摘 要：【目的】探究不同種植密度下的毛白楊葉枯落物分解特征。【方法】應(yīng)用實(shí)驗(yàn)分析與數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法，以某苗圃基地Populustomentosa Carrière S86無性系毛白楊為研究對(duì)象，共計(jì)種植45株，設(shè)計(jì)2m×2m（下簡稱D22）；4m×3m（下簡稱D43）；4m×5m（下簡稱D45）三個(gè)不同種植密度水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?！窘Y(jié)果】（1）種植密度對(duì)質(zhì)量殘留率的影響較為顯著，較高的種植密度將帶來較低的質(zhì)量殘留率；（2）不同種植密度下，葉枯落物的主要養(yǎng)分之間存在一定的差異，D45、D43和D22組別的N、C、P三種養(yǎng)分含量最高，且C∶N指標(biāo)在D22組別較高；（3）隨著種植密度的增大，養(yǎng)分殘留率整體呈現(xiàn)下降趨勢；（4）較高的種植密度有助于提升葉枯落物的分解速率；（5）葉枯落物分解速率與土壤溫度和C∶N指標(biāo)之間存在顯著性，而與其他同類指標(biāo)之間則不存在顯著相關(guān)性。【結(jié)論】綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，種植密度對(duì)于毛白楊葉枯落物的特征仍然存在較復(fù)雜的影響，特別是對(duì)各項(xiàng)主要指標(biāo)的影響并不一致，因此，仍需通過智能計(jì)算等方法進(jìn)一步確定最為合理的種植密度。

關(guān)鍵詞：毛白楊葉；枯落物；分解產(chǎn)物；種植密度

引言

毛白楊因其具有的高抗逆性和高應(yīng)用價(jià)值等因素，而在多地廣泛種植，但在其種植過程中，生物多樣性不足等因素較為凸顯，特別是因其葉枯落物分解周期長而容易造成土壤肥力下降的問題十分突出，對(duì)于毛白楊種植較為不利。為有效規(guī)避此類問題，需要重點(diǎn)探究合理的種植密度，以確保毛白楊葉的分解速率處于合理水平。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地與實(shí)驗(yàn)材料

本研究以華北某地大型苗圃基地為研究案例，該試驗(yàn)地土壤為砂壤土，pH值為8.6；有機(jī)質(zhì)含量約為8.60g/kg，全N平均值為0.59g/kg；有效P含量平均值為8.09mg/kg，速效K含量平均值為90.00mg/kg，經(jīng)鑒定確定為典型的適宜毛白楊生長的土壤環(huán)境[1]。當(dāng)前，該基地主要種植編號(hào)為Populustomentosa CarrièreS86無性系毛白楊，因此選擇該類植株作為實(shí)驗(yàn)材料，于2021年4月，挑選此類植株中長勢基本相同的兩年生毛白楊植株進(jìn)行研究，共計(jì)選取45株。上述植株的苗高為5.80±0.12m，地徑為6.1±0.1cm。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在選定毛白楊植株后，采用單因素完全隨機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以種植密度為變量，設(shè)計(jì)三個(gè)水平，分別為2m×2m（下簡稱D22）、4m×3m（下簡稱D43）、4m×5m（下簡稱D45），三次重復(fù)，共劃定9個(gè)研究區(qū)域。各個(gè)研究區(qū)域均以南北走向?yàn)殚L，東西走向?yàn)閷挘仓晷邢騽t設(shè)定為南北走向，以確保所有植株均可得到均勻光照。

1.3 實(shí)驗(yàn)取樣方法

應(yīng)用網(wǎng)袋法采集毛白楊葉枯落物。在具體實(shí)驗(yàn)過程中，于2021年11月開始布置實(shí)驗(yàn)，在對(duì)每個(gè)種植區(qū)進(jìn)行必要的雜物清理后，均采用隨機(jī)布置方法，布置10個(gè)規(guī)格為90g的葉枯落物網(wǎng)袋，其中，5個(gè)網(wǎng)袋用于測定葉枯落物質(zhì)量；另外5個(gè)網(wǎng)袋則用于測定葉枯落物的養(yǎng)分含量。同時(shí)，所有葉枯落物網(wǎng)袋進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，為1-90。

選取以下五個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：2021年11月22日、2022年3月22日、2022年6月22日、2022年9月22日、2022年11月22日，在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)均使用電子分析天平測定5個(gè)葉枯落物網(wǎng)袋質(zhì)量，另外5個(gè)葉枯落物網(wǎng)袋則帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定，主要測定指標(biāo)如下。

