亚热带-暖温带过渡区不同林型土壤理化性质及土壤微生物量分析

朱雅,王敏,刘玉丽,石仁坤,杨雪芹，苗仁辉

（1.河南科技学院 资源与环境学院,河南 新乡 453003;2.河南科技学院 园艺园林学院,河南 新乡 453003;3.河南大学生命科学学院,河南 开封 475004；4.河南科技学院生命科技学院，河南 新乡 453003）

森林土壤是森林生态系统的重要结构和功能组成部分之一,为植被的生长发育提供了必要的环境和营养物质[1].土壤发生层是由成土作用形成的平行于地表具有发生学特征的土层,为土壤剖面上表现出的水平层状构造,反映了土壤形成过程中物质的迁移、转化和累积的特点.在不同深度土层中,土壤容质量、土壤含水量、土壤呼吸、养分含量、微生物多样性等指标差异显著,随土壤深度增加,土壤碳、氮、磷等养分含量呈现出垂直结构变化[2].枯枝落叶层是森林有机碳和养分的储库,同时是土壤养分的重要来源.土壤微生物作为分解者是生态系统中物质循环和能量流动的关键枢纽,它们使有机物质分解,释放养分,供植物生长利用.土壤微生物受到森林净初级生产力、植物碳分配、根际活动和凋落物输入量等的共同影响[3].一般认为土壤pH值和碳氮比值是决定土壤微生物群落结构的重要因素,土壤微生物生物量碳氮细微变化都会导致土壤性质的变化[4].因此,为了研究土壤养分的变化,我们需要研究土壤微生物生物量碳氮的变化,以及由土壤微生物所引起的速效氮等相关方面的变化.

森林资源清查结果显示,我国人工林整体面积为5 300万hm2,总蓄积量150 500万m3,占全世界人工林面积的1/3,目前以平均42万hm2/a速度持续增加,发展程度和速度均处于世界领先水平[5].人工林具有分布均匀,速生丰产,便于加工利用,经济效益高等特点.研究区域信阳市位于秦岭-淮河一线附近,是亚热带和暖温带的交界区,气候环境独特,对环境变化较为敏感.该地区种植有大量马尾松纯林、麻栎纯林和马尾松-麻栎混交林等,这些均是适合当地生存的林型,究竟哪种林型更适合于当地生长,需要通过研究土壤理化性质和微生物学特性来解释,进而为该地区人工林的种植提供理论依据和技术支撑.本文以马尾松纯林、麻栎纯林、马尾松-麻栎混交林三种林型为主要研究对象,探讨三种林型间不同深度下土壤理化性质和土壤微生物生物量碳氮的差异,得出不同林型对土壤养分的影响规律,为气候过渡区人工林合理经营和可持续管理提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地区位于河南大别山森林生态系统国家野外科学观测研究站（32°06′N,114°01′E）,该地区是中国亚热带与暖温带的地理分界,气候类型为大陆性季风气候,森林覆盖面积90%以上,平均海拔在250 m左右,年均气温15.2℃,7月平均气温27.2℃,1月平均气温1.6℃.年均降水量1 061.7 mm,其中大约70%的降水发生在生长季节（5月至10月）.土壤为黄棕壤、潮土和亚类黄褐土,土壤pH值在4.1~4.5之间.该地区典型植被类型为马尾松（Pinus massoniana）纯林、麻栎（Quercus acutissima）纯林和马尾松-麻栎混交林.主要乔木树种有马尾松、麻栎、栓皮栎（Q.variabilis）和枫香（Liquidambar formosana）等.

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计在研究区域选取有代表性的马尾松纯林、麻栎纯林和马尾松-麻栎混交林三种典型林型,林龄均为20 a,样地面积均大于1 hm2.每种林型随机设置6块10 m×10 m小区,每个小区随机选取五点采集土样,同层土样混合成一个样品装入自封带内带回实验室测定.取样深度分别为L层、Oi层、Oe层、Oa层.取样层次划分主要根据颜色、质地、紧实度、结构、根系、侵入体等几个主要特征.落叶层（L层）：生理性落叶、落枝、凋落的树皮及花果杂物等地表凋落物形成的,疏松、富有弹性、蓄水透水性强.半分解层（Oi层）：已分解的或半分解的枯枝落叶粗有机物质为主的土层.腐殖质层（Oe层）：含有腐殖质的土壤表层,特征是色暗、疏松,一般在10 cm以上.矿化层（Oa层）：物质淋溶下移后淀积而成,矿质养分含量丰富.采集的样品一部分用来测定土壤微生物生物量碳、氮以及速效氮;另一部分自然风干后过2 mm筛,用来测碳、氮、磷等指标.

