邱 雷，陳信力，丁 輝，關(guān)慶偉

(南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037)

土壤微生物生物量是指生活在土壤中的微生物活體的總量[1-2]，雖然土壤微生物生物量?jī)H占有機(jī)質(zhì)很小一部分，但對(duì)管理措施的變化具有極高的敏感性，可以作為土壤總有機(jī)質(zhì)變化的早期預(yù)測(cè)指標(biāo)[3-4]。微生物生物量碳、氮是土壤碳素、氮素養(yǎng)分轉(zhuǎn)移和循環(huán)研究中的重要參數(shù)，可直觀反映土壤微生物活性和土壤肥力狀況。由于土壤微生物直接或間接參與了養(yǎng)分循環(huán)、有機(jī)質(zhì)分解等諸多生態(tài)過(guò)程，是土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力，微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)的變化也被認(rèn)為是表征土壤活性碳庫(kù)和氮庫(kù)變化的指標(biāo)之一[5-6]。

撫育間伐作為一種重要的森林經(jīng)營(yíng)技術(shù)，在森林經(jīng)營(yíng)管理中得到廣泛應(yīng)用。大量研究顯示，間伐能夠顯著改變林下的溫濕度、光照條件[7]，并且提高林下生物多樣性[8]，土壤速效氮和速效磷等營(yíng)養(yǎng)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[9-10]。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于間伐對(duì)土壤微生物的影響研究較多，囤興建等[11]認(rèn)為不同間伐強(qiáng)度對(duì)土壤微生物氮(MBN)的含量有顯著影響，其含量隨季節(jié)變化呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì);Beana[12]認(rèn)為間伐明顯提升了土壤微生物活性并使土壤有機(jī)質(zhì)大量減少;Thibodeau[13]研究表明，間伐使土壤腐質(zhì)層中微生物氮(MBN)和有機(jī)質(zhì)含量顯著增加等。但不同間伐強(qiáng)度對(duì)側(cè)柏(Platycladus orientalis)人工林土壤微生物生物量碳、氮影響的研究較少。本文以徐州側(cè)柏人工林為研究對(duì)象，旨在分析4種強(qiáng)度間伐下土壤中水溶性有機(jī)碳(WSOC)、土壤微生物量碳(MBC)、土壤微生物氮(MBN)等指標(biāo)含量的變化規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)側(cè)柏人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)和提高森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

徐州市位于江蘇省的西北部，地處北緯33°43'～34°58'，東經(jīng)116°22'～118°40'，總面積11 258 km2。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨量適中，年平均溫度約14℃，年均降雨量800～900 mm，全年無(wú)霜期200～220 d。土壤以石灰?guī)r發(fā)育而成的淋溶褐土為主，土層薄，礫石含量高，呈中性—弱堿性。地帶性植被以落葉闊葉林為主，山丘陵地主要以側(cè)柏人工林為主，主要樹(shù)種有側(cè)柏、小葉樸(Celtis bungeana)、麻櫟(Quercus acutissima)、黃連木(Pistacia chinensis)、青桐(Firmiana simplex)、苦楝(Melia azedarach)、刺槐(Robinia pseudoacacia L.)、女貞(Ligustrum lucidum)等，而林下灌木和草本植物發(fā)育較差。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2010年8月，在徐州市銅山區(qū)趙疃林場(chǎng)選擇50年生側(cè)柏人工林，共設(shè)置5塊固定樣地做間伐處理，每塊樣地面積25 m ×25 m，不同樣地間有5 m的隔離區(qū)，按間伐株數(shù)所占比率不同，分為對(duì)照(CK，0%)、弱度間伐(LIT，20%)、輕中度間伐(MIT1，40%)、中度間伐(MIT2，60%)和強(qiáng)度間伐(HIT， 80%)，詳見(jiàn)圖1。統(tǒng)計(jì)樣地內(nèi)喬木(直徑＞5 cm)的株數(shù)，為了保證調(diào)查的準(zhǔn)確性，盡可能在樣地選擇時(shí)使坡位、坡向、海拔和土壤等條件保持一致，林分概況見(jiàn)表1。

圖1 樣地設(shè)置

表1 調(diào)查地側(cè)柏人工林林分概況

2.2 樣品處理

取樣時(shí)間為2012年9月，每種間伐處理樣地分上、中、下取樣，每個(gè)處理各重復(fù)3次。土壤采用剖面調(diào)查法，按0～10，10～20 cm機(jī)械分層取樣。5個(gè)樣地共采集30份土樣，每土樣采回后分成2份。一份鮮土去雜后，過(guò)2 mm的土篩進(jìn)行水溶性有機(jī)碳(WSOC)和微生物生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)測(cè)定;另一份自然風(fēng)干、去雜、過(guò)篩后進(jìn)行土壤總有機(jī)碳(TOC)、全氮、氨氮、硝氮等其他指標(biāo)的測(cè)定。

