南亚热带马尾松-红锥混交林与其纯林对土壤微生物生物量碳和氮的影响比较*

王玉凤，席守鸿，谭玲，覃林

(广西大学 林学院，广西森林生态与保育重点实验室，广西 南宁530004)

土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)是土壤有机质的活性组分，并作为土壤微生物生物量的主要成员参与陆地生态系统养分循环、凋落物分解和有机质转化等多种生态过程，在森林生态系统碳氮循环过程中发挥着关键作用[1-5]。已有众多研究表明，不同树种林分类型因其凋落物数量与质量、根系分泌物含量与种类等的差异，导致土壤有机质及养分含量不同而影响土壤微生物的生长与繁殖，进而导致林地土壤微生物生物量的差异[2,6-10]。同时，土壤微生物生物量碳与土壤有机碳(SOC)比值(MBC/SOC)以及微生物生物量氮与全氮(TN)的比值(MBN/TN)，反映了输入土壤有机质向微生物生物量的转化效率以及土壤中养分元素的损失和土壤矿物质对有机质的固定[11]，该比值越大说明土壤碳、氮的积累强度越大[12-13]。因此，研究森林土壤MBC、MBN、MBC/SOC和MBN/TN，对于充分认识林地土壤养分储备库与碳氮源变化具有重要意义。

我国亚热带地区是造林和再造林的优先发展区域，但长期大规模种植以杉木(Cunninghamialanceolata)与马尾松(Pinusmassoniana)为主的乡土针叶树种人工林，导致林分针叶化及纯林化严重、地力退化、林分生产力和生物多样性减少等诸多林业与生态问题[8,14]。因此，将大面积的低质低效针叶人工纯林改造成乡土阔叶树种人工林和针阔混交林正逐渐成为人工林最有前景的森林经营模式[15-16]。近10多年来，不同学者针对南亚热带地区马尾松与红锥(Castanopsishystrix)人工混交林及其纯林的土壤有机碳储量与温室气体(CO2和N2O)通量[17]、土壤理化性质[18-19]、生态系统碳储量[14,20]以及土壤细菌群落结构与功能[21-23]等开展研究。然而，目前对于南亚热带地区马尾松与红锥混交林及其纯林对林地土壤微生物生物量碳和氮的影响还少见报导。为此，本文选取位于南亚热带地区的具有环境条件(立地、土壤和气候)和经营措施基本一致的马尾松林、红锥林及其混交林为研究对象，探讨上述3种林分土壤MBC和MBN的变异特征及其土壤理化性质影响因子，以期为深入理解南亚热带人工林土壤碳氮循环过程的微生物调控机制提供科学依据，对南亚热带地区人工林营建的树种选择及树种混交模式具有一定指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于广西凭祥市的中国林业科学研究院热带林业实验中心伏波试验场，地理坐标为106°51′～106°53′E、22°02′～22°04′N，海拔为430～680 m。该地区属南亚热带季风型半湿润-湿润气候，旱湿季节明显(旱季为10月至翌年3月，湿季为4—9月)；年均气温20.5～21.7 ℃，年均降雨量1 200～1 500 mm，年均蒸发量1 261～1 388 mm，空气相对湿度80%～84%；地带性土壤为花岗岩发育的山地红壤，土层厚度大于80 cm[24]。该地区地带性植被为亚热带常绿阔叶林，但在20世纪50年代将常绿阔叶林皆伐而种植杉木，1983年又在杉木林皆伐迹地上营造了马尾松纯林、红锥纯林及马尾松-红锥混交林(混交比例为1︰1)，其初植密度均为2 500 株/hm2；马尾松纯林、红锥纯林分别于1993、1998、2009年进行了3次间伐(强度约30%)，且红锥纯林因伐桩萌芽形成了复层林；马尾松-红锥混交林于1998年和2009年进行了2次间伐(强度约30%)。

1.2 样地设置与样品采集

2014年8月在研究地选择立地条件与经营措施相似的马尾松林、红锥林及马尾松-红锥混交林为研究对象。在每种林分中随机设置3个20 m×20 m的样地(各样地间距离至少20 m)，并记录每个样地的海拔、坡度、坡向和坡位等环境因子信息，同时进行样地调查(记录种名、胸径和树高等)。3个林分的立地条件和林分特征见表1。

