薛楊，高東麗

1.海南省林業(yè)科學(xué)研究院(海南省紅樹林研究院)，海南 ?？?571100；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，國家林業(yè)和草原局產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃院，北京 100091

林木施肥是根據(jù)林木對土壤養(yǎng)分需求量和土壤的供給能力，對林木進(jìn)行補(bǔ)充營養(yǎng)，以滿足林木的生長發(fā)育需求，從而最大限度的提高林木的產(chǎn)量和木材質(zhì)量，增強(qiáng)林木的健康活力和抗御病蟲害危害的能力[1]。作為森林撫育規(guī)程中的一個重要營林措施，施肥對用材林的幼齡林、短周期速生豐產(chǎn)林和珍貴樹種的培育具有重要作用[2]。同時，施肥也是森林定向培育中的一個重要環(huán)節(jié)，能夠提高培育目標(biāo)的產(chǎn)量或效能[3-5]。隨著定向培育概念的延伸，林木施肥研究已從單一林木生長培育向多行業(yè)、多功能方向擴(kuò)展。例如，城市森林營建過程中，新造人工林由于根系分布淺，對霜害、寒害、日灼等自然災(zāi)害的抵抗力弱，合理施肥管理可保證林木根系養(yǎng)分需求、促進(jìn)其營養(yǎng)元素積累，增強(qiáng)其對新的立地環(huán)境的適應(yīng)能力并最縮短其郁閉成林時間[7]。雄安新區(qū)堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的理念，按照“先植綠、后建城”的建設(shè)思路，將森林作為新區(qū)有生命的基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)計伴隨城市生長的復(fù)層、異齡、混交的“千年秀林”。但是受前期高強(qiáng)度集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和化肥過量施用的影響，造林地土壤板結(jié)、酸堿失衡的現(xiàn)象嚴(yán)重，林地和森林資源的可持續(xù)發(fā)展受到一定程度的制約。

有機(jī)質(zhì)對土壤形成、土壤肥力、生態(tài)平衡及農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面有著極其重要的作用[8]。有機(jī)肥料含有豐富的有機(jī)質(zhì)，能協(xié)調(diào)土壤中的水、肥、氣狀況，促進(jìn)微生物的活動，從而保證植物生長的養(yǎng)分需求[9-10]，增施有機(jī)肥是培肥土壤，克服土壤缺肥、鹽漬、理化性狀差的有效途徑之一[11]。北京某集團(tuán)以餐廚垃圾為原料，采用先進(jìn)的生物活化技術(shù)，使有機(jī)、無機(jī)礦質(zhì)碳素轉(zhuǎn)化成土壤肥料，增強(qiáng)肥料緩釋效果，同時成功地把量子干涉物質(zhì)應(yīng)用到肥料生產(chǎn)當(dāng)中，增強(qiáng)了土壤的光熱轉(zhuǎn)化作用，提高地溫，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)而改善了土壤結(jié)構(gòu)，為土壤固有有益菌群繁殖提供了良性的土壤生態(tài)環(huán)境。專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)檢測報告顯示，相比于市場售賣的有機(jī)肥，高碳有機(jī)肥的有機(jī)質(zhì)含量高出50%，總養(yǎng)分含量超過11%。同時，重金屬、蛔蟲卵、糞大腸菌群數(shù)都遠(yuǎn)低于限量標(biāo)準(zhǔn)[12-13]。同時，施肥尤其是有機(jī)肥的施用作為最常見的一種固碳措施，其固碳能力在國內(nèi)外已得到廣泛研究[14-15]，有機(jī)肥可減緩?fù)寥烙袡C(jī)質(zhì)的礦化速率增加土壤碳的固定[16-17]。

