趙蕊蕊 劉 勇 王 凱

（北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 北京 100083）

毛白楊（Populus tomentosa）分布地域廣泛，是我國(guó)北方速生豐產(chǎn)林建設(shè)的重要樹(shù)種。據(jù)第九次全國(guó)森林資源清查結(jié)果，我國(guó)楊樹(shù)人工林面積為757 萬(wàn)hm2，蓄積為5.46 億m3，占人工喬木林面積和蓄積的13%和16%，是人工栽培數(shù)量最多的闊葉樹(shù)種（國(guó)家林業(yè)和草原局，2019）。然而，長(zhǎng)期單作、連作和短輪伐等經(jīng)營(yíng)方式導(dǎo)致人工林出現(xiàn)了不同程度的地力衰退（王文波等，2016；楊承棟，2022），嚴(yán)重影響了林木生長(zhǎng)和森林立地可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。土壤有機(jī)質(zhì)具有降低土壤壓實(shí)和侵蝕、增強(qiáng)土壤持水能力和維持立地生產(chǎn)力等作用，是森林土壤養(yǎng)分循環(huán)和根系呼吸等土壤過(guò)程的重要樞紐，也是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo) （Jaroszewiczet al., 2021; Bhattacharyyaet al., 2022）。提高土壤有機(jī)質(zhì)是提高森林土壤健康和立地生產(chǎn)力的關(guān)鍵措施（Page-Dumroeseet al., 2021a；楊承棟，2016）。

生物炭是有機(jī)物質(zhì)在限氧、熱解條件下生成的一種難降解碳形式（Liet al., 2022），其在提高農(nóng)林業(yè)土壤有機(jī)質(zhì)含量、增加土壤碳固存以及提高作物產(chǎn)量等方面發(fā)揮巨大作用（Palviainenet al., 2020; Criscuoliet al., 2021; Yuet al., 2021）。研究表明，生物炭可以通過(guò)改善林地土壤理化（密度、水分特性、pH、有機(jī)質(zhì)含量和土壤肥力等）和生物學(xué)特性（微生物群落組成和結(jié)構(gòu)等）來(lái)減緩人工林地力衰退和維持人工林長(zhǎng)期生產(chǎn)力（殷丹陽(yáng)等，2016）。有機(jī)肥（廄肥、園林廢棄物等）因含有植物生長(zhǎng)需要的大量元素、密度小等特點(diǎn)常用于改善林地土壤結(jié)構(gòu)（胡文杰等，2021）。生物炭和有機(jī)肥在提高土壤有機(jī)質(zhì)含量（Liet al., 2018）、促進(jìn)團(tuán)聚體穩(wěn)定性（Aiet al., 2018）、增加養(yǎng)分保持率（Seyedsadret al., 2022）、調(diào) 節(jié) 土 壤pH（Wanget al.,2021）、增加土壤陽(yáng)離子交換能力和酶活性（Renet al.,2021a）以及通過(guò)改變微生物群落結(jié)構(gòu)來(lái)改善土壤功能（Lehmannet al., 2011）等方面的作用已經(jīng)得到充分研究。例如，生物炭和有機(jī)肥搭配施用能顯著提高毛白楊幼樹(shù)生長(zhǎng)季土壤氮礦化速率（王凱等，2022）、改變土壤養(yǎng)分（氮、磷和鉀）含量和酶活性（Zhaoet al.,2022）。然而，土壤理化性質(zhì)的改變是動(dòng)態(tài)過(guò)程，定期取樣監(jiān)測(cè)土壤性質(zhì)的研究往往受限于測(cè)定指標(biāo)與取樣時(shí)期，不足以反映土壤質(zhì)量的長(zhǎng)期綜合變化。另外，通過(guò)土壤改良劑或其他森林經(jīng)營(yíng)管理措施提高土壤質(zhì)量對(duì)制定合理的森林立地可持續(xù)經(jīng)營(yíng)政策至關(guān)重要，但“土壤質(zhì)量”仍是個(gè)模糊概念，無(wú)法得到直接和充分監(jiān)測(cè)（Janzenet al., 2021），需要更綜合性的指標(biāo)來(lái)評(píng)估森林經(jīng)營(yíng)管理效果。

