配方施肥對華北落葉松葉枝根及土壤氮磷鉀及計量比的影響

關(guān)鍵詞：氮磷鉀；配比施肥；華北落葉松；器官；土壤；養(yǎng)分計量比

中圖分類號：S791.21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-923X（2023）12-0126-11

近幾年，我國年均木材缺口達(dá)3×108 m3 以上，木材供需的結(jié)構(gòu)性矛盾呈不斷擴(kuò)大的趨勢[1-2]。加快大徑材人工林的培育，能夠有效降低木材進(jìn)口依存度。大徑材人工林的培育主要聚焦在立地條件選擇、林分密度控制、施肥管理等方面[3-4]。其中，施肥是培育大徑材的一項重要的技術(shù)措施，對林木未來能否成為良好用材尤為關(guān)鍵。尤其是中齡林和近熟林的林木，由于其個體對養(yǎng)分的需求增加，適宜地進(jìn)行施肥管理能夠改良土壤，提高林木生產(chǎn)力[5]。

氮（N）、磷（P）、鉀（K）作為植物生長的必需營養(yǎng)元素，與各種生理代謝密切相關(guān)，在維持森林養(yǎng)分循環(huán)、能量流動和生態(tài)系統(tǒng)功能等方面都具有重要的作用[6-7]。氮素與光合作用密切相關(guān)，可以調(diào)節(jié)植物的生命活動[8]；磷素主要參與光合、呼吸和能量代謝等生理過程[9]；鉀素主要參與植物體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)和代謝調(diào)控，以及對非生物和生物脅迫的響應(yīng)[10]。對植物體各器官及土壤環(huán)境養(yǎng)分含量及計量比的研究，有助于揭示樹體對營養(yǎng)元素的分配和利用狀況，化學(xué)元素的變化對群落結(jié)構(gòu)、植物養(yǎng)分利用效率和生產(chǎn)力等都有一定的影響[11-12]；同時，不同器官的化學(xué)計量特性與生理過程、養(yǎng)分貯藏和功能分化等有關(guān)[13]，各元素在不同器官的分配也會進(jìn)行適應(yīng)性地調(diào)整[14]。大量研究表明，不同的氮磷鉀施肥量及配比均能不同程度地引起植物各器官營養(yǎng)元素含量的變化[15]；徐福利等[8] 研究發(fā)現(xiàn)氮磷配施能明顯提高華北落葉松根、莖、葉中氮磷含量，以N 15 g·m^-2和P₂O₅ 7. 5 g·m^-2 （N2P）的配施增加量最高；陳欽程[16] 研究發(fā)現(xiàn)，氮磷配施可以提高土壤中氮磷鉀的含量，且效果好于單施氮肥或磷肥。由此可見，合理的配方施肥能夠為林木補(bǔ)充營養(yǎng)，研究植物各器官及土壤氮磷鉀含量對配比施肥的響應(yīng)有利于揭示林木生長的養(yǎng)分限制狀況。

