施肥对马尾松生长和产脂量及土壤地力的影响

李 鹏，颜培栋，杨章旗，零天旺，陆绍浩，卢顺熙

(1.广西壮族自治区林业科学研究院、国家林草局马尾松工程技术研究中心、广西马尾松工程技术研究中心、广西优良用材林资源培育重点实验室，广西 南宁 530002；2.广西横县镇龙林场，广西 横县 530327)

马尾松(PinusmassonianaLamb.)是我国重要的速生材脂兼用乡土树种，为松科松属裸子植物，多年生常绿乔木，具有生长快、干形通直且耐干旱贫瘠[1]，其木材广泛应用于建筑、枕木、矿柱、家具及制浆造纸等，松脂是化工合成的重要原料[2]。为提高马尾松的木材和松脂产量，施肥成为一种必要经营措施且被广泛应用[3]。然而不同肥料类型对马尾松生长和产脂力以及采脂过程中肥料可持续效应的影响尚不明确。为此有必要开展马尾松材脂兼用林施肥采脂试验，探明施肥对马尾松蓄积量和松脂产量及肥料效应的影响。我国“六五”已开始了马尾松施肥试验，这些研究主要集中于N、P、K 3个主要元素。如泰国峰等[4]对马尾松施肥的阶段性、时效性、敏感性、适应性研究表明，在幼林期施用P肥为佳，中龄林时期结合疏伐，施用复合肥为宜；谌红辉等[5]对马尾松中龄林平衡施肥研究表明，平衡施肥效果优于单种肥料，施肥8 a后最佳处理(每公顷施尿素450 kg、钙镁磷1440 kg、氯化钾360 kg)树高、胸径、蓄积分别比对照高11.5%、15.6%、13%；安宁等[6]研究了16种施肥组合对马尾松产脂量的影响，表明N(250 g·株-1)P(500 g·株-1)、P(1000 g·株-1)K(300 g·株-1)、N(250 g·株-1)K(150 g·株-1)配施对松脂年产量的提高较为理想。不同立地条件马尾松的施肥试验结果存在差异，但综合来看N、P、K配比施肥优于单一肥料。除了大量元素外，植物正常生长发育还需一定的微量元素，单施N、P、K肥不及时补充林木生长所需的微量元素也会严重影响其产量和质量[7-8]。我国南方红壤地区土壤普遍酸化严重，据报道[10-11]我国酸化土壤总面积达2.04亿hm2，约占全国土壤面积的22.7%，主要分布在长江以南的热带和亚热带地区红、黄壤中。石灰作为一种良好的酸性改良剂，不仅能提高土壤pH，还能显著提高土壤中速效养分含量，促进植物养分吸收利用效率[12-13]。然而马尾松材脂兼用林N、P、K大量元素与微量元素和石灰配施能否改善土壤地力，从而提高马尾松蓄积量、松脂产量以及肥料时效性尚不清楚。本文对10年生马尾松材脂兼用林进行采脂施肥试验，探明大量元素肥配施微肥和石灰对马尾松蓄积量、松脂产量及肥料效应的影响，以期为马尾松林合理施肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广西横县镇龙林场(23°2′N、109°8′E)，属南亚热带季风气候，年均气温21.5 ℃，最高气温39.2 ℃，最低气温-1 ℃，年均无霜期304 d，年均降水量1477.8 mm，年均蒸发量1056.9 mm。试验地海拔320 m，坡度23 °，坡向东北，土壤为赤红壤，土层厚60 cm左右，母岩为板页岩。土壤肥力为土壤碱解氮108.55 mg·kg-1，有效磷2.32 mg·kg-1，速效钾27.75 mg·kg-1，有机质19.65 g·kg-1，全氮0.99 g·kg-1，全磷0.54 g·kg-1，全钾12.61 g·kg-1，pH值3.95。试验林经炼山、穴状整地后，于2007年5月造林，株行距1.5 m × 3 m，穴规格40 cm × 30 cm × 30 cm。造林后前3 a每年进行1次割草抚育和施肥，肥料为复合肥0.25 kg·株-1(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)；第8年进行1次疏伐，保留密度1000株·hm-2。

1.2 试验设计

2017年4月下旬，采用随机区组设计，设置3个随机区组，每个区组设6个处理：T1(大量元素+微量元素+石灰)、T2(大量元素+微量元素)、T3(大量元素)、T4(大量元素+石灰)、T5(钙镁磷肥+石灰)、CK(不施肥)，每个小区面积400 m2，每个小区周围均设3 m保护行。