表1 南亚热带马尾松林、红锥林及马尾松-红锥混交林的立地条件和林分特征

在每个样地内的对角线上随机选取3个点挖取土壤剖面，并按0～20、20～40和40～60 cm土层分别采集土样，同层土壤充分混合后按四分法取土壤样品，将各土壤样品装入聚乙烯保鲜袋并用生物冰袋保存运回实验室。在实验室将每个土壤样品分2份，一份于4 ℃冰箱保存用于测定土壤微生物生物量碳和氮，另一份于室内自然风干用于测试土壤pH值以及有机碳和全氮含量。另外，在各土层用环刀(容积100 cm3)和铝盒取样用于测定土壤容重和含水量。

1.3 指标测定方法

土壤容重(BD)和含水量(SWC)分别采用环刀法与烘干法测定；土壤pH值采用水:土之比为 2.5︰1的电位法测定(Prtavo 907 MULTI pH，德国)；土壤有机碳含量(SOC)利用Multi N/C 3 100 TOC 分析仪(Analytik Jena，德国)测定，而全氮含量(TN)则利用H2SO4-HClO4消解后用SmartChem200 全自动化学元素分析仪(Alliance，法国)测定。土壤碳氮比(SOC/TN)为土壤有机碳与全氮之比。

土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)采用氯仿熏蒸提取法测定[25]。其方法简要为：称取10 g新鲜土壤放入装有无乙醇氯仿的干燥器中，并在25 ℃的黑暗条件下放置24 h；另外称取10 g新鲜土壤，然后将熏蒸和未熏蒸土壤用0.5M K2SO4溶液浸提，采用Multi N/C 3100 TOC分析仪(Analytik Jena，德国)测定浸提液中的有机碳和全氮含量。依据熏蒸后浸提液中有机碳增量除以转换系数(0.45)得出土壤微生物生物量碳，同样熏蒸后浸提液中全氮增量除以转换系数(0.54)得到土壤微生物生物量氮。

1.4 数据统计与分析

采用双因素方差分析(two-way ANOVA)检测林分类型、土壤深度以及林分类型与土壤深度交互作用对土壤理化性质参数、微生物生物量变量的影响效果。相同土层不同林分间土壤理化性质参数及微生物生物量变量的差异则采用单因素方差分析(one-way ANOVA)并用Tukey’s HSD进行多重比较。利用Pearson相关分析法检验所测微生物生物量变量与土壤理化性质参数之间是否存在显著相关关系。上述计算由SPSS 26.0 软件(IBM SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)完成。

2 结果与分析

2.1 不同林分不同土层土壤理化性质的差异

双因素方差分析表明(表2)，林分对土壤BD、pH、TN和SOC/TN有显著性影响(P<0.05)。其中，马尾松-红锥混交林与马尾松人工林在土壤表层(0～20 cm)的BD差异不显著(P>0.05)，但均显著高于红锥人工林;在土壤中层(20～40 cm)和底层(40～60 cm),马尾松-红锥混交林与马尾松纯林的土壤pH值无显著差异，但却明显低于红锥林;3个林分在土壤中层的TN差异显著，而在底层则是马尾松林显著低于其他2个林分;马尾松-红锥混交林在土壤底层的SOC/TN与马尾松林和红锥林差异不显著，但后2个林分间差异显著。同时，土壤深度对研究林分的土壤BD、SWC、pH、SOC、TN和SOC/TN具有显著性影响(P<0.05)。3个林分的土壤BD表现为土壤中层略高于表层和底层。随着土壤深度增加，3个林分的pH值呈逐渐增加规律，而SWC、SOC、TN和SOC/TN均呈递减趋势。在0～60 cm土壤中，马尾松-红椎混交林的SOC、TN含量相对最高(表2)。

表2 林分与土层对土壤理化性质的影响及相同土层不同林分间土壤理化性质的差异

2.2 不同林分不同土层微生物生物量碳和氮的变化

双因素方差分析发现，林分对土壤MBC(P=0.872)和MBN(P=0.922)无显著作用(P>0.05)。在表层土壤(0～20 cm)，马尾松-红锥混交林的MBC(197.21 mg/kg)明显低于马尾松林(283.85 mg/kg)和红锥林(256.30 mg/kg)(图1a)，而其MBN(50.34 mg/kg)却略低于红锥林(53.49 mg/kg)(图1b)。在土壤中层(20～40 cm)，马尾松-红锥混交林的MBC和MBN均高于2个人工纯林(图1a,b)。在土壤底层(40～60 cm)，马尾松-红锥混交林的MBC和MBN略低于红锥林(图1a，b)。

