不同造林模式对渭北黄土高原林地土壤及土壤微生物化学计量的影响

王 飞，吴胜义

(1.国家林业和草原局西北调查规划设计院；2.旱区生态水文与灾害防治国家林业局重点实验室，西安 710048)

退耕还林是减缓土壤退化、防止水土流失以及恢复受干扰生境的有效技术手段，对改善黄土高原生态脆弱区生态环境质量具有重要意义[1-3]。刺槐、侧柏和油松因其对干旱贫瘠环境的广泛适应性，在黄土高原区广泛种植，成为该区域植被恢复和水土流失防治的主要造林树种[4-5]。人工林生态系统的建立与发展，在改变当地景观类型与群落结构的同时，对当地生态系统平衡与稳定带来挑战。土壤微生物作为生态系统的分解者，在生态系统物质循环和植被演替过程中扮演重要角色，是生态系统地上和地下部分的联系纽带，被作为评估生态系统状态的重要指标[6-8]。尽管土壤微生物量碳、氮和磷含量仅占土壤养分含量的极少一部分，但在土壤碳、氮和磷循环中扮演关键角色。土壤与土壤微生物化学计量间的平衡关系，对认识森林生态系统养分循环具有重要意义[9]。因此，人工林生态系统的结构、组成和稳定性及其对土壤和土壤微生物的影响成为学界研究热点，而作为衡量生态系统养分平衡重要指标的化学计量特征受到国内外学者的广泛关注。

生态化学计量通过对生态系统各组分碳、氮、磷等营养元素间平衡关系进行研究，以此探究生态系统生产力、养分循环、种群动态、群落演替和稳定性等问题[10]。土壤作为物质和能量交换的重要场所是陆地生态系统的基础，不仅为植物提供了生存必需的营养和水分，也为土壤动物和微生物提供了赖以生存的生境条件。土壤化学计量能够反映土壤营养元素间的平衡，是衡量土壤肥力和生态系统稳定的重要指标，对认识土壤养分循环和平衡机制具有重要意义。为此，我们以黄土高塬沟壑区刺槐、油松、侧柏纯林及两两混交形成的混交林表层土壤为研究对象，通过分析土壤和土壤微生物碳、氮、磷含量及化学计量特征，探究不同造林模式(纯林和混交林)对土壤化学计量的影响，以期为该地区植被建设提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验区位于陕西省永寿县槐坪林场(108°05′～108°10′E, 34°47′～34°51′N)，该区域为暖温带半干旱半湿润大陆性季风气候区，年均气温10.8 ℃，年均降水量605 mm。海拔1 123 m～1 464 m，地带性植被为落叶阔木林。

1.2 土壤采集及分析

2017年8月在研究区内选择立地类型一致的农田、刺槐、侧柏、油松、刺槐+侧柏、刺槐+油松和侧柏+油松人工林，每种林型选择3个20 m×20 m样地。不同林型间距超过1 km，相同林分不同样地间距离大于50 m。人工纯林和混交林在造林之前均为农田，造林后除轻微抚育外，不进行其它措施管护。

表1 不同植被类型样地概况

土样采集时，先在每样地内沿“S”型曲线随机选取9个样点，去除表层枯落物层后用土钻钻取表层(0～20 cm)土壤，9份土壤混合成一份土壤样品，并置于4 ℃ 采集箱中带回。去掉土壤样品中的石子、植物组织等杂物后，过2 mm筛后一部分样品在阴凉处风干用于测定土壤有机碳、氮和磷组分。另一部分土壤样品(鲜样)经过氯仿熏蒸、硫酸钾浸提后，一部分借助Elementar Liqui TOC Ⅱ analyzer (Elementar Analysensysteme GmBH, Hanau, Germany)平台进行土壤微生物量碳测定；另一部分使用全自动凯氏定氮仪(Foss Kjeltec 8400 analyzer unit, Foss Tecator AB; Hoganas, Sweden)进行土壤微生物量氮测定。土壤微生物量磷使用碳酸钠浸提-钼锑抗比色法测定[7]。

1.3 数据统计分析

数据使用R software V.3.5.3软件进行单因素方差分析(最小显著差异法进行比较)、相关性分析(Pearson相关系数法)和绘图。其中土壤和微生物量化学计量图使用“ggplot2”包绘制，相关性图使用“corrplot”包绘制。

2 结果与分析

2.1 不同造林模式土壤化学计量的影响

从表2和表3看出，农田和不同林型土壤有机碳(TOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量，碳氮比(SC∶N)、碳磷比(SC∶P)和氮磷比(SN∶P)差异显著，除侧柏+油松混交林之外，在农田基础上营造人工纯林和混交林显著提高了土壤有机碳含量，其最高值出现在刺槐人工林中而最低值出现在侧柏+油松混交林土壤中；人工纯林土壤有机碳含量整体上高于混交林土壤。土壤全氮含量在人工林土壤中显著高于农田土壤，表明两种造林措施均显著提高了土壤氮含量。与农田土壤相比，营造人工纯林显著提高了土壤全磷含量，而营造混交林降低了土壤磷含量。

表2 纯林与混交林土壤和土壤微生物碳、氮、磷含量

土壤C∶N在农田和除侧柏+油松混交林之外的人工林土壤中差异并不显著，表现出相对稳定性，而侧柏+油松混交造林显著降低了SC∶N。纯林和混交林两种造林模式均提高了土壤C∶P值，最高值和最低值分别出现在刺槐林和油松林土壤。同样，两种造林模式均提高了土壤N∶P值，其最大值和最小值分别出现在侧柏+油松混交林和油松林土壤中(表3)。