華北落葉松Larix principis-rupprechtii 作為華北地區(qū)主要的造林和用材樹種，在木材供給和生態(tài)效益等方面具有重要作用[17]。近年來，市場對木材的需求急劇增加，尤其是優(yōu)質(zhì)大徑材資源極其匱乏[18]，合理高效地培育華北落葉松能有效緩解大徑材短缺的問題。因此，本研究以達(dá)到近熟林的32 年生的華北落葉松為試驗材料，設(shè)置不同水平氮磷鉀配比施肥試驗，研究不同配方施肥對華北落葉松針葉、枝條、細(xì)根及土壤氮磷鉀含量及計量比的影響，探究華北落葉松生長的養(yǎng)分限制狀況，為提高華北落葉松人工林的生產(chǎn)力，進(jìn)行科學(xué)合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在塞罕壩機(jī)械林場陰河分場前曼甸營林區(qū)試驗基地進(jìn)行（116°51′ ～ 117°39′E，42°02′ ～42°36′N），海拔1 500 ～ 1 940 m，年均氣溫-1.5℃，年均降水量530 mm，年平均蒸發(fā)量1 388 mm，屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候。華北落葉松其林分內(nèi)林木平均樹高14.56 m，平均胸徑18.35 cm；土壤類型以灰色森林土為主，其試驗林地土壤肥力本底化學(xué)性質(zhì)為：pH 值為5.41，有機(jī)質(zhì)為42.19 g·Kg^-1， 堿解氮162.13 mg·Kg^-1， 有效磷為8.58 mg·Kg^-1， 速效鉀為97.25 mg·Kg^-1， 全氮為0.64 g·Kg^-1，全磷為0.38 g·Kg^-1，全鉀為5.30 g·Kg^-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用N、P、K 三因素三水平正交設(shè)計L₉（3⁴），以不施肥為空白（CK），共10 個處理。將試驗地劃分為3 個區(qū)組，各區(qū)組的10 個處理采用完全隨機(jī)排列，共30 個小區(qū)，每個小區(qū)處理6棵樹，以避開邊緣效應(yīng)和相鄰處理的影響，小區(qū)間設(shè)有保護(hù)行。N、P、K 施肥量根據(jù)華北落葉松大徑材生長所需養(yǎng)分與土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行確定：合理施肥量=（林木對養(yǎng)分的吸收量- 土壤中養(yǎng)分含量）/ 肥料的利用率[19]，具體配方施肥試驗處理設(shè)計見表1。于2021 年5 月中旬進(jìn)行整地，并按上述各施肥配方的用量將尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀均勻混合后，在無烈日或暴雨的天氣狀況下進(jìn)行施肥，采用單株穴施的方式，施后立即覆土。

1.3 樣品采集與指標(biāo)測定

于2021 年8 月底采用挖掘法在土壤表層（0 ～ 20 cm）采集林木細(xì)根和土壤樣品，用高枝剪法在樹冠中部采集林木針葉和枝條。將采集的新鮮針葉、枝條和細(xì)根樣品裝入信封袋，于烘箱中105 ℃下殺青2 h，在75 ℃下烘干至恒質(zhì)量，烘干后的樣品用粉碎機(jī)粉碎研磨后過100 目篩裝入密封袋保存；土壤樣品待自然風(fēng)干后，研磨后過100目篩裝入密封袋保存進(jìn)行指標(biāo)測定。植物和土壤的全氮、全磷、全鉀均采用H₂SO₄ ～ H₂O₂ 消煮，全N、全P 采用全自動間斷分析儀（Smartchem450AMS Alliance） 測定， 全K 采用火焰光度計法測定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010、SPSS 25.0 軟件進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的整理和分析，采用單因素方差分析（one-wayANOVA）、Duncan 檢驗方法進(jìn)行多重比較，差異顯著性水平P=0.05；利用Pearson 相關(guān)系數(shù)，分析各器官及土壤養(yǎng)分及計量比的相關(guān)性。以上分析結(jié)果均使用Origin 2020 軟件繪制圖表，所有作圖數(shù)據(jù)均由算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差來表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 配方施肥對華北落葉松生長的影響

不同的配方施肥處理顯著促進(jìn)華北落葉松的生長，各施肥處理均顯著高于CK，樹高和胸徑的增長量均在處理T6（N₂P₃K₁）達(dá)到峰值，高出CK95%、156%（圖1）。方差分析表明（表2）：N肥對樹高和胸徑均具有顯著影響（P ＜ 0.05），K肥只對樹高具有顯著影響（P ＜ 0.05）。多重結(jié)果表明：樹高在N 水平下差異顯著，在P 水平下無差異顯著（P ＞ 0.05），在K 水平下K₂ 與K₃ 之間差異顯著（P ＜ 0.05）；胸徑在N 水平下N₁ 與N₂ 之間差異顯著（P ＜ 0.05），在P 和K 水平下均無顯著差異性（P ＞ 0.05）。

2.2 配方施肥對土壤氮磷鉀含量及計量比的影響

不同的配方施肥處理對土壤養(yǎng)分含量具有顯著影響（P ＜ 0.05）（表3），均可以不同程度地提高土壤TN、TP、TK 含量。處理T₈（N₃P₂K₁）可以顯著提高TN 含量（P ＜ 0.05）， 高出CK91.1%；TP 含量在處理T₉（N₃P₂K₁）較CK 變化最明顯，高出28.5%；TK 含量在處理T₆（N₂P₃K₁）達(dá)到峰值，較CK 高出4.3%。相比較于CK，各施肥處理可以不同程度提高土壤N∶P、N∶K；而K∶P 中除高鉀配方，其他施肥處理均顯著低于CK（P ＜ 0.05）。

