传统建筑材料中，木材是唯一可再生的(杨玉梅，2016)。据推测，到2050年，工业木材需求75%由人工林提供，其中50%由速生丰产林提供，大力发展各类速生丰产用材林刻不容缓(Truax et al., 2014)。杨树(Populus)作为中国的乡土速生树种，在我国的种植面积已经达到了850万hm²(Xi et al., 2016)，毛白杨(P. tomentosa)具速生、优质、高产(鲍甫成等，2005；Fisher et al., 1980；Zoble et al., 1989)、抗逆性强等特点，适用于短轮伐期工业用材林培育，是华北地区速生丰产用材林的主要树种，而且在中国杨树种植地区，杨树生产力水平的生长受到种植区域气候环境、人工林经营目标、水分肥料管理措施等方面影响。

杨属植物广泛分布于亚洲、欧洲和北美洲等(Orlovic et al., 2002)，主要分为6个派系，并且通过种内和种间杂交获取大量杂交杨树(Rushforth et al., 1999；Stettler et al., 1996；方升佐等，2008；许兴华等，2006；Swamy et al., 2006)。合适的杨树无性系栽培是提高木材产量和生物量的重要措施(Bisoffi et al., 2008；Navarro et al., 2014；Covarelli et al., 2013)。在丹麦地区，对36个杨树杂交无性系生长的研究结果表明，杨树杂交无性系在同地方同时段生长蓄积量存在差异，表明无性系引起林木年度生产力水平差异(Nielsen et al., 2014)；许兴华等(2006)研究也说明毛白杨无性系的年度生产力存在较大差异。据估计，全世界杨树的年生产力水平为9~30 m³·hm^-2(方升佐，2008；尹伟伦，2005；赵天锡等，1994)。

杨树生长需要大量的水分和养分，不同无性系对水分的响应机制存在差异(DeBell et al., 1990；董雯怡等，2010)。灌溉能提高杨树人工林产量(Shock et al., 2002; 贾黎明等，2005; Voltas et al., 2006；Xi et al., 2014)，但是灌溉量的临界值设定存在争议，郭惠清等(1998)提出65%田间持水量水平对杨树生长为临界值；王文全等(1993；1997；2000；2001)研究发现，以50%田间持水量灌溉比70%田间持水量更能提高杨树林分蓄积量；任忠秀等(2011)提出75%田间持水量灌溉杨树人工林能获取较大的林木蓄积量。

养分是杨树生长最重要的环境影响因子(Al-Kaisi et al., 2003)。在林业生产中, 在土壤养分供应不足时, 通常采用施肥来满足树木对水分和养分的需求。Fortier等(2010)在Quebec (Canada)地区进行6年杂交杨树试验发现杨树N和P积累量达到770和82 kg·hm^-2。6年施肥量为0~1 600 kg·hm^-2的N和0~700 kg·hm^-2的P能显著提高桉树生长(Smethurst et al., 2003)。氮能显著提高杨树人工林木材产量(钟家珍等，1989；吴惠仙等，2000；Heilmanpe et al., 1994；方升佐等，2008)。袁玉欣等(1990)在河北易县对毛白杨施用N、P、K效果的研究表明，施肥量以450 kg·hm^-2(N、P₂O₅、K₂O)最为适合，360 kg·hm^-2的施肥量次之，较对照分别提高32.1%及21.7%的材积。

为实现杨树速生丰产人工林高效栽培，本研究选择4个毛白杨无性系1316、BT17、B331、S86为试材进行10年水氮耦合试验，研究田间持水量和施氮量对不同毛白杨无性系人工林林分蓄积量影响，以确定不同毛白杨无性系最佳水氮组合方案，实现毛白杨人工林施肥、灌溉按需进行的目的，为毛白杨人工林定向培育提供科学理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验地为河北省邢台市威县苗圃(36°50′— 37°47′N，113°52′—115°49′E)，地处华北平原南部。该区属暖温带大陆性半干旱季风气候，年均气温13 ℃，极端最低气温-19 ℃，极端最高气温42.5 ℃，年均降水量584 mm左右，降水多集中在夏末秋初，无霜期198天。全年日照时数2 574.8 h，年平均日照率58.0%。试验地土壤为砂壤土，土壤pH 8.62，有机质8.60 g·kg^-1，全氮0.58 g·kg^-1，碱解氮87.83 mg·kg^-1，有效磷8.09 mg·kg^-1，速效钾90.00 mg·kg^-1。

