水肥耦合对油松生态林林木生长的影响

张听雨 彭祚登 贾素苹 贾建学 于凌霄

摘 要： 为减少油松定植后的死亡率，在控制成本的基础上促进油松良好生长，该研究采用裂区实验设计方法，选取三个灌溉水平与三个园林废弃物有机肥施用量进行比较试验，通过测定油松树高、胸径、叶绿素及叶片养分含量指标探究灌溉和施用有机肥对油松林木生长的影响。结果表明：灌溉可以显著提高油松在胸径、树高、生理等方面的生长指标，树高和胸径在中水灌溉（A2）下的促进效果甚至高于高水灌溉（A3）;试验处理1 a后，施肥对油松的生长影响显著，但三个施肥水平间的差异不显著;灌溉与施用有机肥之间不存在显著交互作用。综上可知，施肥和灌溉对油松的生长会产生显著的促进作用，从施肥和灌溉的效果并综合资源利用效率的角度考虑，少量施用有机肥，并以80 L·（10天·株·次）-1的灌水量在生长季（4月—9月）进行滴灌是较为经济、有效的油松生态林管护措施。

关键词： 油松， 灌溉， 施肥， 林木生长

中图分类号： Q945.1  文献标识码： A

文章编号： 1000-3142（2020）06-0836-09

开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：

Abstract： In order to explore the effects of irrigation and application of organic fertilizer on the growth of Pinus tabulaeformis after planting on the basis of cost control. The split area experiment design method was adopted in this study. Three irrigation levels and three application amounts of organic fertilizer of garden waste were selected for comparative experiment. The effects of different treatments on the growth of P. tabulaeformis forest were studied by measuring the height， DBH， chlorophyll and leaf nutrient content indexes of P. tabulaeformis forest. The results were as follows： Irrigation can significantly improve the growth index of P. tabulaeformis in DBH， tree height， physiology and other aspects， and the promotion effect of tree height and DBH under medium amount irrigation （A2） is even higher than that under high amount irrigation （A3）; After one year of experimental treatment， fertilization had a significant effect on the growth of P. tabulaeformis， but there was no significant differences among the three fertilization levels; There was no significant interaction between irrigation and organic fertilizer application. Fertilization and irrigation can significantly promote the growth of P. tabulaeformis. From the perspective of the effect of fertilization and comprehensive consideration of resource utilization efficiency， it is an economic and effective management and protection measure for P. tabulaeformis ecological forest to apply a small amount of organic fertilizer and drip irrigation in the growing season （April to September） with the amount of 80 L·（10 d· plant · time）-1.

Key words： Pinus tabuliformis， irrigation， fertilization， tree growth

油松 （Pinus tabuliformis） 具有耐低溫、干旱和贫瘠的特点，是我国北方温性针叶林中分布最广的森林群落，也是北京平原造林工程中使用最广的树种之一，但是，由于北京平原造林多采用大苗移栽，苗木定植后会出现了死亡、长势较差、松梢螟等问题，且水分、肥料间具有交互作用（宋修超等，2019）。因此，研究水肥耦合效应不仅可以在实践中提高水分与肥料的利用效率，而且还对改善生态环境具有重要的实际意义（陈培培等，2019）。据统计，从1960年到2008年，氮、磷和钾肥料由全球消耗量的3 000万吨增长到1.7亿吨。大量使用肥料尤其是化肥已经使全球的土壤地下水硝酸盐浓度显著增加（Marinov & Marinov，2014）。早期研究发现水分的充足与否与肥料的施用量之间存在很大的相关性（Marinov & Marinov，1999），Aron（1975）最早研究关于在干旱地区控制灌溉水平下的合理施肥。大量研究表明不同的灌溉、施肥水平可能会对植物的生长发育产生协同、拮抗或叠加的不同效应，因此会对植物生理生态以及生长状况都产生不同的影响，合理的灌溉对养分的利用速率与肥效间存在协同作用，提高灌溉量能显著增加氮肥的矿化速率和植物对氮的固定速率（Praehtje et al.， 1994）。而合理施肥会影响土壤与植物间的水分热力学函数-偏摩尔自由能梯度，促进水分利用效率（Jones et al.，2003）。对于植物生长来说，施肥对干旱胁迫下的植物具有补偿作用，通过降低植物的水势，增加了深层土壤水分上移的动力（Barraclough，1989），缓解缺水造成的生理功能障碍，从而提高抗旱性，促进植物健康生长。但是，由于施肥会显著促进植物的生长，尤其是叶片，如果灌溉量较小，会加剧植物受到的水分胁迫，水肥间的交互作用可能不只是协同，还会有拮抗作用（Yadav et al.，1998）。目前，关于水肥耦合的研究主要关注于三方面：一是植物功能性状对不同水肥耦合处理的响应研究，主要集中在光合作用和蒸腾作用等方面;二是水肥对于土壤肥力的影响以及如何促进植物 对土壤养分的吸收、转化和利用，有效协调植物与土壤的关系，实现养分高效利用;三是水肥对作物产品质量、数量以及品质的影响（喻阳华等，2019）。水肥一体化技术已经在我国农业生产领域得到了较为广泛的应用（高鹏等，2012）。但在林业尤其是大径阶苗木的培育管理上，鲜见相关报道。

