林业论文

配方施肥对杉木近熟林大径材材种结构的影响

2021-03-25 09:19:04 xueshulunwen 0

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摘要:为探究不同配方施肥对杉木人工林大径材生长的影响,筛选杉木大径材培育的最佳施肥配方与施肥量,以24年生杉木人工林为研究对象,选用“3414”不完全处理(钾固定)、测土配方、测树配方以及微量元素平衡配方在内的12种施肥处理,分析比较不同施肥处理下杉木人工林的径阶结构、大径材出材量和出材率。结果表明:施肥4a后,测土配方(处理10)处理下,杉木人工林大径材株数占比最高,达总株数的53.33%;处理10的大径材出材量的增长量也最高,达199.64m·3hm-2,比对照(处理1)高63.77%;处理10和处理8的大径材出材率及其增长量均高于其他处理,处理10的出材率最高开放科学标识码(OSID码)(70.65%),处理8的出材率增长量最高(17.28%)。处理10即氮、磷、钾肥的施用量分别为140、500和60g·株-1时,对试验区的杉木近熟林大径材培育效果最佳;林地施肥后,肥效发挥需要一定时间,因此,短期内各处理间的大径材出材量和出材率均无显著差异;从大径材定向培育效果来看,处理8是仅次于处理10的较优施肥方案,表明浓度较高的氮肥和浓度适中的磷肥配合施用是促进杉木近熟林大径材培育的有效手段。


  关键词:配方施肥;杉木人工林;近熟林;大径材;出材率;定向培育


  杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.]大径材是指单株树高2.5m处去皮直径达到22cm径级以上、直径范围[21,23)cm,或带皮直径达到26cm径级、直径范围[25,27)cm及以上的杉木[1]。我国杉木人工林种植面积大,但受经营措施和过分追求速生丰产的影响,杉木市场呈现以小径材为主、大径材极少的现象。随着社会发展,市场对林木质量要求不断提高,对杉木大径材产品的需求更加旺盛。因此,杉木人工林大径材定向培育及相关研究已成为我国林业关注的热点,在社会、经济及生态等层面上均具有重要意义[2-4]。


  木材论文范例:木材干燥窑含水率检测系统设计


  目前,我国人工林培育呈现向丰产、稳定和优质发展的趋势,主要以杉木、桉树[Eucalyptusspp.]和落叶松[Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen.]等树种为主。杉木是我国主要用材树种之一,具备速生、高产和材质优良等特性,人工林面积达8.95×106hm2,占我国人工林面积的30%以上[5]。然而,杉木自肥能力差,耗肥量大的特性导致杉木林在生长阶段需要配合施用肥料来促进生长,缩短生长周期和提高林木质量[6]。杉木作为人工林的主要树种,大径材出材量和出材率一直相对较低,而相关研究主要是围绕杉木人工林林分密度、混交和间伐方式等对林分生长、林下植被和土壤理化性质的影响等方面开展的[7-10]。


  如张勇强等[8]研究发现,林分密度对杉木人工林林下物种多样性和土壤养分积量具有显著影响,林分初植密度为6667株·hm-2时,林下物种多样性和土壤养分可保持较高水平;马祥庆等[9]研究发现,混交林分内种间生态位分化会引起林木个体大小的差异,所以杉木拟赤杨混交林分的平均生产力要比杉木纯林高23.7%;邱勇斌等[10]研究发现,强度间伐(37%的间伐强度)下的杉木人工林地表凋落物和林木细根生物量要显著低于未间伐处理,林下植被生物量会显著高于未间伐处理,而中度间伐(20%的间伐强度)与未间伐处理相比3项指标均无显著差异。关于施肥处理对杉木大径材出材量及出材率的影响还鲜有报道。鉴于此,本研究拟通过对杉木人工林近熟林进行不同配方施肥处理,研究施肥处理后杉木人工林的生长效果,探索配方施肥对杉木人工林林分生长、大径材材种出材量和出材率的影响规律,旨在为杉木人工林大径材培育及科学经营提供参考。


