地表滴灌-施氮對短輪伐期毛白楊人工林生長及水分利用和氮素吸收的影響1)

楊紅青 賀曰林 賈黎明

(省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

水分和氮素是影響速生樹種生長及林分蓄積提高的重要因素[1-2]。灌溉及施肥措施可以提高林木對水氮的利用效率，減少水資源浪費(fèi)及氮素深層淋失造成的環(huán)境污染[3-4]。通過滴灌系統(tǒng)將灌溉和施肥措施結(jié)合，能保證根區(qū)水分和養(yǎng)分資源輸入的精準(zhǔn)性和均勻性，并優(yōu)化單一灌溉或施肥的效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)“以水促肥，以肥調(diào)水”的目的[5-6]，同步林木水和氮的需求與土壤水氮供應(yīng)，能有效地提高資源利用效率[7-8]。因此，掌握不同灌溉施肥措施對短輪伐期林木生長及水分利用特性和氮素吸收規(guī)律的影響，為林木生長定時、定量地補(bǔ)充土壤水氮資源，對提高林分蓄積、保護(hù)環(huán)境資源等具有重要意義。

楊樹是華北平原重要的速生樹種[9]，該地區(qū)楊樹人工林林地平均生產(chǎn)力為12 m3·hm-2·a-1，遠(yuǎn)低于40 m3·hm-2·a-1的潛在生產(chǎn)力[10]，高效集約經(jīng)營措施不到位是導(dǎo)致林地生產(chǎn)力低的重要原因。通過灌溉和施肥措施優(yōu)化集約經(jīng)營水平是提高林地生產(chǎn)力的關(guān)鍵，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，對楊樹人工林的灌溉和施肥管理措施基本都依靠經(jīng)驗(yàn)，沒有考慮林木對水分和養(yǎng)分的需求量，結(jié)果造成了水和肥的浪費(fèi)，且使得林木的單位面積蓄積低，林木生產(chǎn)力不高，林木質(zhì)量低等問題。以往的研究多集中于單個生長季內(nèi)林木生長規(guī)律的監(jiān)測[6，11]，且多以單純的灌溉或施肥為主[12-14]，或以室內(nèi)盆栽苗木為研究對象，探究林木氮素吸收偏好、利用效率及葉片化學(xué)計量特征等[15-17]，而對連續(xù)生長季內(nèi)林木生長及水分利用特性和氮素吸收規(guī)律的具有研究價值。因此，結(jié)合不同林齡林木生長規(guī)律及水氮利用特性，優(yōu)化滴灌施肥措施，對提高楊樹速生林集約經(jīng)營水平的具有重要作用。本文通過連續(xù)3 a的大田試驗(yàn)，監(jiān)測短輪伐期內(nèi)地表滴灌-施肥措施下，沙地毛白楊人工林胸徑、樹高、林分年蓄積生長量及器官生物量和氮含量的變化規(guī)律，探究林木水分利用效率和氮素吸收規(guī)律，為優(yōu)化短輪伐期毛白楊人工林灌溉施肥措施提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2017—2019年在山東省高唐縣國有舊城林場開展，該地區(qū)為暖溫帶半濕潤季風(fēng)區(qū)域大陸性氣候，無霜期204 d，年均氣溫13.2 ℃，年均降水量544.7 mm，年均蒸發(fā)量1 880 mm，降水集中于7、8月份。地下水位6 m左右。試驗(yàn)地0～80 cm土壤類型為沙壤土，土壤pH為8.10，飽和含水率為44%，田間持水量為33%，土壤密度1.41 g·cm-3；土壤無機(jī)氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.62、4.90、76.26和3.59 g·kg-1。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計

