楊樹采伐剩余物施用對土壤養分和二氧化碳釋放的影響

蘭梓瑜，丁思惠,2，方升佐,3

（1. 南京林業大學 林學院，江蘇 南京 210037；2. 江蘇省科技資源統籌服務中心，江蘇 南京 210008；3. 南京林業大學 南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京 210037）

在資源綜合利用和固碳減排的背景下，大量的農林廢棄物作為生物質原料正在得到開發利用，國內關于生物質原料的研究以農林廢棄物中的秸稈較為成熟，其提高土壤肥力和改善土壤生態環境的效應受到學界廣泛認可，在農田土壤中的應用普遍。眾多研究表明：秸稈作為生物質原料對土壤微生物的數量和活性具有顯著影響[1?4]，可有效提高土壤碳氮磷鉀等養分含量[5?8]。但也有研究發現：作為營養元素循環及形態轉換的重要承擔者，土壤微生物在驅動養分周轉的同時也會對土壤二氧化碳(CO2)的釋放產生影響[9?11]。因此，秸稈施用雖然補充了土壤養分，但也在一定程度上造成CO2排放增加。楊樹Populus具有生長快、成材早、產量高、易于更新等特點，是世界中緯度平原地區栽培面積最大、木材產量最高的速生用材樹種之一[12]。作為重要的多功能用材和生態公益樹種，中國楊樹人工林面積居世界首位，楊樹人工林的大量采伐和生產利用，使得采伐剩余物利用空間和潛力巨大。目前對林業采伐剩余物利用的研究，僅有少量針對杉木 Cunninghamia lanceolata[13?15]、桉樹 Eucalyptus[16?17]和松樹 Pinus[18?19]等的報道，針對楊樹人工林采伐剩余物利用的研究更是鮮有。本研究以農業剩余物還田后在土壤中發揮的效應為參考，以南方地區重點推廣的楊樹‘南林895楊’Populus × euramericana‘Nanlin -895’采伐剩余物和水稻Oryza sativa秸稈為研究對象，比較施用楊樹不同組分(樹枝、樹皮、樹葉)和水稻秸稈后，森林土壤的生物化學性質差異，旨在探究楊樹采伐剩余物對森林土壤養分和CO2釋放的綜合效應，以期為楊樹采伐剩余物還林提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

2018年10月于江蘇省宿遷市泗洪縣陳圩林場采集‘南林895楊’采伐剩余物及試驗地周圍農田水稻。所采原材料按楊樹樹皮、樹枝、樹葉、水稻秸稈分類，用去離子水洗凈，70 ℃恒溫烘干后粉碎過2 mm篩，密封保存備用。生物質原料基本性質見表1。

表1 供試生物質原料基本性質Table 1 Basic properties of biomass materials used in this study

2019年3月于江蘇省宿遷市泗洪縣陳圩林場采集‘南林895楊’中齡林(12年生)林地0～20 cm表層土壤，土壤母質為洪澤湖淤積土，土壤質地為黏土。剔除動植物殘體及小石子等雜質，過2 mm篩后置于4 ℃冰箱保存備用。土壤基本理化性質如下：土壤容重為(1.42±0.02) g·cm?3；pH為7.18±0.05；陽離子交換量為 (31.02±0.66) cmol·kg?1；全碳和全氮質量分數分別為 (9.77±0.01)和 (1.13±0.01) g·kg?1，碳氮比為 9.44±0.25；全磷和全鉀質量分數分別為 (0.35±0.00)和 (9.52±0.75) g·kg?1。

