水肥耦合對油松生態林林木生長的影響

張聽雨 彭祚登 賈素蘋 賈建學 于凌霄

摘 要： 為減少油松定植后的死亡率，在控制成本的基礎上促進油松良好生長，該研究采用裂區實驗設計方法，選取三個灌溉水平與三個園林廢棄物有機肥施用量進行比較試驗，通過測定油松樹高、胸徑、葉綠素及葉片養分含量指標探究灌溉和施用有機肥對油松林木生長的影響。結果表明：灌溉可以顯著提高油松在胸徑、樹高、生理等方面的生長指標，樹高和胸徑在中水灌溉（A2）下的促進效果甚至高于高水灌溉（A3）;試驗處理1 a后，施肥對油松的生長影響顯著，但三個施肥水平間的差異不顯著;灌溉與施用有機肥之間不存在顯著交互作用。綜上可知，施肥和灌溉對油松的生長會產生顯著的促進作用，從施肥和灌溉的效果并綜合資源利用效率的角度考慮，少量施用有機肥，并以80 L·（10天·株·次）-1的灌水量在生長季（4月—9月）進行滴灌是較為經濟、有效的油松生態林管護措施。

關鍵詞： 油松， 灌溉， 施肥， 林木生長

中圖分類號： Q945.1 ?文獻標識碼： A

文章編號： 1000-3142（2020）06-0836-09

開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

Abstract： In order to explore the effects of irrigation and application of organic fertilizer on the growth of Pinus tabulaeformis after planting on the basis of cost control. The split area experiment design method was adopted in this study. Three irrigation levels and three application amounts of organic fertilizer of garden waste were selected for comparative experiment. The effects of different treatments on the growth of P. tabulaeformis forest were studied by measuring the height， DBH， chlorophyll and leaf nutrient content indexes of P. tabulaeformis forest. The results were as follows： Irrigation can significantly improve the growth index of P. tabulaeformis in DBH， tree height， physiology and other aspects， and the promotion effect of tree height and DBH under medium amount irrigation （A2） is even higher than that under high amount irrigation （A3）; After one year of experimental treatment， fertilization had a significant effect on the growth of P. tabulaeformis， but there was no significant differences among the three fertilization levels; There was no significant interaction between irrigation and organic fertilizer application. Fertilization and irrigation can significantly promote the growth of P. tabulaeformis. From the perspective of the effect of fertilization and comprehensive consideration of resource utilization efficiency， it is an economic and effective management and protection measure for P. tabulaeformis ecological forest to apply a small amount of organic fertilizer and drip irrigation in the growing season （April to September） with the amount of 80 L·（10 d· plant · time）-1.

Key words： Pinus tabuliformis， irrigation， fertilization， tree growth

油松 （Pinus tabuliformis） 具有耐低溫、干旱和貧瘠的特點，是我國北方溫性針葉林中分布最廣的森林群落，也是北京平原造林工程中使用最廣的樹種之一，但是，由于北京平原造林多采用大苗移栽，苗木定植后會出現了死亡、長勢較差、松梢螟等問題，且水分、肥料間具有交互作用（宋修超等，2019）。因此，研究水肥耦合效應不僅可以在實踐中提高水分與肥料的利用效率，而且還對改善生態環境具有重要的實際意義（陳培培等，2019）。據統計，從1960年到2008年，氮、磷和鉀肥料由全球消耗量的3 000萬噸增長到1.7億噸。大量使用肥料尤其是化肥已經使全球的土壤地下水硝酸鹽濃度顯著增加（Marinov & Marinov，2014）。早期研究發現水分的充足與否與肥料的施用量之間存在很大的相關性（Marinov & Marinov，1999），Aron（1975）最早研究關于在干旱地區控制灌溉水平下的合理施肥。大量研究表明不同的灌溉、施肥水平可能會對植物的生長發育產生協同、拮抗或疊加的不同效應，因此會對植物生理生態以及生長狀況都產生不同的影響，合理的灌溉對養分的利用速率與肥效間存在協同作用，提高灌溉量能顯著增加氮肥的礦化速率和植物對氮的固定速率（Praehtje et al.， 1994）。而合理施肥會影響土壤與植物間的水分熱力學函數-偏摩爾自由能梯度，促進水分利用效率（Jones et al.，2003）。對于植物生長來說，施肥對干旱脅迫下的植物具有補償作用，通過降低植物的水勢，增加了深層土壤水分上移的動力（Barraclough，1989），緩解缺水造成的生理功能障礙，從而提高抗旱性，促進植物健康生長。但是，由于施肥會顯著促進植物的生長，尤其是葉片，如果灌溉量較小，會加劇植物受到的水分脅迫，水肥間的交互作用可能不只是協同，還會有拮抗作用（Yadav et al.，1998）。目前，關于水肥耦合的研究主要關注于三方面：一是植物功能性狀對不同水肥耦合處理的響應研究，主要集中在光合作用和蒸騰作用等方面;二是水肥對于土壤肥力的影響以及如何促進植物 對土壤養分的吸收、轉化和利用，有效協調植物與土壤的關系，實現養分高效利用;三是水肥對作物產品質量、數量以及品質的影響（喻陽華等，2019）。水肥一體化技術已經在我國農業生產領域得到了較為廣泛的應用（高鵬等，2012）。但在林業尤其是大徑階苗木的培育管理上，鮮見相關報道。

