孫啟越，姚丹陽(yáng)，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.河北省塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)，河北圍場(chǎng)068466)

人工林的不合理經(jīng)營(yíng)會(huì)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(yíng)中的一個(gè)普遍性問(wèn)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(zhǎng)狀況，保持森林生產(chǎn)力是當(dāng)前人工林研究的重點(diǎn)[1-2].目前在生產(chǎn)實(shí)踐中多以平鋪、清除、火燒等傳統(tǒng)方法對(duì)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(huì)使土壤損失大量養(yǎng)分，對(duì)人工林的長(zhǎng)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(zhǎng)[9-11].因此，研究處理采伐剩余物的最佳方式，對(duì)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(guó)北方地區(qū)主要造林樹種，在我國(guó)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(wèn)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(wèn)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)植物生長(zhǎng)[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(yàn)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(jì)，研究不同處理組合對(duì)采伐剩余物分解率、土壤肥力及幼林生長(zhǎng)的影響，為優(yōu)選剩余物處理方式提供依據(jù).

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于河北省承德市塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)總場(chǎng)陰河林場(chǎng)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(zhǎng)，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(wú)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(shì)樹種為華北落葉松.本試驗(yàn)在陰河林場(chǎng)7年生華北落葉松人工林內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)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(yàn)林分是因?yàn)橄啾冉炝趾统墒炝?，幼樹生長(zhǎng)對(duì)不同處理的響應(yīng)更加靈敏，在較短時(shí)期內(nèi)反映剩余物處理對(duì)林分生長(zhǎng)影響的效果更好.試驗(yàn)地林分基本情況見表1.

表1 試驗(yàn)地林分基本情況Table 1 General condition of experimental site

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

氮源選用河北省承德市圍場(chǎng)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(shí)業(yè)（上海）有限公司生產(chǎn)，粉碎機(jī)選用維邦園林的粉碎機(jī)（FS1024H）.

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

尹歡宇等[23-24]的研究以清除剩余物為對(duì)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(zhǎng)提高，但是各處理沒(méi)有設(shè)置不同水平，沒(méi)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(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，在一個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)測(cè)定剩余物分解率、土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量變化，同時(shí)觀測(cè)林木生長(zhǎng)狀況，在25種處理中篩選較優(yōu)處理組合.試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素和水平見表2.

2016年5月在試驗(yàn)林分內(nèi)進(jìn)行樣地的布設(shè)，共布設(shè)25塊試驗(yàn)樣地（10 m×10 m），編號(hào)1～25，對(duì)應(yīng)1～25號(hào)處理組合.將重量為20.00 g并按L25（54）正交設(shè)計(jì)進(jìn)行過(guò)不同處理的剩余物裝入袋，放置在對(duì)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(jì)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(shí)也將進(jìn)行過(guò)對(duì)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(gè)點(diǎn)，取0～20 cm土層土壤，混合，經(jīng)風(fēng)干、過(guò)篩后測(cè)定其有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量及速效鉀含量.有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法；全氮、全磷用連續(xù)流動(dòng)分析儀法；速效鉀測(cè)定用火焰光度計(jì)法.由于本次試驗(yàn)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(duì)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(jì)算生長(zhǎng)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算；使用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析（ANOVA），對(duì)2016年5月和10月的試驗(yàn)結(jié)果及各處理組合的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，差異顯著時(shí)用LSD法進(jìn)行多重比較.用R對(duì)7個(gè)研究變量結(jié)果做主成分分析，求相關(guān)矩陣的特征值，計(jì)算方差貢獻(xiàn)率，確定主成分個(gè)數(shù)（m），以各主成分對(duì)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(píng)價(jià)函數(shù)：

最終計(jì)算各處理組合的綜合得分，按絕對(duì)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(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對(duì)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(jì)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(hào)，剩余物分解率為18.70%，是分解率最小處理（23號(hào)）的2.4倍.其后分別是4、9、10、8號(hào)處理，平均分解率達(dá)到 17.18%～18.48%，與 7 號(hào)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(hào)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(guò)小導(dǎo)致與溶液混合裝入袋中后過(guò)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(yàn)結(jié)果分析

方差分析結(jié)果顯示至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，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(jī)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(shuō)明不同的處理對(duì)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(jī)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(hào)處理的有機(jī)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(hào)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(hào)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(hào)，為 0.84 g·kg-1，其后是 7 和 2 號(hào)處理，全磷變化量分別為 0.82 和 0.81 g·kg-1；5、7 號(hào)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(hào)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(hào)處理的各項(xiàng)指標(biāo)增加量均排在前3，可以認(rèn)為4和7號(hào)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(jī)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(guò)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(yàn)結(jié)果指出4和7號(hào)處理對(duì)促進(jìn)剩余物分解的效果最明顯，同樣對(duì)改善土壤肥力最為有利，驗(yàn)證了上述觀點(diǎn).

