滴灌施肥下施氮量和施氮頻率對毛白楊生物量及氮吸收的影響*

席本野 王 燁 賈黎明

(北京林業(yè)大學省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室 北京 100083)

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滴灌施肥下施氮量和施氮頻率對毛白楊生物量及氮吸收的影響*

席本野 王 燁 賈黎明

(北京林業(yè)大學省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室 北京 100083)

【目的】 為滴灌施肥下的毛白楊提供合理的氮(N)肥管理建議?！痉椒ā?以毛白楊(無性系B301)速生紙漿林(林齡3～5年)為研究對象，于2010—2012年研究施N量和施N頻率對毛白楊生物量積累和N吸收的影響。試驗設置為施N量 115(N115)，230(N230)和345(N345)kg·hm-2a-1和施N頻率[每年分4次施入(F4)和2次施入(F2)]所組成的6個滴灌施肥處理和1個只灌溉不施肥的對照處理(CK)。試驗期間，對林木生長、生物量積累、N吸收量和土壤養(yǎng)分進行測定?！窘Y果】 自然條件下，3～5年生毛白楊林地土壤的表觀礦化N量為23～42 kg·hm-2a-1，CK林分N吸收量約為60 kg·hm-2a-1，土壤供N量難以滿足高產林分的N吸收量。滴灌施肥能明顯促進毛白楊生長，其中，以施N量為115 kg·hm-2a-1、生長季內分4次施入處理(N115F4)最具生長優(yōu)勢，其2011和2012年林分總生物量分別達到33.9和45.5 t·hm-2，較CK分別顯著提高42%和49%(P< 0.05)。不同施N量水平對總生物量影響顯著， 2011年，N115處理總生物量顯著大于N230和N345處理(P< 0.05)； 2012年，N115顯著大于N345處理(P< 0.05)，略大于N230處理(P> 0.05)。施N頻率對生物量未產生明顯影響，但較高的施N頻率(F4)能提高林木年均N吸收量(P< 0.05)。用二次回歸方程擬合林分總生物量與施N量之間的關系，方程擬合效果較好(P< 0.01，R2=0.482)，由方程計算出最佳施N量為192 kg·hm-2a-1，其90%置信區(qū)間為148～236 kg·hm-2a-1。【結論】 滴灌施肥下，毛白楊人工林常規(guī)施N量(N345)并沒有帶來產量的增益效應，采用滴灌施肥技術能夠比常規(guī)施肥技術減少肥料用量。施肥頻率雖對產量沒有影響，但采用較高的施N頻率可提高林分的N吸收量，減少養(yǎng)分在土壤中的殘留。3～5年生毛白楊人工林進行滴灌施N肥時，建議施N量為192 kg·hm-2a-1，每年分4次施入土壤。

滴灌施肥； 三倍體毛白楊； 生物量； N吸收量

近年來，受農林業(yè)快速發(fā)展的影響，人類投入土壤層的氮(N)肥量倍增(Gruberetal., 2008)。據(jù)統(tǒng)計，全球每年施入土壤中的N肥量高達8 500萬～9 000萬t(Goodetal., 2004)，而植物僅能利用其中不足50%的N肥(Dobermann, 2015)。N肥過量施用造成的地下水污染和面源污染日益嚴重(Gruberetal., 2008)。因此，確定合理施肥量和采用先進的灌溉施肥技術提高水肥資源的利用效率，進而降低施肥引起的環(huán)境負面效應受到廣泛關注(李久生等, 2008)。滴灌施肥作為一種先進的灌溉施肥方式，具有將養(yǎng)分直接輸送到植物根區(qū)、易操作、效率高等特點，因而廣泛應用于農林業(yè)的集約栽培。

楊樹是全球溫帶地區(qū)重要的速生豐產林樹種(Dickmann, 2006)，相對于其他速生樹種，其對養(yǎng)分尤其是N營養(yǎng)元素有著更高的需求(Rennenbergetal., 2010)。因此，施N肥一直是提高楊樹人工林生產力的有效途徑之一(Colemanetal., 1988; Brownetal., 2005; Cooketal., 2005)。目前，滴灌施肥已普遍運用在國外楊樹苗木培育和人工林經(jīng)營管理中(Stanturfetal., 2001)，但是如何利用滴灌系統(tǒng)進行有效的N肥管理，最大化楊樹人工林的N肥利用效率和生產力的研究卻鮮有報道。此外，由于滴灌條件下，溶于水的養(yǎng)分易隨水流動，如果施肥策略選擇不當，不僅會浪費大量的肥料，造成經(jīng)濟損失，而且還會對環(huán)境產生負面影響(Castellanosetal., 2013)。因此，極有必要在大田條件下就楊樹人工林的滴灌施N肥策略開展系統(tǒng)研究。