林地地表和地下的木質(zhì)分解是陸地森林生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵土壤過(guò)程，分解過(guò)程中釋放的碳、氮、磷和鉀等元素是土壤微生物和植物的主要營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，對(duì)提高森林生產(chǎn)力至關(guān)重要 （Berget al., 2003; Martinset al., 2021; Gottschallet al., 2022）。此外，木質(zhì)分解速率是土壤非生物（溫度、濕度、團(tuán)聚體和養(yǎng)分有效性等）和生物（微生物生物量、多樣性和組成等）因素共同作用的結(jié)果（Middletonet al., 2021; Konget al., 2022），土壤性質(zhì)的改變能直接或間接引起微生物功能及分解速率的改變。因此，林地內(nèi)木質(zhì)分解速率可綜合反映土壤改良劑或其他森林管理措施對(duì)土壤質(zhì)量的影響 （Finéret al., 2016; Page-Dumroeseet al., 2021b; Wanget al., 2020）。

除土壤條件外，基質(zhì)質(zhì)量（碳、氮、木質(zhì)素含量、碳氮比和木質(zhì)素∶氮等）是影響特定氣候條件下有機(jī)物質(zhì)分解速率的另一重要因素（Viottiet al., 2021;Rischet al., 2022）。研究表明，碳氮比大于27～30∶1的基質(zhì)會(huì)抑制異養(yǎng)生物的定殖（Zimmermanet al.,1995; Kayeet al., 1997）；木質(zhì)素∶氮含量比值高的針葉樹(shù)種往往較落葉樹(shù)種分解緩慢 （Wanget al., 2020）。然而，土壤改良劑或其他森林管理措施也可以通過(guò)改變凋落物（葉、根系等）性質(zhì)間接影響其分解速率（Renet al., 2021b），這樣就使得很難區(qū)分有機(jī)物質(zhì)分解差異多大程度上源于土壤改良或其他森林管理措施引起的土壤質(zhì)量的改變。利用 “標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格”的不同質(zhì)量（碳、氮和木質(zhì)素含量等）木質(zhì)作為林地內(nèi)長(zhǎng)期分解材料可以保持基質(zhì)質(zhì)量恒定，探討森林管理實(shí)踐引起的土壤非生物和生物變化。例如，利用統(tǒng)一規(guī)格美洲山楊（Populus tremuloides）和火炬松（Pinus taeda）木條在林地表面和0～20 cm 土壤內(nèi)的分解，學(xué)者評(píng)價(jià)了皆伐（Finéret al., 2016）、不同恢復(fù)疏伐（Wanget al., 2019）及其他土地管理措施（Page-Dumroeseet al., 2021b）的效果。

目前，關(guān)于生物炭和有機(jī)肥如何影響人工林地木質(zhì)分解的研究較少。Qu 等（2022）利用挪威云杉（Picea abies）木塊在芬蘭南部歐洲赤松（Pinus sylvestris）林地表面進(jìn)行分解發(fā)現(xiàn)，生物炭改變了分解過(guò)程中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)而對(duì)木質(zhì)分解進(jìn)程無(wú)影響。土壤溫濕度是影響微生物定殖的重要因素，Qu 等（2022）的研究忽視了地下部分木質(zhì)分解進(jìn)程，以及單一樹(shù)種的木質(zhì)分解難以排除木棲真菌等微生物的偏好對(duì)分解的影響。利用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的毛白楊、美洲山楊和火炬松木條在毛白楊人工林內(nèi)進(jìn)行了短期（6 個(gè)月）分解，Zhao 等（2022）發(fā)現(xiàn)，生物炭和有機(jī)肥促進(jìn)了林地表面和土壤內(nèi)木條的分解并改變了分解過(guò)程中的養(yǎng)分（氮、磷和鉀）循環(huán)。但是，生物炭和有機(jī)肥是否會(huì)長(zhǎng)期影響木質(zhì)分解及其如何影響土壤養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)酶活性尚未可知?？紤]到生物炭和有機(jī)肥在長(zhǎng)期碳固存、改善土壤健康和應(yīng)對(duì)氣候變化等方面的潛在價(jià)值（Yanget al., 2021），這些研究對(duì)制定短輪伐期經(jīng)營(yíng)人工林土地管理政策至關(guān)重要。

