采伐剩余物對(duì)林地表層土壤生化特性和酶活性的影響

吳波波，郭劍芬,*，吳君君，任衛(wèi)嶺，劉小飛，楊玉盛

(1. 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福州 350007; 2. 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007)

采伐剩余物對(duì)林地表層土壤生化特性和酶活性的影響

吳波波1,2，郭劍芬1,2,*，吳君君1,2，任衛(wèi)嶺1,2，劉小飛1,2，楊玉盛1,2

(1. 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福州 350007; 2. 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007)

對(duì)福建省大武夷山常綠闊葉林野外站三明觀測(cè)點(diǎn)的35年生米櫧天然更新次生林皆伐后采伐剩余物進(jìn)行不同處理(火燒LB、保留LR)后表層土壤(0—10 cm)主要生化特性、芳香性指數(shù)、腐殖化程度以及酶活性進(jìn)行研究。結(jié)果表明：半年后，與LB相比，LR土壤可溶性有機(jī)碳、可溶性有機(jī)氮和微生物量碳含量分別增加92%、105%和39%，土壤有效磷含量和代謝熵值下降42%和68%，土壤酸性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶和纖維素水解酶活性增加了3.3倍、2.8倍和2.1倍，酚氧化酶活性下降了34%(P<0.05)。LR土壤芳香性指數(shù)(4.99±2.39)較低，腐殖化指數(shù)(1.72±0.01)較高，但與LB均無顯著差異(P> 0.05)。1a后，LB除土壤β-葡萄糖苷酶活性略有降低外，其他3種土壤酶活性較半年前均顯著上升。土壤有機(jī)碳、全氮、可溶性有機(jī)碳氮、有效磷、土壤碳礦化速率和土壤腐殖化指數(shù)較半年時(shí)顯著下降，其中土壤可溶性有機(jī)碳含量減少近80%，代謝熵減少近68%(P<0.05)。LR土壤芳香性指數(shù)(10.58±0.34)較半年前顯著增加(P<0.05)。處理1a后LB土壤有效磷含量(1.71±0.12) mg/kg顯著高于LR，但LR土壤可溶性有機(jī)碳、可溶性有機(jī)氮含量和土壤碳礦化速率較LB仍明顯更高(P< 0.05)?？梢姡煞ナＳ辔锊煌幚韺?duì)森林土壤質(zhì)量存在不同程度的影響，保留采伐剩余物有利于改善林地水熱條件和養(yǎng)分循環(huán)，對(duì)地力的維持有利。

采伐剩余物；土壤生化特性；酶活性

有關(guān)采伐剩余物的研究以往主要集中在采伐剩余物的分解及其影響因素等方面[1]，而關(guān)于采伐剩余物不同處理對(duì)森林土壤質(zhì)量的影響研究較少。目前在我國南方林區(qū)常用火燒來清理采伐剩余物，火燒對(duì)土壤的影響主要包括土壤結(jié)構(gòu)的改變或破壞[2]、土壤有機(jī)質(zhì)的減少[3]、土壤養(yǎng)分的下降[4]等，而Arcenegui實(shí)驗(yàn)認(rèn)為火燒會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的增加[5]，McIntosh發(fā)現(xiàn)采伐剩余物火燒短期能增加表層土壤的養(yǎng)分有效性[6]，尤其在酸性缺磷的土壤中，火燒后有效磷會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的增加[7]。采伐剩余物是林地土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分元素的重要來源，經(jīng)分解和淋溶作用自然腐爛后可以增加土壤有機(jī)碳含量[8]。Gómez-Rey認(rèn)為保留采伐剩余物將會(huì)帶來表土層氮損失增加，這些氮損失又將影響更新林分的生長和生產(chǎn)力[9]，因此采伐剩余物不同處理方式對(duì)土壤生態(tài)過程的影響得到了林學(xué)家和生態(tài)學(xué)家的高度重視。