  1研究区概况与研究方法


  1.1研究区概况


  研究区位于福建省三明市福建农林大学莘口教学林场(118°10'E,26°40'N),属于亚热带季风气候,四季分明,雨热充足,年平均气温19℃,年平均降水量1749mm,年平均相对湿度82%[11]。试验地杉木人工林2015年的林分密度约1225株·hm-2,林龄24a(1991年造林),平均胸径21.60cm,平均树高20.06m,总材积量达12717m·3hm-2,其中大径材约占49.16%,地位指数18,立地条件、经营措施和经营状况相对一致。试验地是典型的红壤(粉砂岩发育而来)丘陵山地,位于沙溪河口坳陷地段,海拔150~210m。


  土壤基本理化性质为:容重1.14g·cm-3,总孔隙度54.72%,含水率33.55%,pH值4.20,全氮含量1.97g·kg-1,全磷含量0.69g·kg-1,全钾含量24.57g·kg-1,有效磷含量2.55mg·kg-1,有机质含量31.36g·kg-1,土层厚度大于1m,腐殖质含量较高。林下植被以杜茎山[Maesajaponica(Thunb.)Moritzi]、粗叶榕[FicussimplicissimaLour.]、箬竹[Indocalamustessellatus(Munro)Kengf.]、华山姜[Alpiniachinensis(Retz.)Rosc.]和金毛狗[Cibotiumbarometz(L.)J.Sm.]等为主[12]。


  1.2试验设计


  试验采用“3414”不完全处理[钾(K)固定]、测土配方、测树配方以及微量元素平衡配方,共12种施肥配方进行处理,每个处理3次重复,共设置36块样地,每块样地为10m×10m(每块样地有10~13株杉木),并采用完全随机区组设计进行施肥处理。“3414”不完全处理是在“3414”完全配方的基础上布置3种元素[氮(N)、磷(P)、钾(K)]、4个水平(分别编号0、1、2、3),其中N2、P2、K2为正常浓度,即含N、P和K三种营养元素的肥料分别施用300、800和200g·株-1,其余分别为各元素的低浓度(0水平为不施,1水平为正常施用量的1/2)和高浓度(3水平为正常施用量的3/2)处理,依据南方酸性土壤养分状况,选择将K元素固定而确立的9种处理;测土配方和测树配方是依据当地土壤测试结果[12]、杉木营养特性研究[13]确定的;微量元素平衡配方是在正常N、P、K浓度水平下,加入硼(B)和锌(Zn)两种微量元素的处理。N、P、K、B和Zn元素的营养试验,选用的肥料分别为尿素(N的质量分数为46%)、过磷酸钙(P2O5的质量分数为12%)、氯化钾(K2O的质量分数为60%)、硼酸(有效B的质量分数为11%)和乙二胺四乙酸锌钠盐(Zn的质量分数为15%)。


  在施肥前对各处理样地进行每木检尺,包括单木定位、编号,调查胸径、树高,2015年3月进行首次施肥处理,2018年3月进行二次追肥处理,每次施肥用量相同。在距树基1.00m的上方挖沟施加,每条沟长1.20m,深0.15m。每个样方四周间隔2.00~3.00m,作为处理间的缓冲带。同时,在2016—2019年每年的12月份使用围径尺和测高仪对各处理样地内的杉木进行胸径和树高测量。


  1.3数据处理


  单株材积和径级材积采用参考文献[14]的方法计算,计算公式如下:v=0.000058777042D1.9699831H0.89646157(1)式中:v表示单株材积(m3);D表示单株胸径(cm);H为单株树高(m)。Vi=viNi(2)式中:Vi表示第i径级总材积(m3);vi表示第i径级的单株材积;Ni表示第i径级总株数。依据林分立木材种,以径级大小为区分标准,并按照表2所示比例,分别计算各径阶立木出材量,再根据材种类型进行归并[15-17]。


  规格材原条材种出材量计算公式如下:V规=3.60243758×10-5D1.94752076H1.00793769(2)式中:V规表示规格材原条材种出材量(m3);D表示单株胸径(cm);H表示单株树高(m)。采用Excel2010软件进行数据统计整理和制图,用SPSS23软件对杉木大径材出材量和出材率进行协方差分析,对其增量选用单因素方差分析,并通过成对比较和多重比较进行两两差异显著性检验。数据分析时,试验期间的死亡树木不计入统计结果。


