油茶低产林改造剩余物基质的保水保肥效应

2023-12-25朱宏达李建安张雯琪周乃富

中南林业科技大学学报 2023年11期

朱宏达，李建安，廖科，熊利，张乐，张雯琪，周乃富

（1. 中南林业科技大学经济林培育与保护省部共建教育部重点实验室，湖南长沙 410004；2. 湖南省林业种苗繁育示范中心，湖南长沙 410329；3. 湖南省水资源研究和利用合作中心，湖南长沙 410031）

油茶Camelliaoleifera是我国特有的山茶科Theaceae 山茶属Camellia木本油料树种，也是世界四大木本油料树种之一，在我国已有超过2 300年的种植和利用历史[1-2]。进入21 世纪以来，我国油茶产业虽然发展迅猛，但存在一些问题和矛盾亟待解决。以湖南省为例，全省低产林（老旧油茶林）面积约93.3 万hm2，约占全省油茶种植面积的64.7%，并且产量低、病害多，生产价值不高[3]。2021 年出台的《湖南省“十四五”林业发展规划》提到继续打造湖南油茶千亿产业，加快完成油茶低产林改造50 万hm2的任务目标[4]。在大规模低产林改造过程中，会产生大量油茶剩余物，而这些剩余物通常被焚烧、填埋或者随意丢弃，将对生态环境造成污染，同时也是一种生物质资源的浪费。因此培育高质量、高产量的大规格良种无性系轻型基质油茶容器苗是解决这个低产林改造的基础保障[5]。这是因为油茶容器育苗在上山造林方面相较于常规的油茶裸根育苗，具有根系完整、成活率高、无缓苗期等优点，并且在抗旱、适生、稳定性方面也有较强的优势，因此具有上山造林成活率高、成林速度快、林分整齐、挂果期提前等优势，是低产林更新改造的重要举措之一[6-7]。目前油茶容器育苗基质大致分为两类，一是以各种有机质（大多为泥炭）为主原料，质地疏松的轻型基质，具有孔隙度大、保水保肥性好、利于根系生长以及利于搬运的优点，但育苗成本相对较高；二是以营养土（大多为黄心土）和各种有机质各占一定比例，质地较紧密的半轻型基质，具有取材来源广泛、缓冲性好以及育苗成本较低的优点，但不利于搬运，增加了上山造林的人工成本[8]。

从2022 年7 月以来，长江流域遭遇了自1960年有气象记录以来，高温天气持续时间最长的一次。据湖南省气候中心提供的数据，7 月8 日—10 月3 日，全省平均降水量仅为66.3 mm，较常年偏少80.4%，气温偏高2.7 ℃，持续的高温干旱严重干扰油茶生长发育的进程，油茶产业从育苗到种植采摘，都遭遇到不同程度的损失[9]。课题组前期研究发现，油茶低产林改造剩余物按尿素+EM 菌+碳氮质量比25∶1 的比例发酵后作为培育油茶育苗的轻型基质是完全可行的，且生产成本不高可在实际育苗生产中推广，但未继续深入开展育苗试验[10]。因此，本试验将以油茶低产林改造剩余物发酵后为基质原材料，探索保水、保肥功能性轻型育苗基质的育苗效果，为实际解决低改后产生的剩余物资源浪费以及环境污染问题，同时涵盖生产育苗阶段的保水、保肥的成本控制问题，为实现资源的循环利用以及油茶育苗产业的可持续发展提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于浏阳市洞阳镇的湖南省林业种苗繁育示范中心（以下简称“种苗中心”），属亚热带季风湿润气候区，年均气温为16.8 ～17.3 ℃，年均降水量为1 455.06 mm。

1.2 试验材料

苗木：选用生长性状大体一致且符合国家出圃标准（苗高≥30 cm、地径≥0.3 cm）的“华金”2年生容器苗，由种苗中心提供。

基质材料：油茶木屑是种苗中心在旧油茶采穗圃低改过程中产出的农林剩余物，将油茶植株、枝桠、树蔸粉碎为细木屑，并过3 目网筛（8 mm孔径），后将处理后的油茶木屑放入发酵罐中发酵[11]；泥炭由种苗中心提供；珍珠岩4 ～8 mm规格，购于长沙市红星花卉市场；SAP 吸水树脂购于巩义市美源净水材料有限公司。

