马尾松林转变为杨梅人工林对土壤有机碳和微生物功能多样性的影响

刘海英，蒋仲龙，彭健健，王晓晓，仇智灵，张 勇，，王 增

（1.浙江省公益林和国有林场管理总站，浙江 杭州 310020；2.浙江农林大学 浙江省土壤污染生物修复重点实验室，浙江 杭州 311300；3.台州市万丰林业有限公司，浙江 仙居 317300；4.杭州市临安区植物检疫站，浙江 杭州 311300）

土壤有机碳质量分数及结构受到植物群落演替和人为干扰的显著影响[1]。土壤微生物量碳和水溶性有机碳是土壤中活性较高的有机碳，对林地微环境变化的响应敏感程度远大于土壤有机碳的变化[2]。土壤微生物是土壤最活跃的组分之一，积极参与土壤有机碳转化、养分循环，能敏感地反映土壤生态系统发生的微小变化[3]。

研究表明，随着林龄的增加，油松Pimus tabulaeformis人工林土壤总有机碳和微生物量碳显著升高[4]，橡胶Hevea brasiliensis林土壤有机碳呈现下降趋势[5]。随着种植年限的增加，猕猴桃Actinidia chinensis园土壤微生物功能多样性下降[6]，而杉木Cunninghamia lanceolata-闽楠Phoebe bournei复层林土壤微生物功能和多样性指数均呈增加趋势[7]；天然阔叶林改造为山核桃Carya cathayensis人工林并经5 a强度经营后，林地土壤总有机碳、水溶性有机碳及微生物量碳均显著下降，土壤微生物功能多样性也显著降低[8]。显然，不同森林类型及人为干扰强度对土壤有机碳和微生物的影响存在较大的差异。

马尾松Pinus massoniana是浙江省林分面积最大的树种之一，由于其经济效益较低，往往对其皆伐后，人工改造为杨梅Myrica rubra人工林，浙江省现有杨梅人工林面积9.07×104hm2，在经营过程中将林下灌木、杂草全部去除，造成一定的水土流失。研究表明，随着林龄的增大，杨梅人工林土壤有机碳含量先下降而后升高[9]；生草栽培提高了杨梅林的土壤肥力，优化了果实品质[10-11]。而有关杨梅人工林经营过程中土壤有机碳的数量、质量及土壤微生物功能多样性的变化尚未见报道。本研究在杨梅主产区，通过空间代替时间的方法，以马尾松林为对照，比较研究了3、9、14和21 a杨梅林土壤有机碳及微生物功能多样性的差异，以期为杨梅人工林土壤精准管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于浙江省仙居县福应街道（28°25′～28°52′N，120°23′～120°42′E），有“中国杨梅之乡”之称，海拔140～230 m，属中亚热带季风气候，年均气温为18.3℃，最热的7月平均气温为28.5℃，最冷的1月平均气温为5.6℃，无霜期240 d，历年平均降水量为2 000 mm，年日照时数为1 786.2 h，母岩为花岗岩，土壤为红壤。由于长期强度经营，林下仅有少量的草本植物生长[12]。

1.2 试验设计与取样

表1 样地林分和土壤基本特征Table 1 Basic information of the sample plot

1.3 分析方法

土壤总有机碳含量的测定采用重铬酸钾-硫酸外加热法[13]。水溶性有机碳的测定参考Jones和Willett的方法[14]。微生物生物量碳的测定采用氯仿熏蒸浸提法[15]。

土壤各种碳化学组分采用固态13C核磁共振波谱图方法测定。其基本步骤为：土壤样品HF预处理的方法参考Mathers等[16]进行。经HF预处理过的土壤样品进行固态魔角旋转-核磁共振测定（AVANCE Ⅱ 300MH，布鲁克公司）。实验采用7 mm CPMAS探头，观测频率为100.5 MHz，MAS旋转频率为5 000 Hz，接触时间为2 s，循环延迟时间为2.5 s。化学位移的外标物为六甲基苯（hexamethylbenzene，HMB，甲基17.33 mg·kg-1）。然后对谱峰曲线进行区域积分，获得各种碳化学组分的相对质量分数。如图1所示，可将波谱划分为烷基碳（0～45）、N-烷氧碳（45～60）、烷氧碳（60～90）、缩醛碳（90～110）、芳香碳（110～145）、酚基碳（145～165）和羰基碳（165～210）等7个共振区（括号中的数据表示化学位移）。