國內外針對多種農作物和果樹開展的滴灌施肥技術研究表明，施肥量和施肥頻率是滴灌條件下2個重要的施肥技術參數(shù)(李久生等, 2008; Melgaretal., 2010)，應當在充分考慮土壤供N能力和植物養(yǎng)分需求特征(Brunoetal., 2011)的基礎上確定其數(shù)值的合理范圍。目前，針對楊樹人工林雖然已有不少傳統(tǒng)施肥方式(溝施、穴施、撒施等)下的施N技術參數(shù)(施肥量、施肥頻率)，但這些可能并不適用于滴灌施肥情景(Mornales-Silleroetal., 2010)，滴灌施肥能實現(xiàn)在施肥量降低的情況下不影響作物產量(Bhatetal., 2007)。此外，滴灌施肥雖然可以和灌溉的頻率一樣，但有研究顯示施肥次數(shù)與作物產量并不成正比，過高的施肥頻率還會增加成本, 如用工和能源投入等(Zotarellietal., 2009)。

毛白楊(Populustomentosa)是我國華北平原速生紙漿林建設的重要樹種，然而目前其平均生產力遠低于其潛在生產力(朱之悌等, 1995; 馬玉敏等, 2005; 張平冬等, 2009; 孫兆地等, 2012)。因此，可通過合理的養(yǎng)分管理來提高毛白楊人工林的生產力，本文對其滴灌施N肥策略開展系統(tǒng)研究。研究目標為： 1) 確定自然條件下林地土壤的表觀礦化N能力； 2) 明確不同施N量和施N頻率對毛白楊生物量積累和N吸收的影響； 3) 為滴灌下的毛白楊人工林提供合理的施N肥策略建議。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山東省聊城市高唐縣(36°58′N,116°14′E)，地處魯西北平原中部。該地區(qū)氣候為暖溫帶半干旱季風區(qū)域大陸性氣候，光照充足，熱量豐富。多年平均氣溫13.2 ℃，全年日照總時數(shù)2 651.9 h，無霜期191～217天。多年平均降雨量545 mm，降水主要集中于夏季7—8月，多年平均蒸發(fā)量2 249 mm。地下水埋深1～4 m。試驗地土壤的基本理化性質見表1。

表1 試驗地土壤基本物理和化學性質Tab.1 Soil basic physical and chemical characteristics at the experimental site

1.2 研究對象

本文研究對象為毛白楊速生紙漿林。林分總面積5 hm2， 2008年春季進行植苗造林，采用的苗木為三倍體毛白楊1年生根蘗苗(無性系B301)，平均地徑2 cm，苗高2.5 m。造林前對林地進行機械穴狀(直徑1.2 m，深1 m)整地，在穴底部施入復合肥(70 kg·hm-2)作為基肥，回填少量表土后栽植苗木。林木栽植采用寬窄行帶狀配置模式，寬行距8 m，窄行距和株距均為1.5 m，林分初植密度1 404 株·hm-2。2008年4月在試驗地內安裝地下滴灌系統(tǒng)，管道安裝方式為“兩行兩帶”式(每2行樹布設2條滴灌管)，滴灌管布設于寬行距樹60 cm處。滴灌管埋深20 cm，滴頭類型為迷宮式滴頭，滴頭間距50 cm，流量為2 L·h-1。于2010—2012年開展試驗，各試驗處理間林木的胸徑(DBH)(P=0.107)和樹高(H)(P=0.665)均無顯著差異。