供試材料為三倍體毛白楊無性系S86((P.tomentosa×P.bolleana)×(P.alba×P.glandulosa))，2016年春季植苗造林。林木栽植為均勻配置模式，株行距為2 m×3 m，平均胸徑2.68 cm，樹高3.30 m。2016年完成滴灌系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，滴灌管(Dripnet PC 16250,Netafim Ltd,Tel Aviv,Israel)布設(shè)方式為“一行二帶”式，滴灌管分別布設(shè)樹木兩側(cè)30 cm處，滴頭間距為50 cm，滴頭流量為1.6 L·h-1。本試驗(yàn)為增廣因子試驗(yàn)[18]，包括由3個灌溉水平(W20、W33、W45)和4個施氮梯度(N0、NL、NM、NH)組成的12個滴灌-施肥處理，另外設(shè)置無灌溉、施肥措施的對照(CK)處理，共計13個處理。根據(jù)毛白楊生長與土壤水分有效性的定量關(guān)系[19]，分別設(shè)定滴頭正下方20 cm處的土壤水勢達(dá)到-20 kPa(W20)、-33 kPa(W33)和-45 kPa(W45)時開始灌溉，分別對應(yīng)土壤水分有效性的73%、57%和48%，滴灌濕潤體內(nèi)平均土壤含水率達(dá)到田間持水量時停止灌溉[6，18]。施氮量的設(shè)定綜合考慮不同林齡林分吸收氮量的差異，并結(jié)合林木“先快后慢”的季節(jié)生長規(guī)律，年度分6次施入，前3次施氮量是后3次的1.5倍[20]。其中，2017—2019年低肥處理(NL)總施氮量分別為80、120、120 kg·hm-2，中肥處理(NM)總施氮量分別為150、190、190 kg·hm-2，高肥處理(NH)總施氮量分別為220、260、260 kg·hm-2，無肥處理(N0)不增施氮肥。施氮方式為隨水施肥，即通過比例施肥器將固定濃度(233.35 g·L-1)的尿素溶液以4%的混合比注入滴灌系統(tǒng)隨水施入。

采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計，5次重復(fù)，共65個小區(qū)，每小區(qū)8排林木，每排4株，其中，中間4排為試驗(yàn)樹，剩余林木為保護(hù)行。此外，同一區(qū)組相鄰小區(qū)間埋設(shè)50 cm深塑料布阻隔水、氮運(yùn)移的影響。2017—2019年林地具體灌溉施肥情況受氣象因子時空異質(zhì)性[21]、地下水位波動及不同林齡林分耗水特征差異等綜合因素影響，同一灌溉處理林地年度灌溉量年際差異較大(見表1)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計及滴灌施肥概況

續(xù)(表1)

2.2 林木胸徑、樹高和林分年蓄積生長量

于2017—2019年生長季初(4月初)及生長季末(10月底)對所有小區(qū)試驗(yàn)林木進(jìn)行每木檢尺，測定林木胸徑(DBH)。由于樹高(H)測量誤差較大，各試驗(yàn)小區(qū)選取3株平均標(biāo)準(zhǔn)木測定樹高。利用3 a內(nèi)測定的1170組林木胸徑-樹高數(shù)據(jù)，擬合三倍體毛白楊無性系S86胸徑-樹高的異速關(guān)系。公式如下：

H=1.207 1DBH+0.7761;R2=0.934，p<0.01。

結(jié)合每木檢尺的胸徑數(shù)據(jù)，利用公式計算所有樣樹的樹高。根據(jù)毛白楊二元材積表[22]，計算試驗(yàn)林木的單株材積，進(jìn)而得到每小區(qū)林木蓄積量，通過試驗(yàn)小區(qū)占地面積(96 m2)換算林分蓄積量。由生長季末和生長季初林分蓄積量差值計算林分年蓄積生長量。

2.3 林木生物量與林木各器官氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定

2017和2018年生長季末對林木進(jìn)行破壞性取樣，測定林木生物量及器官氮含量，并計算林木氮吸收量。2017年選取W20NL、W20NM、W20NH及CK處理，各處理分別于Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)組選取4株林木，2018年選取W20NL、W20NM、W20NH、W20N0、W33NH、W45NH及CK處理，各處理分別于Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)組選取3株平均標(biāo)準(zhǔn)木，共計砍伐樣樹37株。通過人工挖掘的方式，以樹干為中心，獲取林木平均生長空間內(nèi)(2 m×3 m)根系生物量，采集深度約為1 m。樣樹采伐后，地上部分分為葉、枝、干，地下部分分為根樁、粗根(根直徑>2 mm)及細(xì)根(根直徑≤2 mm)，稱各器官的鮮質(zhì)量，并獲取各器官對應(yīng)樣品。樣品稱量后帶回實(shí)驗(yàn)室于烘箱中65 ℃烘干，直至樣品質(zhì)量不再發(fā)生變化，得到樣品干質(zhì)量，以此計算各器官對應(yīng)含水率；利用鮮質(zhì)量數(shù)據(jù)，計算林木各器官的生物量。此外，由于林木在生長季末開始落葉，在樣樹采伐的試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取5個1 m×1 m的樣方收集落葉，以此估算不同處理林木落葉生物量。葉片生物量為落葉生物量和樣樹上存留的葉片生物量的總和。樣樹總生物量為不同器官生物量之和。