1.2.2 测定指标及方法土壤及植物样品全碳（TC）、全氮（TN）的测定：样品用球磨仪研磨后过100目筛,锡纸包样后用土壤碳氮元素分析仪（Elemental Analyzer Vario ELIII,Elementar,德国）测定.

土壤及植物样品全磷（TP）的测定：①取0.2 g磨碎后的样品置于消煮管中,加浓硫酸10 mL和15滴高氯酸,270℃消煮后冷却定容至500 mL,然后用Smartchem200全自动化学分析仪（法国AMS Alliance公司）测定.②称取0.2 g植物样品于消煮管中,用水润湿样品,加入5 mL浓硫酸,在消煮炉上370℃消解,消解期间加入15滴过氧化氢,消解后冷却定容至500 mL,用全自动化学分析仪测定.

土壤速效氮的测定：新鲜土样过2 mm筛后,称取10 g于烧杯中,再加入2 mol/L氯化钾溶液50 mL,置于摇床上1 600 r/min震荡1 h.静置后将上清液用定性滤纸过滤,过滤液体用Smartchem 200全自动化学分析仪（法国AMS Alliance公司）测定.

土壤微生物生物量碳（MBC）和土壤微生物生物量氮（MBN）的测定：采用氯仿熏蒸-浸提法测定[6].

1.3 数据处理

用Excel 2016进行常规数据的统计分析及作图.用SPSS 16.0对不同取样深度不同林型各土壤理化性质及微生物量指标进行方差分析,并用LSD法进行多重比较.统计分析显著性在0.05水平下进行.

2 结果与分析

2.1 不同林型间土壤理化性质的差异比较

2.1.1 土壤全碳含量差异比较三种林型不同取样深度全碳差异比较,如图1所示.

图1 三种林型不同取样深度全碳的比较Fig.1 Comparison of total carbon in three forest types at different sampling depths

由图1可以看出,在不同土层中,L层中全碳含量均表现为针叶林＞阔叶林＞针阔混交林.Oi层中阔叶林的含全碳量仅为14.41 g/kg,显著低于针叶林和针阔混交林.在Oe和Oa层针阔混交林的含全碳量仅为7.69 g/kg和6.96 g/kg,均低于针叶林和阔叶林的全碳含量,针阔混交林的全碳含量在腐殖质层和矿化层出现显著下降.

2.1.2 土壤全氮含量差异比较三种林型不同取样深度全氮差异比较,如图2所示.

图2 三种林型不同取样深度全氮的比较Fig.2 Comparison of total nitrogen in three forest types at different sampling depths

由图2可以看出,在不同土层中,L层中三种林型全氮含量较低,Oi层全氮含量表现为针叶林＞针阔混交林＞阔叶林（P＜0.05）.在Oe层和Oa层针叶林和阔叶林的全氮含量出现明显增加,Oe层针叶林和阔叶林含全氮量分别为10.20 g/kg、10.23 g/kg.而针阔混交林的含全氮量在Oe层和Oa层分别为1.15 g/kg、1.33 g/kg,针阔混交林含全氮量整体较低.

2.1.3 土壤全磷含量差异比较三种林型不同取样深度全磷差异比较,如图3所示.

图3 三种林型不同取样深度全磷的比较Fig.3 Comparison of total phosphorus in three forest types at different sampling depths

由图3可以看出,在不同土层中,L层中全磷含量表现为针阔混交林高于针叶林和阔叶林,阔叶林全磷含量略高于针叶林.Oi层中三种林型含全磷量较L层分别增加了0.06 g/kg、0.18 g/kg、011 g/kg,阔叶林和针阔混交林含全磷量高于针叶林.在Oe层阔叶林含全磷量仅为0.12 g/kg,显著低于针叶林和针阔混交林.Oa层针阔混交林全磷含量显著低于针叶林和阔叶林.

2.1.4 土壤铵态氮和硝态氮含量差异比较三种林型不同取样深度土壤铵态氮、硝态氮土壤含量差异,如图4所示.

图4 三种林型不同取样深度土壤铵态氮、硝态氮土壤含量差异Fig.4 Differences in soil contents of NH4+ and NO3- in three forest types at different sampling depths

由图4可以看出,硝态氮和铵态氮含量在Oe层和Oa层中三种林型间均无显著差异.Oa层中针叶林、阔叶林、针阔混交林中的含铵态氮量分别比Oe层低74%、69%、76%,表现为随土层加深而不断降低的趋势.在三种林型中,阔叶林中的硝态氮和铵态氮在Oe层和Oa层的含量均低于针叶林和针阔混交林的含量,但差异不显著.

2.2 不同林型间土壤微生物生物量碳氮的差异比较

三种林型不同取样深度MBC（A）、MBN（B）土壤含量差异,如图5所示.

