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薄壳山核桃(Carya illinoensis) 为胡桃科(Julandaceae)山核桃属(Carya Nutt.)[1-3]，又名美国山核桃、长山核桃，是世界著名的干果油料树种之一。果实种仁富含脂肪酸和蛋白质，种仁含油率51.57%~69.47%，是集社会、经济和生态三大效益于一体的优良经济树种[4]。目前，我国薄壳山核桃种植面积在迅速扩大，但由于林农在薄壳山核桃幼林期缺乏管理，施肥不合理，导致树体生长缓慢，进入挂果期等待时间较长，不利于产业的健康发展。合理的配比施肥能促进植物快速生长和干物质积累，不同配比的氮磷钾施肥也会对作物的生长和产量产生影响[5]，程勇等[6]研究表明，氮磷钾配比施肥能显著促进青冈栎的幼苗生长，且氮肥和磷肥起主要作用；张明月等[5]研究表明，不同氮磷钾配比施肥对罗汉松幼苗的高生长和地径生长影响显著，其中氮肥的影响最大，磷肥次之，钾肥影响最小；张秀志等[7]研究表明，有机肥配施后能显著增加土壤有机质，速效氮、磷、钾质量分数，提高土壤肥力。
土壤速效氮、磷、钾是能够被植物根系直接吸收利用的养分，能够促进植物生长发育[8]。氮磷钾无机肥能够快速补充土壤养分元素，提高土壤肥力[9]。土壤酶直接参与土壤中物质的转化、养分释放和固定过程，与土壤供肥密切相关[10]，两者存在一定的相关关系[11]。土壤酶的活性是土壤肥力的重要指标[12-13]，土壤酶通过催化土壤基质转化进程释放出大量可溶性养分，直接或间接参与土壤养分循环过程[14]，提供植物积累干物质所需的元素与能量，影响着整个根际生态系统的稳定性[15]。施肥增加了土壤外源养分投入，改善了土壤结构和养分状况，促进土壤养分循环转化，从而提高土壤有效养分含量[16]，改善了土壤微生物活动环境，促进土壤微生物活动和繁殖，进而提高土壤酶活性，也会导致土壤有效氮磷钾养分的流失[17]；马群等[18]研究表明，生物炭与有机无机肥配施可显著提高土壤养分含量和土壤蛋白酶与蔗糖酶活性；余高等[19]研究了不同施肥对幼龄柑橘园土壤养分和酶活性的影响；余春和等[20]研究了土壤养分和酶活性间的相关性。已有相关施肥研究[21-23]主要针对薄壳山核桃苗期生长的影响，但关于薄壳山核桃幼林施肥后对土壤养分及土壤酶活性的影响鲜有报道，本研究通过正交设计研究不同施肥配方对薄壳山核桃幼林植株生长发育、叶片养分积累、土壤养分含量及酶活性的影响，探索影响幼林生长发育的主要肥料种类及最优施肥水平组合，为幼林快速生长发育提供合理施肥配方，促进幼林快速成林并进入挂果期。
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试验地位于京山市虎爪山林场，处于鄂中丘陵至江汉平原的过渡地带。地理坐标为：112°43′—113°29′E，30°42′—31°27′N。属北亚热带季风气候区，年平均气温16.3 ℃，极端最高气温40.3 ℃，极端最低气温-6.2 ℃。无霜期223~243 d，年均太阳辐射总量108~110 kcal/cm2，日照总时数1 970.5 h，日照百分率46%。年平均降水量117 mm，夏季降水量约占全年的41%~45%，冬季占7%~8%，春季占28%~32%，秋季占18%~20%，年降水日数104~130 d，主要集中在春季和梅雨季节。试验地为低丘岗地，以砂壤土为主，土壤养分质量分数分别为：碱解氮90 mg/kg，有效磷6.28 mg/kg，速效钾186 mg/kg，有机质17.1 g/kg，pH值为5.52。
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以薄壳山核桃‘波尼’品种为供试材料，该试验林2017年3月按株行距6 m×8 m栽植，从试验林中选取3.0~3.5 cm茎粗、2.0~2.5 m树高、(2.0~2.5) m×(2.0~2.5) m冠幅基本一致的幼树32株。林地日常管理主要采取除杂、施肥、灌溉及病虫害防治等措施。
