張?jiān)Ｖ校瑥堄瓿?，?勰，，何功秀，4，張 翼，張森強(qiáng)

(1.湘西土家族苗族自治州林業(yè)局，湖南 吉首 416000；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004；3.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004；4.水土保持與荒漠化防治湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004；5.會(huì)同縣廣坪國有林場(chǎng)，湖南 會(huì)同418307)

隨著人工林快速發(fā)展，高度的集約經(jīng)營以及不合理的營林和栽培措施導(dǎo)致人工林地力衰退、林分生產(chǎn)力水平下降、生物多樣性降低等問題[1-4]。對(duì)此，大多數(shù)林業(yè)工作者認(rèn)為不同的管理措施會(huì)影響微生物的群落結(jié)構(gòu)，從而影響土壤地力[5]；撫育間伐可以促進(jìn)林木在生長過程中充分利用水、土、光、熱等自然條件，有利于維持地力，提高森林的生態(tài)效益[6-7]。間伐后剩余物中含有大量營養(yǎng)元素，能被微生物分解以供給林木吸收，會(huì)對(duì)林地土壤質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響[8]。我國主要通過火燒、清除、保留等傳統(tǒng)方式對(duì)剩余物進(jìn)行處理和利用[9-10]。剩余物火燒處理對(duì)土壤的影響主要表現(xiàn)為改變土壤結(jié)構(gòu)、減少土壤有機(jī)質(zhì)等[11]。而剩余物清除處理會(huì)導(dǎo)致大量養(yǎng)分流失，同時(shí)也使林地土壤裸露面積增加，造成水土流失，不利于維護(hù)林地生產(chǎn)力[12]。保留處理有利于改善土壤生化性質(zhì)，間伐剩余物作為外源輸入，提高了土壤有機(jī)碳的輸入，有利于提升土壤微生物群落的豐富度，簡單易行，是改善土壤養(yǎng)分和維持森林立地的不二之選。且平鋪覆蓋不僅能夠增加地表環(huán)境的空間異質(zhì)性和復(fù)雜性，為土壤生物提供生境，同時(shí)還可以降低降雨過程所產(chǎn)生的濺蝕、淋溶作用[13]。平鋪間伐剩余物能有效覆蓋林地，減少裸露面積，提高土壤含水量，同時(shí)其分解能產(chǎn)生大量營養(yǎng)物質(zhì)，有利于改善人工林生長狀況[14]。

杉木(Cunninghamialanceolata)是中國亞熱帶地區(qū)主要速生用材樹種之一，也是中國造林面積最大的樹種，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，以它為研究對(duì)象具有現(xiàn)實(shí)意義[15-16]。杉木人工林連栽會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量顯著降低，其中氮素、磷素的下降尤為明顯，因此，如何解決林地立地條件下降的問題，提高土壤養(yǎng)分含量，成為了推廣杉木人工林的重中之重。研究表明，通過保留采伐剩余物能夠有效地維持杉木人工林土壤養(yǎng)分含量，但其剩余物存留量對(duì)土壤養(yǎng)分的具體影響仍不清楚。為了研究剩余物不同存留量對(duì)土壤養(yǎng)分及微生物量的具體影響，本文對(duì)湖南省會(huì)同縣國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站10年生杉木林間伐后，采集不同程度保留剩余物處理后的土壤，進(jìn)行碳氮磷含量和土壤酶活性、微生物量等的測(cè)定，探討剩余物不同程度保留處理對(duì)杉木林地土壤理化性質(zhì)及生物學(xué)特性的利弊，旨在為杉木合理經(jīng)營、實(shí)踐提供參考。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖南省懷化市會(huì)同縣廣坪鎮(zhèn)(109°45′E，26°50′N)，屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫16.7 ℃，年空氣相對(duì)濕度80%，年均降水量1 200～1 400 mm，降雨主要集中在4—8月。地貌為低山丘陵，地層屬震旦紀(jì)板溪系灰綠色變質(zhì)板頁巖，林地土壤為變色頁巖和砂巖發(fā)育成的山地黃壤，風(fēng)化程度甚深，土層深厚，土壤pH值5.0～6.0。研究地植被為杉木人工純林，試驗(yàn)林的林下植被稀疏，主要灌木有杜莖山(Maesajaponica)、菝葜(Smilaxchina)、冬青(Ilexpurpurea)等,主要草本植物有鐵芒萁(Dicranopteris

linearis)和華南毛蕨(Cyclosorusparasiticus)等。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)樣地

