不同土壤培肥處理對(duì)桂南桉樹產(chǎn)量及土壤肥力的影響

覃祚玉，石媛媛，趙雋宇，唐 健，鄧小軍，宋賢沖，黎 巍

（1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 廣西林用新型肥料研發(fā)中心 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530002；2.廣西壯族自治區(qū)國(guó)有東門林場(chǎng)，廣西扶綏 532108）

合理的培肥能有效提高土壤肥力質(zhì)量，確保土壤資源的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)與保護(hù)，對(duì)提升林地生產(chǎn)力和維護(hù)土壤生態(tài)安全有重要作用。全國(guó)第九次森林資源清查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)桉樹（Eucalyptusspp.）人工林面積546 萬hm2，占全國(guó)人工林面積的6.8%，在一定程度上緩解了我國(guó)的木材緊缺狀況；廣西桉樹人工林面積256 萬hm2，占全國(guó)桉樹人工林面積的46.9%，居全國(guó)第一。目前，桉樹人工林以純林、多代連栽和短輪伐期經(jīng)營(yíng)為主，出現(xiàn)地力衰退、森林質(zhì)量下降和生態(tài)功能退化等問題，嚴(yán)重制約了桉樹人工林生產(chǎn)力水平的提高[1-3]。從發(fā)展角度來看，桉樹種植產(chǎn)生的土壤生態(tài)問題可通過有效的土壤培肥措施得到改善。

國(guó)內(nèi)外研究表明，合理的土壤培肥是提高土壤質(zhì)量和林地生產(chǎn)力最有效的途徑之一，測(cè)土配方施肥、剩余物還林、添加有機(jī)物料或有機(jī)肥和林下套種等培肥措施受到廣泛關(guān)注[4-11]。許彩洪等[12]研究表明，施用總養(yǎng)分≥30%（15-6-9）桉樹專用配方肥，可促進(jìn)桉樹生長(zhǎng)和改善土壤狀況。翁怡琳[13]研究表明，采伐剩余物平鋪處理能提高林地有效養(yǎng)分含量，其微生物生物量氮、微生物生物量碳和蔗糖酶顯著高于帶狀堆放和剩余物移除處理，平鋪處理下1年生桉樹幼林的平均地徑、胸徑和樹高比移除處理分別高出3.63%、6.44%和12.16%。施用有機(jī)肥可提高桉樹林地土壤養(yǎng)分與有機(jī)質(zhì)含量，施用有機(jī)肥5年后的土壤容重比施用無機(jī)肥降低0.01%～0.22%，土壤總孔隙度提高0.1%～7.1%，可有效改良磚紅壤的物理特性，產(chǎn)生培肥效應(yīng)[14]。高文杰等[15]研究發(fā)現(xiàn)，桉樹套種烏綠豆（Phaseolusspp.）× 印度豇豆（Vigna sesquipedalis）能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，緩解土壤酸化。桉樹人工林間種山毛豆（Tephrosia candida）可提供林木生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)，促林木生長(zhǎng)[16-17]。本研究以廣西桂南地區(qū)桉樹種植面積最大、連栽代次高的廣西壯族自治區(qū)國(guó)有東門林場(chǎng)桉樹人工林為研究對(duì)象，進(jìn)行土壤培肥模式的篩選與評(píng)價(jià)，土壤培肥處理包括林下套種綠肥、剩余物還林、施用有機(jī)肥和測(cè)土配方施肥，以期為桂南地區(qū)及廣西桉樹人工林林地生產(chǎn)力的提升、土壤提質(zhì)增效及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣西壯族自治區(qū)國(guó)有東門林場(chǎng)雷卡分場(chǎng)9 林班（110°30'E，22°23'N），屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫21.8 ℃，年均降水量1 100～1 300 mm，年均蒸發(fā)量1 600 mm，年均相對(duì)濕度74%～83%；年均日照時(shí)長(zhǎng)1 634～1 719 h，年均無霜期342 天；海拔150 m，低丘臺(tái)地交錯(cuò)分布，地勢(shì)低平，坡度5°。土壤為磚紅壤，成土母巖為第四紀(jì)砂巖母質(zhì)。試驗(yàn)地前茬為桉樹，林地產(chǎn)量約為67.5 m3/hm2（5年生），產(chǎn)量較低。2017年2月，通過機(jī)耕新造林，主栽樹種為尾巨桉（E.urophylla×E.grandis），種植密度為1 245 株/hm2（4 m × 2 m），保存率為97%。試驗(yàn)前，分別于2017年4月、2017年9月和2018年4月施復(fù)合肥（N∶P∶K = 6∶12∶7），每次施用量為622.5 kg/hm2。林下植被主要有藿香薊（Ageratum conyzoides）、飛機(jī)草（Chromolaena odorata）、山菅（Di?anella ensifolia）和木姜子（Litsea pungens）等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年6月—2020年6月，進(jìn)行田間試驗(yàn)。設(shè)6個(gè)處理（T1～T5 和CK），樣地面積為0.4 hm2（20 m×20 m），3 個(gè)重復(fù)。T1～T4 處理均為等養(yǎng)分肥料投入，化肥投入量（折純量）均為225.0 kg/hm2，T5 處理的化肥投入量為187.5 kg/hm2（化肥減量16%）。