1.3 試驗設計

研究選用施N量(NR)和施N頻率(NF)2個試驗因素。其中，NR設3個水平，分別為115(N115)、230(N230)和345(N345)kg·hm-2a-1； NF設2個水平，分別為在生長季內分4次(F4)和2次(F2)施肥，共計組成6個滴灌施肥處理。其中，N345和F2為三倍體毛白楊人工林施N肥時所采用的常規(guī)施肥量和施肥頻率(劉壽坡等, 1992; 劉克林, 2009)。另外，試驗設置1個只灌水不施肥的對照處理(CK)。試驗采用完全隨機區(qū)組設計，重復3次，每個區(qū)組包含7個試驗小區(qū)即7個試驗處理。每個重復小區(qū)包含3條林帶(每個林帶包含80株樹)，中間林帶用于林木生長測量，外側2條林帶作為試驗小區(qū)間的保護行。試驗所施肥料為配置好的尿素溶液(濃度為86 g N·L-1)，滴灌施肥采用比例施肥泵裝置，在滴灌系統(tǒng)控制首部以旁接方式安裝比例施肥泵(MixRite 2504, Tefen, Israel)，施肥時將配置好的尿素溶液置入大桶中，滴灌系統(tǒng)運行時，比例施肥泵將尿素溶液以5%的比例注入到管道中，隨滴灌管施入試驗小區(qū)。各處理在試驗期間的具體施肥時間區(qū)間和單次施肥量見表2。試驗期間，定期對林地噴灑除草劑以滅除競爭性雜草。此外，每年4—7月，每隔10天對所有處理灌溉1次，以避免因水分虧缺而使林木生長受到限制，灌水定額為20 mm，每年從雨季(7—8月)開始，林分不再額外進行灌溉，只對其按試驗設計進行滴灌施肥。

表2 不同滴灌施N肥處理下的單次施N量Tab.2 Single N application rates under different fertigation treatments

1.4 測定項目和方法

(1)

Nmine=植株N吸收量+土壤殘留Nmin-

土壤起始Nmin。

(2)

1.4.2 林木生長及生物量 2010年試驗開始前，于每個試驗小區(qū)內隨機選取樣樹30株，并依次編號標記。之后，在2010—2012年每年10月底，對所有樣樹的DBH和H進行調查。

生物量的采樣工作分別在2010，2011和2012年10月進行，其中2010年只在CK中進行取樣。由于取樣時各處理內林木長勢變異性較小(各處理內樣樹DBH和H的變異系數(shù)分別為5.5%～13%和6.3%～11%)，因此生物量調查采用平均標準木法(Fangetal., 2007)。取樣時，在每個試驗小區(qū)內選擇1株平均標準木進行整株采伐，然后在以樣樹為中心、長和寬均為1.5 m的正方形區(qū)域內進行根系取樣，取樣深度為60 cm。同時，由于10月時試驗林分已有部分葉片脫落，因此收集采伐樣樹平均生長空間(取樣面積為1.5 m×4.75 m)內的新落葉。樣樹采伐后，將樣樹地上部分器官按枝、葉和樹干分別進行稱量，將地下部分器官根系和根樁分別進行稱量。然后，采集不同器官的樣品帶回實驗室，在70 ℃條件下將樣品烘干至恒質量，測定樣品水分含量。據(jù)此對不同處理毛白楊的單株生物量進行計算，將其乘以林分密度得到各處理林地單位面積生物量。2010年在CK處理內采伐3株樣木， 2011和2012年每年在所有處理內共采伐21株樣樹，即試驗期間共計采伐樣樹45株。

1.4.3 林木N吸收量 將樣樹各個器官的樣品烘干后，用粉碎機進行粉碎并過40目篩，樣品消煮使用N、P聯(lián)合測定法。然后，用凱氏定氮法測定樣樹各組成部分的N含量。將樣樹各器官生物量乘以其N含量得到各器官總含N量，然后將各器官總含N量相加得到整株樣樹的含N總量，將其除以林齡最終得到樣樹的年平均N吸收量(ANU)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用二次回歸方程(3)對所有試驗處理小區(qū)的2011和2012年的平均生物量與施N量(N0, N115, N230, N345)之間的關系進行擬合，以計算最佳施N量(Xopt)。

Y=β0+β1X+β2X2+ε。

(3)

式中：Y為生物量(t·hm-2)；X為施N量(kg·hm-2a-1)；β0、β1和β2為方程參數(shù)； ε為隨機誤差。

當方程(3)的一階導數(shù)為0時即公式(4)和(5)，所對應的N肥施用量為最佳施N量(Xopt)，其對應的Y值為該施肥水平下林木所能獲取的最大生物量。

=β1+2β2X=0，

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Z為標準正態(tài)分布下一定置信水平(1-α)對應的橫坐標軸雙側臨界值，本研究選取的置信水平為0.9。