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為施加有機(jī)肥會提高土壤肥力，但是有機(jī)肥種類繁多，所含成分復(fù)雜，在土壤中變化的歷程較長，對土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量造成不確定的影響[11]。高能有機(jī)肥的成分雖已經(jīng)過實(shí)驗室的認(rèn)定，但是在林地中的施用效果并不清楚。此外，不同樹種對于肥料的需求偏好也不盡相同[7]。通過開展不同樹種、不同有機(jī)肥料的施用試驗，探究不同施肥方式對林木生長和土壤固碳的影響，將為城市森林的高效培育和高碳有機(jī)肥的后期推廣提供技術(shù)支撐。

1 試驗地概況

試驗區(qū)為雄安新區(qū)多功能城市森林營建項目的科研試驗林，位于容城縣北城村，東距雄安郊野公園1.3km，南距容易線公路500m。原為該村農(nóng)田，經(jīng)多年農(nóng)業(yè)連作生產(chǎn)土地肥力輕度衰退后退耕還林，屬雄安新區(qū)“千年秀林”。該地區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，四季分明，年均氣溫11.7℃，最高月（7月）平均氣溫26℃，最低月（1月）平均氣溫-4.9℃；年日照2685h，年平均降雨量551.5mm，6月至9月份占80%。無霜期185d左右。土壤類型為潮土，土層厚度＞60cm，地勢平坦、養(yǎng)分條件較好，適宜喬木生長。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗設(shè)計

為比較高碳有機(jī)肥施用效果，選取高碳有機(jī)肥、市場銷售的普通有機(jī)肥對雄安新區(qū)主要造林綠化樹種白蠟（Fraxinus chinensis）、銀杏（Ginkgo biloba）、國槐（Sophora japonica）、欒樹（Koelreuteria paniculata）和油松（Pinus tabuliformis）進(jìn)行施肥試驗。在以上5個樹種的試驗片林中，施用高碳有機(jī)肥20kg/株、普通有機(jī)肥20kg/株、高碳有機(jī)肥與普通有機(jī)肥混合肥20kg/株（各10kg）、高碳有機(jī)肥增量30kg/株、未施肥對照等5種處理方式。對于每個樹種，試驗小區(qū)內(nèi)每種處理5株數(shù)，重復(fù)3次。采用環(huán)狀溝施肥法，與樹冠垂直地面開深、寬各30cm環(huán)狀溝槽，把翻上來的土與肥料充分混勻攪拌，回填、澆水。撒施過程盡可能避光，保持土壤濕潤。

2.2 數(shù)據(jù)調(diào)查與分析

于2020年5月中旬開展樹種施肥試驗林的本底調(diào)查，試驗林為千年秀林建設(shè)中的生態(tài)林部分，選用相同圃地、相同規(guī)格的鄉(xiāng)土樹種于2018年春進(jìn)行造林，造林密度833株/hm2（株行距3m×4m），初始造林苗木規(guī)格闊葉胸徑7cm～8cm，針葉樹種樹高2.5m～3.0m，全部為大土球原生冠苗。通過踏查選取符合試驗要求的地塊，設(shè)置試驗小區(qū)，并對試驗小區(qū)內(nèi)的林木進(jìn)行編號分組，在1.3m處噴漆標(biāo)號并記錄胸徑大小，同時調(diào)查施肥林木的胸徑、樹高和冠幅指標(biāo)（表1），2020年5月下旬完成所有施肥試驗處理，并于2021年5月中旬進(jìn)行所有施肥試驗的調(diào)查工作，記錄一年內(nèi)林木的生長情況。

該研究關(guān)注不同處理施肥后土壤的變化情況，實(shí)驗區(qū)土壤養(yǎng)分條件均一，在施肥前后對不同處理土壤表層（0～20cm）和下層（21cm～40cm）進(jìn)行取樣。取樣采用梅花取樣法，對每個樹種的每一個處理，分別在施肥前與施肥一年后選取5株的施肥溝混合取樣，取樣土壤經(jīng)過多次過細(xì)篩，稱取過0.149mm篩的風(fēng)干土0.2000g，采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定[18]。每次采集表層、深層土壤共計50份。