表4 不同處理下土壤有機(jī)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(zhǎng)狀況的試驗(yàn)結(jié)果分析

方差分析結(jié)果顯示兩次測(cè)量時(shí)間的林木樹高、地徑數(shù)據(jù)的差異顯著（P＜0.05），至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，不同處理間的樹高、地徑生長(zhǎng)率也具有顯著差異（P＜0.05），分別取樹高、地徑生長(zhǎng)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(hào)處理的樹高生長(zhǎng)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(hào)，是生長(zhǎng)率最低的處理（20號(hào)）的1.46倍；2、4、6、7號(hào)處理的地徑生長(zhǎng)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(hào)，是生長(zhǎng)率最低的處理（11號(hào)）的3.93倍.綜合比較樹高、地徑的變化情況，認(rèn)為4號(hào)處理對(duì)促進(jìn)林木生長(zhǎng)較為有利，其次是7和10號(hào)處理，這與上文剩余物分解率與土壤肥力變化的試驗(yàn)結(jié)果較一致.此外由樹高、地徑生長(zhǎng)率數(shù)據(jù)可以看出華北落葉松正處于高速生長(zhǎng)階段，考慮到剩余物分解促進(jìn)土壤肥力提升再反映到對(duì)林木生長(zhǎng)的影響結(jié)果存在一定滯后性，因此林木生長(zhǎng)對(duì)剩余物處理的響應(yīng)仍需較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè).

3.4 剩余物處理效果綜合評(píng)價(jià)

剩余物分解率與土壤肥力及林木生長(zhǎng)的各個(gè)指標(biāo)間聯(lián)系較緊密，采用單一指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)某個(gè)處理組合的優(yōu)劣不具有說(shuō)服力，因此采用主成分分析的方法對(duì)各處理組合進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià).由上文試驗(yàn)結(jié)果可知剩余物處理對(duì)剩余物分解率（X1）、土壤有機(jī)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(gè)指標(biāo)產(chǎn)生了顯著影響，對(duì)這7個(gè)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(qiáng)的相關(guān)性，進(jìn)行KMO和Bartlett檢驗(yàn)，得出KMO值為0.836，說(shuō)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(gè)主成分，累積貢獻(xiàn)率超過(guò)80%（表7），并由載荷矩陣得到各主成分得分計(jì)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(jī)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(gè)主成分可以完整地解釋7個(gè)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(jì)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(hào)處理總得分為-2.26，排名第一，其次為4號(hào)處理，為-2.19，且與其他處理分值差別較大，認(rèn)為4和7號(hào)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(zhǎng)的較優(yōu)處理組合，這也與上文的試驗(yàn)結(jié)果一致.4號(hào)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(hào)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(zhǎng)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(yàn)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(guò)?。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(gè)徑級(jí)處理下剩余物分解率及土壤養(yǎng)分變化差異并不顯著，說(shuō)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(yíng)養(yǎng)和能量的來(lái)源[28]，礦質(zhì)土層的碳和氮主要來(lái)源于微生物對(duì)凋落物和采伐剩余物的降解過(guò)程[29].有研究表明在分解過(guò)程中分解對(duì)象氮元素含量越高，微生物的生命活動(dòng)性越強(qiáng)，分解速率越快[30-31].而謝兆森等[16]關(guān)于外施氮源對(duì)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(guò)這個(gè)范圍后木屑的營(yíng)養(yǎng)元素含量出現(xiàn)降低.由此看來(lái)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(guò)高可能會(huì)對(duì)土壤微生物活動(dòng)有所抑制，從而間接影響土壤肥力.本試驗(yàn)中，中度的尿素溶液（3～9 kg·m-3）對(duì)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(gè)范圍中較高的尿素濃度將來(lái)是否會(huì)對(duì)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(cè).

本試驗(yàn)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(duì)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(huì)導(dǎo)致氮的流失，但外加一定濃度的木醋液能有效地彌補(bǔ)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(zhǎng)，也可促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，高濃度的木醋液可能對(duì)微生物有抑制作用[33-35]，本試驗(yàn)結(jié)果表明EM菌的施用量最大及木醋液濃度最大處理對(duì)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(yàn)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(guò)高得到的效果并不好.

本試驗(yàn)中4號(hào)和7號(hào)的處理效果較優(yōu)，在5個(gè)月內(nèi)剩余物分解率達(dá)到18.48%～18.70%，土壤有機(jī)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(zhǎng)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(zhǎng)量顯著高于其他處理組合.因此在生產(chǎn)實(shí)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(duì)促進(jìn)剩余物分解、土壤質(zhì)量改善及林木生長(zhǎng)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(yàn)觀測(cè)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(zhǎng)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(gè)長(zhǎng)期的過(guò)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(gè)生長(zhǎng)季的觀察.