图1 杨梅人工林土壤总有机碳的核磁共振图谱Fig.1 13C NMR spectra of total soil organic carbon of M.rubra plantation

疏水C/亲水C=（C0～45+C110～165）/（C45～110+C165～210），其比值越大则土壤有机碳稳定性越高。脂族C0～110/芳香C110～165，该比值越高表明腐殖物质中芳香核结构越少，脂肪族侧链越多，缩合程度越低，分子结构越简单。芳香度（C110～165/C0～165×100%）越大，表明芳香核结构越多，分子结构越复杂。

土壤微生物功能多样性分析采用Biolog Eco检测法，数据处理参照文献[17]进行。计算土壤微生物利用碳源的平均颜色变化率（AWCD）、土壤微生物对碳源利用的多样性Shannon指数（H）和均匀度指数（E），公式如下。

式中：Ci为除对照孔外各孔在590 nm下的吸光值；R为对照孔A1的吸光值，Ci-R小于0的孔，计算中记为0；Pi为第i孔的相对吸光值与整板相对吸光值总和的比率；S为Eco板颜色变化的孔的数目。

1.4 数据处理

试验数据应用SPSS 22.0软件包的单因素方差分析和新复极差法比较不同数据组间的差异，显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 林地土壤有机碳库的变化

随着林龄的增长，杨梅人工林0～10 cm土壤总有机碳质量分数（TOC）表现为升高—下降—升高—稳定的变化趋势（表2），TOC质量分数大小表现为3 a＞CK＞21 a＞14 a＞9 a，其中3年生杨梅人工林土壤的TOC质量分数显著高于其他林龄（P＜0.05），而9年生的显著低于其他林龄（P＜0.05）。

土壤微生物量碳（MBC）和水溶性有机碳（WSOC）与土壤TOC的变化规律相似（表2）。3年生林地土壤MBC和WSOC质量分数均显著高于其他林龄（P＜0.05），而9年生林地土壤MBC和WSOC质量分数均显著低于其他林龄（P＜0.05）。

选用麻醉药和方法需要了解所患肝脏疾病;了解肝脏在药物解毒中的作用;了解药物对肝脏的影响。麻醉者必需了解肝病类型,肝细胞损害程度以及其他可使手术复杂的因素,特别是那些促进出血的因素是否存在。不同的麻醉方法各有其优缺点,选用时应根据手术的类型,结合病人肝功能不全等具体情况作全面考虑。药物的选用应选择直接对肝脏毒性和血流的影响较小的药物,要了解施给麻醉药的技术和术中对病人的管理往往比个别药物的选择更为重要,如术前用药、术中供氧、补充血容量、纠正酸中毒、维持循环稳定等[7]。

土壤MBC/TOC、WSOC/TOC的变化也与土壤TOC的变化规律相似（表2）。3年生林地土壤MBC/TOC、WSOC/TOC显著高于其他林龄（P＜0.05），其中CK林地土壤MBC/TOC显著低于其他林龄（P＜0.05）。

表2 杨梅人工林地不同形态土壤有机碳的变化†Table 2 Soil organic carbon content of M.rubra plantation

2.2 林地土壤有机碳结构的变化

土壤有机碳结构随着林分改变和人为经营而改变。不同土壤有机碳化学组分的百分比如表3所示。与CK相比，人工经营3 a后，土壤芳香碳、酚基碳、羰基碳显著下降了16.5%、24.8%、21.2%（P＜0.05），而N-烷氧碳显著增加了41.0%（P＜0.05）；而后随着林龄的增大，土壤有机碳库稳定性增强。其他碳组分的比例在不同林龄间的差异并不显著。

表3 林地土壤含碳组分在13C NMR谱中的信号强度分布Table 3 Signal intensity distribution of different carbon fractions in the 13C NMR spectra

2.3 林地土壤微生物碳源利用的差异

土壤微生物功能多样性可用Biolog盘中的平均颜色变化率(AWCD)来表示。在土壤微生物培养过程中，人工林地土壤AWCD的变化均表现为3 a＞CK＞21 a＞14 a＞9 a，192 h的AWCD平均值分别为1.414、1.322、1.198、1.143、0.993，经多重比较，3年生土壤微生物AWCD值最大，显著高于9年生的（P＜0.05），其他林龄间没有显著性差异（图2）。

图2 杨梅人工林土壤微生物AWCD的变化Fig.2 Average well-color development (AWCD) of the soil microbes of M.rubra plantation