同时，双因素方差分析表明土壤深度对林分的土壤MBC(P<0.01)和MBN(P<0.01)都有显著影响。随土壤深度递增，各林分的MBC和MBN均呈递减模式(图1a、图b)。

2.3 不同林分不同土层的土壤微生物生物量碳有机碳比和微生物生物量氮全氮比

双因素方差分析结果显示，林分对土壤MBC/SOC(P=0.880)、MBN/TN(P=0.108)的影响不显著(P>0.05)，但各林分间的差异依土层而异。从图1c可知，在土壤表层，马尾松-红锥混交林的MBC/SOC(0.91%)、MBN/TN(4.91%)均低于马尾松林和红锥林；但在土壤中层，马尾松-红锥混交林有相对较高的MBC/SOC(1.38%)和MBN/TN(4.16%)；在土壤底层，马尾松-红锥混交林的MBC/SOC(1.23%)高于马尾松林(1.07%)而低于红锥林(1.47%)，而其MBN/TN(2.08%)则低于马尾松林(4.85%)和红锥林(2.48%)。

同时，双因素方差分析表明土壤深度对林分的土壤MBC/SOC(P=0.986)无显著影响，而对土壤MBN/TN(P=0.001)影响显著。相同林分不同土层MBC/SOC比较而言，马尾松-红锥混交林表现为土壤中层>底层>表层，而红锥林则是土壤底层>表层>中层，马尾松林却是土壤表层>中层>底层(图1c)。同时，各林分的土壤MBN/TN随着土壤深度增加而逐渐减少(图1d)。

2.4 土壤微生物生物量变量与土壤性质参数的相关性

Pearson相关分析(表3)表明，林分土壤MBC、MBN与土壤 SWC、SOC 及SOC/TN呈极显著正相关，与土壤pH值呈极显著负相关(P<0.01)；土壤MBN/TN与SOC、SOC/TN呈显著正相关，而与土壤pH值显著负相关。然而，土壤MBC/SOC与所有土壤理化性质参数均无显著相关关系(P>0.05)。

表3 土壤微生物生物量变量与土壤理化性质参数的皮尔逊相关系数

3 讨论与结论

3.1 讨论

土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)仅占土壤有机质含量的2%左右，但却是植物养分的重要储备库，同时又是土壤碳氮等物质的“库”和“源”[26]，常被用作表征土壤质量的生物指标[27]。已有研究表明，阔叶林的土壤MBC和MBN高于针叶林[28-29]，其主要原因是，针叶树种的凋落物中因存在较多难分解的物质(如木质素、纤维素、单宁等)[30]而导致分解速率低，相应地向土壤中输送养分的速率下降，使得土壤微生物活性减弱[29]，故而导致土壤MBC和MBN相对较低。然而，Wen等[32]对10、24和45 a生马尾松-樟树(Cinnamomumcamphora)混交人工林及其人工纯林(马尾松林、樟树林)不同土层(0～10、10～20和20～30 cm)MBC和MBN的研究结果发现，这3个人工林之间土壤MBC、MBN在各土层上的差异依林分年龄而异；在林分年龄为24 a时，土壤MBC在各土层上均是3个林分间差异不显著，而土壤MBN在表层(0～10 cm)、中层(10～20 cm)、底层(20～30 cm)分别是3个林分间无显著差异、樟树林显著高于马尾松林和马尾松-樟树混交林。本研究中，马尾松林、红锥林和马尾松-红锥混交林之间的土壤MBC、MBN在各个土层上均不存在显著差异(P>0.05)，这与上述24 a生马尾松-樟树混交林及其纯林的研究结果高度一致，也在一定程度上说明本研究的3个人工林之间土壤质量差异不明显。考虑到土壤SWC、pH、SOC和SOC/TN是影响3个研究林分不同土层之间土壤MBC、MBN变化的主导因素(表3)，但同一土层不同林分间土壤SWC、pH值、SOC和SOC/TN的差异不明显(表2)，因而导致3个林分之间在各土层的土壤MBC、MBN无显著差异。较多学者对我国亚热带地区不同树种林分的研究结果显示，土壤MBC和MBN与土壤SWC[29]、SOC[9-10,28,32]、SOC/TN[32]呈显著正相关关系。

