杨树人工林幼林阶段林下植被管理对土壤微生物生物量碳、氮酶活性的影响

张贾宇,佘 婷,鄂晓伟,唐罗忠,田 野

南京林业大学林学院 南京林业大学南方现代林业协同创新中心,南京 210037

我国速生型杨树(Populusspp.)人工林普遍存在土壤养分供应不足的问题[1-2],采用大面积施肥的方式必然增加营林成本,在生产中较少使用,而通过加快系统内的养分循环来维持杨树人工林生产力是一种有效且经济可行的方法。微生物和胞外酶在土壤物质分解和养分转化中起到重要作用,可以在很大程度上影响土壤的养分供应能力[3- 6]。因此,提高林地土壤的微生物生物量和胞外酶活性可在一定程度上改善杨树人工林养分的供应。

林下植被是人工林的重要组成部分[7]。以往的多数观点认为,林下植被存在与上层乔木竞争水分[8]、养分[9]和生长空间[10]等问题,因此,在传统的人工林经营管理过程中一般会清除林下植被[11-12]。然而,近年的研究发现,林下植被可通过改变林地微环境(如温度、湿度和紧实度等)[13- 15]、产生凋落物和根系分泌物等方式[16- 19]改善土壤微生物的繁殖和生存条件,提高土壤微生物生物量和胞外酶活性,从而改善林地土壤的养分循环和供应。因此,科学地管理林下植被有可能成为提高林地生产力的重要手段。

自然的人工林下一般存在物种丰富的林下植被。与单一物种的林下植物相比,林下植被物种丰富度的增加对系统内的养分循环和土壤养分转化过程产生何种影响,目前仍未有定论。一些研究认为,物种丰富度较高的林下植被可以为土壤微生物提供更加复杂多样的生存空间和环境[20-22],同时,多样化的林下植被凋落物和根系分泌物还可为微生物提供异质性的资源,使土壤微生物生物量和微生物群落代谢发生改变[23-24],并产生种类、数量和活性不同的胞外酶[25],从而影响林分凋落物的分解以及养分的释放速率,进而影响到林地土壤养分的供应水平和生产力。

基于上述研究背景,本论文重点关注两个问题：(1)与清除林下植被相比,保留林下植物能否改变微生物群落的代谢功能,提高土壤微生物生物量和土壤胞外酶活性？(2)与单一林下植物相比,增加林下植被的物种丰富度是否进一步提高林地土壤微生物生物量和微生物活性？针对上述问题,本研究通过野外大田试验探究杨树人工林林下植被管理对林地土壤微生物生物量碳(Microbial biomass carbon, MBC)、微生物生物量氮(Microbial biomass nitrogen, MBN)、微生物群落代谢特征和胞外酶活性的影响,以期为杨树人工林林下植被管理提供理论依据,也为研究人工林土壤养分转化机制提供思路。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于江苏省宿迁市泗洪县泗洪林场(33°32′N,118°36′E)。所在区域为中纬度暖温带半湿润气候区,年均气温14.6 ℃,年均降水量893.9 mm,年均无霜期213 d,年均日照时数2326.7 h。

试验林林地0—10 cm土层土壤的pH(H2O)为 7.03,容重为1.33 g/cm3,有机碳含量为20.23 g/kg,全氮含量为2.03 g/kg。

1.2 试验设计

试验林分为2016年造林的杨树人工林,造林无性系为南林3804杨(P.deltoides‘Nanlin—3804’),采用1年生苗木造林,株行距6 m × 6 m。试验林分杨树的存活率在95%以上。基于造林后第一年的调查,试验林的林下植被盖度约90%,主要种类为稗草(Echinochloacrusgalli),生物量占林下植被总生物量的60%左右,其它的林下植被种类主要包括鸭跖草(Setcreaseapurpurea)、莎草(Rhizomacyperi)和长叶水苋菜(Ammanniacoccinea)等,生物量分别约占林下植被总生物量的20%、10%和10%。

