康 穎 李 聰 王秋玉

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

無論是自然生態(tài)系統(tǒng)還是森林生態(tài)系統(tǒng)，土壤生態(tài)系統(tǒng)都是其重要組成部分。在土壤生態(tài)系統(tǒng)中微生物通過分解動植物殘體為土壤生態(tài)系統(tǒng)提供養(yǎng)分［1－4］，參與森林生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動。作為土壤中生物活性的體現［5－6］，土壤微生物能靈敏的反應出土壤質量變化。在土壤有機質的積累、轉化以及土壤養(yǎng)分循環(huán)過程中［7］，土壤酶也同樣發(fā)揮著重要作用。因此，土壤微生物數量和土壤酶活性常作為評價森林生態(tài)系統(tǒng)土壤肥力和熟化程度的重要指標。鄭詩樟等［8］研究表明，在丘陵紅壤植被恢復過程中，植樹造林可增加土壤微生物類群和土壤酶活性，改善土壤理化性質，從而進一步改善土壤肥力;梅杰等［9］研究發(fā)現，不同林齡馬尾松(Pinus massoniana)林根際和非根際土壤酶活性，隨著林齡的增加呈現“低—高—低”的變化趨勢，而土壤微生物數量則呈現相反的趨勢;楊魯等［10］研究表明，采伐干擾殘留物可增加巨桉(Eucalyptus grandis)人工林的土壤微生物數量，增強土壤酶活性，加速養(yǎng)分循環(huán)，改善林地水熱條件;胡嬋娟等［11］研究發(fā)現，黃土丘陵溝壑地區(qū)的刺槐(Robinia pseudoacacia)、沙棘(Hippophae reamnoides)、杏樹(Prunus armeniaca)人工林恢復初期林下土壤微生物比土壤理化性質變化敏感，且不同樹種間存在顯著差異。

本研究以黑龍江省東北林業(yè)大學哈爾濱實驗林場中的7 個樹種的人工純林為研究對象。通過對各人工林下土壤微生物數量、土壤酶活性、土壤酸堿度以及相對含水量進行檢測，探討不同純林下土壤質量的差異。為今后在城市有限的土地上構建一個植物群落比例合理、生態(tài)功能完備、收益顯著的城市森林生態(tài)系統(tǒng)提供基礎數據。

1 研究地概況

本研究地點為東北林業(yè)大學哈爾濱實驗林場，位于黑龍江省南部的哈爾濱市中心(44°04' ～46°40'N，125°42' ～130°10'E)，地處哈爾濱市的松花江三級階地的第二階地上，地勢略有起伏，海拔136 ～140 m，區(qū)域面積48.83 hm2，土壤類型為黑土［12］，土層深厚，土質肥沃。該地屬中溫帶大陸性季風氣候，冬長夏短，四季分明，雨水充沛。年平均氣溫3.6℃，年平均降水量569.1 mm。春季氣溫回升快而且變化無常，氣溫月際變化強烈。夏季氣候溫熱濕潤多雨，氣溫月際差異很小，7月份最高氣溫達38 ℃，平均降水量占全年的60% ～70%。秋季降雨明顯減少，晝夜溫差變幅較大。冬季漫長而寒冷干燥，1月最低氣溫曾達－37.7 ℃。

該林場始建于20 世紀50年代，種植了東北林區(qū)十幾個主要造林樹種，包括興安落葉松(Larix gmelinii(Rupr.)Rupr.)、樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica Litv.)、黑皮油松(Pinus tabulaeformis var.mukdensis)、白樺(Betula platyphylla Suk.)、胡桃楸(Juglans mandshurica Maxim.)、水曲柳(Fraxinus mandshurica Rupr.)、黃檗(Phellodendron amurense Rupr.)等，每個樣地面積為0.5 hm2，現樹齡均在50 ～60 a，樹高10.5 ～20.6 m，胸徑17.1 ～32.1 cm，林分密度在720 ～1 470 株·hm－2，活立木蓄積量在94.1 ～158.4 m3·hm－2［13］。目前為止林地常規(guī)的管護經營良好，林木茂盛，已具備森林景觀特征。

