基于正交试验的华北落叶松采伐剩余物处理方式优选

孙启越，姚丹阳，李秀丽，贾忠奎，刘瑞雪，梁 琪

(1.北京林业大学省部共建森林培育学科与保护重点实验室，北京100083；2.河北省塞罕坝机械林场，河北围场068466)

人工林的不合理经营会导致土壤养分下降，引发地力衰退，制约其生产力的发展.造林与采伐更新中采伐剩余物的处理是森林经营中的一个普遍性问题，如何高效地利用剩余物，促进养分归还，提高土壤肥力，改善林木生长状况，保持森林生产力是当前人工林研究的重点[1-2].目前在生产实践中多以平铺、清除、火烧等传统方法对采伐剩余物进行处理[3]，研究表明采取清除和火烧采伐剩余物的方法会使土壤损失大量养分，对人工林的长期生产力不利[4-8]，而保留采伐剩余物能够截留吸收降雨，提高土壤渗透性，避免林地发生严重水土流失，还可以改善林地土壤肥力，从而有利于幼林成活生长[9-11].因此，研究处理采伐剩余物的最佳方式，对促进林地养分循环，维护人工林地力具有重要意义.

华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）为我国北方地区主要造林树种，在我国的用材林发展、生态系统改善、水土流失防治等方面发挥着巨大作用.有研究指出其人工林随着连栽代数的增加，已经出现明显的地力衰退和生产力下降的问题[12-13].落叶松人工林采伐剩余物分解缓慢，导致养分释放和循环速率较慢，影响土壤肥力.加速采伐剩余物分解，提高土壤肥力，是解决目前华北落叶松人工林生产力下降问题的重要途径.

有研究指出，粉碎处理可加快剩余物分解，促进土壤养分归还[14-15].此外，凋落物分解和园林废弃物堆腐的研究表明添加适量氮源、木醋液和菌剂等措施可促进其分解、腐熟，增加营养物质，促进植物生长[16-22].这些研究也可应用到剩余物处理上，使其处理方式趋于多样化.然而关于确定剩余物最佳处理措施的研究还很少，各处理措施的合理水平尚不明确.本试验在尹欢宇等[23-24]有关剩余物处理的研究基础上，采用正交设计，研究不同处理组合对采伐剩余物分解率、土壤肥力及幼林生长的影响，为优选剩余物处理方式提供依据.

1 试验地概况

试验地位于河北省承德市塞罕坝机械林场总场阴河林场西部月牙南岔（42°02′N，116°05′E，海拔1600 m），地形以丘陵、曼甸为主.林区属寒温带大陆性季风气候，气候寒冷，冬季长，春秋短，夏季不明显，年平均气温-1.5℃，年平均降水量530.9 mm，年平均蒸发量1388 mm，结冻期180 d，无霜期60 d左右.林区土壤类型主要为山地棕壤，森林覆盖率达80%，优势树种为华北落叶松.本试验在阴河林场7年生华北落叶松人工林内进行，试验地林分于2009年春在采伐迹地进行植苗造林.选择幼龄林作为试验林分是因为相比近熟林和成熟林，幼树生长对不同处理的响应更加灵敏，在较短时期内反映剩余物处理对林分生长影响的效果更好.试验地林分基本情况见表1.

表1 试验地林分基本情况Table 1 General condition of experimental site

2 研究方法

2.1 试验材料和设备

氮源选用河北省承德市围场县富兴牌尿素，菌剂为密码生物有限公司生产的EM菌，木醋液由俍顼实业（上海）有限公司生产，粉碎机选用维邦园林的粉碎机（FS1024H）.

2.2 正交试验设计及试验方法

尹欢宇等[23-24]的研究以清除剩余物为对照，以传统处理方式平铺、带状堆放与粉碎处理为基础，将外施氮源、EM菌和木醋液应用到剩余物处理上，得出粉碎剩余物＋氮源＋EM菌＋木醋液的处理方法更有利于剩余物分解、土壤肥力和林木生长提高，但是各处理没有设置不同水平，没能考虑剩余物粉碎的最佳颗粒直径，氮源、EM菌、木醋液的最佳浓度和施用量.本试验在此基础上，沿用粉碎剩余物＋氮源＋EM菌＋木醋液的处理模式，将收集好的采伐剩余物粉碎成不同颗粒直径，向剩余物颗粒中添加不等量的尿素，按不同剩余物与EM菌的体积比添加不等量的EM菌液（100 g红糖用热水溶解，冷却后加入50 g EM菌，定容至10 L，培养48 h），再添加不同稀释倍数的木醋液原液，采用4因素5水平L25（54）的正交试验设计进行试验，在一个生长季内测定剩余物分解率、土壤有机质、养分含量变化，同时观测林木生长状况，在25种处理中筛选较优处理组合.试验设计的因素和水平见表2.