本研究利用3 個(gè)不同樹(shù)種（毛白楊、美洲山楊和火炬松）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格木條在毛白楊人工林地內(nèi)進(jìn)行了近3 年的分解研究，并結(jié)合土壤養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)酶活性（酸性磷酸酶、纖維素酶、α-葡萄糖苷酶、β-葡糖苷酶、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶和芳基硫酸酯酶）變化，以期闡明生物炭和有機(jī)肥對(duì)森林土壤質(zhì)量提升的作用。該研究將為楊樹(shù)人工林林地可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。基于前人研究，提出2 個(gè)假設(shè)：生物炭和有機(jī)肥能促進(jìn)林地表面和土壤內(nèi)木質(zhì)分解；能提高土壤酶活性。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究區(qū)位于山東省冠縣國(guó)有毛白楊林場(chǎng)（36°31′21′ N, 115°21′37′′ E），海拔46 m，屬于半干旱大陸性氣候，研究期間月平均溫度和降水量見(jiàn)（Zhaoet al., 2023）。該研究區(qū)域0～20 cm 土壤為堿性（pH8.2）砂壤土（砂土∶粉土∶粘土比例為62.3%∶35.0%∶2.7%），全碳、氮、磷和鉀含量分別為11.00、2.23、 1.40 和8.34 mg·g-1（Zhaoet al., 2022）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主區(qū)為有機(jī)肥，設(shè)3個(gè)水平 （M：0、3、9 t·hm-2）分別用M0、M3、M9 表示；副區(qū)為生物炭，設(shè)3 個(gè)水平（B：0、2.5、10 t·hm-2）分別用B0、B2.5、B10 表示；共計(jì)9 個(gè)土 壤處理（M0B0、M0B2.5、 M0B10、 M3B0、 M3B2.5、 M3B10、 M9B0、M9B2.5、M9B10），重復(fù)3 次。每個(gè)土壤處理為24 m ×24 m 正方形，相鄰?fù)寥捞幚碇g設(shè)立8 m 寬緩沖帶。在林地內(nèi)將3 個(gè)樹(shù)種（毛白楊、美洲山楊、火炬松）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格木條按照2 種方式（水平放置于林地地表，垂直插入0～20 cm 土壤內(nèi)）放置在每個(gè)土壤處理中心，每個(gè)放置方式每樹(shù)種木條放置5 根。

1.3 試驗(yàn)材料

本研究使用的豬糞有機(jī)肥（河北潤(rùn)東肥業(yè)有限公司），含水量為24%、pH 為7.9、全氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量分別為14.64、19.52、26.84 和450.00 mg·g-1；玉米秸稈生物炭是在限氧、450～500 °C 條件下緩慢熱解2 h 制得（勤豐眾成生物質(zhì)新材料（南京）有限公司），其pH 為8.8，碳和氫含量分別為47.56%和2.80%，全氮、磷和鉀含量分別為10.70、1.60 和2.60 mg·g-1，碳氮比為44，比表面積為5.0 m2·g-1，空隙容量為6.9×10-3cm3·g-1，孔徑為5.60 nm（Zhaoet al., 2022）。

