亞熱帶紅壤丘陵區(qū)不同人工林型對土壤理化性質(zhì)、微生物類群和酶活性的影響

劉飛渡，韓蕾

1. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林學(xué)院，湖南 衡陽 421005；2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091

亞熱帶紅壤丘陵區(qū)不同人工林型對土壤理化性質(zhì)、微生物類群和酶活性的影響

劉飛渡1，韓蕾2*

1. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林學(xué)院，湖南 衡陽 421005；2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091

為了探討亞熱帶紅壤丘陵區(qū)不同人工林對土壤理化性質(zhì)、微生物類群和酶活性的影響。以亞熱帶紅壤丘陵區(qū)的純樟樹林（CC）、純杉木林（CL）、杉木樟樹混交林（CLCC）、自然恢復(fù)地（受到人為干擾）（NR）作為研究對象，并以附近的疏草荒地（GD）作為對照（CK），通過調(diào)查取樣和實驗分析相結(jié)合的方法，分析不同人工林型中不同土層（0～10、10～20和20～40 cm）土壤的理化性質(zhì)、微生物類群和酶活性的變化。結(jié)果表明，（1）與對照相比，不同林型下土壤細菌、真菌和放線菌總數(shù)均顯著增加，依次為微生物總數(shù)（CLCC）>微生物總數(shù)（CC）>微生物總數(shù)（CL）>微生物總數(shù)（NR）>微生物總數(shù)（CK）（P<0.05）。（2）土壤脲酶（URE）活性在不同林型下的大小順序為脲酶（CC）>脲酶（CLCC）>脲酶（CL）>脲酶（NR）>脲酶（CK）（P<0.05）；蔗糖酶（INV）活性的大小順序為蔗糖酶（CC）>蔗糖酶（NR）>蔗糖酶（CLCC）>蔗糖酶（CK）>蔗糖酶（CL）(P<0.05）；酸性磷酸酶（APE）活性的大小順序為酸性磷酸酶（CC和CLCC）>酸性磷酸酶（NR）>酸性磷酸酶（CL）>酸性磷酸酶（CK）（P<0.05）。（3）在剖面層次上，土壤微生物類群和酶活性也有明顯的層次性，即隨著土層的增加而減小。（4）相關(guān)分析表明：土壤細菌、真菌與脲酶、酸性磷酸酶之間具有顯著或極顯著的相關(guān)性（P<0.05或P<0.01）；土壤微生物類群和酶活性與土壤有機質(zhì)（SOM）、全氮（TN）和有效氮（AN）之間具有極顯著的相關(guān)性（P<0.01）。研究結(jié)果表明退耕還林（草）可增加土壤微生物類群的數(shù)量和土壤酶活性，促進土壤物理性狀的改善和肥力的提高。

亞熱帶紅壤丘陵區(qū)；不同人工林型；土壤理化性質(zhì)；土壤微生物類群；土壤酶活性

土壤微生物和酶共同推動著土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量流動（楊滿元等，2013；楊寧等，2013a）。土壤微生物繁殖快，數(shù)量大，代謝能力強，不僅對土壤有機質(zhì)降解轉(zhuǎn)化、無機物轉(zhuǎn)化、分子態(tài)氮固定、植物營養(yǎng)與土壤肥力的保持具有重要的作用，且對凈化環(huán)境、保持生態(tài)平衡具有重大意義（楊寧等，2013b，2014a，2014b；楊滿元等，2015）。土壤微生物和酶活性可代表土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度，客觀地反映土壤肥力，因而是土壤肥力的重要指標之一。因而研究人工林的土壤理化性質(zhì)、微生物和酶活性對合理利用土壤，營造最佳生態(tài)效益的林分，防止地力衰退和改善生態(tài)環(huán)境具有重大意義。