土壤質(zhì)量不僅取決于土壤的理化性質(zhì)，而且與土壤的生物學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。由于土壤微生物量轉(zhuǎn)化速率比較快，同時(shí)又是土壤養(yǎng)分的重要來源，因此在土壤養(yǎng)分循環(huán)過程中起著十分重要的作用[10]。土壤微生物代謝熵(qCO2，即土壤微生物呼吸釋放的CO2-C 量與土壤微生物量碳比值)的變化能夠反映土壤微生物對(duì)土壤碳的利用效率和土壤生態(tài)系統(tǒng)演化的程度及其受干擾程度[11]。芳香性指數(shù)能夠反映芳香化合物的含量，液相1H核磁共振的結(jié)果表明254 nm的紫外吸光值與芳香H的含量呈正相關(guān)關(guān)系[12]。腐殖化指數(shù)可以用來表征土壤的腐殖化程度[13]。此外，土壤酶直接參與土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分釋放和固定過程，能夠表征土壤C、N、P 等養(yǎng)分的循環(huán)狀況[14]。有關(guān)酶活性的研究目前主要集中于土壤酶活性狀況及其影響因素和土壤酶活性與其理化性狀的關(guān)系方面[15]，對(duì)不同林地干擾下土壤酶活性變化則報(bào)道較少。

我國濕潤亞熱帶是全球同緯度帶少有的“綠洲”，分布著世界上面積最大、最典型的常綠闊葉林，是全球亞熱帶生物多樣性的中心。同時(shí)，本區(qū)降雨量豐富且集中，加上山高、坡陡，以花崗巖發(fā)育土壤抗蝕性差，山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，對(duì)人類干擾響應(yīng)極為敏感。本文著重從森林表土生化特性及酶活性角度，比較采伐剩余物不同處理方式的影響差異，這有助于進(jìn)一步深入了解不同強(qiáng)度人為干擾對(duì)森林土壤生態(tài)過程的影響，為地力維持及森林的合理經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣地概況

試驗(yàn)地設(shè)在福建省三明市金絲灣森林公園陳大林業(yè)采育場(chǎng)(26°19′ N，117°36′ E)，樣地總面積達(dá)到17.1 hm2。地處戴云山脈西北面、武夷山脈東南面，是以低山丘陵為主的山區(qū)；平均海拔330 m，平均坡度30—40°，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫18.5℃，年均降雨量1745 mm(主要集中在3—8月份)，年均蒸發(fā)量1585 mm，相對(duì)濕度81%。土壤為黑云母花崗巖發(fā)育的紅壤，土壤厚度超過1 m。土壤基本性質(zhì)見表1。

1.2 樣地設(shè)置及采樣方法

擬采伐林分為1978年經(jīng)強(qiáng)度擇伐后天然更新的次生林，喬木層主要有米櫧(Castanopsiscarlesii)、閩粵栲(Castanopsisfissa)、木荷(Schimasuperba)等，以米櫧占優(yōu)勢(shì)，其平均樹高19.7 m，胸徑13.5 cm，密度2650株/hm2，林下植被主要有狗骨柴(Tricalysiadubia)、毛冬青(Ilespubescens)、矩圓葉鼠刺(Iteachinensis)、沿海紫金牛(Ardisiapunctata)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)等。

表1 米櫧次生林土壤性質(zhì)

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差

2012 年3 月28 日對(duì)米櫧天然更新次生林進(jìn)行皆伐，采伐剩余物設(shè)置兩種處理，即保留(LR)、火燒(LB)。LR采用傳統(tǒng)的“stem-only”方法進(jìn)行皆伐，只取走具商業(yè)價(jià)值的干材和皮，其它有機(jī)物質(zhì)部分裝入180個(gè)分解袋并按隨機(jī)加局部控制的原則分別位于上、中、下坡均勻分布(每個(gè)坡面60袋，共5列，每列12袋，分別為葉、枝，細(xì)枝、中等枝和粗枝)；LB即傳統(tǒng)的處理方法，伐后采伐剩余物(葉子和細(xì)枝)留在原地進(jìn)行火燒。每種處理面積約20 m × 20 m，各處理3個(gè)重復(fù)，6塊樣地立地條件相似，按隨機(jī)區(qū)組排列。

半年和1a后，在每個(gè)LR處理樣地的180個(gè)分解袋下分別隨機(jī)選取10個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)LB處理樣地的上、中、下坡隨機(jī)選取10個(gè)采樣點(diǎn)，用直徑4 cm的土鉆取0—10 cm深的表層土壤，然后充分混合成一個(gè)土樣，一共6袋，之后迅速帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)分析。每個(gè)土樣分兩個(gè)部分，一部分4℃保存用于土壤微生物量碳、土壤碳礦化、土壤酶活性等測(cè)定；另一部分在室溫下風(fēng)干，分別過2 mm和0.125 mm篩，用于土壤基本化學(xué)性質(zhì)測(cè)定。

