雄安新區千年秀林有機肥施用效果研究

薛楊，高東麗

1.海南省林業科學研究院(海南省紅樹林研究院)，海南 ?？?571100；2.中國林業科學研究院資源信息研究所，國家林業和草原局產業發展規劃院，北京 100091

林木施肥是根據林木對土壤養分需求量和土壤的供給能力，對林木進行補充營養，以滿足林木的生長發育需求，從而最大限度的提高林木的產量和木材質量，增強林木的健康活力和抗御病蟲害危害的能力[1]。作為森林撫育規程中的一個重要營林措施，施肥對用材林的幼齡林、短周期速生豐產林和珍貴樹種的培育具有重要作用[2]。同時，施肥也是森林定向培育中的一個重要環節，能夠提高培育目標的產量或效能[3-5]。隨著定向培育概念的延伸，林木施肥研究已從單一林木生長培育向多行業、多功能方向擴展。例如，城市森林營建過程中，新造人工林由于根系分布淺，對霜害、寒害、日灼等自然災害的抵抗力弱，合理施肥管理可保證林木根系養分需求、促進其營養元素積累，增強其對新的立地環境的適應能力并最縮短其郁閉成林時間[7]。雄安新區堅持生態優先、綠色發展的理念，按照“先植綠、后建城”的建設思路，將森林作為新區有生命的基礎設施，設計伴隨城市生長的復層、異齡、混交的“千年秀林”。但是受前期高強度集約化農業生產和化肥過量施用的影響，造林地土壤板結、酸堿失衡的現象嚴重，林地和森林資源的可持續發展受到一定程度的制約。

有機質對土壤形成、土壤肥力、生態平衡及農林業可持續發展等方面有著極其重要的作用[8]。有機肥料含有豐富的有機質，能協調土壤中的水、肥、氣狀況，促進微生物的活動，從而保證植物生長的養分需求[9-10]，增施有機肥是培肥土壤，克服土壤缺肥、鹽漬、理化性狀差的有效途徑之一[11]。北京某集團以餐廚垃圾為原料，采用先進的生物活化技術，使有機、無機礦質碳素轉化成土壤肥料，增強肥料緩釋效果，同時成功地把量子干涉物質應用到肥料生產當中，增強了土壤的光熱轉化作用，提高地溫，促進土壤團粒結構的形成，進而改善了土壤結構，為土壤固有有益菌群繁殖提供了良性的土壤生態環境。專業檢測機構檢測報告顯示，相比于市場售賣的有機肥，高碳有機肥的有機質含量高出50%，總養分含量超過11%。同時，重金屬、蛔蟲卵、糞大腸菌群數都遠低于限量標準[12-13]。同時，施肥尤其是有機肥的施用作為最常見的一種固碳措施，其固碳能力在國內外已得到廣泛研究[14-15]，有機肥可減緩土壤有機質的礦化速率增加土壤碳的固定[16-17]。

傳統觀念認為施加有機肥會提高土壤肥力，但是有機肥種類繁多，所含成分復雜，在土壤中變化的歷程較長，對土壤肥力和土壤環境質量造成不確定的影響[11]。高能有機肥的成分雖已經過實驗室的認定，但是在林地中的施用效果并不清楚。此外，不同樹種對于肥料的需求偏好也不盡相同[7]。通過開展不同樹種、不同有機肥料的施用試驗，探究不同施肥方式對林木生長和土壤固碳的影響，將為城市森林的高效培育和高碳有機肥的后期推廣提供技術支撐。

1 試驗地概況

試驗區為雄安新區多功能城市森林營建項目的科研試驗林，位于容城縣北城村，東距雄安郊野公園1.3km，南距容易線公路500m。原為該村農田，經多年農業連作生產土地肥力輕度衰退后退耕還林，屬雄安新區“千年秀林”。該地區屬暖溫帶季風型大陸性氣候，四季分明，年均氣溫11.7℃，最高月（7月）平均氣溫26℃，最低月（1月）平均氣溫-4.9℃；年日照2685h，年平均降雨量551.5mm，6月至9月份占80%。無霜期185d左右。土壤類型為潮土，土層厚度＞60cm，地勢平坦、養分條件較好，適宜喬木生長。