植物三維綠量指植物莖葉三維體積，其作為綠化指標(biāo)突破原有二維綠化指標(biāo)的局限性，可更準(zhǔn)確地反映城市森林空間構(gòu)成的合理性，體現(xiàn)整個城市的生態(tài)效益水平，可用于更全面、準(zhǔn)確地描述城市森林的空間結(jié)構(gòu)以及不同城市功能區(qū)的綠化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等方面，該研究將林木樹冠近似看作錐體，采用樹高、冠幅、枝下高求算其樹冠體積，對林冠三維綠量進(jìn)行近似估計?？紤]到施肥前林分本底值不能保證完全一致，為矯正本底值對肥效的影響，通過協(xié)方差方法校正數(shù)據(jù)；所測的生長指標(biāo)用SPSS 19.0軟件進(jìn)行處理和方差分析。

表1 5種綠化樹種基本信息Tab.1 Basic Information of 5 Afforestation Tree Species

表2 施肥前后不同試驗區(qū)、不同深度土壤有機(jī)碳信息Tab.2 Information of Soil Organic Carbon in Different Experimental Areas and Depths Before and After Fertilization

3 結(jié)果分析

3.1 施肥對樹種胸徑生長影響

施肥作業(yè)對樹種胸徑生長的影響表現(xiàn)在兩個方面，一是不同施肥策略對同一樹種胸徑生長的差異；另一方面為相同策略對不同樹種的影響。

3.1.1 不同施肥策略對樹種胸徑生長量的影響

5種施肥處理下白蠟胸徑年生長量降序為A(1.26cm)、D(1.04cm)、C(0.88cm)、B(0.84cm)、E(0.80cm)，A處理顯著高于其它4種處理（P＜0.05），D處理顯著高于其他B、C、E 3種處理，B、C、E 3種處理之間差異不顯著。銀杏胸徑年生長量降序為D(0.93cm)、B(0.89cm)、C(0.87cm)、E(0.82cm)、A(0.69cm)，不同施肥處理間差異不顯著（P＞0.05）。國槐胸徑年生長量降序為D(2.56cm)、B(2.21cm)、A(1.51cm)、E(1.26cm)、C(1.14cm)，D處理顯著高于E、C處理（P＜0.05），與B、A處理差異不顯著（P＞0.05）；B處理顯著高于E、C處理（P＜0.05），A處理與C處理有顯著性差異（P＜0.05），與其他處理差異不顯著（P＞0.05），E處理和C處理差異不顯著（P＞0.05）。欒樹胸徑年生長量降序為B(1.43cm)、C(1.20cm)、A(1.17cm)、D(1.09cm)、E(0.94cm)，E處理和B處理之間有顯著差異（P＜0.05），其他處理之間差異不顯著（P＞0.05）。油松胸徑年生長量降序為A(1.05cm)、B(0.92cm)、D(0.83cm)、C(0.84cm)、E(0.73cm)，A處理顯著大于其它4個處理方式，B處理顯著高于D、E，D處理高于對照E（P＞0.05）（表3）。

表3 不同施肥方式對樹種胸徑年生長量的影響（cm）Tab.3 Effects of Different Fertilization Methods on Annual Growth of Dbh of Tree Species(cm)

3.1.2 相同施肥策略對不同樹種胸徑生長率的影響

考慮到不同樹種間生長特性的差異性，研究使用生長率，即采用生長前后的比值作為觀測值進(jìn)行比較分析。高碳有機(jī)肥與普通有機(jī)肥等量混合（A）、高碳有機(jī)肥增量使用（C）和不施肥（E）對五個樹種的生長率的影響不顯著（P＞0.05）。國槐在施用高碳有機(jī)肥（B）和普通有機(jī)肥（D）后生長率顯著高于其他樹種（P＜0.05），相對于其他樹種而言，國槐對于肥料的使用更為敏感（表4）。