无纺布育苗袋：选用22 cm×26 cm 规格的无纺布育苗袋，购于桐城市和信纸品有限公司。

1.3 试验方法

混配基质试验：本试验基于前期课题组研究基础上，添加最优的高吸水树脂（Super absorben polymer, SAP）用量提高基质的保水保肥性能[12]。试验以油茶木屑、泥炭、珍珠岩、SAP 4 种轻型基质材料，按L9（34）四因素三水平正交设计表以不同比例（体积比）混合配置基质，并测定基质的保水保肥性能（表1）。将油茶木屑、泥炭、珍珠岩3 种材料分成6 份500 mL/份，A 因素为油茶木屑A16、A24、A32（份）；B 因素为泥炭B12、B21、B30（份）；C 因素为珍珠岩C12、C11、C30（份）；SAP 为添加剂设为D 因素D10.8、D20.4、D30（g/L）；本次试验共9 个处理，每个处理组合20 株，3 次重复，共540 株，每个处理施加1 ～2 kg/m3缓释肥。将上述处理好的混配基质取样，测定理化性质、保水性能以及保肥性能。

表1 不同配方基质的正交试验设计L9（34）Table 1 Orthogonal experimental design L9 (34) for matrices with different matrix

育苗效果试验：将选好的2 年生油茶容器苗脱杯，用清水冲洗根系残留基质，后置入已备好的22 cm×26 cm 的无纺布袋中央，使苗根与基质紧密接触。移栽后浇透定根水，喷洒甲基托布津800 ～1 000 倍液防治软腐病、炭疽病等。将换杯好的容器苗放入室外炼苗场培育，在培育期加强水肥、除草、病虫害防治管理措施。苗木培育期间施肥3 ～4 次，施复合肥结合浇水撒施，浓度不高于0.5%，复合肥以氮、磷、钾含量为15∶15∶15 的硫酸钾复合肥为宜。油茶容器苗换杯培育一年后，调查植株的生长发育情况。

1.4 试验数据测定

1.4.1 基质理化指标测定

称取风干好的混配基质，用粉碎机（规格为200 g）2 次粉碎，过20 mm 筛，测定全氮、全磷、全钾的含量，重复3 次。采用饱和浸提法测定pH值和电导率，参照郭世荣[13]的方法测定容重、孔隙度（总孔隙度、持水孔隙度、通气孔隙度），均重复3 次。

1.4.2 基质保水性、保肥性测定

基质保水性测定参照卫星等[14]和陈隆升等[15]的方法测定。

1.4.3 生长指标测定

分别在换杯前（10 月底）、第2 年秋梢（11月上旬）结束后测定油茶容器苗的苗高、地径、叶片数、成活率，每个处理随机选取5 株，重复3次，取其平均值。

1.5 数据分析

利用Excel 2003 软件分析处理数据，采用SPSS 26.0 软件进行差异显著性检验（LSD 法，显著性水平设为0.05），并利用方差分析和综合评分中的排队评分法得出实验结论，使用Origin 软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同配方基质的物理性质分析

土壤总孔隙度可反映出基质的疏松程度以及容纳空气、水量的能力，过大或过小都不利于植物的正常生长发育，轻型育苗基质国家标准要求＞60%；土壤通气孔隙度反映基质的透气性、透水性，过大保水性差，过小透气性差，不利于植物根系生长，国家标准在15%～30%之间；土壤持水孔隙度反映基质的持水能力指标，孔隙度越大吸收水分越多，国家标准在45%～60%之间；土壤容重大小能反映出基质的结构、透气性、透水性，国家标准在0.2 ～0.5 g/cm3之间[16]。通过LSD 多重比较分析，由表2 可知。配方T5 总孔隙度90.03%为最大值，配方T3 总孔隙度74.80%为最小值，配方T5 与配方T2、T3、T6、T7、T9 存在显著差异。配方T3通气孔隙度62.93%为最大值，配方T1 通气孔隙度27.09%为最小值，配方T3 与其他8 个配方均存在显著差异。配方T1 持水孔隙度60.90%为最大值，配方T3 持水孔隙度11.87%为最小值，配方T1 与T2、T3、T4、T6、T7、T8存在显著差异。配方T7 容重0.70 g/cm3为最大值，T9 容重0.22 为最小值，配方T7 与其他8 个配方均存在显著差异，配方T2、T3、T6、T8、T9 容重相近。综合上述不同配方基质的物理性质比较，配方T1、T9 完全符合国家林木轻型育苗基质物理性质指标要求。

