旱季补水对桉树人工林生长和土壤养分的影响

刘文泉，余 斐，2，黄 锋，华 雷，李吉跃，何 茜，苏 艳，邱 权

（1.华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642；2.广东省林业科学研究院 广东省森林培育与保护利用重点实验室，广东 广州 510520）

广东省地处南亚热带季风气候区，降水量充沛，但降水主要集中在4—9月，10月至翌年3月降水较少并且降水量低于潜在蒸散量，存在季节性干旱[1]。水分条件是决定我国大部分森林生产力水平的主导因素，年降水量的大小会直接影响森林生物量[1]。土壤含水量和土壤养分也与植物生长、生产力紧密联系，土壤含水量是生产力的主要制约因素[5]，而土壤中的矿质元素如碳（C）、氮（N）、磷（P）等对植物生长和生物量积累发挥重要作用[6-9]。桉树Eucalytusspp.因其速生、生产力高和适应性广的优势被广泛关注并大面积种植，是重要的造林树种和用材树种[10]。近年来，我国大力发展桉树人工林，截止2018年我国桉树人工林面积达546万hm2[11]，广东省是我国桉树人工林的主要种植区之一[12]。但是短周期连栽方式和不科学的经营管理方式，导致地力退化、生产力下降等问题[13-15]。与澳大利亚、巴西等桉树人工林发展较好的国家相比，我国桉树人工林生产力还很落后[16]。因此，关于促进我国桉树人工林生长和提高生产力的问题一直是关注的热点。

水分与桉树人工林生长密切联系。潘嘉雯等[17]研究我国3个桉树人工林种植区生产力及其影响因素发现，年降水量是影响桉树人工林生物量的关键因素。丁亚丽等[18]研究表明，喀斯特坡地尾巨桉人工林在雨季水源充足时属挥霍型消耗利用土壤水分，而旱季时未能获得充足的水分供应，尾巨桉生长速率受到负面影响。Whitehead等[19]研究桉树生产力和水分利用时发现，充足的水分条件能够有效提高桉树人工林的生产力。干旱环境会对植物的生长发育、生理特征和物质代谢产生影响[20-22]。本研究基于广东省存在的季节性干旱现象，选择尾巨桉为材料进行造林，并采取与生产上一致的密度、施肥管理措施，对试验地的桉树人工林进行旱季补水处理，从不同处理的桉树生长状况、土壤含水量和土壤养分等方面进行深入研究，探讨旱季补水对桉树人工林生长的影响，进而为提高桉树人工林生产力提供数据支持和理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于广东省广州市增城区华南农业大学的教学试验基地（23°14′48N，113°38′20E），属亚热带季风气候，年降水量充足但是分布不均，降水主要集中在4—9月。因此，把4—9月称为雨季，10月至翌年3月为旱季[23]。整个试验地共0.536 hm2，所用材料尾巨桉E.urophylla×E.grandis无性系DH32-29为3个月的组培苗，苗高20～35 cm，于2017年4月进行造林。造林密度为3 m×2 m（宽行窄株），林分密度为1 667株·hm-2。初始试验地土壤pH值为4.92，土壤有机质、全N、全P、全K、碱解N、有效P、速效K、有效Zn和有效B含量分别为7.03 g·kg-1、0.35 g·kg-1、0.15 g·kg-1、8.83 g·kg-1、30.74 mg·kg-1、0.30 mg·kg-1、10.42 mg·kg-1、0.23 mg·kg-1、0.07 mg·kg-1。土壤田间持水量为20.41%，土壤容重为1.55 g·cm-3。

1.2 试验设计

本试验采用随机区组设计，共设置4个处理，处理CK为无水无肥处理（既不施肥也不旱季补水），处理W为有水无肥处理（不施肥但在10月—翌年3月进行旱季补水，每周滴灌8 h，4 L/h），处理F为无水有肥处理（施肥但不进行旱季补水），处理WF为有水有肥处理（既施肥又在10月—翌年3月进行旱季补水，每周滴灌8 h，4 L/h）。连续滴灌4 h可使深度为40 cm的土壤层含水量达到田间持水量的90%[24]。试验地位于山坡上，一共分为5梯，每梯均有4个处理随机分布，每梯的各处理有桉树20～90株不等。处理CK总数为189株，处理W为207株，处理F为177株，处理WF为186株。每个处理区之间均埋设50 cm深的防水防腐隔板。采用的肥料为桉树专用基肥与追肥，施肥量均与生产桉树用材林的用量一致。基肥于2017年3月25日在处理F和WF的所有树木中，穴施入400 g·株-1，第1次追肥于2017年7月29日在处理F和WF的所有树木中施追肥300 g·株-1，第2次和第3次追肥分别于2018年7月30日、2019年7月4日在处理F和WF的所有树木中施追肥400 g·株-1。