1.3 分析方法

土壤有機(jī)碳氮用德國Elemantar vario MAX碳氮元素分析儀測(cè)定；可溶性有機(jī)碳用總有機(jī)碳測(cè)試儀TOC-VCPH測(cè)定；全磷采用硫酸-高氯酸消煮法提取待測(cè)溶液；氨氮、硝氮、亞硝氮、有效磷和全磷用連續(xù)流動(dòng)分析儀skalar san++測(cè)定。

土壤微生物量碳用氯仿熏蒸浸提方法并用連續(xù)流動(dòng)分析儀skalar san++測(cè)定，微生物量碳計(jì)算公式:微生物量C=EC(熏蒸后土壤浸提出的有機(jī)碳量-未熏蒸土壤浸提出的有機(jī)碳)/kEC(其中kEC= 0.38)。土壤礦化釋放CO2量用堿液吸收鹽酸滴定法測(cè)定。土壤酶活性分析按Saiya-Cork和Sinsabaugh方法測(cè)定，提取待測(cè)液體用Synergy H4多功能酶標(biāo)儀測(cè)定。

芳香性指數(shù)(AIX)是254 nm紫外吸光值(cm-1)乘以100(m-1)，再除以溶液可溶性有機(jī)碳的濃度(mg/L)；腐殖化指數(shù)(HIX)定義為發(fā)射光譜中∑435—480 nm與∑300—345 nm的面積比(以上相關(guān)實(shí)驗(yàn)全部通過3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)完成)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel整理后, 采用SPSS17.0軟件包進(jìn)行單因素方差(One-Way ANOVA)，不同處理之間多重比較采用LSD方法。繪圖由excel軟件完成。

2 結(jié)果

2.1 采伐剩余物不同處理方式下次生林表土的化學(xué)性質(zhì)

采伐剩余物不同處理方式對(duì)次生林表土化學(xué)性質(zhì)影響不同(表2)。半年內(nèi)，2種處理土壤間有機(jī)碳、全氮、全磷、硝態(tài)氮和亞硝氮均無顯著差異(P> 0.05)。與LB相比，LR土壤可溶性有機(jī)碳氮含量明顯更高(P<0.05)，其中可溶性有機(jī)氮含量(7.61±1.41) mg/kg是LB的2.05倍。LB土壤有效磷含量(2.23±1.77) mg/kg顯著高于LR(1.30±0.29) mg/kg (P< 0.05)。LB土壤氨氮含量顯著低于LR(P< 0.05)。1a后，LB較半年前土壤的氨氮、硝態(tài)氮和亞硝氮含量顯著增加，而有機(jī)碳、全氮、可溶性有機(jī)碳氮含量、有效磷含量顯著下降(P< 0.05)，LR變化趨勢(shì)與其一致，其中LB土壤可溶性有機(jī)碳含量(11.68±2.77) mg/kg減少近80%。處理1a后LB土壤有效磷含量(1.71±0.12) mg/kg顯著高于LR，但LR可溶性有機(jī)碳氮含量和土壤碳礦化速率較LB仍明顯更高(P< 0.05)。

2.2 采伐剩余物不同處理對(duì)次生林表土微生物學(xué)性狀影響

從表3可見，處理半年時(shí)LR土壤微生物量碳含量(317.58±79.14) mg/kg是LB的1.38倍，代謝熵(3.90±0.20) μg mg-1h-1比LB低68.06%(P<0.05)。土壤微生物熵LR>LB，但差異不顯著(P> 0.05)。LB土壤礦化釋放CO2量為(2.70±0.14) μg mg-1h-1，明顯高于LR(1.23±0.23) μg mg-1h-1。1a后，LR土壤微生物量碳、土壤碳礦化、代謝熵和微生物熵較半年前有所上升，其中土壤碳礦化速率(1.86±0.08) μg mg-1h-1顯著高于LB(P<0.05)。LB土壤微生物量碳和微生物熵較半年前顯著上升，土壤碳礦化顯著減少，代謝熵(4.76±0.40) μg mg-1h-1顯著減少近68%(P<0.05)。

