施用沼液对杨树人工林凋落物量与林木生长的影响

徐涵湄，薛 斌，查全智，曹国华，沈彩芹

（1.南京林业大学 生物与环境学院，南京 210037；2.江苏省东台市林场，江苏 东台 224200）

由于禽畜养殖业规模的日益扩大，造成大量禽畜垃圾产生，江苏省东台市中粮集团，每年就能够产生猪粪大约30 多万m3[1]，如果该粪污不经过处理就直接排入环境，将直接对自然生态系统造成环境污染。禽畜废弃物经厌氧发酵后形成的沼液是一种优质的有机肥料，不仅含有大量的氮磷钾钙镁等营养元素，并且还含有易被植物吸收利用的速效养分[2]。目前已有研究表明，将沼液作为肥料施用可以影响细根形态[3]，增加土壤有机质含量[4-6]，还可以提高土壤酶活性，提升土壤肥力[7-8]，从而提高农林产品的产量和质量[9-11]。通过沼液还田，不仅减少了化肥的使用，而且还降低了农林经营成本，已成为目前养殖废弃物资源化利用的重要方式之一[12]。

杨树具有生长快、成才早的特点，是世界中纬度平原地区栽培面积最大、林材产量最高的速生用材树种之一[13]，中国杨树人工林面积居世界第一[14]，其中苏北平原地区是我国最大的杨树人工林种植区[15]。但是，目前我国杨树人工林经营过程中普遍存在土壤肥力降低、林分生产力下降的现象，如何维持和提高杨树人工林生产力已成为杨树人工林持续经营的关键问题[16-17]。杨树人工林凋落物作为林分生产力的重要表现，其产量是调控林分生产力和杨树人工林物质循环的重要因子[18]。不同经营管理措施对林下凋落物贮存和分解[19-21]以及林木生长存在一定的影响[22-24]。因此，本文选取苏北沿海杨树人工林为实验对象，探讨不同浓度沼液的施用对杨树人工林凋落物量、林木生长及林下植被多样性的影响，以期为苏北地区杨树人工林经营和沼液科学合理利用提供理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于江苏省盐城市东台黄海森林国家公园（32°52′N，120°49′E），该地属于北亚热带海洋性季候风气候。年均温度13.7 ℃，年降雨量1 051 mm，无霜期223 d，年均日照为2 200 h。林下草本植物主要有禾本科（Poaceae）、蔷薇科（Rosaceae）、菊科（Asteraceae）及葫芦科（Cucurbitaceae）等 16 个科 23 属，林下土壤为碱性土壤，其主要理化性质为：pH 为 8.6；全碳（TC）为 11.6 g/kg；全氮（TN）为 1.27 g/kg；全磷（TP）为0.68 g/kg。

1.2 试验设计

试验样地于2012 年3 月布置，根据立地条件和经营条件基本一致的原则，在江苏盐城东台国有林场选择10 年生杨树（Populus deltoides cv.35）人工林进行样地布设。样地大约12.6 ha，株行距5 m×6 m。采用随机区组设置样方，根据沼液中NH4+-N 浓度分别为土壤有效氮浓度的 0、1、2、3 倍[25]，设置 4 种不同沼液浓度：对照（CK）、低浓度（L，125 m3/ha·yr）、中浓度（M，250 m3/ha·yr）、高浓度（H，375 m3/ha·yr）。每种设置都有 3 个重复，一共12 个样方。每个样方大小为10 m×12 m，有9 棵杨树。样方之间设立10 m 宽的缓冲带消除交叉影响。12 个样方中各随机安置4 个凋落物收集网（80 cm×80 cm），共计48 个。

样地从 2012—2018 年，每年 5 月、8 月和 10 月用泵均匀喷施沼液1 次，对照样地也会喷施等量的水。所用沼液来源于中粮集团所产猪粪经厌氧发酵形成，其基本理化性质如下：pH（8.15）；可溶性有机磷DOC（501.1 mg/L）；TN （675.5 mg/L）；NH4+-N（469.6 mg/L）；NO3--N（2.4 mg/L）。

1.3 样品采集与分析

于2018 年4 月到2019 年3 月每月月尾将落于收集网上的凋落物收回，具体收集方式是将每个样方中的4 个收集网上的凋落物装在一个塑料袋中带回实验室后对其进行烘干，按照枝、叶、碎屑3 部分将凋落物分开，并分别称其质量，叶留作后期磨粉，过100 目网筛，测其养分含量。

分析凋落叶全碳、全氮、全磷营养元素的含量，其中全 C，全 N 用 PE2400 Ⅱ型元素分析仪 （PEKINELMERLtd Co，America）测定，全P 用荷兰SKALAR SAN++连续流动分析仪测定。

于2018 年1 月底和8 月初对12 个样方中的杨树树高、胸径和冠层进行测量。在2018 年6 月利用样方法调查了样地中草本植物组成及其株数、盖度、高度。

1.4 数据分析与处理

使用SPSS 22.0 和Origin 2018 对实验数据进行分析和图表处理。使用单因素方差分析（One-way ANOVA）对不同沼液浓度处理下林分的各指标差异性做方差分析，使用最小显著差法（LSD）进行多重比较（显著性水平设为 0.05）。