通過方差分析可知（表4），N 肥對土壤TN和TK 含量均有顯著影響（P ＜ 0.05）；P 肥對TK 含量具有顯著影響（P ＜ 0.05）；K 肥對TP和TK 含量均有顯著影響（P ＜ 0.05）。N、P、K等3 個因素對TN、TP 和TK 含量的影響由大到小依次為N ＞ K ＞ P、K ＞ P ＞ N、K ＞ N ＞ P。多重結(jié)果表明（表4）：土壤TN 含量的N₁ 與N₃間存在顯著差異（P ＜ 0.05），TK 含量的N₂ 與N₃ 間存在顯著差異（P ＜ 0.05）；TP 含量的P₁ 與P₂、P₃ 之間差異顯著（P ＜ 0.05）；TN、TP、TK含量在K 水平下均具有顯著性（P ＜ 0.05）。

2.3 配方施肥對華北落葉松葉枝根氮磷鉀含量及計量比的影響

不同施肥處理對華北落葉松各器官中N、P、K 含量的影響見圖2，在施用不同配比的氮磷鉀肥后針葉、枝條和細(xì)根中N、P、K 含量均有不同程度的變化。與CK 相比較，各施肥處理均能有效提高細(xì)根的N、P、K 含量、枝條的N、P 含量以及針葉的N 含量，而降低針葉的P、K 含量和枝條的K 含量，且各處理與CK 間差異顯著（P ＜ 0.05）。對于N 含量，針葉在處理T₄（N₂P₂K₂）達(dá)到峰值，較CK 高出32.0%；枝條在處理T₃（N₁P₃K₃）較CK 的增幅最大，為48.1%；細(xì)根在處理T₄ （N₂P₂K₂）較CK 變化最明顯，相比CK 高出30.8%。P 含量中針葉在處理T₃（N₁P₃K₃）達(dá)到峰值，較CK 低出22.5%；枝條在處理T₆ （N₃P₁K₃）較CK 的增幅最大，為39.5%；細(xì)根在處理T₉（N₃P₃K₂）較CK 變化最明顯，遠(yuǎn)高出CK 51.8%。K 含量中，針葉在處理T₈（N3P2K1）遠(yuǎn)低于CK；枝條中除中氮配方高于CK，其他處理均低于CK，在處理T₁（N₁P₁K₁）達(dá)到峰值，為4.79 mg·g^-1；細(xì)根中在處理T₇（N₃P₁K₃）較CK 變化最明顯，高出24.6%。

不同施肥處理對華北落葉松各器官中N∶P、N∶K、K∶P 含量的影響見圖3。相比較于CK，各施肥處理均不同程度地提高各器官中N∶P 和N∶K，而降低K∶P。其中，葉和枝的N∶P 均以處理T₃（N₁P₃K₃）效果最為顯著（P ＜ 0.05），而葉的N∶K 和K∶P 均已處理T₄（N₂P₁K₃）最為顯著，枝的N∶K 和K∶P 均以處理T₁（N₁P₁K₁） 最為顯著（P ＜ 0.05）；根中除低氮配方，其他各施肥處理的N∶P 和N∶K 顯著高于CK（P ＜ 0.05），而K∶P以處理T₆（N₂P₃K₁）較CK 相比降低作用最為明顯（P ＜ 0.05）。