一是，測定枯落物的分解速率，其以O(shè)lson指數(shù)衰減模型進(jìn)行擬合，同時(shí)，假定枯落物分解比例達(dá)到95%時(shí)視為完全分解，此階段消耗時(shí)間即作為分解周期，由此得到以下計(jì)算公式。

二是，測定枯落物的養(yǎng)分含量。在收集到葉枯落物網(wǎng)袋中的物質(zhì)后，對(duì)葉片枯落物依次進(jìn)行烘干、粉碎和過400目篩處理操作，上述操作完成后分別進(jìn)行以下3組平行實(shí)驗(yàn)：（1）采用外加熱-重鉻酸鉀容量法（引用方法的參考文獻(xiàn)），對(duì)有機(jī)C進(jìn)行測定；（2）采用全自動(dòng)定N儀測定全N含量；（3）采用鉬銻抗比色法測定全P含量。

三是，測定枯落物的殘留率，參考相關(guān)文獻(xiàn)[2]，計(jì)算公式如下：

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法

在得到原始數(shù)據(jù)后，首先應(yīng)用Excel2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和整理，而后以SPSS26.0為工具，采用單因素方差分析方法，判斷不同種植密度對(duì)葉枯落物質(zhì)量殘留率、養(yǎng)分含量、養(yǎng)分殘留率、分解速率、半衰期和分解周期等指標(biāo)是否存在顯著性影響。針對(duì)存在顯著性影響的指標(biāo)，則使用多重比較方法，不同密度之間的差異顯著性[3]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量殘留率分析

在本環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)上述D22、D43和D45三種實(shí)驗(yàn)密度，分析本次研究的毛白楊S86無性系品種的葉枯落物質(zhì)量殘留率變化情況，通過匯總數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，得到分析結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1可知，無論選擇何種種植密度，葉枯落物的質(zhì)量殘留率均隨著時(shí)間的推移而逐步降低，三種條件下的質(zhì)量殘留率變化存在一定的共性，即在6至9月間存在明顯的下降趨勢，而在其他時(shí)段的下降幅度則相對(duì)較小，初步推斷，造成這種現(xiàn)象的主要原因是溫度影響毛白楊的代謝[4-5]。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析差異性。結(jié)果顯示，當(dāng)種植密度為D22時(shí)，該密度下的區(qū)塊中葉枯落物質(zhì)量變化趨勢相對(duì)緩慢，其質(zhì)量殘留率也相對(duì)最高，為81%；而密度為D43和D45情況下的質(zhì)量殘留率則分別為77%和72%。經(jīng)方差分析后確定這種差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，特別是密度D45條件下的質(zhì)量殘留率顯著低于D22，這表明種植密度對(duì)質(zhì)量殘留率的影響較為顯著，較高的種植密度將帶來較低的質(zhì)量殘留率。

2.2 養(yǎng)分含量分析

本環(huán)節(jié)主要探究不同種植密度下葉枯落物養(yǎng)分含量（C、N、P）的動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)，為評(píng)價(jià)土壤肥力和有機(jī)質(zhì)含量，引入C∶N這一評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，得到分析結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，在不同種植密度下，葉枯落物的主要養(yǎng)分之間存在一定的差異，就N含量而言，種植密度D45時(shí)最高，D43次之，D22最低，且D45的N含量顯著高于D43和D22，這種差距具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。就C含量而言，D43最高，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著高于其他兩種種植密度。就P含量這一指標(biāo)而言，D22最高，D45次之，D43最低，最大值與最小值之差為0.38g/kg，仍具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。此外，通過對(duì)C∶N這一評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析后獲知，在上述三種種植密度下，D22最高，D43次之，D45為最低，且D22與D43、D43與D45之間的差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。綜合上述分析結(jié)果可知，葉枯落物養(yǎng)分與種植密度之間存在密切相關(guān)，其中C含量在密度D43下變化最顯著，降低幅度達(dá)到300g/kg；N和P含量在D45種植區(qū)下的變化更明顯，降幅分別為1.57g/kg和0.47g/kg。

另一方面，從一年的實(shí)驗(yàn)時(shí)間跨度分析可知，不同養(yǎng)分的變化趨勢各不相同，其中，C和N兩種元素的含量呈現(xiàn)出先增后降的態(tài)勢，在2022年3月末達(dá)到頂點(diǎn)，而P元素含量則表現(xiàn)為“下降—上升—下降”的變化趨勢，在2022年9月達(dá)到頂點(diǎn)；此外，C∶N這一評(píng)價(jià)指標(biāo)先降后升，其最低點(diǎn)位于2022年9月22日。