供试肥料及用量：大量元素中氮肥为尿素(含N 46%)102.4 kg·hm-2，磷肥为钙镁磷肥(含P2O512%)72.03 kg·hm-2，钾肥为氯化钾(含K2O 60%)64 kg·hm-2；微量元素肥为广西侨昌生物公司提供的水溶性微量元素肥(含硼37.34%、钙7.47%、锌3.73%、铜1.87%、钼0.19%、铁0.11%、锰0.11%、镁0.19%、硫0.19%)72.03 kg·hm-2；石灰(熟石灰)833.75 kg·hm-2。

施肥方法：水平沟施，在树冠雨水线上坡位处沿等高线挖规格为50 cm(长)×20 cm(宽)×30 cm(深)施肥沟，将肥料充分混合均匀放入沟内及时覆土，覆土高出地表3～5 cm，石灰粉均匀撒施于土壤表面，并与表土混合。

1.3 生长指标测定及土样采集与分析

施肥前对样方内树木逐一订牌、编号，测定树高(精确到0.01 m)、胸径(精确到0.01 cm)生长量指标。施肥后分别于2017年10月底及此后每年采脂结束(2018—2020年每年10月底)，即施肥后0.5、1.5、2.5、3.5 a进行生长指标的测定。

于2020年10月底，采集0～30 cm土层的土壤样品。采用水土比2.5∶1的酸度计法测定pH；采用重铬酸钾-浓硫酸高温外加热法测定土壤有机质；采用Mehlich3浸提法测定有效磷和速效钾；采用碱解扩散法测定碱解氮；采用凯氏定氮法测定全氮含量[14]。

1.4 采脂与产量测定

采用下降式单面采脂法[15]，在树木向阳面、离地1.6 m处选定为割面。先刮去粗皮，刮至无裂隙、淡红色较致密的树皮层出现为宜，割中沟及侧沟，单边采割，侧沟夹角为60°～70°，割面负荷率为40%～45%。每天割1刀，每条侧沟均与第1条侧沟等长、等深、平行。每30 d对松脂称重，2018—2020年，每年6—10月进行5次松脂产量测定，即施肥后1.5、2.5和3.5 a进行松脂产量的测定。

1.5 数据计算与分析

所有数据均采用Excel 2016和IMB SPSS Statistics 20.0软件进行统计分析。

单株材积[16]V=0.714265437×10-4×D1.867008H0.9014632，式中：V为单株材积(m3)；D为胸径(cm)；H为树高(m)。单位面积蓄积量=样地内总材积/样地面积，蓄积增长量为施肥后每次测定马尾松蓄积量与施肥前蓄积量的差值。

参照涂佳等[17]、陈家法等[18]方法，以土壤基础地力贡献率(Soil fertility base contribution rate，SFCR)和肥料贡献率(Fertilizer contribution rate，FCR)作为反映肥料贡献能力的综合指标。计算公式为：基础地力贡献率(%)=CK处理蓄积量(产脂量)/施肥处理蓄积量(产脂量)×100，肥料贡献率(%)=[施肥处理蓄积量(产脂量)-CK处理蓄积量(产脂量)]/施肥处理蓄积量(产脂量)×100。

2 结果与分析

2.1 施肥对马尾松生长和松脂产量的影响

由图1A可知，不同施肥处理对施肥后0.5、1.5、2.5 a林分蓄积增长量均有显著差异(P<0.05)，均以T1处理最大，与施肥前相比分别增加27.91、47.65、74.24 m3·hm-2，较CK提高44.16%、29.46%、29.26%；而对施肥后3.5 a蓄积增加量无显著影响(图1)。施肥后0.5～2.5 a间各施肥处理在不同时间蓄积增长量均呈现相似变化趋势，其大小顺序为T1>T4>T5>T2>T3>CK。