毛白楊木條制作過(guò)程參考劉勇等（2015）。首先，在當(dāng)?shù)剡x取胸徑約為40 cm，樹(shù)高約30 m ，樹(shù)干直挺，樹(shù)結(jié)少的毛白楊去皮，利用其邊材按照 2.5 cm × 2.5 cm ×40 cm （I 類(lèi)）和2.5 cm × 2.5 cm × 50 cm （Ⅱ類(lèi)）制作成木條。然后，將I 類(lèi)木條裁成A 段2.5 cm × 2.5 cm × 15 cm、B 段 2.5 cm × 2.5 cm × 10 cm 和C 段2.5 cm × 2.5 cm ×15 cm 3 部分， 分別釘標(biāo)簽做標(biāo)記。其中，B 段作為對(duì)照進(jìn)行初始性質(zhì)的測(cè)定，將所有A 段和C 段木條進(jìn)行稱重，作為表層分解材料。類(lèi)似地，將 Ⅱ 類(lèi)木條裁成D 段2.5 cm × 2.5 cm × 20 cm、 E 段2.5 cm × 2.5 cm ×10 cm 和F 段 2.5 cm × 2.5 cm × 20 cm 3 部分， 分別釘標(biāo)簽做標(biāo)記。其中，E 段作為對(duì)照部分進(jìn)行初始性質(zhì)的測(cè)定，將所有D 段和F 段木條一端涂抹木材填孔劑來(lái)減少埋放后水分的流失，然后稱重，作為土壤內(nèi)分解材料。

美洲山楊和火炬松標(biāo)準(zhǔn)木條由美國(guó)農(nóng)業(yè)部林務(wù)局落基山研究所提供，其制作方式、規(guī)格與毛白楊標(biāo)準(zhǔn)木條相同，詳見(jiàn)Jurgensen 等（2006）。毛白楊、美洲山楊和火炬松木條的初始碳含量分別為46.75%、46.40%和48.62%； 全 氮 含 量 分 別 為1.40、 1.10 和0.80 mg·g-1；碳氮比分別為354.64 、 421.81 和 631.65；美洲山楊和火炬松木條的木質(zhì)素含量分別為20.64%和31.09%，木質(zhì)素∶氮分別為189.50 和403.72 （Wanget al., 2018; Zhaoet al., 2022）。

1.4 試驗(yàn)布設(shè)

2018 年4 月，造林地整地后，將有機(jī)肥和生物炭按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)均勻撒施在林地表面，并利用旋耕機(jī)（1GQN- 200, 濰坊圣旋機(jī)械有限公司）翻入20 cm 土壤。隨后，將1 年生毛白楊（三倍體 ‘北林雄株1 號(hào)’[(P.alba×P.glandulosa) × (P.tomentosa×P.bolleana)]）苗木按照3 m × 4 m 株行距栽植。2019 年1 月，在M0B0、M0B10 和M9B10 處理10 cm 深處安裝Onset Hobo 溫度數(shù)據(jù)采集器和濕度傳感器（onset computer corporation，Bourne，馬薩諸塞州，美國(guó)）以2 h 的間隔監(jiān)測(cè)土壤溫濕度。

2018 年7 月，將每個(gè)樹(shù)種木條按照30 cm 間隔放置在林地表面，每個(gè)樹(shù)種5 根，并用不銹鋼景觀釘固定。在林地土壤內(nèi)，為防止土壤壓實(shí)，先用孔徑為2.5 cm×2.5 cm 取芯工具以30 cm 間隔鉆2.5 cm×2.5 cm×20 cm 孔，并將木條含填孔劑的一端朝上放入，與地面齊平 （劉勇等，2015）。本研究總計(jì)放置標(biāo)準(zhǔn)木條810根（3 個(gè)有機(jī)肥施用量 × 3 生物炭施用量 × 2 種木條放置方式 × 3 個(gè)樹(shù)種 × 3 次重復(fù) × 5 根/放置方式/樹(shù)種）。

1.5 土壤和木條樣品采集

2020 年7 月，使用直徑為35 mm 的土鉆在每個(gè)土壤處理隨機(jī)選取6 個(gè)點(diǎn)收集0～20 cm 土壤，過(guò)2 mm篩去除根系等雜物后放置冰上運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行細(xì)胞外酶分析；2020 年12 月（木條分解2.5 年后），將所有木條取出，移除附著物，記錄編號(hào)，立即稱取鮮質(zhì)量并運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室。

