基于正交試驗的華北落葉松采伐剩余物處理方式優(yōu)選

孫啟越，姚丹陽，李秀麗，賈忠奎，劉瑞雪，梁 琪

(1.北京林業(yè)大學(xué)省部共建森林培育學(xué)科與保護(hù)重點實驗室，北京100083；2.河北省塞罕壩機械林場，河北圍場068466)

人工林的不合理經(jīng)營會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分下降，引發(fā)地力衰退，制約其生產(chǎn)力的發(fā)展.造林與采伐更新中采伐剩余物的處理是森林經(jīng)營中的一個普遍性問題，如何高效地利用剩余物，促進(jìn)養(yǎng)分歸還，提高土壤肥力，改善林木生長狀況，保持森林生產(chǎn)力是當(dāng)前人工林研究的重點[1-2].目前在生產(chǎn)實踐中多以平鋪、清除、火燒等傳統(tǒng)方法對采伐剩余物進(jìn)行處理[3]，研究表明采取清除和火燒采伐剩余物的方法會使土壤損失大量養(yǎng)分，對人工林的長期生產(chǎn)力不利[4-8]，而保留采伐剩余物能夠截留吸收降雨，提高土壤滲透性，避免林地發(fā)生嚴(yán)重水土流失，還可以改善林地土壤肥力，從而有利于幼林成活生長[9-11].因此，研究處理采伐剩余物的最佳方式，對促進(jìn)林地養(yǎng)分循環(huán)，維護(hù)人工林地力具有重要意義.

華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）為我國北方地區(qū)主要造林樹種，在我國的用材林發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)改善、水土流失防治等方面發(fā)揮著巨大作用.有研究指出其人工林隨著連栽代數(shù)的增加，已經(jīng)出現(xiàn)明顯的地力衰退和生產(chǎn)力下降的問題[12-13].落葉松人工林采伐剩余物分解緩慢，導(dǎo)致養(yǎng)分釋放和循環(huán)速率較慢，影響土壤肥力.加速采伐剩余物分解，提高土壤肥力，是解決目前華北落葉松人工林生產(chǎn)力下降問題的重要途徑.

有研究指出，粉碎處理可加快剩余物分解，促進(jìn)土壤養(yǎng)分歸還[14-15].此外，凋落物分解和園林廢棄物堆腐的研究表明添加適量氮源、木醋液和菌劑等措施可促進(jìn)其分解、腐熟，增加營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)植物生長[16-22].這些研究也可應(yīng)用到剩余物處理上，使其處理方式趨于多樣化.然而關(guān)于確定剩余物最佳處理措施的研究還很少，各處理措施的合理水平尚不明確.本試驗在尹歡宇等[23-24]有關(guān)剩余物處理的研究基礎(chǔ)上，采用正交設(shè)計，研究不同處理組合對采伐剩余物分解率、土壤肥力及幼林生長的影響，為優(yōu)選剩余物處理方式提供依據(jù).

1 試驗地概況

試驗地位于河北省承德市塞罕壩機械林場總場陰河林場西部月牙南岔（42°02′N，116°05′E，海拔1600 m），地形以丘陵、曼甸為主.林區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，氣候寒冷，冬季長，春秋短，夏季不明顯，年平均氣溫-1.5℃，年平均降水量530.9 mm，年平均蒸發(fā)量1388 mm，結(jié)凍期180 d，無霜期60 d左右.林區(qū)土壤類型主要為山地棕壤，森林覆蓋率達(dá)80%，優(yōu)勢樹種為華北落葉松.本試驗在陰河林場7年生華北落葉松人工林內(nèi)進(jìn)行，試驗地林分于2009年春在采伐跡地進(jìn)行植苗造林.選擇幼齡林作為試驗林分是因為相比近熟林和成熟林，幼樹生長對不同處理的響應(yīng)更加靈敏，在較短時期內(nèi)反映剩余物處理對林分生長影響的效果更好.試驗地林分基本情況見表1.

