不同土壤培肥处理对桂南桉树产量及土壤肥力的影响

覃祚玉，石媛媛，赵隽宇，唐 健，邓小军，宋贤冲，黎 巍

（1.广西壮族自治区林业科学研究院 广西林用新型肥料研发中心 广西优良用材林资源培育重点实验室，广西南宁 530002；2.广西壮族自治区国有东门林场，广西扶绥 532108）

合理的培肥能有效提高土壤肥力质量，确保土壤资源的可持续经营与保护，对提升林地生产力和维护土壤生态安全有重要作用。全国第九次森林资源清查数据显示，我国桉树（Eucalyptusspp.）人工林面积546 万hm2，占全国人工林面积的6.8%，在一定程度上缓解了我国的木材紧缺状况；广西桉树人工林面积256 万hm2，占全国桉树人工林面积的46.9%，居全国第一。目前，桉树人工林以纯林、多代连栽和短轮伐期经营为主，出现地力衰退、森林质量下降和生态功能退化等问题，严重制约了桉树人工林生产力水平的提高[1-3]。从发展角度来看，桉树种植产生的土壤生态问题可通过有效的土壤培肥措施得到改善。

国内外研究表明，合理的土壤培肥是提高土壤质量和林地生产力最有效的途径之一，测土配方施肥、剩余物还林、添加有机物料或有机肥和林下套种等培肥措施受到广泛关注[4-11]。许彩洪等[12]研究表明，施用总养分≥30%（15-6-9）桉树专用配方肥，可促进桉树生长和改善土壤状况。翁怡琳[13]研究表明，采伐剩余物平铺处理能提高林地有效养分含量，其微生物生物量氮、微生物生物量碳和蔗糖酶显著高于带状堆放和剩余物移除处理，平铺处理下1年生桉树幼林的平均地径、胸径和树高比移除处理分别高出3.63%、6.44%和12.16%。施用有机肥可提高桉树林地土壤养分与有机质含量，施用有机肥5年后的土壤容重比施用无机肥降低0.01%～0.22%，土壤总孔隙度提高0.1%～7.1%，可有效改良砖红壤的物理特性，产生培肥效应[14]。高文杰等[15]研究发现，桉树套种乌绿豆（Phaseolusspp.）× 印度豇豆（Vigna sesquipedalis）能提高土壤有机质含量，缓解土壤酸化。桉树人工林间种山毛豆（Tephrosia candida）可提供林木生长所需的养分和有机质，促林木生长[16-17]。本研究以广西桂南地区桉树种植面积最大、连栽代次高的广西壮族自治区国有东门林场桉树人工林为研究对象，进行土壤培肥模式的筛选与评价，土壤培肥处理包括林下套种绿肥、剩余物还林、施用有机肥和测土配方施肥，以期为桂南地区及广西桉树人工林林地生产力的提升、土壤提质增效及生态环境的保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广西壮族自治区国有东门林场雷卡分场9 林班（110°30'E，22°23'N），属亚热带湿润季风气候，年均气温21.8 ℃，年均降水量1 100～1 300 mm，年均蒸发量1 600 mm，年均相对湿度74%～83%；年均日照时长1 634～1 719 h，年均无霜期342 天；海拔150 m，低丘台地交错分布，地势低平，坡度5°。土壤为砖红壤，成土母岩为第四纪砂岩母质。试验地前茬为桉树，林地产量约为67.5 m3/hm2（5年生），产量较低。2017年2月，通过机耕新造林，主栽树种为尾巨桉（E.urophylla×E.grandis），种植密度为1 245 株/hm2（4 m × 2 m），保存率为97%。试验前，分别于2017年4月、2017年9月和2018年4月施复合肥（N∶P∶K = 6∶12∶7），每次施用量为622.5 kg/hm2。林下植被主要有藿香蓟（Ageratum conyzoides）、飞机草（Chromolaena odorata）、山菅（Di⁃anella ensifolia）和木姜子（Litsea pungens）等。

1.2 试验设计

2019年6月—2020年6月，进行田间试验。设6个处理（T1～T5 和CK），样地面积为0.4 hm2（20 m×20 m），3 个重复。T1～T4 处理均为等养分肥料投入，化肥投入量（折纯量）均为225.0 kg/hm2，T5 处理的化肥投入量为187.5 kg/hm2（化肥减量16%）。

T1 和T2 处理分别为林下套种山毛豆（Tephro⁃sia candida）和林下套种田菁（Sesbania cannabina）处理，播种前将有机肥（4 500 kg/hm2）散铺于犁耕过的2 m 宽行距林地内，条播绿肥种子，种子用量为30 kg/hm2，播种前进行种子催芽处理。T3 处理为剩余物还林处理，添加枯枝落叶、锯末等剩余物和常规肥料（东林掺混肥：总养分30%，N∶P2O5∶K2O=15∶6∶9），施肥量约750 kg/hm2，剩余物添加量为叶绍明等[18]1～3 代6年生尾巨桉林分平均生物量（约81 t/hm2）的1/3，为27 t/hm2。T4 处理为施用有机肥处理，施入有机肥的总养分约为5%，施入量为4 500 kg/hm2。T5处理为测土配方施肥处理，配方肥总养分为25%（N∶P2O∶K2O = 12∶5∶8，有机质含量≥20%），施肥量为750 kg/hm2。CK 处理为常规施肥（东林掺混肥）处理，施肥量为750 kg/hm2。