試驗(yàn)樣地為2010年?duì)I造的杉木人工林，初始造林密度為2 520株·hm-2。2021年春季，對(duì)林地進(jìn)行了本底調(diào)查和樣地設(shè)置(見表1)，現(xiàn)存林分密度為2 340株·hm-2。

表1 樣地特征Tab.1 Characteristics of sample plots處理平均樹高/m平均胸徑/cm土壤含水率/%土壤容重/(mg·m-3)pHR010.6712.1740.011.154.17R113.0613.8839.021.134.24R213.5213.8538.881.134.26CK10.7311.3239.001.184.22

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2021年6月，在試驗(yàn)地內(nèi)設(shè)置12個(gè)20 m×20 m的樣地，進(jìn)行撫育間伐，強(qiáng)度控制在30%左右，間伐后密度約為1 650 株·hm-2，間伐材只取走樹干(含皮)部分，其余間伐剩余物(以枝葉為主)按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)保留在樣地內(nèi)并平鋪均勻。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，即R0(保留全部，2815.95kg·hm-2)、R1(保留3/4，2 111.96 kg·hm-2)、R2(保留1/2，1 407.98 kg·hm-2)和CK(不保留，0kg·hm-2)。2022年6月，采集植物、土壤等樣品。

2.3 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

2.3.1 土壤樣品采集

每個(gè)樣地沿對(duì)角線按“上中下”選擇3個(gè)土壤采樣點(diǎn)，沿土壤剖面自上而下分三層(0～20cm、20～40 cm、40～60 cm)用取土環(huán)刀(Φ70×52 mm，容積200 cm3)采樣，在室內(nèi)去除可見的石塊、根系以及動(dòng)植物殘?bào)w等，并將土壤樣品分成三份。一部分土樣被105 ℃高溫烘干后冷卻稱重，測(cè)定含水率并計(jì)算土壤容重；一部分土樣在室溫條件下風(fēng)干后用于測(cè)定土壤酶活性；一部分土樣被風(fēng)干及去除雜物后，研磨，過0.149 mm的篩，保存好用于測(cè)定有機(jī)碳、全氮、全磷等養(yǎng)分含量。

2.3.2 土壤樣品測(cè)定

土壤物理性質(zhì)主要測(cè)定指標(biāo)及方法[17]：土壤含水率采用烘干法；土壤容重、孔隙度采用環(huán)刀法。

土壤化學(xué)性質(zhì)主要測(cè)定指標(biāo)及方法[17]：土壤pH采用電位法，土壤懸浮液(質(zhì)量濃度為20%)攪動(dòng)30 min，用pH計(jì)(PHS-2F，LEICI，上海)測(cè)定；有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀加熱法；全氮含量采用凱氏定氮法；全磷含量采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法；有效磷含量采用HCl-NH4F法提取，鉬銻抗比色法和分光光度計(jì)(UV-2600，SHIMADZU，日本東京)測(cè)定；土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量在用 2 mol·L-1氯化鉀溶液浸提土壤后，采用全自動(dòng)間斷分析儀(SmartChem 200)測(cè)定。

土壤酶活性主要測(cè)定指標(biāo)及方法[18]：過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法；蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法；脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法；磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法。

土壤微生物量主要測(cè)定指標(biāo)及方法[18]：土壤微生物碳、氮和磷的測(cè)定采用氯仿熏蒸提取法。

2.3.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用EXCEL、SPSS 25.0軟件對(duì)土壤的基本理化性質(zhì)、碳氮磷含量、酶活性和微生物量等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 杉木間伐剩余物存留量對(duì)土壤碳氮磷全量的影響

不同間伐剩余物存留量對(duì)土壤有機(jī)碳及全量元素的影響不同(見表2)。在0～20 cm土層，R0處理下，土壤有機(jī)碳、全氮的含量分別為18.75、1.81 g·kg-1，其中R0處理下土壤有機(jī)碳含量比其他處理高出17.55%～48.34%，R2處理下土壤全磷含量最高并且顯著高于其他處理(P<0.05)，CK處理中各養(yǎng)分含量最低。在20～40 cm、40～60 cm土層中，R2處理土壤各養(yǎng)分含量均為最高，并且顯著高于其他處理，其中R0處理下土壤全氮含量最低，并且顯著低于CK。在不同間伐剩余物存留量處理下，土壤有機(jī)碳及全量元素含量均表現(xiàn)出隨土層深度增加而降低的趨勢(shì)。