表1 試驗地林分基本情況Table 1 General condition of experimental site

2 研究方法

2.1 試驗材料和設(shè)備

氮源選用河北省承德市圍場縣富興牌尿素，菌劑為密碼生物有限公司生產(chǎn)的EM菌，木醋液由俍頊實業(yè)（上海）有限公司生產(chǎn)，粉碎機選用維邦園林的粉碎機（FS1024H）.

2.2 正交試驗設(shè)計及試驗方法

尹歡宇等[23-24]的研究以清除剩余物為對照，以傳統(tǒng)處理方式平鋪、帶狀堆放與粉碎處理為基礎(chǔ)，將外施氮源、EM菌和木醋液應(yīng)用到剩余物處理上，得出粉碎剩余物＋氮源＋EM菌＋木醋液的處理方法更有利于剩余物分解、土壤肥力和林木生長提高，但是各處理沒有設(shè)置不同水平，沒能考慮剩余物粉碎的最佳顆粒直徑，氮源、EM菌、木醋液的最佳濃度和施用量.本試驗在此基礎(chǔ)上，沿用粉碎剩余物＋氮源＋EM菌＋木醋液的處理模式，將收集好的采伐剩余物粉碎成不同顆粒直徑，向剩余物顆粒中添加不等量的尿素，按不同剩余物與EM菌的體積比添加不等量的EM菌液（100 g紅糖用熱水溶解，冷卻后加入50 g EM菌，定容至10 L，培養(yǎng)48 h），再添加不同稀釋倍數(shù)的木醋液原液，采用4因素5水平L25（54）的正交試驗設(shè)計進(jìn)行試驗，在一個生長季內(nèi)測定剩余物分解率、土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分含量變化，同時觀測林木生長狀況，在25種處理中篩選較優(yōu)處理組合.試驗設(shè)計的因素和水平見表2.

2016年5月在試驗林分內(nèi)進(jìn)行樣地的布設(shè)，共布設(shè)25塊試驗樣地（10 m×10 m），編號1～25，對應(yīng)1～25號處理組合.將重量為20.00 g并按L25（54）正交設(shè)計進(jìn)行過不同處理的剩余物裝入袋，放置在對應(yīng)樣地內(nèi)，于2016年10月取回剩余物袋，用烘箱烘干，稱重后計算剩余物平均分解率：V＝（m0-m1）/m0，式中，V表示剩余物平均分解率（%），m0表示剩余物初始重量（20.00 g），m1表示剩余物殘留重量（g）.

布設(shè)剩余物袋的同時也將進(jìn)行過對應(yīng)不同處理的等量剩余物混勻平鋪于每塊樣地中，于2016年5月和10月進(jìn)行土壤采樣，在每塊樣地中選取5個點，取0～20 cm土層土壤，混合，經(jīng)風(fēng)干、過篩后測定其有機質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量及速效鉀含量.有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法；全氮、全磷用連續(xù)流動分析儀法；速效鉀測定用火焰光度計法.由于本次試驗周期較短，故不討論土壤物理性質(zhì)的變化.于2016年5月和10月對樣地內(nèi)華北落葉松進(jìn)行每木檢尺，記錄樹高、地徑，并用普雷斯勒公式計算生長率.

表2 L25(54)因素和水平表1)Table 2 L25（54） factors and levels

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2013對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計算；使用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析（ANOVA），對2016年5月和10月的試驗結(jié)果及各處理組合的試驗結(jié)果進(jìn)行差異顯著性檢驗，差異顯著時用LSD法進(jìn)行多重比較.用R對7個研究變量結(jié)果做主成分分析，求相關(guān)矩陣的特征值，計算方差貢獻(xiàn)率，確定主成分個數(shù)（m），以各主成分對原指標(biāo)的載荷系數(shù)為權(quán)，將各主成分表示為原指標(biāo)的線性組合：

以各主成分方差貢獻(xiàn)率為權(quán)，將其線性組合得到綜合評價函數(shù)：

最終計算各處理組合的綜合得分，按絕對值大小將名次排序，從而篩選出較優(yōu)剩余物處理組合.

