鄒秉章

(福建上杭白砂國有林場 福建 龍巖 364000)

土壤微生物是土壤有機質(zhì)的活性組分，它們雖然只占土壤有機質(zhì)總量的很小一部分，但可以通過礦化作用和固定作用調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的有效性，從而對土壤理化性質(zhì)和土壤養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生重要的影響[1-2]。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，在土壤形成和發(fā)育、有機質(zhì)分解及土壤養(yǎng)分(C、N和P)轉(zhuǎn)化等方面發(fā)揮著重要作用[3-4]。另外，土壤微生物也被廣泛認(rèn)為是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[5]。研究表明，土壤微生物對外界環(huán)境變化的響應(yīng)十分敏感，森林經(jīng)營方式的改變會引起土壤微生物生物量和群落組成的顯著變化[6]。也有研究表明，隨著物種多樣性的增加，土壤微生物生物量、細(xì)菌生物量、真菌生物量和真菌細(xì)菌之比會增加，而革蘭氏陽性細(xì)菌對革蘭氏陰性細(xì)菌的比例則會降低[7]。

杉木(Cunninghamialanceolate)憑借其良好的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，在中國南方地區(qū)廣泛種植，成為重要的速生用材林樹種。但是，隨著杉木種植規(guī)模的不斷擴大，杉木純林化和多代連栽以及杉木本身凋落物分解慢、養(yǎng)分歸還速度慢等特點，導(dǎo)致杉木人工林生產(chǎn)力下降、地力衰退等生態(tài)問題[8]。為了解決這些問題，可以通過人工施肥、間伐和套種等措施來提高林分質(zhì)量和生態(tài)效能。間伐是森林經(jīng)營技術(shù)的一種重要手段，其通過調(diào)整林分結(jié)構(gòu)，減小林木間的競爭，可以促進林下植被和林木的更新與生長，從而改變林分的群落結(jié)構(gòu)和土壤肥力[9]。林下套種是人為地把目標(biāo)樹種與其他植物在空間上組合在一起并進行經(jīng)營的培育措施，這能夠充分利用森林種植的剩余空間，使林分結(jié)構(gòu)得以調(diào)整，提高了林業(yè)生產(chǎn)資源的多樣性，還會促進養(yǎng)分循環(huán)，提高土壤肥力和土壤微生物數(shù)量，促進林地經(jīng)濟發(fā)展[10]。

間伐和套種均會對土壤理化性質(zhì)和土壤微生物產(chǎn)生重要的影響，然而國內(nèi)外相關(guān)研究大多集中在不同間伐強度或套種對林木生長、林下植被多樣性、林地土壤理化性質(zhì)等的影響[11]，而關(guān)于間伐和套種不同樹種及其交互作用對土壤理化性質(zhì)和微生物影響的研究相對較少；另外，土壤理化性質(zhì)和土壤微生物對間伐和套種及其交互作用的響應(yīng)機制尚不清楚。因此，本研究通過在不同間伐強度的杉木人工林中套種不同闊葉樹種，來研究不同間伐強度和套種不同闊葉樹種對大徑材培育目標(biāo)下的杉木人工林土壤理化性質(zhì)和土壤微生物的短期影響，以期為杉木人工林土壤肥力的維護和大徑材人工林的經(jīng)營及發(fā)揮多功能效益提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省龍巖市上杭縣白砂國有林場九崗林區(qū)(116°31′E～116°38′E; 25°6′N ～25°10′N)，地處武夷山南段東坡玳瑁山延伸的低山丘陵地帶，該區(qū)平均海拔618 m，坡度25°～32°。研究區(qū)多年平均氣溫為19.9 ℃，年積溫7 288 ℃，7月平均氣溫27.9 ℃，1月平均氣溫10 ℃；多年平均降水量為1 605.4 mm，年均無霜期301 d，年均相對濕度77%。