1.2 试验材料

选择4个毛白杨无性系1316、BT17、B331、S86的2龄苗木(平均胸径6.1 cm，平均树高5.8 m)于2007年4月造林，造林总面积1.21 hm²，株行距为4 m × 3 m(造林密度平均为1 270株·hm^-2)，每个小区的面积为252 m²，小区间设有保护行，林间无间作作物，每年3月份进行耕地松土1次。试验肥料选用的氮肥品种为尿素(含N46%)、磷肥品种为过磷酸钙(含P₂O₅为16%)、钾肥品种为硫酸钾(含K₂O为50%)。

1.3 试验设计

试验采用裂区设计，设水、氮两因子，主处理为田间持水量水平，副处理为施纯氮量。氮肥(按纯氮量计算)设4个水平: N0、N80、N160、N240，分别为0、66.64 kg·hm^-2 (每株80 g)、133.28 kg·hm^-2 (每株160 g)、199.92 kg·hm^-2 (每株240 g)。田间持水量划分3个水平: W45、W60、W75，分别指维持田间持水量(field capacity，FC)的45%、60%、75%以上水平，水肥试验共设12个处理，3次重复，共计36个小区。每个小区内栽植4个毛白杨无性系，每个无性系栽植2行，每行4株。磷、钾肥以底肥的形式施用，P肥按P₂O₅计算，用量为66.64 kg·hm^-2 (每株80 g)，K肥按K₂O计算，用量为33.32 kg·hm^-2 (每株40 g)，各个小区磷钾肥施用量一致。

1.4 施肥时间及施肥技术

自2007年造林起至2016年，每年分别在4月末和6月末分2次连续施肥。氮、钾肥同时施入，4月末施入肥料的1/3，6月末施入其余的2/3，磷肥在4月末和6月末分2次等量施入。施肥方法采用穴施，在每个小区内沿着沟方向每棵杨树两侧各挖1个20~30 cm深的穴，穴与树干的距离为20~ 30 cm，施肥后立即覆土、灌水，维持田间持水量为试验设计梯度值以上。

1.5 水分测量及管理

用ML2x土壤水分测量仪监测土壤含水量，测定时每个水氮处理小区分别选择3株样木进行测定，取平均值，在距离供试样木20 cm深的土层处测定土壤水分，得到土壤体积含水率，根据公式“土壤密度=体积含水率/质量含水率”换算得到质量含水率。若每个小区内的含水量低于试验设计的水分值，则进行灌溉补充水分，测定每隔3天进行1次，每次测定均在上午10: 00进行。

1.6 生长测量与计算

在每个水氮处理小区4个毛白杨无性系中的全部杨树，从2007年造林开始到2016年11月初待树木生长停止时，于每年的4月和10月分别用测高仪、胸径尺对不同处理的4个毛白杨无性系全部杨树进行树高和胸径的测量。毛白杨材积计算公式采用中华人民共和国农林部颁发的部标准(LY208-77)。公式为：V=0.000 065 678 245·D ^{1.941 062 6}H^{0.849 290 86}。D和H分别代表2016年10月树木停止生长时的胸径和树高。测定每个水氮小区里面4个无性系的各8株的单株材积以后换算成平均木的单株材积，再用该平均木的单株材积乘以每公顷面积上株数计算毛白杨林分蓄积量。