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采用3因素4水平L16(3)4正交试验设计，共16个处理，各因素各水平具体如表 1所示。每处理3株，共48株。试验采用的肥料种类及规格为：尿素含N 46.9%、过磷酸钙含P2O5 12%、氯化钾含K2O 60%，按L16(3)4正交设计配制16个处理所需肥料，每个处理2份。2022年3月上旬布置试验，施肥时在树冠两侧沟施，沟深30 cm，沟宽20 cm，沟长1.5 m，肥料充分混匀，均匀撒施，覆土比土面略低。
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试验施肥前测定供试植株树高和茎粗，2022年11月上旬再次测定树高和茎粗；树体落叶前采集各试验处理叶片，每个处理采取双株混合叶片；土壤取离树体主干30 cm处0~20 cm土层样本1 kg，清除表层落叶、石砾等杂质，用以测定土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质及土壤酶活性。树高和茎粗增长量为前后两次测量差值，叶片全氮、全磷、全钾采用《森林植物与森林枯枝落叶层全氮、磷、钾、钠、钙、镁的测定》(LY/T 1271—1999)测定，土壤酶活性参照文献[24]中的方法进行测定，其中脲酶活性采用苯酚钠—次氯酸钠比色法测定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定。土壤水解性氮测定采用《森林土壤氮的测定》(LY/T 1228—2015)标准，有效磷测定采用《森林土壤磷的测定》(LY/T 1232—2015)标准，速效钾测定采用《森林土壤钾的测定》(LY/T 1234—2015)标准，有机质测定采用《森林土壤有机质的测定及碳氮比的计算》(LY/T 1237—1999)标准。
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采用正交试验的极差分析法，确定因素主次及各因素最优水平组合。
1.1. 试验地概况
1.2. 试验材料
1.3. 试验方法
1.4. 测定指标
1.5. 数据与分析
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由表 2可知，16个施肥配方处理后树高增长量较大的是处理6、7、11、14和16，增长量为1.52~1.78 m，影响树高增长量大小的肥料主次顺序为：尿素、氯化钾、过磷酸钙；茎粗增长量较大的是处理1、7、14、15、16、6和12，增长量为20.26~24.42 mm，影响茎粗增长量大小的肥料主次顺序为：尿素、氯化钾、过磷酸钙。综上可知，3种肥料对树高增长量和茎粗增长量影响主次顺序均为：尿素、氯化钾、过磷酸钙，最优水平组合均为：尿素0.45 kg/株+过磷酸钙1.71 kg/株+氯化钾0.28 kg/株。
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由表 3可知，16个施肥配方处理后薄壳山核桃幼林植株叶片养分全氮质量分数以处理8、9、3、4和10较高，其中处理8叶片全氮质量分数最高，达22.2 g/kg，影响叶片全氮质量分数高低的肥料主次顺序为：氯化钾、尿素、过磷酸钙；叶片全磷质量分数以处理3、4、8、15和13较高，其中处理3最高，达1.27 g/kg，影响叶片全磷质量分数高低的肥料主次顺序为：尿素、氯化钾、过磷酸钙；叶片全钾质量分数以处理6、13、1和3较高，其中处理6最高，达15.9 g/kg，影响叶片全钾质量分数高低的肥料主次顺序为：氯化钾、过磷酸钙、尿素。综上可知，对叶片全氮、全磷、全钾质量分数影响的肥料主次顺序为：氯化钾、尿素、过磷酸钙，最优水平组合为：尿素0.11 kg/株+0.85过磷酸钙kg/株+氯化钾0.46 kg/株。