1.3 指标的测定

从2017年4月份起，每个月测量全林植株的胸径，每2个月测量全林植株的树高。数据统计时将每个处理小区的四周各剔除1行保护行数据，只留中间重点监测植株生长指标进行计算。单株立木材积计算公式[25]为：V桉树=0.000 062 876 7D1.821621H0.964360。式中：V为单株材积（m3）；D为胸径（cm）；H为树高（m）。蓄积量=平均单株立木材积×林分保留株数。从2018年1月开始，每个月进行1次土壤含水量的测定，利用铝盒称重法，每个处理15个重复。因为表层土壤易受外界环境影响，含水量波动性大，而桉树生长早期主要根系在0～50 cm土壤层，因此选择用土钻在每个处理小区的随机3个不同地方（距离树木40 cm、深40 cm的地方）取1小铝盒土样。称鲜质量后放入105℃烘箱中烘至恒质量，称干质量后计算土壤含水量。土壤含水量=（鲜质量-干质量）/（干质量-铝盒质量）×100%。2018年6月和2019年6月用土钻在每个处理小区距离树木40 cm、深40 cm的地方分别取土200 g左右，每个处理5个重复，装入密封袋带回，自然风干后过孔径2 mm筛，进行土壤pH值及有机质、全N、全P、全K、碱解N、有效P、速效K、有效Zn、有效B含量的测定。土壤养分含量按国家标准方法测定：土壤pH值用电位法测定，有机质采用重铬酸氧化-外加热法测定，全N采用半微量开氏法测定，全P用钼锑抗比色-紫外分光光度法测定，全K用氢氟酸-高氯酸消煮-火焰光度计法测定，碱解N用碱解扩散法测定，速效P用钼锑抗比色法测定，速效K用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定，有效Zn用火焰光度计法测定，有效B采用姜黄素吸光度法测定[25]。

1.4 数据处理与分析

使用SPSS 18.0统计分析软件用于单因素ANOVA方差分析和Duncan法进行多重比较和差异显著性检验（α=0.05）。利用Excel 2016软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 旱季补水对桉树人工林生长的影响

2.1.1 桉树人工林树高和胸径生长的月动态变化

由图1可以看出，桉树人工林生长3年期间树高、胸径变化较大。4种处理下的树高、胸径季节生长规律相同，均为雨季4—9月生长速度较快，旱季10月到翌年3月生长速度较慢。有施肥条件的F和WF处理在第1年就开始快速生长，并且在第2年雨季达到生长高峰期，到了第3年生长速度变平缓；而无施肥条件的CK和W处理第1年生长缓慢，第2年雨季达到生长高峰后生长速度变平缓。在2019年12月，4个处理的树高由高到低排列为处理WF(14.53 m)＞处理F（13.67 m）＞处理W（10.14 m）＞处理CK（8.86 m）；胸径由高到低排列为处理WF(11.78 cm)＞处理F（11.55 cm）＞处理W（7.85 cm）＞处理CK（6.99 cm）。在无施肥条件下进行旱季补水，桉树人工林树高和胸径分别提高了14.45%、12.30%；在施肥条件下进行旱季补水，树高和胸径分别提高了6.29%、1.99%。结果发现：在无施肥条件下，通过旱季补水，处理W从第2年4月份开始相对于处理CK，极显著增加了树高（P＜0.01），而胸径从第2年5月份开始产生显著（P＜0.05）或极显著差异。在施肥条件下，通过旱季补水，处理WF第2年8月开始相对于处理F，桉树人工林的树高存在显著或极显著差异，而胸径无显著差异。

