文章信息
- 晏姝, 胡德活, 韦如萍, 王润辉, 郑会全, 曾建雄, 雷松林
- Yan Shu, Hu Dehuo, Wei Ruping, Wang Runhui, Zheng Huiquan, Lei Songlin, Zeng Jianxiong
- 南洋楹造林密度与施肥均匀设计试验
- Stand Density of Paraserianthes falcataria and the Fertilization Test with a Uniform Design
- 林业科学, 2015, 51(5): 153-158
- Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(5): 153-158.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150518
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文章历史
- 收稿日期:2014-03-03
- 修回日期:2014-07-18
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作者相关文章
2. 博罗县林业科学研究所 惠州 516100
2. Boluo Forestry Research Institute Huizhou 516100
试验设计与优化是自然科学研究中重要的分支领域之一,对林业学科发展起到巨大的推动作用。均匀设计(方开泰等,2001;Fang et al.,2000)是继国内普及推广的正交法之后,为了解决多因素、多水平高科技难题而提出的一种全新的试验设计,其最大优点是从尽可能少的试验次数中准确揭示出因素对指标的影响大小和规律,并且进行优化拟合设计。目前,均匀设计已逐步应用于林木组织培养(胡蕙露等,2006)、遗传多样性分析(管雨等,2010)等方面,受到林业科研工作者广泛关注。
南洋楹(Paraserianthes falcataria)常绿乔木树种,具有速生固氮、材质优良的特点,是我国热带和南亚热带地区建设速生丰产用材林基地的生态经济型树种(郑永光等,2004)。良种和栽培是营建短周期速生丰产林的两大重要因素,经长期引种及二十多年遗传改良研究,我省收集保存了较丰富的南洋楹基因材料、筛选出一批优良种源及家系(晏姝等,2011;2012;郑永光等,2004;韦如萍等,2007;2012),引进优良家系在 11 年生时,材积遗传增益、现实增益分别可达到12.8%~27.4%和28.0%~60.8%,而关于南洋楹高效栽培技术方面的研究报道较少(梁启英等,1993;邹寿明等,2011)。本研究首次将均匀设计运用于南洋楹高效栽培试验,建立南洋楹林分产量的收获模型,探索合理栽培密度和施肥量,以期发掘南洋楹良种最大生长潜力,为合理经营南洋楹速生丰产林提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验地土壤状况试验地位于广东省博罗县林业科学研究所,试验区域为海拔168~175 m、坡度小于25°平缓丘陵地,土层厚度40~60 cm,土壤为花岗岩发育而成的强酸性赤红壤,黏土矿物丰富,缺乏植物所需的氮、磷等营养元素,此类土壤是广东省南洋楹种植的主要土壤类型,其肥力状况在赤红壤和红壤地带具有代表性。在林地上、中、下坡位分别用容积为100 cm3 的环刀在20 cm 深土层采取自然状态土样,同一剖面取3 次重复;按5点取样法采取0~20 cm深的土样1 kg,混合均匀,按中国科学院南京土壤研究所(1978)的方法测定土壤理化性质,每个土样做3次重复测定,取平均值(表 1)。
采用均匀设计和随机完全区组设计试验法。试验设4个因素,包括: 栽植密度X1、过磷酸钙X2(作基肥,含P2O5 12%)、尿素X3(作当年追肥,含N46.4%)、复合肥X4(作次年追肥,含N 22%,P2O5 13%,K2O 5%,总养分含量40%),每个因素设6个水平。根据均匀设计表(方开泰等,1994)U6(64)安排试验方案(表 2)。
