林下植被去除對杉木人工林土壤酶活性及其化學(xué)計量比的影響

劉 仁，袁小蘭，劉 俏，張春陽，郭春蘭，陳伏生，王輝民，李建軍＊

(1. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，鄱陽湖流域森林生態(tài)系統(tǒng)保護與修復(fù)國家林業(yè)和草原局重點實驗室，江西 南昌 330045；2. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)南昌商學(xué)院，江西 南昌 332020；3. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室，北京 100101)

林下植被可以增加人工林生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性和養(yǎng)分周轉(zhuǎn)率，但其在維持森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能方面的作用通常被忽視[1]，特別是在傳統(tǒng)森林管理方式中，常采用林下植被去除的方式來減少樹木和下層群落之間的空間資源競爭[2]。然而，林下植被可通過改變土壤生物化學(xué)過程，如微生物活性和組成、碳和其他營養(yǎng)物質(zhì)的周轉(zhuǎn)，進而影響森林生態(tài)系統(tǒng)長期的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性[3]。以往研究表明，林下植被完整時，土壤養(yǎng)分、微生物量、酶活性和土壤呼吸均高于林下植被移除[4-5]。因此，在人工林的經(jīng)營管理中，林下植被的保留比去除可能更有利于森林土壤地力的提高，但目前林下植被管理對土壤生化過程的影響發(fā)生機制仍不清楚，需要開展更多的研究工作。

土壤酶是由植物根系或微生物產(chǎn)生，對土壤碳（C）、氮（N）和磷（P）等養(yǎng)分變化具有一定的靈敏性，其常被用作衡量土壤質(zhì)量狀況的關(guān)鍵指標[6]。土壤酶活性可以反映底物利用率、微生物和植物對養(yǎng)分的需求，同時也在一定程度上影響植物和微生物在土壤環(huán)境變化時維持其養(yǎng)分平衡的策略[7]。Xu 等[8]通過研究我國東部南北樣帶沿線的9 個森林生態(tài)系統(tǒng)中的土壤酶活性及其化學(xué)計量比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤酶化學(xué)計量比能很好的反映微生物的營養(yǎng)需求和環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)狀況。因此，開展土壤酶化學(xué)計量的研究為理解土壤中養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)、循環(huán)和平衡過程提供了新途徑[9]。目前，有關(guān)林下植被去除的相關(guān)研究主要集中于土壤酶活性，且研究結(jié)果存在較大差異。有研究表明，林下植被去除顯著降低了土壤C 含量和微生物生物量，同時也促使土壤水解酶活性降低[10]；而Liu 等[11]發(fā)現(xiàn)，去除林下植被對桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性無顯著影響。因此，林下植被去除對人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性的影響研究還需進一步探索，而且，從土壤酶化學(xué)計量的角度探究林下植被去除對土壤養(yǎng)分特征的相關(guān)研究相對較少，相關(guān)過程的研究可能對人工林養(yǎng)分維持及調(diào)控具有重要的指導(dǎo)意義。

杉木（Cunninghamia lanceolata(Lamb.) Hook.）廣泛分布于我國南方，是主要經(jīng)濟樹種之一，種植面積約占全國人工林面積的30%[12]。杉木能夠高效吸收土壤養(yǎng)分進而決定了其速生特性[13]，而林下植被去除可能會進一步改變杉木人工林中土壤水分和養(yǎng)分有效性，最終影響土壤酶活性[10]，以往研究更多關(guān)注土壤酶活性變化，而從土壤酶化學(xué)計量比的角度探討林下植被去除對土壤養(yǎng)分特征的影響研究較少。因此，本研究以養(yǎng)分較貧瘠的杉木人工林為研究對象，通過測定土壤C、N、P 含量及5 種C、N、P 水解酶活性，計算養(yǎng)分-酶化學(xué)計量比，并進一步分析土壤理化性質(zhì)與酶活性及其化學(xué)計量比的相關(guān)性，進而揭示亞熱帶杉木人工林林下植被去除和保留的土壤養(yǎng)分和酶活性的響應(yīng)特征，為林下植被管理對土壤質(zhì)量影響的評估提供參考。