2016年5月在试验林分内进行样地的布设，共布设25块试验样地（10 m×10 m），编号1～25，对应1～25号处理组合.将重量为20.00 g并按L25（54）正交设计进行过不同处理的剩余物装入袋，放置在对应样地内，于2016年10月取回剩余物袋，用烘箱烘干，称重后计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表示剩余物残留重量（g）.

布设剩余物袋的同时也将进行过对应不同处理的等量剩余物混匀平铺于每块样地中，于2016年5月和10月进行土壤采样，在每块样地中选取5个点，取0～20 cm土层土壤，混合，经风干、过筛后测定其有机质含量、全氮含量、全磷含量及速效钾含量.有机质采用重铬酸钾氧化—外加热法；全氮、全磷用连续流动分析仪法；速效钾测定用火焰光度计法.由于本次试验周期较短，故不讨论土壤物理性质的变化.于2016年5月和10月对样地内华北落叶松进行每木检尺，记录树高、地径，并用普雷斯勒公式计算生长率.

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

2.3 数据处理

使用Excel 2013对数据进行整理和计算；使用SPSS 19.0进行方差分析（ANOVA），对2016年5月和10月的试验结果及各处理组合的试验结果进行差异显著性检验，差异显著时用LSD法进行多重比较.用R对7个研究变量结果做主成分分析，求相关矩阵的特征值，计算方差贡献率，确定主成分个数（m），以各主成分对原指标的载荷系数为权，将各主成分表示为原指标的线性组合：

以各主成分方差贡献率为权，将其线性组合得到综合评价函数：

最终计算各处理组合的综合得分，按绝对值大小将名次排序，从而筛选出较优剩余物处理组合.

3 结果与分析

3.1 剩余物分解率的试验结果分析

试验结束时，对不同处理的剩余物残留质量进行比较，经方差分析，5月和10月的剩余物质量存在显著差异（P＜0.05），且不同处理间的剩余物残留质量差异显著（P＜0.05）.由剩余物残留质量计算平均分解率，取平均分解率排在前5的处理，结果如表3所示.可以看出，促进剩余物分解的最佳处理组合是7号，剩余物分解率为18.70%，是分解率最小处理（23号）的2.4倍.其后分别是4、9、10、8号处理，平均分解率达到 17.18%～18.48%，与 7 号处理平均分解率的差异并不显著（P＞0.05）.在前5 名的处理中，7、8、9、10 号处理的粒径均为0.1≤φ＜0.3 cm，可见颗粒直径最小（φ＜0.1 cm）的处理其分解率不一定最大，这可能是由于粒径过小导致与溶液混合装入袋中后过于潮湿，使颗粒粘结在一起，影响了分解.

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

3.2 土壤肥力变化的试验结果分析

方差分析结果显示至试验结束时，反映土壤肥力的数据终值与本底值差异显著（P＜0.05），且不同处理间土壤有机质含量、土壤全氮、全磷、速效钾含量的变化量差异显著 （P＜0.05），说明不同的处理对土壤肥力产生了显著影响，且有效的处理可以促进养分的归还.取土壤有机质、全氮、全磷、速效钾增加量排名前5的处理，结果见表4.可以看出，4和7号处理的有机质含量变化量最大，分别达到了9.97和9.94 g·kg-1，与其他处理下的变化量差异显著（P＜0.05）；10号处理的土壤全氮含量变化量最大，为1.54 g·kg-1，其后是 4、7 和 6 号处理，全氮变化量分别为 1.35、1.34 和 1.33 g·kg-1；土壤全磷含量变化量最大的处理是 4 号，为 0.84 g·kg-1，其后是 7 和 2 号处理，全磷变化量分别为 0.82 和 0.81 g·kg-1；5、7 号处理的土壤速效钾含量变化量最大，分别为0.36和0.22 g·kg-1，与其他处理的变化量差异显著（P＜0.05），第3是4号处理，变化量为0.16 g·kg-1.由以上结果发现4和7号处理的各项指标增加量均排在前3，可以认为4和7号为改善土壤肥力的较优组合.