按照林下植物物种数量递增的顺序设计3种林下植被处理,即清除林下植被、保留单一林下植物(稗草)和保留物种多样的自然林下植被。本研究采用随机区组设计,在试验林分内设置3个区组,每个区组内布设3个面积为42 m × 12 m的试验小区,根据试验设计随机安排3种林下植被处理。

于2017年8月开始按照试验设计对林下植被进行管理,清除林下植被处理将林下植被完全移除后,采用透气透水性良好的黑色地布覆盖。保留单一林下植物处理移除稗草以外的所有林下植被,并适当结合人工播种的方式保证稗草的盖度。保留自然状态的林下植被处理在整个研究过程中不加以管理,保持林下植物的多样性。

1.3 取样和分析测定方法

于2018年的6月、8月和10月进行土壤取样。在每个试验小区内随机选取3点采集0—5 cm和5—10 cm土层的土壤样品,放入冰盒内带回实验室。清除土壤中的杂质之后并过2 mm筛,置于4 ℃冰箱中储存,用于MBC、MBN、土壤胞外酶活性和土壤微生物功能多样性的测定。所有分析测定于取样后1周内完成。

土壤MBC和MBN用氯仿熏蒸,0.5 mol/L K2SO4溶液提取后,采用重铬酸钾容量分析法测定土壤MBC含量[26],采用茚三酮比色法测定MBN含量[26]。

本研究测定了土壤中参与碳转化的2种胞外酶活性,包括β-葡萄糖苷酶(EC3.2.1.21)和多酚氧化酶(EC1.10.3.2),并测定了土壤中参与氮转化的芳基酰胺酶(EC3.1.1.2)活性。

土壤β-葡萄糖苷酶活性测定参照Adetunji等[27]的方法,对硝基苯基-β-d-吡喃葡萄糖苷作为底物,于37 ℃培养1 h后使用0.5 mol/L CaCl2和0.5 mol/L NaOH终止反应,使用分光光度计测定生成的对硝基酚含量代表酶活性的高低,酶活性的单位为mg kg-1h-1。

土壤多酚氧化酶活性测定参照Perucci等[28]的方法,邻苯二酚作为底物,于37 ℃培养2 h后直接使用乙醚萃取水解产物,并通过分光光度计测定生成的没食子酸含量代表酶活性的高低,酶活性的单位为mg kg-1h-1。

土壤芳基酰胺酶活性测定参照Acosta-Martínez等[29]的方法,L-亮氨酰-β-萘胺盐酸盐作为底物,于37 ℃培养1 h后使用95%的乙醇终止反应,使用分光光度计测定生成的β-萘胺含量代表酶活性的高低,酶活性的单位为mg kg-1h-1。

采用Biolog-ECO微平板法分析土壤微生物区系的碳源利用能力。选择BIOLOG微平板中的ECO板进行微生物的培养,接种方法参照徐万里[30]的方法,称取相当于5 g烘干土重的鲜土于三角瓶中,加入45 mL无菌水,震荡30 min后稀释20倍并接种,接种量为150 μL。接种后置于25 ℃恒温培养箱中避光培养,于培养后每隔24 h使用酶标仪测定590 nm处的光密度值,培养时长为168 h。

1.4 数据处理

土壤微生物群落对碳源的利用能力大小用平均颜色变化率(Average well color development, AWCD)表示。在培养120 h以后,ECO板的光密度值基本趋于稳定,因此选择培养120 h的数据计算AWCD、微生物物种多样性指数(Shannon指数)、均匀度指数(McIntosh指数)和丰富度指数(Richness指数)。具体计算公式如下：

式中,Ci为第i孔的光密度值,R为对照孔的光密度值,Ci-R<0时计为0。

式中,Pi为第i孔相对光密度值与整板平均相对光密度值总和的比,即：

式中,ni为第i孔的相对吸光度,即ni=Ci-R。

Richness指数：被利用的碳源总数目(Ci-R>0.25的孔数)

采用主成分分析(Principal components analysis, PCA)法对不同处理下8月份的土壤微生物群落代谢功能进行分析。

采用Microsoft Excel 2013对试验数据进行计算；采用SPSS 21.0对试验数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较(Least-Significant Difference, LSD)；采用SigmaPlot 12.5进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 林下植被处理对土壤微生物生物量碳、氮的影响