2 研究方法

2.1 實驗設計

為比較高碳有機肥施用效果，選取高碳有機肥、市場銷售的普通有機肥對雄安新區主要造林綠化樹種白蠟（Fraxinus chinensis）、銀杏（Ginkgo biloba）、國槐（Sophora japonica）、欒樹（Koelreuteria paniculata）和油松（Pinus tabuliformis）進行施肥試驗。在以上5個樹種的試驗片林中，施用高碳有機肥20kg/株、普通有機肥20kg/株、高碳有機肥與普通有機肥混合肥20kg/株（各10kg）、高碳有機肥增量30kg/株、未施肥對照等5種處理方式。對于每個樹種，試驗小區內每種處理5株數，重復3次。采用環狀溝施肥法，與樹冠垂直地面開深、寬各30cm環狀溝槽，把翻上來的土與肥料充分混勻攪拌，回填、澆水。撒施過程盡可能避光，保持土壤濕潤。

2.2 數據調查與分析

于2020年5月中旬開展樹種施肥試驗林的本底調查，試驗林為千年秀林建設中的生態林部分，選用相同圃地、相同規格的鄉土樹種于2018年春進行造林，造林密度833株/hm2（株行距3m×4m），初始造林苗木規格闊葉胸徑7cm～8cm，針葉樹種樹高2.5m～3.0m，全部為大土球原生冠苗。通過踏查選取符合試驗要求的地塊，設置試驗小區，并對試驗小區內的林木進行編號分組，在1.3m處噴漆標號并記錄胸徑大小，同時調查施肥林木的胸徑、樹高和冠幅指標（表1），2020年5月下旬完成所有施肥試驗處理，并于2021年5月中旬進行所有施肥試驗的調查工作，記錄一年內林木的生長情況。

該研究關注不同處理施肥后土壤的變化情況，實驗區土壤養分條件均一，在施肥前后對不同處理土壤表層（0～20cm）和下層（21cm～40cm）進行取樣。取樣采用梅花取樣法，對每個樹種的每一個處理，分別在施肥前與施肥一年后選取5株的施肥溝混合取樣，取樣土壤經過多次過細篩，稱取過0.149mm篩的風干土0.2000g，采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定[18]。每次采集表層、深層土壤共計50份。

植物三維綠量指植物莖葉三維體積，其作為綠化指標突破原有二維綠化指標的局限性，可更準確地反映城市森林空間構成的合理性，體現整個城市的生態效益水平，可用于更全面、準確地描述城市森林的空間結構以及不同城市功能區的綠化結構優化設計等方面，該研究將林木樹冠近似看作錐體，采用樹高、冠幅、枝下高求算其樹冠體積，對林冠三維綠量進行近似估計?？紤]到施肥前林分本底值不能保證完全一致，為矯正本底值對肥效的影響，通過協方差方法校正數據；所測的生長指標用SPSS 19.0軟件進行處理和方差分析。

表1 5種綠化樹種基本信息Tab.1 Basic Information of 5 Afforestation Tree Species

表2 施肥前后不同試驗區、不同深度土壤有機碳信息Tab.2 Information of Soil Organic Carbon in Different Experimental Areas and Depths Before and After Fertilization

