劉海英，蔣仲龍，彭健健，王曉曉，仇智靈，張 勇，，王 增

（1.浙江省公益林和國有林場管理總站，浙江 杭州 310020；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300；3.臺(tái)州市萬豐林業(yè)有限公司，浙江 仙居 317300；4.杭州市臨安區(qū)植物檢疫站，浙江 杭州 311300）

土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及結(jié)構(gòu)受到植物群落演替和人為干擾的顯著影響[1]。土壤微生物量碳和水溶性有機(jī)碳是土壤中活性較高的有機(jī)碳，對(duì)林地微環(huán)境變化的響應(yīng)敏感程度遠(yuǎn)大于土壤有機(jī)碳的變化[2]。土壤微生物是土壤最活躍的組分之一，積極參與土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分循環(huán)，能敏感地反映土壤生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生的微小變化[3]。

研究表明，隨著林齡的增加，油松Pimus tabulaeformis人工林土壤總有機(jī)碳和微生物量碳顯著升高[4]，橡膠Hevea brasiliensis林土壤有機(jī)碳呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[5]。隨著種植年限的增加，獼猴桃Actinidia chinensis園土壤微生物功能多樣性下降[6]，而杉木Cunninghamia lanceolata-閩楠Phoebe bournei復(fù)層林土壤微生物功能和多樣性指數(shù)均呈增加趨勢(shì)[7]；天然闊葉林改造為山核桃Carya cathayensis人工林并經(jīng)5 a強(qiáng)度經(jīng)營后，林地土壤總有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳及微生物量碳均顯著下降，土壤微生物功能多樣性也顯著降低[8]。顯然，不同森林類型及人為干擾強(qiáng)度對(duì)土壤有機(jī)碳和微生物的影響存在較大的差異。

馬尾松Pinus massoniana是浙江省林分面積最大的樹種之一，由于其經(jīng)濟(jì)效益較低，往往對(duì)其皆伐后，人工改造為楊梅Myrica rubra人工林，浙江省現(xiàn)有楊梅人工林面積9.07×104hm2，在經(jīng)營過程中將林下灌木、雜草全部去除，造成一定的水土流失。研究表明，隨著林齡的增大，楊梅人工林土壤有機(jī)碳含量先下降而后升高[9]；生草栽培提高了楊梅林的土壤肥力，優(yōu)化了果實(shí)品質(zhì)[10-11]。而有關(guān)楊梅人工林經(jīng)營過程中土壤有機(jī)碳的數(shù)量、質(zhì)量及土壤微生物功能多樣性的變化尚未見報(bào)道。本研究在楊梅主產(chǎn)區(qū)，通過空間代替時(shí)間的方法，以馬尾松林為對(duì)照，比較研究了3、9、14和21 a楊梅林土壤有機(jī)碳及微生物功能多樣性的差異，以期為楊梅人工林土壤精準(zhǔn)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省仙居縣福應(yīng)街道（28°25′～28°52′N，120°23′～120°42′E），有“中國楊梅之鄉(xiāng)”之稱，海拔140～230 m，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為18.3℃，最熱的7月平均氣溫為28.5℃，最冷的1月平均氣溫為5.6℃，無霜期240 d，歷年平均降水量為2 000 mm，年日照時(shí)數(shù)為1 786.2 h，母巖為花崗巖，土壤為紅壤。由于長期強(qiáng)度經(jīng)營，林下僅有少量的草本植物生長[12]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與取樣

表1 樣地林分和土壤基本特征Table 1 Basic information of the sample plot

1.3 分析方法

土壤總有機(jī)碳含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法[13]。水溶性有機(jī)碳的測(cè)定參考Jones和Willett的方法[14]。微生物生物量碳的測(cè)定采用氯仿熏蒸浸提法[15]。