近年来，对于生态林的施肥研究逐渐从化学肥料转向有机肥、污泥肥等具有生态保护意义的肥料，其原因：一方面是出于成本与环境的考虑;另一方面是无机肥虽然对植物生长的促进效果显著，但是只适用于短期补充，在持续改良土壤理化性质方面效果不佳，不利于大径阶苗木的持续养分供应（张宝娟等，2015）。施用有机肥的土壤与施用化肥相比，能提高水分利用效率并为节约水资源提供良好的土壤条件（王小林，2016），而适宜的灌溉水平会减少土壤养分的流失（Shang et al.， 2016）。对城市生态林而言，园林废弃物堆肥生产的有机肥是经济有效、丰富便捷的肥料资源。然而，相关应用研究却十分缺乏（王成等，2017），尤其是针对油松大苗造林后采用灌溉和施用有机肥耦合的效果研究更是空白。该研究旨在探究不同水肥配合处理水平对北京地区平原沙地生态油松林形态指标与生理指标的影响，为现阶段北京平原造林工程探索出经济、有效的生态林管护策略以及提供有价值的科学依据。

1 试验地概况

试验地位于北京市大兴区永定河畔，地理位置为116°14′19.88″ E、39°36 ′47.01″ N。属于暖温带半湿润大陆季风气候，年平均气温12 ℃，年平均降水量556 mm。

试验地的土壤质地为沙土，pH值为8.8，有机质含量为4.95 g·kg-1，全N含量为0.39 g·kg-1，有效P含量为13.1 mg·kg-1，速效K含量为11.78 mg·kg-1，碱解N含量为59.32 mg·kg-1，容积含水量为26.5%，总孔隙度为54.1%，容重为1.25 g·cm-3，饱和含水量39.19%。根据北京市土壤养分指标评分标准对该试验的土壤情况进行评价，该试验地的各项指标，除有效磷外均较低。土壤分层情况不明显，通透性较好，保水保肥能力较差，缺氮、少磷、少钾。浅层地下水位为8～10 m，植物生长所需水分主要依靠灌溉。

2 材料与方法

2.1 试验材料

研究对象为大兴区油松大苗，试验所选用的北京市园林科学研究院利用园林有机肥作为试验材料，有机肥为园林绿化废弃物经堆肥处理后所制成的。该肥料有机质的质量分数为52%，总养分的质量分数为6%，水分的质量分数为5%，酸碱度为7.5。灌溉水为地下水。

油松大苗于2013年定植，株行距为4 m × 5 m，栽植行为东西走向。2016年—2017年不对油松进行修枝处理。2016年末油松的平均胸径为6.62 cm，平均冠幅为2.5 m。该试验地的油松苗木存在少量的松梢螟病虫害，长势较为一致。

2.2 研究方法

采用裂区设计，主处理为灌溉量（A），副处理为施肥量（B）。其中灌溉处理分为40 L·（10天·株·次）-1、80 L·（10天·株·次）-1（A2）、120 L·（10天·株·次）-1（A3），施肥处理分为5 kg·株-1（B1）、15 kg·株-1（B2）、25 kg·株-1（B3），空白对照不进行施肥、灌溉。试验进行3次重复，每个处理苗木数量不少于20株。详见表1。