采用濃硫酸-雙氧水法[23]消解各處理不同器官的烘干樣品，利用連續(xù)流動分析儀AA3(Seal,Germany)測量葉、枝、干、根樁、粗根及細(xì)根的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)器官氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和器官生物量計算林木各器官氮吸收量，各器官氮吸收量的總和為林木吸收氮量。

2.4 灌溉水利用效率及林分氮吸收量的計算

灌溉水利用效率：2017—2019年W45處理林地年均灌溉量為14.06 mm，遠(yuǎn)低于林地年均蒸發(fā)量，因此可將W45處理等同于不灌水處理。根據(jù)水表讀數(shù)獲得2017—2019年W20處理和W45處理生長季內(nèi)灌水量，根據(jù)對應(yīng)處理林木生物量數(shù)據(jù)，通過公式計算W20灌溉處理不同施氮量下林木灌溉水分利用效率。IWUE=(BW20Ni-BW45Ni)/(IW20Ni-IW45Ni)。式中，IWUE為灌溉水利用效率，BW20Ni和BW45Ni分別為W20Ni和W45Ni處理林分的生物量，IW20Ni和IW45Ni分別為W20Ni和W45Ni處理林地的灌溉量。

林分氮吸收量：根據(jù)擬合的林木胸徑-生物量定量關(guān)系[18]，結(jié)合林木吸氮量與生物量的定量關(guān)系[21]，利用每木檢尺數(shù)據(jù)計算各試驗(yàn)小區(qū)林木氮吸收量，進(jìn)而得到各處理林分氮吸收量。

2.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用模型分析增廣因子試驗(yàn)，對連續(xù)生長季內(nèi)林木生長(胸徑增長量、樹高增長量及林分年蓄積生長量)、器官生物量及林分氮吸收量進(jìn)行方差分析，首先對比滴灌水肥耦合處理和CK處理間的差異，進(jìn)一步分析不同灌溉水平和施氮梯度下，灌溉量和施氮量的單因素的效應(yīng)及其交互作用。運(yùn)用單因素方差分析對比2、3年生林分不同滴灌水肥耦合處理各器官氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。采用Duncan法進(jìn)行不同灌溉水平或滴灌水肥耦合處理間的差異性檢驗(yàn)(p<0.05)。運(yùn)用非線性回歸模型擬合林木葉、枝、干和根的異速生長方程，并根據(jù)每木檢尺數(shù)據(jù)計算2017—2019年各處理不同器官的生物量。采用R語言軟件(R Core Team 2015)進(jìn)行方差分析，Origin 9.0軟件進(jìn)行非線性回歸分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同處理林木的生長量

由表2可知，2017年W20處理平均胸徑增量達(dá)到3.21 cm，顯著高于其他處理28.24%(p<0.05)；2018年W20處理平均胸徑增量達(dá)到2.74 cm，顯著高于W45和CK處理6.42%(p<0.05)；而2019年胸徑生長量降低，各處理平均胸徑增量達(dá)到1.68 cm。2017年W20處理樹高增量平均達(dá)到4.11 m，顯著高于CK處理35.20%(p<0.05)。2017年和2018年W20處理林分年蓄積生長量分別達(dá)到20.18、34.58 m3·hm-2，比CK高出76.12%和20.84%。與CK對比，滴灌水肥耦合處理對短輪伐期內(nèi)毛白楊林木生長的作用在不同林齡林分中不同。滴灌水肥耦合顯著促進(jìn)2017—2018年林木胸徑生長及2017年樹高生長(p<0.05)；滴灌顯著促進(jìn)2017—2018年胸徑生長及林分年蓄積生長量的提高。

