磷是限制該試驗區(qū)土地生產力的因子之一，配施微肥可能有助于緩解磷對杉木人工林土地生產力的限制。本研究僅探討了配方施肥4 a后杉木中齡林的林木生長效應和土壤狀況，今后應持續(xù)對該試驗區(qū)進行調查，以期確定更適宜的杉木中齡林營林措施。