施肥于3月初进行，在生长季（4月—9月）进行灌溉，每10 d灌溉一次，每次单株灌水量为40、80、120 L（后文简称低水、中水、高水处理）。施肥方式为距树1.2 m远，深度20 cm的地方进行环施。灌溉采用节水灌溉的方式进行滴灌，滴灌设施的铺设与调试于2017年3月末完成。

2.3 监测指标与数据采集

2.3.1 形态指标 第一次数据调查于2017年2月结束，第二次测定时间是2018年底。生长指标包括树高、胸径、冠幅、新枝长、顶稍长。其中树高使用激光测距仪进行测定，胸径于第一次测定时喷漆标记，第二次于相同位置测定。新枝长取东南西北四个方向主枝的当年生长量，第二次测定的是第一次所选枝条的第二年生长量。

2.3.2 叶绿素含量 叶片叶绿素测定：首先用80 %的丙酮和95 %的乙醇1∶1混合成20 mL的混合液浸泡0.2 g的叶片;然后测定663、646、470三个波长的吸光值;最后通过相应公式计算叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素的含量。

2.3.3 叶片养分含量 植物叶片的全N含量测定使用自动定氮仪法，全K含量的测定使用火焰光度计法，全P的测定使用钼锑抗比色法。2.4 数据处理与分析

所有数据均使用 SPSS 16和 Microsoft Office Excel 等统计软件进行分析。其中，显著性采用方差分析进行检验（P<0.05），多重比较采用邓肯氏（Duncan）新復极差测验法。

3 结果与分析

3.1 水肥处理对油松生长的影响

由表2可知，施肥、灌溉对树高、胸径、新枝长生长的促进作用都较为显著，树高的交互作用显著，胸径、新枝长的交互作用不显著。

由图1可知，处理组中油松的树高、胸径、新枝长的增长量与空白对照的增长量有显著差异。在低水（A1）处理下，三个施肥水平的树高增长量均较小，中水（A2）的增长量均高于低水（A1），但是高水（A3）的增长量与中水（A2）没有显著差异。三个施肥水平中，中肥（B2）与高肥（B3）的增长率没有显著差异，低肥（B1）的增长率最高。灌溉施肥对胸径的影响与树高的相似，中水（A2）处理的增长率最高，且高水（A3）与低水（A1）的增长率没有显著差异。在三个施肥水平中，中肥（B2）对胸径增长率的促进作用最为显著，高肥（B3）与低肥（B1）的增长率没有显著差异。

新枝长的增长率在三个施肥水平下，高水（A3）的增长率最高，中水（A2）高于低水（A1）。高水（A3）处理下的中肥（A3B2）的增长率最高，低水（A1）与中水（A2）处理下的低肥（A1B1、A2B1）的增长率最高。

3.2 水肥处理对油松叶片叶绿素含量的影响

由表2可知，水肥交互作用不显著（a/b：P=0.974）。由图2可知，各指标表现为处理结果均显著高于对照组，但各个处理之间的含量差异不显著。叶绿素a和类胡萝卜素在中水（A2）处理下含量略高于低水（A1），但高水（A3）处理下与中水（A2）相比基本没有提高。

各个处理下的叶片叶绿素b含量均高于对照组，但是与对照组没有显著差异。叶绿素a/b的值在处理和对照组之间具有极显著差异。中水（A2）具有较高的叶绿素a/b值。

3.3 水肥处理对油松叶片养分含量的影响

由图3可知，对照组叶片养分含量与处理组差异显著，交互作用不显著。但园林有机肥对叶片的不同养分含量的影响作用各不相同。不同施肥水平对叶片全N、全K含量的影响差异不显著，且各个施肥水平下的三个灌溉水平对叶片全N的影响差异不显著，中水中肥（A2B2）的促进效果较好，低肥（B1）对叶片全P的促进作用最差。总体来说，仍是低水中肥（A1B2）效果较好。水肥处理后叶片N、P的比值有所下降，且与对照组存在显著差异。三个施肥水平下比值差异不显著（P=0.102），三个灌溉水平下比值存在显著性差异（P=0.009）。