研究區(qū)植被以人工林為主，主要有杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)及其他人工樹種。為了確保試驗的準(zhǔn)確性，盡量選擇立地條件基本一致的杉木人工林，本研究選擇了3個1980年前后種植的杉木人工林小班為研究對象，其初植密度為383～405株·hm-2(株行距1.7 m×1.8 m)，并于1988、1998和2008年在3個小班進行相同的除草、施肥和間伐等撫育措施。該區(qū)林下植被茂盛，林下灌木主要有栲樹(CastanopsisfargesiiFranch)、閩楠(Phoebebournei)、浙江潤楠(MachiluschekiangensisS.Lee)、浙江楠(PhoebechekiangensisC.B.Shang)、鴨公樹(NeolitseachuiiMerr)和密花山礬(SymplocoscongestaBenth)等；草本主要有淡竹葉(Lophatherumgracile)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)、烏毛蕨(Blechnumorientale)、菝葜(SmilazchinaL.)、玉葉金花(MussaendapubescensAit)、藎草(Arthraxonhispidus)等。該區(qū)土壤以紅壤為主，土壤厚度達1 m以上。

1.2 樣地設(shè)計

于2018年10月在109-6-1、109-6-3和109-6-5杉木人工林小班進行間伐，3個杉木林小班的面積分別是86×103m-2、60×103m-2和61×103m-2，將胸徑大于10 cm的伐木移出樣地并保留下層植被，間伐后杉木人工林林分概況見表1。間伐強度由保留木的株樹和伐樁數(shù)確定，其公式：

表1 杉木人工林不同間伐模式林分特征 Table 1 Stand characteristics of Chinese fir plantation in different thinning patterns

間伐強度=1-保留木株數(shù)/(保留木樁數(shù)+伐樁數(shù))

(1)

本研究共設(shè)置3種間伐強度，分別是間伐44%(M1)、間伐38%(M2)和間伐0%(M3)。于2018年12月在3種不同間伐模式的小班內(nèi)布設(shè)18個20 m×20 m的固定標(biāo)準(zhǔn)樣地，并在每個杉木林小班內(nèi)隨機選取15個標(biāo)準(zhǔn)樣地補植閩楠、米老排、火力楠、南方紅豆杉和鵝掌楸5種本地樹種，每個樹種有3個重復(fù)，剩余的3個標(biāo)準(zhǔn)樣地為無套種措施林分，在實驗中作為對照樣地，共54個樣地，每個樣地間距10 m以上。

1.3 土樣采集及指標(biāo)測定

2019年7月，利用土鉆在每個標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)按照“S”形選取9個取樣點，對0～10 cm的土壤進行取樣，并將同一樣地內(nèi)的土壤樣品混勻。將取好的土壤樣品放置在裝有冰袋的保溫箱內(nèi)保存，并盡快將保溫箱運回實驗室進行下一步處理，去除可見根系和動植物殘體。土壤樣品分兩部分保存，一部分土壤樣品過2 mm孔徑的篩子并置于4 ℃冰箱中保存，用于微生物生物量的測定；另一部分土壤在室內(nèi)風(fēng)干保存，用于測定土壤有機質(zhì)等基本理化指標(biāo)。

土壤pH通過玻璃電極pH計(STARTER 300, OHAUS, 美國)測定，水土比為2.5∶1。土壤礦質(zhì)氮的測定：稱取5 g鮮土加入20 mL 2 mol/L KCl進行浸提，振蕩離心后，上清液經(jīng)定量濾紙過濾后，用連續(xù)流動分析儀(Skalar san++, Skalar, 荷蘭)測定NH4+-N、NO3--N濃度。土壤可溶性有機碳(DOC)測定：用去離子水浸提5 g鮮土，水土比為4∶1，振蕩離心后，經(jīng)0.45 μm濾膜抽濾，用總有機碳分析儀(島津TOC-V CPH, 日本)測定DOC含量。土壤微生物生物量碳氮(SMBC、SMBN)采用氯仿熏蒸法，K2SO4浸提，濾液中的有機碳含量用總有機碳分析儀(島津TOC-V CPH, 日本)測定。土壤全碳(TC)與土壤全氮(TN)用元素分析儀測定(Elementar Vario EL, 德國)[12]。