T1 和T2 處理分別為林下套種山毛豆（Tephro?sia candida）和林下套種田菁（Sesbania cannabina）處理，播種前將有機(jī)肥（4 500 kg/hm2）散鋪于犁耕過的2 m 寬行距林地內(nèi)，條播綠肥種子，種子用量為30 kg/hm2，播種前進(jìn)行種子催芽處理。T3 處理為剩余物還林處理，添加枯枝落葉、鋸末等剩余物和常規(guī)肥料（東林摻混肥：總養(yǎng)分30%，N∶P2O5∶K2O=15∶6∶9），施肥量約750 kg/hm2，剩余物添加量為葉紹明等[18]1～3 代6年生尾巨桉林分平均生物量（約81 t/hm2）的1/3，為27 t/hm2。T4 處理為施用有機(jī)肥處理，施入有機(jī)肥的總養(yǎng)分約為5%，施入量為4 500 kg/hm2。T5處理為測(cè)土配方施肥處理，配方肥總養(yǎng)分為25%（N∶P2O∶K2O = 12∶5∶8，有機(jī)質(zhì)含量≥20%），施肥量為750 kg/hm2。CK 處理為常規(guī)施肥（東林摻混肥）處理，施肥量為750 kg/hm2。

1.3 指標(biāo)調(diào)查

1.3.1 林木生長(zhǎng)量及產(chǎn)量測(cè)定

對(duì)各處理試驗(yàn)前后的樣地進(jìn)行每木檢尺，測(cè)量桉樹的樹高和胸徑。采用單株材積計(jì)算不同處理的平均蓄積量，采用廣西林業(yè)勘查設(shè)計(jì)院制定的速生桉單株材積（V，m3）計(jì)算公式[19]：

式中，D為胸徑（cm）；H為樹高（m）；c0、c1、c2、c3和c4均為常數(shù)，c0= 1.091 541 50 × 10-4；c1= 1.878 923 70；c2= 5.691 855 03 × 10-3；c3= 0.652 598 05；c4=7.847 535 07×10-3。

1.3.2 土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

在樣地內(nèi)以“S”型挖掘3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)剖面，按0～10、10～20、20～30和30～40 cm分層采集土壤鮮樣，采集量約為1 kg，風(fēng)干后進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。土壤pH 值和有機(jī)質(zhì)含量（OMC）、全氮含量（TNC）、全磷含量（TPC）、全鉀含量（TKC）、堿解氮含量（AHNC）、有效磷含量（APC）、速效鉀含量（AKC）、交換性鈣含量（E-Ca）、交換性鎂含量（E-Mg）、有效銅含量（ACu）、有效鋅含量（A-Zn）、有效鐵含量（A-Fe）、有效錳含量（A-Mn）和有效硼含量（A-B）等養(yǎng)分指標(biāo)參照LY/T 1210～1275-1999[20]相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。各層土壤的平均值為0～40 cm土壤養(yǎng)分的測(cè)定值。

1.4 土壤肥力計(jì)算

選取1.3.2 中的15 項(xiàng)指標(biāo)作為土壤肥力質(zhì)量的評(píng)價(jià)因子。建立各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)值進(jìn)行數(shù)值化量綱處理。常用的隸屬函數(shù)分為拋物線型（公式1）和S 型（公式2）。根據(jù)前人研究結(jié)果[21-23]，pH 值屬于拋物線型隸屬函數(shù)，其他14 項(xiàng)指標(biāo)均屬于S 型隸屬函數(shù)。參考前人研究成果[24-26]并結(jié)合研究區(qū)土壤性質(zhì)，確定隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)（表1）。采用主成分分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，再通過加權(quán)求和法計(jì)算出土壤肥力質(zhì)量綜合指標(biāo)值（IFI）（公式3）。

表1 隸屬函數(shù)曲線中評(píng)價(jià)指標(biāo)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)Tab.1 Turning points of evaluating indicators in membership functions

式中，U(x)為評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度；x為評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值；a為隸屬函數(shù)下限值；b、c為隸屬函數(shù)最優(yōu)值；d為隸屬函數(shù)上限值。Wi和μi分別表示第i項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度和權(quán)重。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)分析、因子分析和聚類分析。因子分析確定權(quán)重，聚類分析劃分綜合肥力指標(biāo)等級(jí)。采用Origin 19.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)桉樹生長(zhǎng)的影響