y=V ×每公顷立木株数。

式中: V为平均单株毛白杨立木材积量(m³); H为树高(m); D为胸径(cm); y为毛白杨林分蓄积量(m³·hm^-2)。

2 结果与分析 2.1 长期水氮耦合下毛白杨人工林蓄积量

对位于河北省威县苗圃内毛白杨人工林进行连续10年水肥耦合试验，林地单位面积上林分蓄积量见图 1。长期水氮耦合杨树人工林试验林地单位面积林分蓄积量随着生长时间的增加而逐渐增大，从2007年造林开始到2010年之间，BT17、B331、S86这3个无性系在单位面积上林分蓄积量差别不大，只有1316无性系偏小。从2010—2012年之间，杨树进入了速生期，明显可以看出4个无性系蓄积量差异，4个无性系生长速率逐渐表现出差距，S86无性系生长速度明显高于其他无性系，1316无性系生长速度明显低于其他无性系。从2012—2016年，4个无性系之间生长趋势一致，4个林分蓄积量大小排列顺序为S86＞B331＞BT17＞1316，BT17无性系在2015年时接近B331无性系。

对试验地水氮处理36个小区内4个毛白杨无性系人工林林分生长量进行统计分析，建立2016年10月不同水氮组合对无性系单位面积上林分生长量影响结果(图 2)。

根据2016年10月对试验地水氮耦合36个小区林分生长量进行科学统计分析，研究无性系(C)、土壤含水率(W)、施氮量(W)3个因素的主效应、两两之间的交互效应、三维交互效应对林分生长量的影响，研究结果见表 1。毛白杨单位面积上林分蓄积量受到3个主因素(水因素、氮因素、无性系因素)及其两两交互作用的影响极显著，氮和无性系的交互作用不显著。根据F数值大小判断出，各个因素对蓄积量的影响效果分别为：无性系＞灌溉量＞施氮量＞水氮耦合效应。根据上述结果，分别对无性系、灌溉量、施氮量、水氮耦合效应进行分析。

2.2 无性系对毛白杨林分生长量的影响

不同毛白杨无性系在不同水肥耦合处理下单位面积上林分生长量存在极显著差异(F=145.805)(表 1)。在水氮耦合处理下，BT17单位面积上林分生长量变化在130.6~221.8 m³·hm^-2之间, 平均值为183.6 m³·hm^-2(变异系数17.3%)；B331单位面积上林分生长量变化在153.4~217.2 m³·hm^-2之间, 平均值为280.5 m³·hm^-2(变异系数14.6%)；S86单位面积上林分生长量变化在164.7~273.1 m³·hm^-2之间, 平均值为222.4 m³·hm^-2(变异系数16.1%)；1316单位面积上林分生长量变化在97.0~165.0 m³·hm^-2之间, 平均值为135.0 m³·hm^-2(变异系数15.7%)。整体上4个无性系林分生长量大小为S86＞B331＞BT17＞1316, 其中最大值为S86的222.4 m³·hm^-2，是无性系1316的1.6倍，可多产出87.4 m³·hm^-2木材；是无性系B331的1.2倍，可多产出38.4 m³·hm^-2木材；是无性系BT17的1.2倍，可多产出38.8 m³·hm^-2木材。此外方差分析结果表明，S86无性系极显著高于其他无性系，1316无性系极显著低于其他无性系(图 3)。

2.3 灌溉量对毛白杨林分生长量影响

不同灌溉量之间的林分生长量存在极显著差异(F=65.589)(表 1)，平均生长量随着灌溉量的变化如图 4。林分生长量随着灌溉量的增加而极显著增加。林分生长量在W45时最小，为158.1 m³·hm^-2，在W60时增加到187.3 m³·hm^-2，在W75时最大，为198.3 m³·hm^-2。