土壤微生物群落組成采用磷脂脂肪酸方法測定。用單相提取試劑(氯仿∶甲醇∶檸檬酸=1∶2∶0.8)進行總脂提取；采用3 mL硅膠小柱分離磷脂，依次用10 mL氯仿和10 mL丙酮分別洗去中性脂和糖脂，再用10 mL甲醇淋洗并用玻璃試管收集磷脂；然后是磷脂甲酯化；加入200 μL樣品的磷脂脂肪酸分析采用美國MIDI Sherlock微生物鑒定系統(tǒng)平臺的PLFA模塊，以氫氣為載氣，以安捷倫Agilent 6890N氣象色譜儀及FID檢測器為硬件平臺；色譜柱為Agilent 19091B-102(25 m×200 μm×0.33 μm)。每個樣品進樣量為1 μL。根據(jù)MIDI平臺鑒定出每個磷脂脂肪酸的摩爾豐度，所有測試均采用標(biāo)準(zhǔn)品進行校正。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Excel進行處理，通過SPSS 21.0軟件，采用雙因素方差分析法(ANOVA)分析間伐強度、套種模式及相互作用對土壤理化性質(zhì)和微生物生物量和群落組成的影響，利用Origin 9繪制不同間伐模式和套種不同樹種的林分土壤微生物含量圖，以土壤理化性質(zhì)為解釋變量，土壤微生物為響應(yīng)變量利用Canoco 5進行冗余分析(RDA)。

注：不同大寫字母表示相同樹種不同間伐模式間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示相同間伐模式不同樹種間差異顯著(P<0.05)。

2 結(jié)果

2.1 間伐和套種對土壤理化性質(zhì)的影響

經(jīng)過測定發(fā)現(xiàn)，在不同間伐模式下，對照和套種鵝掌楸、紅豆杉及閩楠的林分土壤DOC含量均隨著間伐強度的增加而減少；而套種火力楠和米老排的林分土壤DOC含量隨著間伐強度的增加而增加(表2)。在M3模式下，對照和套種鵝掌楸、紅豆杉的林分土壤DOC含量顯著高于M1和M2模式，而套種閩楠的林分土壤DOC含量在3種模式之間均有顯著差異(P<0.05)。在M1模式下套種火力楠和米老排的林分土壤DOC含量顯著高于M2和M3模式(P<0.05)，但M2和M3模式之間的土壤DOC含量并無顯著差異。在不同間伐模式下，對照及套種鵝掌楸、米老排和閩楠的林分土壤NH4+-N和NO3--N含量隨著間伐強度的增強表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢。在M3模式下套種閩楠的林分土壤NH4+-N含量顯著高于M1和M2模式；在M1和M3模式下，套種閩楠的林分土壤NO3--N含量顯著高于M2模式(P<0.05)。在不同間伐模式下套種鵝掌楸、紅豆杉、火力楠、米老排、閩楠和對照對土壤的pH值、SWC和C/N均無顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)，在M3模式下，套種鵝掌楸和閩楠的林分土壤DOC含量均顯著高于對照；套種紅豆杉、米老排和火力楠的林分土壤NO3--N含量均顯著低于對照；套種火力楠的林分土壤DOC、NH4+-N和NO3--N含量均顯著低于對照(P<0.05)。在M2模式下，套種鵝掌楸、米老排和閩楠的林分土壤DOC含量均顯著高于套種紅豆杉和火力楠的林分，但與對照處理相比均無顯著差異；與對照相比，套種鵝掌楸和火力楠的林分土壤NH4+-N含量均顯著高于對照(P<0.05)。在M1模式下，套種鵝掌楸、火力楠和米老排的林分土壤DOC含量均顯著高于對照，套種鵝掌楸、火力楠和米老排的林分土壤NH4+-N含量顯著高于對照(P<0.05)；與對照相比，套種各種樹種對土壤NO3--N含量無顯著影響。

表2 不同間伐模式和套種不同樹種對土壤理化性質(zhì)的影響Table 2 Effects of different thinning patterns and interplanting species on soil physical and chemical properties

表 3 不同間伐模式和套種不同樹種及其交互作用對土壤理化性質(zhì)的影響 Table 3 Effects of thinning patterns and interplanting different tree species and their interactions on soil physical and chemical properties

通過雙因素方差分析法(ANOVA)分析間伐強度、套種模式及相互作用對土壤理化性質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)(表3)，間伐強度、套種模式及其交互作用對土壤MBC、DOC和NH4+-N含量均有顯著的影響(P<0.05)；間伐強度對土壤pH值和NO3--N含量也有顯著影響(P=0.027；P<0.000 1)，間伐強度和套種模式的交互作用對土壤NO3--N含量有顯著影響(P=0.000 8)。