2.3 養(yǎng)分殘留率分析

基于章節(jié)1.3中的葉枯落物養(yǎng)分殘留率計(jì)算方法，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，得到葉枯落物中C、N、P三種主要元素在研究時(shí)間跨度內(nèi)的變化趨勢，結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2可見，在一年的時(shí)間跨度內(nèi)，C和N兩種元素的殘留率均以D45種植條件為最低，而P在D43種植密度條件下為最低。同時(shí)，選取2022年11月22日測試數(shù)據(jù)（即實(shí)驗(yàn)終止節(jié)點(diǎn)）做進(jìn)一步分析，得到具體的養(yǎng)分殘留率對(duì)比如表2所示。

由表2中可知，整體養(yǎng)分變化強(qiáng)度由大到小排列依次為C＞P＞N，僅在D43條件下存在一定變化，此條件下C養(yǎng)分殘留率略高于P養(yǎng)分殘留率。

2.4 葉枯落物分解參數(shù)分析

在1年的實(shí)驗(yàn)完成后，基于原始數(shù)據(jù)，并以上文所述的Olsen指數(shù)衰減模型計(jì)算不同種植密度下的分解系數(shù)、半衰期和分解周期，得到計(jì)算結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3中可知，不同葉枯落物的分解速率不同，D45條件下對(duì)應(yīng)的分解速率最高（即分解系數(shù)最高，且半衰期和分解周期均最短），D43次之，D22最低，方差分析結(jié)果表明，種植密度對(duì)葉枯落物的分解速率之間存在顯著影響（p＜0.05），但相對(duì)而言，D22和D43之間并不存在顯著差異。

2.5 分解速率與養(yǎng)分含量的相關(guān)性

為探究分解速率是否與養(yǎng)分含量之間存在相關(guān)性，以初始的土壤養(yǎng)分調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用SPSS中的回歸分析模型，對(duì)枯落物分解速率與初始養(yǎng)分含量進(jìn)行相關(guān)分析，得到分析結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4可知，C∶N指標(biāo)與初始養(yǎng)分含量之間存在較為顯著的負(fù)相關(guān)，即降低C∶N指標(biāo)的數(shù)值有助于增加葉枯落物的分解速率。同時(shí)，另外三項(xiàng)指標(biāo)的分析結(jié)果中，相關(guān)系數(shù)r均較小，因此可初步推斷該三項(xiàng)指標(biāo)與分解速率之間不存在顯著相關(guān)性。

2.6 土壤溫度和濕度的影響因素分析

為探究土壤溫度和濕度在葉枯落物分解過程中是否存在較為顯著的影響作用，在實(shí)驗(yàn)過程中，測量5個(gè)典型時(shí)間節(jié)點(diǎn)下，不同種植密度的土壤溫度和濕度，得到土壤溫度和濕度原始數(shù)據(jù)分別如表5和表6所示。

運(yùn)用SPSS內(nèi)置的回歸分析模型進(jìn)行分析表5和表6中的原始數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，葉枯落物分解速率與土壤溫度之間的相關(guān)系數(shù)為0.814，葉枯落物分解速率與土壤濕度之間的相關(guān)系數(shù)則為0.126。據(jù)此可知，葉枯落物的分解速率與溫度呈正相關(guān)，具有顯著性，即溫度的提升能夠加快分解速率，這與溫度提升加快化學(xué)反應(yīng)速率不無關(guān)聯(lián)。同時(shí)，濕度對(duì)葉枯落物的分解速率并不產(chǎn)生顯著影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過綜合研究上述多方面的實(shí)證分析結(jié)果后，可得出如下結(jié)論。

一是，就不同種植密度下的葉枯落物初始N養(yǎng)分而言，其表現(xiàn)為D45＞D43＞D22，而C∶N指標(biāo)的排序則與之恰好相反，這表明葉枯落物分解速率與初始N元素含量呈正相關(guān)，與C∶N指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)。初步推斷，造成這種現(xiàn)象的主要原因是，不同的種植密度會(huì)導(dǎo)致植株存在不同的生理代謝狀況，同時(shí)植株將在葉片凋落前及時(shí)轉(zhuǎn)移葉片中的養(yǎng)分以重復(fù)利用，這種現(xiàn)象在種植密度較高時(shí)更為突出（因密度高導(dǎo)致植株更缺乏環(huán)境資源）。