表2 不同間伐剩余物存留量下土壤理化性質(zhì)Tab.2 Soil physicochemical properties under different thinning residue retention amountsg·kg-1土層指標(biāo)R0R1R2對(duì)照有機(jī)碳含量18.75±1.05 Aa13.32±0.93 Ac15.95±0.11 Ab12.64±0.41 Ac0～20 cm全氮含量1.81±0.12 Ca1.57±0.09 Ad1.76±0.05 Ab1.47±0.10 Bc全磷含量0.31±0.03 Ac0.33±0.03 Ab0.39±0.01 Aa0.30±0.02 Ac有機(jī)碳含量15.29±0.41 Bb12.90±0.31 Ab15.56±0.52 Aa10.89±0.61 Bc20～40 cm全氮含量1.24±0.07 Bc1.45±0.10 Bb1.65±0.05 Ba1.32±0.06 Ab全磷含量0.28±0.01 Bb0.30±0.01 Bab0.35±0.02 Ba0.26±0.01 Bb有機(jī)碳含量11.10±0.61 Cb10.30±0.51 Bb14.01±0.84 Ba9.04±1.03 Cb40～60 cm全氮含量1.06±0.07 Cd1.22±0.07 Cb1.49±0.06 Ca1.14±0.10 Cc全磷含量0.24±0.02 Cc0.28±0.01 Cb0.32±0.02 Ca0.25±0.03 Bc注: 小寫字母代表同一土層不同處理的顯著水平(P<0.05);大寫字母代表同一處理不同土層的顯著水平(P<0.01)。下同。

雙因素方差分析表明，土壤有機(jī)碳及全量元素含量對(duì)間伐剩余物存留量和土層因子的響應(yīng)存在差異(見表3)。間伐剩余物存留量對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮含量存在極顯著的影響(P<0.01)，對(duì)全磷含量表現(xiàn)出顯著影響(P<0.05)；土層因子對(duì)全氮含量表現(xiàn)出顯著影響(P<0.05)，對(duì)土壤有機(jī)碳和全磷含量表現(xiàn)出極顯著影響(P<0.01)。存留量×土層的交互作用對(duì)各養(yǎng)分均不存在顯著影響。

表3 不同間伐剩余物存留量對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的雙因素方差分析Tab.3 Bivariate analysis of soil chemical properties under different thinning residue retention源有機(jī)碳含量全氮含量全磷含量間伐剩余物存留量7.57**10.41**4.66*土層5.36**31.36*30.01**間伐剩余物存留量×土層2.87ns47.81ns1.28ns注:ns表示無顯著影響;*表示P<0.05;**表示P<0.01。

3.2 杉木間伐剩余物存留量對(duì)土壤氮磷有效養(yǎng)分的影響

根際土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷的含量隨著剩余物存留比例的下降呈先增加后減少的趨勢(shì)，不同處理之間均存在顯著差異(P<0.05，見表4)。各處理結(jié)果中，銨態(tài)氮含量的大小順序?yàn)椋篟1>R0>R2>CK，與CK相比，R1根際土壤中的銨態(tài)氮含量變化最大，增加了71.01%；硝態(tài)氮含量在各處理間的大小順序?yàn)椋篟1>R2>R0>CK，與CK相比，R1根際土壤中的硝態(tài)氮含量變化最大，增加了26.27%，間伐效果最佳；有效磷含量的大小順序?yàn)椋篟2>R1>R0>CK，與CK相比，R2處理下根際土壤中的有效磷含量變化最大，增加了41.30%。

表4 不同間伐剩余物存留量下土壤有效養(yǎng)分含量Tab.4 Effective nutrients of rhizosphere soils under dif-ferent thinning residue retention amountsmg·kg-1處理銨態(tài)氮含量硝態(tài)氮含量有效磷含量R09.44±0.76 b2.39±0.04 c7.57±0.2 bR114.69±0.37 a2.98±0.03 a9.18±0.30 bR29.03±0.20 b2.86±0.02 b9.99±0.20 aCK8.59±1.08 c2.36±0.03 c7.07±0.32 d 注:小寫字母代表不同處理的顯著水平,P<0.05。下同。

3.3 杉木間伐剩余物存留量對(duì)土壤酶活性的影響

根際土壤酶活性隨間伐剩余物存留量的差異呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，各處理間土壤酶活性表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05，見表5)。各處理中，土壤過氧化氫酶活性強(qiáng)弱為R0>CK>R1>R2，R0、R1、CK處理間無顯著差異，R2處理酶活性顯著低于其他處理；保留間伐剩余物能夠提高土壤蔗糖酶活性，相較于CK，R1、R2處理下蔗糖酶活性分別增加了105.83%和56.31%；而脲酶活性的變化與蔗糖酶相反，保留間伐剩余物后其酶活性表現(xiàn)出不同程度的下降，相較于CK，R0、R1、R2活性分別減少了6.11%、26.11%、26.11%；酸性磷酸酶活性的大小順序?yàn)镽1>R2=CK>R0，相比于CK，R1增加了50.00%，R0、R2處理間無顯著差異。

