落葉松林下兩種云杉幼苗根際土酚類物質(zhì)含量變化

（東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

人工林營(yíng)造和更新是非常重要的森林生產(chǎn)和實(shí)踐管理活動(dòng)[1]。純林樹種組成單一，群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造成凋落物分解較慢、地力衰退、多樣性降低、病蟲害加重等問(wèn)題[2]，針葉林尤為顯著[3]。落葉松Larix gmelinii人工林是我國(guó)東北地區(qū)最主要的人工林，但由于缺乏生態(tài)學(xué)理論的科學(xué)指導(dǎo)，其純林逐漸出現(xiàn)了土壤退化、更新困難以及生長(zhǎng)發(fā)育不良等連栽障礙[4]。落葉松天然更新與森林采伐方式[5]、林分結(jié)構(gòu)[6]、林內(nèi)光溫條件[7]、種子數(shù)量和活力[8]、地被物[9]、土壤因子[10]等相關(guān)，此外，植物次生代謝物質(zhì)影響種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)[11]。混交林作為一種森林經(jīng)營(yíng)模式，可通過(guò)組成樹種的不同特性，影響森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力和多樣性[12]。據(jù)報(bào)道，落葉松云杉混交能改善林分結(jié)構(gòu)、提高林分生產(chǎn)力、生物多樣性和涵養(yǎng)水源能力[3]，這一混交模式具有可持續(xù)性[13]，這直接關(guān)乎落葉松人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)和生態(tài)效益的發(fā)揮。

紅皮云杉Picea koraiensis是我國(guó)東北地區(qū)主要的鄉(xiāng)土造林用材樹種。青海云杉Picea crassifolia是我國(guó)獨(dú)有的樹種。自20世紀(jì)70年代，吉林和黑龍江省先后開展了青海云杉的引種工作，結(jié)果均表明青海云杉的生態(tài)適應(yīng)幅度較寬闊，在苗期及幼樹階段能夠適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件并正常生長(zhǎng)，且長(zhǎng)勢(shì)可觀，并已大量結(jié)實(shí)[14-15]。云杉對(duì)林下遮陰光環(huán)境有一定的適應(yīng)性，對(duì)弱光的利用效率較好，適宜在落葉松林下生長(zhǎng)[15-17]。然而，云杉幼苗在落葉松林下更新機(jī)制尚不清楚，森林生態(tài)進(jìn)程中化感作用參與植被動(dòng)態(tài)變化，并且是影響幼苗存活的原因之一[18]。酚類物質(zhì)是植物生命活動(dòng)中重要的次生代謝物質(zhì)之一，也是目前研究最多、活性較強(qiáng)的一類化感物質(zhì)，酚類物質(zhì)不僅存在于植物體內(nèi)，同時(shí)也存在于土壤中[19-20]。有研究報(bào)道，源于根系分泌、地表枯落物腐解、微生物代謝等途徑進(jìn)入土壤的酚類物質(zhì)是天然林更新和混交林營(yíng)建失敗的原因之一[21-23]，但是林木釋放的酚酸具有特異性。近年來(lái)，對(duì)酚酸作為化感物質(zhì)的質(zhì)疑愈來(lái)愈大[24]，前期研究結(jié)果表明，紅皮云杉和青海云杉幼苗均能在不同密度興安落葉松人工林內(nèi)存活[25]，并且能夠逃逸興安落葉松林地積累的土壤病原菌并正常生長(zhǎng)[26]。落葉松同樣可以分泌大量的酚酸物質(zhì)進(jìn)入土壤[27]。林分密度如何影響落葉松下2 種云杉幼苗土壤根際土壤養(yǎng)分含量？紅皮云杉和青海云杉的栽植對(duì)土壤酚類物質(zhì)含量有無(wú)影響？同時(shí)，栽植2 種云杉能否改善落葉松林土壤？為此，本研究選擇了3 種不同林分密度（Ⅰ，1 300 株·hm-2；Ⅱ，660 株·hm-2；Ⅲ，330 株·hm-2）的興安落葉松人工林，對(duì)落葉松純林、栽植2 種云杉幼苗后的根際土理化性質(zhì)和酚類物質(zhì)含量開展研究，旨在為改善人工針葉純林單一結(jié)構(gòu)、退化人工針葉純林地力的恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究地點(diǎn)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地位于東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)。該地區(qū)屬溫帶濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔300 m，年平均氣溫2.8℃左右，年降水量723 mm左右；地帶性土壤為暗棕壤，局部地區(qū)有草甸土、白漿土等隱域性土壤；該地區(qū)人工林主要是由落葉松、紅松Pinus koraiensis、云杉Picea asperata、水曲柳Fraxinus mandshurica、胡桃楸Juglans mandshurica、黃菠蘿Phellodendron amurense和白樺Betula platyphylla等組成的純林及混交林[25]。本研究選取的3 種興安落葉松人工林均為20世紀(jì)70年代營(yíng)造，栽植時(shí)株行距為1.5 m × 2.0 m，初始密度為3 300 株·hm-2，現(xiàn)存密度分別為1 300（Ⅰ）、660（Ⅱ）和330 株·hm-2（Ⅲ）[25]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品采集