表2 2017—2019年各處理林木生長指標(biāo)的年增長量

3.2 同一灌溉水平不同施肥處理水分利用效率

由表3可知，2017—2019年W20NH處理，灌溉水利用效率顯著高于其他處理(p<0.05)，2017—2019年分別為其他處理平均灌溉水利用效率的1.83、2.03和2.46倍，平均達(dá)到1.58 kg·m-3。

表3 2017—2019年充分灌溉不同施氮處理灌溉水分利用效率(N=5)

3.3 林木各器官的生物量

由表4所示，分別構(gòu)建葉、枝、干及根的異速生長方程(p<0.001,R2=0.795～0.950)，利用生長季末每木檢尺數(shù)據(jù)估算2017—2019年不同處理各器官生物量。

表4 林木各器官生物量異速生長方程(N=37)

由表5可知，2017—2019年，充分灌溉處理(W20)葉、枝、干和根生物量顯著高于其它處理(p<0.05)，W20處理的年平均生物量分別達(dá)到4.72、8.10、21.65和6.59 t·hm-2，是其它處理葉、枝、干和根年平均生物量的18.38%、27.16%、29.58%和19.53%。

表5 2017—2019年不同灌溉水平滴灌水氮耦處理各器官的生物量(N=5)

3.4 器官氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與林木氮吸收量

由表6可知，除2017年W20NL處理細(xì)根氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于W20NH和CK處理(p<0.05)，其它器官氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同處理間差異均不顯著。與其他器官相比，葉片氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，林分葉片氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.25～20.79 g·kg-1，枝的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.23～6.73 g·kg-1，干的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.39～1.65 g·kg-1，根樁的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.16～2.13 g·kg-1，粗根的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.97～8.84 g·kg-1。

由表7可知，2017—2019年滴灌水氮耦合(DIF)處理林木氮吸收量顯著高于CK(p<0.05)，W20處理能顯著提高林木氮吸收量，2017—2019年分別為97.92、208.06和300.20 kg·hm-2，2017和2018年W20處理顯著高于其他處理23.43%和22.96%，2019年顯著高于CK24.29%(p<0.05)。

表6 2017和2018年不同處理各器官氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(N=37)

表7 2017—2019年各滴灌水氮耦合處理林木氮吸收量

4 結(jié)論與討論

4.1 滴灌水氮耦合對短輪伐期林木生長的影響

通過對短輪伐期內(nèi)毛白楊林木胸徑、樹高及林分年蓄積生長量的變化規(guī)律分析，發(fā)現(xiàn)沙壤土立地下，滴灌水氮耦合(DIF)措施顯著促進(jìn)2—3年生林木胸徑生長，提高短輪伐期毛白楊林分年蓄積生長量。與增施氮肥對比，滴灌對2017—2019年林木生長的促進(jìn)作用明顯，W20灌溉處理2、3、4年生毛白楊林分年蓄積生長量分別達(dá)到20.18、34.58、36.06 m3·hm-2，較CK高出20.84%～76.12%。溝灌水氮耦合下3年生毛白楊林分年蓄積生長量最高達(dá)到33.37 m3·hm-2[11-12]，滴灌施氮下5年生毛白楊林分年蓄積生長量達(dá)到9.1 t·ha-1(約為27.16 m3·hm-2[24])；滴灌水氮耦合下4、5、6年生歐美楊林分蓄積增量最高分別達(dá)到11.54、27.85和25.96 m3·hm-2[14，25]，滴灌9年生歐美楊人工林蓄積年生長量達(dá)到38.92 m3·hm-2，5 m×5 m栽植模式下,8年生歐美楊林分年蓄積生長量平均達(dá)到8.9 t·hm-2(約為26.57 m3·hm-2)[26]。不同立地、品種、無性系、林齡及集約經(jīng)營措施下楊樹人工林林分年蓄積生長量存在一定的差異，但滴灌增施氮肥對林木生長無明顯作用，且灌溉和施氮的交互效應(yīng)不明顯，但研究發(fā)現(xiàn)滴灌施肥能顯著提高0～20 cm土層林地?zé)o機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且2、3年生林木不同月份葉片氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均高于19 mg·kg-1[6，21]，不同施氮處理葉片氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)并未產(chǎn)生明顯差異，說明該立地條件下林木生長尚未受到氮脅迫[27]。造林時施用基肥(有機(jī)-無機(jī)復(fù)合肥70 g/株)為幼林生長也提供一定的氮素，滴灌增施氮肥對短輪伐期毛白楊林木生長無明顯影響。此外，短輪伐期內(nèi)滴灌水氮耦合對林木生長的影響隨林齡增加而減弱，即2、3年生林木生長受滴灌水氮耦合及滴灌的促進(jìn)作用明顯，水肥對4年生林分生長的影響減弱，結(jié)合林分葉面積指數(shù)(LAI)的年際變化規(guī)律，4年生林分葉面積指數(shù)值較3年生林分降低，說明隨著林齡的增長林分密度開始成為影響林木生長的關(guān)鍵因子。