土壤各種碳化學(xué)組分采用固態(tài)13C核磁共振波譜圖方法測(cè)定。其基本步驟為：土壤樣品HF預(yù)處理的方法參考Mathers等[16]進(jìn)行。經(jīng)HF預(yù)處理過的土壤樣品進(jìn)行固態(tài)魔角旋轉(zhuǎn)-核磁共振測(cè)定（AVANCE Ⅱ 300MH，布魯克公司）。實(shí)驗(yàn)采用7 mm CPMAS探頭，觀測(cè)頻率為100.5 MHz，MAS旋轉(zhuǎn)頻率為5 000 Hz，接觸時(shí)間為2 s，循環(huán)延遲時(shí)間為2.5 s?；瘜W(xué)位移的外標(biāo)物為六甲基苯（hexamethylbenzene，HMB，甲基17.33 mg·kg-1）。然后對(duì)譜峰曲線進(jìn)行區(qū)域積分，獲得各種碳化學(xué)組分的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如圖1所示，可將波譜劃分為烷基碳（0～45）、N-烷氧碳（45～60）、烷氧碳（60～90）、縮醛碳（90～110）、芳香碳（110～145）、酚基碳（145～165）和羰基碳（165～210）等7個(gè)共振區(qū)（括號(hào)中的數(shù)據(jù)表示化學(xué)位移）。

圖1 楊梅人工林土壤總有機(jī)碳的核磁共振圖譜Fig.1 13C NMR spectra of total soil organic carbon of M.rubra plantation

疏水C/親水C=（C0～45+C110～165）/（C45～110+C165～210），其比值越大則土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性越高。脂族C0～110/芳香C110～165，該比值越高表明腐殖物質(zhì)中芳香核結(jié)構(gòu)越少，脂肪族側(cè)鏈越多，縮合程度越低，分子結(jié)構(gòu)越簡單。芳香度（C110～165/C0～165×100%）越大，表明芳香核結(jié)構(gòu)越多，分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

土壤微生物功能多樣性分析采用Biolog Eco檢測(cè)法，數(shù)據(jù)處理參照文獻(xiàn)[17]進(jìn)行。計(jì)算土壤微生物利用碳源的平均顏色變化率（AWCD）、土壤微生物對(duì)碳源利用的多樣性Shannon指數(shù)（H）和均勻度指數(shù)（E），公式如下。

式中：Ci為除對(duì)照孔外各孔在590 nm下的吸光值；R為對(duì)照孔A1的吸光值，Ci-R小于0的孔，計(jì)算中記為0；Pi為第i孔的相對(duì)吸光值與整板相對(duì)吸光值總和的比率；S為Eco板顏色變化的孔的數(shù)目。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 22.0軟件包的單因素方差分析和新復(fù)極差法比較不同數(shù)據(jù)組間的差異，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 林地土壤有機(jī)碳庫的變化

隨著林齡的增長，楊梅人工林0～10 cm土壤總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）表現(xiàn)為升高—下降—升高—穩(wěn)定的變化趨勢(shì)（表2），TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小表現(xiàn)為3 a＞CK＞21 a＞14 a＞9 a，其中3年生楊梅人工林土壤的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他林齡（P＜0.05），而9年生的顯著低于其他林齡（P＜0.05）。

土壤微生物量碳（MBC）和水溶性有機(jī)碳（WSOC）與土壤TOC的變化規(guī)律相似（表2）。3年生林地土壤MBC和WSOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于其他林齡（P＜0.05），而9年生林地土壤MBC和WSOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于其他林齡（P＜0.05）。

選用麻醉藥和方法需要了解所患肝臟疾病;了解肝臟在藥物解毒中的作用;了解藥物對(duì)肝臟的影響。麻醉者必需了解肝病類型,肝細(xì)胞損害程度以及其他可使手術(shù)復(fù)雜的因素,特別是那些促進(jìn)出血的因素是否存在。不同的麻醉方法各有其優(yōu)缺點(diǎn),選用時(shí)應(yīng)根據(jù)手術(shù)的類型,結(jié)合病人肝功能不全等具體情況作全面考慮。藥物的選用應(yīng)選擇直接對(duì)肝臟毒性和血流的影響較小的藥物,要了解施給麻醉藥的技術(shù)和術(shù)中對(duì)病人的管理往往比個(gè)別藥物的選擇更為重要,如術(shù)前用藥、術(shù)中供氧、補(bǔ)充血容量、糾正酸中毒、維持循環(huán)穩(wěn)定等[7]。