2 研究方法

2.1 土樣采集

2012年8月在東北林業(yè)大學實驗林場選取7塊人工純林樣地，即:興安落葉松林、樟子松林、黑皮油松林、白樺林、胡桃楸林、水曲柳林、黃檗林。每塊樣地隨機設置3 個5 m×5 m 樣方，每個樣方按對角線法取5 個樣點，采集0 ～20 cm 土層的土樣。將每塊樣地采集15 個樣點，每5 個樣點的土壤混合均勻得到3 個平行樣，過2 mm 篩。樣品帶回實驗室后，進行風干處理的用于轉化酶、脲酶、多酚氧化酶活性以及土壤pH 值的測定，4 ℃保存的土樣用于土壤相對含水量、磷酸酶活性、FDA 水解酶活性測定以及微生物分離計數。土樣編號XAL、ZZS、HP、BH、HTQ、SQL、HB 分別代表興安落葉松林、樟子松林、黑皮油松林、白樺林、胡桃楸林、水曲柳林以及黃檗林。

2.2 土壤相對含水量、pH 值、酶活性的測定

土壤相對含水量采用稱重法，pH 值采用電位法測定［14］。轉化酶(又稱蔗糖酶)活性采用3，5－二硝基水楊酸比色法，脲酶活性采用苯酚－次氯酸鈉比色法，磷酸酶活性性采用磷酸苯二鈉比色法，多酚氧化酶活性性采用鄰苯三酚比色法，FDA 水解酶活性采用熒光素二乙酸比色法測定［15］。

2.3 土壤微生物的分離計數

土壤微生物的分離計數采用稀釋平板計數法［16］。細菌用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，接種時選用0.1 mL 10－4～10－6稀釋度的土壤懸液，37 ℃培養(yǎng)觀察2 ～4 d。真菌用改良馬丁培養(yǎng)基進行選擇培養(yǎng)，使用前每升培養(yǎng)基加入3 mL 質量濃度為10 g/L 鏈霉素，接種時選用0.2 mL 10－1～10－3稀釋度的土壤懸液，28 ℃培養(yǎng)觀察3 ～5 d。放線菌用高氏1 號培養(yǎng)基，使用前每升培養(yǎng)基加入3 mL 質量濃度為30 g/L 重鉻酸鉀，接種時選用0.2 mL 10－3～10－5稀釋度的土壤懸液，28 ℃培養(yǎng)觀察5 ～7 d。

2.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2003 軟件對數據進行處理和分析，用單因素方差分析和無重復雙因素方差分析法評價差異顯著性(α =0.05)。用SPSS 16.0 對數據進行LSD 差異顯著性分析、皮爾森相關性分析、主成分分析以及系統(tǒng)聚類分析。

3 結果與分析

3.1 不同林型土壤酸堿度和相對含水量

研究發(fā)現不同人工林地土壤的酸堿度和相對含水量存在顯著差異(表1)。供試土壤pH 值4.6 ～7.3，3 種針葉林的土壤pH 值4.6 ～5.8，4 種闊葉林的土壤pH 值5.0 ～7.3。除水曲柳林為中性土，胡桃楸林為堿性土外，其它均為酸性土壤。方差分析顯示，7 種林型間土壤酸堿度差異極顯著，F =4 695.04(P ＜0.001)。同時，針葉林間和闊葉林間差異均為極顯著，F 值分別為1 494.46、6 258.42(P ＜0.001)。土壤相對含水量總體水平較低，范圍在4.11% ～5.5%，這與試驗地范圍內市民活動較頻繁，林地涵養(yǎng)水分能力降低，以及采樣季節(jié)溫度較高，降雨量小有關。不同林型間土壤相對含水量差異極顯著，F =48.6(P ＜0.001)。針葉林間相對含水量差異不顯著，F=1.108(P ＞0.05);闊葉林間土壤相對含水量差異極顯著，F=96.02(P ＜0.001)。

3.2 不同林型間土壤酶活性

土壤轉化酶、脲酶、磷酸酶以及FDA 水解酶均為土壤中的水解酶類，這些水解酶主要來自于微生物細胞，是土壤新陳代謝的重要物質。轉化酶的活性強度表征了土壤的熟化程度和肥力水平;土壤脲酶的活性常用來表征土壤氮素情況;土壤磷酸酶活性可以表征土壤的磷素狀況。這三種水解酶活性均能反映出土壤熟化程度和土壤肥力水平［17］，且酶活性與土壤熟化程度、肥力水平呈正相關。方差分析表明，7 種純林的土壤轉化酶、脲酶和磷酸酶活性差異極顯著(P ＜0.01);3 種酶不論在針葉林間，還是闊葉林間均存在極顯著差異，(P ＜0.01)。與針葉樹相比，闊葉樹的影響更顯著。

