长期施用沼液对杨树人工林土壤碳氮磷及其计量比的影响

摘要：【目的】探讨长期施用不同浓度沼液对杨树（Populus spp.）人工林土壤碳、氮、磷组分含量的影响，为科学施用沼液，改善杨树人工林土壤质量，促进杨树人工林可持续发展提供理论依据。【方法】以苏北沿海地区杨树人工林为研究对象，试验采用随机区组设计，设置了4种沼液施用处理，分别为对照（0 m3/hm2， CK）、低浓度（125 m3/hm2， L）、中浓度（250 m3/hm2， M）和高浓度（375 m3/hm2， H），自2012年开始每年定期在杨树人工林中施用。采用连续土钻法采集不同土壤深度0～20 cm（表层），≥20～40 cm（中层）和≥40～60 cm（深层）土壤样品，研究施用不同浓度沼液对杨树人工林不同土层土壤碳、氮、磷主要组分含量及其计量比的影响。【结果】施用沼液显著增加了表层土壤（0～20 cm）有机碳（SOC）、可溶性有机碳（DOC）、土壤微生物生物量碳（MBC）、土壤总氮（TN）、土壤微生物生物量氮（MBN）、土壤全磷（TP）、土壤有效磷（AP）含量，显著降低了表层土壤碳氮质量比（C/N）和土壤微生物生物量碳氮比（MBC/MBN）；同时施加沼液也显著增加了≥20～40 cm土层土壤DOC、TP含量。而在深层土壤（≥40～60 cm）中，施加沼液对土壤C、N、P各项指标均无显著影响。沼液显著降低了各土层土壤pH。【结论】沼液作为一种优质的速效有机肥料，能显著增加表层土壤C、N、P等速效养分，对深层土壤无显著影响。同时，施用适量沼液也可以降低沿海盐碱地土壤pH，以及土壤C/N，对改善土壤肥力有一定的作用，但过度施加是否会引起土壤磷素淋洗、氮淋溶风险而造成生态环境污染还有待进一步研究。

关键词：杨树人工林；沼液；土壤碳、氮、磷；土壤微生物生物量；土壤碳氮比；土壤微生物生物量碳氮比

中图分类号：S714.2""""" 文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1000-2006（2024）06-0102-09

Effects of long-term application of biogas slurry on soil carbon， nitrogen， phosphorus and their metering ratio in poplar plantations

ZHANG Miao1，RUAN Honghua1*，SHEN Caiqin2，DING Xuenong2，CAO Guohua2

（1. College of Ecology and Environment，Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China，Nanjing Forestry University，Nanjing" 210037，China；2.Dongtai State Forest Farm，Dongtai" 224237，China）

Abstract： 【Objective】The effects of biogas slurry on soil carbon （C）， nitrogen （N）， and phosphorus （P） contents were studied in poplar plantations in coastal areas of northern Jiangsu， China. This research aims to provide a theoretical basis for the scientific utilization of biogas slurry， the optimization of fertilization technology， and the promotion of sustainable development in poplar plantations. 【Method】The experiment employed a randomized block design with four levels of biogas slurry application： CK （0 m3/hm2）， L （125 m3/hm2）， M （250 m3/hm2）" and H （375 m3/hm2）. Soil samples were collected from different depths： 0-20 cm （surface layer）， ≥20-40 cm" （middle layer）， and ≥40-60 cm（deep layer） using a continuous soil coring method. The study examined the effects of various biogas slurry concentrations on soil C， N" and P contents across different soil layers and growing seasons in the poplar plantations. 【Result】Biogas slurry application significantly increased the soil organic carbon （SOC）， dissolved organic carbon （DOC）， microbial biomass carbon （MBC）， microbial biomass nitrogen （MBN）， total phosphorus （TP）， and available phosphorus （AP） in the topsoil （0-20 cm）. It also significantly decreased the C/N ratio （mass fraction ratio， the same below） and MBC/MBN ratio in the topsoil. Additionally， biogas slurry significantly increased DOC and TP in the ≥20-40 cm soil layer. However， in the deep soil （≥40-60 cm）， biogas slurry had no significant effect on soil C， N， and P levels. Biogas slurry application also significantly reduced soil pH across all layers. 【Conclusion】Our research indicates that biogas slurry， as a high-quality， quick-acting organic fertilizer， significantly increases nutrients such as C， N， and P in surface soil but does not affect deep soil. It also reduces soil pH and C/N ratio in coastal saline-alkali soil， improving soil fertility. However， further research is needed to determine whether excessive application could risk phosphorus and nitrogen leaching and potential ecological pollution.