土壤MBC/TOC、WSOC/TOC的變化也與土壤TOC的變化規(guī)律相似（表2）。3年生林地土壤MBC/TOC、WSOC/TOC顯著高于其他林齡（P＜0.05），其中CK林地土壤MBC/TOC顯著低于其他林齡（P＜0.05）。

表2 楊梅人工林地不同形態(tài)土壤有機(jī)碳的變化?Table 2 Soil organic carbon content of M.rubra plantation

2.2 林地土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的變化

土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)隨著林分改變和人為經(jīng)營而改變。不同土壤有機(jī)碳化學(xué)組分的百分比如表3所示。與CK相比，人工經(jīng)營3 a后，土壤芳香碳、酚基碳、羰基碳顯著下降了16.5%、24.8%、21.2%（P＜0.05），而N-烷氧碳顯著增加了41.0%（P＜0.05）；而后隨著林齡的增大，土壤有機(jī)碳庫穩(wěn)定性增強(qiáng)。其他碳組分的比例在不同林齡間的差異并不顯著。

表3 林地土壤含碳組分在13C NMR譜中的信號(hào)強(qiáng)度分布Table 3 Signal intensity distribution of different carbon fractions in the 13C NMR spectra

2.3 林地土壤微生物碳源利用的差異

土壤微生物功能多樣性可用Biolog盤中的平均顏色變化率(AWCD)來表示。在土壤微生物培養(yǎng)過程中，人工林地土壤AWCD的變化均表現(xiàn)為3 a＞CK＞21 a＞14 a＞9 a，192 h的AWCD平均值分別為1.414、1.322、1.198、1.143、0.993，經(jīng)多重比較，3年生土壤微生物AWCD值最大，顯著高于9年生的（P＜0.05），其他林齡間沒有顯著性差異（圖2）。

圖2 楊梅人工林土壤微生物AWCD的變化Fig.2 Average well-color development (AWCD) of the soil microbes of M.rubra plantation

不同林齡楊梅人工林土壤微生物對(duì)碳源利用率差異較大，楊梅人工經(jīng)營改變了土壤微生物利用不同有機(jī)碳源的模式、種類和程度。利用培養(yǎng)192 h的AWCD值，對(duì)楊梅土壤微生物利用單一碳源進(jìn)行主成分分析（PCA）。從圖3可知，在PC1軸上，CK和3年生楊梅人工林分布在正方向；9、14和21年生楊梅人工林分布在負(fù)方向。在PC2軸上，CK、20年生楊梅人工林分布在正方向，3、9和14年生楊梅分布在負(fù)方向上。

圖3 楊梅人工林土壤微生物碳源利用率的主成分分析Fig.3 PCA analysis of carbon sources utilization of the soil microorganisms of M.rubra plantation

2.4 林地土壤微生物多樣性指數(shù)的比較

如表4所示，隨著林齡的增長，楊梅人工林土壤微生物對(duì)碳源利用的多樣性Shannon指數(shù)（H）表現(xiàn)為先升高而后下降，其中3年生楊梅人工林的H指數(shù)顯著高于CK和21 年生楊梅人工林（P＜0.05）；均勻度指數(shù)（E）則表現(xiàn)為先下降而后升高，其中3年生的E指數(shù)顯著低于CK和21年生楊梅人工林（P＜0.05）。

表4 楊梅人工林土壤的微生物功能多樣性指數(shù)Table 4 Indexes of microbial function diversity in the soil of M.rubra plantation

2.5 林地土壤有機(jī)碳與微生物多樣性的相關(guān)性

由表5可知，土壤水溶性有機(jī)碳與總有機(jī)碳、微生物生物量碳之間呈現(xiàn)極顯著相關(guān)（P＜0.01），而與微生物多樣性Shannon指數(shù)（H）的相關(guān)性也達(dá)顯著性水平（P＜0.05）；土壤總有機(jī)碳與平均顏色變化率之間具有顯著性正相關(guān)（P＜0.05）。微生物生物量碳與土壤微生物多樣性Shannon指數(shù)（H）之間的相關(guān)性也達(dá)顯著性水平（P＜0.05）；土壤微生物均勻度指數(shù)（E）與其他5個(gè)指標(biāo)間為負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與微生物多樣性Shannon指數(shù)（H）的負(fù)相關(guān)關(guān)系達(dá)顯著性水平（P＜0.05）。