图1 桉树人工林树高、胸径的月动态变化Fig.1 Monthly dynamic changes of tree height and diameter at breast height of Eucalyptus plantation

2.1.2 旱季补水对桉树人工林生长量和蓄积量的影响

旱季补水对桉树人工林生长量的影响可从年生长量、旱季和雨季生长量三个部分进行分析。从表1可以看出，4个处理的桉树树高和胸径年生长量均为第2年大于第3年，第2年的树高生长量和胸径生长量分别是第3年的1.52～2.36倍和1.52～2.31倍。在无施肥条件下，通过旱季补水，第2年桉树树高和胸径生长量分别提高了15.70%、18.63%，第3年桉树树高和胸径生长量分别提高了6.47%、5.10%。在施肥条件下，通过旱季补水，第2年桉树树高和胸径生长量分别提高了10.13%、5.31%，第3年桉树树高和胸径生长量分别提高了10.13%、0.87%。

由图2可知，4个处理的桉树树高生长量在每一年内都是雨季大于旱季，2018年4—9月雨季的树高生长量是2017年10月—2018年3月旱季的1.62～3.60倍，2019年4—9月雨季的树高生长量是2018年10月—2019年3月旱季的1.33～2.44倍。无施肥条件下，通过旱季补水，2017—2018年旱季树高生长量提高了32.18%，2018年雨季树高生长量提高了13.18%，2018—2019年旱季树高生长量提高了3.60%。有施肥条件下，旱季补水分别在2017—2018年旱季、2018年雨季、2018—2019年旱季、2019年雨季树高生长量提高了22.39%、1.46%、49.71%、49.29%。4个处理的胸径生长量都是在第2年雨季达到最大值后开始逐步下降。无施肥条件下，旱季补水分别在2017—2018年旱季、2018年雨季、2018—2019年旱季胸径生长量提高了18.92%、11.16%、10.21%。有施肥条件下，通过旱季补水，2017—2018年旱季和2018年雨季胸径生长量提高了23.33%、9.72%。

图2 旱季和雨季桉树人工林树高和胸径生长量的变化比较Fig.2 Comparison of changes in height and diameter at breast height of eucalyptus plantations in dry and rainy seasons

从表1可以看出，桉树人工林生长3 a，林分蓄积量达到了39.59～127.81 m3/hm2，是第2年蓄积量的1.86～2.27倍。在无施肥条件下，通过旱季补水，第2年桉树人工林的蓄积量提高了40.25%，第3年蓄积量提高了26.13%。在施肥条件下，通过旱季补水，第2年桉树的蓄积量提高了4.57%，第3年蓄积量提高了8.12%。

表1 不同处理桉树人工林年生长量和蓄积量的比较†Table 1 Comparison of annual growth and stand volume of Eucalyptus plantation with different treatments

2.2 旱季补水对土壤含水量的影响

从图3可以发现，旱季补水直接影响到土壤含水量，4个处理的土壤含水量月变化大，处理间的差异明显。处理W和CK之间、处理WF和F之间的土壤自然含水量对比均是旱季差异较大、雨季差异较小。无施肥条件下，通过旱季补水，2018年和2019年每个月都提高了土壤含水量，雨季提高了0.51%～10.13%，旱季提高了1.95%～57.02%，其中2018年1月、2月、3月、11月、12月和2019年1月、10月、11月、12月土壤含水量提高了10%以上。有施肥条件下，旱季补水在旱季土壤含水量提高了2.22%～48.17%，其中2018年1月、2月、3月、11月、12月 和2019年1月、2月、3月、10月、11月土壤含水量提高了10%以上；而在雨季除了2018年6—8月和2019年7月处理WF的土壤含水量比处理F低1.40%～4.53%外，其他月份均比处理F高3.71%～9.89%。对不同处理进行方差分析，无施肥条件下处理W和处理CK之间在2018年旱季的2月、3月、11月、12月和2019年旱季的1月、2月、10月、12月存在显著性差异或极显著差异，而在雨季无显著差异；有施肥条件下处理WF和处理F之间在2018年旱季的1月、2月、3月、11月、12月和2019年旱季的1月、10月存在显著性差异或极显著差异，在雨季无显著差异。

图3 不同处理的土壤含水量月动态变化Fig.3 Monthly dynamic changes of soil water content in different treatments

