施用沼液對(duì)楊樹(shù)人工林凋落物量與林木生長(zhǎng)的影響

徐涵湄，薛 斌，查全智，曹?chē)?guó)華，沈彩芹

（1.南京林業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境學(xué)院，南京 210037；2.江蘇省東臺(tái)市林場(chǎng)，江蘇 東臺(tái) 224200）

由于禽畜養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模的日益擴(kuò)大，造成大量禽畜垃圾產(chǎn)生，江蘇省東臺(tái)市中糧集團(tuán)，每年就能夠產(chǎn)生豬糞大約30 多萬(wàn)m3[1]，如果該糞污不經(jīng)過(guò)處理就直接排入環(huán)境，將直接對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)造成環(huán)境污染。禽畜廢棄物經(jīng)厭氧發(fā)酵后形成的沼液是一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料，不僅含有大量的氮磷鉀鈣鎂等營(yíng)養(yǎng)元素，并且還含有易被植物吸收利用的速效養(yǎng)分[2]。目前已有研究表明，將沼液作為肥料施用可以影響細(xì)根形態(tài)[3]，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[4-6]，還可以提高土壤酶活性，提升土壤肥力[7-8]，從而提高農(nóng)林產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量[9-11]。通過(guò)沼液還田，不僅減少了化肥的使用，而且還降低了農(nóng)林經(jīng)營(yíng)成本，已成為目前養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的重要方式之一[12]。

楊樹(shù)具有生長(zhǎng)快、成才早的特點(diǎn)，是世界中緯度平原地區(qū)栽培面積最大、林材產(chǎn)量最高的速生用材樹(shù)種之一[13]，中國(guó)楊樹(shù)人工林面積居世界第一[14]，其中蘇北平原地區(qū)是我國(guó)最大的楊樹(shù)人工林種植區(qū)[15]。但是，目前我國(guó)楊樹(shù)人工林經(jīng)營(yíng)過(guò)程中普遍存在土壤肥力降低、林分生產(chǎn)力下降的現(xiàn)象，如何維持和提高楊樹(shù)人工林生產(chǎn)力已成為楊樹(shù)人工林持續(xù)經(jīng)營(yíng)的關(guān)鍵問(wèn)題[16-17]。楊樹(shù)人工林凋落物作為林分生產(chǎn)力的重要表現(xiàn)，其產(chǎn)量是調(diào)控林分生產(chǎn)力和楊樹(shù)人工林物質(zhì)循環(huán)的重要因子[18]。不同經(jīng)營(yíng)管理措施對(duì)林下凋落物貯存和分解[19-21]以及林木生長(zhǎng)存在一定的影響[22-24]。因此，本文選取蘇北沿海楊樹(shù)人工林為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，探討不同濃度沼液的施用對(duì)楊樹(shù)人工林凋落物量、林木生長(zhǎng)及林下植被多樣性的影響，以期為蘇北地區(qū)楊樹(shù)人工林經(jīng)營(yíng)和沼液科學(xué)合理利用提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省鹽城市東臺(tái)黃海森林國(guó)家公園（32°52′N(xiāo)，120°49′E），該地屬于北亞熱帶海洋性季候風(fēng)氣候。年均溫度13.7 ℃，年降雨量1 051 mm，無(wú)霜期223 d，年均日照為2 200 h。林下草本植物主要有禾本科（Poaceae）、薔薇科（Rosaceae）、菊科（Asteraceae）及葫蘆科（Cucurbitaceae）等 16 個(gè)科 23 屬，林下土壤為堿性土壤，其主要理化性質(zhì)為：pH 為 8.6；全碳（TC）為 11.6 g/kg；全氮（TN）為 1.27 g/kg；全磷（TP）為0.68 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣地于2012 年3 月布置，根據(jù)立地條件和經(jīng)營(yíng)條件基本一致的原則，在江蘇鹽城東臺(tái)國(guó)有林場(chǎng)選擇10 年生楊樹(shù)（Populus deltoides cv.35）人工林進(jìn)行樣地布設(shè)。樣地大約12.6 ha，株行距5 m×6 m。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)置樣方，根據(jù)沼液中NH4+-N 濃度分別為土壤有效氮濃度的 0、1、2、3 倍[25]，設(shè)置 4 種不同沼液濃度：對(duì)照（CK）、低濃度（L，125 m3/ha·yr）、中濃度（M，250 m3/ha·yr）、高濃度（H，375 m3/ha·yr）。每種設(shè)置都有 3 個(gè)重復(fù)，一共12 個(gè)樣方。每個(gè)樣方大小為10 m×12 m，有9 棵楊樹(shù)。樣方之間設(shè)立10 m 寬的緩沖帶消除交叉影響。12 個(gè)樣方中各隨機(jī)安置4 個(gè)凋落物收集網(wǎng)（80 cm×80 cm），共計(jì)48 個(gè)。

