任衍敏, 陳敏健, 李惠通, 侯政杰, 蘇 鐵, 劉愛琴,2

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.國(guó)家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002)

杉木(Cunninghamialanceolata)作為營(yíng)造速生豐產(chǎn)林的主要樹種，因生長(zhǎng)速度快、產(chǎn)量大、抗性強(qiáng)和材質(zhì)優(yōu)良而在我國(guó)南方廣泛種植[1]。第九次全國(guó)森林資源清查結(jié)果顯示，全國(guó)杉木人工林面積達(dá)990.20萬hm2，占我國(guó)人工林總面積的17.33%[2]。目前，我國(guó)木材供應(yīng)市場(chǎng)多以中、小徑材為主，大徑材資源少，木材供需的結(jié)構(gòu)性矛盾突出，加強(qiáng)杉木中齡林的定向培育日益受到重視。長(zhǎng)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(jīng)營(yíng)，杉木人工林地力衰退現(xiàn)象普遍[3]。為促進(jìn)林木生長(zhǎng)、提高林地生產(chǎn)力，改善木材供需矛盾，施肥已成為一項(xiàng)重要的營(yíng)林措施。然而，生產(chǎn)上普遍存在盲目過量施肥現(xiàn)象，不僅造成資源浪費(fèi)，也極易引起肥飽和效應(yīng)和肥毒害現(xiàn)象，誘發(fā)杉木品質(zhì)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(dāng)前林業(yè)生產(chǎn)急需解決的重大課題。

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)從元素比率角度出發(fā)，研究生態(tài)過程中多重化學(xué)元素(主要是C、N、P等)的平衡關(guān)系[5-6]。施肥影響植物對(duì)N、P等元素的吸收和分配，從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量和生態(tài)化學(xué)計(jì)量比發(fā)生變化[7]。林地土壤化學(xué)計(jì)量特征研究對(duì)反映林木生長(zhǎng)速率與養(yǎng)分吸收的內(nèi)在聯(lián)系，表征營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)林地生產(chǎn)力的限制性作用以及揭示土壤內(nèi)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(duì)象，設(shè)置了“3414”不完全處理(鉀固定)、測(cè)土配方、測(cè)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(zhǎng)效果，并應(yīng)用生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)原理探究外源養(yǎng)分添加對(duì)杉木人工林養(yǎng)分分配格局的影響，旨在為促進(jìn)杉木人工林的速生豐產(chǎn)、地力維護(hù)和科學(xué)施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于福建省三明市三元區(qū)莘口教學(xué)林場(chǎng)(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(fēng)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(zhì)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(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì) 設(shè)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(chǔ)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(shè)置的3個(gè)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(gè)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(xué)林場(chǎng)農(nóng)戶施肥經(jīng)驗(yàn)，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(cè)土配方施肥，依據(jù)當(dāng)?shù)赝寥罍y(cè)試結(jié)果而確定[11]。處理11為測(cè)樹配方施肥，依據(jù)杉木營(yíng)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(yīng)。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，共36個(gè)小區(qū)。每小區(qū)長(zhǎng)×寬為10 m×10 m，有11～13株杉木。各小區(qū)之間均設(shè)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(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)排列。2015年3月進(jìn)行首次施肥、2018年3月進(jìn)行追肥，都采用溝施，即在距樹基100 cm的上方挖溝，溝長(zhǎng)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(zhǎng)情況的測(cè)定 于施肥前(2015年3月)對(duì)各小區(qū)進(jìn)行每木檢尺，包括單木定位、編號(hào)，調(diào)查樹高、胸徑；2019年12月使用圍徑尺和測(cè)高儀測(cè)量各小區(qū)內(nèi)杉木樹高、胸徑，并依據(jù)單株樹高、胸徑測(cè)量值計(jì)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(xué)計(jì)量特征的測(cè)定 (1)2015年3月進(jìn)行施肥前林地土壤養(yǎng)分初始情況調(diào)查。在試驗(yàn)地杉木人工林分別建立3塊20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，按照“S”型5點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室風(fēng)干過篩后測(cè)定。(2)2019年12月調(diào)查施肥后各小區(qū)土壤養(yǎng)分含量，在各小區(qū)內(nèi)按照“S”型5點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室風(fēng)干過篩后測(cè)定。土壤全碳、全氮含量采用碳氮元素分析儀(Elementar VARIO MAX CN)測(cè)定，土壤全磷含量采用硫酸高氯酸消煮鉬銻抗比色法測(cè)定[13]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 23軟件和Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 配方施肥對(duì)杉木中齡林生長(zhǎng)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(zhǎng)，各施肥處理的杉木單株材積生長(zhǎng)量均大于CK。其中，處理6、處理10和處理8的胸徑生長(zhǎng)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(zhǎng)量顯著大于CK和處理4；處理10和處理6的單株材積生長(zhǎng)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(zhǎng)量明顯高于其他處理，單株材積生長(zhǎng)量分別是CK的2.00倍和1.89倍。林木生長(zhǎng)量與氮肥、磷肥施入量之間的相關(guān)關(guān)系(表3)表明，杉木樹高生長(zhǎng)與磷肥施入量呈顯著正相關(guān)。本試驗(yàn)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(zhǎng)量隨磷肥施入量增多呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢(shì)。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(zhǎng)量也均有隨氮肥施入量增多呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢(shì)。

表2 不同施肥處理對(duì)杉木中齡林生長(zhǎng)的影響1)

表3 施肥量與杉木中齡林林木生長(zhǎng)量之間的相關(guān)性分析1)

