袋控缓释肥对桉树和杉木人工林生长及土壤理化性质的影响

罗 蜜,黄昌谋,韩 华,黄敏球,宁 剑,潘 波,曹继钊

(1.广西壮族自治区林业科学研究院,南宁 530002；2.北京林业大学 林学院,北京 100083；3.广西壮族自治区国有高峰林场,南宁 530001；4.天峨县林朵林场,广西 天峨 530001)

施肥是林业生产中的一项重要管理措施[1]。合理施肥不但能促进林木生长、改善土壤理化性质,而且对于土壤的可持续利用具有重要意义[2-5]。然而,传统施肥模式肥料养分流失严重、利用率低,大量集中施用化肥不仅造成了肥料释放的养分与作物需求间的不平衡,还会引起环境污染[6]。因此提高肥料的利用率、减少环境污染,对促进林木可持续生长具有重要的意义。

袋控缓释肥是近年来兴起的一种新型缓控释肥,是当前公认的科技含量较高的施肥技术之一[7-8]。其特点是通过应用水、肥和植物生长耦合原理,采用生物可降解材料定量小袋包,通过调节材料的密度和孔隙度等来缓慢控制肥料释放速率,延长释放期,使养分释放与作物吸收同步[9-10]。Zhang等[11]在对桃树(AmygdaluspersicaL.)施肥技术中,分析了常规施肥和袋控缓释肥对苗期茎、根生长,叶、根衰老及果实产量和品质的影响。与常规施肥相比,施用袋控缓释肥能显著促进桃树幼树的生长,提高根系活力,延缓叶片衰老,提高桃树营养贮藏,可将氨挥发率降低54.36%。同时,在番茄(LycopersiconesculentumMiller)[12]、蝴蝶兰(PhalaenopsisaphroditeH.G.Reichenbach)[13]、苹果(MaluspumilaMill.)[14]、葡萄(VitisviniferaL.)[15]和杂交晚稻[16]等作物的应用研究中,也表明袋控缓释肥能显著提高果实和农作物的产量,改善果实品质、提高肥料的利用率[17-18]。但是,这些研究主要集中在与等量常规施肥的对比,有关袋控缓释肥和不同浓度的生物肥在林地上的比较研究却鲜有报道。

桉树(EucalyptusurophyllaS.T.Blake)和杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)作为广西造林的两大重要用材树种,具有生长快、经济价值高等特点,不仅给当地农民带来可观的经济收入,对生态环境的改善和提高也起到了积极的作用。因此,本文以桉树、杉木作为研究对象,通过对比袋控缓释肥与常规施肥、不同施肥量的生物肥对杉木、桉树人工林生长及土壤理化性质的影响,探讨袋控缓释肥在林业上的应用。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验中:1)桉树位于广西壮族自治区国有七坡林场(北纬22°28′32″～22°46′13″,东经107°59′46″～108°18′11″)。该地区属于亚热带气候,雨量充沛,年降雨量1 200～1 500mm,相对湿度为80%～90%；土壤类型为页岩发育的赤红壤。2)杉木位于广西河池市天峨县林朵林场(北纬24°36′01″～25°28′23″,东经 106°34′02″～107°20′23″)。该地区属于中亚热带半湿润气候,海拔600～900m,年均降水量1 370.8mm；土壤类型为砂页岩发育的黄壤。试验地土壤的基本情况如表1所示。

表1 供试土壤基本理化性质Tab.1 Physicochemical properties of soils tested

1.2 试验设计

供试桉树品种为广林9号,2013年4月种植,2018年定萌,种植间距为2m×3m,施肥深度15～25cm；试验前，林木平均胸径 9.12～10.14cm,平均树高 12.21～13.05 m。杉木品种为林朵林场自培的优良品种,2017年2月种植,种植间距为2m×2m,施肥深度15～25cm；试验前，林木平均胸径2.64～3.28cm,平均树高2.70～2.87m。

试验共设置6个不同处理,即未施肥对照组(CK)、常规施肥(G1)、袋控缓释肥(G2)和3个不同用量的生物肥(G3-1,G3-2,G3-3)。每个处理重复3次。G1为桉树专用肥(N∶P2O5∶K2O=15∶6∶9)或杉木专用肥(N∶P2O5∶K2O=12∶8∶10),具体施肥量情况如表2所示。肥料主成分中,N素来源为尿素和磷酸一铵,P素为磷酸一铵,K素为氯化钾。G2的肥料袋包装材料为牛皮纸与易自然降解的非织造布组成的复合材料,年降解率大于70%。G1和G2所包含的养分含量相同,同等质量的G3的养分含量为G1,G2的1/6。