表2 采伐剩余物不同處理方式土壤化學(xué)性質(zhì)

平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同一列標(biāo)有不同小寫字母的表示不同處理間差異顯著，標(biāo)有不同大寫字母的表示同一處理不同取樣時(shí)間之間差異顯著(P< 0.05)

表3 采伐剩余物不同處理方式土壤微生物學(xué)特征

注：平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同一列標(biāo)有不同小寫字母的表示不同處理間差異顯著，標(biāo)有不同大寫字母的表示同一處理不同取樣時(shí)間之間差異顯著 (P< 0.05)

2.3 采伐剩余物不同處理對(duì)次生林表土芳香性和腐殖化程度影響

由圖1看出，處理半年時(shí)與LB相比，LR土壤芳香性指數(shù)(4.99±2.39)較低，腐殖化指數(shù)(1.72±0.01)較高，但均無顯著差異(P> 0.05)。1a后，LR土壤芳香性指數(shù)(10.58±0.34)較半年前顯著增加，并顯著高于LB1.6倍之多(P<0.05)。LB土壤腐殖化指數(shù)(1.20±0.13)較半年前顯著降低，比LR小36.5%。

2.4 采伐剩余物不同處理對(duì)次生林表土酶活性影響

采伐剩余物各處理對(duì)土壤酶活性影響不同(表4)。半年時(shí)LR土壤酸性磷酸酶(180.01±3.61) nmol g-1h-1、β-葡萄糖苷酶(13.21±1.77) nmol g-1h-1、纖維素水解酶(0.39±0.01) nmol g-1h-1活性均顯著高于LB，而酚氧化酶(54.59±4.16) nmol g-1h-1活性顯著低于LB(P<0.05)。1a后，除β-葡萄糖苷酶活性略有降低外，LB其他3種土壤酶活性較半年前均顯著上升(P<0.05)，其中酚氧化酶(364.39±5.62) nmol g-1h-1增加近4.5倍并與LR有顯著差異(P<0.05)，其他幾種酶與LR無顯著差異(P> 0.05)。LR土壤酸性磷酸酶和β-葡萄糖苷酶活性較半年前有所下降，酚氧化酶(83.67±5.27) nmol g-1h-1活性顯著增加(P<0.05)，纖維素水解酶活性也有所增加。

3 討論

3.1 采伐剩余物對(duì)次生林表土化學(xué)性質(zhì)的影響

處理半年時(shí)，和LB相比，LR土壤可溶性有機(jī)碳氮含量較高，有研究表明這是由于采伐后剩余物的可溶性有機(jī)碳氮易被雨水淋洗進(jìn)入土壤表層造成的[16]。1a后，分解基本結(jié)束，部分地表植被開始恢復(fù)，這也導(dǎo)致林地表層土壤養(yǎng)分因植被恢復(fù)時(shí)被大量吸收而減少[17]。隨著時(shí)間的推移，林地表層土

圖1 采伐剩余物不同處理方式土壤芳香性指數(shù)和腐殖化指數(shù)Fig.1 Soil aromaticity index and humification index in different treatments of logging residue 直方柱上標(biāo)有不同小寫字母的表示不同處理間差異顯著，標(biāo)有不同大寫字母的表示同一處理不同取樣時(shí)間之間差異顯著 (P < 0.05)

處理Treatment時(shí)間Time/a酸性磷酸酶Acidphosphatase/(nmolg-1h-1)β-葡萄糖苷酶β-1，4-glucosidase/(nmolg-1h-1)纖維素水解酶Cellobiohydrolase/(nmolg-1h-1)酚氧化酶PhenolOxidase/(nmolg-1h-1)LR0．5180．01±3．61aA13．21±1．77aA0．39±0．01aA54．59±4．16aALB54．01±1．12bA4．71±0．68bB0．19±0．01bA82．17±6．78bALR1170．03±3．57aA9．45±2．12aB0．41±0．09aA83．67±5．27aBLB149．12±2．71aB4．37±2．12aB0．35±0．01aB364．39±5．62bB