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由表 4可知，16个配方施肥后薄壳山核桃幼林土壤有效氮质量分数较高的是处理11和12，有效氮质量分数达112.0 mg/kg，影响有效氮质量分数高低的肥料主次顺序为：尿素、氯化钾、过磷酸钙；土壤有效磷质量分数较高的是处理1、10、11、12和16，其中处理1最高，达24.6 mg/kg，影响有效磷质量分数高低的肥料主次顺序为：氯化钾、尿素、过磷酸钙；土壤有效钾质量分数较高的是处理1、2、10、11和16，其中处理11最高，达481.0 mg/kg，影响有效钾质量分数高低的肥料主次顺序为：氯化钾、尿素、过磷酸钙；土壤有机质质量分数较高的是处理1、7、9、10、11和12，其中处理10最高，达37.5 g/kg，影响有机质质量分数高低的肥料主次顺序为：尿素、氯化钾、过磷酸钙。综上可知，影响土壤有效氮、磷、钾及有机质质量分数高低的肥料主次顺序为：尿素、氯化钾、过磷酸钙，最优水平组合为：尿素0.33 kg/株+过磷酸钙1.28 kg/株+氯化钾0.28 kg/株。
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由表 5可知，16个配方施肥后薄壳山核桃幼林土壤磷酸酶活性较高的是处理6、7和9，其中处理7最高，达43.2 U/g，影响土壤磷酸酶活性高低的肥料主次顺序为：尿素、过磷酸钙、氯化钾；土壤脲酶活性较高的是处理2、3和9，其中处理3最高，达805.0 U/g，影响土壤脲酶活性高低的肥料主次顺序为：尿素、过磷酸钙、氯化钾；土壤蔗糖酶活性较高的是处理1、5和11，其中处理5最高，达50.9 U/g，影响土壤蔗糖酶活性高低的肥料主次顺序为：尿素、过磷酸钙、氯化钾；土壤过氧化氢酶活性最高的是处理8，达37.3 mg/g，影响土壤过氧化氢酶活性高低的肥料主次顺序为：尿素、氯化钾、过磷酸钙。综上可知，影响土壤酶活性高低的肥料主次顺序为：尿素、过磷酸钙、氯化钾，最优水平组合为：尿素0.22 kg/株+过磷酸钙0.85 kg/株+氯化钾0.28 kg/株。
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薄壳山核桃幼林施肥后树高增长量，茎粗增长量，土壤有效氮、有效磷、有效钾、有机质，叶片氮，叶片磷，叶片钾，土壤磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性间存在一定的相关性(表 6)。树高增长量与茎粗增长量正相关极有统计学意义，树高增长量、茎粗增长量都与叶片全氮、全磷质量分数负相关极有统计学意义，土壤有效氮质量分数与叶片磷质量分数负相关极有统计学意义，土壤全氮、全磷、全钾与土壤蔗糖酶活性正相关极有统计学意义，叶片全氮质量分数与土壤过氧化氢酶正相关极有统计学意义。
2.1. 不同施肥配方对薄壳山核桃幼林生长的影响
2.2. 不同施肥配方对薄壳山核桃幼林叶片养分质量分数的影响
2.3. 不同施肥配方对薄壳山核桃幼林土壤养分质量分数的影响
2.4. 不同施肥配方对薄壳山核桃幼林土壤酶活性的影响
2.5. 指标相关性分析
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施肥对大多数树种生长有促进作用[25]，黄梅等[26]研究表明，多次注射施肥可促进薄壳山核桃树体生长，肖良俊等[27]对4年生薄壳山核桃树体施肥后，茎粗增长量最大达4.33 cm，树高增长量最大达1.58 m。本研究中，16个施肥配方对薄壳山核桃幼林植株树高生长和茎粗生长都有较大的促进作用，其中处理14树高增长量达1.84 m、茎粗增长量达23.67 mm；处理7树高增长量达1.78 m、茎粗增长量达23.99 mm，对其生长起主要作用的是尿素和氯化钾，最优施肥水平组合为：尿素0.45 kg/株+过磷酸钙1.71 kg/株+氯化钾0.28 kg/株，肖良俊等[27]研究结果显示，对树高生长起主要作用的是磷肥和氮肥，两者存在一定差异，但本研究与周樊等[21]研究结果一致，可能是由于钾肥对苗木生长有催化和协调作用，磷肥影响效果不显著。相关性分析也表明，幼林植株树高增长量和茎粗增长量与土壤有效氮、磷存在正相关，与有效钾存在负相关。