2.3 旱季补水对桉树人工林土壤养分含量的影响

从图4可以看出，2018年6月不同处理土壤中的各元素含量差异明显，旱季补水对土壤pH值及土壤中的各元素含量均产生显著性差异或极显著差异。通过旱季补水，处理W的土壤pH值比处理CK提高了5.61%，处理WF的土壤pH值比处理F降低了0.78%。在无施肥条件下，处理W的土壤各元素含量均大于处理CK；处理W土壤中的有机质、全N、全P、全K、碱解N、有效P、速效K、有效Zn、有效B含量分别比处理CK高了19.31%、26.03%、6.20%、36.03%、25.67%、65.91%、54.33%、19.66%、34.52%。在施肥条件下，处理WF土壤中的有机质、全N、全P、全K、碱解N、有效P含量比处理CK高了5.69%、24.22%、12.41%、23.21%、17.10%、36.36%，速效K、有效Zn、有效B含量比处理CK低了7.20%、6.06%、16.2%。

图4 不同处理的土壤养分特征Fig.4 Soil nutrient characteristics of different treatments

在2019年6月，旱季补水除了对土壤中的全P、有效P、碱解N含量未达到显著性差异外，对其他元素含量和土壤pH值均产生显著性差异或极显著差异。通过旱季补水，处理W的土壤pH值比CK降低了2.55%，处理WF的土壤pH值比处理F提高了14.69%。在无施肥条件下，除全P含量比处理CK低3.14%以外，处理W的土壤各元素含量均大于处理CK；处理W土壤中的有机质、全N、全K、碱解N、有效P、速效K、有效Zn、有效B含量分别比处理CK高了14.42%、2.86%、11.08%、12.16%、15.46%、5.42%、49.38%、194.37%。在施肥条件下，处理WF土壤中的全P、全K、碱解N、有效P、速效K、有效Zn、有效B含量分别比处理F高了10.39%、26.78%、4.36%、31.49%、23.18%、23.36%、19.18%，有机质、全N含量分别比处理F低了6.50%、15.76%。

3 讨 论

3.1 旱季补水对桉树人工林生长的促进作用

本研究中，桉树人工林生长3年期间，采取旱季补水无论在有无施肥条件下均能促进桉树树高、胸径和蓄积量生长。4个处理桉树的树高和胸径生长速率都是雨季大于旱季，并且生长高峰都出现在第2年雨季，这与温远光[27]研究广西1、2代尾巨桉人工林的生长规律时，发现胸径和树高生长高峰为第2年的结论一致。桉树人工林生长3 a，无施肥条件下的旱季补水效应大于施肥条件下。无施肥条件下，旱季补水处理对桉树人工林树高、胸径产生显著效应，而有施肥条件下，旱季补水处理只对桉树人工林树高产生显著效应，这与Paul等[27]研究的火炬松Pinus taeda人工林生长初期环境对林分树高的影响大于胸径的结论相吻合。

由桉树人工林连年生长量可知，旱季补水无论在有无施肥条件下均能提高桉树人工林树高和胸径的连年生长量，并且第2年对树高和胸径年生长量的促进效果大于第3年，说明桉树人工林在初期前2 a快速生长的时候特别需要水分，旱季补充的水分对桉树树高和胸径生长有很重要的促进作用。到了第3年，无施肥条件下，由于缺少肥料养分补充，处理W的桉树不能及时得到生长所需的营养物质，只靠水分的补充对树高和胸径生长的促进效果变得微弱；而有施肥条件下，处理WF的桉树在保证生长必要养分供应的同时，又得到了足够的水分补充，仍然能够保持较好的树高生长优势。从桉树人工林树高、胸径生长量在旱季和雨季的差异对比可知，桉树生长的前3 a，旱季补水在每一年旱季对桉树树高和胸径生长量的促进效果都比雨季显著。尤其在第1年旱季，通过旱季补水，桉树树高和生长量提高了18.92%～32.18%，说明了旱季补水对幼龄桉树生长具有显著的促进作用，这也证实了Lange等[29]发现在干旱的环境中，水分是影响植物生长的最重要因素之一。