表2 不同配方基质的物理性质†Table 2 Physical properties of substrates with different matrix

2.2 不同配方基质化学性质分析

一般利于油茶生长的基质pH 值在4.0 ～6.5之间，EC 值的标准在0.1 ～2.0 mS/cm 之间，总养分（N+P2O5+K2O）≥1.0%[17]。通过LSD 多重比较分析，由表3 可知。配方T6 pH 值6.60 为最大值，配方T4 pH 值5.50 为最小值，配方T6 与T3、T9 pH 值相似，并与剩余6 个配方存在显著差异。配方T5 EC 值0.197 8 mS/cm 为最大值，配方T3 EC 值0.011 9 mS/cm 为最小值，配方T5 与其他8 个配方存在显著差异。配方T5 全氮含量15.60 g/kg 为最大值，配方T6 全氮含量8.71 g/kg为最小值，配方T5 与配方T1、T4、T6、T7、T8、T9 存在显著差异。配方T7 全磷含量1.15 g/kg为最大值，配方T6 全磷含量0.56 g/kg 为最小值，配方T7 与配方T1、T3、T6、T8、T9 存在显著差异。配方T3 全钾含量3.60 g/kg 为最大值，配方T5 全钾含量0.98 g/kg 为最小值，配方T3 与其他8 个配方存在显著差异。综合上述不同配方基质的物理性质比较，配方T1、T2、T4、T5、T7、T8 完全符合国家林木轻型育苗基质化学性质指标要求。

表3 不同配方基质的化学性质Table 3 Chemical properties of substrates with different matrix

2.3 不同配方基质保水性分析

由图1 可知，各配方基质中的吸水倍数T9 处理最高为3.99 倍，与其他8 个处理存在显著差异，处理T7 吸水倍数最低为1.67 倍，表现最差。通过极差分析发现，四个因素对混配基质的吸水倍数都有重要影响，各因素表现为泥炭＞珍珠岩＞SAP ＞木屑。其中因素泥炭对吸水倍数的极差影响最大为1.32 倍，因素木屑对吸水倍数的极差影响最小为0.22 倍。当因素油茶木屑所占基质体积比为2 份、泥炭0 份、珍珠岩2 份、SAP0.8 g/L 时，基质吸水倍数最高。因此，最佳吸水倍数配方比例为A3∶B3∶C1∶D1。

图1 不同配方基质吸水倍数Fig. 1 Absorbent multiples of different matrix

由图2 可知，各配方基质中的渗水速率T5 处理最慢为0.001 5 g/min，与其他8 个处理存在显著差异，处理T3 渗水速率最快为0.007 9 g/min，表现最差。通过极差分析发现，四个因素对混配基质的渗水速率都有重要影响，各因素表现为泥炭＞油茶木屑＞SAP ＞珍珠岩。其中因素泥炭对渗水速率的极差影响最大为0.003 5 g/min，因素珍珠岩对渗水速率的极差影响最小为0.000 5 g/min。当因素油茶木屑所占基质体积比为4 份、泥炭2 份、珍珠岩2 份、SAP0.8 g/L 时，基质渗水速率最慢。因此，最佳渗水速率的配方比例为A2∶B1∶C1∶D1。

图2 不同配方基质渗水速率Fig. 2 Water seepage rate of different matrix

由图3 可知，各配方基质中的含水量T6 处理最高为358.86 g，与其他7 个处理（T8 除外）存在显著差异，处理T3 含水量最低为170.01 g，配方T6、T8 含水量相似，表现最佳。

图3 不同配方基质的含水量Fig. 3 Water content of different matrix

通过极差分析发现，4 个因素对混配基质的含水量都有重要影响，各因素表现为珍珠岩＞SPA＞油茶木屑＞泥炭。其中因素珍珠岩对含水量的极差影响最大为81.43 g，因素泥炭对含水量的极差影响最小为34.75 g。当因素油茶木屑所占基质体积比为2 份、泥炭2 份、珍珠岩2 份、SAP0.4 g/L 时，基质含水量最高。因此，最佳含水量配方比例为A3∶B1∶C1∶D2。

