不同间伐强度对华北落叶松人工林土壤养分-微生物生物量-胞外酶化学计量的影响

2022-05-18邱新彩彭道黎

中南林业科技大学学报 2022年4期

曹芹，邱新彩，刘欣，彭道黎，程顺

（1.北京林业大学森林资源和环境管理国家林草局重点实验室，北京 100083；2.山西省太原国有林场，山西太原 030003；3.河北省塞罕坝机械林场，河北承德 068466）

生态化学计量学是关于生态系统多元素平衡的学科，它建立在热力学第一定理、自然选择、中心法则等多个不同学科基本原理的基础上，很好地联系了生态学中多个层次（分子、个体、种群、群落及生态系统）的理论与科学研究[1]，近年来广泛应用在生态系统养分供需平衡、森林生态系统演替、限制性元素判断等研究[2]。从生态化学计量学角度切入，研究森林土壤生态系统养分循环[3]及限制性营养元素[4]，能有效揭示土壤环境与生态过程之间的关系[1-2,5]。

碳（C）、氮（N）、磷（P）皆为限制性元素，在植物的生化功能中存在强烈的耦合：C 与生物结构与能量物质有关，吸收C 和能量的器官由富含N 的蛋白质构成，含N 蛋白质由核糖体分泌，核糖体与P 密切相关[6-7]。土壤养分C∶N∶P化学计量可以直接反映土壤肥力，并间接表明植物养分的状况，例如，土壤C∶N 可以指示土壤N矿化能力[1]。土壤微生物生物量是土壤中体积小于5×103μm3的除植物根系等植物体之外的生物总量[8]，是土壤有机质中最为活跃的部分，它能分解土壤有机质并形成土壤腐殖质，体积小但活性高，对环境和土壤的变化反应十分敏感[9]。土壤微生物生物量C∶N 是土壤中真菌和细菌含量比例指标[10]，土壤微生物生物量C∶P 反映土壤微生物对土壤P 有效性的调节潜力[11]。土壤胞外酶主要来源于有机体分泌和其残体分解物[12]，关注较多的胞外酶包括一种降解纤维素的C获取酶（β-1,4-葡萄糖苷酶，BG），两种N 获取酶（β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶，NAG，降解几丁质和肽聚糖；亮氨酸氨肽酶，LAP，水解蛋白质和多肽）以及一种分解有机磷的P 获取酶（酸性或碱性磷酸酶，AP）[13]。土壤胞外酶化学计量（BG∶(NAG+LAP)、BG∶AP、(NAG+LAP)∶AP）是揭示微生物养分状况和相对资源限制的有力指标，得到广泛应用[13-14]。

间伐是广泛应用于森林经营管理实践中的经营措施之一[15]。它能降低林分密度，调整林分空间结构[16]，重分配光照、热量、水分等生态因子，改变林下灌木和草本的物种组成和多样性，凋落物加速分解[17]，森林生态系统内养分循环过程发生变化，土壤性质随之改变[15]。目前，不同间伐强度下土壤养分-微生物生物量-胞外酶的研究主要集中在间伐对土壤养分含量、微生物生物量含量和胞外酶活性的影响上，而对不同间伐强度间土壤养分-微生物生物量-胞外酶化学计量比的研究较少[18-21]。且由于间伐方式、林分状况立地条件、林龄和间伐后调查取样时间的差异，已有研究存在很大差异[22-24]。