二是，毛白楊葉枯落物分解速率與初始N元素含量之間并無相關(guān)性，與以往的相關(guān)文獻(xiàn)資料存在一定出入[6]。對(duì)此，結(jié)合實(shí)際調(diào)查結(jié)果綜合分析知，由于實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)樯橙劳?，且在?shí)驗(yàn)前已經(jīng)連續(xù)種植楊樹類植株達(dá)10年以上，土壤肥力已出現(xiàn)明顯下降，加之部分微生物的固N(yùn)作用較為突出，因此，葉枯落物中的N元素含量與分解速率之間無相關(guān)性。

三是，針對(duì)環(huán)境因子方面的研究可知，毛白楊葉枯落物的分解速率僅與土壤溫度相關(guān)而與土壤濕度不相關(guān)，與已有的部分研究結(jié)果之間存在出入[7]（相關(guān)文獻(xiàn)論證了分解速率與土壤濕度之間的相關(guān)性）。初步推斷，造成這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要原因是，本次實(shí)驗(yàn)為原位實(shí)驗(yàn)，且各個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)塊之間距離較近，導(dǎo)致土壤在溫度和濕度上不存在顯著梯度，進(jìn)而造成土壤濕度與分解速率之間不存在相關(guān)性。

四是，葉枯落物質(zhì)量的季節(jié)性特征較為突出，具體表現(xiàn)為6-9月的分解速率較高，而其余時(shí)段的分解速率偏低，特別是以11月-次年3月為最低。初步推斷，造成這種變化態(tài)勢的主要原因是，溫度對(duì)生物化學(xué)反應(yīng)的速率等指標(biāo)存在較為突出的影響，同時(shí)，溫度較高時(shí)土壤微生物也較為活躍，以上兩種因素疊加使得分解速率較高。此外，當(dāng)種植密度達(dá)到D45時(shí)，枯落物的分解速率顯著高于D22和D43，初步推斷，其主要原因可能是在該種植密度下，土壤環(huán)境水熱條件相對(duì)較高，對(duì)于土壤微生物的活性起到一定的促進(jìn)作用。

五是，不同養(yǎng)分元素在枯落物分解中的釋放模式存在差異（圖2）。具體來看，C和N兩種元素均表現(xiàn)為先富集后釋放的特點(diǎn)，與既有研究資料保持一致，初步推斷，其主要原因是在春季增加的微生物因無法得到充足養(yǎng)分，導(dǎo)致凋落物分解受限，使得C和N兩種元素暫時(shí)富集。另外，P元素的釋放模式為“富集—釋放”，與針葉林相類似，P元素含量整體隨著時(shí)間推移而降低，初步推斷，其主要原因是，該地區(qū)土壤中的P元素含量相對(duì)較高，已經(jīng)達(dá)到微生物對(duì)P元素的需求量[8]。

六是，種植密度對(duì)枯落物的質(zhì)量殘留率、養(yǎng)分殘留率和分解速率均存在顯著影響，隨著密度的增加，質(zhì)量殘留率和養(yǎng)分殘留率下降，而分解速率上升，因此，提高種植密度有助于加快葉枯落物分解周期，并在一定程度上緩解土壤肥力下降的趨勢。但過高的種植密度也帶來土壤有機(jī)質(zhì)消耗加劇的問題，因此，在后續(xù)的研究中，可通過應(yīng)用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的智能算法，對(duì)合理的種植密度予以確定。

4 結(jié)束語

整體來看，在本次研究工作中，以某苗圃基地Populustomentosa Carrière S86無性系毛白楊植株為研究對(duì)象，以三種種植密度水平開展實(shí)驗(yàn)，分析不同種植密度下的毛白楊葉枯落物分解特征。結(jié)果顯示，種植密度對(duì)枯落物的質(zhì)量殘留率、養(yǎng)分殘留率和分解速率均存在顯著影響；隨著密度的增加，質(zhì)量殘留率和養(yǎng)分殘留率下降，而分解速率上升；同時(shí)，葉枯落物分解速率與C∶N成反比，與土壤溫度呈正比。預(yù)計(jì)上述研究結(jié)論可為后續(xù)的毛白楊種植密度選擇提供參考借鑒。當(dāng)然，在今后的研究中，仍需要進(jìn)一步探究葉枯落物與土壤微生物和酶等要素之間的關(guān)聯(lián)，以進(jìn)一步拓展研究。

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