红锥4种林型土壤理化性质及微生物量差异分析

唐靓茹，刘雄盛，蒋 燚，刘乐嘉，魏国余，王 勇

（1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004；2.广西壮族自治区林业科学研究院 森林经营研究所，广西 南宁 530002；3.广西壮族自治区国有高峰林场，广西 南宁 530001）

土壤是植物赖以生存的基础。土壤理化性质集中体现了土壤的水、肥、气、热状况，是土壤理论和土壤肥力研究的基础，研究土壤的物理、化学性质可掌握土壤环境的状况[1]。土壤微生物生物量是土壤活性养分的储存库，不仅能调节陆地生态系统内碳氮循环，而且对土壤养分的转化和植物养分的供应起关键作用，是评价土壤肥力的重要依据[2]。充分了解人工林生长发育发展过程中土壤理化性质和微生物生物量的动态变化及其影响因子，对合理经营和培育人工林具有重要意义[3-4]。

红锥Castanopsis hystrix是南亚热带地区重要的乡土珍贵阔叶树种，其材质优良，木材坚硬耐腐，色泽纹理美观，现已成为南亚热带地区替代杉木Cunninghamia lanceolata、马尾松Pinus massoniana针叶人工纯林以及桉树Eucalyptus人工纯林较为理想的树种之一[5]。相关研究表明，混交林可增加林地内物种多样性，改善林地养分状况，促进林地内各营养元素的积累、分配以及循环，加快林内生态系统的物质循环和能量流动，进而提高林分结构的稳定性，改善林分的生态环境[6-7]。目前，对红锥人工林林地土壤的研究主要集中在对其纯林碳贮量[8]、土壤呼吸[9]、幼林土壤理化性质[10]等方面，对其混交林土壤的研究，则只有红锥+杉木混交林碳贮量[11]和红锥+马尾松混交林土壤理化性质[12]的研究，对于红锥纯林和混交林的土壤微生物生物量的研究未见报道。因此，本研究选取南亚热带地区3 种典型红锥混交林（红锥+湿地松、红锥+米老排、红锥+火力楠）和纯林为研究对象，探讨红锥纯林、红锥针阔混交林以及红锥阔叶混交林间土壤物理特性及微生物生物量的差异，以期揭示红锥不同林型对土壤养分的影响规律，为红锥人工林合理经营和可持续发展提供科学依据。

1 研究地概况

研究区为广西国有高峰林场界牌分场，地处南宁市兴宁区，坐标为108°07′～109°21′E，22°50′～23°33′N，地貌为低丘陵山地地带，平均海拔为200～500 m，年平均气温为20.8～21.9 ℃，全年雨水充沛，年降水量在1 300～1 600 mm之间，其中4—9月的降水量占全年平均降水量的80%以上。年平均蒸发量在1 300～1 600 mm 之间，年均相对湿度为81%。日照充沛，年日照总时数为 1 500～1 700 h，是典型的南亚热带季风湿润气候。本研究试验样地选择立地条件基本一致的15年生红锥纯林、红锥+湿地松混交林、红锥+火力楠混交林、红锥+米老排混交林4 种林型为研究对象，样地的基本情况见表1。

表1 不同种植模式人工林样地的基本概况Table 1 Basic situation of plantation plots in different cropping patterns

林下灌木主要有红锥Castanopsis hicklii、厚壳树Ehretia thyrsiflora、杜茎山Maesa parvifolia、三叉苦Evodia lepta、蕈树Altingia chinensis、鹅掌柴Schefflera octophylla等；林下草本主要有草珊瑚Sarcandra glabra、半边旗Pteris dissitifolia、玉叶金花Mussaenda pubescens等。

2 研究方法

2.1 样品采集

2018年9月，4 种林型中分别随机选择3 个重复的20 m×20 m 样地，共计12 个样地，在每个样地随机挖取土壤剖面3 个作为重复，按照0～20、20～40、40～60 cm 分层分别采集土样，带回实验室测定，12 个样地共36 个样品。另外在土壤剖面中分层打入环刀采集土样，同时对样地进行群落调查。样品采回后，将采集的土样分成 2 份，一份新鲜土样去杂后，过2 mm 的钢筛后进行有机碳微生物生物量碳和微生物生物量氮的测定；另一份自然风干、去杂、过筛后进行土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、pH 值、容重（ρb）、含水率（θg）等其他指标的测定。

