地表滴灌-施氮对短轮伐期毛白杨人工林生长及水分利用和氮素吸收的影响1)

杨红青 贺曰林 贾黎明

(省部共建森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)，北京，100083)

水分和氮素是影响速生树种生长及林分蓄积提高的重要因素[1-2]。灌溉及施肥措施可以提高林木对水氮的利用效率，减少水资源浪费及氮素深层淋失造成的环境污染[3-4]。通过滴灌系统将灌溉和施肥措施结合，能保证根区水分和养分资源输入的精准性和均匀性，并优化单一灌溉或施肥的效应，实现“以水促肥，以肥调水”的目的[5-6]，同步林木水和氮的需求与土壤水氮供应，能有效地提高资源利用效率[7-8]。因此，掌握不同灌溉施肥措施对短轮伐期林木生长及水分利用特性和氮素吸收规律的影响，为林木生长定时、定量地补充土壤水氮资源，对提高林分蓄积、保护环境资源等具有重要意义。

杨树是华北平原重要的速生树种[9]，该地区杨树人工林林地平均生产力为12 m3·hm-2·a-1，远低于40 m3·hm-2·a-1的潜在生产力[10]，高效集约经营措施不到位是导致林地生产力低的重要原因。通过灌溉和施肥措施优化集约经营水平是提高林地生产力的关键，在实际生产应用中，对杨树人工林的灌溉和施肥管理措施基本都依靠经验，没有考虑林木对水分和养分的需求量，结果造成了水和肥的浪费，且使得林木的单位面积蓄积低，林木生产力不高，林木质量低等问题。以往的研究多集中于单个生长季内林木生长规律的监测[6，11]，且多以单纯的灌溉或施肥为主[12-14]，或以室内盆栽苗木为研究对象，探究林木氮素吸收偏好、利用效率及叶片化学计量特征等[15-17]，而对连续生长季内林木生长及水分利用特性和氮素吸收规律的具有研究价值。因此，结合不同林龄林木生长规律及水氮利用特性，优化滴灌施肥措施，对提高杨树速生林集约经营水平的具有重要作用。本文通过连续3 a的大田试验，监测短轮伐期内地表滴灌-施肥措施下，沙地毛白杨人工林胸径、树高、林分年蓄积生长量及器官生物量和氮含量的变化规律，探究林木水分利用效率和氮素吸收规律，为优化短轮伐期毛白杨人工林灌溉施肥措施提供技术支持。

1 研究区概况

试验于2017—2019年在山东省高唐县国有旧城林场开展，该地区为暖温带半湿润季风区域大陆性气候，无霜期204 d，年均气温13.2 ℃，年均降水量544.7 mm，年均蒸发量1 880 mm，降水集中于7、8月份。地下水位6 m左右。试验地0～80 cm土壤类型为沙壤土，土壤pH为8.10，饱和含水率为44%，田间持水量为33%，土壤密度1.41 g·cm-3；土壤无机氮、有效磷、速效钾和有机质质量分数分别为2.62、4.90、76.26和3.59 g·kg-1。

2 材料与方法

2.1 试验设计

供试材料为三倍体毛白杨无性系S86((P.tomentosa×P.bolleana)×(P.alba×P.glandulosa))，2016年春季植苗造林。林木栽植为均匀配置模式，株行距为2 m×3 m，平均胸径2.68 cm，树高3.30 m。2016年完成滴灌系统的安装与调试，滴灌管(Dripnet PC 16250,Netafim Ltd,Tel Aviv,Israel)布设方式为“一行二带”式，滴灌管分别布设树木两侧30 cm处，滴头间距为50 cm，滴头流量为1.6 L·h-1。本试验为增广因子试验[18]，包括由3个灌溉水平(W20、W33、W45)和4个施氮梯度(N0、NL、NM、NH)组成的12个滴灌-施肥处理，另外设置无灌溉、施肥措施的对照(CK)处理，共计13个处理。根据毛白杨生长与土壤水分有效性的定量关系[19]，分别设定滴头正下方20 cm处的土壤水势达到-20 kPa(W20)、-33 kPa(W33)和-45 kPa(W45)时开始灌溉，分别对应土壤水分有效性的73%、57%和48%，滴灌湿润体内平均土壤含水率达到田间持水量时停止灌溉[6，18]。施氮量的设定综合考虑不同林龄林分吸收氮量的差异，并结合林木“先快后慢”的季节生长规律，年度分6次施入，前3次施氮量是后3次的1.5倍[20]。其中，2017—2019年低肥处理(NL)总施氮量分别为80、120、120 kg·hm-2，中肥处理(NM)总施氮量分别为150、190、190 kg·hm-2，高肥处理(NH)总施氮量分别为220、260、260 kg·hm-2，无肥处理(N0)不增施氮肥。施氮方式为随水施肥，即通过比例施肥器将固定浓度(233.35 g·L-1)的尿素溶液以4%的混合比注入滴灌系统随水施入。