试验苗为菲律宾引进家系P5种子培育的健壮实生苗,苗龄100天,苗高20~25 cm。田间试验小区面积约为667 m2,采用随机完全区组排列,4次重复(图 1)。
2009年1月完成整地备耕工作,打穴规格50 cm×50 cm×50 cm。2009年4月施放基肥、表土回穴、苗木定植。2009年7月第1次追肥,并结合铲草、扩穴;2010年6月第2次追肥,并结合全面清杂除草抚育。
1.4 试验林测定及数据统计分析2011年底,测定3.5年试验林树高、胸径,观测株数据剔除小区间相邻木和边缘木。
单株材积公式: V=π×(d1.3/2)2×h×f1.3,其中d1.3为胸径,h为树高,f1.3为胸高形数(f1.3=0.51)。
根据均匀设计的统计分析方法,应用国际通用统计分析软件包SAS(黄少伟等,2001)的Anova过程对不同处理的树高、胸径和材积进行方差分析;逐步回归Stepwise选择最优回归模型,确定主要影响因素;均匀设计软件Uniform Design Version 3.00软件拟合林分产量与施肥量回归模型;二次响应面回归Rsreg(北京大学概率统计系,1993),求优化施肥量。二次响应面回归模型为:Y=X′ AX+b′ X+C′ Z,其中Y表示响应变量,A表示二次型参数的对称阵,b表示一次项系数,C表示截距。
2 结果与分析 2.1 试验林生长状况对比分析南洋楹早期生长迅速,3.5年试验林平均树高达8.43 m,平均胸径12.06 cm。试验林植株整体保存率达88.4%,植株缺失主要因区组边界地形陡峭所致,各小区内主要观测株保存完好。由表 3可知,不同试验处理的平均树高、平均胸径、单株材积和每hm2蓄积量差异均达到极显著水平(P < 0.01),平均树高排序为处理3>6>4>5>1>2,平均胸径排序为处理6>4>3>5>2>1。试验处理6的单株材积产量为0.0727m3,比处理1大64.1%;处理1的蓄积量 为52.2465m3 ·hm-2,比处理5大169.3%。可见,栽植密度和施肥配方对南洋楹早期生长量影响效应明显。
根据表 3,将试验因素(X1,X2,X3,X4)分别与生长量(Y1,Y2,Y3,Y4)进行逐步回归(Selection=Stepwise,SLS=0.15),最终在α=0.15水平进入模型的只有X1,分别得到最优线性回归方程(表 4)。回归模型均达到显著水平(P < 0.15),说明影响南洋楹生长最主要的因素是栽植密度,栽植密度对胸径和每hm2蓄积量的影响尤为显著(P < 0.005)。
通过不同栽植密度处理的实际单株材积和每hm2蓄积量对林分产出量进行预测,由图 2和图 3可知,单株材积和每hm2蓄积量预测数值均大于实际数值的密度为3 m×3 m和4 m×5 m。根据不同的培育目标,培养南洋楹大径材的栽植密度为4 m×5 m,从单株材积和每hm2蓄积量平衡点考虑,最优栽植密度为3 m×3 m。
单株材积(Y3)与施肥量(X2,X3,X4)经Uniform Design Version 3.00处理,得到二次多元回归方程:Y3=6.54E-2+5.29E-8X22+3.47E-5X3-4.27E-5X4。
对回归方程进行显著性检验(表 5),结果表明显著性水平α=0.15,检验值Ft=5.913,临界值F(0.15,3,2)=5.826,Ft>F(0.15,3,2),复相关系数R=0.948 0,回归方程显著。
根据图 4可知,方程各项对回归的贡献率按偏回归平方和降序排列: U(4)=2.99E -4,U(4)/U=57.9%;U(2)=1.25E -4,U(2)/U=24.1%;U(3)=1.97E -6,U(3)/U=0.38%。可见,对单株材积影响最大的施肥因子是复合肥X4(作次年追肥),其次是过磷酸钙X2(作基肥),影响最小的因子是尿素X3(作当年追肥)。
二次响应面回归分析(Rsreg)程序输出结果显示,单株材积与施肥量出现二次响应曲面图鞍点(stationary point),即为投入最小施肥量获得最大材积生长量点,据此获得优化拟合施肥量: 过磷酸钙(作基肥)274 g+尿素(作当年追肥)48 g+复合肥(作次年追肥)250 g。
将此优化施肥量代入回归方程求得理论单株材积为0.0604m3,比试验设计中单株材积最低值0.044 3 m3提高36.3%;按照最优栽植密度3 m×3 m计算,蓄积量可达47.2905m3 ·hm-2,比试验设计中最低值19.404 0 m3 ·hm-2提高143.7%,增产效果显著。