通過建立器官生物量和林木胸徑的異速生長方程，進(jìn)一步分析滴灌水氮耦合處理對連續(xù)生長季內(nèi)各器官生物量的影響。研究發(fā)現(xiàn)高灌溉或高施肥處理對2、3年生毛白楊林木器官生物量的分配比例具有一定的影響，但2017—2019年林木各器官生物量僅受滴灌的影響顯著，增施氮肥及水氮交互作用對林木各器官生物量影響均不顯著。氮素是限制速生樹種生長的重要元素，不同楊樹品種及無性系對施氮量、施氮種類等響應(yīng)均不同，在一定范圍內(nèi)施氮量與林木生長呈正相關(guān)關(guān)系，而過量施用氮肥則對林木生長產(chǎn)生抑制作用[11-12，28-30]。滴灌和施肥對林木器官生物量的不同影響，進(jìn)一步明確水分管理是沙地短輪伐期毛白楊培育的關(guān)鍵，這與有關(guān)的研究結(jié)果一致[13-14，19，31]。

4.2 滴灌水氮耦合對林木水氮吸收利用的影響

滴灌水氮耦合措施顯著提高林木根區(qū)土壤含水率，直接增加滴灌濕潤體內(nèi)土壤水分有效性，提高了林地水氮利用效率，促進(jìn)了林木生長[32-33]。本研究中，充分灌溉處理(W20)顯著提高2～4年生林分年蓄積生長量，水分利用效率高氮處理明顯高于其他處理，這與于景麟等[11]研究結(jié)果不一致。由于溝灌較滴灌更易發(fā)生深層滲漏，W20NH處理具有相對較高的水分利用效率。增施氮肥能提高冬油菜產(chǎn)量及灌溉水分利用效率[34]。本試驗(yàn)中增添施氮量并未對林木生長產(chǎn)生顯著影響，但能明顯提高充分灌溉處理下的水分利用效率。

研究結(jié)果顯示，滴灌增施氮肥對器官氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及林木氮吸收量均無顯著影響，灌溉是影響沙壤土立地條件下毛白楊無性系S86林木生長的重要因素。王燁[20]對三倍體毛白楊無性系B301研究發(fā)現(xiàn)，林木器官氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及氮吸收量均受施氮量影響顯著，但在不同林齡林分中表現(xiàn)不同；于景麟等[11]研究發(fā)現(xiàn)氮肥施用對溝灌水氮耦合下3年生林木葉片及整株林木氮吸收量均有顯著影響，與本研究結(jié)果不一致。主要原因是研究對象的立地條件、氣象因子、林齡、集約栽培方式及無性系等不同，造成研究結(jié)果的差異。此外，2017—2019年W20處理，林木氮吸收量達(dá)到97.92～300.02 kg·hm-2，比CK提高了24.60～72.91 kg·hm-2。因此，為避免雨季及滴灌灌溉引起氮素淋失，在滿足林木生長的基礎(chǔ)上，可適當(dāng)減少短輪伐期毛白楊S86培育中氮肥施用量。

綜上所述，滴灌水氮耦合(DIF)措施促進(jìn)了2、3年生林木胸徑生長，提高短輪伐期毛白楊林分年蓄積生長量；增施氮肥對林木生長及氮素吸收利用無明顯作用，但提高施氮量仍能明顯提高林木灌溉水分利用效率；灌溉是影響沙壤土立地條件下毛白楊無性系S86林木生長的重要因素。因此，針對短輪伐期毛白楊培育，可采用滴灌措施以促進(jìn)2、3年生幼林生長。