2.3 測(cè)定方法

2.3.1 土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定 pH采用KCl浸提pH電極測(cè)定法;土壤風(fēng)干后過(guò)0.075 mm土篩，采用元素分析儀(Varia ElementⅢ，德國(guó))測(cè)定全碳、全氮以及碳氮比;風(fēng)干后土樣過(guò)1 mm篩，采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定有效P;土壤過(guò)3～5 cm的篩，測(cè)定土壤的水分含量，同時(shí)做浸提，氨氮采用納氏試劑比色法，硝氮采用酚二磺酸比色法。

2.3.2 土壤微生物量碳氮測(cè)定 采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法測(cè)定，新鮮土壤5 g在氯仿熏蒸24 h后和未熏蒸樣品5 g采用0.5 mol/L K2SO4溶液(水∶土=5∶1)浸提，震蕩45 min后，于4 000 r/min下離心15 min，經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后，過(guò)TOCVCPN分析儀(島津，日本)直接測(cè)定[14]。

2.3.3 土壤水溶性有機(jī)碳測(cè)定 新鮮土壤樣品用去離子水(水∶土=5∶1)浸提，震蕩45 min后，于4 000 r/min下離心15 min，經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后，使用TOC-VCPN自動(dòng)分析儀(島津，日本)進(jìn)行分析[15]。

2.3.4 土壤微生物熵 土壤微生物生物量碳/土壤有機(jī)碳。

2.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2003對(duì)各樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行整理;使用SPSS中單因素分析結(jié)合LSD檢驗(yàn)，分析不同間伐強(qiáng)度下，側(cè)柏人工林微生物量碳氮、土壤肥力及酶活性有無(wú)顯著性變化(P＜0.05)及其相關(guān)性，多重比較采用Duncan法;用SigmaPlot 10.0進(jìn)行制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 間伐對(duì)側(cè)柏人工林土壤微生物生物量碳的影響

土壤微生物生物量碳是土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化和分解的動(dòng)力，可反映土壤養(yǎng)分有效狀況和生物活性，常作為土壤對(duì)環(huán)境響應(yīng)的指示指標(biāo)[16-17]。不同間伐強(qiáng)度對(duì)側(cè)柏林表層土壤和亞表層土壤的土壤微生物量氮影響見(jiàn)圖2:微生物生物量碳含量為242～889 mg/kg，相同間伐強(qiáng)度下，表層土(0～10 cm)微生物生物量碳含量普遍都比亞表層(10～20 cm)含量高，說(shuō)明存在隨著土層加深，土壤微生物生物量碳含量降低的規(guī)律。不同間伐強(qiáng)度下，表層土(0～10 cm)土壤微生物生物量碳含量呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)，MIT1含量最高(889 mg/kg)，依次為MIT1＞LIT＞HIT＞MIT2＞CK，經(jīng)過(guò)間伐處理后土壤中微生物生物量碳含量均得到了提升。方差分析顯示在MIT1處理下存在顯著差異(P＜0.05)。亞表層(10～20 cm)中，MBC含量呈現(xiàn)先降低再上升再下降后上升的趨勢(shì)，在LIT和MIT2處理下出現(xiàn)顯著差異(P＜0.05)，分別為242，317 mg/kg。

3.2 間伐對(duì)側(cè)柏人工林土壤微生物氮的影響

土壤微生物生物量氮是土壤有機(jī)氮的重要組成部分，它的數(shù)量雖少，但卻影響著土壤中碳、氮養(yǎng)分循環(huán)，對(duì)土壤養(yǎng)分的供給以及有機(jī)無(wú)機(jī)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化起著非常重要的作用[17-19]。不同間伐強(qiáng)度對(duì)側(cè)柏林表層土壤和亞表層土壤的土壤微生物量氮影響見(jiàn)圖3:微生物氮含量為37～126 mg/kg，在相同間伐強(qiáng)度下，表層土(0～10 cm)微生物生物量氮含量普遍都比亞表層(10～20 cm)含量高。在不同間伐強(qiáng)度下，表層土(0～10 cm)微生物生物量氮含量表現(xiàn)為MIT2＞MIT1＞LIT＞HIT＞CK，分別提高了85.3%，61.8%，55.9%，22.5%，經(jīng)過(guò)間伐處理，表層土中微生物生物量氮都得到了顯著提升。各處理均與對(duì)照CK出現(xiàn)了顯著差異(P＜0.05);亞表層(10～20 cm)中則呈現(xiàn)先降低后上升再下降的趨勢(shì)，MIT2含量最高(96 mg/kg)，HIT最低(37 mg/kg)，其中MIT1和HIT與對(duì)照CK出現(xiàn)了顯著差異(P＜0.05)。

