施用沼液对杨树人工林细根生物量的影响

王润松，孙 源，徐涵湄，曹国华，沈彩芹，阮宏华*

(1.南京林业大学生物与环境学院，南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037；2.江苏省东台市林场，江苏 东台 224200)

近年来，随着规模化畜禽养殖业的迅猛发展，畜禽粪便带来的环境问题日益突出[1]。沼气等厌氧发酵工程因其能够对畜禽粪便等农林废弃物进行无害化、资源化利用，得到了快速的发展[2]。但是，如何妥善处置沼液等发酵残留物成为限制厌氧发酵技术发展的瓶颈性问题[3]。农田回用是沼液普遍采用的利用方式[4]，一方面，沼液含有丰富的N、P、K等植物生长所需营养元素[5]和大量腐殖酸等有机活性物质[6]，能显著提高土壤肥力[7-8]、促进植物生长[8-10]、提高果实产量和品质[10]，且效果优于单施无机肥[9]；另一方面，施用沼液能减少化肥使用量，降低生产成本[2]，具有经济和生态双重效益。但是受到农户意愿和农田面积的限制，沼液回田利用具有一定的局限性[4]。近年来，沼液在林业生产中的应用研究逐渐受到关注[11-12]。这不仅为沼液无害化、资源化利用提供了新思路，也有助于提高人工林生产力和土壤肥力，实现可持续发展。

细根是林木吸收水分和养分的重要器官[13]。细根生物量是植物对土壤资源有效性的反映及地上光合产物在地下分配的最终体现[14]。沼液作为液态肥，能同时增加土壤养分和水分，从而进一步影响细根生物量的空间分异特征和径级分配规律[15]。杨树(Populusspp.)是世界中纬度平原地区栽培面积最大的速生用材树种之一[16]。中国杨树人工林面积超过840万 hm2，居世界第一[17]。苏北是全国最大的杨树人工林种植集中区[18]。本研究选取苏北典型杨树人工林作为试验样地，开展施加沼液肥效试验，旨在揭示不同量沼液处理对细根生物量的影响，以期为优化杨树施肥技术、促进杨树人工林可持续经营提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江苏省盐城市境内的东台国有林场(120°49′E, 32°52′N)。该研究区地貌属泥沙淤积平原地貌，气候属亚热带和暖温带的过渡区，年平均气温14.6 ℃，年平均降雨量1 050 mm，无霜期225 d。研究区土壤类型为脱盐草甸土，土壤质地为砂质壤土。

1.2 试验设计

试验样地设立于2012年9月，根据经营条件和立地条件基本一致的原则，在东台国有林场选择10年生杨树(Populusdeltoidescv.35)人工林进行样地布置。样地约12.6 hm2，株行距5 m×6 m。采用随机区组设置样方，每个样方面积10 m×12 m。样方之间设立10 m宽度的缓冲带，重复之间设立30 m左右空间间隔。

1.3 样品采集及指标测定

2018年10月(生长季末期)，采用连续土钻法，在每个样方内随机选取3个取样点，去除凋落物层，使用内径为5 cm的根钻由上至下分3层(分别为0～20 cm, ≥20～40 cm, ≥40～60 cm)钻取土芯样品，同一样方内3个样点采集的土样混合均匀后装入塑料袋内做好标签带回实验室。实验室内将取回的土芯样放在土壤套筛上，用自来水浸泡、漂洗、过筛，根据外形、颜色、弹性、根皮与中柱分离的难易程度分拣出杨树活细根。对结构完整的根系，将根系最末端没有分支的根划分为1级根，1级根着生的根段为2级根，依次类推至5级根，而结构不完整根系的细根根序等级依据完整根系1～5级根的长度和直径范围来划分并归类[20]。将每个根段用镊子分离出1～5级根，将分好的根样于80 ℃ 烘箱中烘48 h至质量恒定后用电子天平(±0.000 1 g)称质量。

细根生物量=m×104/[(π×(d/2)2]。

式中：m为细根干质量，g；d为土钻内径，cm[21]。

1.4 数据分析

使用SPSS 19.0和Origin 8.5统计分析程序进行数据分析和图表处理。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)法对不同处理下不同土层、不同径级的差异性做方差分析；同时采用最小显著差法(LSD)进行多重比较，显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同沼液施用量对林分土层总细根生物量的影响

随着沼液施用量的增加，0～60 cm土层总细根生物量呈下降趋势(图1)。与对照相比，低、中和高量沼液处理使0～60 cm土层总细根生物量分别降低了18.8%、28.6%和23.6%。方差分析表明，中量沼液处理(M)显著降低了0～60 cm土层总细根生物量(P< 0.05)，而低、高量处理(L、H)对0～60 cm土层总细根生物量影响不显著(P> 0.05)。

图中CK、L、M和H分别代表对照、低、中和高量沼液处理。下同。不同小写字母代表处理间差异显著(P<0.05)。In the figure, CK, L, M and H represent a control check, low, medium and high concentration biogas slurry treatment respectively. The same below. The different lowercase letters represent significant differences among treatments(P<0.05).