1.3 指标调查

1.3.1 林木生长量及产量测定

对各处理试验前后的样地进行每木检尺，测量桉树的树高和胸径。采用单株材积计算不同处理的平均蓄积量，采用广西林业勘查设计院制定的速生桉单株材积（V，m3）计算公式[19]：

式中，D为胸径（cm）；H为树高（m）；c0、c1、c2、c3和c4均为常数，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 土壤化学性质测定

在样地内以“S”型挖掘3个标准剖面，按0～10、10～20、20～30和30～40 cm分层采集土壤鲜样，采集量约为1 kg，风干后进行指标测定。土壤pH 值和有机质含量（OMC）、全氮含量（TNC）、全磷含量（TPC）、全钾含量（TKC）、碱解氮含量（AHNC）、有效磷含量（APC）、速效钾含量（AKC）、交换性钙含量（E-Ca）、交换性镁含量（E-Mg）、有效铜含量（ACu）、有效锌含量（A-Zn）、有效铁含量（A-Fe）、有效锰含量（A-Mn）和有效硼含量（A-B）等养分指标参照LY/T 1210～1275-1999[20]相关行业标准进行。各层土壤的平均值为0～40 cm土壤养分的测定值。

1.4 土壤肥力计算

选取1.3.2 中的15 项指标作为土壤肥力质量的评价因子。建立各评价指标的隶属函数，对各项指标值进行数值化量纲处理。常用的隶属函数分为抛物线型（公式1）和S 型（公式2）。根据前人研究结果[21-23]，pH 值属于抛物线型隶属函数，其他14 项指标均属于S 型隶属函数。参考前人研究成果[24-26]并结合研究区土壤性质，确定隶属函数转折点（表1）。采用主成分分析法确定各指标的权重，再通过加权求和法计算出土壤肥力质量综合指标值（IFI）（公式3）。

表1 隶属函数曲线中评价指标的转折点Tab.1 Turning points of evaluating indicators in membership functions

式中，U(x)为评价指标隶属度；x为评价指标实测值；a为隶属函数下限值；b、c为隶属函数最优值；d为隶属函数上限值。Wi和μi分别表示第i项指标的隶属度和权重。

1.5 数据处理

采用SPSS 19.0软件进行描述统计分析、因子分析和聚类分析。因子分析确定权重，聚类分析划分综合肥力指标等级。采用Origin 19.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对桉树生长的影响

T1～T4 处理的平均树高增量均大于CK 处理，表现为T2>T1>T4>T3>CK>T5，T2、T1、T4和T3处理与CK 处理差异显著（P<0.05）；T1～T5处理的平均胸径增量均显著大于CK 处理（P<0.05），表现为T1>T5>T2>T4>T3>CK；T1～T5 处理的平均蓄积增量均大于CK 处理，表现为T1 > T5 > T2 >T4 > T3 > CK，其中T1、T5、T2 和T4 处理与CK 处理差异显著（P<0.05）（表2）。

表2 不同处理对桉树生长的影响Tab.2 Effects of different treatments on eucalypt growth

2.2 不同处理对土壤有机质的影响

有机质含量增量表现为T2 > T4 > T1 > T5 >T3 > CK（图1）。T2、T4 和T1 处理试验后的有机质含量分别比试验前高出22.62%、17.87%和14.22%，差异显著（P< 0.01）。T2、T4、T1 和T5 处理的有机质含量增量显著高于T3和CK 处理（P<0.01），分别比CK 处理高出378.67%、250.67%、205.33% 和50.67%，说明这4 种处理均能有效提高林地土壤有机质含量。

图1 不同处理对土壤有机质含量的影响Fig.1 Effects of different treatments on contents of soil organic matter

2.3 不同处理桉树人工林土壤肥力综合评价

特征值大于1 的主成分有5 个，累计贡献率为80.727%，说明这5个成分为试验地桉树人工林土壤肥力质量的主要影响因素（表3）。第1 主成分包括有机质、全N、有效P、速效K 和有效Fe 含量，贡献率为24.016%；第2 主成分包括碱解N、有效Cu、有效B和有效Mn 含量，两个主成分的累计贡献率为45.116%。

表3 土壤各属性主成分因子载荷矩阵和权重Tab.3 Load matrix and weight of principal component factors of soil properties

为避免人为干扰及等距划分等级带来的误差，采用欧氏距离聚类方法[27]将土壤肥力综合指数划分为5 个等级：Ⅰ级为优（IFI> 0.600），Ⅱ级为良（0.450

表4 不同处理土壤肥力状况及评价结果Tab.4 Soil fertility status and evaluation results of different treatments