2.2 間伐和套種對土壤微生物的影響

研究發(fā)現(xiàn)，在M2模式下，對照林分土壤革蘭氏陽性菌含量顯著高于M1和M3模式，這表明適當(dāng)?shù)拈g伐措施會增加土壤中革蘭氏陽性菌的含量，有利于改善土壤肥力。在M1和M2模式下套種米老排的林分土壤革蘭氏陽性菌含量均顯著高于M3模式，且表現(xiàn)出M1>M2>M3的趨勢，這表明在杉木人工林中套種米老排的林分土壤革蘭氏陽性菌含量會隨著間伐強度的增強而增加(P<0.05)。在M2模式下對照林分的土壤革蘭氏陰性菌含量顯著高于M1模式(P<0.05)。

表 4 間伐強度和套種模式及其交互作用對土壤微生物的影響 Table 4 Effects of thinning patterns and interplanting different tree species and their interactions on soil microorganisms

在M3模式下，套種鵝掌楸的林分土壤革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌含量均顯著高于對照和套種其他樹種的林分，這表明在未間伐的杉木人工林中套種鵝掌楸會促使土壤中細(xì)菌含量的增加(P<0.05)。另外，在套種鵝掌楸的林分中，土壤放線菌含量顯著高于套種閩楠的林分(P<0.05)。在M2模式下，套種不同樹種的林分土壤微生物含量與對照相比并無顯著變化；套種紅豆杉的林分土壤革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌含量顯著高于套種閩楠的林分(P<0.05)。在M1模式下，套種鵝掌楸、火力楠和米老排的林分土壤革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的含量顯著高于對照(P<0.05)。

以土壤理化性質(zhì)為解釋變量，土壤微生物為響應(yīng)變量進行冗余分析(RDA)，結(jié)果如圖2所示。通過RDA分析發(fā)現(xiàn)，DOC、SWC、NH4+-N和C/N是導(dǎo)致土壤微生物發(fā)生變化的主要因子，它們的貢獻率分別是36.7%、15.6%、14%和13.5%。土壤DOC含量與革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和叢枝菌根真菌均呈正相關(guān)關(guān)系；真菌、厭氧菌、真核生物和放線菌與NH4+-N含量和C/N呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2)。

注：GramPost：革蘭氏陽性菌；GramNegt：革蘭氏陰性菌；Anaerobe：厭氧菌；Actinomc：放線菌；AMFungi：叢枝菌根真菌；Fungi：真菌；Eukaryotic：真核生物；SWC:土壤水分含量；pH:土壤pH值；NH4：銨態(tài)氮；NO3：硝態(tài)氮；MBC：微生物生物量碳；DOC：可溶性有機碳；C/N：土壤碳氮比。

通過雙因素方差分析法(ANOVA)分析間伐強度、套種模式及相互作用對微生物生物量的影響發(fā)現(xiàn)(表4)，間伐強度、套種模式及其交互作用對土壤革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均有顯著的影響(P<0.05)，但是對其他土壤微生物均無顯著影響(P>0.05)。

3 討論

3.1 間伐和套種對土壤理化性質(zhì)的影響

土壤易變性碳、氮是土壤微生物所需的能量和有機養(yǎng)分的來源，是調(diào)節(jié)土壤微生物生物量的關(guān)鍵因素，在維持森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力方面起重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，在杉木中套種鵝掌楸、紅豆杉、閩楠和對照林分的土壤DOC含量隨著間伐強度的增強而減少，這與采取間伐和套種措施后林內(nèi)環(huán)境變化有關(guān)。首先，間伐和套種后林下植被得到恢復(fù)和更新，林下的植被生物量和物種多樣性增加。由于不同物種吸收養(yǎng)分的策略具有差異性，這就會導(dǎo)致物種多樣性豐富的林分會消耗更多的土壤DOC[13]。其次，間伐后的林分土壤可以接收更多的光照和水分，使土壤溫濕度得以提高[14]，從而增強土壤微生物的活性，微生物活性的增強也會消耗土壤DOC。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，在同一種間伐模式下，套種闊葉樹種鵝掌楸、火力楠和米老排的林分會增加土壤DOC含量。這可能是由于間伐后林下套種的闊葉樹種和草本植物得以生長，一般來說，針葉樹種的凋落物中含有較多難以分解的、疏水性芳香族化合物，而闊葉樹種和草本植物的凋落物中含有較多易變的、親水性低分子量化合物，具有較高的分解率，從而使土壤中DOC含量增加[15-16]。