FDA 水解酶可以將來源于土壤微生物細胞的熒光素二乙酸水解，FDA 水解酶的活性越高表明土壤微生物總體活性越強。本研究中不同林型間FDA 水解酶的活性差異極顯著，F =234.28(P ＜0.001)。闊葉林間差異極顯著，F =690.74(P ＜0.001);針葉林間差異不及闊葉林顯著，但也達到顯著水平，F=6.24(P ＜0.05)。表明不同樹種組成對土壤微生物活性產生了顯著影響，且闊葉樹種影響更顯著。

土壤多酚氧化酶是一類分布最廣的土壤氧化還原酶。在土壤中，芳香族有機化合物轉化為腐殖質的過程中起著重要作用［15］。多酚氧化酶的活性與土壤腐殖化程度呈顯著負相關，能在一定程度上反映出土壤腐殖化程度。研究表明，不同林種間土壤多酚氧化酶活性存在顯著差異，F =205.26(P ＜0.001);針、闊葉林間存在顯著差異(P ＜0.001)，表明了不同樹種的長期種植對其土壤腐殖化程度有顯著影響(見表2)。

表1 不同人工林型下的土壤酸堿度和相對含水量

表2 不同人工林型下的土壤酶活性

3.3 不同林型間土壤微生物數量

由表3可見，3 種微生物數量中細菌數量顯著高于放線菌和真菌，真菌數量最低。而7 種林型中，黃檗林放線菌和真菌數量最高，白樺林的細菌數量顯著高于其它林型。方差分析顯示，不同林型間土壤微生物數量差異極顯著(P ＜0.01)。闊葉林間微生物數量差異顯著，細菌、放線菌和真菌數量的F值分別20.39(P ＜0.001)，9.95(P ＜0.01)，5.94(P＜0.05);而針葉林間僅放線菌數量差異達到極顯著水平，F=37.14(P ＜0.001)。表明樹種的選擇對土壤微生物群落產生顯著影響，并且闊葉林比針葉林對土壤微生物菌落的數量影響顯著。

3.4 土壤生物因子間的相關性

本研究分別對針葉林和闊葉林進行了土壤生物學指標間的相關分析(表4)。結果表明:不同林型間微生物數量、土壤酶活性、土壤酸堿度以及相對含水量等影響因子間存在不同程度的相關性。放線菌數量與轉化酶活性在針葉林和闊葉林中均存在顯著正相關性;而細菌數量與轉化酶活性、真菌數量與脲酶活性在針葉林中呈顯著正相關，但在闊葉林中卻表現為顯著負相關;真菌數量與磷酸酶活性在針葉林中呈顯著負相關，在闊葉林中表現為顯著正相關。由此可見，針闊葉林的樹種組成對其土壤微生物數量和土壤酶活性存在不同的影響。

表3 不同人工林型下的土壤微生物數量

另外，不論是針葉林還是闊葉林，土壤酸堿度與土壤脲酶活性均呈現極顯著正相關，但與土壤真菌數量卻有著截然相反的顯著影響。因此，土壤酸堿度不同，可直接影響土壤微生物種類和土壤酶活性。

針葉林中土壤pH 值、相對含水量和土壤真菌的數量與多酚氧化酶活性存在顯著正相關。也就是說，土壤真菌數量越多，土壤多酚氧化酶活性越高，這也與較高的土壤酸堿度和相對含水量密切相關。

FDA 水解酶活性在針葉林中與土壤細菌數量極顯著正相關，在闊葉林中與土壤真菌數量間呈極顯著正相關性。由此可見，不同樹種林型對土壤微生物的種類和活性呈現不同的影響。

表4 針葉林/闊葉林土壤質量影響因子的皮爾森相關性

3.5 不同林型土壤生物因子的主分量與聚類分析

主分量分析表明，本研究中前3 個主分量貢獻率分別為44.1%，31.9%，15.9%，累計貢獻率已達到91.9%，表明前三個主分量在林地土壤質量評價中更具有代表性，因此，選取前3 個主分量作為評價不同林型對土壤質量影響的綜合指標(表5)。結合表5可知，對第1 主分量影響較大的變量有轉化酶、脲酶活性、放線菌數量和土壤酸堿度這4 個變量因素。其中，轉化酶和脲酶活性的因子負荷量最大，它們能表征土壤熟化程度和土壤肥力水平，說明土壤熟化程度和土壤肥力水平在評價不同林型對土壤質量影響因素中占首要地位。在影響第2 主分量的變量中因子負荷量最大的是真菌數量和細菌數量，土壤微生物數量是土壤微生物活性指標之一，表明土壤微生物活性在評價不同林型對土壤質量影響因素中居第2 位。而在影響第3 主分量的變量中多酚氧化酶活性的因子負荷量最大，多酚氧化酶活性能在一定程度上反應出土壤腐殖化程度，說明土壤腐殖化程度在評價不同林型對林地土壤質量影響因素中居第3 位。