表4 相同施肥方式對不同樹種胸徑生長率的影響（%）Tab.4 Effects of the Same Fertilization Method on Dbh Growth Rate of Different Tree Species（%）

3.2 不同施肥策略對樹種三維綠量的影響

5種施肥處理下白蠟三維綠量年增量降序為C（10.34m3）、D（10.10m3）、A（6.72m3）、E（5.21m3）和B（3.89m3），C、D處理顯著高于其它B、E種處理（P＜0.05），與A處理差異不顯著。銀杏三維綠量年增量降序為D(3.70m3)、B(2.27m3)、E(1.80m3)、C(1.37m3)、A(1.25m3)，D處理顯著高于其它四種處理（P＜0.05）。國槐三維綠量年增量降序為D(11.62m3)、C(11.20m3)、B(8.33m3)、A(2.63m3)、E(2.31m3)，D、C處理顯著高于A、B、E 3種處理（P＜0.05），B處理顯著高于A、E處理差異不顯著（P＜0.05）；其它處理間差異不顯著（P＞0.05）。欒樹三維綠量年增量降序為A（3.44m3）、E（1.94m3）、B（1.52m3）、D（0.51m3）、C(0.38m3)，A處理顯著高于其它四種處理（P＜0.05），B、E處理顯著高于C、D處理（P＜0.05），但兩者間差異不顯著（P＞0.05）。油松三維綠量年增量降序為A(2.37m3)、B(1.47m3)、D(0.77m3)、E(0.55m3)、C(0.52m3)，A處理顯著大于其它四個處理方式（P＜0.05），B處理顯著高于C、D、E（P＜0.05），其它處理間差異不顯著（表5）。

表5 不同施肥方式對樹種三維綠量的影響（m3）Tab.5 Effects of Different Fertilization Methods on Three-dimensional Green Amount of Tree Species(m3)

3.3 不同施肥策略對土壤有機(jī)碳動態(tài)的影響

施肥前不同實(shí)驗處理間土壤表層、土壤深層土壤有機(jī)碳差異不明顯，其中B處理區(qū)表層土壤有機(jī)碳含量最高38.86g/kg，E處理區(qū)最低32.82g/kg。深層土壤較表層土壤有機(jī)碳含量明顯下降，C處理區(qū)深層土壤有機(jī)碳含量最高21.86g/kg，E處理區(qū)最低17.98g/kg。施肥1a后，不同處理間表層土壤有機(jī)碳含量差異明顯（P＜0.05），使用高碳有機(jī)肥的B處理土壤表層有機(jī)碳含量最高189.05g/kg；其次為A處理（179.79g/kg）和C處理（152.42g/kg），3個處理的有機(jī)碳含量顯著高于D處理（101.98g/kg），D處理顯著高于未施肥處理E（32.36g/kg）。施肥1a后，不同處理間土壤深層有機(jī)碳含量差異不顯著（表2）。

施肥1a后，除未施肥的對照組E外，不同施肥處土壤表層有機(jī)碳含量明顯增加，B、A、C處理土壤表層有機(jī)碳含量顯著高于施用有機(jī)肥D處理和未施肥對照E（P＜0.05），D處理與E處理兩者差異不明顯。施肥1a后，除未施肥對照組外，土壤深層有機(jī)碳較施肥前出現(xiàn)下降，其中C處理有機(jī)碳含量下降最高，其次為A處理和B處理，三個處理均顯著高于未施肥E處理，D處理土壤深層有機(jī)碳含量雖然下降但與對照組E碳含量動態(tài)差異不明顯（表6）。

表6 施肥1年后不同深度土壤有機(jī)碳動態(tài)（g/kg）Tab.6 Dynamics of Soil Organic Carbon at Different Depths after One Year of Fertilization（g/kg）