2.2 配方施肥對(duì)杉木中齡林土壤養(yǎng)分的影響

不同施肥處理對(duì)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(shì)。(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(dá)0.05顯著水平。

2.3 配方施肥對(duì)杉木中齡林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)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(dá)0.05顯著水平。

2.4 杉木中齡林生長(zhǎng)量與土壤養(yǎng)分含量及化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性分析

杉木中齡林土壤碳、氮、磷含量及其化學(xué)計(jì)量比與杉木生長(zhǎng)量之間的相關(guān)性見表4。杉木生長(zhǎng)量與各土層土壤養(yǎng)分之間均無顯著相關(guān)關(guān)系。3個(gè)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(fù)相關(guān)(P<0.01)，C∶P與N∶P之間均呈極顯著正相關(guān)(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(guān)(P<0.01)，全碳與N∶P呈顯著負(fù)相關(guān)(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(guān)(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(guān)(P<0.01)。

表4 杉木中齡林生長(zhǎng)量與土壤養(yǎng)分含量及化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性分析1)

3 討論與結(jié)論

3.1 杉木中齡林生長(zhǎng)對(duì)施肥的響應(yīng)

為調(diào)和林木需肥與土壤供肥、提高經(jīng)濟(jì)效益與保護(hù)生態(tài)環(huán)境之間的矛盾，以養(yǎng)分補(bǔ)償學(xué)為原則的測(cè)土配方施肥在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中逐漸推廣[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，測(cè)土配方施肥(N土P土K土，處理10)對(duì)杉木林木生長(zhǎng)有顯著促進(jìn)作用，這與楊艷等[15]對(duì)楊樹人工林和劉宏宇等[16]對(duì)桉樹人工林的施肥研究結(jié)果相一致；同時(shí)，測(cè)土配方施肥也有較高的肥料利用水平。本試驗(yàn)中，處理6(N2P2K2)的林木生長(zhǎng)量?jī)H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(cè)土配方施肥可顯著提高肥料利用率。本試驗(yàn)與該研究結(jié)果相符。

本研究發(fā)現(xiàn)，林木生長(zhǎng)量隨氮肥、磷肥施入量的增多呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢(shì)，這與劉新亮等[18]、楊艷等[15]、劉宏宇等[16]的研究結(jié)果基本一致，可能與植株需肥特性有關(guān)。若肥料施用量過少，植株生長(zhǎng)增長(zhǎng)不明顯，肥效不顯著，而施用量過多則導(dǎo)致植株?duì)I養(yǎng)過?；蛟斐啥竞Γ矔?huì)影響植株生長(zhǎng)[19]。王東等[20]研究發(fā)現(xiàn)，氮磷肥配施對(duì)林木生長(zhǎng)有顯著促進(jìn)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(zhǎng)量?jī)H比CK高22.2%和33.3%，表明氮肥、磷肥單施對(duì)杉木林生長(zhǎng)成效欠佳，這與覃文淵[21]的結(jié)論相一致。

蔣華等[22]在廣西省由第四紀(jì)母質(zhì)發(fā)育的黃紅壤林區(qū)杉木中齡林對(duì)施肥的響應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)，施肥對(duì)樹高的效應(yīng)要顯著大于胸徑和單株材積，且磷肥對(duì)林木生長(zhǎng)有顯著促進(jìn)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(zhǎng)量與磷肥施入量呈顯著正相關(guān)，與蔣華等[22]的研究結(jié)果相一致，這可能與南方土壤普遍缺磷，而正值快速生長(zhǎng)階段的杉木中齡林對(duì)磷的需求量大有關(guān)。

3.2 杉木中齡林土壤養(yǎng)分特性對(duì)施肥的響應(yīng)

土壤中的C、N、P不僅是植物生長(zhǎng)發(fā)育和物質(zhì)循環(huán)的必需元素，也是考察土壤肥力狀況的重要指標(biāo)。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(cè)土配方施肥在促進(jìn)杉木生長(zhǎng)和改善林地土壤質(zhì)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(jié)果相一致。本試驗(yàn)并未施用有機(jī)肥，但所有經(jīng)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(zhǎng)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(chǔ)，且土壤微生物數(shù)量和活性的提高，也促使土壤對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解能力增強(qiáng)[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(jì)量比過高或過低都會(huì)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(biāo)，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(guó)陸地土壤C∶N平均值(14.4)[5]，表明研究區(qū)土壤經(jīng)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(guān)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(yuǎn)低于全國(guó)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(guān)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(yù)測(cè)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(guó)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(chǎn)力的主要限制性因子。對(duì)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(duì)杉木人工林土壤生產(chǎn)力的限制。

綜上所述，測(cè)土配方施肥對(duì)杉木中齡林林木生長(zhǎng)及土壤質(zhì)量改善有顯著促進(jìn)作用，且肥料利用水平更高，林木樹高、胸徑和單株材積生長(zhǎng)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(zhǎng)與磷肥施入量為顯著正相關(guān)關(guān)系。磷是限制該試驗(yàn)區(qū)土地生產(chǎn)力的因子之一，配施微肥可能有助于緩解磷對(duì)杉木人工林土地生產(chǎn)力的限制。本研究?jī)H探討了配方施肥4 a后杉木中齡林的林木生長(zhǎng)效應(yīng)和土壤狀況，今后應(yīng)持續(xù)對(duì)該試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行調(diào)查，以期確定更適宜的杉木中齡林營(yíng)林措施。