表5 林地土壤不同形態(tài)有機(jī)碳與微生物功能多樣性的相關(guān)系數(shù)?Table 5 Correlation coefficients between soil microbial functional diversity and soil carbon

3 討 論

3.1 土壤有機(jī)碳庫對(duì)土地利用變化及人為經(jīng)營的響應(yīng)

地上植被的變化及人為經(jīng)營活動(dòng)顯著影響著土壤有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、組成和結(jié)構(gòu)[18]。馬尾松純林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于馬尾松-闊葉混交林[19]。本研究中，馬尾松林轉(zhuǎn)換為楊梅人工林初期，即3年生楊梅林地土壤TOC、MBC、WSOC、MBC/TOC和WSOC/TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著上升，分別提高了26.9%、111.5%、103.6%、66.7%和59.7%（P＜0.05）；而9年生楊梅林地土壤TOC和WSOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)則顯著下降了26.5%和16.1%；隨著經(jīng)營時(shí)間的延長，土壤不同形態(tài)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)又有所提高。21年生楊梅人工林土壤，MBC、WSOC、MBC/TOC、WSOC/TOC顯著提高了34.5%、24.4%、51.7%和40.3%（P＜0.05），而TOC僅下降了11.6%。與天然闊葉林改造為山核桃林后土壤TOC、MBC和WSOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降[8]的結(jié)果不符，這主要是由于研究對(duì)象、林齡和人為經(jīng)營措施的差異所造成的。造林初期，枯枝落葉、林下灌草等大量有機(jī)物料經(jīng)過整地后翻耕入土，種植楊梅需施入基肥30 t·hm-2，在陽光直射地面后，加快了有機(jī)物料的轉(zhuǎn)化速率，增加了土壤有機(jī)碳的積累，從而造林3 a后，土壤不同形態(tài)有機(jī)碳顯著升高，這與強(qiáng)度森林撫育顯著提升了土壤有機(jī)碳的研究結(jié)果相似[20]。隨著時(shí)間的推移，人為強(qiáng)度經(jīng)營后，灌木層、草本層缺失，土壤有機(jī)碳礦化速度加快，林地水土流失嚴(yán)重，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，即經(jīng)過9 a的人為經(jīng)營，土壤不同形態(tài)有機(jī)碳分?jǐn)?shù)顯著下降；隨著林齡的繼續(xù)增大，林分郁閉度提高及有機(jī)肥的施用等，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)步提升且趨于穩(wěn)定，達(dá)到新的平衡。這與杉木人工林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著林齡的增加而逐漸積累的研究結(jié)果相似[21]。

烷基碳/烷氧碳比值可作為有機(jī)碳分解程度的指標(biāo)[22]，疏水C/親水C的比值越大表明土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性越高[23]。脂族碳/芳香碳的比值越高表明土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)越簡單。芳香度（C110～165ppm/C0～165ppm×100%）越大指示土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。與馬尾松林相比，林齡為3 a的楊梅人工林土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，烷基碳/烷氧碳、疏水碳/親水碳的比值分別下降了17.9%和18.5%，說明了土壤中易分解有機(jī)碳的比例相對(duì)增加。脂族碳/芳香碳的比值上升了41.39%，而芳香度則下降了20.0%，這也說明了土壤中有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)變得簡單。而后隨著楊梅經(jīng)營歷史的延長，林地土壤烷基碳/烷氧碳、疏水碳/親水碳和芳香度等表征有機(jī)碳庫穩(wěn)定性的標(biāo)指也隨著增大，20 a后其數(shù)值接近馬尾松林，表明碳庫穩(wěn)定性增強(qiáng)。在楊梅經(jīng)營過程中，土壤中碳組分的變化與上述研究中TOC、WSOC 和MBC的變化規(guī)律也是一致的。這與吳家森等[8]研究的天然闊葉林改造為山核桃林并長期經(jīng)營后，土壤碳庫的穩(wěn)定性顯著增加的結(jié)果相似。