不同林龄杨梅人工林土壤微生物对碳源利用率差异较大，杨梅人工经营改变了土壤微生物利用不同有机碳源的模式、种类和程度。利用培养192 h的AWCD值，对杨梅土壤微生物利用单一碳源进行主成分分析（PCA）。从图3可知，在PC1轴上，CK和3年生杨梅人工林分布在正方向；9、14和21年生杨梅人工林分布在负方向。在PC2轴上，CK、20年生杨梅人工林分布在正方向，3、9和14年生杨梅分布在负方向上。

图3 杨梅人工林土壤微生物碳源利用率的主成分分析Fig.3 PCA analysis of carbon sources utilization of the soil microorganisms of M.rubra plantation

2.4 林地土壤微生物多样性指数的比较

如表4所示，随着林龄的增长，杨梅人工林土壤微生物对碳源利用的多样性Shannon指数（H）表现为先升高而后下降，其中3年生杨梅人工林的H指数显著高于CK和21 年生杨梅人工林（P＜0.05）；均匀度指数（E）则表现为先下降而后升高，其中3年生的E指数显著低于CK和21年生杨梅人工林（P＜0.05）。

表4 杨梅人工林土壤的微生物功能多样性指数Table 4 Indexes of microbial function diversity in the soil of M.rubra plantation

2.5 林地土壤有机碳与微生物多样性的相关性

由表5可知，土壤水溶性有机碳与总有机碳、微生物生物量碳之间呈现极显著相关（P＜0.01），而与微生物多样性Shannon指数（H）的相关性也达显著性水平（P＜0.05）；土壤总有机碳与平均颜色变化率之间具有显著性正相关（P＜0.05）。微生物生物量碳与土壤微生物多样性Shannon指数（H）之间的相关性也达显著性水平（P＜0.05）；土壤微生物均匀度指数（E）与其他5个指标间为负相关关系，其中与微生物多样性Shannon指数（H）的负相关关系达显著性水平（P＜0.05）。

表5 林地土壤不同形态有机碳与微生物功能多样性的相关系数†Table 5 Correlation coefficients between soil microbial functional diversity and soil carbon

3 讨 论

3.1 土壤有机碳库对土地利用变化及人为经营的响应

地上植被的变化及人为经营活动显著影响着土壤有机碳的质量分数、组成和结构[18]。马尾松纯林土壤有机碳质量分数显著高于马尾松-阔叶混交林[19]。本研究中，马尾松林转换为杨梅人工林初期，即3年生杨梅林地土壤TOC、MBC、WSOC、MBC/TOC和WSOC/TOC质量分数显著上升，分别提高了26.9%、111.5%、103.6%、66.7%和59.7%（P＜0.05）；而9年生杨梅林地土壤TOC和WSOC质量分数则显著下降了26.5%和16.1%；随着经营时间的延长，土壤不同形态有机碳质量分数又有所提高。21年生杨梅人工林土壤，MBC、WSOC、MBC/TOC、WSOC/TOC显著提高了34.5%、24.4%、51.7%和40.3%（P＜0.05），而TOC仅下降了11.6%。与天然阔叶林改造为山核桃林后土壤TOC、MBC和WSOC质量分数显著下降[8]的结果不符，这主要是由于研究对象、林龄和人为经营措施的差异所造成的。造林初期，枯枝落叶、林下灌草等大量有机物料经过整地后翻耕入土，种植杨梅需施入基肥30 t·hm-2，在阳光直射地面后，加快了有机物料的转化速率，增加了土壤有机碳的积累，从而造林3 a后，土壤不同形态有机碳显著升高，这与强度森林抚育显著提升了土壤有机碳的研究结果相似[20]。随着时间的推移，人为强度经营后，灌木层、草本层缺失，土壤有机碳矿化速度加快，林地水土流失严重，从而导致土壤有机碳质量分数下降，即经过9 a的人为经营，土壤不同形态有机碳分数显著下降；随着林龄的继续增大，林分郁闭度提高及有机肥的施用等，土壤有机碳质量分数稳步提升且趋于稳定，达到新的平衡。这与杉木人工林土壤有机碳质量分数随着林龄的增加而逐渐积累的研究结果相似[21]。