3 結(jié)果與分析

3.1 剩余物分解率的試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)束時，對不同處理的剩余物殘留質(zhì)量進(jìn)行比較，經(jīng)方差分析，5月和10月的剩余物質(zhì)量存在顯著差異（P＜0.05），且不同處理間的剩余物殘留質(zhì)量差異顯著（P＜0.05）.由剩余物殘留質(zhì)量計算平均分解率，取平均分解率排在前5的處理，結(jié)果如表3所示.可以看出，促進(jìn)剩余物分解的最佳處理組合是7號，剩余物分解率為18.70%，是分解率最小處理（23號）的2.4倍.其后分別是4、9、10、8號處理，平均分解率達(dá)到 17.18%～18.48%，與 7 號處理平均分解率的差異并不顯著（P＞0.05）.在前5 名的處理中，7、8、9、10 號處理的粒徑均為0.1≤φ＜0.3 cm，可見顆粒直徑最?。é眨?.1 cm）的處理其分解率不一定最大，這可能是由于粒徑過小導(dǎo)致與溶液混合裝入袋中后過于潮濕，使顆粒粘結(jié)在一起，影響了分解.

表3 不同處理的剩余物分解率1)Table 3 Decomposition rates of logging residue under different treatments

3.2 土壤肥力變化的試驗結(jié)果分析

方差分析結(jié)果顯示至試驗結(jié)束時，反映土壤肥力的數(shù)據(jù)終值與本底值差異顯著（P＜0.05），且不同處理間土壤有機質(zhì)含量、土壤全氮、全磷、速效鉀含量的變化量差異顯著 （P＜0.05），說明不同的處理對土壤肥力產(chǎn)生了顯著影響，且有效的處理可以促進(jìn)養(yǎng)分的歸還.取土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、速效鉀增加量排名前5的處理，結(jié)果見表4.可以看出，4和7號處理的有機質(zhì)含量變化量最大，分別達(dá)到了9.97和9.94 g·kg-1，與其他處理下的變化量差異顯著（P＜0.05）；10號處理的土壤全氮含量變化量最大，為1.54 g·kg-1，其后是 4、7 和 6 號處理，全氮變化量分別為 1.35、1.34 和 1.33 g·kg-1；土壤全磷含量變化量最大的處理是 4 號，為 0.84 g·kg-1，其后是 7 和 2 號處理，全磷變化量分別為 0.82 和 0.81 g·kg-1；5、7 號處理的土壤速效鉀含量變化量最大，分別為0.36和0.22 g·kg-1，與其他處理的變化量差異顯著（P＜0.05），第3是4號處理，變化量為0.16 g·kg-1.由以上結(jié)果發(fā)現(xiàn)4和7號處理的各項指標(biāo)增加量均排在前3，可以認(rèn)為4和7號為改善土壤肥力的較優(yōu)組合.

研究表明采伐剩余物中含有大量有機物質(zhì)和養(yǎng)分，將剩余物保留在林地可以提高土壤滲透性、增加土壤養(yǎng)分含量從而改善林地土壤肥力[25-26].由此可見剩余物的分解過程直接作用于土壤，土壤質(zhì)量隨著剩余物分解率的增大而提高，而本文試驗結(jié)果指出4和7號處理對促進(jìn)剩余物分解的效果最明顯，同樣對改善土壤肥力最為有利，驗證了上述觀點.

表4 不同處理下土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、速效鉀含量變化量1)Table 4 Changes on soil organic matter， total N， and total P， available K content under different treatments