1.2 試驗設計

試驗共設置5個處理：土壤(對照，ck)、土壤+楊樹樹皮(BR)、土壤+楊樹樹枝(TR)、土壤+楊樹樹葉(LR)、土壤+水稻秸稈(SR)，每個處理3個重復。室內培養方法參考ZIMMERMAN[20]和閆德智等[21]，并依據陳圩林場楊樹人工林單位面積凋落物(20 g·kg?1)的實際情況，控制各處理中生物質原料質量分數(2%)，混合均勻后裝入自制的聚乙烯塑料盒(口徑8 cm，高12 cm)，采用稱量法用無菌水調節土壤含水量至田間持水量的60%，加蓋密封后在25 ℃恒溫培養箱中暗培養180 d。培養期間，保持土壤含水量為田間持水量的60%。為維持土壤良好的通氣條件，1周通氣1次，時長20 min。

采取破壞性取樣測定土壤生物化學性質，取樣時間為培養的0、7、15、30、60、90、120、180 d。基于密閉箱法原理采取放回式取樣測定土壤CO2，具體操作步驟為：用30 mL針筒從密閉培養罐上端采集0時刻的15 mL氣樣，1 h后采集第2針氣體15 mL，所取氣體均儲存于事先抽真空的錫紙氣體采樣袋中，在3 d內測定。取樣后的培養罐重新密封放回恒溫培養箱，留待下一次采樣。取樣時間為培養后的第 1、3、5、7、10、13、16、19、22、25、30、35、40、47、54、61、70、79、88、99、110、121、134、149、165、180 天。

1.3 測定方法

1.3.1 生物原料和土壤特性測定 生物質原料和供試土壤的pH(記為pH1和pH2)利用pH儀測定，其中生物質原料與去離子水的質量體積比為1.0∶20.0，土壤與去離子水質量體積比為1.0∶2.5，參照LY/T 1239?1999《森林土壤pH值的測定》進行。生物質原料和土壤的全碳(TC1和TC2)、全氮(TN1和TN2)及碳氮比 (C1/N1和 C2/N2)用元素分析儀 (Vario MACRO Cube, Elementar, 德國)測定。生物質原料和土壤的全磷(TP1和TP2)和全鉀(TK1和TK2)采用濃硫酸-高氯酸消煮法提取，其中全磷采用鉬銻抗比色法測定，全鉀用原子吸收分光光度計測定，參照LY/T 1232?1999《森林土壤全磷的測定》和LY/T 1234?1999《森林土壤全鉀的測定》進行。按1.0∶5.0的質量體積比用2 mol·L?1氯化鉀溶液提取土壤無機氮，其中銨態氮(NH4+-N)采用靛酚藍比色法，硝態氮(NO?3-N)采用紫外分光光度法進行測定，參照鮑士旦[22]和GB/T 32737?2016《土壤硝態氮的測定 紫外分光光度法》進行。用鹽酸-硫酸雙酸提取，鉬銻抗比色法測定土壤有效磷 (AP)，參照 LY/T 1233?1999《森林土壤有效磷的測定》進行。用 1 mol·L?1乙酸銨提取，原子吸收分光光度計測定土壤速效鉀(AK)，參照LY/T 1236?1999《森林土壤速效鉀的測定》進行。用1 mol·L?1乙酸銨交換法測定并計算土壤陽離子交換量(CEC)，參照LY/T 1243?1999《森林土壤陽離子交換量的測定》進行。土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法提取，其中MBC利用TOC儀測定，MBN利用流動分析儀測定[23?24]。計算MBC=(熏蒸后土壤有機碳-熏蒸前土壤有機碳)/0.45。其中：MBC為土壤微生物生物量碳質量分數(mg·kg?1)，0.45為熏蒸提取法提取液的有機碳增量換算成土壤微生物生物量碳的換算系數。計算MBN=(熏蒸后微生物量氮?熏蒸前土壤微生物量氮)/0.25。其中：MBN為微生物生物量氮質量分數(mg·kg?1)，0.25為微生物體氮的礦化系數，即礦化得到的微生物體氮是微生物體總氮的0.25倍。

1.4 數據分析

數據統計分析使用Excel 2010和SPSS 20.0，多重比較采用最小顯著差異法(LSD，α=0.05)，圖表繪制使用Excel 2010和Origin 2018。數據為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 生物質原料添加對土壤微生物生物量的影響