研究表明采伐剩余物中含有大量有机物质和养分，将剩余物保留在林地可以提高土壤渗透性、增加土壤养分含量从而改善林地土壤肥力[25-26].由此可见剩余物的分解过程直接作用于土壤，土壤质量随着剩余物分解率的增大而提高，而本文试验结果指出4和7号处理对促进剩余物分解的效果最明显，同样对改善土壤肥力最为有利，验证了上述观点.

表4 不同处理下土壤有机质、全氮、全磷、速效钾含量变化量1)Table 4 Changes on soil organic matter， total N， and total P， available K content under different treatments

3.3 林木生长状况的试验结果分析

方差分析结果显示两次测量时间的林木树高、地径数据的差异显著（P＜0.05），至试验结束时，不同处理间的树高、地径生长率也具有显著差异（P＜0.05），分别取树高、地径生长率各自排在前五的处理，结果见表5.可以看出3、4、5、10 号处理的树高生长率达到24.99%～25.74%，与其他处理差异显著（P＜0.05），其中最佳处理组合为4号，是生长率最低的处理（20号）的1.46倍；2、4、6、7号处理的地径生长率为35.71%～36.05%，与其他处理差异显著（P＜0.05），最佳处理组合同样为4号，是生长率最低的处理（11号）的3.93倍.综合比较树高、地径的变化情况，认为4号处理对促进林木生长较为有利，其次是7和10号处理，这与上文剩余物分解率与土壤肥力变化的试验结果较一致.此外由树高、地径生长率数据可以看出华北落叶松正处于高速生长阶段，考虑到剩余物分解促进土壤肥力提升再反映到对林木生长的影响结果存在一定滞后性，因此林木生长对剩余物处理的响应仍需较长时间的观测.

3.4 剩余物处理效果综合评价

剩余物分解率与土壤肥力及林木生长的各个指标间联系较紧密，采用单一指标来评价某个处理组合的优劣不具有说服力，因此采用主成分分析的方法对各处理组合进行综合的评价.由上文试验结果可知剩余物处理对剩余物分解率（X1）、土壤有机质含量（X2）、土壤全氮含量（X3）、土壤全磷含量（X4）、土壤速效钾含量（X5）、树高（X6）、地径（X7）等7个指标产生了显著影响，对这7个指标变化量的数据进行标准化，求标准化数据的相关系数矩阵如表6所示，可以看出各指标间具有较强的相关性，进行KMO和Bartlett检验，得出KMO值为0.836，说明适合做主成分分析.根据主成分分析结果，提取前4个主成分，累积贡献率超过80%（表7），并由载荷矩阵得到各主成分得分计算公式（*指标准化后的结果）：

从公式中可以看出主成分C1在剩余物分解率、全氮、树高变量上的载荷较大；C2在速效钾变量上的载荷较大；C3在有机质、全磷变量上的载荷较大；C4在地径变量上的载荷较大.4个主成分可以完整地解释7个变量的信息.以各主成分的方差贡献率为权，得到综合得分的计算公式：

各处理的综合得分情况如表8所示.结果显示，7号处理总得分为-2.26，排名第一，其次为4号处理，为-2.19，且与其他处理分值差别较大，认为4和7号处理为促进剩余物分解、提高土壤肥力和促进林木生长的较优处理组合，这也与上文的试验结果一致.4号处理的各因素水平分别为：颗粒直径φ＜0.1cm、尿素溶液9 kg·m-3、EM菌与剩余物体积比1∶750、木醋液稀释800倍；7号处理的各因素水平分别为：颗粒直径0.1≤φ＜0.3 cm、尿素溶液3 kg·m-3、EM 菌与剩余物体积比1 ∶500、木醋液稀释800倍.