平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同一列標(biāo)有不同小寫字母的表示不同處理間差異顯著，標(biāo)有不同大寫字母的表示同一處理不同取樣時(shí)間之間差異顯著 (P< 0.05)

壤可溶性養(yǎng)分不斷減少，這也促成了養(yǎng)分濾出量減少。本研究中LR土壤硝態(tài)氮和亞硝氮含量1a后變化不大，可能是因?yàn)長R大部分沉淀物中的無機(jī)氮化合物被有效的保留在大量采伐剩余物當(dāng)中，保留的采伐剩余物中通過雨水淋洗滲入土壤中的無機(jī)氮較少[18]。而氨氮含量卻顯著增加，這可能是腐爛的采伐剩余物和生物殘骸層有機(jī)質(zhì)礦化作用增強(qiáng)的結(jié)果[19]。

Page-Dumroese研究表明，在火燒之后1a內(nèi)林地表層以下30 cm的土壤有機(jī)碳含量減少了近80%[20]。本研究中，火燒v后LB土壤有機(jī)碳含量減少可能因?yàn)榛馃龔?qiáng)度大造成大量有機(jī)碳損失[21]，也可能是火燒后表層土壤板結(jié)易受暴雨侵蝕導(dǎo)致有機(jī)碳大量損失[22]。楊玉盛等在福建尤溪粉砂巖發(fā)育的山地紅壤研究指出，火燒后第1年水土流失導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的流失量達(dá)489.39t/hm2[23]。大多數(shù)研究表明，火燒后無論是全磷、無機(jī)磷還是有效磷含量均迅速增加[24]，特別是火燒強(qiáng)度較大的火燒跡地有效磷含量增加明顯[25]。本研究中，和LR相比，火燒后半年明顯增加了土壤有效磷含量，這與火燒后殘留的灰分進(jìn)入表層礦質(zhì)土壤及表土溫度升高而使土壤養(yǎng)分礦化速度加快有關(guān)[26]。1a后，LB有效磷含量依然最高，因南方地區(qū)酸性土壤的有效磷含量極低，火燒后其含量的增加無疑對(duì)南方地區(qū)林木的更新具有積極意義。LB土壤可溶性有機(jī)碳含量1a后減少近80%，可溶性有機(jī)氮含量變化不大，這表明可溶性有機(jī)碳對(duì)火燒響應(yīng)更為敏感。Fisher研究發(fā)現(xiàn)，火燒剩余物后，通過氧化(氣化)、蒸發(fā)(揮發(fā))、灰分顆粒對(duì)流、增加可溶性離子的淋溶，加速了地表侵蝕，LB可溶性有機(jī)碳含量可能因此迅速降低[27]。Smithwick對(duì)林火后北方針葉林無機(jī)氮的變化研究發(fā)現(xiàn)，林火后氮揮發(fā)、有機(jī)質(zhì)經(jīng)高溫溶解、無機(jī)氮沉積等現(xiàn)象都有發(fā)生，林地表層無機(jī)氮的增加可能和林地表層物質(zhì)燃燒量及火燒強(qiáng)度成正比[28]。LB土壤有機(jī)質(zhì)碳化和植被層火燒后有機(jī)殘?bào)w與無機(jī)物堆積，加上火燒后土壤溫度升高、固氮植物減少、土壤微生物減少固氮能力降低導(dǎo)致氮礦化速率增加，氨氮、硝態(tài)氮和亞硝氮含量隨之增加，這表明LB表層土壤一年來硝化作用在不斷增強(qiáng)。