1 試驗地概況

試驗樣地位于江西省吉安市泰和縣中國科學(xué)院千煙洲石溪林場（26°44'52″ N，115°04'13″ E），該區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，四季分明，海拔102 m，年平均氣溫17.9℃，年平均無霜期280 d，年平均降水量1 489 mm。本研究試驗樣地杉木活立木平均樹高13.6 m，平均胸徑11.4 cm，林分密度1 278 株·hm－2，郁閉度76%。林下灌木層平均高1.3 m，蓋度11%，林齡15 a，坡向為東南方向，坡度為15°；主要物種有毛冬青（Ilex pubescensHook. et Arn.）、楊桐（Adinandra millettii(Hook. et Arn.) Benth. et Hook. f. ex Hance）、紫珠（Phyllostachys nigra(Lodd.) Munro） 和黃梔子（Gardenia jasminoidesEllis）等；林下草本層茂密，平均高度0.8 m，蓋度80%，優(yōu)勢種為鐵芒萁（Dicranopteris pedata(Houttuyn) Nakaike）和狗脊（Woodwardia japonica(L. F.) Sm.），伴生有淡竹葉（Lophatherum gracileBrongn.）、菝葜（Smilax chinaL.）和土茯苓（Smilax glabraRoxb.）等。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

2013 年1 月，在江西省吉安市泰和縣石溪林場杉木人工林內(nèi)設(shè)置8 個15 m×15 m 樣方，將樣方地面上的所有凋落物移除（單獨研究林下植被的影響），采用配對試驗設(shè)計方法進行2 種處理：（1）林下植被保留（UP）：保留樣方中的林下植被；（2）林下植被去除（UR）：在保留林下植被處理的樣方附近劃分與樣方相同面積相近條件的杉木林，去除其中的林下植被。每個月對UP 和UR 樣方內(nèi)的凋落物進行人工徒手清除，以避免凋落物對處理結(jié)果的影響。

2.2 樣品采集

2018 年7 月，在每個樣方內(nèi)采用 “S” 型布點取樣，共計9 個布點，首先用三角鏟收集50 cm×50 cm方格內(nèi)礦質(zhì)層以上的腐殖質(zhì)層，然后再利用直徑5 cm 的土鉆在該區(qū)域采集0～5、5～10 cm 土層樣品，將相同土層的樣品混合后放入無菌自封袋內(nèi)，做好標記，放入冰盒，迅速帶回實驗室。將土壤樣品中的石礫、植物殘根等雜物去除，研碎混勻，過2 mm 篩，將土樣分為2 部分裝入對應(yīng)編號的無菌樣品袋內(nèi)，1 份放至4℃冰箱內(nèi)冷藏保存用于測定土壤酶活性和有效氮（銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3－-N））；另1 份土樣風(fēng)干測C、N、P養(yǎng)分含量。

2.3 樣品分析

2.3.1 土壤理化性質(zhì) 土壤pH 值（土水比1:2.5）用pH 計測定；土壤含水量（SWC）用烘干法測定；有機碳(SOC) 用高錳酸鉀-硫酸亞鐵滴定法測定；全氮(TN) 和全磷(TP) 采用HClO4-H2SO4消煮法，然后在連續(xù)流動分析儀上測定；銨態(tài)氮(NH4+-N) 和硝態(tài)氮(NO3－-N) 采用2 mol·L－1KCl 作為浸提液（土液比1:10），在180 轉(zhuǎn)的振蕩器上振蕩2 h，靜置過濾后采用連續(xù)流動分析儀測定[14]。

2.3.2 土壤酶活性 用熒光標記底物法[15]測定5 種土壤酶（C 水解酶：β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）、半纖維素酶（CB）；N 水解酶：β-1,4-N-乙?；?葡糖胺糖苷酶（NAG）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）、P 水解酶:酸性磷酸酶（AP））活性。