表2 试验点施肥情况Tab.2 Fertilization in the test sites

在试验小区内选取有代表性、无病虫害的植株20株进行编号挂牌,试验过程时间为2019年3月至2020年7月,于2019年3月进行施肥处理,每年进行一次施肥。分别于2019年3月、2019年12月、2020年7月测定并记录试验地内挂牌植株的树高和胸径。同时,在试验小区以“S”形布设5个采样点,取0～20cm土层的土壤样品进行混合,按照四分法留取1kg土壤混合样品,研磨过筛(0.15mm)后用于土壤化学性质的测定。

1.3 测定方法

林地土壤理化性质测定的指标包括pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮,分别采用氯化钾浸提-电位法、重铬酸钾氧化-容量法、凯氏定氮法、碱熔-钼锑抗比色法、氢氧化钠碱熔-火焰光度法和碱解扩散法进行测定。具体测定方法参照《森林土壤分析方法》[19]。采用数表法计算立木材积(表3),采用(1)式求算林分生长量,(2)式求算林分增长率,(3)式对比不同处理间的林分增长率。

表3 不同树种立木材积计算公式Tab.3 Calculation formula of growing stock of different tree species

Ta=Xa2-Xa1

(1)

Pa=(Xa2-Xa1)/Xa1×100%

(2)

Qab=(Tb-Ta)/Ta×100%

(3)

式中:Xa1表示处理组a在施肥前的指标值(如胸径、树高或单株材积)；Xa2表示施肥后的指标值；Ta则表示处理组a各项指标的生长量；Pa表示处理组a各项指标在施肥后相对于施肥前的增长率；Qab表示施肥后处理组b各项指标的生长量相对于处理组a的增长率。

1.4 数据处理

利用SPSS 22.0软件实现不同处理组间差异分析,采用单因素方差分析中的LSD法进行显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对林木生长的影响

2.1.1不同施肥处理对林木胸径生长的影响

植物胸径是反映生长势的重要指标。表4展示了不同施肥处理方式对桉树和杉木人工林胸径的影响。对于桉树而言,各处理在施肥前的胸径平均值(DBH1)有一定差异。施肥9个月后,G2的胸径平均生长量(T1)为1.63cm,胸径平均增长率(P1)为17.55%,高于其他处理；各处理的胸径平均生长量排序依次为G2>G3-3> G1>G3-2>G3-1>CK。施肥16个月后,G3-3的胸径平均生长量(T2)为2.62cm,胸径平均增长率(P2)为26.87%,高于其他处理；G2和G3-3的胸径平均生长量比G1分别高出0.07cm(2.97%)和0.26cm(11.02%)；各处理的胸径平均生长量排序依次为G3-3>G2>G1>G3-1>G3-2>CK。以上结果表明,G2在施肥初期对胸径的生长更有优势,G3-3在施肥后期更有优势。对于杉木而言,施肥9个月后,对胸径平均生长量(T1)的影响效果依次为G3-2>G3-3>G1>G2>G3-1>CK；施肥16个月后,对胸径平均生长量(T2)的影响效果依次为G3-3>G1>G2>G3-2>G3-1>CK。

表4 不同施肥处理对桉树和杉木人工林胸径的影响Tab.4 Effects of different fertilization treatments on DBH of eucalyptus and Chinese fir plantations

2.1.2不同施肥处理对林木树高生长的影响

植物株高也是反映生长势的重要指标。表5展示了不同施肥处理方式对桉树和杉木人工林树高的影响。对于桉树而言,施肥9个月后,G3-3的树高平均生长量(T1)为1.03m,树高平均增长率(P1)为8.43%,高于其他处理；各处理的树高平均生长量排序依次为G3-3>G2>G3-2>G3-1>G1>CK。施肥16个月后,G3-3的树高平均生长量(T2)为3.91m,树高平均增长率(P2)为31.99%,高于其他处理；G2和G3-3的树高平均生长量比G1分别高出0.19m(5.14%)和0.21m(5.68%)；各处理的树高平均生长量排序依次为G3-3>G2>G1>G3-1>G3-2>CK。对于杉木而言,施肥16个月后,G2的树高平均生长量(T2)为2.45m,树高平均增长率(P2)为85.37%；各处理的树高平均生长量排序依次为G3-3>G3-2>G2>G1>G3-1>CK。以上结果表明,不管是在桉树还是杉木林中,G2的效果都优于G3-1,但是低于G3-3。