3.3 林木生長狀況的試驗結(jié)果分析

方差分析結(jié)果顯示兩次測量時間的林木樹高、地徑數(shù)據(jù)的差異顯著（P＜0.05），至試驗結(jié)束時，不同處理間的樹高、地徑生長率也具有顯著差異（P＜0.05），分別取樹高、地徑生長率各自排在前五的處理，結(jié)果見表5.可以看出3、4、5、10 號處理的樹高生長率達(dá)到24.99%～25.74%，與其他處理差異顯著（P＜0.05），其中最佳處理組合為4號，是生長率最低的處理（20號）的1.46倍；2、4、6、7號處理的地徑生長率為35.71%～36.05%，與其他處理差異顯著（P＜0.05），最佳處理組合同樣為4號，是生長率最低的處理（11號）的3.93倍.綜合比較樹高、地徑的變化情況，認(rèn)為4號處理對促進(jìn)林木生長較為有利，其次是7和10號處理，這與上文剩余物分解率與土壤肥力變化的試驗結(jié)果較一致.此外由樹高、地徑生長率數(shù)據(jù)可以看出華北落葉松正處于高速生長階段，考慮到剩余物分解促進(jìn)土壤肥力提升再反映到對林木生長的影響結(jié)果存在一定滯后性，因此林木生長對剩余物處理的響應(yīng)仍需較長時間的觀測.

3.4 剩余物處理效果綜合評價

剩余物分解率與土壤肥力及林木生長的各個指標(biāo)間聯(lián)系較緊密，采用單一指標(biāo)來評價某個處理組合的優(yōu)劣不具有說服力，因此采用主成分分析的方法對各處理組合進(jìn)行綜合的評價.由上文試驗結(jié)果可知剩余物處理對剩余物分解率（X1）、土壤有機質(zhì)含量（X2）、土壤全氮含量（X3）、土壤全磷含量（X4）、土壤速效鉀含量（X5）、樹高（X6）、地徑（X7）等7個指標(biāo)產(chǎn)生了顯著影響，對這7個指標(biāo)變化量的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，求標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣如表6所示，可以看出各指標(biāo)間具有較強的相關(guān)性，進(jìn)行KMO和Bartlett檢驗，得出KMO值為0.836，說明適合做主成分分析.根據(jù)主成分分析結(jié)果，提取前4個主成分，累積貢獻(xiàn)率超過80%（表7），并由載荷矩陣得到各主成分得分計算公式（*指標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果）：

從公式中可以看出主成分C1在剩余物分解率、全氮、樹高變量上的載荷較大；C2在速效鉀變量上的載荷較大；C3在有機質(zhì)、全磷變量上的載荷較大；C4在地徑變量上的載荷較大.4個主成分可以完整地解釋7個變量的信息.以各主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)，得到綜合得分的計算公式：

各處理的綜合得分情況如表8所示.結(jié)果顯示，7號處理總得分為-2.26，排名第一，其次為4號處理，為-2.19，且與其他處理分值差別較大，認(rèn)為4和7號處理為促進(jìn)剩余物分解、提高土壤肥力和促進(jìn)林木生長的較優(yōu)處理組合，這也與上文的試驗結(jié)果一致.4號處理的各因素水平分別為：顆粒直徑φ＜0.1cm、尿素溶液9 kg·m-3、EM菌與剩余物體積比1∶750、木醋液稀釋800倍；7號處理的各因素水平分別為：顆粒直徑0.1≤φ＜0.3 cm、尿素溶液3 kg·m-3、EM 菌與剩余物體積比1 ∶500、木醋液稀釋800倍.

表5 不同處理下林木樹高和地徑生長1)Table 5 Growth rates of tree height and ground diameter under different treatments

表6 變量間的相關(guān)系數(shù)1)Table 6 Correlations between variables

表7 各主成分的特征值和累積貢獻(xiàn)率Table 7 Eigenvalues and accumulative contributions of principal components

4 結(jié)論與討論

本試驗結(jié)果表明較小尺寸（顆粒直徑0.1≤φ＜0.3 cm）的處理剩余物分解效果更好，養(yǎng)分釋放量更大，較小粒徑水平的剩余物與外界接觸面積更大，透水性更好，更有利于分解，促進(jìn)養(yǎng)分釋放和土壤質(zhì)量的提升，這與Fahey et al[27]的研究結(jié)果一致.尺寸過?。w粒直徑φ＜0.1 cm）的剩余物顆粒在混合了尿素、EM菌等溶液后容易粘結(jié)，與外界接觸面積反而變小，不利于發(fā)揮與尿素、菌劑和木醋液的協(xié)同作用，因此出現(xiàn)了粒徑最小的組合處理效果并不是最好的結(jié)果.但這兩個徑級處理下剩余物分解率及土壤養(yǎng)分變化差異并不顯著，說明這種影響較小，我們?nèi)匀徽J(rèn)為＜0.3 cm為較優(yōu)剩余物粒徑水平.

