黃章翰 李維揚 紀小芳 馮明 崔莉娜 魯建兵 姜姜劉光正

(江蘇省水土保持與生態(tài)修復重點實驗室(南京林業(yè)大學)，南京，210037)(江西省林業(yè)科學研究院)

根際是指受植物根系影響數(shù)毫米范圍內(nèi)的土壤區(qū)域[1]，也是土壤—植物根系—微生物3者間物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量流動的場所[2]，對生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分動態(tài)分布與循環(huán)起著重要作用[3-4]。植物通過根系分泌物的輸入，以及根表皮脫落物的裂解，改變根際微生物酶的數(shù)量與活性[5]，加之根系吸收的影響，使根際養(yǎng)分狀況在濃度、形態(tài)與分布等方面發(fā)生變化[6-7]，即存在明顯的“根際效應”[5]，由此深入認識根際生態(tài)過程對養(yǎng)分分配的影響具有重要意義。

人工林經(jīng)營過程中，根際與非根際土壤特性的差異決定了根際養(yǎng)分特征[8]，直接影響植物的生長狀態(tài)。隨著人工林林齡的增加，林分結(jié)構(gòu)、凋落物形成與分解、根系周轉(zhuǎn)與代謝都會發(fā)生相應的變化[9-10]，從而影響根際周圍的養(yǎng)分循環(huán)過程。不同養(yǎng)分的根際效應隨林齡變化往往表現(xiàn)出不一致的變化規(guī)律。葉功富等[11]研究木麻黃人工林土壤有機質(zhì)和全氮的根際效應隨著的發(fā)育先減少后增加，馬尾松人工林的建立不改變土壤氮根際效應的變化趨勢，但有機質(zhì)的根際效應隨林齡的增加顯著增加，可能受到光合作用的限制[12]，孫濤等[13]發(fā)現(xiàn)由于根際微生物種類與數(shù)量的影響，樟子松林地土壤有效養(yǎng)分的根際效應對林齡的響應趨勢明顯不同于土壤全量養(yǎng)分。因此，對人工林根際效應隨林齡變化的規(guī)律并無一致的結(jié)論，其機理仍不清楚。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國南方的速生針葉用材樹種，因其生長周期短、經(jīng)濟價值高等特點而被廣泛栽植，全國杉木人工林栽培面積達到1.7×107hm2，占全國人工林面積的24%[14]。隨著栽植面積擴大、多代連載，以及不合理的經(jīng)營措施，杉木林出現(xiàn)了土壤地力衰退、初級生產(chǎn)力下降等諸多問題[15-16]，盡管已有多名專家學者對此展開研究，目前仍尚未弄清杉木人工林地力退化的內(nèi)在機制，從根際效應角度研究不同生長階段杉木人工林土壤養(yǎng)分循環(huán)特征，可為杉木人工林可持續(xù)經(jīng)營提供新思路。目前，杉木人工林根際養(yǎng)分研究集中在根際與非根際土壤養(yǎng)分含量及有效性的對比[17]、土壤養(yǎng)分計量比特征[18]以及營林措施對杉木林根際養(yǎng)分的影響[19]，尚未結(jié)合土壤養(yǎng)分與酶活性之間的關系，深入探討不同生長階段植物根際對土壤養(yǎng)分與酶活性的潛在影響。有鑒于此，本文以江西省官山林場10、25、45年生杉木人工林為研究對象，分析不同林齡杉木人工林根際與非根際土壤養(yǎng)分及酶活性狀況，以期揭示林齡背景下杉木根際對土壤養(yǎng)分與酶活性的作用關系，為杉木人工林的土壤養(yǎng)分管理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗研究區(qū)位于江西省中部吉安市永豐縣官山林場(115°17′～115°56′E，26°38′～27°32′N)，屬中亞熱帶濕潤氣候，年均氣溫18 ℃，年均降水量1 627.3 mm，年均無霜期279 d。主要土壤類型為紅壤。官山林場自然條件優(yōu)越，適宜松、杉、竹及多種闊葉樹生長，是江西省的林業(yè)重點產(chǎn)區(qū)[20]。場內(nèi)杉木面積分布廣泛，其它植物種主要有濕地松(Pinuselliottii)、毛竹(Phyllostachysedulis)、楠木(Phoebebournei)、楓香(Liquidambarformosana)等。