2.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 19.0 軟件進行配對樣本t 檢驗，分析林下植被保留和去除處理對土壤酶活性、酶化學(xué)計量比以及土壤理化性質(zhì)的差異，顯著性水平為0.05；采用Pearson 相關(guān)分析土壤酶活性及化學(xué)計量比與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系；利用Origin 2018 作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 林下植被對杉木人工林土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分化學(xué)計量比的影響

表1 表明：在不同土層中，UR 處理的SWC、SOC、 TN、 TP、 NH4+-N、 NO3－-N 均 顯 著 低 于UP 處理，不同處理的pH 值差異不顯著；除pH 值外，UR和UP 處理的理化性質(zhì)均表現(xiàn)為腐殖質(zhì)層含量最高，5～10 cm 土層最低；UR 處理的SOC、NO3－-N、TN、NH4+-N 含量和UP 處理的SOC、NO3－-N 含量均在3 個土層間差異顯著；UP 處理腐殖質(zhì)層的SWC、TN、NH4+-N 含量顯著高于0～5、5～10 cm 土層，而0～5 cm 與5～10 cm 土層間差異不顯著。

圖1 表明：在不同土層中，UR 處理的C/N 和N/P 與UP 處理的差異不顯著，而UR 處理的C/P在腐殖質(zhì)層和0～5 cm 土層顯著低于UP 處理；UR 和UP 處理的C/P 和N/P 均表現(xiàn)為腐殖質(zhì)層含量最高，5～10 cm 土層最低，但C/N 卻與之相反；UR 和UP 處理的N/P 在3 個土層間差異顯著，C/N 僅在UR 處理的3 個土層間差異顯著，C/P 僅在UP 處理的3 個土層間差異顯著。

3.2 林下植被對杉木人工林土壤酶活性及其化學(xué)計量比的影響

圖2 表明：在不同土層中，UR 處理的5 種酶活性均低于UP 處理。在腐殖質(zhì)層中，UP 處理的LAP 活性顯著高于UR 處理，增幅為48%；在0～5 cm 土層中，UP 處理的CB、NAG 和LAP 活性顯著高于UR 處理，增幅分別為38%、53% 和32%；在5～10 cm 土層中，UR 處理的CB 和LAP 活性顯著低于UP 處理，降幅分別為45% 和18%。在UR 處理中，腐殖質(zhì)層的AP、BG、NAG 活性顯著高于0～5 cm 和5～10 cm 土層，但0～5 cm 與5～10 cm 間差異不顯著，而CB 和LAP 活性在3 個土層間均差異顯著；在UP 處理中，腐殖質(zhì)層的AP、CB、NAG 活性顯著高于0～5 cm 和5～10 cm土層，但0～5 cm 與5～10 cm 之間差異不顯著，而BG 和LAP 活性在3 個土層間均差異顯著。

表1 不同林下植被處理對杉木人工林土壤理化性質(zhì)的影響 Table 1 Effects of different understory vegetation treatments on physical and chemical properties of Chinese fir plantation soil

圖1 不同林下植被處理對杉木人工林土壤養(yǎng)分化學(xué)計量比的影響Fig. 1 Influences of different understory vegetation treatments on soil nutrient stoichiometric ratio of Chinese fir plantation

圖2 不同林下植被處理對杉木人工林土壤酶活性的影響Fig. 2 Effects of different understory vegetation treatments on soil enzyme activity of Chinese fir plantation

圖3 表明：在3 個土層中，UP 處理與UR 處理的ln(BG+CB)/ln(AP) 和ln(NAG+LAP)/ln(AP) 差異不顯著；UP 處理的ln(BG+CB)/ln(NAG+LAP) 僅在0～5 cm 土層中顯著低于UR 處理，降幅為16%；UR 處理的腐殖質(zhì)層的ln(BG+CB)/ln(AP) 和ln(NAG+LAP)/ln(AP) 顯著高于0～5 cm 和5～10 cm土層，但0～5 cm 與5～10 cm 間差異不顯著；而UP 處理的ln(NAG+LAP)/ln(AP) 在3 個土層間均差異顯著，腐殖質(zhì)層的ln(BG+CB)/ln(AP) 顯著高于0～5 cm 和5～10 cm 土層，但UR 和UP 處理的ln(BG+CB)/ln(NAG+LAP) 在腐殖質(zhì)層顯著低于5～10 cm 土層，降幅分別為20% 和23%。