图5 三种林型不同取样深度MBC、MBN土壤含量差异Fig.5 Differences in soil contents of MBC and MBN in three forest types at different sampling depths

由图5可以看出,土壤微生物生物量碳在Oe层表现为针阔混交林＞阔叶林＞针叶林,在Oa层则是针叶林＞阔叶林＞针阔混交林,土壤微生物生物量碳含量在三种林型中无显著差异.土壤微生物生物量氮在Oe层表现为针阔混交林的含量显著低于针叶林和阔叶林,在Oa层三种林型无显著差异.三种林型中土壤微生物生物量碳氮含量都随土层加深而逐渐降低.

3 讨论

不同的森林生态系统类型,其凋落物产量及分解、根系周转速率的差异,造成了地表凋落物的储量及其组成、土壤各层的厚度及其有机物含量的不同,进而造成了土壤的理化性质和微生物生物量的差异[7].而凋落物在微生物的作用下分解释放可被植物吸收利用的养分元素,是土壤营养的重要来源[8].

碳、氮、磷指标是土壤中重要的生源要素,反映了土壤养分贮存供应能力及养分动态.植物枯落物分解：分归还、土壤的恢复进程、生态因子作用即人类活动等内外因素对土壤碳、氮、磷的特征均会产生重要影响[9].本研究发现：三种林型中全碳含量差异显著,在腐殖质层和矿化层马尾松-麻栎混交林全碳含量显著低于纯林,结果表明混交林养分分解能力及转化速率较快,从而提高了林地表层的土壤肥力,改善土壤条件.而在两种纯林中,针叶林的全碳含量要高于阔叶林,且针叶林全碳含量随土层深度变化较小,马钦彦等[10]研究发现针叶树种的各器官平均含C量比阔叶树种高1.6%~3.4%,养分释放慢,本研究结果与其一致.三种林型全氮含量在落叶层和半分解层含量较低,这可能与分解时的土壤温度、湿度有关.纯林的全氮含量集中在腐殖质层和矿化层,可能是由于腐殖质层土壤水热条件和通气状况好,细根的快速周转,根际微生物活跃,很容易被土壤微生物所分解,矿质层物质迁移转化养分含量丰富.整体来看,针叶林全磷含量低于阔叶林和纯林,这与黄文娟等[11]发现针阔混交林的土壤有效磷含量高于马尾松林的结果一致,这是由于针叶叶片革质,透水透气性较差,不利于有机磷的分解和转化.半分解层三种林型全磷含量均较高,原因是经过落叶层的沉积与淋溶作用表层土壤营养元素含量丰富,腐殖质层阔叶林和针阔混交林的全磷含量出现急剧下降,这是因为阔叶林和针阔混交林枯枝落叶物较多,腐殖质层中有较高的细根生物量促进磷的直接吸收[12].

土壤中速效氮是植物能够直接快速吸收利用的营养物质,土壤速效氮主要受氮矿化的影响[13].阔叶林中硝态氮和铵态氮含量低于针叶林和针阔混交林,但差异不显著,是由于阔叶林树种丰富,土壤养分吸收快,氮固持能力较低.三种林型的土壤微生物生物量碳、氮含量都随土层加深而逐渐降低,这说明表层土壤生境环境优越有利于微生物的生长和繁殖.随着土层的加深,微生物生境条件变差,影响微生物生物量的分布,其土壤微生物量就明显低于上层[14].土壤微生物生物量碳和速效氮含量在三种林型间均无显著差异,这说明三种林型间土壤肥力差异并不大,这与Huang等[15]和张坤等[16]的研究发现有效性氮是微生物活动和分解的主要制约因素的结果一致.土壤微生物生物量氮在腐殖质层表现为针阔混交林的含量显著低于针叶林和阔叶林,这与土壤全氮含量表现趋势一致,是因为微生物量氮转化为可被植物直接吸收的速效氮,土壤微生物能调节土壤中的氮素,让有效氮素维持一个平衡状态.

4 结论

从本试验结果来看,整体上针叶林和阔叶林中的全碳含量高于针阔混交林;三种林型的全氮含量在落叶层和半分解层较低,随着土层的加深,纯林全氮含量显著增加,而针阔混交林则有所下降;全磷含量在针阔混交林中含量高于针叶林和阔叶林.不同林型对土壤速效氮和微生物量碳含量无明显影响,仅在腐殖质层混交林的微生物量氮含量显著低于纯林,并且土壤微生物微生物量碳、氮随着土层的加深呈现出下降的趋势.综合分析可以看出在亚热带-暖温带气候过渡区种植马尾松纯林更有利于土壤养分的积累,但要获得更可全面的试验结论,还需要进一步研究其土壤养分状况差异及其影响机制.