雄安新区千年秀林有机肥施用效果研究

薛杨，高东丽

1.海南省林业科学研究院(海南省红树林研究院)，海南 海口 571100；2.中国林业科学研究院资源信息研究所，国家林业和草原局产业发展规划院，北京 100091

林木施肥是根据林木对土壤养分需求量和土壤的供给能力，对林木进行补充营养，以满足林木的生长发育需求，从而最大限度的提高林木的产量和木材质量，增强林木的健康活力和抗御病虫害危害的能力[1]。作为森林抚育规程中的一个重要营林措施，施肥对用材林的幼龄林、短周期速生丰产林和珍贵树种的培育具有重要作用[2]。同时，施肥也是森林定向培育中的一个重要环节，能够提高培育目标的产量或效能[3-5]。随着定向培育概念的延伸，林木施肥研究已从单一林木生长培育向多行业、多功能方向扩展。例如，城市森林营建过程中，新造人工林由于根系分布浅，对霜害、寒害、日灼等自然灾害的抵抗力弱，合理施肥管理可保证林木根系养分需求、促进其营养元素积累，增强其对新的立地环境的适应能力并最缩短其郁闭成林时间[7]。雄安新区坚持生态优先、绿色发展的理念，按照“先植绿、后建城”的建设思路，将森林作为新区有生命的基础设施，设计伴随城市生长的复层、异龄、混交的“千年秀林”。但是受前期高强度集约化农业生产和化肥过量施用的影响，造林地土壤板结、酸碱失衡的现象严重，林地和森林资源的可持续发展受到一定程度的制约。

有机质对土壤形成、土壤肥力、生态平衡及农林业可持续发展等方面有着极其重要的作用[8]。有机肥料含有丰富的有机质，能协调土壤中的水、肥、气状况，促进微生物的活动，从而保证植物生长的养分需求[9-10]，增施有机肥是培肥土壤，克服土壤缺肥、盐渍、理化性状差的有效途径之一[11]。北京某集团以餐厨垃圾为原料，采用先进的生物活化技术，使有机、无机矿质碳素转化成土壤肥料，增强肥料缓释效果，同时成功地把量子干涉物质应用到肥料生产当中，增强了土壤的光热转化作用，提高地温，促进土壤团粒结构的形成，进而改善了土壤结构，为土壤固有有益菌群繁殖提供了良性的土壤生态环境。专业检测机构检测报告显示，相比于市场售卖的有机肥，高碳有机肥的有机质含量高出50%，总养分含量超过11%。同时，重金属、蛔虫卵、粪大肠菌群数都远低于限量标准[12-13]。同时，施肥尤其是有机肥的施用作为最常见的一种固碳措施，其固碳能力在国内外已得到广泛研究[14-15]，有机肥可减缓土壤有机质的矿化速率增加土壤碳的固定[16-17]。

传统观念认为施加有机肥会提高土壤肥力，但是有机肥种类繁多，所含成分复杂，在土壤中变化的历程较长，对土壤肥力和土壤环境质量造成不确定的影响[11]。高能有机肥的成分虽已经过实验室的认定，但是在林地中的施用效果并不清楚。此外，不同树种对于肥料的需求偏好也不尽相同[7]。通过开展不同树种、不同有机肥料的施用试验，探究不同施肥方式对林木生长和土壤固碳的影响，将为城市森林的高效培育和高碳有机肥的后期推广提供技术支撑。

1 试验地概况

试验区为雄安新区多功能城市森林营建项目的科研试验林，位于容城县北城村，东距雄安郊野公园1.3km，南距容易线公路500m。原为该村农田，经多年农业连作生产土地肥力轻度衰退后退耕还林，属雄安新区“千年秀林”。该地区属暖温带季风型大陆性气候，四季分明，年均气温11.7℃，最高月（7月）平均气温26℃，最低月（1月）平均气温-4.9℃；年日照2685h，年平均降雨量551.5mm，6月至9月份占80%。无霜期185d左右。土壤类型为潮土，土层厚度＞60cm，地势平坦、养分条件较好，适宜乔木生长。