3.2 采伐剩余物對(duì)次生林表土生物特性的影響

土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動(dòng)力，其本身既是土壤養(yǎng)分的貯備庫，也參與有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和循環(huán)的各個(gè)生化過程，發(fā)揮著極為重要的作用[29]。LR中采伐剩余物分解為微生物提供了養(yǎng)分和能量來源，從而導(dǎo)致半年后LR土層中土壤微生物量碳含量比LB高。隨著土壤微生物量碳轉(zhuǎn)換加快，微生物熵也變大，土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率隨之加快[30]。qCO2值的變化能夠反映土壤微生物種群利用土壤有機(jī)成分的效率，半年后，LB土壤的qCO2值最高，LR的最低，表明LR土壤微生物利用土壤養(yǎng)分效率最高[31]。通常情況下，火燒引起的高溫可以直接殺死土壤微生物[32]，短期內(nèi)會(huì)引起土壤微生物生物量的顯著下降[33]，部分土壤養(yǎng)分、微生物量碳及微生物熵相比LR有所降低，但隨后由于自然恢復(fù)植被產(chǎn)生的死地被物積累與逐步分解，土壤養(yǎng)分含量又開始增加?；馃笠荒陜?nèi)林地光照充足，地表溫度升高，土壤微生物量碳和微生物熵較半年前小幅上升，qCO2值顯著下降，土壤碳礦化減少并顯著小于LR，這將導(dǎo)致土壤養(yǎng)分循環(huán)速率的提高。這與黃熬梅的研究結(jié)論“土壤質(zhì)量提高，土壤qCO2有減少的趨勢(shì)一致[34]”。表明隨著火燒后時(shí)間的增加，跡地生態(tài)環(huán)境可能在逐漸改善，這將有利于植被的快速恢復(fù)。但也說明LB土壤微生物生物量要經(jīng)過很長時(shí)間才能恢復(fù)到火燒前水平。Fritze研究發(fā)現(xiàn)松林要經(jīng)歷長達(dá)12a才能使微生物生物量恢復(fù)到火燒前的水平[35]。因此，在進(jìn)行皆伐煉山過程中，土壤進(jìn)行強(qiáng)烈的礦質(zhì)化作用，這對(duì)土壤養(yǎng)分及時(shí)供應(yīng)是有利的，但對(duì)養(yǎng)分的蓄持是不利的，因而要盡量減少火燒的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，減少對(duì)土壤微生物群落的影響。LR采伐剩余物殘?bào)w主要積累在表土層中，相應(yīng)地可供微生物維持生命活動(dòng)的能量充足，因而LR土壤微生物量碳、土壤碳礦化、代謝熵和微生物熵較半年前有所上升。

3.3 采伐剩余物對(duì)次生林表土芳香性和腐殖化程度的影響

王清奎等人認(rèn)為芳香性指數(shù)可以粗略地反映腐殖質(zhì)的芳化分子程度和分子量的大小，其值越大，分子的復(fù)雜程度越高，芳香族原子團(tuán)越多，縮合程度越高。相反，值越小，則芳香性小，脂肪側(cè)鏈多，光密度較小[36]。由圖1看出，半年時(shí)LR與LB土壤芳香性指數(shù)差異不顯著，說明采伐剩余物處理半年對(duì)芳香化物的吸附影響不明顯。當(dāng)它在土壤表層覆蓋采伐剩余物后其吸光值逐漸升高，1a后，LR芳香性指數(shù)較半年前顯著增加，這是LR對(duì)芳香化合物優(yōu)先吸附的結(jié)果，說明保留采伐剩余物后土壤腐殖質(zhì)中的芳香物質(zhì)的縮合程度高。LB腐殖化指數(shù)較半年前顯著降低，與1a后土壤芳香性變化趨勢(shì)相似。Michel研究認(rèn)為腐殖化指數(shù)較大的土壤中含有更多的大分子物質(zhì)，比如縮合的芳香環(huán)和芳香化合物，這些都是腐殖質(zhì)中所含有的典型大分子物質(zhì)[37]。楊秀虹室內(nèi)分解實(shí)驗(yàn)與本研究結(jié)果類似，LR采伐剩余物的輸入和分解短期內(nèi)增加了土壤可溶性有機(jī)碳含量，一些大分子量的物質(zhì)可以優(yōu)先被吸附在土壤中，土壤芳香類組分增多，團(tuán)聚化程度增加，促進(jìn)了土壤有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，加快了營養(yǎng)元素循環(huán)，為林木生長提供更多的營養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)也積累了較多的腐殖質(zhì)，起到了培肥改土的作用[38]。LB土壤的吸附作用大致呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，1a后腐殖化指數(shù)較半年前顯著降低，這是由于火燒時(shí)火對(duì)表層土壤的灼燒，表層土壤腐殖質(zhì)遭分解，不但數(shù)量上減小，其品質(zhì)亦發(fā)生一定的變化[39]。Pérez研究表明，火燒能減少表層土壤有機(jī)質(zhì)中能降低物質(zhì)溶解度的表面含氧基團(tuán)，減小烷基化合物如烷烴、脂肪酸和醇的鏈長，使糖和脂類發(fā)生芳構(gòu)化，腐殖質(zhì)大分子縮合等[40]。Jenkinson發(fā)現(xiàn)土壤中腐殖質(zhì)含量及所占比例下降與林地枯死物數(shù)量減少和質(zhì)量下降有關(guān)，與營林措施采取(特別是煉山措施反復(fù)使用)導(dǎo)致其分解有關(guān)[41]。本研究中，雖然LB半年內(nèi)差異不是很明顯，但隨著時(shí)間的推移，LB土壤腐殖化度減弱，腐殖質(zhì)大分子縮合，復(fù)雜程度降低，芳香族原子團(tuán)減少，結(jié)合度變?nèi)?，而脂肪族結(jié)構(gòu)增大，土壤腐殖質(zhì)團(tuán)?；饔媒档停纸夂土呀獾V物的作用加強(qiáng)，表層土壤腐殖質(zhì)品質(zhì)變差，活化度變?nèi)?，這對(duì)保持森林土壤良好結(jié)構(gòu)的能力不利。