4 結(jié)論與討論

4.1 相比于未施肥對照組而言，開展施肥作業(yè)大都能夠顯著提高林分胸徑的生長；不同施肥處理對不同樹種胸徑年增量的影響不一致，白蠟和油松在高碳有機(jī)肥和普通有機(jī)肥混合施用胸徑生長效果最好，但銀杏效果最差；有機(jī)肥施用對白蠟、銀杏、國槐3個綠化樹種徑生長效果最好，施用高碳有機(jī)肥能夠更高的促進(jìn)欒樹徑生長。高碳有機(jī)肥的單次增量使用對樹種徑生長的促進(jìn)效果不理想，沒有一種樹種是在該施肥處理下獲得最優(yōu)的徑生長效果。

4.2 同一施肥處理對不同樹種的年徑生長率影響差異不大，高碳有機(jī)肥與普通有機(jī)肥混合施用、高碳有機(jī)肥增量施用和不施肥對照三種施肥處理下，5個樹種年徑生長率無差異；國槐在高碳有機(jī)肥和有機(jī)肥的施用后徑年生長率高于其他4個樹種。

4.3 樹種三維綠量的增量受其生長特性、初期狀態(tài)的影響，白蠟和國槐三維綠量年增量在施用高碳有機(jī)肥和普通有機(jī)肥后都出現(xiàn)顯著增加，未施肥處理下銀杏樹冠三維綠量高于有機(jī)肥混用和高碳有機(jī)肥增量使用，欒樹和油松冠體三維綠量在有機(jī)肥混用和高碳有機(jī)肥施用時年增量最高。

4.4 施肥作業(yè)1a后，除未施肥對照組外土壤表層有機(jī)碳含量出現(xiàn)較為明顯的增加，高碳有機(jī)肥、高碳有機(jī)肥增量和高碳有機(jī)肥混合施用均能大幅度提高表層土壤有機(jī)碳含量，施用有機(jī)肥也能增加土壤有機(jī)碳含量，未施肥處理土壤表層有機(jī)碳出現(xiàn)了小幅下降。深層土壤有機(jī)碳表現(xiàn)出與表層土壤有機(jī)碳相悖的結(jié)果，高碳有機(jī)肥增量、高碳有機(jī)肥混合和高碳有機(jī)肥施用1a后，深層土壤有機(jī)碳出現(xiàn)較為明顯的下降，有機(jī)肥施用也會造成深層土壤有機(jī)碳的小幅下降，未施肥組土壤深層有機(jī)碳則出現(xiàn)較為明顯的增加。

4.5 在林地養(yǎng)分管理中，施肥在改善土壤肥力狀況，調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)林木發(fā)育，改變土壤碳庫結(jié)構(gòu)等方面有著十分重要的作用。雄安新區(qū)千年秀林主要由耕地轉(zhuǎn)化而言，這些耕地雖土層深厚但長期過量施用化肥，土壤肥力和土地生態(tài)質(zhì)量已出現(xiàn)明顯下降。有機(jī)肥含有豐富的有機(jī)質(zhì)，改善土壤理化環(huán)境，維持土壤養(yǎng)分平衡，促進(jìn)林木發(fā)育并實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用[11]。該研究中，源于城市生活廢棄物轉(zhuǎn)化的高碳有機(jī)肥在促進(jìn)林木徑干生長、增加樹種三維綠量與有機(jī)肥相比在某些造林綠化樹種上已表現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)越性，但是肥料的過量使用并沒有更加突出的效果。

該研究中高碳有機(jī)肥在提高土壤表層有機(jī)碳含量的效果上明顯優(yōu)于有機(jī)肥，能夠更好的提高土壤碳儲存的能力，但施肥后深層土壤碳的降低也是值得關(guān)注的問題。此外，有機(jī)肥還可能促進(jìn)土壤溫室氣體（CO2，CH4等）的排放[19-20]，在“雙碳”目標(biāo)導(dǎo)向的城市綠化管護(hù)中，如何合理通過合理的施肥作業(yè)改善林分生長、健康狀態(tài)并提高土壤碳存儲的能力還需要進(jìn)一步的研究。