3 結果分析

3.1 施肥對樹種胸徑生長影響

施肥作業對樹種胸徑生長的影響表現在兩個方面，一是不同施肥策略對同一樹種胸徑生長的差異；另一方面為相同策略對不同樹種的影響。

3.1.1 不同施肥策略對樹種胸徑生長量的影響

5種施肥處理下白蠟胸徑年生長量降序為A(1.26cm)、D(1.04cm)、C(0.88cm)、B(0.84cm)、E(0.80cm)，A處理顯著高于其它4種處理（P＜0.05），D處理顯著高于其他B、C、E 3種處理，B、C、E 3種處理之間差異不顯著。銀杏胸徑年生長量降序為D(0.93cm)、B(0.89cm)、C(0.87cm)、E(0.82cm)、A(0.69cm)，不同施肥處理間差異不顯著（P＞0.05）。國槐胸徑年生長量降序為D(2.56cm)、B(2.21cm)、A(1.51cm)、E(1.26cm)、C(1.14cm)，D處理顯著高于E、C處理（P＜0.05），與B、A處理差異不顯著（P＞0.05）；B處理顯著高于E、C處理（P＜0.05），A處理與C處理有顯著性差異（P＜0.05），與其他處理差異不顯著（P＞0.05），E處理和C處理差異不顯著（P＞0.05）。欒樹胸徑年生長量降序為B(1.43cm)、C(1.20cm)、A(1.17cm)、D(1.09cm)、E(0.94cm)，E處理和B處理之間有顯著差異（P＜0.05），其他處理之間差異不顯著（P＞0.05）。油松胸徑年生長量降序為A(1.05cm)、B(0.92cm)、D(0.83cm)、C(0.84cm)、E(0.73cm)，A處理顯著大于其它4個處理方式，B處理顯著高于D、E，D處理高于對照E（P＞0.05）（表3）。

表3 不同施肥方式對樹種胸徑年生長量的影響（cm）Tab.3 Effects of Different Fertilization Methods on Annual Growth of Dbh of Tree Species(cm)

3.1.2 相同施肥策略對不同樹種胸徑生長率的影響

考慮到不同樹種間生長特性的差異性，研究使用生長率，即采用生長前后的比值作為觀測值進行比較分析。高碳有機肥與普通有機肥等量混合（A）、高碳有機肥增量使用（C）和不施肥（E）對五個樹種的生長率的影響不顯著（P＞0.05）。國槐在施用高碳有機肥（B）和普通有機肥（D）后生長率顯著高于其他樹種（P＜0.05），相對于其他樹種而言，國槐對于肥料的使用更為敏感（表4）。

表4 相同施肥方式對不同樹種胸徑生長率的影響（%）Tab.4 Effects of the Same Fertilization Method on Dbh Growth Rate of Different Tree Species（%）

3.2 不同施肥策略對樹種三維綠量的影響

5種施肥處理下白蠟三維綠量年增量降序為C（10.34m3）、D（10.10m3）、A（6.72m3）、E（5.21m3）和B（3.89m3），C、D處理顯著高于其它B、E種處理（P＜0.05），與A處理差異不顯著。銀杏三維綠量年增量降序為D(3.70m3)、B(2.27m3)、E(1.80m3)、C(1.37m3)、A(1.25m3)，D處理顯著高于其它四種處理（P＜0.05）。國槐三維綠量年增量降序為D(11.62m3)、C(11.20m3)、B(8.33m3)、A(2.63m3)、E(2.31m3)，D、C處理顯著高于A、B、E 3種處理（P＜0.05），B處理顯著高于A、E處理差異不顯著（P＜0.05）；其它處理間差異不顯著（P＞0.05）。欒樹三維綠量年增量降序為A（3.44m3）、E（1.94m3）、B（1.52m3）、D（0.51m3）、C(0.38m3)，A處理顯著高于其它四種處理（P＜0.05），B、E處理顯著高于C、D處理（P＜0.05），但兩者間差異不顯著（P＞0.05）。油松三維綠量年增量降序為A(2.37m3)、B(1.47m3)、D(0.77m3)、E(0.55m3)、C(0.52m3)，A處理顯著大于其它四個處理方式（P＜0.05），B處理顯著高于C、D、E（P＜0.05），其它處理間差異不顯著（表5）。

表5 不同施肥方式對樹種三維綠量的影響（m3）Tab.5 Effects of Different Fertilization Methods on Three-dimensional Green Amount of Tree Species(m3)

3.3 不同施肥策略對土壤有機碳動態的影響

施肥前不同實驗處理間土壤表層、土壤深層土壤有機碳差異不明顯，其中B處理區表層土壤有機碳含量最高38.86g/kg，E處理區最低32.82g/kg。深層土壤較表層土壤有機碳含量明顯下降，C處理區深層土壤有機碳含量最高21.86g/kg，E處理區最低17.98g/kg。施肥1a后，不同處理間表層土壤有機碳含量差異明顯（P＜0.05），使用高碳有機肥的B處理土壤表層有機碳含量最高189.05g/kg；其次為A處理（179.79g/kg）和C處理（152.42g/kg），3個處理的有機碳含量顯著高于D處理（101.98g/kg），D處理顯著高于未施肥處理E（32.36g/kg）。施肥1a后，不同處理間土壤深層有機碳含量差異不顯著（表2）。