表5 不同处理下林木树高和地径生长1)Table 5 Growth rates of tree height and ground diameter under different treatments

表6 变量间的相关系数1)Table 6 Correlations between variables

表7 各主成分的特征值和累积贡献率Table 7 Eigenvalues and accumulative contributions of principal components

4 结论与讨论

本试验结果表明较小尺寸（颗粒直径0.1≤φ＜0.3 cm）的处理剩余物分解效果更好，养分释放量更大，较小粒径水平的剩余物与外界接触面积更大，透水性更好，更有利于分解，促进养分释放和土壤质量的提升，这与Fahey et al[27]的研究结果一致.尺寸过小（颗粒直径φ＜0.1 cm）的剩余物颗粒在混合了尿素、EM菌等溶液后容易粘结，与外界接触面积反而变小，不利于发挥与尿素、菌剂和木醋液的协同作用，因此出现了粒径最小的组合处理效果并不是最好的结果.但这两个径级处理下剩余物分解率及土壤养分变化差异并不显著，说明这种影响较小，我们仍然认为＜0.3 cm为较优剩余物粒径水平.

表8 各处理综合得分Table 8 Comprehensive scores for each treatment

在森林生态系统中，林地残落物是土壤微生物摄取营养和能量的来源[28]，矿质土层的碳和氮主要来源于微生物对凋落物和采伐剩余物的降解过程[29].有研究表明在分解过程中分解对象氮元素含量越高，微生物的生命活动性越强，分解速率越快[30-31].而谢兆森等[16]关于外施氮源对木屑腐熟的影响的研究结果表明，在一定范围内，木屑腐熟程度随外施氮源增加而增大，超过这个范围后木屑的营养元素含量出现降低.由此看来并不一定是施氮量越大土壤肥力的提升就越大，适量的氮元素可以促进剩余物的分解，但尿素浓度过高可能会对土壤微生物活动有所抑制，从而间接影响土壤肥力.本试验中，中度的尿素溶液（3～9 kg·m-3）对剩余物分解和土壤养分增加有较好的促进作用.在这个范围中较高的尿素浓度将来是否会对剩余物的分解及土壤质量产生不利影响仍待进一步的观测.

本试验结果表明多处理混合作用比单一作用效果要好，即在粉碎剩余物的基础上添加适量的尿素、EM菌和木醋液对剩余物分解、土壤肥力提升有协同作用，中度的剩余物与EM菌体积比（1∶500～1∶750）和中度及较低浓度的木醋液（稀释400～800倍）是处理剩余物的较优水平，这与田赟等[20]、吴晓春等[32]的研究结果相似.添加菌剂可能会导致氮的流失，但外加一定浓度的木醋液能有效地弥补这种损失，且适当的尿素和木醋液可以加速剩余物分解腐熟.有研究发现较低浓度的木醋液有利于微生物的繁殖和成长，也可促进植物的生长，高浓度的木醋液可能对微生物有抑制作用[33-35]，本试验结果表明EM菌的施用量最大及木醋液浓度最大处理对剩余物分解及土壤肥力的促进作用显著小于中度的处理.综合考虑本试验结果和前人研究，认为适量地添加菌剂和木醋液可以和尿素一起促进剩余物分解，施用浓度过高得到的效果并不好.

本试验中4号和7号的处理效果较优，在5个月内剩余物分解率达到18.48%～18.70%，土壤有机质、全氮、全磷、速效钾含量分别提高 19.53%～22.30%、69.79%～78.49%、65.08% ～75.68%、40.74%～66.67%，树高和地径生长率达24.89%～25.74%、35.99%～36.05%，凋落物分解率、土壤养分增加量和林木生长量显著高于其他处理组合.因此在生产实践中我们建议将采伐剩余物粉碎成较小的颗粒，采用外施适中浓度的尿素、木醋液及适量EM菌的混合处理方式，对促进剩余物分解、土壤质量改善及林木生长提高的效果最为理想，给出各处理的较优水平为：颗粒直径φ＜0.3 cm、尿素溶液3～9 kg·m-3、剩余物与EM菌体积比1∶500～1∶750、木醋液稀释倍数400～800.本试验观测了在较短周期内不同采伐剩余物处理措施下林地土壤养分和幼林生长状况的变化，并初步探寻出适宜的剩余物处理方式，但土壤肥力的变化是一个长期的过程，筛选出的较优处理方式能否持续提升土壤养分仍需多个生长季的观察.