1.6 土壤酶活性、木條密度損失和含水量測(cè)定

土壤酸性磷酸酶、纖維素酶、α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、N-乙?；?β-D-葡萄糖苷酶和芳基硫酸酯酶活性采用微量法（關(guān)松蔭, 1986）利用微量法試劑盒測(cè)定（北京索萊寶科技有限公司）。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將所有木條放置在恒溫恒濕箱（20 ℃，65%相對(duì)濕度）中10 天后取出，量取其長(zhǎng)、寬和高計(jì)算體積，然后在105 °C 條件下干燥至恒質(zhì)量并稱重。木條的密度損失通過(guò)初始木條密度（g·cm-3）減去分解2.5 年后木條密度來(lái)計(jì)算，以百分比表示（Shorohovaet al., 2008；Clineet al., 2017），木條含水量（%）為水分含量占木條干質(zhì)量的百分比。

1.7 數(shù)據(jù)分析

使用R 4.1.1(Team 2021) 完成數(shù)據(jù)分析。采用單因素方差分析（ANOVA）比較了不同土壤處理（M0B0、M0B10 和M9B10）土壤溫度和水分差異；以有機(jī)肥和生物炭為自變量，單個(gè)土壤酶活性作為因變量建立2因素線性混合效應(yīng)模型（LME）研究生物炭和有機(jī)肥對(duì)土壤酶活性的作用。

對(duì)于木條，首先以有機(jī)肥、生物炭、木條放置方式和樹(shù)種為自變量，木條密度損失和含水量分別為因變量建立4 因素LME 模型。因木條放置方式、樹(shù)種及其二者交互作用為木條密度損失和含水量的主要方差來(lái)源（表1），故先采用Tukey 法對(duì)每個(gè)放置方式下不同樹(shù)種木條間的密度損失和含水量進(jìn)行事后檢驗(yàn)。再將數(shù)據(jù)按照放置方式和樹(shù)種分開(kāi)，以有機(jī)肥、生物炭為自變量建立2 因素LME 模型研究生物炭和有機(jī)肥對(duì)不同放置方式下各樹(shù)種木條分解和含水量的影響（表2）。

表1 木條分解2.5 年后密度損失和含水量變化4 因素方差分析①Tab.1 The four-factor ANOVA of wood stake density loss and moisture content after 2.5 years of decomposition

表2 有機(jī)肥、生物炭對(duì)土壤酶活性的主效應(yīng)和交互作用①Tab.2 The main effects and interactions of manure, and biochar on soil enzyme activities

所有LME 模型均使用lmerTest 包(Kuznetsovaet al., 2017)完成，當(dāng)給定因變量的F檢驗(yàn)在P≤ 0.05水平下顯著時(shí)，使用Emmeans 包(Lenthet al., 2022) 和Tukey-Kramerfa 法進(jìn)行事后檢驗(yàn)。所有2 因素LME模型中，當(dāng)生物炭和有機(jī)肥存在交互作用時(shí)只對(duì)不同處理組合間進(jìn)行比較，當(dāng)僅受生物炭或有機(jī)肥主效應(yīng)顯著影響時(shí)，只進(jìn)行主效應(yīng)分析。另外，利用皮爾遜相關(guān)分析研究了不同放置方式下各樹(shù)種木條密度損失與含水量之間的相關(guān)關(guān)系。采用Origin Pro 2022（OriginLab，馬薩諸塞州，美國(guó)）進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥和生物炭對(duì)土壤條件的影響

2.1.1 土壤溫濕度 因試驗(yàn)條件限制，本研究只對(duì)單一重復(fù)的未經(jīng)處理土壤（M0B0）、高生物炭（M0B10）和高有機(jī)肥和生物炭（M9B10）處理10 cm 深處土壤溫濕度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)（圖1）。研究期間，3 個(gè)土壤處理間土壤溫度無(wú)顯著差異（圖1A）。然而，相較于M0B0，M0B10 和M9B10 處理有提高土壤含水量的趨勢(shì)，該現(xiàn)象在雨季（6—8 月）尤為明顯（圖1B）。