T1～T4 處理的平均樹高增量均大于CK 處理，表現(xiàn)為T2>T1>T4>T3>CK>T5，T2、T1、T4和T3處理與CK 處理差異顯著（P<0.05）；T1～T5處理的平均胸徑增量均顯著大于CK 處理（P<0.05），表現(xiàn)為T1>T5>T2>T4>T3>CK；T1～T5 處理的平均蓄積增量均大于CK 處理，表現(xiàn)為T1 > T5 > T2 >T4 > T3 > CK，其中T1、T5、T2 和T4 處理與CK 處理差異顯著（P<0.05）（表2）。

表2 不同處理對(duì)桉樹生長(zhǎng)的影響Tab.2 Effects of different treatments on eucalypt growth

2.2 不同處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響

有機(jī)質(zhì)含量增量表現(xiàn)為T2 > T4 > T1 > T5 >T3 > CK（圖1）。T2、T4 和T1 處理試驗(yàn)后的有機(jī)質(zhì)含量分別比試驗(yàn)前高出22.62%、17.87%和14.22%，差異顯著（P< 0.01）。T2、T4、T1 和T5 處理的有機(jī)質(zhì)含量增量顯著高于T3和CK 處理（P<0.01），分別比CK 處理高出378.67%、250.67%、205.33% 和50.67%，說明這4 種處理均能有效提高林地土壤有機(jī)質(zhì)含量。

圖1 不同處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Fig.1 Effects of different treatments on contents of soil organic matter

2.3 不同處理桉樹人工林土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

特征值大于1 的主成分有5 個(gè)，累計(jì)貢獻(xiàn)率為80.727%，說明這5個(gè)成分為試驗(yàn)地桉樹人工林土壤肥力質(zhì)量的主要影響因素（表3）。第1 主成分包括有機(jī)質(zhì)、全N、有效P、速效K 和有效Fe 含量，貢獻(xiàn)率為24.016%；第2 主成分包括堿解N、有效Cu、有效B和有效Mn 含量，兩個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為45.116%。

表3 土壤各屬性主成分因子載荷矩陣和權(quán)重Tab.3 Load matrix and weight of principal component factors of soil properties

為避免人為干擾及等距劃分等級(jí)帶來的誤差，采用歐氏距離聚類方法[27]將土壤肥力綜合指數(shù)劃分為5 個(gè)等級(jí)：Ⅰ級(jí)為優(yōu)（IFI> 0.600），Ⅱ級(jí)為良（0.450

表4 不同處理土壤肥力狀況及評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Soil fertility status and evaluation results of different treatments

3 討論與結(jié)論

3.1 土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)方法

客觀評(píng)價(jià)土壤肥力質(zhì)量是準(zhǔn)確了解土壤屬性和充分利用土壤資源的保障[28-30]。影響土壤肥力質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)很多，按土壤性質(zhì)和功能可分為化學(xué)指標(biāo)、物理指標(biāo)和生物學(xué)指標(biāo)[31]。Schoenholtz 等[32]認(rèn)為土壤化學(xué)指標(biāo)包括營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)和土壤有機(jī)碳（有機(jī)質(zhì)）兩類，營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)包括pH 值和全N、全P、全K、堿解N、有效P 和速效K 含量等指標(biāo)[33]。劉世梁等[28]認(rèn)為pH 值、土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P、有效P、全K、速效K含量和耕層厚度等指標(biāo)能穩(wěn)定地評(píng)價(jià)耕作土壤肥力。近年來，在土壤肥力定量評(píng)價(jià)中應(yīng)用最廣泛的方法有聚類分析和主成分分析方法[34-35]。本研究采取主成分、模糊數(shù)學(xué)和聚類分析相結(jié)合的方法，綜合評(píng)價(jià)不同培肥處理下的土壤化學(xué)性質(zhì)及肥力質(zhì)量，評(píng)價(jià)結(jié)果與產(chǎn)量規(guī)律吻合，說明該方法適用于桂南區(qū)土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)。