Keywords：poplar plantation; biogas slurry; soil carbon， nitrogen and phosphorus; soil microbial biomass; soil C to N mass" ratio; soil MBC to MBN ratio

我国畜牧养殖业发展迅速的同时，大量废弃物对环境造成了严重的污染，但产生的大量沼液可以作为肥料，为土壤提供有机物质以及氮、磷、钾等营养元素[1]。长期施用化肥会导致土壤退化、水体富营养化、环境污染等问题，而沼液中含有丰富的有机质和微量养分，是一种优质高效、无污染的绿色生物肥料[2]。研究证实，沼肥代替化肥施用可有效实现废弃物中的养分资源循环利用，提高经济效益[3]。赵培[4]研究发现，施用沼液可以提高酸性土壤的pH，显著增加土壤养分含量和酶活性。因此，科学有效地施用沼液，不仅可以减少对农业环境的污染，实现农业生产过程的绿色化和生态化，还能优化农业产业结构，加快农业经济发展。

中国杨树（Populus spp.）人工林面积已达850万hm2，居世界首位[5]。但近年来人工林出现林地生产力下降、土壤肥力退化等现象，严重影响了杨树人工林的可持续发展[6]。施用沼液可以提高土壤养分，改善土壤环境[7]。如翟赛亚[8]探究不同浓度沼液对土壤环境的影响，发现追施合理浓度的沼液能够显著降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤肥力和酶活性；孙芹菊等[9]将滨海盐碱地作为试验样地，研究表明沼液可以改良滨海盐碱地土壤质地、降低土壤pH和EC值（电导率）、改善土壤环境。周伟等[10]以杨树人工林为研究对象，发现施用沼液显著提高了土壤微生物生物量碳氮含量，但土壤微生物生物量碳氮比有所降低，这说明施用沼液能够促进土壤由真菌型向细菌型转化。Yu等[11]认为施用沼液可以提高根际土壤真菌群落多样性，但对细菌群落的多样性没有影响。

关于沼液对人工林的影响，目前的报道主要集中在施用沼液对土壤微生物[12]、土壤动物[13]及重金属[14]等及土壤理化性质影响方面，杜妍宁[15]重点研究施用沼液对土壤N、P的影响，赵倩[16]则研究施用沼液对土壤C、N的影响，并没有将C、N、P作为总体研究，且这些研究主要反映的是相对短期效应，施用沼液在4～5 a。本研究以连续施用沼液10 a左右的杨树人工林为对象，系统研究长期施用沼液对土壤C、N、P组分含量及其土壤生态化学计量比的影响，以期为杨树人工林科学施用沼液、维持土壤肥力、促进杨树人工林可持续经营提供理论依据与技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地位于江苏省盐城市东台国有林场（120°49′E，32°52′N）。该地区属于亚热带季风气候，年均降水量为1 050 mm，年均气温为14.6 ℃，年平均相对湿度为88.3%，年平均光照时间可达2 200 h，无霜期220 d。林场有林地面积2 186 hm2，活立木蓄积14.8万m3，森林覆盖率85%，主要是I-35杨（P. deltoides cv. I-35）、I-72杨（P. euramericana cv. I-72）、I-69杨（P. deltoides cv. I-69）、水杉（Metasequoia glyptostroboides）等人工林。

林下植被主要灌木有桑树（Morus alba）、构树（Broussonetia papyrifera）；草本植物有荩草（Arthraxon hispidus）、一年蓬（Erigeron annuus）、葎草（Humulus scandens）等。现有杨树人工林林分郁闭度55%，平均树高30.7 m，平均胸径33.7 cm（2021年）。土壤类型为脱盐草甸土，土壤质地为砂质壤土[17]。