2.2 不同沼液施用量对不同土层细根生物量的影响

各个处理下不同土层细根生物量均表现出显著性差异(P<0.05)，由上至下呈递减趋势(图2A)。其中0～20 cm土层细根生物量占绝大部分，占比达68.1%～75.0%，呈明显表层集富特征。

图中不同小写字母代表处理间差异显著;不同大写字母代表同一处理不同土层间差异显著(P<0.05)。下同。In the figure, different lowercase letters represent significant difference between treatments. Different uppercase letters represent significant difference among different soil layers in the same treatment (P<0.05). The same below.

随着沼液施用量的增加，各土层细根生物量均呈下降趋势。其中0～20 cm土层细根生物量降幅最大；与对照相比，低、中和高量沼液处理使该土层细根生物量分别降低了21.5%、34.8%和28.3%，占总细根生物量的比例分别降低了3.0%、6.9%和5.1%。方差分析表明，低、中和高量沼液处理均显著降低0～20 cm土层细根生物量(P<0.05)，而对≥20～40 cm和≥40～60 cm土层细根生物量无显著影响(P>0.05)。

2.3 不同沼液施用量对不同根序细根生物量的影响

2.3.1 不同沼液施用量对不同根序细根总生物量的影响

各个处理下不同等级细根生物量均表现出显著性差异(P<0.05)，由1至5级细根呈递增趋势(图3A)。1～5级细根生物占总细根生物量的比例分别为3.5%～4.0%、7.4%～8.9%、16.1%～17.0%、27.3%～30.0%和41.2%～44.2%。

图3 不同沼液施用量对不同根序细根生物量的影响

随着沼液施用量的增加，1～5级细根总生物量均呈下降趋势。与对照相比，低、中和高量沼液处理使1～5级细根生物量分别减少了17.7%～25.9%、8.5%～14.5%、17.6%～27.9%、10.9%～27.3%和24.4%～31.3%。方差分析表明，低量沼液处理显著降低了1级细根生物量(P<0.05)；中量沼液处理显著降低了1～5级细根生物量(P<0.05)；高量沼液处理显著降低了3和4级细根生物量(P<0.05)。另外，沼液处理提高了低级根(1、2和3级根)、降低了高级根(4、5级根)细根生物量占0～60 cm土层总细根生物量的比值。

2.3.2 不同沼液施用量对不同土层不同根序细根生物量的影响

不同沼液处理下各个土层1～5级细根生物量均呈现递增趋势(图3C-3D)。方差分析表明，除低量沼液处理下0～20 cm土层4与5级细根和高量沼液处理下≥20～40 cm 土层3与4级细根无显著性差异外，不同量沼液处理下同一土层各级根生物量均表现出显著性差异(P<0.05)。

随着沼液施用量的增加，除中层(≥20～40 cm)和下层(≥40～60 cm)的1、2级细根外，各层各级细根生物量均随沼液施用量的增加呈下降趋势。方差分析表明，低量沼液处理显著降低了0～20 cm土层的1级根生物量(P<0.05)；中量沼液处理显著降低了0～20 cm土层的各级细根生物量(P<0.05)、提高了≥20～40 cm土层的2级细根生物量(P<0.05)、降低了≥40～60 cm土层的3级细根生物量(P<0.05)；高量沼液处理则显著降低了0～20 cm土层的1、3和4级细根生物量(P<0.05)、提高了≥20～40 cm土层的1、2细级根生物量(P<0.05)。

3 讨 论

沼液中含有大量植物生长所需的营养物质，能直接增加土壤有效养分含量。而土壤养分直接影响细根生长和碳水化合物分配，从而影响树木细根生产和周转[22]。多数研究表明，增加土壤养分降低细根生物量，且与土壤铵态氮含量呈显著负相关关系[23-24]。但也有一些研究表明细根对施肥的反应是生物量升高[10,25]和无显著变化[26-27]。这可能与土壤养分状况有关[23]。当土壤养分不足、根系所吸收的养分不足以供植物生长代谢时，增加土壤养分会使植物将更多的光合产物分配到根系，以便吸收更多的养分满足生长需求[28]。相反，若土壤养分已满足林木生长需求，为避免细根生产冗余，植物趋向于减少对地下光合产物的分配[29]，因而出现细根生物量减少的现象。另外，沼液作为一种液态肥，能够短期内提高土壤含水量，而水分不仅是影响细根生长的关键因子[30]，且适量水分能促进细根对营养物质的吸收[31]。在本试验中，沼液施用量较小，以最高施用量375 m3/hm2计，一次施用的水量仅为37.5 mm，而且水分通过各种途径损失大部分[32]，故土壤水分对细根生物量影响较小。