方差分析結(jié)果表明（表4）：N 對針葉、枝條、細(xì)根的N、P、K 含量均有顯著影響（P ＜ 0.05）；P 對枝條、細(xì)根的P 含量和各器官的K 含量均有顯著影響（P ＜ 0.05）；K 對針葉P 含量、枝條N、P 含量及細(xì)根N、P、K 含量均顯著影響（P ＜ 0.05）。N、P、K 等3 個因素對針葉、枝條和細(xì)根N、P、K 含量的影響大小依次為N ＞ K ＞ P、K ＞ N ＞ P、N ＞ K ＞ P，但針葉K 含量的影響大小為N ＞P ＞ K。為進(jìn)一步探究不同水平N、P、K 對華北落葉松各器官N、P、K 含量的影響，對N、P、K 主效應(yīng)做多重比較（表4），3 個器官N、P、K 含量在N 水平下均具有顯著性，其中細(xì)根P 含量和葉、枝K 含量在N₁、N₂、N₃ 之間差異均顯著（P ＜ 0.05）；枝條和細(xì)根的P、K 含量在P 水平下均具有顯著性，其中枝K 含量在P₁、P₂、P₃ 之間差異均顯著（P ＜ 0.05）；葉P 和枝P、K 含量在K₁、K₂、K₃ 之間差異均顯著（P ＜ 0.05）。

2.4 華北落葉松葉枝根與土壤養(yǎng)分含量及化學(xué)計量比的相關(guān)性

對華北落葉松針葉、枝條和細(xì)根及土壤N、P、K 含量進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析，結(jié)果表明（表5），土壤和細(xì)根的N、P、K 含量之間均呈顯著負(fù)相關(guān)（P ＜ 0.05），土壤TN 含量與針葉N 含量呈顯著正相關(guān)（P ＜ 0.05）；針葉和枝條的P、K 含量均呈極顯著正相關(guān)（P ＜ 0.01），針葉和細(xì)根的P含量呈顯著正相關(guān)（P ＜ 0.05）；枝條和細(xì)根的N、P、K 含量均呈極顯著正相關(guān)（P ＜ 0.01）。針葉N 與P、K 含量呈顯著正相關(guān)（P ＜ 0.05）；枝P與K 含量呈顯著負(fù)相關(guān)（P ＜ 0.05）。

由表6 可知，土壤N∶P 與N∶K、K∶P 均呈極顯著正相關(guān)（P ＜ 0.01）；土壤N∶P 與針葉N∶P、N∶K 均呈極顯著正相關(guān)（P ＜ 0.01）；土壤N∶K與針葉和細(xì)根的N∶K 均呈顯著正相關(guān)（P ＜ 0.05）；土壤K∶P 與各器官的化學(xué)計量均無顯著性（P ＞0.05）；針葉、枝條和細(xì)根的N∶P 與N∶K 均呈極顯著正相關(guān)（P ＜ 0.01）；針葉、枝條和細(xì)根的N∶K 與K∶P 均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P ＜ 0.01）；針葉和細(xì)根的N∶K 和K∶P 均呈顯著正相關(guān)（P ＜ 0.05）。

2.5 主成分分析

對華北落葉松各器官及土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行主成分分析發(fā)現(xiàn)，第一主成分至第五主成分的貢獻(xiàn)率分別為307%、23.9%、15.1%、12.0%、9.2%，其累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到91.0%，可選用這5 個主成分較好的代替上述所有指標(biāo)來評判華北落葉松養(yǎng)分含量及土壤養(yǎng)分對配方施肥的響應(yīng)。根據(jù)特征值和相應(yīng)的成分載荷值進(jìn)行綜合分析見表7，計算10 個施肥處理主成分的得分及綜合得分，排名結(jié)果為：N₂P₃K₁ ＞ N₂P₁K₂ ＞ N₂P₂K₃ ＞ N₁P₃K₃ ＞N₁P₁K₁ ＞ N₃P₃K₂ ＞ N₃P₂K₁ ＞ N₃P₁K₃ ＞ N₁P₂K₂ ＞CK，所有施肥配方綜合得分均高于CK；從綜合指標(biāo)來看，主成分得分越高表現(xiàn)越好，其中N2P3K1 組合的綜合得分最高。