采用完全随机区组试验设计，5次重复，共65个小区，每小区8排林木，每排4株，其中，中间4排为试验树，剩余林木为保护行。此外，同一区组相邻小区间埋设50 cm深塑料布阻隔水、氮运移的影响。2017—2019年林地具体灌溉施肥情况受气象因子时空异质性[21]、地下水位波动及不同林龄林分耗水特征差异等综合因素影响，同一灌溉处理林地年度灌溉量年际差异较大(见表1)。

表1 试验设计及滴灌施肥概况

续(表1)

2.2 林木胸径、树高和林分年蓄积生长量

于2017—2019年生长季初(4月初)及生长季末(10月底)对所有小区试验林木进行每木检尺，测定林木胸径(DBH)。由于树高(H)测量误差较大，各试验小区选取3株平均标准木测定树高。利用3 a内测定的1170组林木胸径-树高数据，拟合三倍体毛白杨无性系S86胸径-树高的异速关系。公式如下：

H=1.207 1DBH+0.7761;R2=0.934，p<0.01。

结合每木检尺的胸径数据，利用公式计算所有样树的树高。根据毛白杨二元材积表[22]，计算试验林木的单株材积，进而得到每小区林木蓄积量，通过试验小区占地面积(96 m2)换算林分蓄积量。由生长季末和生长季初林分蓄积量差值计算林分年蓄积生长量。

2.3 林木生物量与林木各器官氮质量分数的测定

2017和2018年生长季末对林木进行破坏性取样，测定林木生物量及器官氮含量，并计算林木氮吸收量。2017年选取W20NL、W20NM、W20NH及CK处理，各处理分别于Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ区组选取4株林木，2018年选取W20NL、W20NM、W20NH、W20N0、W33NH、W45NH及CK处理，各处理分别于Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ区组选取3株平均标准木，共计砍伐样树37株。通过人工挖掘的方式，以树干为中心，获取林木平均生长空间内(2 m×3 m)根系生物量，采集深度约为1 m。样树采伐后，地上部分分为叶、枝、干，地下部分分为根桩、粗根(根直径>2 mm)及细根(根直径≤2 mm)，称各器官的鲜质量，并获取各器官对应样品。样品称量后带回实验室于烘箱中65 ℃烘干，直至样品质量不再发生变化，得到样品干质量，以此计算各器官对应含水率；利用鲜质量数据，计算林木各器官的生物量。此外，由于林木在生长季末开始落叶，在样树采伐的试验小区内随机选取5个1 m×1 m的样方收集落叶，以此估算不同处理林木落叶生物量。叶片生物量为落叶生物量和样树上存留的叶片生物量的总和。样树总生物量为不同器官生物量之和。

采用浓硫酸-双氧水法[23]消解各处理不同器官的烘干样品，利用连续流动分析仪AA3(Seal,Germany)测量叶、枝、干、根桩、粗根及细根的氮质量分数。根据器官氮质量分数和器官生物量计算林木各器官氮吸收量，各器官氮吸收量的总和为林木吸收氮量。

2.4 灌溉水利用效率及林分氮吸收量的计算

灌溉水利用效率：2017—2019年W45处理林地年均灌溉量为14.06 mm，远低于林地年均蒸发量，因此可将W45处理等同于不灌水处理。根据水表读数获得2017—2019年W20处理和W45处理生长季内灌水量，根据对应处理林木生物量数据，通过公式计算W20灌溉处理不同施氮量下林木灌溉水分利用效率。IWUE=(BW20Ni-BW45Ni)/(IW20Ni-IW45Ni)。式中，IWUE为灌溉水利用效率，BW20Ni和BW45Ni分别为W20Ni和W45Ni处理林分的生物量，IW20Ni和IW45Ni分别为W20Ni和W45Ni处理林地的灌溉量。

林分氮吸收量：根据拟合的林木胸径-生物量定量关系[18]，结合林木吸氮量与生物量的定量关系[21]，利用每木检尺数据计算各试验小区林木氮吸收量，进而得到各处理林分氮吸收量。