施肥1a后，除未施肥的對照組E外，不同施肥處土壤表層有機碳含量明顯增加，B、A、C處理土壤表層有機碳含量顯著高于施用有機肥D處理和未施肥對照E（P＜0.05），D處理與E處理兩者差異不明顯。施肥1a后，除未施肥對照組外，土壤深層有機碳較施肥前出現下降，其中C處理有機碳含量下降最高，其次為A處理和B處理，三個處理均顯著高于未施肥E處理，D處理土壤深層有機碳含量雖然下降但與對照組E碳含量動態差異不明顯（表6）。

表6 施肥1年后不同深度土壤有機碳動態（g/kg）Tab.6 Dynamics of Soil Organic Carbon at Different Depths after One Year of Fertilization（g/kg）

4 結論與討論

4.1 相比于未施肥對照組而言，開展施肥作業大都能夠顯著提高林分胸徑的生長；不同施肥處理對不同樹種胸徑年增量的影響不一致，白蠟和油松在高碳有機肥和普通有機肥混合施用胸徑生長效果最好，但銀杏效果最差；有機肥施用對白蠟、銀杏、國槐3個綠化樹種徑生長效果最好，施用高碳有機肥能夠更高的促進欒樹徑生長。高碳有機肥的單次增量使用對樹種徑生長的促進效果不理想，沒有一種樹種是在該施肥處理下獲得最優的徑生長效果。

4.2 同一施肥處理對不同樹種的年徑生長率影響差異不大，高碳有機肥與普通有機肥混合施用、高碳有機肥增量施用和不施肥對照三種施肥處理下，5個樹種年徑生長率無差異；國槐在高碳有機肥和有機肥的施用后徑年生長率高于其他4個樹種。

4.3 樹種三維綠量的增量受其生長特性、初期狀態的影響，白蠟和國槐三維綠量年增量在施用高碳有機肥和普通有機肥后都出現顯著增加，未施肥處理下銀杏樹冠三維綠量高于有機肥混用和高碳有機肥增量使用，欒樹和油松冠體三維綠量在有機肥混用和高碳有機肥施用時年增量最高。

4.4 施肥作業1a后，除未施肥對照組外土壤表層有機碳含量出現較為明顯的增加，高碳有機肥、高碳有機肥增量和高碳有機肥混合施用均能大幅度提高表層土壤有機碳含量，施用有機肥也能增加土壤有機碳含量，未施肥處理土壤表層有機碳出現了小幅下降。深層土壤有機碳表現出與表層土壤有機碳相悖的結果，高碳有機肥增量、高碳有機肥混合和高碳有機肥施用1a后，深層土壤有機碳出現較為明顯的下降，有機肥施用也會造成深層土壤有機碳的小幅下降，未施肥組土壤深層有機碳則出現較為明顯的增加。

4.5 在林地養分管理中，施肥在改善土壤肥力狀況，調節土壤理化性質，促進林木發育，改變土壤碳庫結構等方面有著十分重要的作用。雄安新區千年秀林主要由耕地轉化而言，這些耕地雖土層深厚但長期過量施用化肥，土壤肥力和土地生態質量已出現明顯下降。有機肥含有豐富的有機質，改善土壤理化環境，維持土壤養分平衡，促進林木發育并實現土地資源的可持續利用[11]。該研究中，源于城市生活廢棄物轉化的高碳有機肥在促進林木徑干生長、增加樹種三維綠量與有機肥相比在某些造林綠化樹種上已表現出較為明顯的優越性，但是肥料的過量使用并沒有更加突出的效果。

該研究中高碳有機肥在提高土壤表層有機碳含量的效果上明顯優于有機肥，能夠更好的提高土壤碳儲存的能力，但施肥后深層土壤碳的降低也是值得關注的問題。此外，有機肥還可能促進土壤溫室氣體（CO2，CH4等）的排放[19-20]，在“雙碳”目標導向的城市綠化管護中，如何合理通過合理的施肥作業改善林分生長、健康狀態并提高土壤碳存儲的能力還需要進一步的研究。