刺槐无性系速生丰产林施肥方案优化研究

于振旭，李逸凡，秦光华，宋玉民，乔玉玲，马 玲

（1山东省林业科学研究院，济南250000；2济南市花圃公园服务中心，济南250000；3山东省国土空间数据和遥感技术中心，济南250000）

0 引言

刺槐(Robinia pseudoacacia)原产于北美阿巴拉契亚山脉，18世纪末引入青岛[1]。刺槐具有速生、耐干旱瘠薄、易于萌芽更新等特点[2]，是重要的用材、薪炭材和生态林造林树种。刺槐根系发达，具有很强的生物固氮能力。据调查，1株4年生幼龄刺槐每年可固氮25.8 g，成龄刺槐林年固氮量可达35～75 kg/hm2[3-4]。刺槐对养分的吸收具有选择性，能很快汲取瘠薄土壤中的P、K、Mg、Na、Ca等元素，虽对氮的吸收缓慢但生物固氮和落叶中的氮大量进入土壤，因而对土壤具有改良作用[1]；刺槐从土壤中年吸收养分量以Ca最多，N次之，S最少，且随树龄增长年吸收量增大，由幼树到杆材期年吸收量约增加1倍，由杆材期到成熟期N、P、K、Mg年吸收量缓慢增加，而Ca、S的吸收量有所下降[5]。

农业生产中，由于土壤养分被作物吸收，而作物产品大部分被人们所利用，田地养分逐渐不足，施肥成为提高作物产量和质量的一个重要手段[6]，但过量施肥导致肥料利用率降低，其中氮肥过量施肥尤为严重[7]。农林业生产中通常以环境经济学的Coase原理和农业技术经济学的边际收益分析原理为依据指导氮肥施肥[8-9]。土壤中的磷除小部分来自干湿沉降外，大多数来自土壤母质。土壤pH是影响土壤固磷作用的重要因子，以pH 6.5～6.8之间为宜；增加土壤有机质含量和淹水可以提高土壤磷的有效性[7]；有研究认为，深施有利于提高磷肥利用率[10]，施肥过浅导致玉米磷肥利用率低[11]。植物对土壤中钾的利用主要依靠交换性钾的释放，干燥、灼烧和冰冻有利于提高土壤的释钾能力[7]，干旱年份植物的钾素营养水平提高[12]。

林地施肥试验最早记载于1847年的法国，人们利用草木灰、铵盐和矿渣进行林地施肥提高树木生长量。1930—1960年北美、日本和澳大利亚等进行森林施肥试验[13]，20世纪60年代初芬兰和瑞典就已经开始对缺肥林地增施氮磷钾肥，中国自20世纪70年代开始林地施肥试验研究。1982年刘寿坡等[14]对意大利214杨进行了林地施肥试验，并发现施肥可以显著提高试材的胸径、树高、材积，各肥料对试材的作用由大到小依次为氮肥、绿肥、磷肥、钾肥，并得到了各肥料的最优施肥配比为每株施N 150 g、P2O5150 g、K2O 50 g及绿肥压青10 kg。

而在施肥模型方面，陈辉[15]在对锥栗人工林营养补偿试验中，利用{3,2}单行重心设计，采用遗传算法对响应方程在约束条件下寻优，求出3种肥料的最佳理论配方为尿素0.30 kg、过磷酸钙0.59999961 kg、氯化钾 0.1000038 kg；尹鹏达等[16]在对填充型烤烟栽培研究中利用了三因素四水平的回归最优设计，并通过得到的回归模型计算氮磷钾肥的最优基础施肥量，即氮肥40.08～52.49 kg/hm2、磷肥36.19～62.19 kg/hm2、钾肥 70.73～114.41 kg/hm2。

刺槐是速生用材树种，在国内有大面积的人工集约经营面积，相对精确的施肥方案对于指导刺槐人工林经营具有重要意义。本试验针对目前国内施肥模型建立过程中养分资源特征差异导致试验因素增加、试验因素水平过少等问题[17]，综合王圣瑞等[18]在施肥模型建立过程中的数据转换利用方法，基于黄河古道刺槐人工林土壤特征和刺槐需肥特点，旨在通过连续3年的刺槐林地施肥，提出相对科学的刺槐林地施肥方案。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