华北落叶松Larix principis-rupprechtii是松科落叶松属乔木，是华北地区重要的速生用材树种，还具有涵养水源、固土防沙等作用，具有很高的社会、经济和生态效益[19]。本研究以河北省塞罕坝机械林场华北落叶松人工林为研究对象，探究间伐强度对土壤C∶N∶P 化学计量特征、土壤微生物生物量化学计量特征和土壤胞外酶化学计量特征的影响，为人工林经营管理提供理论支持。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区域位于河北省承德市塞罕坝机械林场（42°22′N，116°53′E），海拔1 100～1 940 m，属大兴安岭山系、内蒙古高原与冀北山地的交汇地，地貌以曼甸、丘陵为主。该区域为温带大陆性季风气候，年均气温-1.4℃[25]，年均降水量450 mm[26]。土壤类型主要为山地棕壤、灰色森林土和风沙土。有林地面积为7.3×104hm2，其中人工林面积达5.7×104hm2[27]。华北落叶松是该地区的优势树种，其面积约占人工林总面积的77.1%[26]。

1.2 样地设置

研究地点的华北落叶松人工林于1989年营造，初植密度为3 300 株·hm-2。2002年，进行第一次抚育，措施主要包括抚育、修枝等。2008年，选取立地条件、土壤特征和抚育措施基本一致的人工林，进行不同强度的间伐处理，根据间伐株数所占比例分为4 个梯度：对照（CK，0%间伐，保留密度为2 086 株·hm-2），轻度间伐（LT，14%间伐，1 792 株·hm-2），中度间伐（MT，28%间伐，1 495 株·hm-2）和重度间伐（HT，42%间伐，1 211 株·hm2）。每种间伐处理设置3 个重复，共12 块20 m×30 m 标准地。2017年7月，测量和记录各样地的立地条件等基本特征，进行每木检尺，样地概况见表1。

表1 样地概况†Table 1 Basic information of sample plots

1.3 土壤采样与测定

2017年7月底，在12 个样地内按照“S”形布点法取5 个样点，用直径5 cm 的土钻从表层向下按0～10、10～20、20～30 cm 分层取样。充分混合同一样地同一土层所有土样，再用四分法取出约1 kg 样品，取其中约20 g 样品测定土壤含水量。剩余样品去除植物细根和石块等杂质并过2 mm（10 目）孔筛，分成两份，一份立即带回实验室保存在4℃冰箱中，用于测定土壤微生物与酶相关性质；另一份样品自然条件下中风干、研磨、过筛，用于测定其余土壤理化性质。

使用环刀法测定土壤容重（BD）；探针式温度计测定土壤0～10 cm 层温度（ST0-10）；将土样在105℃下烘干至恒重得出土壤质量含水率（SWC）；电位法测pH 值；使用元素分析仪（FLASH 2000 CHNS/O,Thermo Scientific,USA）测定土壤全碳、全氮含量；使用紫外分光光度计（UV-2600,SHIMADZU,Japan）和浓硫酸-高氯酸-钼锑抗比色法测定土壤全磷含量[28]。使用氯仿熏蒸浸提法测定土壤微生物生物量，使用总有机碳分析仪（Multi N/C 3100,Analytic Jena,Germany）测定土壤微生物生物量碳含量（MBC）和土壤微生物生物量氮含量（MBN），使用紫外分光光度计（UV-2600,SHIMADZU,Japan）测定土壤微生物生物量磷含量（MBP）[29-31]。使用p-硝基苯酚法测定β-葡萄糖苷酶（BG）、N-乙酰-β-葡萄糖苷酶（NAG）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）与酸性磷酸酶（AP）活性[32]。

1.4 数据处理及分析

使用Excel 2016 软件进行数据记录与初步处理。土壤养分-微生物生物量-胞外酶化学计量比用质量比表示。采用单因素方差分析（One-way ANOVA）检验间伐强度对土壤环境因子、土壤养分含量及化学计量比、土壤微生物生物量含量及化学计量比、土壤胞外酶活性及化学计量比的影响，显著性水平设为α=0.05，用R（4.0.2 版）软件完成。使用Origin 8.5 软件进行绘图。