由图1B可知，施肥对1.5 a、2.5 a时松脂产量具有显著影响(P<0.05)，均以T1处理最大，分别为753.12、608.09 kg·hm-2，较CK提高24.33%、23.15%，而对3.5 a时松脂产量无显著影响。施肥后1.5 a、2.5 a时松脂产量的变化趋势并不一致，1.5 a时T1处理显著高于T2、T3、T4、CK处理，而与T5处理间无显著差异，其大小顺序为T1(753.12 kg·hm-2)>T5(735.97 kg·hm-2)>T4(706.21 kg·hm-2)>T2(694.66 kg·hm-2)>T3(650.59 kg·hm-2)>CK(605.72 kg·hm-2)；2.5 a时T1处理显著高于T5和CK处理，而与T1、T2、T3、T4处理间无显著差异，其大小顺序为：T1(608.09 kg·hm-2)>T2(596.32 kg·hm-2)>T3(571.07 kg·hm-2)>T4(540.25 kg·hm-2)>T5(515.49 kg·hm-2)>CK(493.77 kg·hm-2)。此外，随着施肥后时间的延长，马尾松蓄积增长量和产脂量的F值逐渐减小，不同施肥处理间的差异显著性逐渐减小，表明随着时间的延长，肥料效应的可持续性有所下降，尤其是施肥后3.5 a时马尾松蓄积增长量和产脂量各处理间无显著差异。

图1 不同施肥处理对马尾松蓄积增长量和松脂产量的影响

2.2 基础地力贡献率及肥料贡献率变化

马尾松蓄积增长量的基础地力贡献率随施肥时间整体呈先上升后下降并逐渐平稳的趋势，尤其是施肥后0.5～1.5 a间蓄积增长量的基础地力贡献率显著上升；而肥料贡献率与之相反，呈显著下降(P<0.05，图2A和图2B)。与施肥后蓄积增长量呈相似的变化趋势，不同施肥处理蓄积增长量的土壤基础地力贡献率下降量和肥料贡献率上升量均以T1处理最大，其大小顺序为T1>T4>T5>T2>T3。

马尾松松脂产量的基础地力贡献率在T1和T4处理呈逐渐上升的趋势，T2和T3处理呈先下降后上升趋势，T5处理呈先上升后下降趋势；而肥料贡献率与之相反，尤其是施肥后3.5 a时T1、T4和T5处理产脂量的基础地力贡献率显著上升，而肥料贡献率显著下降(P<0.05，图2C和图2D)。不同时间各施肥处理呈现不同的变化趋势，其中1.5 a时不同施肥处理土壤基础地力贡献率的下降量和肥料贡献率的上升量呈现相似变化趋势，均以T1处理最大，其大小顺序为T1>T5>T4>T2>T3，2.5 a时大小顺序为T1>T2>T3>T4>T5，3.5 a时大小顺序为T2>T3>T1>T4>T5。说明肥料与石灰配施后(T1、T4和T5处理)在采脂1.5 a时能快速提高土壤基础地力，随着时间的延长肥料贡献率下降最显著。不同施肥处理产脂量的基础地力贡献率与肥料贡献率均呈显著负相关关系(P<0.05，图3)。

图2 不同施肥处理对马尾松人工林基础地力贡献率和肥料贡献率的影响

2.3 产量稳定性及可持续性变化

施肥对马尾松蓄积增长量和松脂产量的稳定性和可持续性显著高于CK(P<0.05)，其中施肥处理下马尾松蓄积增长量(图4A和图4B)变异系数随施肥时间的变化比较集中，稳定性指数变化有所减少，而T1、T4和T5处理蓄积增长量变异系数明显增大，稳定性指数明显减小，表明撒施石灰后能快速提升产量稳定性；而随着施肥时间延长，肥料稳定性和可持续性快速减小。

马尾松松脂产量变异系数随时间呈先上升后下降趋势(图4C和图4D)，T2和T3处理可持续性呈逐渐上升趋势，而T1、T4和T5处理在2.5 a时松脂产量稳定性和可持续性显著降低(P<0.05)，表明肥料对马尾松松脂产量的影响在施肥后1.5、2.5 a内产量稳定性较高，施肥后肥料的可持续效应仅可以维持在2.5 a，3.5 a后对松脂产量的变异性和可持续性的影响较小。