1.2 试验设计

试验样地2012年建立。选择立地条件基本一致的8年生杨树人工林，株行距为5 m×6 m。采用随机区组设置，样地示意图如图1所示。试验共设置了4种沼液施用水平。根据沼液中铵态氮浓度分别为土壤有效氮浓度的0、1、2、3倍施用[18]，对应沼液量分别为0、125、250和375 m3/hm2，记为对照（CK）、低浓度（L）、中浓度（M）、高浓度（H），每个处理设置3个重复，共12个样地。

沼液用泵在地表均匀喷灌，供试沼液来源于江苏省中粮集团沼气池（江苏盐城）。样地从2012年开始施用沼液，于每年的5、8、10月均匀喷灌施入土壤。供试沼液的pH为8.17，可溶性有机碳（DOC）、全氮（TN）、铵态氮（NH+4-N）、硝态氮（NO-3-N）、全磷（TP）和有效磷（PO3-4-P，AP）的含量分别为425.32、528.99、316.74、1.81、62.22和22.63 mg/L[19]。

1.3 样品采集及指标测定

分别于2021年7月、10月及2022年1月进行采样，每次采样时，在每个样地内随机设3个采样点进行土壤分层取样，去除地表凋落物层，使用土钻分别在每点采集0～20 cm（表层）、≥20～40 cm（中层）、≥40～60 cm（深层）土样，并将这3个点采集的土样混合均匀后带回实验室过筛研磨，测其理化性质。土壤可溶性有机碳（DOC）含量以0.5 mol/L K2SO4溶液浸提土样，采用TOC-VCPH分析仪（日本，岛津）进行测定[20]；土壤微生物生物量碳（MBC）、土壤微生物生物量氮（MBN）含量采用氯仿熏蒸K2SO4提取法，将土样放于有氯仿的真空干燥锅内，在室温条件下遮光熏蒸24 h，同时，以未熏蒸土壤作为对照组，再用K2SO4提取液进行浸提，采用TOC-VCPH分析仪（日本，岛津）进行测定[20]；土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）含量采用PE2400Ⅱ型元素分析仪（Perkim-Elmer，美国）进行测定[21]；土壤全磷（TP）含量采用钼锑抗比色法进行测定[21]。土壤有效磷（AP）含量采用钼锑抗比色法测定[21]。土壤pH采用电位法，利用pH测定仪测定[22]。土壤含水率采用称重法测定。

1.4 数据分析

采用SPSS 26.0和Origin 9进行数据处理及绘图。文中的各项指标平均值，来自2021年7、10月及2022年1月3次采样的平均值。利用方差分析（One-way ANOVA）考察不同沼液水平处理间土壤各项C、N、P、微生物量指标的差异显著性，采用LSD法进行多重比较；采用Pearson法进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 施用沼液对土壤碳主要组分的影响

施加沼液显著提高了表层土壤SOC含量（P＜0.01），各处理土壤SOC含量从大到小为H＞M＞L＞CK。多重比较发现，CK处理与L、M、H处理下SOC含量变化差异极显著（P＜0.01）；与CK处理相比，L、M、H处理下土壤SOC含量分别提高了15.51%、16.72%和17.65%。施用沼液对中层和深层土壤SOC含量变化影响不显著。在不同浓度沼液处理下，不同土层间土壤SOC含量变化差异极显著（P＜0.01）；不同土层土壤SOC含量表现为表层＞中层＞深层（图2a）。

施加沼液显著提高了表层土壤MBC含量（P＜0.05），并在L处理下达到最高值。多重比较发现，L处理与CK、M处理下土壤MBC含量变化差异显著（P＜0.05）。L、M、H处理下土壤MBC含量分别比CK处理上升了36.59%、7.78%和11.61%。施用沼液对中层和深层土壤MBC含量影响不显著。在不同浓度沼液处理下，不同土层间土壤MBC含量变化差异极显著（P＜0.01）；不同土层土壤MBC含量表现为表层＞中层＞深层（图2b）。