2 材料與方法

土壤樣品于2018年7月在江西省永豐官山林場中采集，分別選取10、25、45年生3種林齡的杉木人工林樣地，樣地土壤類型、立地條件一致，杉木種源一致，林分基本狀況見表1。每個樣地設置3個20 m×20 m的樣方，在每個樣方內(nèi)隨機選擇3株杉木，取其根際與非根際土，分別混合均勻，裝于無菌袋中，置于便攜式冰箱內(nèi)。具體方法：根際土壤(RS)取樣采用抖落法，去除土壤表面的動植物殘體，順著樹干基部挖開根系集中分布的土層(0～15 cm)，輕抖去大塊不含根系的土壤，用小毛刷將黏附在細根表面上的土壤收集至無菌袋中，為根際土[21]；非根際土壤(BS)取樣在離樹干基部50 cm外進行，在每個樣方內(nèi)隨機挖取3個0～15 cm深土壤混勻，為非根際土[11]。將土樣帶回實驗室后風干過2 mm篩，用于土壤養(yǎng)分和酶活性的測定。

表1 樣地基本特征

2.1 測定方法

土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化法測定；活性有機碳(LOC)采用高錳酸鉀氧化比色法測定；全氮(TN)采用元素分析儀測定；速效氮(AN)采用堿解擴散法測定；全磷(TP)采用酸溶-鉬銻抗比色法測定；速效磷(AP)采用氟化銨-鹽酸浸提法測定；土壤的pH采用電位法測定[22]。

土壤蔗糖酶采用3，5—二硝基水楊酸比色法測定，酶活性以37 ℃下培養(yǎng)24 h后1 g土消耗葡萄糖的毫克數(shù)表示[23]；脲酶采用水楊酸鈉—二氯異氰尿酸鈉比色法測定，酶活性以37 ℃下培養(yǎng)2 h后1 g土釋放銨態(tài)氮的微克數(shù)表示[24]；酸性磷酸酶采用對硝基磷酸苯二鈉比色法測定，酶活性以37 ℃下培養(yǎng)1 h后1 g土水解生成對硝基苯酚的毫克數(shù)表示[25]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

土壤養(yǎng)分與酶活性的根際效應(ER)采用如下公式進行計算[26]：

ER=[(Crs-Cbs)/Cbs]×100%。

式中：Crs和Cbs分別表示土壤養(yǎng)分與酶活性指標在植物根際與非根際土壤中的數(shù)值大小。當ER>0時表現(xiàn)為根際正效應，ER<0時表現(xiàn)為根際負效應。

土壤養(yǎng)分有效性的計算，本文將活性有機碳與惰性有機碳(土壤有機碳與活性有機碳的差值)比值作為土壤有機碳活度，即表示土壤有機碳的高活性[27]；將速效氮與全氮比值和速效磷與全磷比值的百分率用于表示土壤氮、磷養(yǎng)分的有效性[28-29]。

運用SPSS25.0軟件對數(shù)據(jù)(平均值±標準差)進行統(tǒng)計分析。用雙因素方差分析和最小顯著差異法(α=0.05)比較各個變量的差異顯著性。運用線性回歸擬合分析土壤養(yǎng)分與酶活性之間的關系。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡土壤養(yǎng)分的根際效應

由表2和表3可知，除土壤氮外，不同林齡杉木根際與非根際土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)呈一致的變化規(guī)律，其中根際土壤養(yǎng)分分質(zhì)量分數(shù)均高于非根際土壤，表現(xiàn)出在根際的富集現(xiàn)象。由于杉木根系對不同養(yǎng)分吸收速率的不同，土壤碳、氮、磷的根際效應隨林齡變化表現(xiàn)出不同的趨勢。根際與非根際土壤中，SOC和LOC量均隨林齡增加顯著增加，其根際效應都表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢，后期趨于穩(wěn)定，SOC的根際效應強度(30%～60%)大于LOC(10%～20%)；隨林齡增加，根際土壤TN和AN量先增加后減少，而非根際土壤TN和AN量顯著增加，土壤氮的根際效應亦呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，但后期明顯下降，根際效應對TN和AN的影響一致(均在20%～60%)；根際與非根際土壤的TP和AP量總體表現(xiàn)為隨林齡增加而增加的趨勢，其根際效應持續(xù)增強，但TP的根際效應(100%～150%)遠大于AP(10%～20%)。

表2 不同林齡杉木人工林土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)