  2结果与分析


  2.1配方施肥对杉木人工林径阶结构的影响


  不同配方施肥处理杉木的径阶株数分布情况。比较施肥前与施肥处理4a后杉木人工林的径阶株数分布情况可以发现,施肥前,每块待处理样地的林分胸径径级主要集中在18~24cm,处理2和处理11的中径阶(18~24cm)林木在总株数中的占比明显高于其他待处理林分,分别为73.53%和66.67%,而其余待处理样地的中径阶林木占41.67%~58.97%,表明处理2和处理11林分的大径材培育潜力较大。各林分均以中径阶林木为主,大径阶(≥26cm)和小径阶(≤16cm)林木在总株数中的占比较小。


  配方施肥4a后,各处理样地的大径阶林木在总株数中的占比明显增大,小径阶林木明显减少,除处理10外,其余处理的林分仍以中径阶林木为主。与施肥前相比,施肥处理4a后,处理2、处理10和处理8的大径阶林木分别增加了20.60%、19.98%和16.66%,增量明显高于其他处理,表明大径材定向培育效果显著。


  2.2配方施肥对杉木人工林大径材出材量的影响


  比较不同施肥处理对杉木人工林大径材出材量和出材量增长量的影响。配方施肥后4a内,随着施肥次数增加和时间的延长,处理10、处理8和处理9对大径材出材量的影响显著,处理8和处理10对大径材出材量增长量影响显著。施肥处理1a后,大径材增长量为18.18~37.29m·3hm-2,其中,处理9的大径材出材量增长量最高,处理7最低,两者大径材出材量及其增长量均存在显著差异,其余处理间的大径材出材量及其增长量均无显著性差异。施肥处理2a后,各处理大径材增长量为34.15~74.03m·3hm-2,其中处理10、处理8和处理9的大径材增长量高于处理1(CK),但无显著差异。


  施肥处理3a后大径材增长量为56.26~126.05m·3hm-2,各处理施肥效果凸显,除处理2、4、7和11外,其余处理的大径材增长量高于处理1,其中,处理8、9和10的大径材增长量显著高于处理1,大径材出材量也显著高于处理1。施肥处理4a后大径材增长量为96.84~199.64m·3hm-2,各施肥处理大径材增长量变化差异增大,处理8和处理10的大径材出材量显著高于处理1,处理9的大径材出材量也明显大于处理1,但消除本底数据的影响后,协方差分析结果表明两者差异并不显著;处理10、处理8和处理9大径材增长量显著高于处理1,分别比处理1高出77.74、45.66和40.35m·3hm-2,其余处理的大径材增长量与处理1相比均无显著性差异。


  2.3配方施肥对杉木人工林大径材出材率的影响


  比较不同施肥处理对杉木人工林大径材出材率和出材率增长量的影响。施肥处理1a后大径材出材率的增长量为1.29%~4.25%,各处理的大径材出材率的增长量无显著差异,处理10的大径材出材率显著高于处理6,其余处理的大径材出材率无显著差异。施肥处理2a后大径材出材率的增长量为1.60%~9.26%,其中处理10和处理8的出材率增长量高于处理1,其余处理增长较慢,处理6、处理7和处理12的大径材出材率显著低于处理1。


  施肥处理3a后大径材出材率的增长量为2.50%~14.94%,除处理5、6和7外,其余处理的大径材出材率增长量均高于处理1,其中,处理8显著高于处理1,处理8和处理10的大径材出材率显著高于处理1。施肥处理4a后大径材出材率的增长量为6.07%~17.28%,处理8的大径材出材率的增长量最大,各处理间大径材出材率的差异性减小,处理10的大径材出材率最高。


  3讨论与结论


  施肥是提高林木生长量的有效手段,但不合理施肥不仅会造成肥料浪费而且还会导致环境污染[17]。与传统施肥方法相比,测土配方施肥更加强调因地制宜,在水稻(OryzasativaL.)、小麦(Triticum aestivumL.)、玉米(ZeamaysL.)和大豆[Glycinemax(L.)Merr.]等的研究中增产显著且肥料利用率更高[18]。同时,测土配方施肥在油茶(Camelliaspp.)、杨树(PopulusL.)、桉树(Eucalyptusspp.)以及各种果树[19-22]等林木的研究中也取得了良好成效。配方施肥对改善杉木人工林样地内大径材径阶株数分布状况和提高大径材出材量及出材率具有显著效果,不同施肥处理下各项指标的数值均有提高,处理10、处理8和处理9大径材株数占比最高且显著高于其他处理,处理10和处理8的大径材出材量及其增长量显著高于其他处理,处理10大径材出材率最高,处理8出材率增长量最大。