樣地從 2012—2018 年，每年 5 月、8 月和 10 月用泵均勻噴施沼液1 次，對(duì)照樣地也會(huì)噴施等量的水。所用沼液來(lái)源于中糧集團(tuán)所產(chǎn)豬糞經(jīng)厭氧發(fā)酵形成，其基本理化性質(zhì)如下：pH（8.15）；可溶性有機(jī)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 樣品采集與分析

于2018 年4 月到2019 年3 月每月月尾將落于收集網(wǎng)上的凋落物收回，具體收集方式是將每個(gè)樣方中的4 個(gè)收集網(wǎng)上的凋落物裝在一個(gè)塑料袋中帶回實(shí)驗(yàn)室后對(duì)其進(jìn)行烘干，按照枝、葉、碎屑3 部分將凋落物分開(kāi)，并分別稱(chēng)其質(zhì)量，葉留作后期磨粉，過(guò)100 目網(wǎng)篩，測(cè)其養(yǎng)分含量。

分析凋落葉全碳、全氮、全磷營(yíng)養(yǎng)元素的含量，其中全 C，全 N 用 PE2400 Ⅱ型元素分析儀 （PEKINELMERLtd Co，America）測(cè)定，全P 用荷蘭SKALAR SAN++連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定。

于2018 年1 月底和8 月初對(duì)12 個(gè)樣方中的楊樹(shù)樹(shù)高、胸徑和冠層進(jìn)行測(cè)量。在2018 年6 月利用樣方法調(diào)查了樣地中草本植物組成及其株數(shù)、蓋度、高度。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

使用SPSS 22.0 和Origin 2018 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和圖表處理。使用單因素方差分析（One-way ANOVA）對(duì)不同沼液濃度處理下林分的各指標(biāo)差異性做方差分析，使用最小顯著差法（LSD）進(jìn)行多重比較（顯著性水平設(shè)為 0.05）。

草本植物多樣性指標(biāo)用Species richness、Shannon diversity、Simpson diversity 來(lái)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同沼液濃度對(duì)楊樹(shù)人工林凋落物的影響

2.1.1 對(duì)年凋落物量的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示，楊樹(shù)人工林年凋落葉量在L、M、H 3種施用濃度處理比CK（對(duì)照）處理分別增加了61.4%、67.7%、20.4%；年凋落枝量在 L、M、H 處理下，比 CK 處理分別增加60.6%、60%、16.9%；年凋落碎屑量在 L、M、H 處理下，比 CK 處理增加了 66.2%、19.3%、11.4%；施用沼液顯著增加了楊樹(shù)人工林的年凋落物量，在不同的沼液濃度處理下的變化為L(zhǎng)＞M＞H＞CK（圖1）。L、M 沼液濃度處理下的楊樹(shù)人工林凋落物量要高于H處理，這可能是因?yàn)橹械蜐舛日右焊m合楊樹(shù)人工林生長(zhǎng)，而高濃度處理可能由于濃度過(guò)高反而減緩了林木的生長(zhǎng)。

圖1 不同沼液濃度對(duì)林分年總凋落物量的影響

2.1.2 對(duì)凋落葉養(yǎng)分含量的影響

施用沼液顯著改變了凋落物營(yíng)養(yǎng)元素的含量（圖2）。凋落葉中TN 含量在L、M 處理下極顯著高于CK 和H 處理（p＜0.01），凋落葉 TN 含量在 H 處理下高于 CK，但差異不顯著；凋落葉TC 含量在CK 處理下顯著低于其他 3 種處理（p＜0.05），但 L、M、H 這 3 種處理之間沒(méi)有顯著差異；凋落葉P 濃度在M 處理下顯著高于其他3種處理（p＜0.05）。

圖2 不同沼液濃度對(duì)林分凋落物葉養(yǎng)分含量的影響

2.2 不同沼液濃度對(duì)楊樹(shù)人工林生長(zhǎng)的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示，L、M、H 沼液濃度處理下林木的樹(shù)高顯著高于CK 樣地林木樹(shù)高，分別增長(zhǎng)了7.42%、9.47%、5.12%，胸徑分別增長(zhǎng)了6.82%、9.74%、6.47%；冠層分別增大了8.24%、11.54%、8.24%（圖3）。并且L、M沼液濃度處理下的林木樹(shù)高增長(zhǎng)顯著快于H 處理（p＜0.01），這可能是因?yàn)橹械蜐舛日右焊m合楊樹(shù)人工林生長(zhǎng)，而高濃度處理可能由于濃度過(guò)高反而減緩了林木的生長(zhǎng)。