由图4 可知，各配方基质的蒸发速率随时间增加而减缓，前2 天处于蒸发速率峰值，说明在前2 天基质含水量较多，蒸发速度较快，其中配方T3 蒸发速率最快且显著高于其他9 个配方，配方T8 蒸发速率最慢。从第3 天开始，蒸发速率呈稳定态势下降，第17 天后各配方之间蒸发速率趋于相近。综合比较其蒸发速率平均值表现为处理T3 ＞T7 ＞T5 ＞T6 ＞T4 ＞T9 ＞T2 ＞T1 ＞T8，处理T8 蒸发速率综合表现最优。通过极差分析发现，4 个因素对混配基质的蒸发速率都有重要影响，受基质体积占比影响各因素表现为珍珠岩＞SAP ＞油茶木屑＞泥炭。其中因素珍珠岩对蒸发速率的极差影响最大为0.18 g/h，因素泥炭对蒸发速率的极差影响最小为0.08 g/h。当因素油茶木屑所占基质体积比为6 份、泥炭1 份、珍珠岩2份、SAP0 g/L 时，基质蒸发速率最慢。因此，最佳蒸发速率配方比例为A1∶B2∶C1∶D3。

图4 不同配方基质蒸发速率Fig. 4 Evaporation rate of different matrix

2.4 不同配方基质保肥性分析

在基质淋溶试验前，用纯水淋溶清洗各基质配方直至无氮、磷、钾淋出。由表4 可知，各配方基质的氮、磷、钾淋失量高峰均出现在第1 或第2天，其中氮流失量从第4 天后放缓，磷、钾淋失量从第5 天后趋于稳定。在7 次淋溶试验结束后，各配方基质氮流失总量分别占总施氮肥的表现为T3 77.98% ＞T8 67.12% ＞T4 63.85% ＞T7 56.17%＞T2 51.39%＞T6 54.72%＞T9 52.09%＞T5 44.26%＞T1 38.53%，其中配方T1 氮淋失量最小，且显著低于其他8 个配方；磷流失总量分别占总施磷肥的表现为T3 46.27%＞T8 39.26%＞T4 37.78% ＞T9 35.46% ＞T7 31.84% ＞T2 31.12%＞T6 30.49%＞T5 28.26%＞T1 27.27%，其中配方T1 磷流失总量最小，T1、T5 相近且显著低于其他7 个配方；钾流失总量分别占总施钾肥的表现为T3 70.20%＞T4 55.23%＞T8 55.08%＞T6 54.59% ＞T9 51.94% ＞T7 50.62% ＞T5 46.79%＞T2 41.05%＞T1 34.73%，其中配方T1钾流失总量最小，且显著低于其他8 个配方。通过极差分析发现，氮养分流失量中因素SAP 的极差为51.85 mg，明显高于其他3 个因素的极差，说明对氮养分流失量影响最大，因素油茶木屑极差最小为8.78 mg。当因素油茶木屑所占基质体积比为4 份、泥炭2 份、珍珠岩2 份、SAP0.8 g/L 时，氮养分淋失量最低，最优组合为A2∶B1∶C1∶D1。磷养分流失量中因素油茶木屑、珍珠岩的极差分别为2.33、2.13 mg，对磷养分流失量的影响不大，因素SAP 的极差最大为7.35 mg，说明对磷养分流失量影响最大。当因素油茶木屑所占基质体积比为4 份、泥炭2 份、珍珠岩2 份、SAP0.8 g/L 时，磷养分淋失量最低，最优组合为A2∶B1∶C1∶D1。钾养分流失量中因素SAP 的极差最大为13.44 mg，说明对钾养分流失量影响最大，其次是泥炭的极差为10.33 mg，对钾养分流失量影响较大，油茶木屑极差最小为3.33 mg。当因素油茶木屑所占基质体积比为6 份、泥炭2 份、珍珠岩2 份、SPA0.8 g/L 时，钾养分淋失量最低，最优组合为A1∶B1∶C1∶D1。

表4 不同配方基质淋溶后氮磷钾养分淋失量Table 4 Amount of N, P, K nutrient leaching loss of substrates with different formulas mg

2.5 不同配方基质育苗效果分析

经测量2 年生油茶容器苗初始生长数据为苗高34.85 cm、地径3.84 mm、叶片数18.53 片。在近1 年的培育后（表5），处理T1 的苗高、地径增量均是所有处理中的最大值，达到26.51 cm、5.77 mm，其次是处理T5，苗高、地径增量为23.20 cm、5.29 mm，苗高增量中处理T3 增长量最小为11.99 cm，处理T8 的地径增长量最小为3.58 mm。叶片增量的表现上，处理T5、T9 的表现最好，达到了65.54 片、65.07 片，其次是处理T1 为59.47 片。成活率的表现上处理T1、T5、T9表现最好，均达到了91.66%，处理T3、T8 成活率最低仅为85.00%。这表明理化性质、保水保肥性能好的基质，在育苗效果表现上也是最优的。