3 討論

3.1 配方施肥對華北落葉松各器官及土壤養(yǎng)分特征的影響

N、P、K 是不可或缺的營養(yǎng)元素，能夠促進(jìn)植物的生長和新陳代謝，土壤中養(yǎng)分不足是限制林木快速健康生長的主要原因。外源性N、P、K肥的添加可以增加土壤中缺乏的元素，改變土壤養(yǎng)分比例，提高植物各器官養(yǎng)分的含量，有利于樹木吸收生長[21]。本研究中氮磷鉀配比施肥可以提高土壤TN、TP、TK 含量，平均分別為0.78、0.55、5.36 g·kg^-1，其中處理T₈（N₃P₂K₁）的土壤TN 和TP 含量最大，處理T₆（N₂P₃K₁）的TK 含量最大，這與他人的研究結(jié)果一致。

在一定程度上，植物體內(nèi)N、P、K 的含量可以反映植物生長階段中對養(yǎng)分的吸收能力以及對外界環(huán)境的適應(yīng)能力[22]，且不同器官間營養(yǎng)元素含量的分配有一定差異性。本研究中各器官的N、P 含量表現(xiàn)為葉＞根＞枝，K 含量表現(xiàn)為葉＞枝＞根，說明N、P、K 含量的分配主要集中于生理活動活躍的器官，這與趙亞芳等[23] 對華北落葉松各器官營養(yǎng)元素的研究結(jié)果一致。不同的氮磷鉀配比施肥可以顯著提高細(xì)根N、P、K 含量、枝條N、P 含量、針葉N 含量，這與徐福利等[8]、李海亮[24]研究結(jié)果一致，說明氮、磷和鉀在一定配比下可以相互轉(zhuǎn)化和吸收，有利于植物的生長[14]，其中細(xì)根在高氮配方處理中養(yǎng)分含量較高，可能是因為根系直接與土壤接觸，其吸收養(yǎng)分的能力與土壤中有效養(yǎng)分的供應(yīng)水平有關(guān)[25]，而林地內(nèi)土壤養(yǎng)分存在一定程度的缺乏，施肥后貧瘠土壤對養(yǎng)分有效性的提高作用比肥沃土壤更為顯著。本研究中氮磷鉀配比施肥降低針葉P、K 含量和枝條K含量，主要是因為葉片對養(yǎng)分含量的變化較為敏感，樹木前期生長中需要吸收大量的養(yǎng)分，土壤中養(yǎng)分含量的不斷增加可能會對P 元素造成相對稀釋的作用，同時淋失土壤中K 元素，抑制植物對P 和K 元素的吸收，從而降低針葉中P 和K 含量[26]；而枝條中K 含量主要受到氮肥的影響，只在氮的第二水平處理下能夠促進(jìn)枝K含量的吸收。

3.2 配方施肥對華北落葉松各器官及土壤化學(xué)計量比的影響

養(yǎng)分化學(xué)計量特征能夠反映植物對環(huán)境的適應(yīng)性[27]，N∶P、N∶K 和P∶K 是土壤養(yǎng)分管理和植物生長的主要參考依據(jù)[10]。一般來說，當(dāng)植物N∶P ＞ 16，主要受P 限制，而N∶P ＜ 14 時，主要受N 限制；當(dāng)14 ＜ N∶P ＜ 16 時，則受到二者的共同限制[28]。Older 等[29] 提出N∶K ＜ 2.1時，N 為主要限制元素，N∶K ＞ 2.1，K 為主要限制元素；K∶P ＞ 3.4 時，P 為主要限制元素，K∶P ＜ 3.4 時，K 為主要限制元素。林地施肥后，土壤N∶P 低于14，這表明該地區(qū)土壤主要受到N元素的限制；華北落葉松針葉、枝條和細(xì)根中N∶ P也均小于14，說明華北落葉松生長主要受N 限制；而氮磷鉀配比施肥可以提高華北落葉松各器官及土壤的N∶P，在一定程度上合理的氮磷鉀配比施肥能夠緩解生長過程中對N 素的缺乏，有利于華北落葉松的吸收和生長[30]。本研究中土壤N∶K為0.10 ～ 0.21，K∶P 為8.21 ～ 13.80， 說明土壤受到P 元素的限制，不受K 元素的限制，可能與該地區(qū)土壤質(zhì)地和環(huán)境有關(guān)；針葉和枝條的N∶K ＜ 2.1、K∶P ＞ 3.4，而細(xì)根N∶K ＞ 2.1、K∶P ＜ 3.4，說明細(xì)根的生長會受到K 元素的影響，這可能與華北落葉松各器官特性和所處環(huán)境有關(guān)。