参试材料为来自河南孟州林科所培育的窄冠刺槐优良无性系，2015年育出，1年生实生苗，造林后不平茬，株行距为3 m×4 m；自2015年开始连续施肥3年，2017年末利用连续3年的数据进行施肥方程模拟。试验地设置在河南省商丘市民权县民权林场(115°00′—115°24′E，34°48′—34°51′N)，年均气温 14.1℃，年降水量679 mm，土壤类型为黄河古道粉沙性黄潮土，有机质含量低，蓄水能力差，地下水位1.5～2.0 m。

1.2 研究方法

1.2.1 基于林地土壤养分本底的施肥方案设计 试验地进行多点取样混合，利用ASI法[19-20]测定土壤本底养分水平，土壤本底的铵态氮、硝态氮、磷及钾元素的含量均为低水平。土壤吸附试验推荐氮元素添加量为50 mg/L，钾元素添加量为244.03 mg/L，磷元素添加量为56.04 mg/L。

根据土壤本底养分水平和吸附试验结果，结合土壤养分丰缺指标[21-23]，进行最佳处理设置，在盆栽试验基础上，最终得到推荐施肥量：氮（尿素）165 kg/hm2、磷(P2O5)120 kg/hm2、钾(K2O)150 kg/hm2，根据推荐施肥量换算每株施肥量，参照控释肥利用率[24]和尿素、钙镁磷肥、硫酸钾肥料的含元素比例，得到施肥量的中间水平，利用编码表编码各小区处理。

1.2.2 试验设计 采用三因子二次回归正交设计（表1～2），试验设置16个处理（含2个中间水平处理），3次重复。试验地按照南北方向布设重复，重复间小区排列顺序一致。单行排列小区，6株小区，两侧设置保护株。因试验地面积限制，3个重复之间共用中间水平小区处理（15、16小区）。试验地东西南北外围各植2行保护行。

表1 因子水平编码表 g/株

表2 三因子二次回归正交设计表

1.2.3 施肥方法 施肥采用沟施，最大限度地保证刺槐根系对肥料的接触面积。在行内株间距离树基部1.0 m位置挖出长0.5 m、宽0.2 m、深0.2 m沟，将每棵苗所施不同肥料均匀撒在沟内，填平，踩实。每年的5月下旬和7月下旬施肥，每次施肥后灌浇（控制浸润层深度60 cm以内）；第一年施肥量根据本底测定结果作为中间水平编码，第二年则以上一年度生长最优小区的各元素施肥量适度加量作为中间水平进行编码，以此类推。

1.2.4 林地调查和数据统计分析方法 每年10月中旬生长期结束后调查各处理立木的胸径。利用SAS软件对调查数据进行正交回归检验，利用Excel进行转换函数模型的拟合。

2 结果与分析

2.1 施肥对刺槐生长量的影响

胸径是实际生产中最常观测的数据之一，选择胸径作为观测数据更具实际意义。有研究表明，为促进树木胸径的增长，各养分的施用并非越多越好。只有最合理的氮、磷、钾肥料的配比，胸径的增长才可达到最优效果[25]。

由表3可以看出，施肥显著增加刺槐胸径，但增长速度随刺槐年龄的增加而减缓。从2015年开始，每一年的最优小区均不同，这是施肥方案不断优化的结果，这在一定程度上与杨艳等的研究一致[26]。2015年生长季末最优小区是第15小区(N0P0K0)，各元素施肥量分别是尿素63 g/株、钙镁磷肥36 g/株、硫酸钾50 g/株，第15小区和第16小区施肥水平相同但调查结果有差异的原因主要是，施肥第一年刺槐苗木对施肥的响应还没有完全显现出来，刺槐生长差异的主导因素还是苗木之间的个体差异。2016生长季末调查结果显示最优小区是第5小区（表3），施肥水平为尿素146 g/株、钙镁磷肥87 g/株、硫酸钾17 g/株（表4）；2017年生长季末的调查结果显示，第15、16小区(N0P0K0)生长状况最优，恰好此为编码表的中间水平（表4），表明苗木生长趋于平稳，各元素的施肥量基本满足苗木的生长需求，可不再增施。

表3 胸径连年调查结果

表4 连年施肥因子编码表 g/株

从连年施肥量上可以看出（表3），随着刺槐的生长，苗木对氮、磷、钾肥料的需求量增加，原有的施肥水平不能满足苗木的生长需求，连年最优小区也不相同，表明当氮、磷、钾肥配合施用时并非各肥料越多越好，肥料之间的配比是刺槐施肥的关键。其他树种的研究结果与本研究基本一致[25-27]。