水分作为毛白杨生长过程中的关键因子，对毛白杨林分生长量具有重要影响。本研究发现，提高灌溉量能显著提高单位面积上的毛白杨林分生长量，如果将灌溉量由45%提高到60%，林分生长量将提高18.5%，如果继续提高土壤含水率到75%，林分生长量将提高25.4%。显著性结果说明，W240与W160和W80均为差异极其显著，W160和W80差异也为极其显著水平。

2.4 施氮量对毛白杨林分生长量的影响

不同施氮量的林分生长量存在极显著差异(f=54.109，表 1)，平均生长量与施氮量的变化趋势见图 5。林分生长量随着施氮量的增加而极显著增加，在n0水平为149.3 m³·hm^-2，在n80水平为185.9 m³·hm^-2，n160水平为192.8 m³·hm^-2，n240水平为197.0 m³·hm^-2。

施氮量是毛白杨林分生长量的重要影响因素，试验设计水平内提高施氮量可大幅提高林分生长量，若施纯氮每株80 g，将比不施氮林分提高生长量24.5%，若继续提高施氮量到每株160 g，将比不施氮提高林分生长量29.1%，若继续提高施氮量到每株240 g，将比不施氮提高林分生长量32.0%。N0和N80处理都是极显著低于N240施氮量。

2.5 水氮耦合效应对毛白杨林分生长量的影响

水氮交互作用对毛白杨单位面积上林分生长量影响显著结果见表 1(F=3.083，P＜0.01)，进一步使用Duncan方法比较分析得到水氮耦合组合对无性系平均林分生长量的影响如表 2所示。不同水肥耦合处理对应毛白杨单位面积林分生长量为：W75N160＞W75N240＞W75N80＞W60N240＞W60N160＞W60N80＞W45N240＞W45N160＞W45N80＞W60N0＞W75N0＞W45N0。最大生长量为W75N160的219.3 m³·hm^-2，比最小生长量W45N0高出80.6 m³·hm^-2，提高了58.1%。W75N80和W75N0、W60N160、W60N80、W60N0差异不显著，但是W75N80极显著高于其他组合；W45N0、W45N80、W45N160均极显著低于W75N160。

3 讨论 3.1 无性系

无性系选取是人工杨树林培育的一个重要方面(Benoit et al., 2012；Johansson et al., 2011; Christersson et al., 2010)，毛白杨无性系之间生产力存在较大差异(许兴华等，2006)。研究表明，无性系S86 10年平均年生产力水平(12个水氮组合处理下均值)在4个无性系(BT17、B331、S86、1316)之中是最高的，达到23.9 m³·hm^-2, 比BT17 (16.9 m³·hm^-2)，B331 (19.2 m³·hm^-2)，1316 (13.1 m³·hm^-2)分别高41%、25%、83%。Truax(2012)对加拿大魁北克省8个不同地区5种杨树无性系8年生长研究表明，在Bedford地区，5个不同杨树杂交无性系年生产力水平最低为M×B-915311的17.0 m³·hm^-2，最高为N×M3729的26.3 m³·hm^-2，平均年度生产力水平达21.65 m³·hm^-2，而在Stornoway地区，5个不同杨树杂交无性系年生产力水平最低为D×N-3570的0.3 m³·hm^-2，最高为M×B915311的4.9 m³·hm^-2，说明同一地区不同无性系年生产力水平的确存在差别。Fortier等(2010)研究发现，6年生5个杨树无性系年生产力水平最低为无性系3570的14.3 m³·hm^-2，最高为3729无性系的22.4 m³·hm^-2，说明5个无性系年生产力水平也具有较大差异。本研究表明，毛白杨无性系在不同施肥和灌溉条件下单位面积上林分生长量有差异，S86无性系对高水肥处理具有较好的蓄积量响应，1316无性系则具有较差的蓄积量响应，这可能是S86无性系比较适合该地区的水肥条件，而1316不适合该地区的水肥条件。方升佐(2008)结合中国各区域杨树人工林的主栽无性系(品种)和形成的产量差异(李爱民等，2005；鲍甫成等，2005；王力，2000)数据认为，中国杨树因分布区域差别而导致年生产力水平在9.0~30.0 m³·hm^-2之间，而本试验最优无性系S86于10年长期水氮组合处理下生产力水平达到23.9 m³·hm^-2，因此认为S86是该地区进行杨树人工林经营高水肥条件下优先考虑的无性系(品种)。