表5 不同間伐剩余物存的影響留量對(duì)土壤酶活性的影響Tab.5 Effects of different thinning residue retention amounts on enzyme activities in rhizosphere soil mg·g-1處理過氧化氫酶含量蔗糖酶含量脲酶含量酸性磷酸酶含量R00.77±0.01 a1.18±0.43 c1.69±0.25 b0.19±0.01 bR10.74±0.11 a2.12±0.23 a1.33±0.16 c0.30±0.01 aR20.65±0.01 b1.61±0.73 b1.33±0.31 c0.20±0.01 bCK0.76±0.14 a1.03±0.08 d1.80±0.36 a0.20±0.01 b

3.4 杉木間伐剩余物存留量對(duì)土壤微生物碳氮磷含量的影響

在各間伐剩余物存留量處理下土壤微生物碳、氮、磷的含量存在顯著差異(P<0.05，見表6)。相比于CK，各處理間的微生物碳、氮、磷含量均呈現(xiàn)顯著差異。微生物含碳量各處理間的大小為R0>R1>R2>CK，且在R0達(dá)到最大值，各處理間呈顯著差異；微生物氮含量呈增加的趨勢(shì)，且均高于CK，在R2處理下達(dá)到最大值，而R0和R1處理間無顯著差異，R0、R1與R2及CK處理間有顯著差異；微生物磷含量各處理間的大小為R2>CK>R1>R0，R2和CK處理間無顯著差異，R0和R1處理間無顯著差異。

表6 不同間伐剩余物存留量下土壤微生物碳、氮、磷含量Tab.6 Microbial carbon, nitrogen, and phosphorus in rhizosphere soil under different residual amounts of thinning residuesmg·kg-1指標(biāo)R0R1R2CK微生物碳含量17.85±0.01 a16.89±0.01 b15.92±0.02 c15.81±0.01 d微生物氮含量9.21±0.18 b9.32±0.26 b10.97±0.65 a7.20±0.37 c微生物磷含量61.73±1.74 b72.40±1.81 b101.60±0.86 a94.16±7.56 a

3.5 相關(guān)性分析

通過對(duì)土壤養(yǎng)分、酶活性及微生物量指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析可知(見表7)，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與蔗糖酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，微生物碳含量與有效磷呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，微生物生物量磷與銨態(tài)氮呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

表7 土壤養(yǎng)分含量、酶活性及微生物含量的相關(guān)性分析Tab.7 Correlation analysis of soil nutrients with enzyme activity and microbial biomass過氧化氫酶含量蔗糖酶含量脲酶含量酸性磷酸酶含量微生物碳含量微生物氮含量微生物磷含量有機(jī)碳含量-0.12-0.200.02-0.300.360.23-0.38全氮含量-0.22-0.01-0.12-0.200.070.36-0.42全磷含量0.310.02-0.12-0.25-0.270.28-0.11銨態(tài)氮含量0.130.57*-0.280.57-0.17-0.30-0.59*硝態(tài)氮含量-0.380.66*-0.470.41-0.56-0.08-0.28有效磷含量-0.560.46-0.400.01-0.58*0.20-0.01 注:*表示P<0.05。

4 結(jié)論與討論

4.1 杉木間伐剩余物存留量對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

在森林經(jīng)營過程中，采伐剩余物是土壤養(yǎng)分的重要輸入源之一，其經(jīng)由微生物活動(dòng)所釋放的養(yǎng)分元素會(huì)顯著提升林地土壤養(yǎng)分含量[19]。本研究中，不同采伐剩余物存留量對(duì)土壤有機(jī)碳及養(yǎng)分元素含量產(chǎn)生了顯著影響，保留1/2的采伐剩余物能夠更好地維持土壤有機(jī)碳、全氮的含量，而全部清除采伐剩余物會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量的下降。有研究表明，采伐剩余物能夠緩解環(huán)境和氣候因素如降雨、溫度等對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響，提高土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性，且采伐剩余物作為外源的有機(jī)質(zhì)輸入，會(huì)加速土壤養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)，從而提高土壤養(yǎng)分[19]。過度清除采伐剩余物會(huì)造成林地土壤裸露，降雨淋溶作用增大，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的流失。本研究中，清除部分采伐剩余物有利于深層土壤氮含量的提升，產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象可能是由于杉木采伐剩余物基質(zhì)質(zhì)量不高，在分解過程中需要吸收外界的氮素來加速分解作用，清除部分采伐剩余物可以減少分解過程中對(duì)氮素的需求，在維持土壤養(yǎng)分的同時(shí)保證分解作用的進(jìn)行。