土壤中添加不同生物質原料顯著影響土壤微生物生物量(圖1，P＜0.05)。由圖1A可知：在培養的各階段，SR的土壤MBC質量分數始終高于其他處理(P＜0.05)，與對照相比，各處理組土壤MBC質量分數均顯著升高(P＜0.05)。培養結束時，各處理的土壤MBC質量分數分別比對照增加了50.00%、31.00%、80.00%和109.00%，說明添加4種生物質原料均能提高土壤MBC質量分數。

由圖1B可知：與對照相比，培養結束后各處理組土壤MBN顯著增加(P＜0.05)，其中SR的土壤MBN質量分數顯著高于其他處理，各處理的土壤MBN質量分數分別比對照增加了54.00%、40.00%、72.00%和203.00%，說明4種生物質原料的施用均能增加土壤MBN質量分數。

圖1 生物質原料施用對土壤微生物生物量的影響Figure 1 Effects of biomass material additions on soil microbial biomass in the soil

相關性分析表明(表2)：施用生物質原料180 d后，土壤MBC與TN1、TP1、TK1存在極顯著正相關(P＜0.01)，與TC1和C1/N1存在極顯著負相關(P＜0.01)；土壤MBN與TC1、C1/N1存在顯著負相關(P＜0.05)，與TK1存在極顯著正相關(P＜0.01)。

表2 生物質原料性質與土壤各指標間的相關性Table 2 Correlations between properties of biomass materials and properties of soil

2.2 生物質原料添加對土壤速效養分的影響

不同生物質原料對土壤速效養分的影響動態相似，但不同養分間存在差異(圖2)。培養初期，SR土壤NH4+-N質量分數下降最顯著；培養中后期，不同處理的NH4+-N質量分數均呈先上升后下降的趨勢；培養結束時，不同處理的土壤NH4+-N質量分數均明顯減少，從大到小依次為BR、TR、對照、SR、LR(圖2A)。除對照的土壤NO?3-N質量分數隨培養時間增加始終呈上升趨勢，其他處理土壤NO?3-N質量分數均表現為培養初期顯著下降，培養60 d時降到最低，培養結束時略有增加，從大到小依次為對照、SR、LR、BR、TR(圖 2B)。

由圖2C可知：土壤有效磷質量分數表現為培養初期下降明顯，初期至中后期上下波動，中后期有所上升。培養結束后，TR、BR、LR和SR的土壤有效磷質量分數分別比對照增加了202.00%、4.73%、192.00%和143.00%。圖2D表明：整個培養過程中，速效鉀質量分數波動幅度相對較小，各處理組的土壤速效鉀質量分數均高于對照。SR的土壤速效鉀質量分數始終顯著高于其他處理(P＜0.05)，培養結束時，各土壤的速效鉀質量分數從大到小依次為SR、LR、TR、BR、對照。

圖2 生物質原料施用對土壤速效養分的影響Figure 2 Effects of biomass material additions on available nutrients in the soil

結合表2可知：土壤NH4+-N與TC1和C1/N1呈極顯著正相關 (P＜0.01)，與TN1呈極顯著負相關(P＜0.01)；土壤NO?3-N與TN1呈極顯著正相關(P＜0.01)，與TC1和C1/N1呈極顯著負相關(P＜0.01)。同時，土壤AP、AK分別與TP1、TK1存在極顯著正相關(P＜0.01)。說明生物質原料的施用對土壤無機氮、有效磷和速效鉀的變化有直接影響。由表3可知：培養期間(0、7、30、90和180 d)，土壤性狀間存在一定的相關性，其中，土壤AP、AK均分別與土壤MBC、MBN和NH4+-N存在極顯著正相關(P＜0.01)。

表3 施用生物質原料土壤各指標的相關性Table 3 Correlations between properties of soil with biomass material additions