近年來，對于生態林的施肥研究逐漸從化學肥料轉向有機肥、污泥肥等具有生態保護意義的肥料，其原因：一方面是出于成本與環境的考慮;另一方面是無機肥雖然對植物生長的促進效果顯著，但是只適用于短期補充，在持續改良土壤理化性質方面效果不佳，不利于大徑階苗木的持續養分供應（張寶娟等，2015）。施用有機肥的土壤與施用化肥相比，能提高水分利用效率并為節約水資源提供良好的土壤條件（王小林，2016），而適宜的灌溉水平會減少土壤養分的流失（Shang et al.， 2016）。對城市生態林而言，園林廢棄物堆肥生產的有機肥是經濟有效、豐富便捷的肥料資源。然而，相關應用研究卻十分缺乏（王成等，2017），尤其是針對油松大苗造林后采用灌溉和施用有機肥耦合的效果研究更是空白。該研究旨在探究不同水肥配合處理水平對北京地區平原沙地生態油松林形態指標與生理指標的影響，為現階段北京平原造林工程探索出經濟、有效的生態林管護策略以及提供有價值的科學依據。

1 試驗地概況

試驗地位于北京市大興區永定河畔，地理位置為116°14′19.88″ E、39°36 ′47.01″ N。屬于暖溫帶半濕潤大陸季風氣候，年平均氣溫12 ℃，年平均降水量556 mm。

試驗地的土壤質地為沙土，pH值為8.8，有機質含量為4.95 g·kg-1，全N含量為0.39 g·kg-1，有效P含量為13.1 mg·kg-1，速效K含量為11.78 mg·kg-1，堿解N含量為59.32 mg·kg-1，容積含水量為26.5%，總孔隙度為54.1%，容重為1.25 g·cm-3，飽和含水量39.19%。根據北京市土壤養分指標評分標準對該試驗的土壤情況進行評價，該試驗地的各項指標，除有效磷外均較低。土壤分層情況不明顯，通透性較好，保水保肥能力較差，缺氮、少磷、少鉀。淺層地下水位為8～10 m，植物生長所需水分主要依靠灌溉。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

研究對象為大興區油松大苗，試驗所選用的北京市園林科學研究院利用園林有機肥作為試驗材料，有機肥為園林綠化廢棄物經堆肥處理后所制成的。該肥料有機質的質量分數為52%，總養分的質量分數為6%，水分的質量分數為5%，酸堿度為7.5。灌溉水為地下水。

油松大苗于2013年定植，株行距為4 m × 5 m，栽植行為東西走向。2016年—2017年不對油松進行修枝處理。2016年末油松的平均胸徑為6.62 cm，平均冠幅為2.5 m。該試驗地的油松苗木存在少量的松梢螟病蟲害，長勢較為一致。

2.2 研究方法

采用裂區設計，主處理為灌溉量（A），副處理為施肥量（B）。其中灌溉處理分為40 L·（10天·株·次）-1、80 L·（10天·株·次）-1（A2）、120 L·（10天·株·次）-1（A3），施肥處理分為5 kg·株-1（B1）、15 kg·株-1（B2）、25 kg·株-1（B3），空白對照不進行施肥、灌溉。試驗進行3次重復，每個處理苗木數量不少于20株。詳見表1。