草本植物多样性指标用Species richness、Shannon diversity、Simpson diversity 来分析。

2 结果与分析

2.1 不同沼液浓度对杨树人工林凋落物的影响

2.1.1 对年凋落物量的影响

试验结果显示，杨树人工林年凋落叶量在L、M、H 3种施用浓度处理比CK（对照）处理分别增加了61.4%、67.7%、20.4%；年凋落枝量在 L、M、H 处理下，比 CK 处理分别增加60.6%、60%、16.9%；年凋落碎屑量在 L、M、H 处理下，比 CK 处理增加了 66.2%、19.3%、11.4%；施用沼液显著增加了杨树人工林的年凋落物量，在不同的沼液浓度处理下的变化为L＞M＞H＞CK（图1）。L、M 沼液浓度处理下的杨树人工林凋落物量要高于H处理，这可能是因为中低浓度沼液更适合杨树人工林生长，而高浓度处理可能由于浓度过高反而减缓了林木的生长。

图1 不同沼液浓度对林分年总凋落物量的影响

2.1.2 对凋落叶养分含量的影响

施用沼液显著改变了凋落物营养元素的含量（图2）。凋落叶中TN 含量在L、M 处理下极显著高于CK 和H 处理（p＜0.01），凋落叶 TN 含量在 H 处理下高于 CK，但差异不显著；凋落叶TC 含量在CK 处理下显著低于其他 3 种处理（p＜0.05），但 L、M、H 这 3 种处理之间没有显著差异；凋落叶P 浓度在M 处理下显著高于其他3种处理（p＜0.05）。

图2 不同沼液浓度对林分凋落物叶养分含量的影响

2.2 不同沼液浓度对杨树人工林生长的影响

试验结果显示，L、M、H 沼液浓度处理下林木的树高显著高于CK 样地林木树高，分别增长了7.42%、9.47%、5.12%，胸径分别增长了6.82%、9.74%、6.47%；冠层分别增大了8.24%、11.54%、8.24%（图3）。并且L、M沼液浓度处理下的林木树高增长显著快于H 处理（p＜0.01），这可能是因为中低浓度沼液更适合杨树人工林生长，而高浓度处理可能由于浓度过高反而减缓了林木的生长。

图3 不同沼液浓度对林分树高、胸径和林冠的影响

2.3 不同沼液浓度对林下草本植物多样性的影响

如图 4 所示，草本 Species richness（q=0）在 CK 处理下草本植物多样性显著高于3 种沼液浓度处理，分别比 L、M、H 处理高 28.1%、21.9%、18.8%，但 L、M、H 之间没有显著差异；草本Shannon diversity（q=1）和Simpson diversity（q=2）在CK 处理下的变化趋势显著高于其他3种处理，Simpson diversity（q=2）在 L 处理下的变化趋势显著高于H、M 处理。

图4 不同沼液浓度处理下草本植物多样性变化

3 讨论

施用沼液显著增加了杨树人工林的年凋落物量，在L、M 处理下的凋落物量要显著高于H 处理，这可能主要是因为适当浓度的沼液可以促进叶片中有机物的积累，这与TN 浓度变化一致，氮浓度的增加可以提高叶片的光合作用[26]，从而增加了有机物质的积累，进而其质量也会增加，凋落叶中的TN 浓度在L 和M 处理下高于其他2 种处理，这主要可能是沼液中的氮素被叶片吸收利用，而过高浓度的沼液却抑制了氮的吸收。TC 浓度在CK 处理下显著低于其他3 种处理水平，其中L、M 处理最高，这可能是由于L 和M 处理下增加了叶片中如氮等光合作用所需的化学物质，从而提高了叶片的光合作用，积累了碳水化合物，但是其具体的过程机制目前还不清楚。P 浓度在M 处理下要高于其他3 种处理，P 可以合成植物体内的蛋白质和遗传物质[27]，因此这也可能是造成在M 处理下树高胸径增长速度加快的因素之一。

M 处理水平下的树高增长量显著高于CK 和H 处理，CK 显著低于L、M 处理，杨树胸径增长在CK 处理下极显著低于其他3 种处理水平，这可能是由于沼液中含有丰富的营养元素[28-29]，可以促进杨树增长，而且凋落物中的有机物也有所增加，可以通过分解被植物重新吸收利用，但是沼液浓度过高可能会抑制这种效应，因此，在H 处理下的的树高、胸径增长速度没有L、M 处理下增长的快。杨树高度增长在CK 处理下极显著低于其他处理水平，胸径增长在M 处理下显著高于其他处理，这主要可能是由于M 处理下的沼液浓度最为适宜，这可能与 M 处理下的 N、P 高的研究结果有关系，N、P 可以促进叶片光合作用叶，并且能够提高植物体中酶活性，从而促进了杨树有机质的积累而生长更迅速，同时杨树人工林的生长也受林分密度、气候变化、人为干扰及病虫害的影响[30-32]。

CK 处理下的草本植物多样性高于其他处理，主要可能有2 个原因造成，第一是施用适当浓度的沼液可以使优势种迅速生长，从而抑制了其他草本植物的生长，第二是杨树越来越茂密，透光度越来越低，抑制了一些喜光草本植物的生长。

CK 处理下的草本植物多样性高于其他处理，主要可能是因为沼液中的某些物质可以更好地促进部分草本植物生长，使其可以快速成长为优势种，从而抑制了其他草本植物的生长[33-35]，这种抑制作用可能在M 处理下最为显著，还有可能是因为随着杨树逐渐茂密，透光度在渐渐降低，因此抑制了一些喜阳草本植物的生长，也会使草本多样性逐渐降低。