图3 松脂产量基础地力贡献率与肥料贡献率 的逐步回归分析

图4 不同施肥处理对马尾松松脂产量稳定性和可持续指数的影响

2.4 土壤养分含量与松树生长量和松脂产量逐步回归分析

施肥显著提高了土壤养分含量(P<0.05)，其中土壤有机质、全氮、速效钾含量以T1处理最高，与CK相比其含量分别提高65.41%、54.89%、125.39%，且T1处理显著高于T2、T3、T5和CK处理，而与T4处理间无显著差异；土壤pH、全磷、速效磷含量均以T5处理最大，比CK处理分别提高11.29%、56.18%、70.03%，而与T1和T4处理无显著差异，但均显著高于T2、T3、CK处理，表明撒施石灰处理能够有效提高土壤pH，提高土壤中有效磷的含量。土壤养分与马尾松蓄积增长量和松脂产量的逐步回归分析显示，蓄积增长量和松脂产量与土壤pH、有机质、全氮、全磷、有效磷和速效钾含量均呈显著正相关，说明土壤养分的提高有助于马尾松蓄积量的积累和松脂产量的提升(图5)。

3 结论与讨论

施肥后2.5 a内能有效提高马尾松蓄积增加量和松脂产量，尤其是施肥1.5 a内不同施肥处理间差异达到极显著水平，其中与石灰配施的T1、T4和T5处理下马尾松蓄积增长量和松脂产量的增长效果较大，说明中短期内与石灰配施的肥料类型发挥了重要作用，能够快速提高马尾松蓄积增长量和松脂产量。其原因是石灰能够提高土壤pH值，改良土壤酸化，提高土壤微生物代谢活动，促进有机质的分解，增加植物养分吸收速率，达到高产增效的目的[19-21]。随着施肥时间延长，施肥后1.5～2.5 a不同施肥处理间差异虽有所下降但仍具有显著性差异，而施肥2.5～3.5 a不同施肥处理间无显著差异。表明肥料的时效性和敏感性随时间的延长有一定程度下降，其中T1处理(尿素102.4 kg·hm-2+钙镁磷72.03 kg·hm-2+氯化钾64 kg·hm-2+微量元素肥72.03 kg·hm-2+石灰833.75 kg·hm-2)可作为马尾松材脂兼用中龄林增产增脂最佳施肥配方。

基础地力和肥料贡献率作为反映肥料贡献能力的综合指标，不同处理下马尾松蓄积增长量的基础地力和肥料贡献率具有明显差异，其中T1处理的地力贡献率最小，肥料贡献率最大，说明T1处理与其它处理相比肥效更佳，肥料利用效率更好。蓄积增长量的基础地力贡献率随施肥时间整体呈先上升后下降并逐渐平稳，肥料贡献率与之相反，尤其是施肥0.5～1.5 a蓄积增长量基础地力贡献率显著上升，肥料贡献率显著下降，说明施肥后0.5～1.5 a对马尾松蓄积量影响较大，这可能是由于施肥后0.5～1.5 a刚开始进行采割，马尾松生长除了受肥料影响，还受采脂影响，导致土壤基础地力贡献率和肥料贡献率波动较大，此后有所上升并逐渐平稳。此外，不同施肥处理松脂产量的基础地力和肥料贡献率随时间呈不同变化趋势，尤其在施肥后3.5 a中T1、T4和T5处理基础地力贡献率显著上升，而肥料贡献率显著下降。说明虽然与石灰配施在短期内能够快速提产增效，但肥料的时效性及可持续能力不强，在2.5 a后继续进行采脂时建议再次追肥。根据马尾松蓄积增长量和松脂产量的稳定性和可持续性分析，表明施肥2.5 a后T1、T4和T5处理变异系数明显增大，稳定性指数明显减小，马尾松蓄积量和松脂产量稳定性下降。

大量元素肥料的施用在短期内能够快速提高土壤养分含量[22-23]，这与本研究结果相一致。施用石灰能够提高土壤pH值，改良土壤酸度，增加土壤有效磷的含量[24-25]，本研究结果与之相似，撒施石灰(T1、T4和T5)处理显著增加土壤pH值和速效磷含量。从整体来看，大量元素+微量元素+石灰(T1处理)对土壤综合肥力提升效果最佳，不仅可以快速缓解土壤酸化，促进土壤速效养分的释放，还可以为土壤微生物提供养分来源增强代谢活动，促进凋落物分解，提高土壤有机质含量。此外，土壤肥力提升对马尾松蓄积量和松脂产量具有显著促进作用。因此，在马尾松人工林经营过程中，尤其是中龄林松脂采割阶段，可以通过大量元素+微量元素+石灰搭配施用，在短期内快速提升土壤肥力，增加林分蓄积量和松脂产量，进而提高林分经济效益。