2 研究方法

2.1 实验设计

为比较高碳有机肥施用效果，选取高碳有机肥、市场销售的普通有机肥对雄安新区主要造林绿化树种白蜡（Fraxinus chinensis）、银杏（Ginkgo biloba）、国槐（Sophora japonica）、栾树（Koelreuteria paniculata）和油松（Pinus tabuliformis）进行施肥试验。在以上5个树种的试验片林中，施用高碳有机肥20kg/株、普通有机肥20kg/株、高碳有机肥与普通有机肥混合肥20kg/株（各10kg）、高碳有机肥增量30kg/株、未施肥对照等5种处理方式。对于每个树种，试验小区内每种处理5株数，重复3次。采用环状沟施肥法，与树冠垂直地面开深、宽各30cm环状沟槽，把翻上来的土与肥料充分混匀搅拌，回填、浇水。撒施过程尽可能避光，保持土壤湿润。

2.2 数据调查与分析

于2020年5月中旬开展树种施肥试验林的本底调查，试验林为千年秀林建设中的生态林部分，选用相同圃地、相同规格的乡土树种于2018年春进行造林，造林密度833株/hm2（株行距3m×4m），初始造林苗木规格阔叶胸径7cm～8cm，针叶树种树高2.5m～3.0m，全部为大土球原生冠苗。通过踏查选取符合试验要求的地块，设置试验小区，并对试验小区内的林木进行编号分组，在1.3m处喷漆标号并记录胸径大小，同时调查施肥林木的胸径、树高和冠幅指标（表1），2020年5月下旬完成所有施肥试验处理，并于2021年5月中旬进行所有施肥试验的调查工作，记录一年内林木的生长情况。

该研究关注不同处理施肥后土壤的变化情况，实验区土壤养分条件均一，在施肥前后对不同处理土壤表层（0～20cm）和下层（21cm～40cm）进行取样。取样采用梅花取样法，对每个树种的每一个处理，分别在施肥前与施肥一年后选取5株的施肥沟混合取样，取样土壤经过多次过细筛，称取过0.149mm筛的风干土0.2000g，采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定[18]。每次采集表层、深层土壤共计50份。

植物三维绿量指植物茎叶三维体积，其作为绿化指标突破原有二维绿化指标的局限性，可更准确地反映城市森林空间构成的合理性，体现整个城市的生态效益水平，可用于更全面、准确地描述城市森林的空间结构以及不同城市功能区的绿化结构优化设计等方面，该研究将林木树冠近似看作锥体，采用树高、冠幅、枝下高求算其树冠体积，对林冠三维绿量进行近似估计。考虑到施肥前林分本底值不能保证完全一致，为矫正本底值对肥效的影响，通过协方差方法校正数据；所测的生长指标用SPSS 19.0软件进行处理和方差分析。

表1 5种绿化树种基本信息Tab.1 Basic Information of 5 Afforestation Tree Species

表2 施肥前后不同试验区、不同深度土壤有机碳信息Tab.2 Information of Soil Organic Carbon in Different Experimental Areas and Depths Before and After Fertilization