采用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件(v.18.0, SPSS Inc., Chicago IL, USA)對滴灌施肥下林木N吸收量和生物量的效應進行雙因素方差分析(Two-way ANOVA)。分析中，試驗因素分別為施N量和施N頻率，區(qū)組效應設為隨機因素。同一年份不同土層間以及同一土層不同年份間的土壤無機N總量的差異采用單因素方差分析(One-way ANOVA)進行比較。若試驗因素的不同水平間存在顯著差異，在0.05水平上選用Duncan檢驗方法進行多重比較。CK處理與各滴灌施肥處理間的試驗指標差異采用獨立樣本T檢驗進行比較。林分生物量與施N量之間的數(shù)量關系采用Origin軟件進行擬合，并對方程及各參數(shù)進行顯著性檢驗，同時計算方程各參數(shù)的方差。采用Excel 2010 繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 林地表觀礦化N量和林分N吸收量

2010—2012年，CK處理不同土層間無機N總量無顯著差異，但整體而言，其0～80 cm土層無機N總量呈逐年下降趨勢(P<0.05)，且主要是由0～60 cm土層中無機N總量的逐年降低而引起； CK處理土壤年表觀礦化N量變化范圍為23～42 kg·hm-2a-1，年際間變化較大(表3)； 同時，CK處理能從林地土壤中吸收的N素總量分別為64.5,66.5和60.8 kg·hm-2a-1，年際間變化并不明顯(P> 0.05)。

表3 2010—2012年CK處理土壤年無機N總量及表觀礦化N量①Tab.3 Annual total inorganic N and N mineralization during 2010—2012 under the CK treatment kg·hm-2

① 數(shù)據(jù)為平均值±標準誤。同年份不同小寫字母代表在0.05水平上差異顯著，檢驗方法為Duncan檢驗。同一土層不同大寫字母代表在0.05水平上差異顯著，檢驗方法為Duncan檢驗。Data are mean±SE.Different lowercase letters within columns indicate significant difference atP< 0.05, according to Duncan test.Different uppercase letters within rows indicate significant difference atP< 0.05, according to Duncan test.下同The same below.

滴灌施肥能提高毛白楊林分的N吸收量。平均來講，滴灌施肥處理的年平均N吸收量(ANU)在2011年(84.6 kg·hm-2a-1)和2012年(97.6 kg·hm-2a-1)分別較CK處理高出27.0%和60.4%。但僅是2011年的N115F4處理(P< 0.01)和2012年的N115F4、N115F2、N345F4處理(P< 0.05)的ANU與CK處理差異顯著或極顯著(圖1)。

圖1 2011和2012年不同處理年均N吸收量Fig.1 Average annual N uptake (ANU) of P. tomentosa under different treatments in 2011 and 2012圖中不同小寫字母代表不同滴灌施肥處理在0.05水平上差異顯著，檢驗方法為Duncan檢驗。*表示該處理與CK差異顯著(P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01)，檢驗方法為獨立樣本t檢驗。下同。Different lower case letters indicate significant difference among various fertigation treatments at P < 0.05, according to Duncan test.* and ** indicate significant difference between the CK and a N fertigation treatment at P<0.05 and P<0.01, respectively, according to independent t-test.The same below.

方差分析結果(表4)顯示， 2011年，施N量與施N頻率的交互作用能顯著影響林分的ANU。 N115F4處理的ANU顯著高于其余施肥處理，而其余施肥處理之間則無顯著差異(圖1)。即在高施N頻率(F4)下，N115水平的ANU顯著高于N230和N345，但該現(xiàn)象在低施肥頻率(F2)下并未出現(xiàn)。2012年，施肥量與施肥頻率均對ANU產生顯著影響(表4)，N115和F4水平分別顯著高于N230和 F2水平(圖2)。然而，與2011年不同，二者的交互作用并不明顯(P> 0.05)，但在所有施N量條件下，施N頻率的增加(F4)均能提高林分的N吸收量(圖1)。此外，在6個滴灌施肥處理中，N115F4處理的ANU在2011年顯著高出其他處理(P< 0.05)，但在2012年卻未達到顯著水平(P> 0.05)。

表4 2011和2012年施N量(NR)和施N頻率(NF)影響下毛白楊林分年均N吸收量方差分析①Tab.4 Analysis of variance of average annual N uptake(ANU) in P. tomentosa plantation as influenced by N application rate (NR) and frequency (NF) in 2011 and 2012

① NS表示無顯著差異(P> 0.05)。NS indicates no significant difference atP> 0.05.下同The same below.