圖3 不同林下植被處理對杉木人工林土壤酶化學(xué)計量比的影響Fig. 3 Influences of different understory vegetation treatments on soil enzyme stoichiometric ratio of Chinese fir plantation

3.3 酶活性及其化學(xué)計量比與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析

圖4 表明：杉木人工林土壤的C、N、P 水解酶活性之間呈極顯著正相關(guān)。土壤酶活性及化學(xué)計量比與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)分析（表2）表明：AP、BG、CB、NAG、LAP 5 種酶活性及l(fā)n(BG+CB)/ln(AP)、ln(NAG+LAP)/ln(AP) 與SWC、SOC、 TN、 TP、 NH4+-N、 NO3－-N、 C/P、 N/P 呈顯著或極顯著正相關(guān)，與C/N 呈極顯著負相關(guān)；土壤ln(BG+CB)/ln(NAG+LAP) 與C/N 呈極顯著正相關(guān)，但與SWC、SOC、TN、TP、NH4+-N、NO3－-N、C/P、N/P 呈極顯著負相關(guān)(P＜0.05)；土壤酶活性及其化學(xué)計量比與pH 相關(guān)不顯著。

圖4 不同林下植被處理的杉木人工林土壤酶化學(xué)計量關(guān)系Fig. 4 Stoichiometric relationship of soil enzyme in Chinese fir plantation under different understory vegetation treatments

表2 土壤酶活性和酶化學(xué)計量比與土壤理化性質(zhì)之間的 Pearson 相關(guān)分析 Table 2 Pearson correlation analysis between soil enzyme activity and enzyme stoichiometric ratio and soil physical and chemical properties

4 討論

4.1 林下植被去除對土壤特性和酶活性的影響

本研究表明，林下植被去除降低土壤0～5、5～10 cm 土層的SWC、SOC、TN、TP、有效氮（NH4+-N、NO3－-N）養(yǎng)分含量和CB、LAP 活性，該結(jié)果與Yang 等[10]的研究結(jié)果一致。就土壤C 水解酶而言，可能是植被去除后，增加了土壤水分的散失量[16]和降低外源C 養(yǎng)分輸入量[17]，進而降低酶底物的擴散速率和酶合成，最終導(dǎo)致土壤CB 活性降低[18]。另外，有研究發(fā)現(xiàn)，植物根系釋放豐富的有效養(yǎng)分，促進微生物分泌更多N 水解酶參與到N 循環(huán)中[19-20]，因此，本研究中林下植被去除顯著降低了0～5、5～10 cm 土層的有效氮含量和LAP 水解酶活性；但林下植被去除并未對AP 活性產(chǎn)生顯著影響，不同土層也產(chǎn)生一致響應(yīng)，這可能與該試驗區(qū)受到P 限制有關(guān)。我國南方土壤P 通常以有機形式存在，容易被鐵鋁物質(zhì)固定成絡(luò)合物，難以利用[21]，土壤微生物通過產(chǎn)生更多的AP 來礦化有機磷，以滿足其對P 的需求[22]，而且杉木根系與真菌共生形成的菌根真菌可以產(chǎn)生土壤AP 分解土壤有機P[23-24]，因此，林下植被去除與否并不影響AP 活性。在缺乏外源養(yǎng)分對土壤進行補充情況下，微生物會持續(xù)消耗土壤中原有的磷含量，而AP 活性保持較高水平，最終導(dǎo)致林下植被去除后土壤中TP 含量降低?？傊?，林下植被去除通過降低土壤水分和養(yǎng)分含量，最終使土壤CB、LAP 活性降低。