不同根序细根生物量对施用沼液的响应也略有差异：总的来说，施用沼液降低了各级细根生物量，但提高了低级根(1、2和3级根)、降低了高级根(4、5级根)细根生物量的占比。这是由于低级根是资源吸收的主体，而高级根是资源运输和贮存的主体[35]，而且高级根生物量要远远大于低级根，当养分供应充分时，植物主动减少更多高级根，通过维持低级根的生长和周转来获取足够的养分。沼液对不同土层的各级细根影响略有不同：施用沼液降低了上层各级细根生物量，提高了中下层部分低级根生物量。这可能是因为上层养分过剩，所以向各级细根分配的光合作用产物均减少，而在中下层养分相对比较匮乏，因而在得到外源养分补给后出现了部分低级根生物量上升的现象。

总的来说，施用沼液对杨树人工林细根垂直分布和径级分配影响明显，这是植物对环境变化的一种适应策略[36]。而沼液通过影响土壤环境其他要素(如土壤动物、微生物)从而间接影响细根的效应其机制还需进一步研究。另外，杨树不同生长阶段对水肥需求存在差异，因此下一步可开展沼液对不同林龄杨树人工林细根影响的研究。

参考文献（reference）：

[1]张玲玲, 李兆华, 鲁敏, 等. 沼液利用途径分析[J]. 资源开发与市场, 2011, 27 (3): 260-262. ZHANG L L, LI Z H, LU M, et al. Analysis on utilization of biogas slurry[J]. Resour Dev Mark, 2011, 27 (3): 260-262. DOI: 10.3969/j.issn.1005-8141.2011.03.019.

[2]林鸿雁, 叶美锋, 吴飞龙, 等. 沼液的综合利用现状综述[J]. 福建农业科技, 2012 (1): 75-77. LIN H Y, YE M F, WU F L, et al. Current situation of comprehensive utilization to biogas slurry[J]. Fujian Agric Sci Technol, 2012(1): 75-77. DOI: 10.13651/j.cnki.fjnykj.2012.01.003.

[3]曹汝坤, 陈灏, 赵玉柱. 沼液资源化利用现状与新技 术展望[J]. 中国沼气, 2015, 33(2): 42-50. CAO R K, CHEN H, ZHAO Y Z, et al. Resource utilization of biogas slurry: current status and future prospects[J]. China Biogas,2015, 33(2): 42-50. DOI: 10.3969/j.issn.1000-1166.2015.02.008.

[4]叶小梅, 常志州, 钱玉婷, 等. 江苏省大中型沼气工程调查及沼液生物学特性研究[J].农业工程学报, 2012, 28(6): 222-227. YE X M，CHANG Z Z，QIAN Y T, et al. Investigation on large and medium scale biogas plants and biological properties of digestate in Jiangsu Province[J]. Trans Chin Soc Agric Eng, 2012, 28(6): 222-227. DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.06.036.

[5]李祎雯, 曲英华, 徐奕琳, 等. 不同发酵原料沼液的养分含量及变化[J]. 中国沼气, 2012, 30(3): 17-20, 24. LI Y W, QU Y H, XU Y L, et al. Change of nutrition contents of biogas slurry with different fermentation raw materials[J]. China Biogas, 2012, 30(3): 17-20, 24. DOI: 10.3969/j.issn.1000-1166.2012.03.004.

[6]ZHENG X B，FAN J B，CUI J，et al．Effects of biogas slurry application on peanut yield, soil nutrients, carbon storage，and microbial activity in an Ultisol soil in southern China[J]．J Soils Sediments，2016，16(2)：449-460．DOI: 10.1007/s11368-015-1254-8.

[7]PETERS K，JENSEN L S. Biochemical characteristics of solid fractions from animal slurry separation and their effects on C and N mineralisation in soil[J]. Biol Fertil Soils, 2011, 47(4): 447-455. DOI: 10.1007/s00374-011-0550-8.

[8]孙芹菊,凌玮,韩建刚,等.沼液施肥对滨海盐碱地土壤性状的影响[J].南京林业大学学报(自然科学版),2018,42(5):91-98.SUN Q J, LING W, HAN J G, et al. Effects of biogas slurry application on the coastal saline-alkali soil properties[J]. J Nanjing For Univ (Nat Sci Ed), 2018, 42(5): 91-98. DOI:10.3969/j.issn.1000-2006.201706064.