3 结果分析

3.1 施肥对树种胸径生长影响

施肥作业对树种胸径生长的影响表现在两个方面，一是不同施肥策略对同一树种胸径生长的差异；另一方面为相同策略对不同树种的影响。

3.1.1 不同施肥策略对树种胸径生长量的影响

5种施肥处理下白蜡胸径年生长量降序为A(1.26cm)、D(1.04cm)、C(0.88cm)、B(0.84cm)、E(0.80cm)，A处理显著高于其它4种处理（P＜0.05），D处理显著高于其他B、C、E 3种处理，B、C、E 3种处理之间差异不显著。银杏胸径年生长量降序为D(0.93cm)、B(0.89cm)、C(0.87cm)、E(0.82cm)、A(0.69cm)，不同施肥处理间差异不显著（P＞0.05）。国槐胸径年生长量降序为D(2.56cm)、B(2.21cm)、A(1.51cm)、E(1.26cm)、C(1.14cm)，D处理显著高于E、C处理（P＜0.05），与B、A处理差异不显著（P＞0.05）；B处理显著高于E、C处理（P＜0.05），A处理与C处理有显著性差异（P＜0.05），与其他处理差异不显著（P＞0.05），E处理和C处理差异不显著（P＞0.05）。栾树胸径年生长量降序为B(1.43cm)、C(1.20cm)、A(1.17cm)、D(1.09cm)、E(0.94cm)，E处理和B处理之间有显著差异（P＜0.05），其他处理之间差异不显著（P＞0.05）。油松胸径年生长量降序为A(1.05cm)、B(0.92cm)、D(0.83cm)、C(0.84cm)、E(0.73cm)，A处理显著大于其它4个处理方式，B处理显著高于D、E，D处理高于对照E（P＞0.05）（表3）。

表3 不同施肥方式对树种胸径年生长量的影响（cm）Tab.3 Effects of Different Fertilization Methods on Annual Growth of Dbh of Tree Species(cm)

3.1.2 相同施肥策略对不同树种胸径生长率的影响

考虑到不同树种间生长特性的差异性，研究使用生长率，即采用生长前后的比值作为观测值进行比较分析。高碳有机肥与普通有机肥等量混合（A）、高碳有机肥增量使用（C）和不施肥（E）对五个树种的生长率的影响不显著（P＞0.05）。国槐在施用高碳有机肥（B）和普通有机肥（D）后生长率显著高于其他树种（P＜0.05），相对于其他树种而言，国槐对于肥料的使用更为敏感（表4）。

表4 相同施肥方式对不同树种胸径生长率的影响（%）Tab.4 Effects of the Same Fertilization Method on Dbh Growth Rate of Different Tree Species（%）

3.2 不同施肥策略对树种三维绿量的影响

5种施肥处理下白蜡三维绿量年增量降序为C（10.34m3）、D（10.10m3）、A（6.72m3）、E（5.21m3）和B（3.89m3），C、D处理显著高于其它B、E种处理（P＜0.05），与A处理差异不显著。银杏三维绿量年增量降序为D(3.70m3)、B(2.27m3)、E(1.80m3)、C(1.37m3)、A(1.25m3)，D处理显著高于其它四种处理（P＜0.05）。国槐三维绿量年增量降序为D(11.62m3)、C(11.20m3)、B(8.33m3)、A(2.63m3)、E(2.31m3)，D、C处理显著高于A、B、E 3种处理（P＜0.05），B处理显著高于A、E处理差异不显著（P＜0.05）；其它处理间差异不显著（P＞0.05）。栾树三维绿量年增量降序为A（3.44m3）、E（1.94m3）、B（1.52m3）、D（0.51m3）、C(0.38m3)，A处理显著高于其它四种处理（P＜0.05），B、E处理显著高于C、D处理（P＜0.05），但两者间差异不显著（P＞0.05）。油松三维绿量年增量降序为A(2.37m3)、B(1.47m3)、D(0.77m3)、E(0.55m3)、C(0.52m3)，A处理显著大于其它四个处理方式（P＜0.05），B处理显著高于C、D、E（P＜0.05），其它处理间差异不显著（表5）。

表5 不同施肥方式对树种三维绿量的影响（m3）Tab.5 Effects of Different Fertilization Methods on Three-dimensional Green Amount of Tree Species(m3)

3.3 不同施肥策略对土壤有机碳动态的影响

施肥前不同实验处理间土壤表层、土壤深层土壤有机碳差异不明显，其中B处理区表层土壤有机碳含量最高38.86g/kg，E处理区最低32.82g/kg。深层土壤较表层土壤有机碳含量明显下降，C处理区深层土壤有机碳含量最高21.86g/kg，E处理区最低17.98g/kg。施肥1a后，不同处理间表层土壤有机碳含量差异明显（P＜0.05），使用高碳有机肥的B处理土壤表层有机碳含量最高189.05g/kg；其次为A处理（179.79g/kg）和C处理（152.42g/kg），3个处理的有机碳含量显著高于D处理（101.98g/kg），D处理显著高于未施肥处理E（32.36g/kg）。施肥1a后，不同处理间土壤深层有机碳含量差异不显著（表2）。