本研究發(fā)現(xiàn)，保留間伐剩余物林地土壤銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)出顯著高于全部去除處理，銨態(tài)氮的變化幅度顯著高于硝態(tài)氮，原因可能是剩余物中氮素主要以無機(jī)氮的形式存在，杉木基質(zhì)質(zhì)量低分解，氮素釋放較為緩慢，僅通過淋洗作用回歸土壤中的無機(jī)氮較少，因此，各處理硝態(tài)氮變化幅度不大[20]，保留1/4剩余物處理下剩余物保留量在1407.98 kg·hm-2時(shí)，銨態(tài)氮含量顯著增高，原因可能是間伐剩余物提升了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化作用，加速了有機(jī)質(zhì)中氮素的釋放[21]。

保留間伐剩余物處理下林地土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮及有效磷的含量總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，可見采伐剩余物保留處理確能提高土壤有效養(yǎng)分含量。但有效磷含量在全部保留處理中下降幅度很大，原因是磷元素是亞熱帶土壤中的生長限制因子之一，在森林土壤中，磷元素的礦化作用是影響土壤磷含量的主要因素。對(duì)間伐剩余物的處理，為微生物提供了更為復(fù)雜的生境，改善了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，提高了生理活動(dòng)和對(duì)外界環(huán)境的養(yǎng)分需求，剩余物所提供的外源養(yǎng)分不足以支撐起生命活動(dòng)，從而導(dǎo)致了土壤磷的下降[22]。

4.2 杉木間伐剩余物存留量對(duì)土壤酶活性及微生物的影響

土壤酶是土壤生化過程的催化劑，是評(píng)價(jià)土壤肥力的主要指標(biāo)，是維持森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的關(guān)鍵，土壤酶活性反映了土壤生化反應(yīng)的強(qiáng)度[23]。在本研究中，不同處理間的土壤過氧化氫酶、脲酶、酸性磷酸酶活性均呈顯著差異(P<0.05)。根據(jù)王麗君等[24]的試驗(yàn)結(jié)果，土壤酶活性與土壤含水量、養(yǎng)分含量及微生物碳、氮、磷含量存在顯著的相關(guān)性，酶活性變化是多因子綜合作用的結(jié)果。試驗(yàn)中蔗糖酶、酸性磷酸酶活性隨剩余物比例的下降呈先增加后減少的趨勢(shì)，原因可能與溫度、植物生長吸收等因素有關(guān)，剩余物大量堆積和土壤裸露均不利于酶活性的增加，隨著剩余物的減少，酶的活性也不斷增加，在1 407.98～2 111.96 kg·hm-2呈現(xiàn)峰值。采伐剩余物可能是通過磷元素的累積抑制了酶的活性，Wang等[25]研究指出磷添加使酸性磷酸酶的絕對(duì)活性和比活性分別降低了37.23%和47.52%，符合這一猜測(cè)。土壤酶活性是土壤酶催化物質(zhì)轉(zhuǎn)化的能力，作為土壤的生物指標(biāo)，土壤酶活性能夠很好地指示土壤環(huán)境的細(xì)微變化。而酶活性又與土壤各成分含量以及林分混交度、樹種結(jié)構(gòu)、年齡、演替階段經(jīng)營模式等的關(guān)系十分密切。通過控制這些因素，如對(duì)林分實(shí)行氮添加、保留凋落物、保留采伐剩余物、調(diào)控混交林中某種樹種的比例、加強(qiáng)缺磷地區(qū)有效磷管理、營造林齡和演替階段高的林分等措施，調(diào)控好土壤中各種酶的活性，對(duì)營造更加健康、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益更高的林分有重大意義。土壤微生物含量是土壤質(zhì)量的直接反映。在本研究中，保留剩余物處理的根際土微生物氮、磷含量存在顯著差異，各處理微生物碳含量差異不顯著。吳波波等[26]研究表明，在表層土壤保留采伐剩余物，能提高微生物的活性，加速土壤與微生物的交互作用，從而提升土壤微生物含量，與本文的研究結(jié)果相一致。

綜上所述，保留間伐剩余物會(huì)顯著提高土壤的養(yǎng)分及微生物含量，將剩余物的保留量控制在1407.98 kg·hm-2時(shí)，各指標(biāo)表現(xiàn)最佳，其中土壤有效養(yǎng)分和微生物磷含量均有顯著提升。保留適當(dāng)間伐剩余物對(duì)土壤養(yǎng)分的維持具有一定效果，有利于可持續(xù)林業(yè)的發(fā)展。