2.3 生物質原料添加對土壤 CO2 釋放的影響

土壤添加不同生物質原料后土壤CO2日釋放速率的變化趨勢基本相同(圖3)，培養第1 天出現峰值，隨培養時間增加逐漸下降。培養30 d后TR、BR和對照的土壤CO2日釋放速率逐漸趨于穩定。培養的前47 d內，SR、LR的土壤CO2日釋放速率較高，培養61 d后趨于穩定(圖3A)。

從圖3B看，培養結束(180 d)時，不同處理的土壤CO2累積釋放量從大到小依次為SR、LR、TR、BR、對照。與對照相比，TR、BR、LR、SR的土壤CO2累積釋放量分別提高了38.92%、36.43%、209.88%和291.36%。

圖3 不同處理下土壤CO2日釋放速率(A)和累積釋放量(B)Figure 3 Effects of biomass material additions on CO2 daily emission rate (A) and cumulative emission (B) in the soil during the incubation period

土壤CO2日釋放速率與TC1和C1/N1呈極顯著正相關(P＜0.01)，與TN1呈極顯著負相關(P＜0.01，表2)，與土壤MBC、AP、AK呈極顯著正相關(P＜0.01，表3)，說明土壤呼吸與生物質原料的碳氮質量分數及微生物活動密切聯系，且受土壤有效養分的調控。

3 討論與結論

3.1 楊樹采伐剩余物施用對土壤速效養分的影響

土壤微生物的數量和活性直接或間接地反映了土壤有效養分的供給能力。一方面，土壤微生物是養分循環的重要因子，生物質原料進入土壤后，土壤中的氮磷鉀等元素可能以各種形態存在，其有效性受微生物礦化-固持作用的控制。研究認為：有機物料的碳氮比是影響其還田后土壤氮素礦化固持的重要因子之一[26?27]，土壤微生物活動是氮素循環的重要驅動力，但有機物料適宜的碳氮比才有利于微生物的活動[28?29]。KUMAR等[30]認為碳氮比為25是氮素轉化的關鍵值，低于25的碳氮比有利于微生物吸收利用氮素，高于25則相反。本研究發現：在培養初期，施用生物質原料的土壤無機氮質量分數均明顯下降，同時土壤微生物生物量碳氮均顯著增加。這是因為隨著生物質的施入，土壤養分供給充足，促進了微生物活性；但由于4種添加物的碳氮比均較高，微生物為了維持生長代謝的碳氮平衡，需要吸收土壤中的無機氮，即土壤無機氮被微生物固持，土壤無機氮質量分數降低，與閆德智等[21]和李濤等[31]的結果一致。至培養中后期，隨著碳源的消耗，微生物活動減緩，當土壤碳氮比下降到一定程度后，微生物礦化釋放無機態氮素，土壤無機氮質量分數略有回升。另一方面，土壤微生物本身是土壤碳氮能源庫，土壤微生物量碳氮的增減揭示了碳氮進入土壤后生物固持和釋放的本質。張靜等[32]研究表明：當玉米Zea mays秸稈還田量為9 000 kg·hm?2時，麥地的微生物生物量碳顯著提高，為下一茬作物儲備了豐富的碳源。本研究發現：與對照相比，楊樹材料的施用明顯增加了土壤微生物生物量碳氮；同時，相關性分析可知：土壤MBC、MBN與生物質原料具有顯著相關關系，說明楊樹采伐剩余物可以作為生物質原料來提高土壤的碳氮儲備量。添加生物質后，土壤有效磷的變化趨勢與無機氮相似，均為先降低后逐漸趨于穩定，推測可能與磷的生物固持有關[33?36]。對于森林土壤來說，碳磷比是影響磷礦化的關鍵，本研究處理初期，磷及碳磷比較高，微生物吸收固定土壤中的有效磷，培養后期，磷的礦化作用開始增強，有效磷質量分數有所上升，與SAGGER等[37]和DIETER等[38]的觀點一致。