表3 不同林齡杉木人工林土壤養(yǎng)分根際效應

表4可以看出，根際SOC活度隨林齡增加而顯著減少，且與非根際間的差異逐年顯著，說明根際最終促進了ROC的積累；林齡與根際對土壤氮有效性無顯著影響；土壤磷有效性隨林齡變化趨勢與SOC活度相同，且根際土壤磷有效性均顯著低于非根際土壤，表明杉木根系傾向于吸收AP，導致AP的根際效應表現(xiàn)最小，杉木生長可能受磷限制；土壤w(C)∶w(N)∶w(P)生態(tài)計量比在3個林齡組中均無顯著差異，但根際對w(C)∶w(P)與w(N)∶w(P)具有顯著作用；此外，杉木土壤整體呈現(xiàn)酸性，隨著林齡增加，酸性增強，且根際土壤pH均顯著低于非根際土壤。

表4 不同林齡杉木人工林土壤養(yǎng)分有效性與化學計量比

3.2 不同林齡土壤酶活性的根際效應

土壤酶主要來源于植物根系和微生物活動，并參與土壤養(yǎng)分循環(huán)過程。由表5和表6可知，土壤碳、氮、磷轉(zhuǎn)化酶(蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶)隨林齡變化的規(guī)律趨同于相應養(yǎng)分，不同林齡根際土壤酶活性均高于非根際土壤。其中，蔗糖酶與酸性磷酸酶的根際效應均隨林齡增加而增加至25 a后趨于穩(wěn)定(分別為15%～30%和50%～70%)，脲酶的根際效應則呈現(xiàn)與土壤氮相同變化趨勢，范圍在150%～250%。

表5 不同林齡杉木人工林土壤酶活性

表6 不同林齡杉木人工林土壤酶根際效應

3.3 土壤酶活性對養(yǎng)分及根際效應的影響

由圖1可知，土壤碳、氮、磷養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)均與相應酶活性(蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶)呈極顯著正相關，且在根際土壤中的關系更為明顯。故進而分析根際酶活性對養(yǎng)分根際效應的影響發(fā)現(xiàn)(圖2)，除TP外，土壤養(yǎng)分的根際效應均與根際酶活性呈顯著正相關，說明根際對養(yǎng)分的富集是通過促進根際土壤酶分泌實現(xiàn)的，而TP的根際效應與酸性磷酸酶活性關系不顯著，表明存在其它復雜的關系對根際TP積累產(chǎn)生影響。

*表示P<0.05的顯著性；**表示P<0.01的顯著水平。

4 結(jié)論與討論

4.1 不同林齡杉木人工林養(yǎng)分根際效應的變化

研究發(fā)現(xiàn)，SOC和LOC的根際效應表現(xiàn)為正效應(ER>0),根際促進了土壤碳積累，隨林齡增加根際效應先增加后減少，這與劉順等[17]對陳山紅心杉的研究結(jié)果相似，分析原因，杉木前期處于速生階段，土壤呼吸速率大，以CO2形式釋放到大氣中的碳量多，而補充其來源的凋落物分解相對較慢[18]，有機碳的消耗大于歸還，從而造成10 a杉木土壤有機碳含量最低。隨著林齡增加，林下生態(tài)系統(tǒng)逐漸完善[14]，加速凋落物的分解速率，輸入土壤有機碳的含量也隨之增加，但不同于非根際土壤，植物除通過細根周轉(zhuǎn)向根際土壤輸入碳外，其根系在生長期會向根際分泌各種次生代謝物質(zhì)，其中90%作為LOC化合物[30]，為土壤微生物提供豐富的碳源，以提高微生物胞外酶活性及其對根際碳的固定能力[31]，導致土壤碳的根際效應逐年增強。當林分成熟后，杉木生長相對變慢，根際的碳轉(zhuǎn)化酶活性緩慢增加，根際養(yǎng)分積累速率下降，促使杉木SOC和LOC的根際效應呈現(xiàn)減少趨勢。另一方面，雖然根際效應增加LOC量，但因其不穩(wěn)定性，能在短時間內(nèi)迅速分解，導致LOC隨林齡增加速度小于ROC的增加速度，最終促進ROC在根際的積累，因此SOC的根際效應強度(30%～60%)顯著大于LOC(10%～20%)。Liu et al.[32]研究發(fā)現(xiàn)，根際菌絲的膠結(jié)作用有利于土壤團聚體形成，進而促進根際對土壤碳的貯存。