表5 前3 個主分量的負荷量

根據表5和圖1可以看出，闊葉林整體土壤熟化程度和土壤肥力水平比針葉林高。7 種人工林中，胡桃楸林、水曲柳林因其較高的土壤水解酶活性表現出較好的土壤熟化程度和土壤肥力水平，興安落葉松林、黑皮油松林的土壤熟化程度和土壤肥力水平較差;黃檗林和白樺林的土壤微生物活性較高，水曲柳林的土壤微生物活性最低;水曲柳林的土壤腐殖化程度最高，胡桃楸林的土壤腐殖化程度最低。系統(tǒng)聚類結果與主成分分析結果一致，由圖1和圖2可以看出7 種人工純林明顯聚為3 大類，針葉林先聚為一類，白樺林和黃檗林聚為一類，胡桃楸林和水曲柳林聚為一類。

圖1 第1、第2 主分量得分散點圖

圖2 不同人工林的系統(tǒng)聚類樹狀圖

4 討論

總體來看闊葉人工林的土壤轉化酶與脲酶活性均大于針葉人工林，特別是三大硬闊(黃檗、胡桃楸和水曲柳)林下土壤轉化酶和脲酶活性明顯高于其它人工林，表明了闊葉林的土壤熟化程度和肥力水平比針葉林高。凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要物質庫，是土壤有機質的重要來源，在森林植被演替過程中土壤微生物將其分解，轉化成土壤有機質。林波等［18］指出針葉林與闊葉林凋落量存在差異，針葉林凋落物分解速率比闊葉林快。但針葉林大多為常綠樹種，每年的凋落物總量大大少于闊葉林，落葉松也不例外。另外，針葉林葉凋落物的化學組成會影響針葉凋落物的降解［19］。

FDA 水解酶活性也在一定程度上反應了土壤微生物總體活性，FDA 水解酶活性越高，土壤微生物總體活性越強。1982年Schnürer 和Rosswall［20］提出將FDA 水解酶活性作為一項生物學指標來評價土壤微生物的總體活性。黃檗林和白樺林的FDA 水解酶活性高于其它林型，與微生物分離計數的結果一致。譚周進等［21］研究表明人類活動會使土壤微生物強度和活度降低。由于本研究中所選取的白樺林和黃檗林人類活動不頻繁、干擾程度較低，林下植被覆蓋情況較好，所以林下土壤微生物總體活性相對較高。

與黃檗和白樺這兩種闊葉林不同，水曲柳林和胡桃楸林林下植被覆蓋情況較差，這可能與兩個樹種的生物學特性有關。林武星等［22］指出水曲柳和胡桃楸等樹種具有他感作用。孫墨瓏等［23］研究表明胡桃楸外果皮提取物對植物青菜等的萌發(fā)和生長有抑制作用。楊期和等［24］指出黑胡桃(Juglans nigra)林下土壤中的假單胞菌能將化感物質糖甙胡桃醌分解成有毒的胡桃醌，從而影響林下土壤微生物的繁殖。水曲柳和胡桃楸的這種化感作用可能導致林下植被覆蓋少，土壤微生物總活性減弱。一般情況下，闊葉林的土壤腐殖化程度高于針葉林，但本研究中胡桃楸林的多酚氧化酶活性最高，多酚氧化酶活性高代表土壤腐殖化程度低，這可能與胡桃楸林下土壤中含有大量化感物質有關。

本研究在對城市森林土壤質量影響因子進行皮爾森相關性分析時，發(fā)現在針葉林中土壤細菌數量與轉化酶活性、真菌數量與脲酶活性都呈顯著正相關，在闊葉林中卻表現為顯著負相關;真菌數量與磷酸酶活性在針葉林中呈顯著負相關，在闊葉林中表現為顯著正相關，這可能與不同林型下土壤理化性質不同。但究竟是什么因素主導著針葉林和闊葉林的土壤微生物數量與土壤酶活性之間這種截然相反的相關性差異，這種差異是必然還是偶然的結果，還需要大量的實驗驗證和進一步的研究分析。

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