本研究可以发现，旱季补水对桉树人工林树高和胸径生长具有明显的促进作用，并且在旱季时促进效果显著。从不同处理的桉树生长状况可知，处理CK和处理F的桉树在旱季时因缺水受到干旱的影响，导致树高和胸径的生长速率下降，这也与前人的研究结论基本一致。周光良等[29]研究干旱胁迫对巨桉Eucalyptus grandis幼树生长及光合特性的影响时发现，随着干旱程度的加重，巨桉光合速率下降，生长受到限制。李林锋等[31]的研究成果表明，土壤干旱胁迫对桉树幼苗株高、茎、根系生长及生物量等指标均产生显著影响。因此，在桉树人工林实际生产上，对其进行旱季补水能有效缓解季节性干旱对桉树生长的影响，从而加快桉树用材林的生长，提高生产力。这与Stape等[32]发现桉树人工林在施肥的条件下，水分是限制林分生产力的最主要因素这一结论相符。

3.2 旱季补水对土壤含水量和土壤养分含量的影响

本研究表明，桉树人工林进行旱季补水后会直接影响土壤含水量，旱季大部分月份的土壤含水量都提高了10%以上。在2017—2019年期间，发现旱季补水所增加的旱季土壤含水量逐年减小，说明树木在不同生长时期所需求的水分不同。随着树木的不断长大，对水分的需求量和吸收量也越来越大。赵从举等[33]研究海南桉树林土壤水分变化特征时发现林地土壤含水量与降水量之间呈极显著正相关，并且林龄越大，土壤含水量越少。通过旱季补水，桉树人工林的土壤含水量在旱季时能保持较高的水平，使桉树在旱季生长期间不会受到干旱的影响。

本研究中4个处理的土壤pH值逐年降低，这和茶正早等[34]研究发现热带土壤在桉树造林之后，土壤明显酸化的结果一致。但是在无施肥条件下，旱季补水于2018年6月提高了土壤pH值，有施肥条件下，旱季补水在2019年6月提高了土壤pH值。这说明采取旱季补水可以增加土壤pH值，缓解土壤酸化。无施肥条件下，2019年6月处理W的土壤pH值比处理CK低，可能是因为缺少肥料的补充，而树高、胸径都比处理CK大，需要更多的养分来满足现有的生长基础，其根系会分泌有机酸，提高桉树体内多种抗氧化酶的活性以促进养分的吸收和运输。黄文斌等[35]也研究发现在养分和水分胁迫下，植物根系分泌的有机酸含量明显增加，这是较为普遍的主动适应性反应。

桉树对养分吸收和利用率较高，充足的土壤养分对桉树生长有促进作用[36]。从本研究可以发现，桉树人工林生长3 a，通过旱季补水总体上提高了土壤中的有机质、全N、全P、全K、碱解N、有效P、速效K、有效Zn和有效B含量，从而促进了桉树人工林树高和胸径的生长。在土壤养分循环中，C、N、P元素作为最关键的生命元素，直接影响着植物的生长发育并且带动其他养分元素的循环与转化[37]。本研究中，通过旱季补水，第2年显著提高了桉树人工林土壤中C、N、P元素含量，促进桉树在第2年雨季生长高峰期的时候得到更充足的养分并快速生长。有研究发现，在土壤水分不足的情况下，会影响土壤有机物的转化速率（即矿化过程），土壤养分向有效性养分的转化过程明显变慢，释放量减少[38]。因此，旱季补水能够促进土壤矿化过程，使土壤中碱解N、有效P、速效K、有效Zn和有效B含量得到提高。施肥效果和土壤水分条件密切相关，充足且合适的土壤水分条件可以提高肥料的利用效率和增产效应[39]，因此在施肥条件下采取旱季补水能更好地促进桉树对肥料的吸收和利用。

4 结 论

地处南亚热带季风气候区的广东省存在较为明显的季节性干旱现象。在该地区种植尾巨桉人工林，通过旱季补水处理，有效缓解了季节性干旱对桉树生长的影响，并且提高了土壤含水量和土壤养分含量，从而促进了桉树人工林的生长，最终提高了生产力。在今后的研究中，可将旱季补水的成本与人工林生产力提升后产生的经济效益进行比较，若是产生的经济效益大于补水的成本，则在实际生产中可以采取旱季补水来提高桉树人工林的生产力。