3.2 土壤微生物功能多樣性對(duì)土壤利用變化及人工經(jīng)營的響應(yīng)

馬尾松林改造為楊梅林并經(jīng)后期的人工經(jīng)營，土壤微生物功能的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為上升—下降—上升—穩(wěn)定的規(guī)律，與馬尾松林相比，9年生楊梅人工林土壤AWCD值下降了24.9%（P＜0.05），顯著低于其他年齡段。3年生楊梅人工林土壤的Shannon指數(shù)最大，而均勻度指數(shù)則最小（P＜0.05）。導(dǎo)致這種差異的原因主要是地上植物組成的差異，植物殘?bào)w、根的生物量、根系分泌物量不同[24]。馬尾松林改造為楊梅純林初期，林分的改變、大量枯枝落葉及有機(jī)肥的施入，增加了土壤中有機(jī)物料的種類和成分，而后隨著人為經(jīng)營強(qiáng)度的增加和土壤有機(jī)碳的進(jìn)一步礦化，土壤微生物功能多樣性顯著降低，而后隨著楊梅植株的生長和林分的郁閉，土壤微生物功能多樣性也隨著增強(qiáng)，這與落葉松人工林的研究結(jié)果相似[25]。而與闊葉林改造為山核桃林后初期土壤有機(jī)碳和微生物的變化并不一致[8]，這主要是因?yàn)楦脑烨暗纳诸愋筒煌斐傻?，本研究改造前的林分為馬尾松，相較于闊葉林枯枝葉片的分解相對(duì)較慢，從而改造3年后土壤有機(jī)碳和微生物功能多樣性顯著提高。

3.3 局限與展望

本論文僅以仙居縣境內(nèi)的馬尾松林轉(zhuǎn)變?yōu)闂蠲啡斯ち滞寥肋M(jìn)行研究，因此本研究的土壤有機(jī)碳及微生物功能多樣性的變化規(guī)律能否代表各地楊梅人工林的土壤變化規(guī)律還有待進(jìn)一步的研究，未來可結(jié)合在不同地區(qū)的楊梅人工林土壤指標(biāo)數(shù)據(jù)探究不同林齡的楊梅人工林。本研究對(duì)于土壤微生物僅進(jìn)行了功能多樣性的研究，未來可以進(jìn)一步研究微生物的PLFA和群落多樣性，結(jié)合不同土壤酶的變化，更深入探討人為經(jīng)營過程中楊梅林地土壤微生物的變化。今后還可對(duì)土壤有機(jī)碳的形態(tài)、礦物特征及與楊梅地上部分的生長關(guān)系進(jìn)一步深化，從而為楊梅人工林的綠色發(fā)展提供技術(shù)支撐。

4 結(jié) 論

馬尾松林改造為楊梅純林并經(jīng)人工經(jīng)營后，林地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為上升—下降—上升—穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，有機(jī)碳結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著變化。人工造林初期（3 a），林地土壤TOC、MBC、WSOC、MBC/TOC和WSOC/TOC顯著提高 了26.9%、115.5%、103.6%、66.7%和59.7%（P＜0.05），而芳香度則顯著下降了20.0%，碳庫穩(wěn)定性降低；楊梅人工經(jīng)營9 a后，土壤TOC和WSOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降了26.5%和16.1%，而后隨著經(jīng)營歷史的延長，不同形態(tài)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升并保持在相對(duì)穩(wěn)定的水平，土壤有機(jī)碳庫的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

土壤微生物功能多樣性（AWCD值）以3 a的楊梅人工林土壤最高，而9 a的林地土壤最低（P＜0.05），3 a林地土壤的Shannon指數(shù)最大，均勻度指數(shù)則最低（P＜0.05）。人工經(jīng)營改變了土壤微生物利用碳源的模式，馬尾松林及楊梅人工林造林初期與經(jīng)營9 a后的楊梅林地土壤微生物功能多樣性差異較大。

在楊梅人工林經(jīng)營過程中，提倡適當(dāng)種植綠肥或保留天然生草、施用有機(jī)肥等措施，從而保持楊梅人工林土壤質(zhì)量的可持續(xù)性。