与清除林下植被处理相比,保留一种林下植物处理提高了0—5 cm 和5—10 cm土层的土壤MBC与MBN含量,此效应在8月份表现得最为明显；此外,与保留一种林下植物处理相比,林下植物物种数量的增加进一步提高了土壤微生物生物量(图1)。保留物种多样的自然植被处理8月份0—5 cm土层的土壤MBC与MBN含量比保留单一植物处理分别显著增加了4.88%和14.93%(P<0.05),另外6月份5—10 cm土层的土壤MBN含量同比也显著增加了9.75%(P<0.05)(图1)。林地土壤MBC/MBN比随林下植物丰富度增加的变化趋势与MBC和MBN含量有所不同,与清除林下植被处理相比,保留单一植物处理8月份0—5 cm土层土壤的MBC/MBN比显著降低了17.30%,而保留物种丰富的自然植被处理进一步显著降低,降低幅度达24.42%(P<0.05)(图1)。

2.2 林下植被处理对土壤微生物群落功能的影响

土壤微生物的AWCD值、McIntosh指数和Richness指数均以0—5 cm土层大于5—10 cm土层(表1)。与清除林下植被处理相比,保留单一植物处理在0—5 cm 和5—10 cm土层各个调查时间的AWCD值、Shannon指数和Richness指数均有所上升,0—5 cm土层土壤的McIntosh指数在8月份也明显上升(表1)。与保留单一植物相比,林下植物物种数量的增加对6月和10月份0—5 cm土层和5—10 cm土层的土壤微生物AWCD值无显著影响(P>0.05),但显著提高了8月份0—5 cm土层的土壤微生物AWCD值、Shannon指数和McIntosh指数(P<0.05),以及5—10 cm土层的McIntosh指数和Richness指数(表1)。

由于各处理土壤微生物对碳源的利用方式在8月份的差异最明显,因此本研究选择8月份的结果进行土壤微生物对碳源利用的主成分分析。基于PCA的相关性矩阵,第一主成分(Principal component 1, PC1)和第二主成分(Principal component 2, PC2)的累积方差贡献率达到71.87%,对主成分PC1和PC2贡献较大(因子负荷量的绝对值大于0.7)的碳源类型见表2,其中对PC1贡献最大的碳源是氨基酸类和有机酸类,其次是醇类、糖类和酯类,对PC2贡献较大的碳源是有机酸类、糖类和胺类。

表1 不同林下植被处理的土壤微生物群落AWCD值及多样性指数

图2 不同林下植被处理8月份的土壤微生物群落碳源代谢主成分分析Fig.2 Principal Component Analysis (PCA) of soil microbial community carbon sources metabolism in August under different understory vegetation treatments

基于前两个主成分PC1和PC2进行微生物群落代谢特征分析,分析结果见图2。在0—5 cm土层,清除林下植被处理在PC1和PC2上均与保留林下植物的2种处理出现了明显的分异,说明清除林下植被处理主要影响了土壤微生物对氨基酸类和有机酸类碳源的利用,同时在一定程度上影响了土壤微生物对一部分糖类和胺类碳源的利用。保留单一植物处理与保留自然植被处理在PC2上出现明显的分异,说明林下植被物种数量主要影响土壤微生物对有机酸类、糖类和胺类碳源的利用。在5—10 cm土层,处理间的分异程度明显小于0—5 cm土层,清除林下植被处理在PC2上与保留林下植物的2种处理出现一定的分异,而保留单一植物处理与保留自然植被处理在PC1上出现一定的分异。