圖1 不同有機(jī)肥和生物碳處理?xiàng)l件下土壤的月平均土壤溫度（A）和含水量（B）Fig.1 Monthly average soil temperature (A) and water content (B) under different organic fertilizer and biochar treatments

2.1.2 土壤碳和氮循環(huán)相關(guān)酶活性 生物炭和有機(jī)肥處理2 年后，土壤酸性磷酸酶只受有機(jī)肥主效應(yīng)的顯著影響（表2）。其中，9 t·hm-2有機(jī)肥條件下土壤酸性磷酸酶活性較不施用有機(jī)肥提高了12.01%（圖2A）。生物炭和有機(jī)肥對(duì)土壤纖維素酶、α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶和芳基硫酸酯酶活性存在顯著交互作用（表2）。其中，與M0B0 相比，單獨(dú)施用生物炭（M0B2.5 和M0B10）顯著降低了土壤纖維素酶活性（圖2B）；然而，M3B10、M9B0 和M9B2.5 處理?xiàng)l件下土壤α-葡萄糖苷酶分別較M0B0處理提高了29.21%、68.54%和40.45%（圖2C）；單獨(dú)施用生物炭或與有機(jī)肥搭配施用（M0B10、M3B2.5 和M9B2.5）提高了土壤β -葡萄糖苷酶活性，提高幅度分別為58.38%、76.76%和68.09%（圖2D）；對(duì)于N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶，低施用量的有機(jī)肥和生物炭（M3B2.5）及9 t·hm-2有 機(jī) 肥 處 理（M9B0、M9B2.5 和M9B10）條件下其活性較M0B0 處理提高了177.89%、198.03%、111.94%和92.79%（圖2E）；另外，所有生物炭和有機(jī)肥處理都提高了土壤芳基硫酸酯酶活性，提高幅度為62.84%～248.14%（圖2F）。

圖2 生物炭和有機(jī)肥處理2 年后不同處理?xiàng)l件下的土壤酶活性Fig.2 Soil enzyme activities in different treatments after two years of soil biochar and manure amendments

2.2 有機(jī)肥和生物炭對(duì)木條分解（密度損失）和含水量的影響

2.2.1 木條密度損失 在林地表面分解2.5 年后，2 種楊樹(shù)類(lèi)木條分解較火炬松快，但毛白楊和美洲山楊間無(wú)顯著差異（圖3A）。方差分析結(jié)果表明，林地表面3種木條的密度損失均受有機(jī)肥和生物炭交互作用的影響（表3）。其中，與未經(jīng)處理的M0B0 相比，單獨(dú)施用 生 物 炭（M0B10）、施 用3 t·hm-2有 機(jī) 肥（M3B0、M3B2.5、M3B10）以及M9B2.5 處理顯著促進(jìn)了毛白楊木條的分解；另外，除M9B0 和M9B10 外，所有土壤處理顯著提高了美洲山楊木條的分解，而M3B0 和M9B2.5 處理?xiàng)l件下火炬松木條的密度損失顯著高于M0B0（圖3C）。

圖3 表面和土壤內(nèi)木條密度損失（A）；不同土壤處理?xiàng)l件下土壤內(nèi)（B）和表面（C）各樹(shù)種木條密度損失Fig.3 The density loss of surface and mineral stakes with all soil treatments combined (A); mineral (B), and surface (C) stake density loss of each species under different soil treatments

表3 有機(jī)肥、生物炭對(duì)不同放置方式、不同樹(shù)種木條密度損失和含水量的主效應(yīng)和交互作用①Tab.3 The main effects and interactions of manure and biochar on the density loss and moisture content of wood stakes of different locations and wood species