本研究中各處理土壤的速效鉀質量分數與土壤微生物生物量質量分數具有對應關系，但整體變化幅度較小，原因可能是土壤自身速效鉀質量分數較高，固鉀能力較弱或固鉀需求已經滿足。黃帥等[39]的研究也證明土壤固鉀率與速效鉀質量分數和鉀離子飽和度均呈極顯著負相關。本研究為土壤空白試驗，不存在植物對土壤速效鉀的吸收利用，不需要消耗大量交換性鉀，因此在微生物代謝周轉過程中，礦化產生速效鉀的質量分數也相對較少。

就提升土壤銨態氮和有效磷質量分數而言，施用楊樹樹皮和樹枝的效果優于秸稈和對照；對于提高硝態氮質量分數，雖然3種楊樹材料的施用效果較秸稈差，但樹葉和樹皮的施用效果優于樹枝；從速效鉀質量分數來看，楊樹材料的施用效果均明顯優于對照。因此，施用楊樹采伐剩余物對土壤中氮素的轉化具有積極影響，在無機氮質量分數較高的土壤中，施用碳氮比較高的樹皮和樹枝原料有利于微生物對土壤氮素的固定，雖然降低了氮素有效性，但一定程度上避免了氮素的流失；當土壤無機氮質量分數較低時，選擇碳氮比較低的樹葉原料，微生物能更快地礦化釋放無機氮供植物利用。本研究還發現：施用楊樹采伐剩余物也具有提高土壤有效磷和速效鉀質量分數的潛力，不同楊樹材料中以樹枝和樹葉的施用效果更好。

3.2 楊樹采伐剩余物施用對土壤CO2釋放的影響

土壤有機碳的礦化受微生物活動的密切影響，研究[40]表明：土壤呼吸釋放的CO2約50%～70%來自微生物對有機質的分解。秸稈還田試驗[41?42]表明：土壤呼吸與土壤微生物量碳存在顯著正相關關系。本研究中，不同處理土壤CO2日釋放速率均表現為初期較快、中期逐漸減緩、培養后期趨于穩定的趨勢，該動態規律與朱文玲[43]的研究結果一致，并與本研究中土壤微生物生物量碳氮的變化趨勢相對應。

目前關于有機物料還田是否能減少CO2的排放還存在一定爭議。眾多研究[11，44?45]認為：生物質原料的添加提供了更多土壤呼吸和CO2釋放所需的碳素，使CO2排放量增加，存在負面的環境效應。本研究也發現：添加4種生物質材料后，土壤CO2日釋放速率和累積釋放量均高于對照。從土壤CO2日釋放速率來看，秸稈和樹葉施入后，土壤礦化速率高于樹枝和樹皮原料。從累積釋放量來看，雖然培養初期添加樹葉使土壤有機碳的礦化量更大，但長期培養過程中添加秸稈對有機碳的礦化效果更明顯，即4種材料的施用都會給環境帶來的一定程度的負面影響，但相比秸稈，添加楊樹采伐剩余物后土壤CO2排放量明顯要低。也有研究[46?47]證實，有機物料的施用能減少碳排放，這可能與施用方式、施用量及生物質原料和土壤性質不同有關。

本研究以目前在農田土壤中廣泛應用的秸稈原料為參照，證明了楊樹采伐剩余物既能滿足土壤有效養分的補充，又能相對控制CO2排放，具有作為生物質原料還林的巨大潛力。基于中國氣候條件、土壤類型和植被種類，有必要對楊樹采伐剩余物的施用量和施用方式進行長期田間綜合試驗和評價，探究其在土壤中施用的現實意義。同時，除監測CO2釋放外，還有必要在施用過程中進一步測定甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O) 等重要溫室氣體，以明確楊樹采伐剩余物施用的生態環境效應，真正實現林業的綠色可持續發展。