在M3模式下，對照處理的NH4+-N和NO3--N含量顯著高于其他2種間伐模式，可能是因為未間伐林分產(chǎn)生的凋落物數(shù)量較多，為林下土壤提供了充足的養(yǎng)分來源；而在其他2種模式下，大部分間伐的枝葉被從樣地內(nèi)清理出來，這就大大減少了氮素的輸入[6]。但是，在森林生態(tài)系統(tǒng)中，NH4+-N和NO3--N在土壤溶液中的可溶性和移動性比較高，很容易被淋失。因此，如果間伐強度比較大也會存在土壤氮流失的風(fēng)險。在同一間伐模式下，套種闊葉樹種鵝掌楸、米老排等顯著降低了土壤中的NH4+-N和NO3--N含量。原因是闊葉樹種根系生物量大，對土壤中有效氮攝取量大，這增加了植被對土壤有效氮的利用和保留，進而減少氮損失。不同間伐模式對土壤pH值無顯著影響，這與間伐對黃土高原油松人工林pH值影響的結(jié)果一致[17]。研究結(jié)果表明，在M1模式下套種鵝掌楸、火力楠和米老排的林分及在M3模式下套種鵝掌楸的林分能夠改善土壤養(yǎng)分水平，有利于森林的經(jīng)營和發(fā)展。

3.2 間伐和套種對土壤微生物的影響

間伐和套種可以通過改變凋落物輸入的數(shù)量和質(zhì)量影響微生物生物量和群落組成[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，在M2模式下，對照處理的革蘭氏陽性菌顯著高于M1和M3。其原因可能是，M3模式未采取間伐措施導(dǎo)致林分郁閉度大，林分結(jié)構(gòu)單一，林下植被發(fā)育不良，土壤的溫濕度相對較低，減弱了微生物活性，從而導(dǎo)致林內(nèi)環(huán)境不利于土壤微生物的繁殖和生長[19]。而M1模式由于間伐強度較大，并將直徑>10 cm的間伐剩余物清除出樣地，從而導(dǎo)致養(yǎng)分輸入減少；另外，間伐后林下植被得到恢復(fù)和更新，植被生物量和物種多樣性增加會消耗更多的養(yǎng)分，從而使用于微生物生長的養(yǎng)分受到限制[20]。另外，在M1和M3模式下，套種鵝掌楸的林分土壤革蘭氏陽性細(xì)菌生物量均顯著高于對照。這可能是因為在M1和M3模式下凋落物數(shù)量高于M2模式，土壤中有機質(zhì)含量隨著凋落物的分解而增加，這為微生物的合成與代謝提供了充足的C、N來源和能力來源[19]。另外，革蘭氏陽性細(xì)菌是富營養(yǎng)微生物類群，偏向于利用新鮮輸入的有機質(zhì)作為主要碳源。與杉木相比，鵝掌楸的凋落物葉面積大、質(zhì)量高且利于分解，大量有機質(zhì)的輸入刺激了革蘭氏陽性細(xì)菌生長。室內(nèi)控制實驗研究發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)業(yè)土壤中添加高質(zhì)量(低C/N)的凋落物會激發(fā)土壤中富含養(yǎng)分微生物群落的生長，例如革蘭氏陽性細(xì)菌。通過凋落物互換實驗也發(fā)現(xiàn)，在杉木林土壤中加入高質(zhì)量的闊葉樹種米老排凋落物后，革蘭氏陽性細(xì)菌生物量顯著增加[21]。因此，本研究結(jié)果表明，在杉木人工林中采取合理的間伐強度和套種措施可能更有利于土壤微生物的繁殖和生長，從而更有效地緩解杉木人工林地力衰退，促進杉木人工林的可持續(xù)發(fā)展。