表5 不同基质配方对油茶容器苗形态生长的影响Table 5 Effects of different matrix formulas on the morphological growth of C. oleifera container seedlings

2.6 不同配方基质栽培性能综合评价

以不同配方基质的上述所测的基质容重、持水孔隙度、通气孔隙度、pH 值、基质含水量、吸水倍数、渗水速率、蒸发速率、养分淋失量、苗高增量、地径增量、叶片增量、成活率等13 个关键指标全部作为评价对象。采用综合评分法中的排队评分法，综合考虑各项指标优劣，排序给出评分值，并把它作为单指标进行数据分析[18]。

以基质容重数据为例。处理T9 试验结果为0.22 g/cm3（x9），排名第一，打10 分（y9）；处理T7 试验结果为0.70 g/cm3（x7），排名第九，打1 分（y7）。处理T1 试验结果为0.36 g/cm3（x1），则第1 号试验得分（y1）计算如下[19]：

利用上述公式可得出x1=7.58。同理可以算出其他处理试验各指标值的得分，视其与该指标优秀值的差异按比例打分，然而对每号试验的所有指标的分数相加即得综合评分。经计算处理T1 的配方基质试验综合评分最高为128.66 分，即试验条件为A1∶B1∶C1∶D1。依据各处理试验的综合评分，极差分析结果如表6 所示，其中K1、K2、K3分别为因素1 水平、2 水平、3 水平的试验之和，k1、k2、k3分别为因素1 水平、2 水平、3 水平的试验平均值，R为极差。所有因素主次顺序表现为SAP ＞珍珠岩＞泥炭＞油茶木屑，综合评价之后可知最佳的基质比例为A2∶B2∶C1∶D1。

表6 排队评分法极差分析Table 6 Range analysis of queuing scoring method

3 讨论

目前，关于油茶轻型育苗基质已有较多研究成果，一般是通过基质配比、理化性质、施肥方式和油茶容器苗生长发育情况，综合筛选适宜的育苗基质配方[20]。但利用油茶低改剩余物发酵后作为基质材料，以及育苗基质本身保水保肥性能的研究很少，而植物的生长与基质的理化性质、保水保肥性存在着密不可分的关系。

本研究中，以油茶木屑（发酵后）、泥炭、珍珠岩、SAP 组成的混配基质的总孔隙度，全部符合国家林木容器育苗轻型基质物理性质指标＞60%的要求；处理T1、T9 符合通气孔隙度15%～30%的国家标准，处理T2、T5、T6、T7也十分接近标准；处理T1、T5、T9 符合持水孔隙度45%～60%的国家标准；处理T1、T2、T3、T6、T8、T9 符合容重0.2 ～0.5 的国家标准，处理T4、T5 也十分接近标准。而从基质化学性质指标来看，9 个配方都基本符合国家标准，只有养分含量上有些差异。单从育苗基质的理化性质分析来看，处理T1、T9 是较优的配方比例，其次是处理T5。有研究发现，基质的配比组成不同以及基质的理化性质是影响基质保水保肥性能的直接因素[21]。本试验发现，随着因素B（泥炭）、C（珍珠岩）、D（SAP）在混配基质配方中所占比例的提高，基质的保水保肥性能也逐渐上升。并且在SAP 添加达到最大值0.8 g/L 时，基质的保水性及保肥性均表现最优，这与卫星等[14]、范如芹等[12]的研究结果一致。处理T3 的基质组成为单一的因素A（油茶木屑），其保水保肥性能表现最差，这是由于过大的基质孔隙度不利于水分和养分的储存，因此作为育苗基质时需要加入其他基质材料混合配置。在育苗试验中发现处理T1、T5、T9的苗高增量、地径增量、叶片增量、成活率均显著优于其他6个配方，并且在混配基质的理化性质、保水保肥性能上得到了相似的规律。

目前油茶育苗生产中大多使用以营养土和各种有机质各占一定比例，质地较紧密的半轻型基质，相较于油茶低产林改造剩余物（发酵后）混配的轻型基质，其质地较重不利于搬运，增加了上山造林的人工成本[8]，而以油茶低改剩余物混配的轻型基质具有取材来源广泛、质地轻利于搬运、节约生产成本等优势。但本研究只涉及到泥炭、珍珠岩、SAP 与油茶低产林改造剩余物（发酵后）的混配基质其保水保肥性以及育苗效果，与其他常见的基质材料如蛭石、椰糠等混配后保水保肥性以及育苗效果未知，需进一步研究。