[9]艾俊国, 顾万荣, 孔令中, 等. 沼肥与化学肥料配施对寒地春玉米幼苗根系形态生理特征的影响[J]. 作物杂志, 2013(3): 56-62. AI J G, GU W R, KONG L Z, et al. The effects of biogas manure and chemical fertilizer on morphology and physiological characteristics of the cold spring maize seeding roots[J]. Crops, 2013(3): 56-62. DOI: 10.16035/j.issn.1001-7283.2013.03.017.

[10]党祝庆.生化黄腐酸钾和有机肥对桃树根系生长和果实品质的影响[D]. 泰安: 山东农业大学, 2015. DANG Z Q. Effects of biochemical fulvic acid potassium and organic fertilizer on root growth and fruit quality of peach trees[D]. Tai’an: Shandong Agricultural University, 2015.

[11]葛之葳, 张玲,卜丹蓉, 等. 杨树人工林沼液和生物炭混施对表层土壤活性有机碳的影响[J]. 南京林业大学学报(自然科学版), 2016, 40(6): 9-14. GE Z W, ZHANG L, BU D R, et al. Effects of biogas slurry and biochar application on active organic carbon in the topsoil of poplar plantation[J]. J Nanjing For Univ (Nat Sci Ed), 2016, 40(6): 9-14.DOI:10.3969/j.issn.1000-2006.2016.06.002.

[12]龙秋宁, 王润松, 徐涵湄, 等. 沼液与生物炭联合施用对杨树人工林土壤甲螨(Oribatida)密度的影响[J]. 南京林业大学学报(自然科学版),2020,44(3):211-215. LONG Q N, WANG R S, XU H M, et al. Effects of biogas slurry and biochar on Oribatida density in a poplar plantation[J]. J of Nanjing For Univ (Nat Sci Ed), 2020, 44(3): 211-215. DOI:10.3969/j.issn.1000-2006.201904023.

[13]MOU P, JONES R H, TAN Z Q, et al. Morphological and physio-logical plasticity of plant roots when nutrients are both spatially and temporally heterogeneous[J]. Plant and Soil, 2013, 364(1/2): 373-384. DOI:10.1007/s11104-012-1336-y.

[14]EISSENSTAT D M, YANAI R D. The ecology of root lifespan[M]//Advances in Ecological Research Volume 27. Amsterdam: Elsevier, 1997: 1-60．DOI:10.1016/s0065-2504(08)60005-7.

[15]MAKITA N，HIRANO Y，MIZOGUCHI T, et al. Very fine roots respond to soil depth: biomass allocation, morphology, and physio-logy in a broad-leaved temperate forest[J]. Ecol Res, 2011, 26(1): 95-104. DOI: 10.1007/s11284-010-0764-5.

[16]方升佐. 中国杨树人工林培育技术研究进展[J]. 应用生态学报, 2008, 19(10): 2308-2316. FANG S Z. Silviculture of poplar plantation in China: a review[J]. Chin J Appl Ecol, 2008, 19(10): 2308-2316.

[17]胡觉, 彭长清, 甘世书, 等. 我国人工林变化动态及增长潜力分析[J]. 林业资源管理, 2014(21): 6-8. HU J, PENG C Q, GAN S S, et al. Analysis on the dynamic changes and growth potential of China’s plantations[J]. Forest Resources Management, 2014(21):6-8.

[18]田子凡. 苏北杨树产业碳库系统及碳价值评估[D]. 南京: 南京林业大学, 2017. TIAN Z F. Carbon pool of poplar industry in northern Jiangsu and the assessment of its carbon value[D]. Nanjing: Nanjing Forestry University, 2017.

[19]LAIRD D, FLEMING P, WANG B Q, et al. Biochar impact on nutrient leaching from a midwestern agricultural soil[J]. Geoderma, 2010, 158(3/4): 436-442. DOI: 10.1016/j.geoderma.2010.05.012.

[20]PREGITZER K S, DEFOREST J L, BURTON A J, et al. Fine root architecture of nine north American trees[J]. Ecol Monogr, 2002, 72(2), 293-309. DOI: 10.1890/0012-9615(2002)072[0293:FRAONN]2.0.CO;2.

[21]闫美芳, 王璐, 郭楠, 等. 黄土高原杨树人工林的细根生物量与碳储量研究[J]. 中国农学通报, 2015, 31(35): 146-151. YAN M F, WANG L, GUO N, et al. Study on fine root biomass and C stock in a poplar plantation in loess plateau[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2015, 31(35): 146-151.