*表示P<0.05的顯著性。

土壤氮質(zhì)量分數(shù)由凋落物歸還和植物吸收之間的平衡所決定，其根際效應隨林齡增加，表現(xiàn)先增加后減少趨勢，根際效應對TN和AN的影響一致(均在20%～60%)，分析原因可能是由于植物根際不斷從外界攝取營養(yǎng)元素，氮養(yǎng)分在土壤中向根際遷移速度較快[8]，根際氮輸入速率大于非根際，造成TN的根際效應顯著增加，同時植物根系數(shù)量與微生物量增加[33]，根際氮的周轉(zhuǎn)速率加快，底物TN的富集引起脲酶的根際效應大幅度增強(150%～250%)，從而維持土壤TN向AN的轉(zhuǎn)化[34]，因此TN和AN對根際效應的響應具有趨同性。然而，相比于同緯度江西千煙洲亞熱帶人工林土壤氮水平的0.86 g/kg[35]，研究區(qū)25、45 a杉木根際氮質(zhì)量分數(shù)(1.28、1.13 g/kg)均高于千煙洲人工林，表明杉木25 a后對土壤氮養(yǎng)分的需求趨于穩(wěn)定，根際氮富集可能通過底物反饋抑制脲酶活性，減緩凋落物分解與有機氮礦化過程[36-37]，導致根際對土壤氮的富集效應明顯降低，但該解釋缺乏直接證據(jù)。另外，有研究報道，南方針葉樹種在生長發(fā)育過程中會出現(xiàn)氮素流失的現(xiàn)象[9-10]，與本研究結(jié)果不符，這可能和不同研究區(qū)的林分、氣候、土壤類型等因素有關[10，38]，本研究區(qū)林分結(jié)構(gòu)一致，土壤氮有效性穩(wěn)定，根際誘導脲酶活性的提高，增加對土壤氮的固持作用。

在過去的研究中，土壤磷根際效應隨林齡變化結(jié)果并不一致，劉順等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨林齡增加，陳山紅心杉土壤磷的根際效應長期表現(xiàn)為負效應(ER<0)，而本文土壤磷的根際效應為正效應(ER>0)結(jié)果與楊陽等[39]對荒漠草原區(qū)優(yōu)勢種的研究結(jié)果一致，根際效應持續(xù)增強，分析原因主要是本研究區(qū)土壤平均磷水平為0.13 g/kg，與同緯度江西千煙洲人工林土壤的0.11 g/kg相近[35]，同屬低緯度缺磷地區(qū)，杉木為了適應低磷脅迫，根系會分泌大量質(zhì)子和有機酸，以促進難溶性礦物磷的分解與吸收[40]，提高土壤磷質(zhì)量分數(shù)的同時，造成根際pH值顯著低于非根際，另一方面，隨著林齡增加，凋落物分解產(chǎn)生的酸性物質(zhì)增加，土壤愈加酸化，促使酸性磷酸酶活性顯著增強[41]，有效促進土壤有機磷轉(zhuǎn)化為無機磷[42]，以供植物吸收利用，在pH值和酸性磷酸酶的協(xié)同作用下，土壤磷的根際效應隨林齡增加而穩(wěn)定增強。此外，根際對TP的富集效應(100%～150%)遠大于AP(10%～20%)，分析原因，盡管凋落物分解與有機酸淋溶增加了土壤磷質(zhì)量分數(shù)，然而，當土壤磷有效性低于2.0%，則說明磷素利用率低[29，43]，TP難以轉(zhuǎn)化為AP，本研究中根際土壤磷有效性隨林齡增加顯著減少，且均低于2.0%，表明該地區(qū)磷有效性低，生態(tài)系統(tǒng)長期缺磷，產(chǎn)生的AP能被植物快速吸收，導致AP的根際效應表現(xiàn)最小。

土壤化學計量特征反映土壤有機質(zhì)組成和營養(yǎng)供應狀況，是表征土壤內(nèi)部碳、氮、磷元素循環(huán)的重要指標[44]。本研究土壤w(C)∶w(N)=11.93均值與全國土壤平均值(11.90)[10]相當，不同林齡根際與非根際土壤w(C)∶w(N)變化趨勢不顯著，表明碳、氮作為結(jié)構(gòu)性成分，緊密相關，二者在積累和消耗過程中存在同步性關系，驗證了不同生態(tài)系統(tǒng)土壤C∶N相對穩(wěn)定的結(jié)果[45]。土壤w(C)∶w(N)=91.95與w(N)∶w(P)=7.79均高于全國平均水平(61.00、5.20)[10]，說明該地區(qū)微生物在有機質(zhì)礦化過程中的磷釋放較差，杉木磷受限可能加劇，另外較高的w(C)∶w(N)與w(N)∶w(P)也反映了磷有效性越低的問題[44]，因此，在杉木人工林經(jīng)營過程中應適當增施磷肥，提高磷素活化能力，維持土壤與植物的良性養(yǎng)分循環(huán)。