3 讨论与结论

3.1 土壤肥力评价指标与评价方法

客观评价土壤肥力质量是准确了解土壤属性和充分利用土壤资源的保障[28-30]。影响土壤肥力质量的评价指标很多，按土壤性质和功能可分为化学指标、物理指标和生物学指标[31]。Schoenholtz 等[32]认为土壤化学指标包括营养指标和土壤有机碳（有机质）两类，营养指标包括pH 值和全N、全P、全K、碱解N、有效P 和速效K 含量等指标[33]。刘世梁等[28]认为pH 值、土壤有机质、全N、全P、有效P、全K、速效K含量和耕层厚度等指标能稳定地评价耕作土壤肥力。近年来，在土壤肥力定量评价中应用最广泛的方法有聚类分析和主成分分析方法[34-35]。本研究采取主成分、模糊数学和聚类分析相结合的方法，综合评价不同培肥处理下的土壤化学性质及肥力质量，评价结果与产量规律吻合，说明该方法适用于桂南区土壤肥力的综合评价。

3.2 不同处理促进林分增产的潜力

除T5 处理的平均树高增量外，T1～T5 处理桉树的平均树高、胸径和蓄积增量较CK 处理均有一定程度的提升。林下套种山毛豆（T1）处理的增产效果最好，其平均蓄积增量比CK 处理高出26.78%，可能是因为山毛豆生物量大，土壤覆盖度高，地表蒸发减少，同时以耕代抚，疏松了土壤，减少了杂草竞争，植物根系和凋落物有效地改良了土壤的化学性状，促进桉树胸径、树高和蓄积量的增长。T1 和T2 处理均为林下套种绿肥处理，其平均胸径、树高和蓄积增量均表现较好，说明林下套种绿肥有利于促进桉树胸径、树高和蓄积量增长；T1、T2 和T4 处理的肥料输入均为有机肥，其平均蓄积增量比CK处理高出19%以上，说明有机肥对桉树蓄积量的促进作用明显。测土配方施肥（T5）处理的平均胸径和蓄积量增量均显著大于CK 处理，但平均树高增量仅为CK 处理的96.12%，说明目前的配方肥虽能促进胸径和蓄积量生长，却不利于树高生长，需进一步调整配方，实现树高、胸径和蓄积量同步增加。

3.3 不同处理土壤改培效果

不同处理下，桉树林地土壤肥力发生了明显变化，主要体现在土壤有机质和综合肥力上。林下套种绿肥（T1和T2）、施用有机肥（T4）和测土配方施肥（T5）处理下的林地土壤全N、碱解N、全K、速效K、全P、速效P 和有效B 含量均提升明显；通过肥力指标隶属函数公式计算各指标的隶属度，隶属度均值越大表示该项指标的肥力水平越高，试验后的各项土壤指标隶属度较试验前更趋近1.0，土壤养分供给相对均衡，更有利于养分的协调吸收，促进林木生长。土壤有机质含量是反映土壤肥力的一个重要指标[36]。T1、T2和T4处理通过绿肥还林和添加有机肥，使林地土壤有机质含量明显提升；T3 处理通过田间试验模拟剩余物还林，与常规施肥对比，林地有机质增量仅提升了0.81%，这与投入林地的剩余物成分组成及其分解速率有关，本试验所采用的采伐剩余物多为树干锯末，树叶和树皮占比较低，剩余物的碳氮比较高，表层木屑成块板结，不利于剩余物还林分解，投入的木屑有机碳无法在短周期内完全转化为土壤有机质。T4 处理提升土壤有机质含量的效果优于T1处理，可能是由于山毛豆生长快速且旺盛，产生了较大的生物量，在未割刈犁翻还林的情况下，会出现绿肥与人工林林木“抢肥”的现象，降低了土壤有机质含量。

3.4 不同处理提质增效综合评价

本研究未开展各处理营林经济成本核算，未能从经济效益和土壤改良效果等多方面综合评价各处理。从各处理的土壤改良和丰产增效效果来看，林下套种山毛豆、林下套种田菁、剩余物还林、施用有机肥和测土配方施肥这5种处理均可在一定程度上促进林木生长和产量提升，对桉树人工林土壤养分状况也有较好的改善作用，可有效缓解土壤酸化（除T5处理），促进林地土壤肥力恢复。从可操作性和适应性来看，林下套种绿肥处理对地势和林地小气候要求较严苛，仅适用于行间距大、地势平缓、可机械作业和夏季降雨充沛的林地；剩余物还林处理以锯末散铺于林地来模拟剩余物还林，未考虑实际操作中采伐剩余物还林可能会造成的施工不便及病虫害滋生等问题，需进一步开展剩余物还林过程中的防虫促腐研究。目前，施用有机肥和测土配方施肥技术的成熟度较高，可操作性强，可作为广西林地可持续经营的关键沃土技术进行推广。