2.5 数据处理

运用模型分析增广因子试验，对连续生长季内林木生长(胸径增长量、树高增长量及林分年蓄积生长量)、器官生物量及林分氮吸收量进行方差分析，首先对比滴灌水肥耦合处理和CK处理间的差异，进一步分析不同灌溉水平和施氮梯度下，灌溉量和施氮量的单因素的效应及其交互作用。运用单因素方差分析对比2、3年生林分不同滴灌水肥耦合处理各器官氮质量分数。采用Duncan法进行不同灌溉水平或滴灌水肥耦合处理间的差异性检验(p<0.05)。运用非线性回归模型拟合林木叶、枝、干和根的异速生长方程，并根据每木检尺数据计算2017—2019年各处理不同器官的生物量。采用R语言软件(R Core Team 2015)进行方差分析，Origin 9.0软件进行非线性回归分析。

3 结果与分析

3.1 不同处理林木的生长量

由表2可知，2017年W20处理平均胸径增量达到3.21 cm，显著高于其他处理28.24%(p<0.05)；2018年W20处理平均胸径增量达到2.74 cm，显著高于W45和CK处理6.42%(p<0.05)；而2019年胸径生长量降低，各处理平均胸径增量达到1.68 cm。2017年W20处理树高增量平均达到4.11 m，显著高于CK处理35.20%(p<0.05)。2017年和2018年W20处理林分年蓄积生长量分别达到20.18、34.58 m3·hm-2，比CK高出76.12%和20.84%。与CK对比，滴灌水肥耦合处理对短轮伐期内毛白杨林木生长的作用在不同林龄林分中不同。滴灌水肥耦合显著促进2017—2018年林木胸径生长及2017年树高生长(p<0.05)；滴灌显著促进2017—2018年胸径生长及林分年蓄积生长量的提高。

表2 2017—2019年各处理林木生长指标的年增长量

3.2 同一灌溉水平不同施肥处理水分利用效率

由表3可知，2017—2019年W20NH处理，灌溉水利用效率显著高于其他处理(p<0.05)，2017—2019年分别为其他处理平均灌溉水利用效率的1.83、2.03和2.46倍，平均达到1.58 kg·m-3。

表3 2017—2019年充分灌溉不同施氮处理灌溉水分利用效率(N=5)

3.3 林木各器官的生物量

由表4所示，分别构建叶、枝、干及根的异速生长方程(p<0.001,R2=0.795～0.950)，利用生长季末每木检尺数据估算2017—2019年不同处理各器官生物量。

表4 林木各器官生物量异速生长方程(N=37)

由表5可知，2017—2019年，充分灌溉处理(W20)叶、枝、干和根生物量显著高于其它处理(p<0.05)，W20处理的年平均生物量分别达到4.72、8.10、21.65和6.59 t·hm-2，是其它处理叶、枝、干和根年平均生物量的18.38%、27.16%、29.58%和19.53%。

表5 2017—2019年不同灌溉水平滴灌水氮耦处理各器官的生物量(N=5)

3.4 器官氮质量分数与林木氮吸收量

由表6可知，除2017年W20NL处理细根氮质量分数显著高于W20NH和CK处理(p<0.05)，其它器官氮质量分数在不同处理间差异均不显著。与其他器官相比，叶片氮质量分数最高，林分叶片氮质量分数为17.25～20.79 g·kg-1，枝的氮质量分数为5.23～6.73 g·kg-1，干的氮质量分数为1.39～1.65 g·kg-1，根桩的氮质量分数为1.16～2.13 g·kg-1，粗根的氮质量分数为5.97～8.84 g·kg-1。

由表7可知，2017—2019年滴灌水氮耦合(DIF)处理林木氮吸收量显著高于CK(p<0.05)，W20处理能显著提高林木氮吸收量，2017—2019年分别为97.92、208.06和300.20 kg·hm-2，2017和2018年W20处理显著高于其他处理23.43%和22.96%，2019年显著高于CK24.29%(p<0.05)。

表6 2017和2018年不同处理各器官氮质量分数(N=37)