合理的氮、磷、钾配比施肥不仅能提升土壤肥力，为植物生长提供适宜的养分，还能提高果实、枝、叶的矿质养分含量[28-29]。本研究结果表明，对薄壳山核桃幼林植株叶片氮磷钾养分含量高低影响的肥料主次总体为氯化钾和尿素，过磷酸钙次之，最优施肥水平组合为：尿素0.11 kg/株+过磷酸钙0.85 kg/株+氯化钾0.46 kg/株，表明增施尿素配施氯化钾能更大程度促进树体对氮磷钾养分的吸收利用，使植株叶片矿质养分大量积累，过磷酸钙对叶片钾的积累有一定促进作用，但对叶片氮和磷的积累效果不明显，这与周维[30]研究结果中叶片养分含量随氮磷钾施入的提高而提高有一定差别，可能原因是土壤中磷已经足量，植株叶片磷元素积累达到峰值，增施磷肥效果不明显；对幼林土壤有效氮磷钾和有机质含量影响肥料主次总体为尿素和氯化钾，过磷酸钙次之，表明增施尿素和氯化钾能促进土壤有效氮磷钾养分含量提高，在幼林阶段过磷酸钙可少量施入或不施，最优施肥水平组合为：尿素0.33 kg/株+过磷酸钙1.28 kg/株+氯化钾0.28 kg/株；对幼林土壤磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性影响肥料主次总体为尿素和过磷酸钙，氯化钾次之，最优施肥水平组合为：尿素0.22 kg/株+过磷酸钙0.85 kg/株+氯化钾0.28 kg/株。李桃祯等[31]对刨花润楠配方施肥研究表明，氮肥和磷肥对土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性影响极显著，钾肥对脲酶和蔗糖酶活性影响较小，两者结论一致。陈彩虹等[32]研究表明，土壤酶活性与土壤养分间存在极显著或显著的相关关系，也有研究表明脲酶及蛋白酶活性与土壤中磷、钾的循环呈负相关[33]。本研究表明土壤脲酶与土壤有效氮及磷存在负相关，与前人研究[34]存在一定差异，这可能与树种、土壤环境等因素有关，土壤酶活性与土壤养分存在空间异质性，在不同土层、不同季节酶活性存在显著差异；土壤蔗糖酶与土壤有效氮、磷、钾存在显著正相关，这与余春和等[20]、罗亚进[35]的研究结果一致。由于本研究缺少对施肥后植株根际土壤微生物变化的探讨，未能更进一步揭示土壤酶活性变化的原因。
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不同配方施肥对薄壳山核桃生长起主要作用的是尿素和氯化钾，最优施肥水平组合为：尿素0.45 kg/株+过磷酸钙1.71 kg/株+氯化钾0.28 kg/株，树高增长量达1.78~1.84 m、茎粗增长量达23.67~23.99 mm；对薄壳山核桃幼林植株叶片氮、磷、钾养分质量分数影响的肥料主次顺序为：氯化钾、尿素、过磷酸钙，最优施肥水平组合为：尿素0.11 kg/株+过磷酸钙0.85 kg/株+氯化钾0.46 kg/株，全氮质量分数最高达22.2 g/kg，全磷质量分数最高达1.27 g/kg，全钾质量分数最高达15.9 g/kg；对幼林土壤有效氮、磷、钾和有机质质量分数影响的肥料主次顺序为：尿素、氯化钾、过磷酸钙，最优施肥水平组合为：尿素0.33 kg/株+过磷酸钙1.28 kg/株+氯化钾0.28 kg/株，有效氮质量分数为112.0 mg/kg，有效磷质量分数为24.6 mg/kg，有效钾质量分数为481.0 mg/kg，有机质质量分数为37.5 g/kg；对幼林土壤磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性影响的肥料主次顺序为：尿素、过磷酸钙、氯化钾，最优施肥水平组合为：尿素0.22 kg/株+过磷酸钙0.85 kg/株+氯化钾0.28 kg/株。
总体来说，对薄壳山核桃幼林植株生长、叶片养分积累、土壤酶及土壤有效养分质量分数影响的肥料主次顺序为：尿素、氯化钾、过磷酸钙，最优施肥水平组合为：尿素0.45 kg/株+过磷酸钙0.85 kg/株+氯化钾0.28 kg/株，由于过磷酸钙影响最小，选择最小施肥量。