2.2 林分生物量

圖2 2012年不同施N量和不同施N頻率處理下年均N吸收量(ANU)Fig.2 Average annual N uptake (ANU) of P. tomentosa under different N application rate and frequency treatments in 2012

試驗期間，滴灌施肥對林分地下部分生物量(BM)未產生顯著作用，但能明顯影響林分地上部分(AM)和總生物量(TM)(表5，圖3)。2011年，滴灌施肥處理平均AM和TM分別比CK增加23%和21%，但僅N115F4處理與CK的差異達到顯著水平，其AM(30.5 t·hm-2)和TM(33.9 t·hm-2)分別比CK高出47%和42%(P< 0.05)(圖3)。2012年，滴灌施肥處理AM和TM分別比CK平均高出44%和34%，而且?guī)缀跛惺┓侍幚砼cCK的差異均達到顯著水平(P< 0.05)(N345F2的總生物量除外)(圖3)。

施N量、施N頻率以及二者的交互作用在試驗期間均未對林分的BM產生顯著影響，施N頻率也未對林分的AM和TM產生明顯作用(表5)。但是， 2011年，施N量顯著影響林分的TM，N115的TM較N230和N345顯著提高20.2%(P< 0.05)和15.1%(P< 0.05)(圖4)； 施N量和施N頻率的交互作用則顯著影響林分的AM(P< 0.05)，其中，N115F4處理顯著高于其余滴灌施肥處理(圖3)。2012年，林分AM和TM則僅受施N量的顯著影響(表5)，N115的AM和TM顯著高于N345處理(P< 0.05)，略高于N230處理(P> 0.05)(圖4)。此外，不同滴灌施肥處理之間，N115F4的AM和TM始終處于最高水平(圖3)。

2.3 最佳施N量

為求得滴灌施肥下毛白楊林分的最佳施N量及其置信區(qū)間，分別以2011和2012年的平均林分AM和TM為響應變量，以施N量水平(N0、N115、N230和N345)為自變量，建立林分生物量與施N量的回歸方程。毛白楊AM和TM與施N量間的變化關系相似，方程決定系數(shù)(R2)分別達到0.486和0.482，方程回歸關系極顯著(P< 0.01)； 同時，對擬合方程各參數(shù)的檢驗也達到極顯著水平(P< 0.01)，因此擬合效果較好(圖5)。利用擬合的方程對最佳施N量進行估計，得到施N量分別為194和192 kg·hm-2a-1時，毛白楊林分AM和TM分別達到最大值，其對應90%的置信區(qū)間分別為151～238和148～236 kg·hm-2a-1。

表5 2011和2012年施N量(NR)和施N頻率(NF)影響下毛白楊林分各部分生物量方差分析Tab.5 Analysis of variance of aboveground, belowground and total biomass in P. tomentosa plantation as influenced by N application rate (NR) and frequency(NF) in 2011 and 2012 t·hm-2

圖3 2011和2012年不同處理林分地上部分生物量和總生物量Fig.3 Aboveground and total biomass of different treatments in 2011 and 2012

圖4 不同施N量處理下林分2011年總生物量(TM)和2012年總生物量與地上部分生物量(AM)Fig.4 Total biomass in 2011, and total and aboveground biomass in 2012 under different N application rate treatments

圖5 毛白楊林分地上部分生物量和總生物量與施N量間的關系Fig.5 Total biomass and aboveground biomass as a function of N application rates

3 討論

3.1 滴灌施肥對毛白楊林分生產力的影響

滴灌施N肥可明顯促進林木生長，試驗期間，滴灌施肥不同處理林分的地上部分生物量和總生物量較CK均有不同程度的增加(圖3)。其中，N115F4處理的生長優(yōu)勢最為明顯且與對照差異達到顯著水平，該處理5年生毛白楊林分的總生物量達到45.5 t·hm-2，即年均生產力約為9.1 t·hm-2，接近該栽培區(qū)12年生毛白楊的年均生產力(Liangetal., 2006)。然而，CK處理5年生毛白楊林分的總生物量僅為30.6 t·hm-2(年均生產力約為6.1 t·hm-2)。由此可見，滴灌施N肥是提高和保持毛白楊人工林生產力的高效集約經(jīng)營措施。研究表明，楊樹人工林生物量受品種因素影響較大(Labrecqueetal., 2005)，而且短輪伐期的楊樹在1～10年生時其林分生產力會迅速增長，但在10年生以后則開始迅速下降(Weih, 2004)。相關研究結果(Labrecqueetal., 2003; Bungartetal., 2004; Coyleetal., 2005)顯示，在歐洲和北美(美國、加拿大)等地，不同品系的楊樹人工林在3～12年生時的年均生產力為3.1～30 t·hm-2，而經(jīng)過集約經(jīng)營管理的楊樹人工林的年均生產力可達10 t·hm-2(Zalesnyetal., 2012)。在我國，3～10年生的楊樹人工林年均生產力為1.3～15 t·hm-2，長期施肥條件下的歐美楊人工林在5年生時年均生產力約為7.6 t·hm-2(Fangetal., 2007; Liangetal., 2006; Maoetal., 2010)。對比已有的數(shù)據(jù)可知，毛白楊優(yōu)勢明顯，其生物量與林齡相近的歐美楊(我國北方廣泛栽植的楊樹品種)相當。因此，作為以收獲生物量為主要經(jīng)營目的的速生豐產樹種，毛白楊發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