2 结果和分析

2.1 不同间伐强度人工林土壤环境因子

如表2所示，土壤ST0-10、SWC、BD 和pH值在不同间伐强度间差异显著（P＜0.05）。与对照林分相比，轻度间伐、中度间伐和重度间伐林分的ST0-10分别提高了4.25%、7.69%和5.45%，SWC 分别增加了12.79%、31.60%和32.18%，而BD 则分别降低了2.10%、8.39%和4.20%。随间伐强度的增大，pH 值先降低后升高，在中度间伐处（6.20）观测到最低值。

2.2 不同间伐强度人工林土壤养分化学计量特征

在0～10、10～20 和20～30 cm 土层中，土壤C 含量分别在14.84～32.63、13.60～28.22和10.20～23.24 g·kg-1的范围内变动，土壤N 含量的变化范围分别为0.95～2.63、0.75～2.28 和0.66～1.74 g·kg-1，土壤P 含量的变化范围分别为0.11～0.36、0.10～0.33 和0.07～0.27 g·kg-1。随土层深度的增加，土壤C、N 和P 含量逐渐减少（图1）。

表2 不同间伐强度间土壤环境因子的变化†Table 2 Changes of soil environmental factors among the treatments with different thinning intensities

图1 不同间伐强度间0～30 cm 土层土壤碳、氮、磷含量Fig.1 Contents of soil C,N,and P of the 0～30 cm soil layers among the treatments with different thinning intensities

土壤C、N、P 含量及化学计量比受到间伐的显著影响（P＜0.05；图2）。土壤C 含量在中度和重度间伐中显著高于间伐和轻度间伐（P＜0.05；图2A）。土壤N 和P 含量在不同间伐强度间的变化趋势为中度间伐＞重度间伐＞轻度间伐＞对照（图2B—C）。间伐显著降低了土壤C∶N 和C∶P，与对照相比，轻度间伐、中度间伐和重度间伐林分的土壤C∶N 分别降低了19.94%、22.61%和18.78%，土壤C∶P 则分别降低了20.85%、34.72%和26.28%（图2D—E）。重度间伐的土壤N∶P 显著低于对照和轻度间伐（P＜0.05；图2F）。

2.3 不同间伐强度人工林土壤微生物生物量化学计量特征

不同间伐强度人工林土壤MBC、MBN 和MBP 含量的变化范围分别为147.35～446.72、23.12～60.36 和7.24～22.61 mg·kg-1，随土层深度的增加，MBC、MBN 和MBP 含量逐渐降低（图3）。间伐对土壤MBC、MBN 和MBP 有显著影响（P＜0.05；图4）。土壤MBC 和MBP 含量在不同间伐强度间的变化趋势为中度间伐＞重度间伐＞轻度间伐＞对照（图4A 和4C）。土壤MBN在中度间伐林分（46.62 mg·kg-1）中观测到最大值，分别是对照、轻度间伐和重度间伐林分的1.68、1.45 和1.25 倍（图4B）。土壤MBC∶MBN和MBN∶MBP 在不同间伐强度间差异显著（P＜0.05），与对照相比，轻度间伐、中度间伐和重度间伐林分的土壤MBC∶MBN 分别提高了10.10%、9.09% 和20.92%，而土壤MBN∶MBP则分别降低了7.17%、12.77%和17.76%（图4D和4F）。土壤MBC∶MBP 在不间伐强度间无显著性差异（P＞0.05；图4E）。

图2 不同间伐强度间土壤碳、氮、磷含量及其化学计量比Fig.2 Contents of Soil C,N,and P and their stoichiometric ratios among the treatments with different thinning intensities

图3 不同间伐强度间0～30 cm 土层土壤微生物生物量碳、氮、磷含量Fig.3 Contents of soil microbial biomass C,N,and P of the 0～30 cm layers among different thinning treatments

2.4 不同间伐强度人工林土壤胞外酶化学计量特征

土壤BG、NAG+LAP 和AP 活性分别在134.08～320.19、190.45～633.60 和490.91～1 029.25 nmol·g-1·h-1的范围内变动（图5）。土壤BG、NAG+LAP 和AP 均在0～10 cm 土层中呈现最大活性，随土层深度的增加而呈现活性降低趋势（图5）。