  综上所述,测土配方(处理10)即N、P、K施用量分别为140、500、60g·株-1,对于样地内杉木近熟林大径材培育效果最佳,这与刘跃钧等[23]的研究结果一致,且相对于出材量与出材率也很高的处理8来说,测土配方的N、P肥施用量较少但大径材培育效果更显著,肥料利用率更高。处理9的大径材出材率和出材量均显著高于处理1,这可能是由于其N、P浓度与测土配方处理10接近所导致的。对测土施肥配方的进一步精准化研究有很大的参考意义,但对于测土施肥配方是否为所有近熟龄杉木人工林大径材培育的最优配方,还需要对不同区域、不同立地条件的样地进行进一步试验。


  谌红辉等[24]在对马尾松(PinusmassonianaLamb.)人工林的研究中发现,施肥一定时间后林地质量仍是影响林木生长的关键因子。为消除初始林分胸径树高的影响,本研究在对杉木大径材出材量和出材率的差异显著性分析中采用了协方差分析,结果发现,2016和2017年各处理间大径材出材量和出材率差异较小,且各部分处理增长量还略低于处理1,这可能由于处理1林地质量较好,导致还未发挥肥效时,处理1的林木生长优于其他处理,表明在施肥后1~3a,施肥对大径材的培育效果不显著,这与叶功富等[25]和唐隆校等[26]的研究结果一致;在经过4a两次施肥后,2018年,大部分处理的大径材出材量增长量和出材率增长量高于处理1,其中处理10、处理8和处理9出材量和出材率与处理1相比均有显著性差异,表明施肥后需经过一定时间才能发挥肥效。


  2019年,处理10和处理8大径材出材量仍显著高于处理1,而出材率差异不显著,这可能是由于前期原有的中径材已向大径材转变,而后期小径材和略小的中径材生长较慢,导致大径材出材率增长较慢而差异减小。南方土壤中N、P元素的缺乏限制了我国南方人工林的生长[27],而近熟林对N、P的需求量依旧很大,施加氮肥能有效促进近熟林的材积增长[28-29]。


  本研究中,大径材出材率增长量最高出现在高氮施肥处理8即N3P2K2,该处理的大径材出材增长量排第二,大径材株数占比也较高,对大径材培育也有较好的效果。处理8在施肥4a后,与P、K浓度一致但N浓度相对较低的处理2(N0P2K2)、处理3(N1P2K2)和处理6(N2P2K2)相比,出材量增长量分别多67.70%、42.67%和27.66%,出材率增长量分别多44.24%、79.25%和108.90%,表明较高浓度的氮肥对杉木近熟林大径材的培育有促进作用,董健等[30]对日本落叶松的研究中也得到类似的结果。


  N、K水平一致,施P浓度各异的施肥配方处理4(N2P0K2)、处理5(N2P1K2)、处理6(N2P2K2)和处理7(N2P3K2)出材量与出材率增长量均无显著性差异,表明正常N、K水平下施加P肥对杉木近熟林大径材培育的作用并不显著,但配合较高浓度的N肥(如处理8)效果会变突出,所以N、P配施更有益于杉木大径材的培育,这与俞有志等[31]的研究结果一致。该试验区的杉木人工林在2018年以后达到成熟龄,继续对该区进行追肥处理与调查研究,可进一步探究各施肥处理的差异性效果以及各施肥处理对成熟林的影响状况,对筛选出大径材培育的科学施肥配方具有重要意义。


  参考文献


  [1]盛炜彤,惠刚盈,张守攻,等.杉木人工林优化栽培模式[M].北京:中国科学技术出版社,2004.


  [2]许冠军,郑宏,林开敏,等.间伐密度管理模式对杉木大径材生长的影响[J].福建农林大学学报(自然科学版),2019,48(6):753-759.


  [3]WUCP,JIANGB,YUANWG,etal.Onthemanagementoflarge-diametertreesinChina'sforests[J].Forests,2020,11(1):111.


  [4]LUTZJA,VANWAGTENDONKJW,FRANKLINJF.Twentieth-centurydeclineoflarge-diametertreesinYosemiteNationalPark,California,USA[J].ForestEcologyandManagement,2009,257(11):2296-2307.


  作者:任衍敏1,2,陈敏健1,2,李惠通1,2,侯政杰1,2,刘雨辉3,刘爱琴1,2


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