4.2 不同林齡杉木人工林根際效應與酶活性的關系

本研究發(fā)現(xiàn)，林齡是影響杉木人工林生長狀態(tài)的重要因素，杉木不同生長階段根際與非根際土壤養(yǎng)分狀況不同，分析原因主要是不同發(fā)育階段植物的吸收與歸還不同，以及根際與非根際間養(yǎng)分富集速率的差異所造成的。相關分析結(jié)果顯示，土壤碳、氮、磷含量均與相應酶活性呈極顯著正相關，與前人的研究結(jié)果相似，徐秋芳等[31]研究證明土壤蔗糖酶與有機碳關系最為密切，其活性表征了土壤有機碳的累積和釋放易溶性碳素的能力，劉淑英等[34]人的研究中，土壤脲酶與TN、AN相關關系顯著，與本研究結(jié)果一致，這反映了脲酶將土壤有機氮水解轉(zhuǎn)化為有效態(tài)氮的作用，是植物氮源的直接驅(qū)動力，另外研究表明，酸性磷酸酶的酶促反應能釋放土壤中可供植物吸收的無機磷[46]，尤其是林木生長受到磷限制時，其活性通常會維持在較高水平[47]，以利于提高土壤磷有效性，保證林木正常生長。除TP外，土壤養(yǎng)分的根際效應均與根際酶活性呈顯著正相關，說明在典型的低效林區(qū)中，根際酶的分泌是調(diào)控根際促進養(yǎng)分積累的關鍵，值得注意的是，酸性磷酸酶對土壤磷的促進作用主要體現(xiàn)在AP方面，盡管TP含量與酸性磷酸酶活性關系密切(P<0.01)，但TP根際效應與酸性磷酸酶活性呈微弱的正相關，TP隨林齡的根際富集速度大于酸性磷酸酶活性的增加速度，表明存在其他因素對根際TP積累產(chǎn)生影響，崔莉娜等[48]人的研究證明，杉木根際存在一定的叢枝菌根真菌，通過侵染植物根系，促進土壤磷聚集和作物吸收，李蓉等[49]人的研究中發(fā)現(xiàn)，由于杉木長期處于低磷環(huán)境，根際中的溶磷細菌含量較高，補充土壤磷素的同時產(chǎn)生致酸物質(zhì)，降低土壤pH值，促使酸性磷酸酶活性進一步提升，協(xié)同改善杉木土壤磷環(huán)境。具體而言，10年生杉木處于生長旺盛期，對養(yǎng)分需求量大，此時林分相對稀疏，凋落物歸還養(yǎng)分不足以被植物吸收，導致土壤養(yǎng)分出現(xiàn)盈虧，由此，養(yǎng)分根際效應表現(xiàn)較低；25年生杉木林分逐漸郁閉，林內(nèi)競爭較大，此時的杉木根系汲取養(yǎng)分的范圍更加寬廣，使得土壤養(yǎng)分向根際發(fā)生遷移，同時根際酶活性顯著高于非根際，根際養(yǎng)分輸入速率大于非根際，造成此時的養(yǎng)分根際效應顯著增強；45年生杉木人工林處于成熟林階段，木材生長相對緩慢，對養(yǎng)分的需求量相對減少，根際碳積累速率下降，造成此時的土壤碳根際效應減弱，而該階段土壤氮根際效應減弱與根際脲酶活性降低有關，不同于土壤碳、氮，此時的杉木仍處于磷匱乏狀態(tài)，根系優(yōu)先吸收AP，導致土壤磷有效性較低，需通過刺激微生物分泌更多酸性磷酸酶，以提高根際對土壤磷的促進效益。

本研究得出林齡對土壤養(yǎng)分和酶活性具有顯著影響，僅蔗糖酶活性在根際與非根際間無顯著差異，隨林齡增加，根際與非根際土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)、酶活性均呈增加趨勢，土壤酸性增強；在林齡和根際共同影響下，SOC和LOC的根際效應隨林齡增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，二者均與蔗糖酶活性顯著相關，根際土壤ROC比例大于非根際；TN和AN的根際效應25 a最大，與脲酶活性變化規(guī)律一致，造成45 a杉木根際對土壤氮的富集效應減弱；TP和AP的根際效應隨林齡增加而增加，但TP的根際效應遠大于AP，酸性磷酸酶活性與AP根際效應顯著相關。因此，在杉木人工林經(jīng)營管理中，應長期注意磷養(yǎng)分的添加管理。根際對土壤養(yǎng)分和酶活性的具體影響機理還需結(jié)合根際微生物狀況深入研究。