2.2 施肥模型的回归方程拟合

利用SAS的RSREG过程分别对连续2年和连续3年施肥结果进行二次回归正交检验，结果（表5）表明，连续施肥2年后，回归方程的线性项(linear)、平方项(quadratic)、交叉项(crossproduct)和总回归项(total model)P＞0.05，回归检验不显著，失拟指数(lack of fit)P=0.0015＜0.01，失拟检验极显著，表明回归方程无意义，利用回归方程获取最优施肥配比无结果。连续3年施肥后（表6），回归方程的平方项和总回归项均小于0.05，达到显著水平，其中平方项已小于0.01，达到极显著水平，线性项和交叉项虽未达到显著水平，但较2016年检验结果显著减小，失拟指数在0.01～0.05之间，表明回归方程向着有意义的方向发展。结果显示出较好的回归方向，试验结果按照预期的目标发展。

表5 连续2年施肥回归方程检验结果

表6 连续3年施肥回归方程检验结果

根据表6的检验结果，建立三元二次函数模型，如式(1)。

根据此方程，求得最佳施肥量为氮肥110 g/株、钾肥65 g/株、磷肥131 g/株。

2.3 回归方程的一元转化

分别利用一次函数、二次函数、多项式函数和对数函数对施肥因子进行一元模型拟合。由表7可以看出，根据王圣瑞等[18]的施肥数据转化处理建议，将三因子二次正交回归试验设计转化为一元函数模型进行数据处理，所拟合的方程均无意义（R2数值过小）。

表7 一元肥料效应模型拟合结果

3 结论与讨论

林木施肥的意义在于发掘土地、气候、良种的生产潜力，维持土壤养分平衡，促进林木生长，维持林地生产力[28]。刺槐是国内北方地区主要的速生造林树种[29-30]，提高其生长速度与生长量具有战略性的意义。试验显示，施肥对刺槐的生长影响显著，连续施肥2年，胸径生长率分别达到186.67%、47.30%，刺槐胸径从1.82 cm增粗至7.63 cm，生长量显著，施肥对刺槐的生长产生了积极的意义。

林地施肥的试验规模大、周期长、效果显现缓慢，而探求施肥配比方案会占用比单纯林地施肥更多的资源。利用正交回归设计寻求刺槐生长的氮磷钾肥料最优配比设计，可以用较少的试验建立精度较高的回归方程，利用方程可以求出最优施肥配比。从连年施肥配比的优化过程可以看出，每年生长最优的施肥小区不相同，施肥配比的连年波动表明3种肥料对刺槐生长的影响并非简单的线性关系，表明回归方程的建立和探求有统计意义，SAS的回归检验连年变化也印证这一现象。拟合方程的各项回归系数都向着一个明朗的方向变化，有足够的理由相信，在试验的后期，可以得出拟合完美的回归方程，从而推算出各项肥料的最优配比方案。以3年的试验数据可初步拟合出相对有意义的回归方程，以此可获得1～3年生刺槐人工林的最佳施肥量为氮肥110 g/株、钾肥65 g/株、磷肥131 g/株。从数据转换处理的角度分析，林地施肥的模型转换，不如王圣瑞等[18]在农作物施肥试验中的数据转换顺利，对于此种模型转换处理的方式应视具体情况甄别对待。

林地施肥是一个复杂的试验过程，不可控因素较多。采用正交回归设计，虽然可以最大限度地减少试验次数，但是对于林地施肥来说，试验地的空间差异仍不可控，局部地段立地差异依然存在。其次，树木的生长与农作物不同，林木施肥的效应是一个长期积累的过程，当年的施肥效果不一定会在树木的生长性状上体现，树木生长量与施肥量一样，均为多年的累加值，因此根据试验所求得的最优施肥量是一个参考值。但作为首次在刺槐林地施肥试验中进行二次正交试验设计，本结论具有较强的参考价值。如果在林地施肥试验中精选个体差异小的苗木减少目标树数量，缩小试验地范围，在进行全方位立地条件本底调查基础上，辅助以严格的试验区一致性管理，或许可得到更为科学的林地施肥结论。