表5 不同施肥处理对桉树和杉木人工林树高的影响Tab.5 Effects of different fertilization treatments on tree height of Eucalyptus and Chinese fir plantations

2.1.3不同施肥处理对林木材积的影响

材积是森林经营利用的基本经济指标,表6展示了不同施肥处理方式对桉树和杉木人工林材积的影响。对于桉树而言,施肥9个月后,各处理的材积平均生长量(T1)排序依次为G3-3>G2>G3-2>G1>G3-1>CK；施肥16个月后,G2和G3-3的材积平均生长量比G1分别高出0.000 8cm3(1.89%)和0.004 64cm3(10.97%),各处理的材积平均生长量(T2)排序依次为G3-3>G3-2>G2>G1>G3-1>CK。对于杉木而言,施肥9个月后,对材积平均生长量(T1)的影响效果依次为G3-3>G3-2>G2>G1>G3-1>CK；施肥16个月后,G2和G3-3的材积平均生长量比G1分别高出0.002 04cm3(15.79%)和0.002 63cm3(20.36%),对材积平均生长量(T2)的影响效果依次为G3-3>G2>G3-2>G1>G3-1>CK。以上结果表明,不管是在桉树还是杉木林中,G2的效果都优于G1和G3-1,但是低于G3-3。

表6 不同施肥处理对桉树和杉木人工林材积的影响Tab.6 Effects of different fertilization treatments on the volume of Eucalyptus and Chinese fir plantations

2.2 不同施肥处理对桉树和杉木人工林土壤理化性质的影响

土壤理化性质对林木的生长有直接影响。不同施肥处理对桉树土壤 pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮的影响如图1所示,对杉木的如图2所示。在桉树林中,未施肥时的pH值为4.45。施肥9个月后,各处理的pH值略有下降；施肥16个月后,各处理的pH值略有回升,但仍低于施肥前。一般来说,施肥后随着时间的增长,土壤pH值会逐渐恢复到原来的状态,但变化幅度受施肥方式影响。

注:图上不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。

注:图上不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。

G2在施肥9个月后的pH值为3.91,比施肥前低12.13%；16个月后pH值为3.98,比施肥前低10.56%；施肥前期和施肥后期的变化幅度为1.57个百分点。变化幅度最大的是G3-2,施肥前期和施肥后期的变化幅度为6.52个百分点。G2在所有处理中变化幅度最低,说明G2更有利于土壤的稳定。

方差分析结果显示,各处理间无显著性差异,说明不同的施肥处理对桉树土壤pH值影响不明显,但是施肥处理均导致土壤酸化。杉木土壤pH值的变化情况与桉树土壤类似,均出现pH值下降的趋势,但是杉木土壤pH下降幅度小于桉树土壤。这可能与树种本身相关,桉树人工林土壤呈较强酸性,施肥处理使其土壤变化更为敏感。

在桉树和杉木人工林中,施肥初期G1处理土壤有机质的含量均高于其他处理(图1(b))；但是在施肥后期G2处理的有机质含量最高。在杉木林施肥初期,G1,G2,G3-2,G3-3这4个处理显著高于CK；在施肥后期,5个处理都显著高于CK,说明施肥处理能显著提升土壤有机质的含量。杉木林土壤有机质含量的增长率大于桉树林,这可能与本研究中杉木幼林正处于快速生长阶段有关。

随着施肥时间的增长,多个处理的全钾含量呈现缓慢上升趋势,全氮、全磷、碱解氮含量均呈现出先增高后缓慢降低的趋势,但仍高于未施肥前。这可能是因为试验地土壤肥力较低,对养分需求高,短时间内土壤养分随施肥量增加而增加。

对于施肥16个月后的全氮和碱解氮含量,杉木林各处理组的变化幅度均高于桉树林。桉树林全氮含量的增长范围为8.24%～25.27%,而杉木林为108.11%～147.29%。桉树林碱解氮含量的增长范围为39.14%～64.68%,而杉木林为153.78%～189.02%。在桉树林中,除了碱解氮含量之外,pH、有机质、全氮、全磷、全钾各处理组间均无显著性差异。对于碱解氮含量,5种施肥处理在施肥前期和施肥后期均与CK有显著性差异,说明施肥处理对桉树林的碱解氮含量影响显著。