施加沼液显著提高了表层和中层土壤DOC含量（P＜0.05），在表层和中层土中，土壤DOC含量均表现为H＞M＞L＞CK。多重比较发现，表层和中层土壤中，CK处理与M、H处理下土壤DOC含量变化差异显著（P＜0.05）。在表层土中，与CK处理相比，L、M、H处理下土壤DOC含量分别增加了12.62%、18.31%和23.40%。在中层土中，与CK处理相比，L、M、H处理下土壤DOC含量分别增加了16.89%、26.65%和30.63%。施用沼液对深层土壤DOC含量变化影响不显著。在不同浓度沼液处理下，不同土层间土壤DOC含量变化差异极显著（P＜0.01）；不同土层土壤DOC含量表现为表层＞中层＞深层（图2c）。

2.2 施用沼液对土壤氮主要组分的影响

施用沼液显著增加了表层土壤TN含量（P＜0.01），在表层中，土壤TN含量表现为Hgt;Mgt;Lgt;CK。多重比较发现，在表层中，CK处理与M、H处理下土壤TN含量变化差异极显著（P＜0.01）。与CK处理相比，L、M、H处理水平下的土壤TN含量分别增加了18％、24％、36％。施用沼液对中层和深层土壤TN含量变化影响不显著。在不同浓度沼液处理下，不同土层间土壤TN含量变化差异极显著（P＜0.01），表现为表层gt;中层gt;深层（图3a）。

施加沼液显著提高了表层土壤MBN含量（P＜0.05），不同处理表层土壤MBN含量表现为H＞M＞L＞CK。多重比较发现，CK处理与M、H处理下土壤MBN含量变化差异显著（P＜0.05）。与CK处理相比，L、M、H处理下土壤MBN含量分别增加了15.91%、25.60%和33.88%。施用沼液对中层和深层土壤MBN含量变化影响不显著。在不同浓度沼液处理下，不同土层间土壤MBN含量变化差异极显著（P＜0.01），表现为表层gt;中层gt;深层（图3b）。

2.3 施用沼液对土壤磷主要组分的影响

施加沼液显著提高了表层和中层土壤TP含量（P＜0.05），在表层中，不同处理土壤TP含量表现为H＞M＞L＞CK，与CK相比，L、M、H处理下土壤TP含量分别增加了0.90%、6.10%和17.11%；中层土壤TP含量表现为H＞M＞CK＞L，与CK处理相比，L处理下土壤TP含量降低了4.57%，M、H处理下土壤TP含量上升了0.22%和10.50%。施用沼液对深层土壤TP含量变化影响不显著。多重比较发现，表层和中层土壤中，H处理与CK、L处理下土壤TP含量变化差异显著（P＜0.05）。在不同浓度沼液处理下，不同土层间土壤TP含量变化差异极显著（P＜0.01），表现为表层gt;中层gt;深层（图4a）。

施加沼液显著提高了表层土壤AP含量（P＜0.05），在表层中，不同处理土壤AP含量表现为M＞H＞L＞CK。多重比较发现，M处理与CK、L处理下土壤AP含量变化差异显著（P＜0.05）。与CK相比，L、M、H处理土壤AP含量分别增加了3.27%、41.53%和19.19%。施用沼液对中层和深层土壤AP含量变化影响不显著。在不同沼液处理下，不同土层间土壤AP含量无显著差异（图4b）。

2.4 施用沼液对土壤碳氮比及微生物生物量碳氮比的影响

施用沼液显著降低了表层土壤碳氮比（质量分数比，下同，记为C/N）（P＜0.05）。随着沼液浓度增加，3个土层土壤C/N均有下降的趋势，均表现为CKgt;Lgt;Mgt;H。进一步做多重比较发现，CK处理与H处理下土壤C/N变化差异显著（P＜0.05）。在表层中，与CK处理相比，L、M、H处理下土壤C/N分别降低了14％、17％、24.71％。施用沼液对中层和深层土壤C/N变化影响不显著。在不同浓度沼液处理下，不同土层间土壤C/N变化差异极显著（P＜0.01）（图5a）。

在0～20 cm土层中，土壤微生物生物量碳氮比（质量分数比，下同，记为MBC/MBN），比随着沼液浓度的增加而呈现先增后减的趋势（P＜0.05）。进一步做多重比较发现，L处理与M、H处理下土壤MBC/MBN变化差异显著（P＜0.05）。与CK处理相比，L处理下土壤MBC/MBN提高了14.63%；M、H处理下土壤MBC/MBN分别降低了19.51%、19.47%。施用沼液对中层和深层土壤MBC/MBN影响不显著。在不同浓度沼液处理下，不同土层间土壤MBC/MBN变化差异极显著（P＜0.01）（图5b）。

