施肥对三江平原丘陵区长白落叶松人工林中龄林单木树冠特征影响

王显军 卫月华 梁凤和 钟兆华 韩宛池 刘力铭 王子瑄 孙志虎

(1.桦南县孟家岗贮木场，黑龙江 桦南 154411；2.佳木斯市孟家岗林场，黑龙江 桦南154411；3.森林生态系统可持续经营教育部重点实验室/东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

随着天然林商业性采伐的停止，人工林木材在市场供应中的作用变得愈加突出[1]。提高人工林生产力成为森林经营的首要目标之一[2]。落叶松(Larixspp.)是我国东北林区主栽树种，自20世纪50年代中期开始就得以大面积栽植[3]。关于提升其生产力的研究主要集中于树种组成和密度调控方面，少有开展相关措施的应用效果评价方面，而对此研究主要集中于林业发达国家，所被评价的措施也多与灌溉、施肥有关[3]。受东北林区地形条件所限，施肥有望被人工林经营者所采纳[2]。关于施肥与林分生产力关系的研究，主要集中于施肥后土壤微生物、养分状况和根特征的短期响应方面，且多采用模拟氮沉降的方式开展尿素喷施试验，少有开展以提高林地生产力为目标的氮磷钾综合施用效应评价研究[4-6]。受针叶树种树冠的可塑性低于阔叶树种观念的影响，施肥后针叶树种树冠的响应特征研究则更少。为此，本文以三江平原丘陵区长白落叶松(Larixolgensis)人工林为对象，通过间伐后的施肥试验，分析胸径与冠幅、树高与冠长间的关系，评价落叶松冠长率对间伐后施肥的响应，旨在为针叶林施肥后生产力的形成机制研究提供参考。

1 研究林分概况与研究方法

1.1 研究林分概况

此次研究的长白落叶松人工林位于佳木斯市孟家岗林场(130°32′42″—130°52′36″E，46°20′16″—46°30′50″N)82林班23小班(种子园西边)。该处人工林营造于1988年春，初植密度为5 000株/hm2，造林地类为杨桦次生林皆伐迹地。2012年冬进行首次间伐，森林资源采伐设计资料中记载的全林每木检尺后统计出的间伐前和间伐后的平均胸径、郁闭度、密度、平均树高、蓄积量和树种组成分别为12.0cm、1.0、2 466株/hm2、13.1m、199.74m3/hm2、10落-实柞-榆-糠-黑-白和12.7cm、0.8、1 973株/hm2、14.2m、187.18m3/hm2、10落-实柞-榆-黑-白。树种组成式中：落为长白落叶松，实柞为实生蒙古栎(QuercusmongolicaFisch.ex Ledeb)，榆为榆树(UlmuspumilaL.)，糠为糠椴(TiliamandshuricaRup et Maxim.)，黑为黑桦(BetuladavuricaPall.)，白为白桦(BetulaplatyphyllaSuk)。

1.2 研究方法

1.2.1 施肥试验设计

2015年6月23日，在长白落叶松人工林中(28年生；2015年)设置12块面积为260—340m2的固定样地。2015年6月27日，将12块固定样地分成4组，进行4种处理，每种处理3块样地：施氮肥(增施纯氮量为250kg/hm2)、施氮磷肥(增施纯氮和纯磷量分别为250 kg/hm2和50kg/hm2)、施氮磷钾肥(增施纯氮、纯磷和纯钾量分别为250 kg/hm2、50 kg/hm2和30kg/hm2)、对照(不施肥)。按照各样地所设计的增施元素剂量将其换算成相应的农用化肥(尿素、二胺和氯化钾)进行配置，施肥时采用行间均匀穴施后覆土的方式，每行的施肥穴数为20—25穴。

1.2.2 立木胸径调查

于2015年7月17日(28年生；施肥当年)，2017年8月2日(30年生；施肥2年后)，2018年10月4—6日(31年生；施肥3年后)，2019年8月6—13日(32年生；施肥4年后；2019年10月进行再次间伐)、2020年9月14—15日(33年生；施肥5年后)，采用围尺(2015年、2017年、2019年和2020年)和电子游标卡尺(2018年)调查12块固定样地中的每木胸径(包括枯立木和活立木)。

1.2.3 活立木树高调查

分别于施肥3年后的2018.10.4—10.6(31年生)、施肥4年后的2019.11.3—11.12(32年生)、施肥5年后的2020.6.13—6.20(33年生)利用超声波测高仪测定活立木的树高、枝下高。

1.2.4 活立木冠幅调查与冠长率计算

分别于施肥3年后的2018.10.4—10.6(31年生)、施肥4年后的2019.6.7—6.8(32年生)、施肥5年后的2020.7.9(33年生)利用红外线测距仪测定样地内所有活立木的长冠幅、与其垂直的短冠幅，计算平均冠幅；利用树高和枝下高，计算冠长(树高-枝下高)、冠长率(冠长/树高)，并分析胸径与冠幅、树高与冠长间的关系。