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016年3月，把催芽好的紅皮云杉和青海云杉種子用高錳酸鉀消毒后進(jìn)行砂培（河砂高壓蒸汽滅菌），出苗整齊后分別移至黑色塑料小缽中，每缽植苗1 株，栽培基質(zhì)配比為河砂∶草炭∶蛭石=3∶3∶1（121℃下高壓蒸汽滅菌4 h，隔夜冷卻，共3 次）[25]；2016年4月，在老爺嶺實(shí)驗(yàn)站選擇上述3 種不同密度的落葉松人工林，每個(gè)林分內(nèi)分別設(shè)置3 塊20 m×30 m 大小的標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地四角用木樁做好標(biāo)記，并以0.5 m×0.5 m 布置種植點(diǎn)；5月初，將用無(wú)菌基質(zhì)培養(yǎng)的紅皮云杉和青海云杉容器苗栽植到興安落葉松人工林林地內(nèi)，分別采集不同密度落葉松人工林0～15 cm 的表層土壤，每個(gè)樣地按對(duì)角線法采集6 份樣品，充分混合，代表一個(gè)樣地的樣品，每個(gè)林分3 次重復(fù)，用于測(cè)定各林分土壤的基本理化性質(zhì)。

1.2.2 樣品采集

2016年10月初，按照1.2.1 的方法收集不同密度落葉松人工林2 種云杉幼苗根際土，每份樣品分為兩份，一份自然風(fēng)干后過(guò)篩，用于土壤pH 值、全碳、全氮、全磷、有效磷以及酚類物質(zhì)含量的測(cè)定；一份用于銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及微生物量碳氮的測(cè)定。

1.3 土壤pH 值、養(yǎng)分和溫濕度的測(cè)定

pH 值采用電位法測(cè)定[28]，土壤全碳、全氮采用碳氮分析儀（Vario MACRO elementar，Germany）測(cè)定，土壤有效氮采用AA3 連續(xù)流動(dòng)分析儀（SEAL Auto Analyzer 3，Germany）測(cè)定[29]，土壤全磷采用硫酸-高氯酸-鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤有效磷采用雙酸（0.05 mol·L-1鹽酸-0.025 mol·L-1硫酸）浸提鉬銻抗比色法測(cè)定[29]。土壤濕度采用時(shí)域反射儀（TDR 300，Spectrum，USA）直接測(cè)定土壤容積含水量，土壤溫度采用針式土壤溫度計(jì)測(cè)定，TDR 300 和針式土壤溫度計(jì)都需安裝10 cm 長(zhǎng)度的探針。2016年5—10月，每月至少測(cè)定1 次，以此作為各林分的平均土壤濕度和溫度[25]。土壤理化性質(zhì)和溫濕度見(jiàn)表1和圖1。

1.4 土壤微生物量碳、土壤微生物量氮和酚類物質(zhì)含量的測(cè)定

采用氯仿熏蒸法測(cè)定土壤微生物量碳氮[30]。土壤總酚、復(fù)合態(tài)酚和水溶性酚的含量使用福林酚法測(cè)定[31]。

表1 不同密度落葉松人工林土壤pH 值及養(yǎng)分含量?Table 1 Soil pH,concentrations of nutrients in different larch plantations

圖1 不同密度落葉松人工林土壤溫度和土壤含水量Fig.1 Soil temperature and soil moisture content in larch plantations with different densities

稱取2 g 過(guò)2 mm 篩孔的風(fēng)干土樣于50 mL 容量瓶中，加入10 mL 4 mol/L H2SO4溶液,于110℃水解24 h。冷卻后定容過(guò)濾，并吸取5 mL 溶液于25 mL容量瓶中，2倍稀釋后依次加入1 mL pH值9.8緩沖液、2 mL 4% 4-氨基安替比林溶液和2 mL 8%K3Fe(CN)6溶液后搖勻，顯色（10 min）完成后定容。以不加樣品的試劑為對(duì)照空白，分光光度計(jì)460 nm波長(zhǎng)處比色[40]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線求出酚的含量。標(biāo)準(zhǔn)酚溶液為20 μg·mL-1的對(duì)羥基苯甲酸溶液。