2.5 施用沼液对土壤pH和土壤含水率的影响

施加沼液显著降低了3个土层土壤pH（P＜0.05），且土壤pH均表现为CK＞L＞M＞H。在表层中，与CK处理相比，L、M、H处理下土壤pH分别降低了1.62%、2.15%和3.08%。在中层土壤中，与CK处理相比，L、M、H处理下土壤pH分别降低了1.90%、2.19%和3.26%。在深层中，与CK处理相比，L、M、H处理下土壤pH分别降低了1.61%、2.25%和3.26%。施用沼液显著降低了各土层土壤pH（P＜0.05）。多重比较发现，表层中，CK处理与H处理下土壤pH变化差异显著（P＜0.05）；中层和深层中，CK处理与M、H处理下土壤pH变化差异显著（P＜0.05）。在不同沼液处理下，不同土层间土壤pH变化差异显著（P＜0.05）（图6a）。

施加沼液显著提高了表层土壤含水率（P＜0.01），在表层中，不同处理土壤含水率表现为L＞H＞M＞CK。与CK处理相比，L、M、H处理下土壤含水率分别增加了11.21%、1.66%和1.71%。施用沼液对中层和深层土壤含水率影响不显著。多重比较发现，L处理与CK、M处理下土壤含水率变化差异极显著（P＜0.01）。在不同沼液处理下，不同土层间土壤含水率变化差异极显著（P＜0.01）（图6b）。

2.6 沼液处理下土壤各项C、N、P指标相关性分析

不同浓度沼液处理下的各项土壤理化性质的相关性分析结果见表1。由表1可知，土壤pH和土壤含水率、DOC、SOC、MBC、TN、MBN、TP和AP含量之间极显著负相关，和土壤C/N显著正相关；土壤含水率和土壤DOC、SOC、MBC、TN、MBN、TP之间极显著正相关，和土壤AP显著正相关，和土壤C/N、MBC/MBN之间极显著负相关；土壤DOC和土壤SOC、MBC、TN、MBN、TP、AP含量之间极显著正相关，和土壤C/N、MBC/MBN极显著负相关；土壤SOC和土壤MBC、TN、MBN、TP、AP含量之间极显著正相关，和C/N、MBC/MBN极显著负相关；土壤MBC和土壤TN、MBN、TP、AP含量极显著正相关，和土壤C/N极显著负相关；土壤TN和土壤MBN、TP、AP含量极显著正相关，和土壤C/N、MBC/MBN极显著负相关；土壤MBN和土壤TP、AP含量极显著正相关，和土壤C/N、MBC/MBN极显著负相关；土壤TP和AP含量极显著正相关，和土壤MBC/MBN显著负相关；土壤C/N和土壤MBC/MBN极显著正相关。

3 讨 论

研究表明施加沼液显著增加了表层土壤SOC含量，且随沼液浓度的增大而增加，这与魏彬萌等[22]的结论基本吻合。本研究发现施用沼液后，表层土壤MBC含量得到了显著增加，与杜妍宁[15]、赵倩[16]二人研究结果不一致，这可能是由于较短期而言，长期施用沼液可以为土壤微生物活动提供更加充足的碳源，并为其提供良好的生长环境，促进了土壤团聚体的形成，加强了对土壤微生物的保护，使得土壤MBC含量显著增长。本研究还发现，施用沼液能显著增加土壤DOC含量，这一方面是由于沼液本身含有丰富的DOC及较高的pH，沼液浓度越高，土壤DOC含量就越多；另一方面，土壤pH会通过影响土壤DOC的溶解度对土壤DOC含量产生影响[23]，因此土壤DOC含量呈现上升趋势。

有研究表明施加沼液可以显著提高土壤TN含量[24-25]，与本研究结果一致。这一方面是由于沼液经厌氧发酵后，大部分的氮素仍被保留，养分含量丰富，因此土壤TN含量随沼液浓度的增加呈现上升趋势；另一方面沼液为土壤微生物提供了丰富的能源，土壤微生物活性提高，其固氮作用得到增强，从而提高了土壤TN含量[26]。同时施用沼液显著增加了表层土壤MBN含量，这表明沼液为土壤带来充足的氮源，且沼液中活性物质也可能有利于土壤微生物的生长。