土壤BG 活性在不同间伐强度间未表现出显著差异（P＞0.05；图6A）。土壤NAG+LAP 活性在中度间伐和重度间伐林分中显著高于对照和轻度间伐林分（P＜0.05；图6B）。土壤AP 活性在不同间伐强度间的大小为中度间伐＞重度间伐＞轻度间伐＞对照，中度间伐的AP 活性分别是重度间伐、轻度间伐和对照的1.19、1.46 和1.75 倍（图6C）。中度和重度间伐的BG∶(NAG+LAP)显著低于对照和轻度间伐，而(NAG+LAP)∶AP 则显著高于对照和轻度间伐（P＜0.05；图6D 和6F）。中度间伐的土壤BG∶AP 显著低于对照21.88%（P＜0.05；图6E）。

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3 讨论

图4 不同间伐强度间土壤微生物生物量碳、氮、磷含量及化学计量比Fig.4 Contents of soil microbial biomass C,N,and P and their stoichiometric ratios among different thinning treatments

图5 不同间伐强度间0～30 cm 土层土壤胞外酶活性Fig.5 Activities of soil extracellular enzymes of the 0～30 cm layers among different thinning treatments

3.1 间伐强度对土壤C、N、P 含量及化学计量特征的影响

间伐显著提高了土壤C、N、P 含量（图2），与山西太岳山华北落叶松人工林的研究结果一致[18-19]。可能是因为间伐可以提高植被的初级生产力，凋落物数量增多、质量提高，从而增加了土壤养分的来源[17]。本研究中，间伐后容重降低，土壤温度和水分增加（表2），土壤环境因子的改善可以提高微生物和土壤酶的活性，加速凋落物和根系的分解，从而促进养分释放，加速养分循环[23-34]。在四种间伐强度中，C、N、P 含量总体上在中度间伐中观测到最大值（图2），可能是因为更有利的小气候和更好的土壤基质数量和质量共同作用[18]。另外，土壤C、N、P 含量呈现出随土层深度增加而垂直递减规律（图1），与已有研究的结果一致[35-36]。

土壤C∶N 是土壤N 矿化能力的指标，通常，土壤C∶N 与土壤有机质分解和N 矿化能力成反比[1]。本研究中，间伐后土壤C∶N 显著降低（图2），表明间伐可以加快有机物分解和N 矿化的速度，提供更多无机氮供植物根系吸收。土壤C∶P 表明P 矿化能力，较低的C∶P 则表明P的有效性较高[37]。本研究中，间伐显著降低了土壤C∶P，且中度间伐中土壤C∶P 最低（图2），表明间伐提高了土壤P 有效性，且中度间伐的P有效性最高。在山西太岳山华北落叶松人工林中，Tian 等[19]研究发现中度间伐显著提高了土壤P 有效性，是因为土壤水分、土壤碳含量及微生物生物量的增加。

图6 不同间伐强度间土壤胞外酶活性及化学计量比Fig.6 Activities of soil extracellular enzymes and their stoichiometric ratios among different thinning treatments

3.2 不同间伐强度对土壤微生物生物量C、N、P含量及化学计量特征的影响

随间伐强度的增大，土壤MBC、MBN、MBP呈现先增加后降低的趋势，在中度间伐处呈现出最大值（图4）。间伐之后林分结构改变，光照和生长空间增加，林下的草本和灌木充分发育，使得凋落物增加，为微生物代谢提供了丰富的底物[38]。土壤环境的变化是改变微生物生物量含量的重要原因[20,34]。本研究中，间伐通过降低容重、提高土壤温度和水分（表2）而改善了土壤环境，更适宜微生物活动，从而增加了土壤微生物生物量。浅层土壤的微生物生物量含量高于深层土壤，这与前人结果一致[38]，表层土壤更靠近凋落物与腐殖质层，深层土壤的可获取外源性养分来源更少。