土壤MBC/SOC和MBN/TN，表征了土壤微生物生物量对土壤营养库的贡献率，该比值越大说明土壤微生物固C、N能力越强，土壤养分的有效性越高[12]。本研究结果表明，马尾松林、红锥林和马尾松-红锥混交林的土壤MBC/SOC、MBN/TN分别在0.91%～1.55%、2.02%～7.11%，符合一般土壤1%～5%和2%～7%的变化范围[10]。同时，3个人工林的土壤MBC/SOC、MBN/TN在各土层上均无显著差异，该结果与Wen等[32]关于24 a生的马尾松林、樟树林和马尾松-樟树混交林在不同土层上的土壤MBC/SOC无显著差异完全一致，与其土壤MBN/TN在各土层的结果基本一致。究其原因，本研究所选取的土壤理化性质参数对这3个人工林分不同土层MBC/SOC差异均无显著作用(表3)；虽然土壤pH值、SOC和SOC/TN对其土壤MBN/TN有显著影响，但相同土层各林分之间的土壤pH值、SOC和SOC/TN差异又不显著。目前对于南亚热带地区影响不同树种林分土壤MBC/SOC、MBN/TN的土壤理化性质参数也不尽相同[10,32-33]，除了树种不同之外，可能由于林分年龄、土壤采样时间以及土壤深度等不同导致。

本研究发现，马尾松林、红锥林和马尾松-红锥混交林的土壤MBC、MBN表现随土层的加深而下降，养分具有明显的表聚效应。这主要是因为随着土壤深度增加，3个林分的pH逐渐增加而SWC、SOC、TN和SOC/TN却递减(表2)的缘故。Pearson相关分析表明研究林分的土壤MBC、MBN与土壤SWC、SOC、TN和SOC/TN极显著正相关(P<0.01)而与pH值极显著负相关(表3)。已有研究指出，林地土壤MBC、MBN 和养分含量随土层加深而减少的垂直分布特征具有一定的稳定性，树种的不同对其垂直分布影响很有限[10,28,34-35]。同时，3个林分的土壤MBN/TN随土层加深而递减，但土壤MBC/SOC的变化却不具一致性，这可能是因为影响林分土壤MBN/TN与MBC/SOC的土壤理化性质参数不同(表3)。Wen 等[32]发现，马尾松林、樟树林和马尾松-樟树混交林在不同年龄(10、24、45 a)的土壤MBC/SOC、MBN/TN随土层加深均无规律性变化。

另外，向元彬等[36]研究表明，华西雨屏区不同密度巨桉(Eucalyptusgrandis)人工林(833、1 333、2 222 株/hm2)土壤MBC、MBN、MBC/SOC和MBN/TN受到林分密度的显著影响，Ma等[37]研究发现林分密度(2 173、1 834、1 418、1 089 株/hm2)对华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林土壤MBN含量有明显影响。本研究中，马尾松人工林(1 470 株/hm2)、红锥人工林(1 075 株/hm2)的林分密度显著大于马尾松-红锥混交林(600 株/hm2)(表1)。因此，推断造成混交林与其纯林之间土壤MBC、MBN、MBC/SOC和MBN/TN均无显著差异(P>0.05)的原因可能与林分密度有关，但是由于缺乏同一林分密度下的不同林分土壤MBC和MBN、同一林分不同林分密度下的土壤MBC和MBN数据，所以不能进行林分类型、土壤深度和林分密度的三因素综合比较分析，关于林分密度对南亚热带不同乡土树种人工林土壤MBC和MBN的影响在今后研究中会重点关注。同时，李胜蓝等[28]研究发现，亚热带4种森林类型〔杉木人工林、马尾松-石栎(Lithocarpusglaber)针阔混交林、南酸枣(Choerospondiasaxillaris)落叶阔叶林、石栎-青冈(Cyclobalanopsisglauca)常绿阔叶林〕土壤MBC和MBN具有明显季节变化特征。因此，鉴于南亚热带气候具有旱湿季节明显的特点，本研究的3个人工林在旱季的土壤MBC、MBN、MBC/SOC和MBN/TN变化特征是否与湿季一致，还有待进一步研究。

3.2 结论

南亚热带地区马尾松-红锥混交林与其纯林(马尾松林、红锥林)对土壤MBC、MBN、MBC/SOC和MBN/TN的影响差异不显著，但各林分的土壤MBC、MBN随土壤深度增加而递减，其主要影响因素是土壤SWC、pH值、SOC和SOC/TN；3个林分的土壤MBC/SOC与MBN/TN随土层加深的变化模式不具有一致性，土壤MBC/SOC与所有土壤理化性质参数无显著相关性，而MBN/TN主要受土壤pH值、SOC和SOC/TN制约。因此，马尾松-红锥混交林对土壤MBC和MBN在南亚热带地区人工林生态系统中的维持能力与其纯林无显著差异。