表3 不同不同造林模式土壤及土壤微生物化学计量特征

2.2 不同植被类型土壤微生物量化学计量特征

表3显示，农田和不同林型土壤微生物量碳、氮、磷含量及其化学计量特征(MC∶N、MC∶P和MN∶P)差异显著，与农田土壤相比，营造人工纯林显著提高了土壤微生物量碳含量，而营造混交林对土壤微生物量碳的影响存在不确定性；土壤微生物量最大值出现在侧柏林土壤中，而最小值出现在侧柏+油松混交林土壤中，与微生物量碳不同，微生物量氮在混交林中显著高于农田土壤，最高值出现在刺槐+侧柏混交林土壤，而最低值出现在油松土壤中。土壤微生物量磷表现出与微生物量碳相反的变化特征，即营造人工纯林降低了其含量，其最大值出现在刺槐+侧柏混交林土壤中，而最低值出现在油松林土壤中。土壤微生物C∶N和C∶P表现出相似的变化趋势，营造人工纯林显著提高了其比值且最低值均出现在刺槐+侧柏混交林中；土壤微生物N:P值在两种造林模式土壤中均高于农田土壤。

2.3 土壤与土壤微生物化学计量相关性分析

土壤与土壤微生物量碳、氮和磷含量的比值反映了微生物在土壤养分组成中所占比例，其值越高，其所占比例越低。从表3看出，土壤微生物量碳在人工纯林和混交林土壤中差异显著，其变异程度显著受树种特性的影响，表现为土壤微生物量碳在土壤有机碳中所占比例在针叶林(侧柏和油松)中高于阔叶林(刺槐)。土壤微生物量氮在全氮中所占比例最大值出现在刺槐+侧柏混交林中；土壤微生物量磷在全磷中所占比例的最大值同样出现在刺槐+侧柏混交林中，且其值在混交林土壤中高于人工林土壤。

图1显示，土壤微生物碳、氮含量及MN∶P均与土壤有机碳、全氮、SC∶P和SN∶P显著正相关；土壤全磷与微生物量氮呈现显著负相关，而与MC∶N显著正相关；以上结果表明土壤营养元素与土壤微生物间存在平衡关系。MC∶P与SC∶P呈现显著正相关；MN∶P与SC:P和SN∶P均显著正相关；该结果表明，土壤微生物化学计量的变化可能受到土壤磷元素的限制。

图1 土壤微生物量碳氮磷与土壤养分间相关性

3 结论与讨论

刺槐、油松和侧柏是黄土高原生态脆弱区植被恢复的主要树种，大面积人工纯林和混交林的营造，极大减缓了该区域的土壤侵蚀和水土流失，在当地生态建设中发挥重要作用。人工林在生长发育过程中对原有的生态系统造成影响，纯林和混交林两种营林措施下人工林生态系统结构和功能的稳定性和可持续性以及对当地生态系统植被群落的影响等问题成为学界和实际生产迫切需要研究的问题[11,12]。土壤和土壤微生物化学计量间存在动态平衡，对于生态系统内碳、氮、磷养分循环具有重要意义，成为衡量土壤肥力和养分循环的重要指标[13,14]。

地被植物通过凋落物输入和释放根系分泌物等途径向土壤中输入有机物质，改变土壤养分状态。本研究中，纯林和混交林两种造林模式整体上显著提高了土壤有机碳和全氮含量，其最高值均出现在刺槐林分土壤中。导致这种现象的潜在因素是刺槐为落叶阔叶树种，其凋落物分解速率高于针叶树种(侧柏和油松)，且作为先锋固氮树种显著提高了土壤氮含量[15]。与农田相比，营造人工林提高了土壤磷含量，而营造混交林降低了土壤磷含量，这种现象是磷元素输入与输出差异引起的。在混交林中，不同树种间对土壤磷的竞争造成磷元素的消耗速度快于补充速度[16]。也有报道称黄土高原地区土壤磷元素匮乏，是影响该区域生态过程的重要限制性因子之一[17]。

土壤微生物作为分解者，通过释放高效分解酶系统将植物输入的复杂有机物质转化成植物可以吸收利用的简单物质，以此将生态系统地上和地下部分联系在一起，在生态系统内养分循环、物质流动、植被演替及生态功能发挥具有重要意义[1,2,18]。凋落物分解过程产生的分解碳一部分以淋溶的形式进入土壤中，而另一部分则被微生物吸收用于生长与繁殖引起土壤微生物量碳的变化[19,20]。本研究发现，营造人工纯林显著提高了土壤微生物碳含量，这与土壤有机碳的变化相一致；营造混交林在本研究中整体上降低了土壤微生物碳量，但这一结果也可能是树种特性的差异造成。人工纯林和混交林两种造林模式整体上提高了微生物氮含量，而降低了微生物磷量，这种结果同样受到树种的显著影响。因此，土壤和土壤微生物碳、氮、磷含量不仅受到造林模式的影响，同样显著受树种特性的影响。

土壤和土壤微生物化学计量是衡量土壤肥力和养分循环特征的重要指标[21,22]。在本研究中，土壤和土壤微生物化学计量受造林模式的影响不显著，却显著受树种特性和树种组成的影响。尽管土壤C∶N相对稳定，但侧柏和油松两种针叶树种混交显著降低了该比值，表明混交林不同树种间的互作与竞争改变了土壤养分状态和碳、氮元素循环特征[23]。土壤微生物C∶N和N∶P在刺槐+侧柏混交林中显著低于农田和其他林型，这种结果的生物学机制尚不清楚。混交林中不同树种间互作关系涉及到极为复杂的生物学和生态学过程，人们对此认知还不够深入，这也是学者们努力探究的方向之一。