圖2 間伐對(duì)側(cè)柏人工林土壤微生物量碳的影響

圖3 間伐對(duì)側(cè)柏人工林土壤微生物量氮的影響

3.3 間伐對(duì)土壤總碳、氮等其他碳、氮含量變化影響

不同間伐強(qiáng)度對(duì)側(cè)柏林表層土壤和亞表層土壤的其他碳氮影響見(jiàn)表2:土壤總有機(jī)碳含量為12.3～38.7 g/kg。隨著間伐強(qiáng)度增加，總有機(jī)碳含量先減少再增加，其中MIT1處理下總有機(jī)碳含量表現(xiàn)出顯著差異(P＜0.05)。在垂直剖面上，5種處理的側(cè)柏人工林的土壤總有機(jī)碳含量隨土層深度的增加而減小，這也符合總有機(jī)碳垂直分布的一般特征[20]。在土壤表層(0～10 cm)，不同的間伐處理，氨氮、硝氮、水溶性有機(jī)碳、全氮的含量均出現(xiàn)顯著差異(P＜0.05)。其中氨氮在LIT處理下達(dá)到峰值，然后隨著間伐強(qiáng)度增大含量降低;硝氮在MIT1處理下達(dá)到峰值，整體也是呈現(xiàn)隨強(qiáng)度增加，含量先增加后減少的規(guī)律。水溶性有機(jī)碳受間伐處理影響不大，含量在0.54～0.68 g/kg之間。同樣的情況也發(fā)生在C/N上，間伐處理沒(méi)有讓其表現(xiàn)出顯著差異，整體維持在10左右。全氮含量在經(jīng)過(guò)間伐處理后整體表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，應(yīng)該與間伐造成土壤微生物活動(dòng)強(qiáng)烈，土壤氮庫(kù)釋放有關(guān)。在土壤亞表層(10～20 cm)，不同處理間，大多數(shù)指標(biāo)變化差異不顯著，而且經(jīng)過(guò)間伐處理后土壤中氨氮、硝氮、水溶性碳、全氮，總有機(jī)碳含量都呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

表2 間伐對(duì)側(cè)柏人工林土壤總碳氮等的影響

3.4 間伐對(duì)土壤微生物熵的影響

研究認(rèn)為，微生物熵能夠避免在使用絕對(duì)量或?qū)Σ煌袡C(jī)碳含量的土壤進(jìn)行比較時(shí)出現(xiàn)的一些問(wèn)題，對(duì)于土壤質(zhì)量的變化具有重要的指示意義[21]。圖4表明，土壤微生物生物量碳占總有機(jī)碳的比例在0.77%～2.63%之間。微生物熵整體先減小后增加再減少，表層土(0～10 cm)中最高出現(xiàn)在MIT2 (2.63%)，最低出現(xiàn)在LIT(1.57%);亞表層土(10～20 cm)中最高出現(xiàn)在MIT1(1.39%)，最低與表層一樣出現(xiàn)在LIT(0.77%)。同一間伐強(qiáng)度下，微生物熵亞表層依然比表層低;不同間伐強(qiáng)度之間，微生物熵差異不顯著(P＜0.05)。圖5顯示，不同強(qiáng)度間伐下側(cè)柏人工林土壤微生物生物量氮占總氮的比例在1.8%～4.16%，不同間伐強(qiáng)度下，均為表層土(0～10 cm)比亞表層土(10～20 cm)土壤微生物生物量氮占總氮比例大，方差分析顯示，同一土層各間伐強(qiáng)度之間土壤微生物生物量氮占總氮比例不存在顯著差異。不同土層間該比例出現(xiàn)相似變化趨勢(shì)，都是先增加后降低。表層土(0～10 cm)最高比例出現(xiàn)在LIT(4.16%)，最低為CK(2.58%);亞表層(10～20 cm)最高在MIT1(3.34%)，最低出現(xiàn)在HIT(1.8%)，在峰值出現(xiàn)上存在一定差異。