3.2 施N量和施N頻率對林分生長的影響

本研究結果顯示，滴灌施肥條件下，施N量對毛白楊林分地下部分生物量影響不大，但是能顯著影響林分地上部分和總生物量(表5，圖4)。當施N量為115 kg·hm-2a-1時(N115)，林分地上部分和總生物量在2011和2012年始終高于或顯著高于較高的施N量處理(N230和N345)，即高施N量并沒有帶來更高的產量收益。在采用傳統(tǒng)施肥技術時，李素艷(2008)建議，對于不灌溉條件下的3～4年生的毛白楊林分，350 kg·hm-2a-1為其適宜的施N量； 漫灌條件下，任忠秀等(2012)通過建立施肥模型得出3～6年生不同無性系毛白楊人工林最適宜的施N量范圍為380～500 kg·hm-2a-1。與這些傳統(tǒng)施肥技術相比，本研究結果顯示滴灌施肥可以在大幅度減少肥料用量的情況下提高毛白楊林分的生物量，此外，這也證實了傳統(tǒng)施肥技術下的常規(guī)施肥量并不能直接應用于滴灌施肥情景。類似的研究結果也曾出現(xiàn)在其他滴灌施肥研究中。例如，Lee等(2005)在滴灌條件下，研究了N肥施用量對美洲黑楊(P.deltoides)人工林生長的作用規(guī)律，發(fā)現(xiàn)美洲黑楊林分的材積生長量只對較低的施N量(56 kg·hm-2a-1)有正響應，與對照相比，較高的施N量(112和224 kg·hm-2a-1)并沒有帶來林分材積生長量的明顯提高； Hochmuth等(2011)于美國佛羅里達州針對番茄(Lycopersiconesculentum)的多個滴灌施肥試驗結果進行了總結，發(fā)現(xiàn)如果N肥施用量高于當?shù)赝扑]的施肥量時(227 kg·hm-2a-1)，其產量不會再隨著施肥量的增加而提高； 此外，也曾研究發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)的水肥管理模式，滴灌施肥可在減少80%的肥料用量的條件下還能使番茄產量顯著提高(樊兆博等, 2011)。

在試驗基礎上，為進一步明確最佳施肥量，常采用二次回歸方程擬合作物產量與施肥量之間的關系，進而由方程參數(shù)計算出最佳施肥量(Jaynes, 2011)。然而，由實測數(shù)據(jù)擬合出來的方程參數(shù)只是其真值的估計值，所以，由方程獲得的最佳施肥量也會有一定的偏差。這主要是因為二次回歸方程最重要的特點是其圖形就極值(最大產量)來說是精確對稱的，而這種條件在田間試驗條件下難以實現(xiàn)，因此很多研究所估計出的最佳施肥量都會有偏差(Scharfetal., 2005; Bachmaieretal., 2012)。同樣，本研究中由方程估計得到的最佳施N量與試驗所得出的最佳施肥處理施N量(115 kg·hm-2a-1)間也有一定偏差。近些年來，生物統(tǒng)計學家們認為，在計算出最佳施肥量后，應進一步計算其置信區(qū)間(Hirschbergetal., 2004; Jaynes, 2011)。這是因為置信區(qū)間有2個輔助作用： 第一，從統(tǒng)計學角度來說，置信區(qū)間的寬度能較合理地表征最佳施肥量的可信度和趨真性(Hirschbergetal., 2004)，如果置信區(qū)間的寬度過大(如0～300 kg)，則由方程計算出的最佳施肥量的可信度和真實性較低； 第二，從生態(tài)學角度來說，相比估計出來的最佳施肥量，置信區(qū)間能為進一步的施肥研究和養(yǎng)分管理決策提供更合理的參考依據(jù)(Bachmaier, 2012)。本研究得出的最大化林分總生物量的最佳施N量的置信區(qū)間為148～236 kg·hm-2a-1，然而要形成廣泛適用的毛白楊N肥管理技術還需在此基礎上進一步驗證，包括在不同立地條件下開展試驗、設置更為合理的施N量水平和進一步縮小置信區(qū)間范圍等。