稱取10 g 過(guò)2 mm 篩孔的風(fēng)干土樣于塑料容器中，并加入50 mL 無(wú)酚水振蕩20 h，過(guò)濾并定容至50 mL 容量瓶，得水溶性酚待測(cè)液；稱取1 g 過(guò)2 mm 篩孔的風(fēng)干土樣于塑料容器中，并加入50 mL 1 mol·L-1NaOH 溶液振蕩20 h，過(guò)濾并定容至50 mL 容量瓶，得復(fù)合態(tài)酚待測(cè)液。吸取待測(cè)液1 mL 于帶塞試管中，依次加入2 mL pH 值10 的Na2CO3、NaHCO3緩沖溶液，0.5 mL Folin 試劑和1 mL 5%無(wú)水碳酸鈉溶液后搖勻，顯色。以不加樣品的試劑為對(duì)照空白，分光光度計(jì)690 nm波長(zhǎng)下比色。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線求出酚的含量。標(biāo)準(zhǔn)酚溶液為20 μg·ml-1的單寧酸溶液，復(fù)合態(tài)酚待測(cè)液測(cè)定前需用2 mol·L-1H2SO4溶液調(diào)節(jié)pH 值至酸性[40]。興安落葉松林表層土壤原始酚類物質(zhì)含量見(jiàn)圖2。

圖2 不同密度落葉松人工林土壤總酚、復(fù)合態(tài)酚和水溶性酚含量Fig.2 Contents of total phenols,complex phenols and water-soluble phenols in Larix gmelinii plantations with different densities

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 和SPSS 17.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)單因素方差分析（One-way Anova）、鄧肯法（Duncan）和獨(dú)立t 檢驗(yàn)進(jìn)行方法分析。采用Canoco 4.56 軟件進(jìn)行PCA 主成分分析，利用 SigmaPlot 12.0 和Photoshop CC 14.0軟件作圖，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同密度落葉松下紅皮云杉、青海云杉幼苗根際土壤酚類物質(zhì)含量

林分密度和樹種均沒(méi)有對(duì)幼苗的根際土復(fù)合態(tài)酚含量和水溶性酚含量產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05）。紅皮云杉和青海云杉幼苗的根際土總酚含量均在密度Ⅱ表現(xiàn)為最低，且紅皮云杉幼苗的根際土總酚含量在密度Ⅲ顯著高于密度Ⅱ（P＜0.05）（圖3）。

2.2 不同密度落葉松下紅皮云杉、青海云杉幼苗根際土pH 值及養(yǎng)分含量

青海云杉和紅皮云杉的pH 值、全碳在密度Ⅰ差異顯著，其他密度下的各測(cè)定指標(biāo)均不顯著（圖4）。2 種云杉幼苗的根際土pH 值均表現(xiàn)為密度Ⅲ最高，且顯著高于密度Ⅱ（P＜0.05）；紅皮云杉幼苗的根際土碳氮比在密度Ⅰ最高，且高出密度Ⅱ29%（P＜0.05），青海云杉幼苗的根際土全碳和全氮含量均表現(xiàn)為樣地Ⅲ最高，且顯著高于密度Ⅰ和密度Ⅱ（P＜0.05）。青海云杉幼苗的根際土全磷含量以密度Ⅲ最高，且高出密度Ⅰ全磷含量的26%（P＜0.05）。紅皮云杉幼苗的根際土銨態(tài)氮含量在密度Ⅰ最高，且顯著高于密度Ⅲ（P＜0.05）。青海云杉幼苗的根際土硝態(tài)氮含量在密度Ⅰ最高，且顯著高于密度Ⅱ和密度Ⅲ（P＜0.05）（圖4）。

2.3 不同密度落葉松下紅皮云杉、青海云杉幼苗根際土微生物量碳和氮含量

從密度Ⅰ到密度Ⅲ，落葉松下紅皮云杉幼苗根際土微生物碳含量依次為968.81、900.44、1 840.07 μg·g-1，興安落葉松下青海云杉幼苗根際土微生物碳含量依次為811.7、1 347.1、1 606.07 μg·g-1，2 種云杉微生物量碳氮含量均以密度Ⅲ最大，林分密度和樹種均沒(méi)有對(duì)幼苗的根際土微生物量碳和氮含量產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05）（圖5）。