本研究表明施加沼液能显著增加土壤TP含量。范韵等[27]发现施用沼液对不同土层土壤TP含量影响并不一致，表层土壤TP含量变化较为明显，而沼液对深层土壤TP含量影响不大；康凌云等[28]同样发现，表层土壤磷含量增长幅度最大，60～90 cm土层中有小幅增加，这说明磷的移动性较差。本研究还显示，施加沼液能显著增加表层土壤AP含量，但不同浓度沼液处理下，各土层间土壤AP含量变化影响均不显著，与乔锋等[29]的结果一致。另外罗伟等[30]和王敏锋等[31]的研究均发现施用沼液对磷含量的影响可能与当地土壤质地有关。

施用沼液能够显著降低表层土壤C/N，这可能是由于所施沼液本身就含有大量NH+4-N，其通过固持、硝化、挥发等作用增加了土壤中N含量，从而使得土壤C/N降低。研究表明土壤微生物生物量碳氮比（MBC/MBN）越高，土壤中的真菌数量就越多。本研究发现，表层土壤MBC/MBN在M、H处理下逐渐下降，这表明高浓度沼液可能改变土壤微生物的群落结构，促进土壤细菌的生长；而在深层土壤中MBC/MBN总体高于表层土壤MBC/MBN，说明该试验地深层土壤中真菌占比较大。

研究发现随着沼液施用量的增加，土壤中N、P、K等养分向土壤深层迁移量也相应增加，但沼液施用过度，不断累积的土壤养分和盐分逐渐向深层土壤迁移，将会带来较大的环境污染风险[32]。因此研究不同土层施用沼液对土壤养分含量的积累和迁移具有重要意义。就本研究而言，在0～60 cm土层中，施用沼液显著增加了表层土壤SOC、DOC、MBC、TN，MBN、TP、AP含量，显著降低了表层土壤C/N和MBC/MBN；同时显著增加了中层土壤DOC、TP含量；但在深层土壤中，施加沼液对土壤C、N、P各项指标均无显著影响。这是由于施用沼液后，沼液中的营养元素多集中在表层土壤中，被土壤吸附固持，因此施加沼液对表层土壤理化性质及微生物量的影响要显著高于中层和深层土壤。本研究还发现，3个土层土壤pH均随沼液浓度的增加而逐渐降低，这可能是因为沼液经沼气厌氧发酵后，含有胡敏酸和富里酸，导致土壤pH下降。同时发现施加沼液可以显著提高表层土壤含水率，这一方面是由于试验期间夏季降水较多，表层土壤含水率由此升高；另一方面可能是由于所施沼液中含有大量的腐殖酸，其对土壤团粒结构的形成具有重要作用[33]。因此，施用沼液可以改善土壤的保水性能，特别是对砂质壤土有保水抗旱的效果。

此外，施加适量沼液会提高土壤养分含量，但是过量施用沼液，土壤无机氮会随着沼液施用量的增加而增加，造成环境污染[34]。过量施用沼液，其中的NO-3-N含量会逐渐增加，从而污染土壤深处的地下水[35]。研究发现，75%的沼液用量是最适宜的，当达到100%时，土壤pH、AP含量均出现下降的趋势[36]。朱家悦[37]也认为，施加沼液能提高土壤肥力，但施加过量，土壤有效磷存在较高的磷流失风险，且铵态氮含量过高也会毒害农作物。同时长期施用浓度较高的沼液易造成表层土壤磷的富集，对土壤环境造成威胁[38]。

综上所述，沼液能显著提高土壤碳、氮和磷等主要养分含量，降低土壤碳氮比，同时降低了沿海盐碱土壤pH，这有利于改善土壤理化性质，维持杨树人工林土壤肥力。但是，施加过度是否会引起土壤磷素淋洗、氮淋溶风险，造成环境污染及具体程度还有待进一步研究。

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（责任编辑 孟苗婧 郑琰燚）