4.2 土壤酶化學(xué)計量比與P 限制的關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)，在林下植被保留和去除處理下，0～5 cm 和5～10 cm 土層中，ln(BG+CB)/ln(AP) 和ln(NAG+LAP)/ln(AP) 均顯著低于全球尺度上土壤酶活性比ln(BG+CB)/ln(AP) (0.62) 和ln(NAG+LAP)/ln(AP) (0.44)[25]，這表明P 限制發(fā)生在亞熱帶杉木人工林，該結(jié)果與喬航等[26]研究結(jié)果一致。這是因為土壤微生物分泌酶的種類需要在C、N、P 的獲取上做出權(quán)衡，以響應(yīng)土壤基質(zhì)中養(yǎng)分資源的變化[27]。土壤養(yǎng)分含量可以通過影響土壤有效養(yǎng)分濃度和土壤C、N、P 化學(xué)計量，最終對土壤酶化學(xué)計量產(chǎn)生較大影響，說明土壤酶化學(xué)計量與土壤養(yǎng)分化學(xué)計量之間存在密切關(guān)系[8]。在本研究中，林下植被保留和去除的ln(BG+CB)/ln(NAG+LAP) 與C/N 均表現(xiàn)為腐殖質(zhì)層顯著低于5～10 cm，而ln(BG+CB)/ln(AP) 與C/P 及l(fā)n(NAG+LAP)/ln(AP) 與N/P 表現(xiàn)為腐殖質(zhì)層顯著高于5～10 cm，這可能是5～10 cm 土層中的土壤有機質(zhì)比腐殖質(zhì)層的含量低，腐殖化更高，P 含量在3 個土層中變化程度不大所致。因此，土壤酶化學(xué)計量比可作為表征當(dāng)前土壤養(yǎng)分有效性狀況的重要指標。

4.3 影響土壤酶活性及其化學(xué)計量比的因子

土壤酶活性及其化學(xué)計量的變化與土壤水分、養(yǎng)分及其化學(xué)計量比變化密切相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，SWC與C、N、P 酶活性及l(fā)n(BG+CB)/ln(AP)、ln(NAG+LAP)/ln(AP) 呈極顯著正相關(guān)，但與ln(BG+CB)/ln(NAG+LAP) 呈極顯著負相關(guān)，可能是較高的SWC促進微生物的活性和功能，直接刺激C、N、P 酶的分泌[28-29]，但AP 酶活性變化程度低于C 和N 酶活性的變化程度[30]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤酶活性及其化學(xué)計量比可作為微生物對土壤養(yǎng)分有效性和養(yǎng)分需求的檢測指標[31]。在本研究中，C、N、P 水解酶活性及其化學(xué)計量比與土壤C、N、P 和有效氮養(yǎng)分含量呈顯著或極顯著相關(guān)，這是由于土壤易分解有機物（如蛋白質(zhì)、核酸和纖維素）主要被土壤酶分解成有效養(yǎng)分以供給微生物和植物利用[32-33]，進而導(dǎo)致C、N、P 及有效氮養(yǎng)分與土壤酶活性產(chǎn)生極密切關(guān)系。另外，ln(BG+CB)/ln(NAG+LAP) 與C/N、 ln(BG+CB)/ln(AP) 與C/P 及l(fā)n(NAG+LAP)/ln(AP) 與N/P 均呈極顯著正相關(guān)?；诖?，本研究的土壤水分、養(yǎng)分及其化學(xué)計量比可能是影響土壤酶活性及其化學(xué)計量比的重要因子。

5 結(jié)論

林下植被去除顯著降低土壤SWC、SOC、TN、TP、有效氮（NH4+-N、NO3－-N）養(yǎng)分含量和抑制了CB 和LAP 活性，但對AP 活性的影響不顯著。通過分析土壤理化性質(zhì)與酶活性及其化學(xué)計量比的相關(guān)性，土壤SWC、SOC、TN、TP、有效氮含量和養(yǎng)分化學(xué)計量比與C、N、P 酶活性及其化學(xué)計量比關(guān)系極為密切。因此，土壤水分、養(yǎng)分及其化學(xué)計量比可能是影響土壤酶活性及其化學(xué)計量比的重要因子。