3.2 灌溉量

水分是树木生长所必需的条件，在林木整个生长过程中，水分不仅与树木生长速率有关，还影响林木对矿质元素的吸收。林地水分供应不足，林木生长就会受到不同程度的限制，林地生产力逐年下降(孙向阳，2005)。土壤含水量在杨树生长过程中作为可控条件具有重要作用，因此灌溉作为提高杨树人工林产量的重要措施而广泛应用(Xi et al., 2016；Dong et al., 2011)。本研究表明，灌溉量对4个毛白杨无性系林分生长量的影响均达极显著水平，林分生长量随着田间持水量的增加而极显著增加，且水分是影响4个毛白杨无性系林分生长量的权重高于施氮量(根据F值大小判断)，这与王力等(1997)、孙兆地等(2010)、董雯怡等(2010)的研究结果一致。本研究还发现，10年间，维持田间持水量75%灌溉量对应林地总生长量为161.7 m³·hm^-2，60%田间持水量对应林地总生长量是152.6 m³·hm^-2，而45%田间持水量对应林地总生长量是123.8 m³·hm^-2。以田间持水量的75%为临界值进行灌溉比临界值为45%能增加林分生长量25.4%，比临界值为60%能增加林分生长量23%。以上结果说明增加灌水量能显著提高林分生长量，且以田间持水量的75%为临界值进行灌溉结果优于其他灌溉量。笔者对比王文全等(2001)在卫东林场进行8年杨树人工林(株行距3 m ×8 m)灌溉试验结果发现，以灌溉量70%田间持水量8年获取的材积约为180 m³·hm^-2，合计23 m³·hm^-2a^-1，而笔者以灌溉量75%和60%田间持水量8年获取的材积分别为161.4和152.2 m³·hm^-2，分别对应20.2 m³·hm^-2a^-1和19.1 m³·hm^-2a^-1，这说明田间持水量60%及以上进行灌溉可以获取较高的单位面积材积。郭惠清等(1998)通过盆栽试验研究发现，幼林杨树进行灌溉试验时，田间持水量65%对林木生长是一个临界值，如果低于这个临界值将会显著影响杨树的生理指标及生长量。笔者认为在对杨树人工林进行水分灌溉管理措施时候，应该设置田间持水量75%以上作为灌溉临界值，同时灌溉临界值应考虑造林地区的环境条件、造林密度、林龄等因素，从而达到对地区杨树科学精准灌溉的目标。本研究还发现，从田间持水量45%水平到田间持水量75%水平经过2次提高15%灌溉量，林分生长量上升的幅度分别是25.4%，18.5%，这说明随着灌溉量增加，林分生长量在经过15%灌溉量提升以后，单位面积上林分生长量的增加量并不是线性关系增加的，而是逐渐减小的趋势，这符合植物营养学的报酬递减律。