烷基碳/烷氧碳比值可作为有机碳分解程度的指标[22]，疏水C/亲水C的比值越大表明土壤有机碳稳定性越高[23]。脂族碳/芳香碳的比值越高表明土壤有机碳分子结构越简单。芳香度（C110～165ppm/C0～165ppm×100%）越大指示土壤有机碳分子结构越复杂。与马尾松林相比，林龄为3 a的杨梅人工林土壤有机碳结构发生了改变，烷基碳/烷氧碳、疏水碳/亲水碳的比值分别下降了17.9%和18.5%，说明了土壤中易分解有机碳的比例相对增加。脂族碳/芳香碳的比值上升了41.39%，而芳香度则下降了20.0%，这也说明了土壤中有机碳分子结构变得简单。而后随着杨梅经营历史的延长，林地土壤烷基碳/烷氧碳、疏水碳/亲水碳和芳香度等表征有机碳库稳定性的标指也随着增大，20 a后其数值接近马尾松林，表明碳库稳定性增强。在杨梅经营过程中，土壤中碳组分的变化与上述研究中TOC、WSOC 和MBC的变化规律也是一致的。这与吴家森等[8]研究的天然阔叶林改造为山核桃林并长期经营后，土壤碳库的稳定性显著增加的结果相似。

3.2 土壤微生物功能多样性对土壤利用变化及人工经营的响应

马尾松林改造为杨梅林并经后期的人工经营，土壤微生物功能的变化趋势表现为上升—下降—上升—稳定的规律，与马尾松林相比，9年生杨梅人工林土壤AWCD值下降了24.9%（P＜0.05），显著低于其他年龄段。3年生杨梅人工林土壤的Shannon指数最大，而均匀度指数则最小（P＜0.05）。导致这种差异的原因主要是地上植物组成的差异，植物残体、根的生物量、根系分泌物量不同[24]。马尾松林改造为杨梅纯林初期，林分的改变、大量枯枝落叶及有机肥的施入，增加了土壤中有机物料的种类和成分，而后随着人为经营强度的增加和土壤有机碳的进一步矿化，土壤微生物功能多样性显著降低，而后随着杨梅植株的生长和林分的郁闭，土壤微生物功能多样性也随着增强，这与落叶松人工林的研究结果相似[25]。而与阔叶林改造为山核桃林后初期土壤有机碳和微生物的变化并不一致[8]，这主要是因为改造前的森林类型不同造成的，本研究改造前的林分为马尾松，相较于阔叶林枯枝叶片的分解相对较慢，从而改造3年后土壤有机碳和微生物功能多样性显著提高。

3.3 局限与展望

本论文仅以仙居县境内的马尾松林转变为杨梅人工林土壤进行研究，因此本研究的土壤有机碳及微生物功能多样性的变化规律能否代表各地杨梅人工林的土壤变化规律还有待进一步的研究，未来可结合在不同地区的杨梅人工林土壤指标数据探究不同林龄的杨梅人工林。本研究对于土壤微生物仅进行了功能多样性的研究，未来可以进一步研究微生物的PLFA和群落多样性，结合不同土壤酶的变化，更深入探讨人为经营过程中杨梅林地土壤微生物的变化。今后还可对土壤有机碳的形态、矿物特征及与杨梅地上部分的生长关系进一步深化，从而为杨梅人工林的绿色发展提供技术支撑。

4 结 论

马尾松林改造为杨梅纯林并经人工经营后，林地土壤有机碳质量分数表现为上升—下降—上升—稳定的变化趋势，有机碳结构也发生了显著变化。人工造林初期（3 a），林地土壤TOC、MBC、WSOC、MBC/TOC和WSOC/TOC显著提高 了26.9%、115.5%、103.6%、66.7%和59.7%（P＜0.05），而芳香度则显著下降了20.0%，碳库稳定性降低；杨梅人工经营9 a后，土壤TOC和WSOC质量分数显著下降了26.5%和16.1%，而后随着经营历史的延长，不同形态有机碳质量分数上升并保持在相对稳定的水平，土壤有机碳库的稳定性增强。

土壤微生物功能多样性（AWCD值）以3 a的杨梅人工林土壤最高，而9 a的林地土壤最低（P＜0.05），3 a林地土壤的Shannon指数最大，均匀度指数则最低（P＜0.05）。人工经营改变了土壤微生物利用碳源的模式，马尾松林及杨梅人工林造林初期与经营9 a后的杨梅林地土壤微生物功能多样性差异较大。

在杨梅人工林经营过程中，提倡适当种植绿肥或保留天然生草、施用有机肥等措施，从而保持杨梅人工林土壤质量的可持续性。