3.3 華北落葉松各器官養(yǎng)分含量與土壤間的協(xié)同變化

在生長發(fā)育過程中，當(dāng)植物受到某種元素的限制時，土壤養(yǎng)分濃度會直接影響植物的吸收能力，二者表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系[31-32]。本研究中，華北落葉松林地土壤TN 含量與針葉N 含量存在顯著的相關(guān)關(guān)系，表明土壤TN 是針葉N 元素的主要來源，植物的生長發(fā)育受到土壤N 元素的影響較大；而土壤和細(xì)根的N、P、K 含量之間均呈顯著負(fù)相關(guān)，主要因為植物在快速生長時期，植株根系需要從土壤中吸收大量養(yǎng)分以滿足葉片等地上器官的需求，從而形成根系養(yǎng)分含量與土壤含量呈反比關(guān)系[33]。除N∶P、N∶K 外，土壤與華北落葉松各器官化學(xué)計量比不存在顯著的相關(guān)關(guān)系，這與余杭等[34] 研究結(jié)果一致，這說明土壤養(yǎng)分化學(xué)計量比對華北落葉松養(yǎng)分的直接影響較弱，可能是因為長期生長在塞罕壩地區(qū)，華北落葉松具有適應(yīng)極端環(huán)境的能力。

植物各器官間養(yǎng)分濃度密切相關(guān)，且對其利用具有一定相關(guān)性[14]。華北落葉松針葉N 與P、K 含量呈顯著正相關(guān)，枝P 與K 含量表現(xiàn)出較好的相關(guān)性，針葉N和枝條P含量也具有顯著相關(guān)性，表明各元素在樹體內(nèi)具有一定的協(xié)同關(guān)系，這種關(guān)系可能與樹木類型和生長策略有關(guān)[34]。本研究中，P 含量在針葉與枝條和細(xì)根中均具有相關(guān)性，針葉、枝條和細(xì)根的N∶P 與N∶K 均呈極顯著正相關(guān)、N∶K 與K∶P 均呈極顯著負(fù)相關(guān)，這說明同一元素可以按照一定的分配比例儲存在不同的器官中，使它們之間能夠相互協(xié)調(diào)，更有利于樹木的生長和適應(yīng)環(huán)境[35-36]；同時，針葉與枝條的相關(guān)性更高，主要是因為枝葉生長環(huán)境一致，且來自同一枝干上，葉和枝對養(yǎng)分的獲取和吸收是相同的[37]。針葉和細(xì)根的N∶K 和K∶P 均呈顯著正相關(guān)，這說明在長期適應(yīng)環(huán)境的過程中，N、P、K 的分配在生理代謝活躍的器官中具有協(xié)調(diào)性[14， 38]。本研究初步得到最佳施肥方案為N₂P₃K₁，N、P、K 元素在華北落葉松針葉、枝條和細(xì)根及土壤間表現(xiàn)較好的相關(guān)性，但局限于針葉、枝條和細(xì)根3 個器官中，且該配方中磷為最高水平，因此在施肥最適水平上尚待進(jìn)一步探討。在未來的研究中，可結(jié)合華北落葉松的所有器官和土壤環(huán)境的養(yǎng)分特征，長期觀測林木生長和養(yǎng)分的變化，為理解華北落葉松的養(yǎng)分調(diào)控機(jī)理及高效施肥技術(shù)提供理論參考。

4 結(jié)論

綜上可知，配方施肥對華北落葉松針葉、枝條和細(xì)根及土壤養(yǎng)分含量及化學(xué)計量比具有顯著影響，其中氮肥是主要影響因素；各元素在華北落葉松器官及土壤間表現(xiàn)較好的相關(guān)性；通過主成分分析發(fā)現(xiàn)適宜改善華北落葉松針葉、枝條和細(xì)根及土壤氮磷鉀含量的最佳施肥方案為N₂P₃K₁（N 352.52 g·株^-1、P 1 621.58 g·株^-1、K 86.48 g·株^-1）。

[ 本文編校：羅列]