3.4 采伐剩余物對(duì)次生林表土酶活性的影響

土壤酶是土壤生物化學(xué)過程的積極參與者，在森林生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過程中扮演著重要的角色[42]，對(duì)于土壤生態(tài)系統(tǒng)中的C、N循環(huán)具有重要作用[43]?；馃螅寥烂富钚缘淖兓S酶的種類、火燒時(shí)間和火燒強(qiáng)度而異。半年時(shí)LR土壤酸性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、纖維素水解酶活性明顯比LB土壤的更高，尤其是土壤酸性磷酸酶和β-葡萄糖苷酶，這說明土壤輸入采伐剩余物土壤碳氮元素循環(huán)較快，土壤質(zhì)量明顯改善，而嚴(yán)重火燒引起的高溫使酶變性而失去活性[44]。這與其他相關(guān)研究結(jié)果類似。如：Boerner和Brinkman發(fā)現(xiàn)，頻繁火燒跡地降低了森林土壤中酸性磷酸酶和β-葡萄糖苷酶活性[45]，Miesel的研究也表明火燒后一年內(nèi)加州混合針葉樹森林相對(duì)未火燒區(qū)域酸性磷酸酶活性下降33%[46]，Hamman等發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重火燒后2—3a，土壤酶活性仍低于火燒前水平[47]。LR表層土壤覆蓋了較多采伐剩余物及其已分解的腐殖質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量高轉(zhuǎn)化快，利于微生物生長，加之表層水熱條件和通氣狀況良好，微生物生長旺盛，代謝活躍，呼吸強(qiáng)度加大，從而使表層土壤的β-葡糖苷酶活性較高。由于土壤酚氧化酶活性與土壤腐殖化程度呈負(fù)相關(guān)[48]，本研究中LB土壤酚氧化酶活性較高，這表明火燒使土壤粗腐殖質(zhì)較多，土壤腐殖化程度低，而LR土壤酚氧化酶活性較低，說明LR土壤有較強(qiáng)的合成腐殖質(zhì)的能力，因此能積累更多的營養(yǎng)物質(zhì)，為林木生長提供基礎(chǔ)?？傮w上，LR土壤微生物數(shù)量的增加和土壤酶活性增強(qiáng)，表明土壤的生物活性得到了提高，其勢(shì)必加速土壤養(yǎng)分的循環(huán)速率，促進(jìn)林木的生長，有利于土壤肥力的提高[49]。

1a后采伐剩余物分解基本結(jié)束，LR土壤較半年前微生物生物量變化不大，酸性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶活性略有降低，纖維素水解酶活性有所增加，土壤腐殖化程度加深，說明此時(shí)LR以腐殖質(zhì)合成作用占優(yōu)勢(shì)，表層土壤養(yǎng)分變化不大。LB因其改變了林下生境的光熱條件，火燒跡地地表裸露，土壤熱量狀況較好，促進(jìn)了微生物的繁衍，除β-葡萄糖苷酶活性少許降低外，LB土壤酶活性較半年前有所上升，土壤磷酸酶增加，酶促作用能加速有機(jī)物磷元素的脫磷速度，提高磷元素的有效性，使得LB土壤有效磷的含量較LR土壤的大。但隨時(shí)間延長，LB土壤酚氧化酶活性增加近4.5倍，合成腐殖質(zhì)的能力大大降低，這對(duì)土壤養(yǎng)分及時(shí)供應(yīng)是有利，但對(duì)養(yǎng)分的蓄持是不利的。