土壤MBC∶MBN 是土壤中真菌和细菌含量比例指标[10]。相关研究表明，土壤中细菌MBC∶MBN 在3～5 之间，真菌MBC∶MBN 在4～15 之间，土壤MBC∶MBN 与真菌比例通常成正比[11]。间伐提高了土壤MBC∶MBN（图4），表明间伐后土壤中的真菌比例增加。土壤MBN∶MBP 反映微生物对于N 与P 需求的平衡，能有效反映养分限制，即，较低的MBN∶MBP 表明N 限制增大，而较高的MBN∶MBP 表明P 限制增大[11,39]。间伐使MBN∶MBP 降低（图4），表明植物相对于P 而言更需要N 的补充。

3.3 不同间伐强度对土壤胞外酶活性及化学计量特征的影响

间伐提高了土壤胞外酶活性（图6）。与我们的结果相反，Chen 等[20]研究发现间伐降低了杉木人工林土壤BG 活性，可能是由于有机碳供应减少和根系活动减少导致。Cao 等[35]研究发现轻度（15%）和中度间伐（30%）增加了华北落叶人工林的土壤BG 和NAG 活性，是由于间伐增加了凋落物分解速率。本研究得出该结果可能是因为间伐为微生物合成更多的土壤酶提供了更丰富的基质[38]。另外，间伐后土壤温度与土壤质量含水量显著增加（表2）。一般而言，较高的土壤温度和湿度能加快底物和土壤酶的扩散速度，提高胞外酶活性[40]。

根据资源分配理论，微生物可以投资丰富的元素来分泌生态酶以获取相对有限的元素[41]。与对照和轻度间伐相比，中度间伐和重度间伐呈现出更低的BG∶(NAG+LAP)和更高的(NAG+LAP)∶AP（图6），表明中度间伐和重度间伐中N 限制增大。微生物N 限制是一个相对的概念，它取决于其他元素（例如，C 和P）的含量。与对照和轻度间伐相比，中度间伐和重度间伐的MBC∶MBN 较高（图4），而土壤N∶P 和MBN∶MBP 较低（图2和图4），表明中度间伐和重度间伐中N 可用性相对较低、而C 和P 可用性较高，所以促进了微生物合成N 获取酶NAG 与LAP、抑制了微生物合成BG 与AP，进而导致中度间伐和重度间伐中BG∶(NAG+LAP)降低、(NAG+LAP)∶AP 升高。

本研究中，不同间伐强度设置下人工林的BG∶(NAG+LAP)平均值为0.60，低于全球土壤平均值（1.41）[13]和热带土壤平均值（1.83）[14]，(NAG+LAP)∶AP 平均值为0.49，高于全球土壤平均值（0.44）[13]和热带土壤平均值（0.13）[14]，这表明华北落叶松人工林微生物受N 限制。在同一研究地点，Qiu 等[42]研究发现鲜叶N∶P 平均值小于14，这同样表明华北落叶松人工林生长受到N限制。基于植物生长、植物养分状况和土壤肥力的全球数据，Augusto 等[43]发现N 限制是由气候驱动的，恶劣气候下的生态系统比适宜气候下的生态系统更易受N 限制。塞罕坝机械林场所在地气候寒冷干燥、凋落物和死根输入较少与微生物分解活性较低导致N 可利用性低，整体呈现出N限制状态。

本研究土壤样本采集于夏季。华北落叶松人工林土壤环境因子，如土壤表层温度、土壤湿度、光照等受季节影响，同时，土壤微生物及酶的活性、种类及比例等相关性质也随季节动态变化。其次，人工林土壤改良是一个长期、复杂的过程[44]，间伐对土壤的影响因时间而异，且间伐效应随时间的推移可能会消失，为全面科学地理解间伐对土壤养分-微生物-胞外酶化学计量的影响，制定合理的森林经营措施，应进行长期连续观测。