施肥于3月初進行，在生長季（4月—9月）進行灌溉，每10 d灌溉一次，每次單株灌水量為40、80、120 L（后文簡稱低水、中水、高水處理）。施肥方式為距樹1.2 m遠，深度20 cm的地方進行環施。灌溉采用節水灌溉的方式進行滴灌，滴灌設施的鋪設與調試于2017年3月末完成。

2.3 監測指標與數據采集

2.3.1 形態指標 第一次數據調查于2017年2月結束，第二次測定時間是2018年底。生長指標包括樹高、胸徑、冠幅、新枝長、頂稍長。其中樹高使用激光測距儀進行測定，胸徑于第一次測定時噴漆標記，第二次于相同位置測定。新枝長取東南西北四個方向主枝的當年生長量，第二次測定的是第一次所選枝條的第二年生長量。

2.3.2 葉綠素含量 葉片葉綠素測定：首先用80 %的丙酮和95 %的乙醇1∶1混合成20 mL的混合液浸泡0.2 g的葉片;然后測定663、646、470三個波長的吸光值;最后通過相應公式計算葉綠素a、葉綠素b、胡蘿卜素的含量。

2.3.3 葉片養分含量 植物葉片的全N含量測定使用自動定氮儀法，全K含量的測定使用火焰光度計法，全P的測定使用鉬銻抗比色法。2.4 數據處理與分析

所有數據均使用 SPSS 16和 Microsoft Office Excel 等統計軟件進行分析。其中，顯著性采用方差分析進行檢驗（P<0.05），多重比較采用鄧肯氏（Duncan）新復極差測驗法。

3 結果與分析

3.1 水肥處理對油松生長的影響

由表2可知，施肥、灌溉對樹高、胸徑、新枝長生長的促進作用都較為顯著，樹高的交互作用顯著，胸徑、新枝長的交互作用不顯著。

由圖1可知，處理組中油松的樹高、胸徑、新枝長的增長量與空白對照的增長量有顯著差異。在低水（A1）處理下，三個施肥水平的樹高增長量均較小，中水（A2）的增長量均高于低水（A1），但是高水（A3）的增長量與中水（A2）沒有顯著差異。三個施肥水平中，中肥（B2）與高肥（B3）的增長率沒有顯著差異，低肥（B1）的增長率最高。灌溉施肥對胸徑的影響與樹高的相似，中水（A2）處理的增長率最高，且高水（A3）與低水（A1）的增長率沒有顯著差異。在三個施肥水平中，中肥（B2）對胸徑增長率的促進作用最為顯著，高肥（B3）與低肥（B1）的增長率沒有顯著差異。

新枝長的增長率在三個施肥水平下，高水（A3）的增長率最高，中水（A2）高于低水（A1）。高水（A3）處理下的中肥（A3B2）的增長率最高，低水（A1）與中水（A2）處理下的低肥（A1B1、A2B1）的增長率最高。

3.2 水肥處理對油松葉片葉綠素含量的影響

由表2可知，水肥交互作用不顯著（a/b：P=0.974）。由圖2可知，各指標表現為處理結果均顯著高于對照組，但各個處理之間的含量差異不顯著。葉綠素a和類胡蘿卜素在中水（A2）處理下含量略高于低水（A1），但高水（A3）處理下與中水（A2）相比基本沒有提高。

各個處理下的葉片葉綠素b含量均高于對照組，但是與對照組沒有顯著差異。葉綠素a/b的值在處理和對照組之間具有極顯著差異。中水（A2）具有較高的葉綠素a/b值。

3.3 水肥處理對油松葉片養分含量的影響

由圖3可知，對照組葉片養分含量與處理組差異顯著，交互作用不顯著。但園林有機肥對葉片的不同養分含量的影響作用各不相同。不同施肥水平對葉片全N、全K含量的影響差異不顯著，且各個施肥水平下的三個灌溉水平對葉片全N的影響差異不顯著，中水中肥（A2B2）的促進效果較好，低肥（B1）對葉片全P的促進作用最差。總體來說，仍是低水中肥（A1B2）效果較好。水肥處理后葉片N、P的比值有所下降，且與對照組存在顯著差異。三個施肥水平下比值差異不顯著（P=0.102），三個灌溉水平下比值存在顯著性差異（P=0.009）。