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國南方造林中廣泛應(yīng)用的樹種，在我國的森林資源中占據(jù)十分重要的地位。由于種種原因，大面積經(jīng)營杉木純林會造成地力衰退、生產(chǎn)力下降，這嚴重地阻礙了杉木人工林的持續(xù)生產(chǎn)與發(fā)展。國內(nèi)外許多學(xué)者從生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)、生物生產(chǎn)力、生態(tài)經(jīng)濟效益等角度對混交林進行了一系列的研究，取得了很多積極的成果（Parrotta et al.，1999；馮宗煒等，1988；王光軍等，2009）。雖然不同樹種的混交林可緩解單一樹種長期種植對土壤的危害，但這種作用取決于樹種的組成（Augusto et al.，2002）。樟樹（Cinnamomum camphora）是我國亞熱帶代表性常綠闊葉樹種，有報道指出樟樹可在一定程度上提高土壤微生物的活性（王會利等，2009）。本試驗針對亞熱帶紅壤丘陵區(qū)，研究不同林型下土壤微生物數(shù)量、分布及碳、氮、磷轉(zhuǎn)化有關(guān)的酶活性及與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系進行探索，以揭示不同林地的物質(zhì)代謝和肥力發(fā)展規(guī)律，為提高土壤肥力質(zhì)量及確定其生物學(xué)指標提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于湖南省長沙市南郊的天際嶺國家森林公園（113°02′～01′ E，28°06′～07′N），其地層主要是第四紀更新世的沖積性網(wǎng)紋紅土和砂礫，土壤剖面具有暗或弱腐殖質(zhì)表層，屬典型的紅壤丘陵區(qū)，地形以崗地為主；海拔46～116 m，坡度5°～25°，屬典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雨量充沛，年平均降雨量1422 mm，主要集中于4─6月； 年平均氣溫17.2 ℃，1月最冷（平均氣溫4.7 ℃，極端最低溫度-11.3 ℃），7月最熱（平均氣溫29.4 ℃，極端最高氣溫40.6 ℃）；無霜期為270～300 d，日照時數(shù)平均1677 h。園內(nèi)小生境眾多，植物種類達到 2200余種，植被以人工林為主（陳璟等，2013）。

1.2 樣地設(shè)置

于2012年4上旬，選取位于陽坡且環(huán)境特征基本一致的純樟樹林（C. camphora，CC）、純杉木林（C. lanceolata，CL）、杉木樟樹混交林（C. lanceolata-C. camphora，CLCC）、自然恢復(fù)地（受到人為干擾）（Natural restoring，NR）的根際土壤作為試驗處理，以附近的疏草荒地的土壤作為對照（CK），且每個樣地的面積>1 hm2（表1）。在每個>1 hm2的樣地內(nèi)設(shè)置3塊400 m2（20 m×20 m）的樣方，且樣方間距>20 m，在每個樣方內(nèi)采取5點混合取樣法分別取0～10、10～20和20～40cm土層土樣，去掉土壤中可見的植物根系和殘體，將土樣分為2部分：一部分新鮮土樣過孔徑<2 mm篩后置于4 ℃冰箱中（保存時間不超過4 d），供測定生物學(xué)性質(zhì)用；另一部分土樣風(fēng)干后過篩，供測土壤理化性質(zhì)。

表1 樣地概況Table 1 General situation of sample plots

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)的測定

土壤容重（Soil bulk density，SBD）與總孔隙度（Total soil porosity，TSP）：環(huán)刀法；土壤有機質(zhì)（Soil organic matter，SOM）：重鉻酸鉀氧化-外加熱法；全氮（Total nitrogen，TN）：半微量凱氏法；有效氮（Available nitrogen，AN）：擴散吸收法；有效磷（Available phosphorus，AP）：NaHCO3提取-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法；pH值：電極電位法（中國科學(xué)院南京土壤研究所，1978）。

1.3.2 土壤微生物與酶活性

土壤微生物數(shù)量采用稀釋平板法計數(shù)測定（中國科學(xué)院南京土壤研究所微生物室，1985），其中細菌用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)，真菌用馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌用改良高氏1號培養(yǎng)基；酶活性采用比以法測定（關(guān)松蔭，1983），其中脲酶（Urease，URE）采用苯酚-次氯酸鈉比色法，蔗糖酶（Invertase，INV）采用3, 5-二硝基水楊酸比色法，酸性磷酸酶（Acidity phophatase，APE）采用對硝基苯磷酸二鈉比色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 SPSS 13.0軟件進行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析法（one-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較不同數(shù)據(jù)間的差異，用Pearson相關(guān)系數(shù)分析法分析土壤理化性質(zhì)、土壤微生物類群以及酶活性之間的相關(guān)系數(shù)。所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林型的土壤理化性質(zhì)