在林地土壤內(nèi)，木條分解呈現(xiàn)美洲山楊＞毛白楊＞火炬松的順序（圖3A）。其中，有機(jī)肥和生物炭對(duì)毛白楊和火炬松木條密度損失存在顯著交互作用，而美洲山楊木條的分解不受生物炭和有機(jī)肥處理影響（表3）。與M0B0 相比，M3B0 處理顯著促進(jìn)了毛白楊木條的分解，而M9B0 反之；另外，除M3B2.5、M3B10和 M9B10 外，所有土壤處理顯著提高了火炬松木條的分解（圖3B）。

2.2.2 木條含水量 林地表面木條含水量可以反映取樣時(shí)林地地表的水分狀況。本研究結(jié)果表明，不同樹(shù)種間木條含水量差異顯著，呈現(xiàn)火炬松＞美洲山楊＞毛白楊的順序（圖4A）。與密度損失類(lèi)似，有機(jī)肥和生物炭對(duì)3 個(gè)樹(shù)種木條含水量存在顯著交互作用（表3）。其中，與未經(jīng)處理的M0B0 相比，M3B2.5 處理顯著提高了毛白楊和美洲山楊木條含水量；火炬松木條含水量在M3B2.5 處理?xiàng)l件下最高，但與M0B0 相比無(wú)顯著差異（圖4C）。皮爾遜相關(guān)性分析結(jié)果表明，表面毛白楊（r=0.32，P=0.001）和美洲山楊（r=0.43，P＜0.001）木條含水量與密度損失存在顯著正相關(guān)關(guān)系，而火炬松木條含水量與密度損失無(wú)顯著相關(guān)性（r= -0.11，P＞0.05）。

圖4 表面和土壤內(nèi)木條含水量（A）；不同土壤處理?xiàng)l件下土壤內(nèi)（B）和表層（C）木條含水量Fig.4 Surface and mineral stake moisture content under all soil treatments ( A ); mineral ( B ), and surface ( C ) stake moisture content under different soil treatments

在林地土壤內(nèi)，木條含水量仍呈現(xiàn)火炬松＞美洲山楊＞毛白楊的順序，但毛白楊和美洲山楊木條含水量無(wú)顯著差異（圖4A）。方差分析結(jié)果表明，毛白楊和美洲山楊木條含水量受土壤有機(jī)肥和生物炭顯著交互作用影響，而火炬松木條含水量受土壤處理影響不顯著（表3）。其中，相較于M0B0，M3B2.5 處理顯著降低了毛白楊木條含水量；而M3B0 處理顯著提高了美洲山楊木條含水量（圖4B）。皮爾遜相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤內(nèi)毛白楊木條含水量與密度損失呈顯著 正 相 關(guān)（r=0.40，P＜0.001），而 美 洲 山 楊（r=-0.22，P＜0.05）和火炬松（r=-0.28，P＜0.01）木條含水量與密度損失呈顯著負(fù)相關(guān)。

3 討論

生物炭和有機(jī)肥等土壤改良劑可以通過(guò)改善土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)影響木質(zhì)分解進(jìn)程（Pingreeet al., 2022）。其中，微生物群落及其產(chǎn)生的胞外酶是許多土壤過(guò)程（有機(jī)質(zhì)分解，養(yǎng)分循環(huán)等）的主要調(diào)節(jié)器，可反映生物炭等土壤添加劑對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程的潛在長(zhǎng)期影響（Elzobairet al., 2016）。本研究中，土壤處理2 年后，生物炭和有機(jī)肥顯著提高了土壤養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)酶（酸性磷酸酶、α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶和芳基硫酸酯酶）活性（圖2），說(shuō)明生物炭和有機(jī)肥具有長(zhǎng)期提高人工林地土壤微生物活性的潛力。在林地土壤內(nèi)，生物炭和有機(jī)肥處理促進(jìn)了毛白楊和火炬松木條的分解（圖3B）并提高了土壤含水量（圖1）。與Zhang 等（2021）研究一致，生物炭等土壤添加劑可以通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)（尤其干旱、半干旱地區(qū)的粗質(zhì)土壤）來(lái)提高土壤持水能力。本研究中，土壤處理顯著提高了土壤內(nèi)毛白楊和火炬松木條分解（圖3B），但僅有M3B0 處理顯著提高了火炬松木條含水量（圖4B）；同時(shí)，毛白楊木條密度損失和其含水量呈正相關(guān)，而美洲山楊和火炬松木條密度損失和含水量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。以上結(jié)果結(jié)合土壤養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)酶活性的提高（圖2），可以推斷本研究中土壤含水量可能不是制約土壤內(nèi)木條分解的主要因素，生物炭和有機(jī)肥可能通過(guò)改變土壤微生物結(jié)構(gòu)等加速了土壤內(nèi)毛白楊和火炬松木條的分解。