4 討論

除樹高外，油松各個方面的生長影響交互作用均不顯著，但是水肥兩個因素處理后的油松生長與對照組相比均存在顯著的增長。

4.1 對油松形態生長的影響

根據施肥結果來看，高肥與中肥都不能顯著提高油松的生長速率，但施用有機肥和灌溉措施會對周圍土壤的養分含量產生較為顯著的促進作用。這可能是因為試驗時間過短，而油松的生長速度較慢，所以在一年的時間內三個施肥水平間沒有顯著差異，且試驗地的土壤pH值較大，達到了8.8，土壤中的養分無法被油松有效利用（孫向陽，2004）。土壤pH限制了油松對養分的吸收，即使施肥也不會對油松的生長起到極顯著的促進作用。

分析油松生長、生理指標，發現高水或中水處理下的促進效果顯著，但是高水與中水處理結果間的差異不顯著。油松樹高、胸徑的結果都顯示出高水處理結果低于中水。一方面，是由于pH會因灌溉而減小（梁運江等，2011），高水處理下土壤的堿性變小，有利于油松吸收土壤中的養分，從而更有效地促進了油松的生長，但對油松林中土壤pH進行監測發現水肥處理下的土壤pH值減少有 限， 只能一定程度上減少pH對養分吸收的抑制作用。另一方面，中水和高水處理間的結果差異不顯著，可能是由于該示范區的土壤為沙土，沙地保水能力較差（周黃磊和黃升謀，2017），降水后，很快就會滲入地下。對油松進行灌溉，可有效改善水分條件，顯著提高油松各個方面的生長量，但油松的最小生態需水量較少（劉淑明等，2004），無需對油松進行高水灌溉就可以得到較好的生長增量。由此可知在該文設計的三個施肥水平下，中水灌溉量已經足夠供給油松生長所需，最主要是減小油松林地的土壤pH值。

韓培義和董文旭（2019）對油松噴施含腐植酸水溶肥料與噴清水比較：一是提高了油松抗病性，發病率較對照平均降低6.5個百分點;二是明顯促進了油松的生長。這與本實驗的結論相同，施肥、灌溉會對油松的形態指標產生了顯著的促進作用。

4.2 對油松葉片生理指標的影響

王虎兵等（2018）研究發現，低水脅迫下，增加施肥量可利于植株進行光反應。本研究發現低水處理下，增加施肥量會提高葉片的葉綠素含量，低水高肥處理下油松的葉綠素a、b含量均高于低水低肥處理，與王虎兵等（2018）的結果一致。

劉明占等（2013）對水肥調控下胡枝子的葉綠素含量變化進行研究發現隨著灌水量和磷肥的增加，葉綠素含量持續升高，而隨著施氮量的增加，其含量均先升高后降低。但本研究表明過高的灌溉也不會對葉綠素的含量產生更為顯著的促進作用，這很有可能是由于土壤有效養分在土壤水分含量較高的情況下發生了轉移，雖然結果高于對照組，但是在達到一定灌水量后，增加水量已無法增加根系周圍有效養分的濃度了。而劉明占的試驗地點是西北沙地，灌水量并未達到這個峰值。

4.3 葉片養分含量

水肥管理可以引起植物體內養分含量的變化，不僅會促進一部分養分含量的增加，還會引起部分養分含量的減少（李亞東等，1997;韓世健等，2010）。葉片養分的計量特征能夠一定程度上反應植物對養分的利用策略和養分之間的關系（Koerselman，1996;Zhang et al.，2003;賀金生和韓興國，2010）。吳海蘭（2014）研究了不同水肥處理后紅棗葉片養分的影響。本研究水肥處理后油松葉片的N、P比值顯著低于對照組，這與吳海蘭的研究結果不一致。N、P比值小于14，說明處于N抑制的情況，且試驗后油松生長受到N元素抑制的情況加劇了（Koerselman， 1996）。這說明今后在該地區施肥時，在施用有機肥的同時可以適當補充氮肥，或使用氮元素含量較高的有機肥。

總體來說，水肥處理一年后對植物生長來說，交互作用不顯著，但水肥處理會對植物生長、生理指標產生促進作用。但考慮到資源利用效率，建議在進行生態林管護中，少量施用有機肥，并以80 L·（10天·株·次）-1的灌水量在生長季（4月—9月）進行滴灌是較為經濟、有效的油松生態林管護措施。

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（責任編輯 周翠鳴）