3 结论与讨论 3.1 栽培措施对南洋楹早期生长的影响南洋楹的速生特性在3.5年时得到显著表达,试验林平均树高达8.43 m,平均胸径12.06 cm,早期生长对不同栽植密度和施肥量响应积极(P < 0.01)。南洋楹的经营周期短,用材林5~12年可主伐利用(韦如萍等,2012),在生长早期辅以集约栽培技术措施可以较好发掘南洋楹良种和土地的生产潜力,维持土壤养分平衡,保证单位时间、单位面积南洋楹林分稳产、高产。
3.2 密度调控一直是林业研究所关注的热点问题在杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinus massoniana)、桉树(Eucalyptus)等树种密度效应研究中普遍得出密度与胸径生长相关显著,对树高影响较弱,单株材积随株行距的增大而增大,每hm2蓄积量随株行距的增大而减小(Philip et al.,2007;杉木造林密度试验协作组,1994;谌红辉等,2004),本研究亦得出相似结论。南洋楹是喜光喜热的速生树种,栽植密度是影响南洋楹林分产量最重要的因素,合理的栽植密度能保证林木个体之间的关系得到较好的调节,充分利用空间的阳光、水分和营养物质(徐建民等,2001)。目前南洋楹人工林主要用于培育各种径级单板材和胶合板材,根据不同的培育目标,培育南洋楹大径材的栽植密度4 m×5 m,从单株材积和每hm2蓄积量平衡点考虑,最优栽植密度为3 m×3 m。
3.3 施肥是林木高效栽培的一个重要增产措施对于南洋楹等生长迅速、轮伐期短、吸收消耗土壤养分较多的树种,施肥对林木生长量的影响效果尤为明显(牛永强等,2000)。本试验在南洋楹前期研究实践和经验总结的基础上,首次将均匀设计运用于南洋楹高效栽培试验,拟合单株材积与施肥量的二次回归模型: Y3(单株材积)=6.54E -2+ 5.29E -8X22+3.47E -5 X3- 4.27E -5X4,3个施肥因子模型的贡献率为: 复合肥X4(作次年追肥)>过磷酸钙X2(作基肥)>尿素X3(作当年追肥)。
通过对单株材积与施肥量二次响应面回归分析发现,二次响应曲面图存在鞍点(stationary point)。在微分方程中,鞍点沿着某一方向是稳定的,另一条方向是不稳定的奇点,它既不是极大值点也不是极小值点的临界点。鞍点在理论和实际中都具有特殊的性质,在生产上所追求的“最小投入获得最大产出”正是鞍点理论的辩证体现(刘健等,1994)。本研究中所出现的鞍点可视为最小施肥投入量与最大林分产出点,据此获得优化拟合施肥量: 过磷酸钙(作基肥)274 g+尿素(作当年追肥)48 g+复合肥(作次年追肥)250 g。
南洋楹与桉树的生长特性相似,在造林当年生长相对缓慢,第2 年进入速生期,并持续3 年(黄宝灵等,2000)。次年追施复合肥满足了南洋楹快速生长所需要营养元素,对南洋楹的生长影响显著;本试验点的土壤肥力状况在南洋楹适生分布区具有代表性(郑永光等,2004),磷含量普遍较低,全磷含量仅0.42 g ·kg-1,施放适量的过磷酸钙作基肥对于南洋楹早期生长非常关键;南洋楹植物根系发达,具有丰富的根瘤菌,能把空气中的分子态氮转变为植物可以利用的氨态氮输送给植株利用,因此尿素对南洋楹生长的影响很小。本研究获得的优化施肥量符合南洋楹生长的实际情况。
将此优化施肥量代入回归方程求得理论单株材积为0.0604m3,比试验设计中单株材积最低值0.044 3 m3提高36.3%;按照最优栽植密度3 m×3 m计算,蓄积量可达47.2905m3 ·hm-2,比试验设计中最低值19.404 0 m3 ·hm-2提高143.7%,增产效果显著。
均匀设计及其分析方法是在试验范围内考虑试验点均匀散布以求通过最少的试验来获得更多的信息,是数学理论应用于试验设计的新成果(张大克等,1994)。在林木培育等领域中,工作量繁重,研究周期长,如果能广泛将均匀设计及其分析方法运用其中,将会大大提高工作效率及试验的准确性。
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