4 結(jié)論

林地表層土壤生化性質(zhì)及酶活性對(duì)采伐剩余物不同處理方式反應(yīng)比較敏感，尤其是可溶性有機(jī)碳、微生物量碳和酚氧化酶。半年內(nèi)，LR土壤微生物利用土壤養(yǎng)分效率最高，除酚氧化酶外其他3種酶活性均高于LB。LB對(duì)土壤養(yǎng)分及時(shí)供應(yīng)有利，但隨時(shí)間延長，嚴(yán)重火燒引起的高溫使酶變性而失去活性，1a后LB土壤酶活性有所上升，但芳香族原子團(tuán)變少，土壤腐殖質(zhì)品質(zhì)變差；LR土壤養(yǎng)分較半年前變化不大，但積累了較多的腐殖質(zhì)，起到了培肥改土的作用?？傮w上采伐剩余物保留對(duì)林地表層土壤質(zhì)量的改善效果比火燒更明顯。

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Effects of logging residues on surface soil biochemical properties and enzymatic activity

WU Bobo1,2, GUO Jianfen1,2,*, WU Junjun1,2, REN Weiling1,2, LIU Xiaofei1,2, YANG Yusheng1,2

1CultivationBaseofStateKeyLaboratoryofHumidSubtropicalMountainEcology,Fuzhou350007,China2SchoolofGeographicalScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China

Changes of surface soil biochemical properties, aromaticity index, humification degree and enzyme activity for half a year and one year were studied in different logging residue treatments in a clear-cut 35-year-old secondaryCastanopsiscarlesiiforest. Logging residue treatments included residue burned (LB) and residue remained (LR). The research results showed that: after six months, in comparing with LB, soil dissolved organic C, dissolved organic N and microbial biomass C contents in the LR increased by 92%, 105% and 39% respectively. Soil acid phosphatase,β-1,4-glucosidase and cellobiohydrolase activities increased by 3.3, 2.8 and 2.1 times. But soil available P content and metabolic quotient in the LR decreased by 42% and 68%. Phenol oxidase activity decreased by 34% (P< 0.05). Compared with the LB, soil aromaticity index (4.99±2.39) was much lower and humification index (1.72±0.01) much higher in the LR. However, there were no significant differences in soil aromaticity index and humification index between the two treatments (P> 0.05). One year later, soil enzyme activities significantly increased in the LB treatment exceptβ-1,4-glucosidase. Contents of soil organic C, total N, dissolved organic C, dissolved organic N, available P, C mineralization rate and humification index in the LB treatment decreased significantly compared with six-month values, especially dissolved organic C and metabolic quotient decreased by nearly 80% and 68%. One year after treatment, soil aromaticity index (10.58±0.34) in the LR increased significantly. Soil available P (1.71±0.12) mg/kg content in the LB was also significantly higher than in the LR,while dissolved organic C, dissolved organic N and soil C mineralization rate in the LR were much higher (P< 0.05). In conclusion, surface soil properties will be influenced by different treatments of logging residue. Logging residues remained will be benefit to improve forest hydrothermal conditions, nutrient cycling of the ecosystems and helpful for soil quality maintenance.

logging residue; soil biochemical property; enzymatic activity

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(31130013)

2013- 10- 16;

2014- 02- 11

10.5846/stxb201310162495

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jfguo@fjnu.edu.cn

吳波波，郭劍芬，吳君君，任衛(wèi)嶺，劉小飛，楊玉盛.采伐剩余物對(duì)林地表層土壤生化特性和酶活性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(7):1645- 1653.

Wu B B, Guo J F, Wu J J, Ren W L, Liu X F, Yang Y S.Effects of logging residues on surface soil biochemical properties and enzymatic activity.Acta Ecologica Sinica,2014,34(7):1645- 1653.