研究表明（表2），不同林型的土壤容重差異較大，0～10、10～20和20～40 cm土層，疏草荒地和自然恢復(fù)地的土壤容重顯著高于其他林型、總孔隙度顯著低于其他林型，這與植被凋落物的數(shù)量與質(zhì)量以及植物根系的有關(guān)；不同土層土壤pH值呈酸性，pH值4.5～5.4。

0～10 cm土層，土壤有機質(zhì)大小順序為土壤有機質(zhì)（CC）>土壤有機質(zhì)（CL和CLCC）>土壤有機質(zhì)（NR）>土壤有機質(zhì)（CK）（P<0.05），全氮以純杉木林、純樟樹林和杉木樟樹混交林最高，自然恢復(fù)地次之，疏草荒地最低，自然恢復(fù)地的土壤有機質(zhì)和全氮含量較高，是由于其植被主要為草本植物，其地下部分生物量主要集中在0～10 cm土層，且一年生的習(xí)性使使大量枯枝落葉歸還于土壤中，草被的地上部分具有較強的抗沖（侵）蝕能力，能夠保水保肥（吳蔚東等，1999；楊寧等，2010a）。由此看來，植被恢復(fù)也是提高紅壤土壤有機質(zhì)，促進紅壤肥力恢復(fù)之良策（楊寧等，2010b；楊昌華等，2014）。不同林型對紅壤速效養(yǎng)分的影響也很明顯。0～10 cm土層有效氮的大小順序為有效氮（CLCC）>有效氮（CL）>有效氮（CC）>有效氮（NR）>有效氮（CK）；有效磷含量為痕量，值很低，但也有一定的差別，純樟樹林的含量較高，這可歸結(jié)為枯落物中有機磷的分解釋放和生物活化作用（楊寧等，2012，2013c）；10～20和20～40 cm土層的土壤有機質(zhì)、全氮、有效氮和有效磷在不同林型下的變化規(guī)律與0～10 cm土層基本相似。

表2 不同林型下土壤的理化性質(zhì)Table 2 Soil physio-chemical properties under different artificial forests

隨著土層深度的增加，土壤容重、pH值呈增加趨勢；孔隙度、土壤有機質(zhì)、全氮、有效氮與有效磷呈減少趨勢，各土層在不同林型的差異大小表現(xiàn)為：純樟樹林、杉木樟樹混交林和自然恢復(fù)地最大，純杉木林次之，疏草荒地最小。

表3 不同林型下土壤微生物類群分布Table 3 Soil microbial groups under different artificial forests

2.2 不同林型的土壤微生物類群及分布

土壤中的微生物一方面反映土壤的物質(zhì)和能量代謝的旺盛程度，另一方面也反映土壤的肥力狀況（陳宏峻等，1993）。通過對不同林型與疏草荒地的土壤微生物類群進行對比研究（表3），不同林型土壤 3大微生物類群數(shù)量均明顯高于疏草荒地（P<0.05），其高低順序為微生物總數(shù)（CLCC）>微生物總數(shù)（CC）>微生物總數(shù)（CL）>微生物總數(shù)（NR）>微生物總數(shù)（CK）（P<0.05）；3大微生物類群的數(shù)量的大小順序為細菌>放線菌>真菌。在0～10 cm土層，雖然杉木樟樹混交林的凋落物的數(shù)量少于純樟樹林，但細菌、真菌的數(shù)量以杉木樟樹混交林最多，這可能與地形、pH值等外界環(huán)境因素有關(guān)（鄭詩樟等，2004；楊寧等，2015；劉作云等，2015a）。10～20 cm土層，3大微生物數(shù)量以純樟樹林最多，這與表2所示的養(yǎng)分狀況相吻合。

從土壤剖面分布看，3大類微生物數(shù)量一般有明顯的上高下低的分布趨勢。但純樟樹林的 0～10 cm 土層細菌數(shù)量明顯低于 10～20 cm 土層（P<0.05），可能與純樟樹林的葉片比純杉木林的葉片分解快，養(yǎng)分向下淋溶較多有關(guān)。純杉木林的0～10 cm土層放線菌數(shù)量顯著低于20～40 cm土層（P<0.05），可能與土壤的 pH值有一定關(guān)系（Uytvanck et al.，2008；劉作云等，2014）。