4 讨论

除树高外，油松各个方面的生长影响交互作用均不显著，但是水肥两个因素处理后的油松生长与对照组相比均存在显著的增长。

4.1 对油松形态生长的影响

根据施肥结果来看，高肥与中肥都不能显著提高油松的生长速率，但施用有机肥和灌溉措施会对周围土壤的养分含量产生较为显著的促进作用。这可能是因为试验时间过短，而油松的生长速度较慢，所以在一年的时间内三个施肥水平间没有显著差异，且试验地的土壤pH值较大，达到了8.8，土壤中的养分无法被油松有效利用（孙向阳，2004）。土壤pH限制了油松对养分的吸收，即使施肥也不会对油松的生长起到极显著的促进作用。

分析油松生长、生理指标，发现高水或中水处理下的促进效果显著，但是高水与中水处理结果间的差异不显著。油松树高、胸径的结果都显示出高水处理结果低于中水。一方面，是由于pH会因灌溉而减小（梁运江等，2011），高水处理下土壤的碱性变小，有利于油松吸收土壤中的养分，从而更有效地促进了油松的生长，但对油松林中土壤pH进行监测发现水肥处理下的土壤pH值减少有 限， 只能一定程度上减少pH对养分吸收的抑制作用。另一方面，中水和高水处理间的结果差异不显著，可能是由于该示范区的土壤为沙土，沙地保水能力较差（周黄磊和黄升谋，2017），降水后，很快就会渗入地下。对油松进行灌溉，可有效改善水分条件，显著提高油松各个方面的生长量，但油松的最小生态需水量较少（刘淑明等，2004），无需对油松进行高水灌溉就可以得到较好的生长增量。由此可知在该文设计的三个施肥水平下，中水灌溉量已经足够供给油松生长所需，最主要是减小油松林地的土壤pH值。

韩培义和董文旭（2019）对油松喷施含腐植酸水溶肥料与喷清水比较：一是提高了油松抗病性，发病率较对照平均降低6.5个百分点;二是明显促进了油松的生长。这与本实验的结论相同，施肥、灌溉会对油松的形态指标产生了显著的促进作用。

4.2 对油松叶片生理指标的影响

王虎兵等（2018）研究发现，低水胁迫下，增加施肥量可利于植株进行光反应。本研究发现低水处理下，增加施肥量会提高叶片的叶绿素含量，低水高肥处理下油松的叶绿素a、b含量均高于低水低肥处理，与王虎兵等（2018）的结果一致。

刘明占等（2013）对水肥调控下胡枝子的叶绿素含量变化进行研究发现随着灌水量和磷肥的增加，叶绿素含量持续升高，而随着施氮量的增加，其含量均先升高后降低。但本研究表明过高的灌溉也不会对叶绿素的含量产生更为显著的促进作用，这很有可能是由于土壤有效养分在土壤水分含量较高的情况下发生了转移，虽然结果高于对照组，但是在达到一定灌水量后，增加水量已无法增加根系周围有效养分的浓度了。而刘明占的试验地点是西北沙地，灌水量并未达到这个峰值。

4.3 叶片养分含量

水肥管理可以引起植物体内养分含量的变化，不仅会促进一部分养分含量的增加，还会引起部分养分含量的减少（李亚东等，1997;韩世健等，2010）。叶片养分的计量特征能够一定程度上反应植物对养分的利用策略和养分之间的关系（Koerselman，1996;Zhang et al.，2003;贺金生和韩兴国，2010）。吴海兰（2014）研究了不同水肥处理后红枣叶片养分的影响。本研究水肥处理后油松叶片的N、P比值显著低于对照组，这与吴海兰的研究结果不一致。N、P比值小于14，说明处于N抑制的情况，且试验后油松生长受到N元素抑制的情况加剧了（Koerselman， 1996）。這说明今后在该地区施肥时，在施用有机肥的同时可以适当补充氮肥，或使用氮元素含量较高的有机肥。

总体来说，水肥处理一年后对植物生长来说，交互作用不显著，但水肥处理会对植物生长、生理指标产生促进作用。但考虑到资源利用效率，建议在进行生态林管护中，少量施用有机肥，并以80 L·（10天·株·次）-1的灌水量在生长季（4月—9月）进行滴灌是较为经济、有效的油松生态林管护措施。

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（責任编辑 周翠鸣）