目前，關于滴灌施肥頻率對楊樹人工林生長的研究較少。本研究結果顯示，在滴灌條件下，施肥頻率并未對毛白楊林分的生物量產生明顯影響，在生長季內分4次和分2次施入N肥，林分產量并沒有出現(xiàn)顯著差異(表5)。有學者曾建議，采用滴灌系統(tǒng)進行隨水施肥時，施肥可像灌溉那樣以高頻率施入，這種多次少量的施肥方法能協(xié)調植物生長需求與土壤養(yǎng)分供給間的同步性，進而促進植物生長和增加產量(Assouline, 2002)。但是，關于“肥料施用頻率能否明顯促進植物生長”長期以來存在爭議。例如，與本研究結果相似，在常規(guī)施肥條件下，Johnson等(1988)發(fā)現(xiàn)一次性施入N肥和分成4次施入對北美鵝掌楸(Liriodendrontulipifera)和火炬松(Pinustaeda)的生長并未產生不同影響； Thompson等(2003) 研究發(fā)現(xiàn)，滴灌施肥下，當施N肥的間隔期分別為1天、1周、2周和1個月時，施N量僅對西蘭花(Brassicaoleraceavar.italica)的產量產生明顯影響。然而，與此不同，Bhat等(2007)通過研究不同滴灌施肥頻率對檳榔(Arecacatechu)產量的作用規(guī)律發(fā)現(xiàn)，當施肥間隔期為10和20天時，檳榔的產量無明顯變化，但是當施肥間隔期增加至30天時，其產量卻顯著低于前2種試驗處理。而且，也有研究發(fā)現(xiàn)，提高施肥頻率主要是促進植物對N的吸收，進而顯著提高植物產量(Silberetal., 2003)。上述研究結果的差異可能是因物種、土壤或氣候條件的不同而造成，例如，當土壤質地較細時(壤質沙土)，作物通常對滴灌施肥頻率不敏感，但當土壤質地較粗時，作物則常受到滴灌施肥頻率的明顯影響(Thompsonetal., 2003)。

3.3 施N量和施N頻率對林分N吸收量的影響

Heilman等(1998)綜述了楊樹林分的養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律與施肥管理，發(fā)現(xiàn)4年生楊樹N素吸收量為95～240 kg·hm-2a-1。Coleman等(2004)的研究結果顯示，在不進行任何施肥的條件下，美洲黑楊林分的N素吸收量約為42 kg·hm-2a-1，而對于施肥處理下的林分，其N素吸收量可增加到80 kg·hm-2a-1。與這些研究結果相似，本研究滴灌施肥處理下4，5年生毛白楊林分的N吸收量平均為84.5和95.9 kg·hm-2a-1，最高分別可達118.8和122.0 kg·hm-2a-1。然而，自然生長條件下(CK)，3，4，5年生毛白楊人工林林地土壤供給林木生長的無機N和表觀礦化N量約為60 kg·hm-2a-1(表3，圖1)，土壤供N量難以滿足達到高產時的N吸收量。這也進一步證明對毛白楊人工林實施N肥管理的必要性。此外，本文研究結果也表明，現(xiàn)有的傳統(tǒng)施N量(350 kg·hm-2a-1)遠遠高于毛白楊林分對N素的年均吸收量，本研究中出現(xiàn)的毛白楊林分的最高N吸收量僅為122 kg·hm-2a-1(圖1)。

滴灌施肥頻率雖然未對毛白楊林分的生物量產生明顯效應，但是施N量和施N頻率卻均能對其N吸收產生顯著影響。在較低的施N量條件下采用較高的頻率(N115F4)進行滴灌施肥，能明顯提高毛白楊林分的N吸收量(表4，圖1)，這對于改善毛白楊營養(yǎng)狀況、增加后續(xù)林木養(yǎng)分的內循環(huán)以及進一步促進林木生長有利。與本研究結果相似，Thompson等(2003)發(fā)現(xiàn)在滴灌條件下，施肥頻率和施肥量的交互作用能對西蘭花的N吸收量產生明顯影響，而只有在低施N量水平下施肥頻率才起作用。這些結果表明，施肥頻率也是滴灌施肥的一個關鍵技術參數(shù)，因為其能對植物的N吸收產生明顯影響。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，當施肥量從87 kg·hm-2a-1增加至393 kg·hm-2a-1時，其養(yǎng)分流失比例會從8%增加至48%(Dasbergetal., 1984)。因此，可以推斷，N230和N345處理下毛白楊林分的N吸收量之所以低于N115處理，可能是因為施肥量增加時林地出現(xiàn)更多的養(yǎng)分流失。