3.2 不同處理促進(jìn)林分增產(chǎn)的潛力

除T5 處理的平均樹高增量外，T1～T5 處理桉樹的平均樹高、胸徑和蓄積增量較CK 處理均有一定程度的提升。林下套種山毛豆（T1）處理的增產(chǎn)效果最好，其平均蓄積增量比CK 處理高出26.78%，可能是因?yàn)樯矫股锪看螅寥栏采w度高，地表蒸發(fā)減少，同時(shí)以耕代撫，疏松了土壤，減少了雜草競(jìng)爭(zhēng)，植物根系和凋落物有效地改良了土壤的化學(xué)性狀，促進(jìn)桉樹胸徑、樹高和蓄積量的增長(zhǎng)。T1 和T2 處理均為林下套種綠肥處理，其平均胸徑、樹高和蓄積增量均表現(xiàn)較好，說明林下套種綠肥有利于促進(jìn)桉樹胸徑、樹高和蓄積量增長(zhǎng)；T1、T2 和T4 處理的肥料輸入均為有機(jī)肥，其平均蓄積增量比CK處理高出19%以上，說明有機(jī)肥對(duì)桉樹蓄積量的促進(jìn)作用明顯。測(cè)土配方施肥（T5）處理的平均胸徑和蓄積量增量均顯著大于CK 處理，但平均樹高增量?jī)H為CK 處理的96.12%，說明目前的配方肥雖能促進(jìn)胸徑和蓄積量生長(zhǎng)，卻不利于樹高生長(zhǎng)，需進(jìn)一步調(diào)整配方，實(shí)現(xiàn)樹高、胸徑和蓄積量同步增加。

3.3 不同處理土壤改培效果

不同處理下，桉樹林地土壤肥力發(fā)生了明顯變化，主要體現(xiàn)在土壤有機(jī)質(zhì)和綜合肥力上。林下套種綠肥（T1和T2）、施用有機(jī)肥（T4）和測(cè)土配方施肥（T5）處理下的林地土壤全N、堿解N、全K、速效K、全P、速效P 和有效B 含量均提升明顯；通過肥力指標(biāo)隸屬函數(shù)公式計(jì)算各指標(biāo)的隸屬度，隸屬度均值越大表示該項(xiàng)指標(biāo)的肥力水平越高，試驗(yàn)后的各項(xiàng)土壤指標(biāo)隸屬度較試驗(yàn)前更趨近1.0，土壤養(yǎng)分供給相對(duì)均衡，更有利于養(yǎng)分的協(xié)調(diào)吸收，促進(jìn)林木生長(zhǎng)。土壤有機(jī)質(zhì)含量是反映土壤肥力的一個(gè)重要指標(biāo)[36]。T1、T2和T4處理通過綠肥還林和添加有機(jī)肥，使林地土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯提升；T3 處理通過田間試驗(yàn)?zāi)M剩余物還林，與常規(guī)施肥對(duì)比，林地有機(jī)質(zhì)增量?jī)H提升了0.81%，這與投入林地的剩余物成分組成及其分解速率有關(guān)，本試驗(yàn)所采用的采伐剩余物多為樹干鋸末，樹葉和樹皮占比較低，剩余物的碳氮比較高，表層木屑成塊板結(jié)，不利于剩余物還林分解，投入的木屑有機(jī)碳無法在短周期內(nèi)完全轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)。T4 處理提升土壤有機(jī)質(zhì)含量的效果優(yōu)于T1處理，可能是由于山毛豆生長(zhǎng)快速且旺盛，產(chǎn)生了較大的生物量，在未割刈犁翻還林的情況下，會(huì)出現(xiàn)綠肥與人工林林木“搶肥”的現(xiàn)象，降低了土壤有機(jī)質(zhì)含量。

3.4 不同處理提質(zhì)增效綜合評(píng)價(jià)

本研究未開展各處理營(yíng)林經(jīng)濟(jì)成本核算，未能從經(jīng)濟(jì)效益和土壤改良效果等多方面綜合評(píng)價(jià)各處理。從各處理的土壤改良和豐產(chǎn)增效效果來看，林下套種山毛豆、林下套種田菁、剩余物還林、施用有機(jī)肥和測(cè)土配方施肥這5種處理均可在一定程度上促進(jìn)林木生長(zhǎng)和產(chǎn)量提升，對(duì)桉樹人工林土壤養(yǎng)分狀況也有較好的改善作用，可有效緩解土壤酸化（除T5處理），促進(jìn)林地土壤肥力恢復(fù)。從可操作性和適應(yīng)性來看，林下套種綠肥處理對(duì)地勢(shì)和林地小氣候要求較嚴(yán)苛，僅適用于行間距大、地勢(shì)平緩、可機(jī)械作業(yè)和夏季降雨充沛的林地；剩余物還林處理以鋸末散鋪于林地來模擬剩余物還林，未考慮實(shí)際操作中采伐剩余物還林可能會(huì)造成的施工不便及病蟲害滋生等問題，需進(jìn)一步開展剩余物還林過程中的防蟲促腐研究。目前，施用有機(jī)肥和測(cè)土配方施肥技術(shù)的成熟度較高，可操作性強(qiáng)，可作為廣西林地可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的關(guān)鍵沃土技術(shù)進(jìn)行推廣。