2.2 样品的测定

土壤微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）采用氯仿熏蒸浸提法[13]，称取过 2 mm 筛的土样（10.000 g/份）4 份, 置于含有氯仿的真空干燥器中，在25 ℃ 的恒温培养箱里培养24 h。在氯仿熏蒸和无氯仿熏蒸的土样中加入 40 mL 0.5 mol/L K2SO4溶液，300 r/min 震荡 30 min，过滤，滤液使用德国耶拿TOC Multi N/C 3100 总碳-总氮分析仪进行测定。土壤有机碳和全氮含量的测定采用干烧法；全磷含量的测定采用钼锑抗比色法；土壤pH 值的测定采用玻璃电极法；土壤容重的测定用原状干土的质量除以采样用的环刀体积；土壤含水率的测定采用烘干法[14]。

2.3 数据处理

用Excel 2016 进行常规数据的统计以及作图。用SPSS19.0 对不同林型各土层土壤理化性质和土壤微生物生物量指标进行方差分析和多重比较（采用邓肯氏新复极差法），并用SPSS19.0 对土壤理化性质和微生物生物量各指标间进行Pearson 相关分析。以上统计分析显著性水平均设定为α=0.05。

3 结果与分析

3.1 红锥4 种林型各土层土壤理化性质的差异

红锥4 种林型各土层土壤理化性质见表2。由表2可知，红锥纯林不同土层间土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）和土壤容重（ρb）差异极显著（P＜0.01），土壤含水率（θg）和pH 值差异显著（P＜0.05）；红锥+湿地松混交林不同土层间SOC、TN、ρb 差异极显著，θg 差异显著，TP 和pH 值差异不显著（P＞0.05）；红锥+米老排混交林不同土层间SOC、TN、ρb 差异极显著，TP 和θg 差异显著，pH 值差异不显著；红锥+火力楠混交林不同土层间SOC、TP、θg、pH 值、ρb差异极显著，TN 差异显著。随着土层深度的增加，4 种林型SOC、TN、TP、θg 均表现为逐渐降低，ρb 表现为逐渐增大。

表2 红锥4 种林型各土层的土壤理化性质†Table 2 Soil physical and chemical properties of the various soil layers in four kinds of forest types of C.hystrix

0～20 cm 土层4 种林型间SOC、TN、TP、pH 值差异极显著，ρb 差异显著，θg 差异不显著；20～40 cm 土层4 种林型间SOC、TN、TP、ρb差异极显著，θg 差异显著，pH 值差异不显著；40～60 cm 土层4 种林型间SOC、TN、TP、pH值、ρb 差异极显著，θg 差异显著。总体而言，0～60 cm 土层4 种林型间SOC、TN、TP、θg、pH 值、ρb 均差异极显著，其中红锥+米老排混交林土壤SOC、TN、TP、θg 均最大，pH 值和ρb 最小，红锥纯林土壤SOC、TN、TP 均最小，pH 值和ρb 最大。

3.2 红锥4 种林型各土层土壤微生物生物量的差异

红锥4 种林型各土层土壤微生物生物量差异见图1。由图1可知，红锥纯林不同土层间土壤微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）、微生物生物量碳氮比（MBC/MBN）差异极显著 （P＜0.01）。红锥+湿地松和红锥+米老排混交林不同土层间MBC、MBN 均差异极显著，MBC/MBN 差异不显著。红锥+ 火力楠混交林不同土层间MBC、MBN 均差异极显著，MBC/MBN 差异显著。随着土层深度的增加，4 种林型MBC、MBN 均表现为逐渐降低。

0～20 cm 土层4 种林型间MBN、MBC/MBN 差异极显著，MBC 差异不显著；20～40 cm 和40～60 cm 土层4 种林型间MBC 均差异极显著，MBN、MBC/MBN 均差异不显著；0～60 cm土层4种林型间MBC和MBN均差异极显著，MBC/MBN 差异不显著，红锥+米老排混交林土壤MBC 和MBN 均最大，红锥纯林土壤MBC 和MBN 均最小。

图1 红锥4 种林型各土层的土壤微生物的生物量Fig.1 Soil microbial biomass of the various soil layers in four kinds of forest types of C.hystrix

3.3 红锥4 种林型土壤理化性质及微生物量的相关性分析

对红锥4 种林型0～60 cm 土层土壤理化性质和微生物生物量相关性分析（表3）表明，土壤微生物生物量碳（MBC）与土壤有机碳（SOC）呈极显著正相关，与全磷（TP）呈显著正相关，与土壤容重（ρb）呈显著负相关；土壤微生物生物量氮（MBN）与土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）呈显著正相关，与pH 值、土壤容重（ρb）呈显著负相关。

土壤有机碳（SOC）与全磷（TP）呈极显著正相关，与土壤容重（ρb）呈极显著负相关；土壤全氮（TN）与全磷（TP）呈显著正相关，与土壤容重（ρb）呈显著负相关；土壤全磷（TP）与土壤容重（ρb）呈极显著负相关。