自然恢復(fù)地的3大微生物數(shù)量明顯高于疏草荒地（P<0.05），說明自然恢復(fù)地由于長期的撂荒和免耕，土壤養(yǎng)分在0～20 cm土層積累較多，有利于土壤微生物的繁殖（薛立等，2003）。

2.3 不同林型的土壤酶活性

從表4可以看出，不同林型土壤的脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶的活性不同，與疏草荒地相比，除蔗糖酶活性異常外，脲酶、酸性磷酸酶活性均有較大程度的增加。在0～10 cm土層，脲酶活性在不同林型下的大小順序為脲酶（CC）>脲酶（CLCC）>脲酶（CL）>脲酶（NR）>脲酶（CK）（P<0.05），蔗糖酶活性的大小順序為蔗糖酶（CC）>蔗糖酶（NR）>蔗糖酶（CLCC）>蔗糖酶（CK）>蔗糖酶（CL）（P<0.05），酸性磷酸酶活性的大小順序為酸性磷酸酶（CC和CLCC）>酸性磷酸酶（NR）>酸性磷酸酶（CL）>酸性磷酸酶（CK）（P<0.05）。說明土壤酶活性的變化與土壤地被覆蓋物的數(shù)量和質(zhì)量有關(guān)（Bell et al.，2010；胡亞林等，2005；楊寧等，2011，2014c；劉作云等，2015b）。

表4 不同林型下土壤酶活性Table 4 Soil enzyme activities under different artificial forests

在土壤的剖面分布上，3種土壤酶活性也表現(xiàn)出明顯的上高下低的態(tài)勢，說明土壤養(yǎng)分在 0～10 cm土層較多，具有明顯的“表聚性”。

2.4 相關(guān)性分析

通過對土壤微生物類群與酶活性的相關(guān)分析可知（表5），脲酶活性與細菌、真菌的相關(guān)系數(shù)為0.67*、0.89**；酸性磷酸酶活性與細菌、真菌的相關(guān)系數(shù)為 0.87**、0.86**（*P<0.05；**P<0.01）。該結(jié)果說明，土壤酶大多數(shù)源于土壤微生物，土壤酶活性與土壤微生物關(guān)系密切。

表5 土壤微生物類群與酶活性的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis between soil microbial groups and enzyme activities

通過土壤微生物類群、酶活性和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析可知（表6），土壤容重、總孔隙度與真菌、脲酶、酸性磷酸酶具有相好的相關(guān)性，說明土壤理化性質(zhì)與土壤微生物、酶活性相互影響，相互促進；細菌、真菌與土壤有機質(zhì)、全氮、有效氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），而放線菌的相關(guān)性較差，可能與放線菌適合于偏堿性的環(huán)境生長有關(guān)；脲酶、酸性磷酸酶與土壤有機質(zhì)、全氮、有效氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），而蔗糖酶的相關(guān)性較差，可能與疏草荒地的蔗糖酶活性表現(xiàn)異常有關(guān)（表 4），有效磷與土壤微生物類群、酶活性的相關(guān)性較差，可能與有效磷的含量為痕量，差異不明顯有關(guān)，pH值與土壤微生物類群、酶活性相關(guān)性較低，與不同林型各土層pH值的差異不在有關(guān)（其差異大小僅為0.9）（表2）（Waring et al.，2013；Gascuel-Odoux et al.，1994）。

表6 土壤微生物類群、酶活性和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析Table 6 Correlation analysis between soil microbial groups, enzyme activities and soil physio-chemical properties

3 小結(jié)與討論

在亞熱帶紅壤丘陵區(qū)，以疏草荒地（Grassland，GD）作為CK，研究純樟樹林（CC）、純杉木林（CL）、杉木樟樹混交林（CLCC）和自然恢復(fù)地（受到人為干擾）（NR）對壤理化性質(zhì)、微生物類群和酶活性的影響，結(jié)果表明，植被恢復(fù)可大幅度增加土壤微生物類群的數(shù)量和土壤酶活性，促進土壤物理性狀的改善和肥力的提高。不同林型作用效果表現(xiàn)為純樟樹林（CL）>杉木樟樹混交林（CLCC）>純杉木林（CL）>自然恢復(fù)地（NR）。自然恢復(fù)地好具有較高的土壤微生物類群、土壤酶活性和土壤肥力。土壤微生物和土壤酶對土壤環(huán)境的凈化、土壤生態(tài)環(huán)境的保護和保持整個生態(tài)平衡具有重要意義。退耕還林（草）、荒（坡）地植樹植草將是今后一項長期的任務(wù)。