表7 2017—2019年各滴灌水氮耦合处理林木氮吸收量

4 结论与讨论

4.1 滴灌水氮耦合对短轮伐期林木生长的影响

通过对短轮伐期内毛白杨林木胸径、树高及林分年蓄积生长量的变化规律分析，发现沙壤土立地下，滴灌水氮耦合(DIF)措施显著促进2—3年生林木胸径生长，提高短轮伐期毛白杨林分年蓄积生长量。与增施氮肥对比，滴灌对2017—2019年林木生长的促进作用明显，W20灌溉处理2、3、4年生毛白杨林分年蓄积生长量分别达到20.18、34.58、36.06 m3·hm-2，较CK高出20.84%～76.12%。沟灌水氮耦合下3年生毛白杨林分年蓄积生长量最高达到33.37 m3·hm-2[11-12]，滴灌施氮下5年生毛白杨林分年蓄积生长量达到9.1 t·ha-1(约为27.16 m3·hm-2[24])；滴灌水氮耦合下4、5、6年生欧美杨林分蓄积增量最高分别达到11.54、27.85和25.96 m3·hm-2[14，25]，滴灌9年生欧美杨人工林蓄积年生长量达到38.92 m3·hm-2，5 m×5 m栽植模式下,8年生欧美杨林分年蓄积生长量平均达到8.9 t·hm-2(约为26.57 m3·hm-2)[26]。不同立地、品种、无性系、林龄及集约经营措施下杨树人工林林分年蓄积生长量存在一定的差异，但滴灌增施氮肥对林木生长无明显作用，且灌溉和施氮的交互效应不明显，但研究发现滴灌施肥能显著提高0～20 cm土层林地无机氮质量分数，且2、3年生林木不同月份叶片氮质量分数平均高于19 mg·kg-1[6，21]，不同施氮处理叶片氮质量分数并未产生明显差异，说明该立地条件下林木生长尚未受到氮胁迫[27]。造林时施用基肥(有机-无机复合肥70 g/株)为幼林生长也提供一定的氮素，滴灌增施氮肥对短轮伐期毛白杨林木生长无明显影响。此外，短轮伐期内滴灌水氮耦合对林木生长的影响随林龄增加而减弱，即2、3年生林木生长受滴灌水氮耦合及滴灌的促进作用明显，水肥对4年生林分生长的影响减弱，结合林分叶面积指数(LAI)的年际变化规律，4年生林分叶面积指数值较3年生林分降低，说明随着林龄的增长林分密度开始成为影响林木生长的关键因子。

通过建立器官生物量和林木胸径的异速生长方程，进一步分析滴灌水氮耦合处理对连续生长季内各器官生物量的影响。研究发现高灌溉或高施肥处理对2、3年生毛白杨林木器官生物量的分配比例具有一定的影响，但2017—2019年林木各器官生物量仅受滴灌的影响显著，增施氮肥及水氮交互作用对林木各器官生物量影响均不显著。氮素是限制速生树种生长的重要元素，不同杨树品种及无性系对施氮量、施氮种类等响应均不同，在一定范围内施氮量与林木生长呈正相关关系，而过量施用氮肥则对林木生长产生抑制作用[11-12，28-30]。滴灌和施肥对林木器官生物量的不同影响，进一步明确水分管理是沙地短轮伐期毛白杨培育的关键，这与有关的研究结果一致[13-14，19，31]。

4.2 滴灌水氮耦合对林木水氮吸收利用的影响

滴灌水氮耦合措施显著提高林木根区土壤含水率，直接增加滴灌湿润体内土壤水分有效性，提高了林地水氮利用效率，促进了林木生长[32-33]。本研究中，充分灌溉处理(W20)显著提高2～4年生林分年蓄积生长量，水分利用效率高氮处理明显高于其他处理，这与于景麟等[11]研究结果不一致。由于沟灌较滴灌更易发生深层渗漏，W20NH处理具有相对较高的水分利用效率。增施氮肥能提高冬油菜产量及灌溉水分利用效率[34]。本试验中增添施氮量并未对林木生长产生显著影响，但能明显提高充分灌溉处理下的水分利用效率。

研究结果显示，滴灌增施氮肥对器官氮质量分数及林木氮吸收量均无显著影响，灌溉是影响沙壤土立地条件下毛白杨无性系S86林木生长的重要因素。王烨[20]对三倍体毛白杨无性系B301研究发现，林木器官氮质量分数及氮吸收量均受施氮量影响显著，但在不同林龄林分中表现不同；于景麟等[11]研究发现氮肥施用对沟灌水氮耦合下3年生林木叶片及整株林木氮吸收量均有显著影响，与本研究结果不一致。主要原因是研究对象的立地条件、气象因子、林龄、集约栽培方式及无性系等不同，造成研究结果的差异。此外，2017—2019年W20处理，林木氮吸收量达到97.92～300.02 kg·hm-2，比CK提高了24.60～72.91 kg·hm-2。因此，为避免雨季及滴灌灌溉引起氮素淋失，在满足林木生长的基础上，可适当减少短轮伐期毛白杨S86培育中氮肥施用量。

综上所述，滴灌水氮耦合(DIF)措施促进了2、3年生林木胸径生长，提高短轮伐期毛白杨林分年蓄积生长量；增施氮肥对林木生长及氮素吸收利用无明显作用，但提高施氮量仍能明显提高林木灌溉水分利用效率；灌溉是影响沙壤土立地条件下毛白杨无性系S86林木生长的重要因素。因此，针对短轮伐期毛白杨培育，可采用滴灌措施以促进2、3年生幼林生长。