4 結論

自然條件下，毛白楊林地土壤的N素供給能力(無機N和表觀礦化N)遠不能滿足其最優(yōu)生長的養(yǎng)分需求，因此對毛白楊林分實施N肥管理極為必要。通過滴灌施肥能明顯提高毛白楊林分的生物量積累和N吸收量，但是較高的傳統(tǒng)施肥量(350 kg·hm-2a-1)并不能帶來產量增益。施N頻率對毛白楊林分生物量的積累沒有明顯作用，但是較高的施N頻率能夠提高林分的N吸收量。利用生物量與施N量之間的回歸模型，得到試驗條件下能使毛白楊林分總生物量最大化的最佳施N量為192 kg·hm-2a-1，其90%的置信區(qū)間為148～236 kg·hm-2a-1，建議在實際應用中每年分4次將N肥施入土壤。

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(責任編輯 王艷娜 郭廣榮)

Effects of Nitrogen Application Rate and Frequency on Biomass Accumulation and Nitrogen Uptake ofPopulustomentosaunder Drip Fertigation

Xi Benye Wang Ye Jia Liming

(Key Laboratory of Silviculture and Conservation of Ministry of Education, Beijing Forestry University Beijing 100083)

【Objective】This study aimed to provide recommendations for N fertilizer management ofPopulustomentosaunder drip fertigation. 【Method】 A field experiment was conducted in 2010-2012 (stand age of 3-5 years) to investigate the effects of nitrogen rate (NR) and application frequency (NF) on biomass accumulation and N uptake ofP.tomentosa(clone B301) in a fast-growing pulp plantation. The experiment included six N fertigation treatments, which were a factorial combinations of three NR (115(N115), 230(N230) and 345(N345) kg·hm-2a-1) and two NF (two (F2) or four (F4) times per year). A control treatment (0 N with irrigation, CK) was also included in the experiment. Diameter at breast height, height, biomass, N uptake and soil N were measured periodically during the experiment. 【Result】 Under natural condition (ambient environment), the soil N supply capacity (includes apparent N mineralization (23-42 kg·hm-2a-1in theP.tomentosaplantation of age 3-5) and soil inorganic N) could not provideP.tomentosawith adequate nutrient for optimal growth. The amount of apparent N mineralization was 23-42 kg·hm-2a-1in the plantation of age 3-5. The trees in CK incorporated nearly 60 kg·hm-2a-1from soil N sources, which could not maintain a high level of yield ofP.tomentosaplantation. N fertigation showed a positive effect on tree growth, and especially trees under the N115F4treatment had the highest growth rate. Total biomass (TM) in the N115F4treatment reached 33.9 and 45.5 t·hm-2in 2011 and 2012, respectively, which were 42% and 49% significantly higher than that in CK (P< 0.05), respectively. Variance in NR could significantly affect the TM of stand. In 2011, the TM under N115was significantly higher than that under N230and N345(P<0.05), while in 2012 it was significantly higher than N345(P<0.05) and not significantly higher than N230(P>0.05). NF showed almost no effect on biomass accumulation, but higher NF (F4) resulted in significantly higher average annual N uptake (P<0.05). The relationship between total biomass and NR could be well fitted (P<0.01,R2=0.482) with the quadratic regression equation. The optimal NR calculated from the equation was 192 kg·hm-2a-1, and its 90% confidence interval was 148-236 kg·hm-2a-1. 【Conclusion】 To sum up, under drip fertigation, the traditional NR (N345) inP.tomentosaplantation did not bring biomass yield benefits, and adopting drip fertigation technique could decrease the fertilizer application rate relative to the traditional fertilization technique. NF had no effect on biomass, but higher NF could be applied to increase N uptake. Thus, when apply N fertigation to 3-5 years oldP.tomentosaplantation under drip irrigation, the recommended NR is 192 kg·hm-2a-1, which should be applied in four times within a year.

fertigation;Populustomentosa; biomass; N uptake

10.11707/j.1001-7488.20170508

2016-03-14；

2016-05-25。

“十二五”國家科技支撐計劃資助(2015BAD09B02)； 國家自然科學基金項目(31400532;31670625)； 中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目(BLX2013018)。

S753.53

A

1001-7488(2017)05-0063-11

* 賈黎明為通訊作者。