2 结果与讨论

2.1 间伐后施肥对落叶松人工林胸径与冠幅关系的影响

落叶松人工林中龄林施肥后不同时期胸径(x)与冠幅(f)关系的研究结果表明(见表1)，不同时期落叶松胸径与冠幅间均符合幂函数增长关系。从拟合出的幂函数模型变化趋势来看，施肥3年后，各径级活立木的冠幅均低于对照处理，尤其是胸径>16cm的活立木。这与对照林分较低的林分密度有关。由于施肥后胸径和树高均明显增加，间接证明施肥后落叶松针叶净光合速率得到明显增加；施肥4年后，施氮肥处理下的落叶松冠幅明显高于同胸径的施氮磷肥和氮磷钾肥处理下的落叶松冠幅，表明施氮肥的同时，若增施磷肥和钾肥会减弱落叶松树冠的横向扩展，同时也表明施氮肥的同时，增施磷肥和钾肥能够明显提高落叶松的净光合速率；施肥5年后，3种施肥处理和对照处理间的冠幅，在各径级的胸径上，基本相近似，间接表明此时林冠已经充分郁闭，落叶松的单木冠幅基本均已达到相应生长空间下的极大值，若不进行再次密度调控，即便继续人为增施化肥落叶松的单木冠幅也不会继续增长。

表1 落叶松人工林中龄林施肥后不同时期胸径与冠幅回归关系结果

2.2 间伐后施肥对落叶松人工林中龄林树高与冠长关系的影响

落叶松人工林中龄林施肥后树高(x)与冠长(f)关系的研究结果表明(见表2)，随着树高的增加，各处理下的落叶松冠长均呈现幂函数的增长趋势。从拟合出的幂函数模型变化趋势来看，施肥4年后，落叶松冠长基本均低于相同树高的对照林分，表明施肥促进落叶松高生长的同时，亦能促进落叶松的自然整枝，提高枝下高，减小冠长，间接表明施肥后落叶松针叶的净光合速率得到明显提高；施氮肥的同时，增添磷肥和磷钾肥，活立木的冠长有增加趋势，表明增添磷肥和磷钾肥能够减弱落叶松的自然整枝能力，提高落叶松针叶耐荫能力。施肥5年后，树高<18m的活立木冠长，不同处理间近似相等；树高≥20m后，施肥处理下活立木的冠长依然低于对照处理，表明此时较高树高的活立木的自然整枝能力依然很强，从而能够维持着较高的枝下高，降低冠长。

表2 落叶松人工林中龄林施肥后不同时期树高与冠长回归关系结果

2.3 间伐后施肥对落叶松人工林中龄林单木冠长率的影响

落叶松人工林中龄林施肥后不同时期活立木的冠长率计算结果表明，施肥3年后，施氮肥和施氮磷钾肥处理下的落叶松冠长率为0.202 8和0.203 0，高于对照林分的冠长率0.201 0；而施氮磷肥处理的冠长率较低，为0.189 9。随着施肥后年限的延长，各种处理下的落叶松冠长率均呈现升高趋势，表明总体上落叶松自然整枝能力较弱。施肥4年后，不同处理下的落叶松冠长率间差异明显，施肥处理下的冠长率均低于对照处理：施氮肥、施氮磷肥、施氮磷钾肥处理下的落叶松冠长率分别为0.235 9、0.228 2、0.264 2，而对照林分的冠长率为0.282 2。施肥5年后，落叶松冠长率均比施肥4年后的冠长率增加，虽然施肥处理下的冠长率依然小于对照林分，但不同处理间的差距在减小：施氮肥、施氮磷肥、施氮磷钾肥处理下的落叶松冠长率分别为0.297 6、0.293 3、0.285 1，而对照林分的冠长率为0.300 6，再次表明施肥促进落叶松高生长的同时，也能促进自然整枝，提高枝下高，降低落叶松的冠长率。

3 结论与建议

针叶树种的树冠可塑性低，其对密度调控做出响应耗时亦较长，表现为冠幅和冠长的缓慢、持续性变化。施肥是人工林集约化经营的首选措施之一[6]，主要应用于我国的南方平原地区，少有开展东北山地人工林的施肥效果评价研究。本文的研究结果表明，施肥虽然能够缓慢促进间伐后落叶松的冠幅和冠长的生长，但其对落叶松生长的促进作用应该更多来自于施肥后针叶高效的光合作用。由于落叶松枝下高较高，鉴于施肥后落叶松中龄林冠幅和冠长的缓慢增长趋势，建议今后条件允许时开展中龄林活体针叶的气体交换特征研究，进行施肥后落叶松人工林长期响应特征的监测。