不同处理8月份0—5 cm土层的土壤微生物对31种碳源利用情况的进一步分析结果(图3)表明,清除林下植被处理的土壤微生物主要利用的碳源包括a-D-乳糖、β-甲基-D-葡萄糖苷、D-纤维二糖等部分糖类以及L-天冬酰胺酸、D-甘露醇、丙酮酸甲酯、γ-羟基丁酸、N-乙酰基-D-葡萄胺等。与清除林下植被处理相比,保留单一植物处理不仅显著提高了土壤微生物对上述碳源的利用,还显著提高了土壤微生物对几乎所有糖类以及多种氨基酸类和酯类、有机酸类碳源的利用(P<0.05)。保留自然植被处理的土壤微生物进一步扩大了对碳源种类的利用范围,土壤微生物几乎可以有效利用所有的31种碳源,其利用水平整体上显著高于保留单一林下植物处理(P<0.05)。

2.3 林下植被处理对土壤酶活性的影响

土壤β-葡萄糖苷酶和芳基酰胺酶活性从6月份至10月份呈先上升后下降的趋势,而土壤多酚氧化酶活性则持续上升(图4)。与清除林下植被处理相比,保留单一植物处理显著提升了6月份和8月份0—5 cm土层的3种土壤胞外酶活性(P<0.05),也显著提高了10月份与土壤碳转化相关的β-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性(P<0.05)。与清除林下植被处理相比,保留单一植物处理显著提高了6月份5—10 cm土层的β-葡萄糖苷酶活性和8月份5—10 cm土层的多酚氧化酶和芳基酰胺酶活性(P<0.05)。此外,与保留单一植物处理相比,保留自然植被处理0—5 cm土层的β-葡萄糖苷酶和芳基酰胺酶活性在6月份和8月份分别显著增加17.04%、10.58%和9.22%、12.86%(P<0.05),土壤多酚氧化酶活性在8月份显著增加13.63%(P<0.05)。提高林下植物物种数量在各个月份均未明显影响5—10 cm土层的β-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性,但保留自然植被处理8月份的土壤芳基酰胺酶活性比保留单一林下植物处理显著增加10.05%(P<0.05)。

表2 主成分对应的碳源载荷因子分析(|因子负荷量|>0.70)

3 讨论

土壤微生物和土壤胞外酶均是土壤物质循环和能量转化过程中重要的参与者。本研究表明,与清除林下植被相比,保留单一林下植物提高了土壤MBC、MBN含量(图1)和土壤胞外酶活性(图4),改变了微生物群落的生理代谢特征(表1,图2和图3),这与前人的多数研究结果一致[31-32]。大量研究表明,林下植被具有提高土壤含水率[33-34]、降低土壤容重[35]和改善土壤微环境的作用,因此,与清除林下植被相比,保留林下植被可为微生物提供更适宜的生存和繁殖条件,从而导致林地土壤中微生物生物量的积累和胞外酶活性的提高。此外,吴亚丛等[36]发现,与保留林下植被相比,清除林下植被会降低土壤有机碳的含量,这主要是因为清除林下植被减少了林下植被的凋落物和根系分泌物向土壤的碳输入。金艳强等[37]发现柏木(Cupressusfunebris)人工林林下植被生物量可占到群落总生物量的23.6%,杨超等[38]也发现3年生杉木(Cunninghamialanceolata)人工林林下植被生物量可达到2.95 kg/m2；而Yakov 等[39]则发现植物以根系分泌物的形式释放入土壤中的含碳物质最高可占到其光合作用固定碳量的42%左右。这些数量可观的凋落物或根系分泌物能够为土壤微生物提供大量的有效碳源,加快土壤微生物的繁殖,提高微生物的活性,并且向土壤胞外酶提供大量底物,从而提高土壤酶活性[40-41]。与此同时,林下植被凋落物中含有丰富的纤维素、果胶等糖类物质[42],而根系分泌物中则含有大量的氨基酸类和有机酸类物质[43],与清除林下植被相比,保留林下植物可以使土壤微生物获得更多种类的碳源,从而导致微生物群落代谢特征发生改变[44-45]。因此,在人工林中保留林下植物可以有效提高土壤微生物生物量,并且提升其群落代谢能力和土壤胞外酶活性,有助于加快土壤有机物的分解转化和养分释放。