表3 红锥4 种林型土壤指标间相关性分析†Table 3 Correlation between soil indexes in four kinds of forest types of C.hystrix

4 结论与讨论

森林类型不同，地表凋落物储量和构成、凋落物分解速率、林木根系生长发育、环境因子等均不同，致使土壤物理性质和微生物生物量存在一定差异[15-16]。本研究对红锥纯林、红锥+湿地松混交林、红锥+米老排混交林、红锥+火力楠混交林4 种林型土壤理化性质和微生物生物量的研究结论如下：

1）红锥混交林土壤有机碳、全氮含量、全磷含量和土壤微生物生物量碳、氮含量显著高于红锥纯林，且土壤容重小于纯林，说明相对红锥纯林而言，红锥混交林能够有效提高土壤养分，改善土壤质地。这与秦娟等[1]对马尾松+枫香混交林土壤理化性质和土壤养分的研究结果和董敏慧等[17]对松树+樟树混交林、纯林土壤微生物量碳、氮及多样性特征的研究结果相似。这可能是因为混交林林下植被多样性丰富，为林地带入了更多的凋落物和更为庞大的根系，庞大的根系能够疏松土壤，改善土壤颗粒结构，加快凋落物分解速率，从而促进碳、氮、磷等营养元素的积累，不仅改善了土壤养分，还为土壤微生物的繁殖和生长提供了养分，且混合树种的混合分泌物也可为土壤微生物提供能源，进一步促进土壤微生物的繁殖、生长[17-18]。

2）4 种林型间土壤pH 值、含水率、土壤容重均差异显著，其中红锥+米老排混交林土壤含水率显著高于其它林型，而pH 值、土壤容重均显著小于其它林型。这可能是因为在混交林地引入了阔叶树种米老排，增加了物种的多样性，而米老排虽然为常绿阔叶树，但在秋季仍有大量老叶和枯枝掉落于林地，形成大量凋落物，分解良好，可有效降低林地土壤坚实度，改善土壤孔隙状况，增加土壤持水力[19-20]。红锥+米老排混交林pH 值显著小于其它林型可能是由林地凋落物分解以及米老排根系分泌物所致，具体原因有待进一步研究。

3）混交林中红锥+米老排和红锥+火力楠阔叶混交林土壤有机碳、全氮含量、全磷含量和土壤微生物生物量碳、氮含量显著高于红锥+火力楠针阔混交林，说明红锥阔叶混交林较红锥针阔混交林更能改善土壤地质，可能是因为针叶质地粗硬, 纤维素含量高, 表皮富被蜡质层，透水性能差，导致其凋落物分解慢，影响了有机质在土壤中的积累[1]。

4）4 种红锥林型土壤有机碳、全氮含量、全磷含量、含水率以及土壤微生物生物量碳、氮含量随土层深度的增加而逐渐降低，表现出“表聚性”的特征。这是由于植物的根系主要分布于土壤表层，且表层土壤离凋落物和腐殖质层近，温度、水分等环境因素有利于凋落物分解释放大量的营养元素，致使表层土壤有机质积累较多，且促进微生物繁殖生长。随着土壤深度的增加，植物根系分布也随之减少，养分来源减少，故而表现出土壤养分和微生物生物量递减的趋势[12,21]。

5）红锥4 种林型土壤微生物生物量碳与土壤有机碳、全磷含量呈显著正相关，土壤微生物生物量氮与土壤有机碳、全氮含量、全磷含量呈显著正相关，土壤有机碳、全氮含量、全磷含量与土壤容重呈显著负相关，说明土壤容重越大，土壤越紧实，土壤通气性越差，越不利于凋落物的分解和转化，导致土壤养分降低，进而导致土壤内微生物自身合成与代谢的能量减少，土壤微生物生物量碳、氮含量减少[22]。这体现了红锥混交林良好的土壤养分循环累积机制。

综上所述，红锥混交林能够有效提高土壤养分，改善土壤质地，且红锥阔叶混交林较红锥针阔混交林的效果更佳。但由于研究区域和地形条件的限制，本研究缺少红锥+落叶阔叶混交林的样地，缺乏红锥+落叶阔叶混交林土壤养分与红锥纯林、红锥针阔混交林以及红锥常绿阔叶混交林土壤养分对比。同时，本研究只比较了红锥不同林型间土壤养分的差异，对于引起土壤养分差异的主要影响因素和影响机制并没有研究。因此，为了能够更全面地了解、评估红锥人工林土壤养分状况，对不同模式红锥人工林土壤养分主要影响因素和影响机制有待进一步研究。