土壤微生物類群和土壤酶活性能很好地表征土壤肥力性狀。因而是土壤肥力評價的重要指標之一。從分析過程來看，以微生物總數(shù)量和土壤酶活性的總體來表征土壤肥力狀況較好。微生物類群總數(shù)量與土壤酶活性具有顯著相關(guān)性。

土壤微生物類群和土壤酶活性與土壤物理性狀具有一定的相關(guān)性，對改善土壤物理性狀具有一定的積極作用，與土壤化學(xué)性狀具有顯著或極顯著的相關(guān)性，對土壤有機質(zhì)、全氮、有效氮和有效磷的轉(zhuǎn)化有積極作用；同時也提示我們在紅壤坡地的植被恢復(fù)中，可施用菌肥來提高土壤生化強度，促進植被恢復(fù)（楊滿元等，2015）。

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Effects of Different Artificial Forestry on Soil Physio-chemical Properties, Microbial Groups and Enzyme Activities in Subtropical Red Soil Hilly Region

LIU Feidu1, HAN Lei2*
1. Hunan Environmental-Biological Polytechnic College, College of Landscape Architecture, Hengyang 421005, China; 2. Chinese Academy of Forestry, Forestry institute, Beijing 100091, China

The aim of this study was to explore effects of different artificial forestry on soil physio-chemical properties, microbial groups and enzyme activities in subtropical red soil hilly region. Taking four kinds of artificial forestry (C. camphora (CC), C. lanceolata (CL), C. lanceolata-C. camphora (CLCC) and Natural restoring (NR)) and barren grassland (CK) nearby as test objects, soil samples from depths of 0～10, 10～20 and 20～40 cm were collected to study the effects of four kinds of artificial forestry on soil physio-chemical properties, microbial groups and enzyme activities through the combination of sample investigation and experimental analysis. The results showed that: (1) Compared with barren grassland (CK), the total number of microbes in different artificial forestry were followed the order as CLCC>CC>CL>NR>CK (P<0.05). (2) The activities of soil urease (URE) in different artificial forestry were followed the order as CC>CLCC>CL>NR>CK (P<0.05); Invertase (INV), CC>NR>CLCC>CK>CL (P<0.05), Acidity phosphatase (APE), CC and CLCC>NR>CL>CK (P<0.05). (3) In the profile, soil microbial groups and enzyme activities decrease with the increase of soil depth. 4)Correlation analysis showed that the contents of bacteria and fungi have a significant or very significantly positive correlation with URE and APE (P<0.05 or P<0.01); the soil microbial groups and enzyme activities have a very significantly positive correlation with soil organic matter (SOM), total nitrogen (TN) and available nitrogen (AN) (P<0.01). All the results showed that returning farmland to forests (grass) could increase the number of soil microbial groups and the activities of soil enzyme, promoting the improvement of soil physical properties and the heighten of soil fertility.

subtropical red soil hilly region; different artificial forestry; soil physio-chemical properties; soil microbial groups; soil enzyme activities

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.09.003

S151.9；X171.1

A

1674-5906（2015）09-1441-06

劉飛渡，韓蕾. 亞熱帶紅壤丘陵區(qū)不同人工林型對土壤理化性質(zhì)、微生物類群和酶活性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2015, 24(9): 1441-1446.

LIU Feidu, HAN Lei. Effects of Different Artificial Forestry on Soil Physio-chemical Properties, Microbial Groups and Enzyme Activities in Subtropical Red Soil Hilly Region [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(9): 1441-1446.

國家林業(yè)局948重點項目（2008-4-32）；湖南省教育廳科學(xué)研究項目（13C253）；湖南省林業(yè)科技創(chuàng)新計劃項目（XLK201341）

劉飛渡（1977年生），男，講師，碩士，主要從事園藝園林方面的教學(xué)與研究工作。E-mail: feiduliu@sina.com *通訊作者：韓蕾（1972年生），女，研究員。E-mail: hdd@caf.ac.cn

2015-08-15