3.3 施氮量

氮在施肥过程中对杨树的生长影响最大(Dong et al., 2011;赵燕等，2010；刘寿坡等，1988；姜岳忠等，2004；Fortier et al., 2010)。本研究发现，杨树在高施氮量和低施氮量条件下对应的单位面积上林分生长量是有差异的，随着施氮量等量增加，单位面积上林分生长量增加不等，这可能是因为杨树生长期间在不同施氮量条件下对氮元素吸收和利用效率不一样。何应同等(1998)在江汉平原杨树人工林粘湿土壤上单施氮肥(400 kg·hm^-2)比不施肥对照林分蓄积量提高63.4%~80.9%, 冲积土上以施氮200 kg·hm^-2+100 kg·hm^-2 P₂O₅ 5年内提高林分生长量50%，湖区沉积土上以施N 100 kg·hm^-2+100 kg·hm^-2P₂O₅提高林分生长量35%。其中第三试验区(高肥力)施氮量100 kg ·hm^-2在5年获取的生长量数据为140 m³·hm^-2，年生产力为28 m³·hm^-2a^-1，而第一试验区(低肥力)施氮量400 kg·hm^-25年获取的生长数据为72.16 m³·hm^-2，均值为14 m³·hm^-2a^-1，这说明施肥量与地区的肥力等级及肥料利用效率有很大的关系。结合本试验结果，杨树人工林施氮量范围应在100~400 kg·hm^-2，这与很多研究结果相符合(陈宏玲等，2006；何应同等，1998；董雯怡，2010；孙兆地，2012；Richard，1987；Mclaughlin，1987)。本试验地为华北平原地区，土壤类型沙壤土，养分含量偏低，因此施氮量为304.85 kg·hm^-2在这个区间中等偏上水平是符合实际的，综合该地区认定施氮量300 kg·hm^-2是可接受，这与孙兆地等(2012)、任忠秀等(2011)的研究结果相似。本研究结果建议华北地区杨树人工林单位面积上施肥量范围是在100~400 kg·hm^-2，且施肥量应当根据试验地区肥力等级状况进行加减，从而达到精准施肥。

3.4 水氮耦合效应

土壤水分条件对养分(肥料)的吸收、淋溶和损失有明显的影响作用(任忠秀等，2010；董雯怡等，2010)，土壤供水条件在一定范围内，肥料利用率与供水量成正比，水分含量超过一定限度后肥效反而下降。这说明水分和肥料存在合理的耦合区，在这个区间才能发挥最优的水和肥料效果，在这个区间内水分促进毛白杨林木根系生长，增加根系吸收能力和增大根系吸收养分表面积(Yadav et al., 1998)，同时施肥能提高土壤水势和土壤水分的有效性，使植物周围的无效水变成有效水，从而使植物吸收更多的水分，间接促进对养分的吸收(赵立新等，1991；Aujla et al., 2007)，从而达到水肥耦合的效果。由此可见, 土壤、水、生物量之间相互作用, 存在协同、叠加和拮抗效应()。本研究发现，不同水氮组合下毛白杨平均年生产力水平有所不同，最高组合为W75N160，4个无性系林分生长量平均为219.3 m³·hm^-2，最低为W45N0组合，林分生长量为138.7 m³·hm^-2, W75N160组合年生产力水平比W45N0组合高出50%以上。因此，水、氮两因素间存在显著的交互作用，4个毛白杨无性系林分生长量达到最大值时的最佳水氮组合均出现在高水、高氮的水平上，这说明水氮耦合效应对4个毛白杨无性系林分生长量有较好的正效应。这与任忠秀等(2011)、孙兆地等(2012)在该地区试验结果相同。王力等(2000)、董雯怡等(2010)研究杨树人工林进行灌溉和施肥试验也证明水氮耦合促进了杨树生长，综合认为水氮耦合效应是正效应，且促进了杨树的生长。

4 结论

在威县地区，S86无性系在4个无性系(BT17、B331、S86、1316)之中是适宜该地区快速生长的毛白杨无性系，以田间持水量75%以上和施氮量每株160 g作为速生丰产的毛白杨无性系水氮条件能够获得较高的生长量，水氮耦合效应对杨树人工林林分生长量具有促进作用。在相近地区进行杨树人工林速生丰产林培育时应优先考虑S86无性系，水氮条件建议参考田间持水量75%以上和施氮量每株160 g。

杨树速生丰产人工林栽培的过程中受到无性系(品种)，实验地条件，造林密度、林龄、水分和肥料管理措施等各方面的影响，应当在保证优质无性系和合理造林密度的情况下，科学补充林地土壤养分，最大限度地发挥林地土壤水分的潜力，实现水肥两因素的最佳耦合。