[22]HENDRICKS J J, NADELHOFFER K J, ABER J D. Assessing the role of fine roots in carbon and nutrient cycling[J]. Trends Ecol Evol, 1993,8(5): 174-178. DOI: 10.1016/0169-5347(93)90143-D.

[23]于立忠, 丁国泉, 朱教君, 等. 施肥对日本落叶松人工林细根生物量的影响[J]. 应用生态学报, 2007, 18(4): 713-720. YU L Z, DING G Q, ZHU J J, et al. Effects of fertilization on fine root biomass ofLarixkaempferiplantation[J]. Chin J Appl Ecol, 2007, 18(4): 713-720.

[24]杨丽君. 杨树幼龄林细根构型对施肥的响应[D]. 雅安:四川农业大学, 2013. YANG L J. Effect of fertilization on fine root architecture of the plantation ofPopulus[D]. Ya’an: Sichuan Agricultural University, 2013.

[25]BENDERS K E M, VAN WEEREN P R, BADYLAK S F. Extracellular matrix scaffolds for cartilage and bone regeneration[J]. Trends Biotechnol, 2013, 31(3): 169-176.

[26]MAGILL A H, ABER J D, BERNTSON G M, et al. Long-term nitrogen additions and nitrogen saturation in two temperate Forests[J]. Ecosystems, 2000, 3(3): 228-253.

[27]SON Y, HWANG J H. Fine root biomass, production and turnover in a fertilizedLarixleptolepisplantation in central Korea[J]. Ecol Res, 2003,18(3): 339-346. DOI: 10.1046/j.1440-1703.2003.00559.x.

[28]黎磊. 两种植物种群生物量与密度的异速比例关系研究[D]. 长春:东北师范大学, 2013. LI L. Qualifying the allometric relationships between biomass and density within plant populations of two species[D]. Changchun: Northeast Normal University, 2013.

[29]HENDRICKS J J, HENDRICK R L, WILSON C A, et al. As-sessing the patterns and controls of fine root dynamics: an empirical test and methodological review[J]. J Ecol, 2006, 94(1): 40-57.

[30]肖义发, 欧光龙, 胥辉. 林木细根生物量分布及其动态研究综述[J]. 林业调查规划, 2013, 38(1): 34-38,57. XIAO Y F, OU G L, XU H. Tree fine root biomass distribution and its dynamic research[J]. For Invent Plan, 2013, 38(1): 34-38, 57.

[31]英慧,殷有,于立忠,等.土壤水分、养分对树木细根生长动态及周转影响研究进展[J].西北林学院学报, 2010, 25(3): 36-42. YING H, YIN Y, YU L Z, et al. Effects of soil moisture and soil nutrient on the dynamic and turnover of the tree fine roots：a review[J]. J Northwest For Univ, 2010, 25(3): 36-42.

[32]赵倩. 施用沼液和生物炭对杨树人工林土壤碳、氮及重金属含量的的影响[D]. 南京: 南京林业大学, 2017. ZHAO Q. Effects of biogas slurry and biochar on soil carbon, nitrogen and heavy mental in a poplar plantation in a coastal area, China[D]. Nanjing: Nanjing Forestry University, 2017.

[33]杜妍宁. 施用沼液和生物炭对杨树人工林土壤氮、磷的影响[D]. 南京: 南京林业大学, 2018. DU Y N. Effects of biogas slurry and biochar applications on soil nitrogenand phosphorus in the poplar plantation in a costal area, China[D]. Nanjing: Nanjing Forestry University, 2018.

[34]杨潇. 污水灌溉土壤养分迁移转化规律的研究[D]. 乌鲁木齐:新疆大学, 2006. YANG X. Study on the nutrient transport and transformation in soil with sewage irrigation[D]. Urumqi: Xinjiang University, 2006.

[35]邓飞. 模拟氮沉降对中亚热带常绿阔叶林细根生物量 和生产量的影响研究[D]. 福州:福建师范大学, 2016. DENG F. Effects of simulated nitrogen deposition on fine root biomass and production in a mid-subtropical evergreen broadleaf forest[D]. Fuzhou: Fujian Normal University, 2016.

[36]谷加存,王东男,夏秀雪,等.功能划分方法在树木细根生物量研究中的应用:进展与评述[J]. 植物生态学报, 2016, 40(12): 1344-1351. GU J C, WANG D N, XIA X X, et al. Applications of functional classification methods for tree fine root biomass estimation: advancements and synthesis[J]. Chin J Plant Ecol, 2016, 40(12): 1344-1351.