圖4 間伐對(duì)側(cè)柏人工林土壤微生物生物量碳占總有機(jī)碳比例的影響

圖5 間伐對(duì)側(cè)柏人工林土壤微生物生物量氮占總氮比例的影響

4 討論

土壤微生物生物量碳是土壤有機(jī)碳中最活躍的生物活性組分，雖然所占比例較低，但對(duì)土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)過(guò)程卻具有重要的影響[22]。本研究中，微生物生物量碳的含量先上升后下降，MIT1處出現(xiàn)顯著差異，且表層基本上比亞表層含量高，說(shuō)明間伐明顯提高了土壤微生物生物量碳含量，這可能由于間伐改變了林地光照和通氣狀況，為微生物提供了一個(gè)更好分解有機(jī)質(zhì)的微生物區(qū)系;另一方面土壤表層根系分布多，溫度適中，加速了土壤微生物的活動(dòng)，促進(jìn)了凋落物和死根的分解，而亞表層的生存環(huán)境較差，微生物的活動(dòng)較溫和，因此土壤亞表層微生物生物量碳含量比表層含量低，且變化沒(méi)有表層顯著。土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例越高，說(shuō)明土壤碳的活性越大，穩(wěn)定性越差[23]。本研究中，土壤微生物生物量碳占總有機(jī)碳的比例(微生物熵)，隨著間伐強(qiáng)度增加整體呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律。這說(shuō)明不同的間伐強(qiáng)度下土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定性發(fā)生著變化，穩(wěn)定性先增加后降低，選擇合適的間伐強(qiáng)度使土壤碳庫(kù)趨向穩(wěn)定是首要任務(wù)。土壤微生物生物量氮的變化趨勢(shì)與土壤微生物生物量碳相似，都是先上升后下降，但波動(dòng)較大;土壤微生物生物氮占總氮的比例總體比土壤微生物生物量碳占總有機(jī)碳的比例大，且變化趨勢(shì)也存在差異，說(shuō)明土壤氮庫(kù)對(duì)間伐產(chǎn)生的效應(yīng)更敏感。

對(duì)于土壤其他碳、氮含量的影響研究表明:土壤各碳、氮養(yǎng)分總體都呈現(xiàn)由表層向下遞減的趨勢(shì)，這是由于地表上的枯枝落葉和植物根系分解形成的有機(jī)質(zhì)首先進(jìn)入土壤表層被微生物分解利用，再又表層進(jìn)入更深層土壤。隨著間伐強(qiáng)度的增加，土壤中氨氮、硝氮的含量先增加后減少，這和自崗栓等[24]對(duì)仁用杏園間伐后土壤理化性質(zhì)的研究結(jié)論一致。土壤總有機(jī)碳與總氮的表現(xiàn)很相似，都是隨間伐強(qiáng)度增加先減少后增加，這是由于間伐使林內(nèi)溫度升高，加快了有機(jī)質(zhì)的分解速度，因而引起了林內(nèi)土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量的降低[25]。也有可能是測(cè)定時(shí)間太短，間伐的效果還沒(méi)有完全顯現(xiàn)。土壤水溶性有機(jī)碳變化趨勢(shì)不是很明顯，表層平均含量為0.59 g/kg，亞表層平均含量為0.55 g/kg，說(shuō)明土壤中水溶性有機(jī)碳含量不會(huì)隨間伐強(qiáng)度的增加而出現(xiàn)明顯波動(dòng)，可能是由于水溶性有機(jī)碳在土壤中與其他形態(tài)的碳之間相互轉(zhuǎn)化，呈現(xiàn)一種動(dòng)態(tài)平衡。這與謝濤等[26]對(duì)蘇北沿海不同林齡楊樹(shù)林土壤活性有機(jī)碳特征研究得出的結(jié)論基本一致。

總之，間伐使土壤中微生物生物量碳、氮含量得到了提升，同時(shí)通過(guò)對(duì)微生物熵的分析發(fā)現(xiàn)，隨著間伐強(qiáng)度增加，土壤中活性碳的活性變大，土壤碳庫(kù)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象;另外土壤微生物生物量氮比微生物生物量碳表現(xiàn)出較大的變化與波動(dòng)，說(shuō)明土壤中活性氮活性變化更大，土壤氮庫(kù)對(duì)于間伐產(chǎn)生的效應(yīng)更加敏感。因此，在側(cè)柏人工林生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理當(dāng)中，應(yīng)注意采取合理的間伐強(qiáng)度、輪伐期來(lái)提高林地的光照和土壤溫度，促進(jìn)土壤微生物的活動(dòng)，從而提高土壤有機(jī)物的含量，通過(guò)這些手段來(lái)增加土壤碳匯、氮匯及其穩(wěn)定性。

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