表8 各處理綜合得分Table 8 Comprehensive scores for each treatment

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，林地殘落物是土壤微生物攝取營養(yǎng)和能量的來源[28]，礦質(zhì)土層的碳和氮主要來源于微生物對凋落物和采伐剩余物的降解過程[29].有研究表明在分解過程中分解對象氮元素含量越高，微生物的生命活動性越強，分解速率越快[30-31].而謝兆森等[16]關(guān)于外施氮源對木屑腐熟的影響的研究結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，木屑腐熟程度隨外施氮源增加而增大，超過這個范圍后木屑的營養(yǎng)元素含量出現(xiàn)降低.由此看來并不一定是施氮量越大土壤肥力的提升就越大，適量的氮元素可以促進(jìn)剩余物的分解，但尿素濃度過高可能會對土壤微生物活動有所抑制，從而間接影響土壤肥力.本試驗中，中度的尿素溶液（3～9 kg·m-3）對剩余物分解和土壤養(yǎng)分增加有較好的促進(jìn)作用.在這個范圍中較高的尿素濃度將來是否會對剩余物的分解及土壤質(zhì)量產(chǎn)生不利影響仍待進(jìn)一步的觀測.

本試驗結(jié)果表明多處理混合作用比單一作用效果要好，即在粉碎剩余物的基礎(chǔ)上添加適量的尿素、EM菌和木醋液對剩余物分解、土壤肥力提升有協(xié)同作用，中度的剩余物與EM菌體積比（1∶500～1∶750）和中度及較低濃度的木醋液（稀釋400～800倍）是處理剩余物的較優(yōu)水平，這與田赟等[20]、吳曉春等[32]的研究結(jié)果相似.添加菌劑可能會導(dǎo)致氮的流失，但外加一定濃度的木醋液能有效地彌補這種損失，且適當(dāng)?shù)哪蛩睾湍敬滓嚎梢约铀偈Ｓ辔锓纸飧?有研究發(fā)現(xiàn)較低濃度的木醋液有利于微生物的繁殖和成長，也可促進(jìn)植物的生長，高濃度的木醋液可能對微生物有抑制作用[33-35]，本試驗結(jié)果表明EM菌的施用量最大及木醋液濃度最大處理對剩余物分解及土壤肥力的促進(jìn)作用顯著小于中度的處理.綜合考慮本試驗結(jié)果和前人研究，認(rèn)為適量地添加菌劑和木醋液可以和尿素一起促進(jìn)剩余物分解，施用濃度過高得到的效果并不好.

本試驗中4號和7號的處理效果較優(yōu)，在5個月內(nèi)剩余物分解率達(dá)到18.48%～18.70%，土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、速效鉀含量分別提高 19.53%～22.30%、69.79%～78.49%、65.08% ～75.68%、40.74%～66.67%，樹高和地徑生長率達(dá)24.89%～25.74%、35.99%～36.05%，凋落物分解率、土壤養(yǎng)分增加量和林木生長量顯著高于其他處理組合.因此在生產(chǎn)實踐中我們建議將采伐剩余物粉碎成較小的顆粒，采用外施適中濃度的尿素、木醋液及適量EM菌的混合處理方式，對促進(jìn)剩余物分解、土壤質(zhì)量改善及林木生長提高的效果最為理想，給出各處理的較優(yōu)水平為：顆粒直徑φ＜0.3 cm、尿素溶液3～9 kg·m-3、剩余物與EM菌體積比1∶500～1∶750、木醋液稀釋倍數(shù)400～800.本試驗觀測了在較短周期內(nèi)不同采伐剩余物處理措施下林地土壤養(yǎng)分和幼林生長狀況的變化，并初步探尋出適宜的剩余物處理方式，但土壤肥力的變化是一個長期的過程，篩選出的較優(yōu)處理方式能否持續(xù)提升土壤養(yǎng)分仍需多個生長季的觀察.