在林地表面，生物炭和有機(jī)肥處理顯著提高了3個(gè)樹(shù)種木條分解（圖3C）以及毛白楊和美洲山楊木條的含水量（圖4C）。另外，結(jié)合林地表面毛白楊和美洲山楊木條密度損失和含水量的正相關(guān)關(guān)系（r分別為0.32 和0.43）和研究期間提高的土壤含水量（圖1B），這表明本研究中生物炭和有機(jī)肥處理主要通過(guò)提高林地表面的含水量加速了木質(zhì)分解進(jìn)程（Adamset al.,2021; Page-Dumroeseet al., 2021b）。與前人（Lentzet al., 2019；Somervilleet al., 2020）的研究一致，生物炭和有機(jī)肥等土壤改良劑可以通過(guò)改變土壤的非生物特性來(lái)影響地下微生物的活性和隨后的有機(jī)質(zhì)分解。

在北半球，木條分解主要受當(dāng)?shù)貧夂驐l件下土壤溫濕度的影響（Adamset al., 2021），土壤水分過(guò)低會(huì)限制真菌的定殖，但水分含量過(guò)高也會(huì)因?yàn)槿毖?，限制微生物呼吸或抑制菌絲生長(zhǎng)進(jìn)而限制木質(zhì)分解（Jaroszewiczet al., 2021）。在本研究中，土壤內(nèi)木條較林地表面木條分解更快，這可能跟土壤內(nèi)更適宜的溫濕度有關(guān)（Wanget al., 2019; Bradfordet al., 2021）。另外，較大的日溫濕度波動(dòng)也可能是限制真菌在林地表面木條定殖的重要原因（Zhonget al., 2017； Wanget al., 2020）。此外，研究表明，落葉樹(shù)種木質(zhì)素含量、木質(zhì)素∶氮和碳∶氮比值較針葉樹(shù)種低，因此更容易受到腐生營(yíng)養(yǎng)型真菌的定殖（Huet al., 2018；Perezet al.,2021）。本研究中木條分解表現(xiàn)為2 種楊樹(shù)樹(shù)種＞火炬松。同時(shí)，楊樹(shù)樹(shù)種木條較高的孔隙率和較低的密度可能也是引起本研究中不同樹(shù)種間分解差異的重要原因（Russellet al., 2015；Chaet al., 2017）。

4 結(jié)論

生物炭和有機(jī)肥可以用作改善土壤理化性質(zhì)和微生物活性。本研究結(jié)果表明，生物炭和有機(jī)肥提高了土壤含水量和酶活性并促進(jìn)了林地表面和土壤內(nèi)木質(zhì)分解。其中，林地表面木質(zhì)分解的變化主要與含水量有關(guān)，而土壤處理可能通過(guò)提高微生物活動(dòng)和酶活性加速了林地土壤內(nèi)木質(zhì)分解。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的木質(zhì)分解能靈敏反映土壤質(zhì)量變化，然而，為了發(fā)揮生物炭和有機(jī)肥在提高林業(yè)土壤質(zhì)量和緩解氣候變化方面的作用并制定相應(yīng)的林業(yè)土壤管理措施，需要進(jìn)行更多的長(zhǎng)期大田試驗(yàn)研究并闡明木條分解進(jìn)程中其養(yǎng)分循環(huán)、真菌群落組成變化和土壤性質(zhì)之間的關(guān)系。