图3 不同林下植被处理8月份0—5 cm土层的土壤微生物碳代谢指纹图谱Fig.3 Metabolic fingerprint of carbon physiological profiles of soil microbial community in the 0—5 cm soil layer in August under different understory vegetation treatments图中数据为平均值±标准误(n=9)；不同字母代表同一种碳源在处理间差异显著(P<0.05)

图4 不同林下植被处理的土壤β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶和芳基酰胺酶活性Fig.4 Soil β-glucosidase, polyphenol oxidase and arylamidase activities under different understory vegetation treatments图中数据为平均值±标准误(n=9)；不同字母代表同一土层同一月份处理间差异显著(P<0.05)

本研究发现,与保留单一林下植物相比,林下植物物种数量的增加能进一步提高土壤微生物生物量和土壤胞外酶活性,并增加了土壤微生物对氨基酸类、有机酸类和胺类等多种类碳源的利用(图1、图3和图4)。前人的研究表明,物种数量较多的林下植被可为土壤微生物提供更加复杂的生存环境[46-47],如李东海等[48]研究不同类型的林下植被对桉树(Eucalyptussp.)人工林土壤物理性质的影响时发现,林下植被物种丰富度高的林地具有更高的土壤持水能力,土壤更为疏松多孔；同时,多样性的凋落物也可为微生物提供更加复杂的生存场所和分解底物来源[49],可能因此导致土壤微生物区系更加复杂,微生物的活性更高。此外,聂兰琴等[50]和王春阳等[51]通过研究发现,同一区域不同植物凋落物的碳氮比明显不同,Dai等[52]和高雨秋等[53]还发现不同的林下植被根际土壤中的碳、氮、磷含量均不同。不同的林下植物可以产生不同的凋落物和根系分泌物,这些异质性的资源使土壤微生物可以获取更多种类的有机物,从而促进了土壤微生物的繁殖和胞外酶的分泌,进而提高了土壤微生物生物量和胞外酶的活性。此外,除糖类、酯类等植物体内含有的常规物质以外,多样化的林下植物还可以在分解过程中为土壤微生物提供更加丰富和多样化的氨基酸、有机酸和腐胺等物质[54],从而改变微生物的群落代谢特征。因此,物种数量多的林下植被总体上具有比单一林下植物更为复杂的功能性状,对土壤微生物生物量、微生物群落代谢特征和胞外酶活性的提升也更为有效。

本研究中不同林下植被处理对8月份0—5 cm土层的土壤MBC、MBN含量、微生物群落代谢和胞外酶活性产生的影响最为显著,这一方面是由于林下植被对土壤微环境的改变以及林下植被凋落物的归还主要作用于表层土壤[55],此外,对土壤微生物而言,8月份相对来说具有更加适宜的土壤温度和湿度条件,因此,此时的表层土壤的微生物群落更容易受到林下植被的影响[56]。土壤胞外酶活性由于受分解底物的量以及相应的微生物活性的影响,通常在夏季活性较高,本研究中的β-葡萄糖苷酶和芳基酰胺酶均表现出这一趋势。但是多酚氧化酶活性则从6月至10月逐渐提高,这一现象可能与多酚氧化酶分解的底物特征有关。多酚氧化酶主要分解土壤中较难被分解的木质素类含碳有机物[57],在以凋落物为主体的土壤有机物的分解进程中,易被分解的组分随着分解进程逐渐减少,而难分解的木质素类物质则逐渐积累,因此,土壤多酚氧化酶活性也相应地逐渐升高[58-59]。

4 结论

与清除杨树人工林林下植被相比,保留林下植被可以显著提升林地土壤的微生物生物量以及与碳、氮转化相关酶的活性,这种效应随林下植被物种多样性的提高进一步增强。保留物种丰富的自然林下植被可以使土壤微生物区系更加复杂,从而提高土壤微生物多样性,并且增强土壤微生物对碳源利用的多样化和代谢活性。因此,在杨树人工林的经营过程中,建议尽量保留多样化的自然林下植被,从增加土壤微生物生物量、丰富微生物群落结构、提高土壤胞外酶活性等方面,促进杨树人工林林地土壤的养分循环,进而实现高效生态型的杨树人工林可持续经营。