施肥1a后，除未施肥的对照组E外，不同施肥处土壤表层有机碳含量明显增加，B、A、C处理土壤表层有机碳含量显著高于施用有机肥D处理和未施肥对照E（P＜0.05），D处理与E处理两者差异不明显。施肥1a后，除未施肥对照组外，土壤深层有机碳较施肥前出现下降，其中C处理有机碳含量下降最高，其次为A处理和B处理，三个处理均显著高于未施肥E处理，D处理土壤深层有机碳含量虽然下降但与对照组E碳含量动态差异不明显（表6）。

表6 施肥1年后不同深度土壤有机碳动态（g/kg）Tab.6 Dynamics of Soil Organic Carbon at Different Depths after One Year of Fertilization（g/kg）

4 结论与讨论

4.1 相比于未施肥对照组而言，开展施肥作业大都能够显著提高林分胸径的生长；不同施肥处理对不同树种胸径年增量的影响不一致，白蜡和油松在高碳有机肥和普通有机肥混合施用胸径生长效果最好，但银杏效果最差；有机肥施用对白蜡、银杏、国槐3个绿化树种径生长效果最好，施用高碳有机肥能够更高的促进栾树径生长。高碳有机肥的单次增量使用对树种径生长的促进效果不理想，没有一种树种是在该施肥处理下获得最优的径生长效果。

4.2 同一施肥处理对不同树种的年径生长率影响差异不大，高碳有机肥与普通有机肥混合施用、高碳有机肥增量施用和不施肥对照三种施肥处理下，5个树种年径生长率无差异；国槐在高碳有机肥和有机肥的施用后径年生长率高于其他4个树种。

4.3 树种三维绿量的增量受其生长特性、初期状态的影响，白蜡和国槐三维绿量年增量在施用高碳有机肥和普通有机肥后都出现显著增加，未施肥处理下银杏树冠三维绿量高于有机肥混用和高碳有机肥增量使用，栾树和油松冠体三维绿量在有机肥混用和高碳有机肥施用时年增量最高。

4.4 施肥作业1a后，除未施肥对照组外土壤表层有机碳含量出现较为明显的增加，高碳有机肥、高碳有机肥增量和高碳有机肥混合施用均能大幅度提高表层土壤有机碳含量，施用有机肥也能增加土壤有机碳含量，未施肥处理土壤表层有机碳出现了小幅下降。深层土壤有机碳表现出与表层土壤有机碳相悖的结果，高碳有机肥增量、高碳有机肥混合和高碳有机肥施用1a后，深层土壤有机碳出现较为明显的下降，有机肥施用也会造成深层土壤有机碳的小幅下降，未施肥组土壤深层有机碳则出现较为明显的增加。

4.5 在林地养分管理中，施肥在改善土壤肥力状况，调节土壤理化性质，促进林木发育，改变土壤碳库结构等方面有着十分重要的作用。雄安新区千年秀林主要由耕地转化而言，这些耕地虽土层深厚但长期过量施用化肥，土壤肥力和土地生态质量已出现明显下降。有机肥含有丰富的有机质，改善土壤理化环境，维持土壤养分平衡，促进林木发育并实现土地资源的可持续利用[11]。该研究中，源于城市生活废弃物转化的高碳有机肥在促进林木径干生长、增加树种三维绿量与有机肥相比在某些造林绿化树种上已表现出较为明显的优越性，但是肥料的过量使用并没有更加突出的效果。

该研究中高碳有机肥在提高土壤表层有机碳含量的效果上明显优于有机肥，能够更好的提高土壤碳储存的能力，但施肥后深层土壤碳的降低也是值得关注的问题。此外，有机肥还可能促进土壤温室气体（CO2，CH4等）的排放[19-20]，在“双碳”目标导向的城市绿化管护中，如何合理通过合理的施肥作业改善林分生长、健康状态并提高土壤碳存储的能力还需要进一步的研究。