圖3 不同沼液濃度對(duì)林分樹(shù)高、胸徑和林冠的影響

2.3 不同沼液濃度對(duì)林下草本植物多樣性的影響

如圖 4 所示，草本 Species richness（q=0）在 CK 處理下草本植物多樣性顯著高于3 種沼液濃度處理，分別比 L、M、H 處理高 28.1%、21.9%、18.8%，但 L、M、H 之間沒(méi)有顯著差異；草本Shannon diversity（q=1）和Simpson diversity（q=2）在CK 處理下的變化趨勢(shì)顯著高于其他3種處理，Simpson diversity（q=2）在 L 處理下的變化趨勢(shì)顯著高于H、M 處理。

圖4 不同沼液濃度處理下草本植物多樣性變化

3 討論

施用沼液顯著增加了楊樹(shù)人工林的年凋落物量，在L、M 處理下的凋落物量要顯著高于H 處理，這可能主要是因?yàn)檫m當(dāng)濃度的沼液可以促進(jìn)葉片中有機(jī)物的積累，這與TN 濃度變化一致，氮濃度的增加可以提高葉片的光合作用[26]，從而增加了有機(jī)物質(zhì)的積累，進(jìn)而其質(zhì)量也會(huì)增加，凋落葉中的TN 濃度在L 和M 處理下高于其他2 種處理，這主要可能是沼液中的氮素被葉片吸收利用，而過(guò)高濃度的沼液卻抑制了氮的吸收。TC 濃度在CK 處理下顯著低于其他3 種處理水平，其中L、M 處理最高，這可能是由于L 和M 處理下增加了葉片中如氮等光合作用所需的化學(xué)物質(zhì)，從而提高了葉片的光合作用，積累了碳水化合物，但是其具體的過(guò)程機(jī)制目前還不清楚。P 濃度在M 處理下要高于其他3 種處理，P 可以合成植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)[27]，因此這也可能是造成在M 處理下樹(shù)高胸徑增長(zhǎng)速度加快的因素之一。

M 處理水平下的樹(shù)高增長(zhǎng)量顯著高于CK 和H 處理，CK 顯著低于L、M 處理，楊樹(shù)胸徑增長(zhǎng)在CK 處理下極顯著低于其他3 種處理水平，這可能是由于沼液中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)元素[28-29]，可以促進(jìn)楊樹(shù)增長(zhǎng)，而且凋落物中的有機(jī)物也有所增加，可以通過(guò)分解被植物重新吸收利用，但是沼液濃度過(guò)高可能會(huì)抑制這種效應(yīng)，因此，在H 處理下的的樹(shù)高、胸徑增長(zhǎng)速度沒(méi)有L、M 處理下增長(zhǎng)的快。楊樹(shù)高度增長(zhǎng)在CK 處理下極顯著低于其他處理水平，胸徑增長(zhǎng)在M 處理下顯著高于其他處理，這主要可能是由于M 處理下的沼液濃度最為適宜，這可能與 M 處理下的 N、P 高的研究結(jié)果有關(guān)系，N、P 可以促進(jìn)葉片光合作用葉，并且能夠提高植物體中酶活性，從而促進(jìn)了楊樹(shù)有機(jī)質(zhì)的積累而生長(zhǎng)更迅速，同時(shí)楊樹(shù)人工林的生長(zhǎng)也受林分密度、氣候變化、人為干擾及病蟲(chóng)害的影響[30-32]。

CK 處理下的草本植物多樣性高于其他處理，主要可能有2 個(gè)原因造成，第一是施用適當(dāng)濃度的沼液可以使優(yōu)勢(shì)種迅速生長(zhǎng)，從而抑制了其他草本植物的生長(zhǎng)，第二是楊樹(shù)越來(lái)越茂密，透光度越來(lái)越低，抑制了一些喜光草本植物的生長(zhǎng)。

CK 處理下的草本植物多樣性高于其他處理，主要可能是因?yàn)檎右褐械哪承┪镔|(zhì)可以更好地促進(jìn)部分草本植物生長(zhǎng)，使其可以快速成長(zhǎng)為優(yōu)勢(shì)種，從而抑制了其他草本植物的生長(zhǎng)[33-35]，這種抑制作用可能在M 處理下最為顯著，還有可能是因?yàn)殡S著楊樹(shù)逐漸茂密，透光度在漸漸降低，因此抑制了一些喜陽(yáng)草本植物的生長(zhǎng)，也會(huì)使草本多樣性逐漸降低。