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1不同施肥处理对桉树和杉木生长的影响

林木的生长状况是评价施肥效果的重要依据。已有研究提出,袋控缓释肥对于促进桃树根系的发育有显著的效果[11],且在不降低桃产量的前提下,袋控缓释肥比常规施肥减少了65%～82%的氮肥用量[7],这与本文的研究结果相符。本研究的结果表明,袋控缓释肥比常规施肥更有利于促进桉树和杉木林的生长。与G1相比,G2在施肥16个月后,桉树的树高、胸径和单株立木蓄积分别提高了2.97%,5.14%和1.89%,杉木分别提高了-2.33%,0.82%和15.79%。

本研究设置了3种不同梯度的生物肥(G3-1,G3-2,G3-3)与袋控缓释肥进行对比。从研究结果可以看出,G2的效果优于G3-1,在杉木材积上优于G3-2。此外,在施肥1年后的调查中发现,施用的袋控肥中有20%以上的剩余量可继续供给林木养分。但是方差分析的结果表明,林木的各项生长指标(树高、胸径、材积)及土壤养分指标并未出现显著差异,说明袋控缓释肥不仅没有影响植株的正常生长,且能够达到减少施肥量、降低成本的目的,可在林业中推广应用。研究发现G3-3的效果优于G2,造成这种现象的原因是多方面的。一方面,袋控缓释肥受土壤温度和水分的影响较大[22]。其养分释放机理是土壤水分从微孔进入袋内,袋内肥料形成饱和溶液,然后养分通过微孔释放[14]。当年施肥前后天气较为干燥,降雨量未充分渗透袋内肥料,不利于养分的释放,导致树体吸收效果差,生长缓慢。另外一个可能的原因是监测时间较短,袋控缓释肥施入土壤后转变为植物有效养分的速度较缓慢,未发挥出其优势。在吕红翠[23]探讨施肥对杉木生长影响的研究中表明:施肥1年后,传统的沟施肥的效果优于袋控缓释肥；但是在施肥2年后,袋控缓释肥处理的林地,其树高、胸径、材积开始高于传统的沟施处理,并明显高于未施肥处理。

由于本研究监测时间较短,且受土壤、气候等因素的影响,因此具有一定的局限性,今后可在不同的林地进行长期监测,进一步探究袋控缓释肥对林木长期生长及土壤稳定性的影响。同时可设置多个施肥水平,为精准林业施肥提供理论基础。

3.1.2不同施肥处理对桉树和杉木土壤理化性质的影响

施肥处理可提升土壤养分元素的含量,改善其土壤环境[24]。与常规施肥和生物肥相比,袋控缓释肥更有利于土壤理化性质的稳定。在桉树和杉木林土壤pH的监测中,我们发现袋控缓释肥在施肥前期和后期pH变化的幅度低于其他处理,在土壤养分变化中也发现了类似的情况。说明袋控缓释肥比常规施肥和生物肥更有利于土壤理化性质的稳定,这与孙占育等[25]在葡萄上和宋海岩等[26]在桃树上的研究结果一致。肥料散施,养分供应波动较大,易造成林木营养生长竞争；而袋控缓释肥养分供应稳定而且持续,提高了肥料利用率,减少了环境污染,更有利于林木的长期生长。

不同的施肥处理对桉树和杉木的土壤养分状况影响不一。这可能是因为不同树种对肥料及其浓度的响应不一致,有待进一步研究,揭示其规律性。

3.2 结论

1)施肥处理对桉树和杉木林的生长均有促进作用,与常规施肥相比,施用袋控缓释肥桉树的树高、胸径和单株立木材积分别提高了2.97%,5.14%和1.89%；杉木分别提高了-2.33%,0.82%和15.79%。

2)在桉树林中,对材积生长量的影响效果依次为G3-3 >G3-2>G2> G1> G3-1 >CK；在杉木林中为G3-3>G2>G3-2> G1> G3-1 >CK。G2的效果优于G1和G3-1,低于G3-3。

3)施肥处理均提高了土壤中有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮的含量,降低了土壤的pH值,其中袋控缓释肥更有利于土壤养分的稳定。