圖3 不同密度落葉松人工林下紅皮云杉和青海云杉幼苗的根際土總酚、復(fù)合態(tài)酚和水溶性酚含量Fig.3 Contents of total phenols,complex phenols and water-soluble phenols of rhizosphere soil of Picea koraiensis and Picea crassifolia seedling in Larix gmelinii plantations with different densities

2.4 紅皮云杉和青海云杉幼苗根際酚類物質(zhì)及土壤理化性質(zhì)的PCA 主成分分析

2 種云杉的3 種密度之間存在差異，2 種云杉的差異類型一致，均為密度Ⅰ、密度Ⅱ在第一軸PC1 組成差異較大；紅皮云杉PC1 和PC2 分別解釋了總變異的77.5%和22.5%；青海云杉PC1 和PC2 分別解釋了總變異的57.1%和42.9%（圖6）。

3 結(jié) 論

大多數(shù)高等植物富含酚類物質(zhì)，其與植物生長(zhǎng)密切相關(guān)[32]。根據(jù)酚的結(jié)合狀態(tài)可分為復(fù)合態(tài)酚和水溶性酚，兩者之間存在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡[33]。本研究中，林分密度對(duì)落葉松林土壤總酚、復(fù)合酚、水溶性酚含量存在一定影響，是由于林分密度影響林地枯落物的腐解和根系分泌，進(jìn)而控制土壤中酚類物質(zhì)的來(lái)源[34-35]，同時(shí)也證明了高密度（密度Ⅰ）條件下，植物能產(chǎn)生和釋放較多的次生代謝物質(zhì)（包含部分化感物質(zhì)）[36]。土壤中酚類物質(zhì)含量的高低主要取決于其來(lái)源、消解和轉(zhuǎn)化等因素的綜合作用，溫度（季節(jié)）對(duì)總酚消解速率有影響，但對(duì)水溶性酚和復(fù)合態(tài)酚消解速率無(wú)影響[37]。栽植2 種云杉幼苗后，酚類物質(zhì)含量有所降低，總酚含量的降低是由于取樣時(shí)間不同造成的季節(jié)差異和云杉幼苗栽植共同影響的；而水溶性酚含量降低是2 種云杉幼苗生長(zhǎng)需要大量水溶性酚造成的。2 種云杉幼苗根際土酚物質(zhì)含量之間沒(méi)有差異，是因?yàn)橛酌鐬榱司S持自身正常生長(zhǎng)不能產(chǎn)生多余的物質(zhì)給予外界環(huán)境，這解釋了為什么2 種云杉幼苗成活率無(wú)顯著差異的原因[25]。隨著密度的升高，紅皮云杉幼苗成活率越高[25]，由于密度和樹種的相互作用使得中密度落葉松林下的紅皮云杉總酚含量顯著低于其他兩個(gè)密度下的。低濃度的水溶性酚可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，當(dāng)超過(guò)一定濃度（50 μg·g-1）時(shí)，對(duì)植物生長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生抑制作用[38]。落葉松林土壤總酚含量為密度Ⅰ高于密度Ⅲ（低密度），由于高密度林分中的云杉幼苗生長(zhǎng)需要吸收更多酚類物質(zhì)，故栽植云杉幼苗對(duì)高密度落葉松總酚含量的影響優(yōu)于低密度落葉松，表現(xiàn)為高密度下云杉幼苗根際土壤總酚含量低于密度Ⅲ。根據(jù)結(jié)果可知，2 種云杉長(zhǎng)期栽植能夠改善落葉松連種造成的土壤不良問(wèn)題，且紅皮云杉的改良效果優(yōu)于青海云杉。

林分密度對(duì)興安落葉松土壤養(yǎng)分含量有不同程度的影響，隨著密度的增大，土壤養(yǎng)分含量降低，這與以往的研究結(jié)果一致[39-40]。2 種云杉幼苗的根際pH 值、全碳、全氮和全磷含量均表現(xiàn)為密度Ⅲ的最高，源于低密度林分的生物多樣性明顯高于高密度林分。低密度林分存在大量的草本和灌木，細(xì)根生物量增加，周轉(zhuǎn)加快，有利于土壤層固定更多的碳“匯”[41]并加快養(yǎng)分轉(zhuǎn)化[34]。紅皮云杉幼苗根際土在密度Ⅱ下的養(yǎng)分含量最低，而青海云杉幼苗根際土養(yǎng)分含量無(wú)差異，這進(jìn)一步解釋了2 種云杉幼苗在高密度下更具有生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，且紅皮云杉比青海云杉更具生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，是樹種和密度互相作用的結(jié)果。根際土壤pH 值的變化主要是由于根系呼吸作用釋放CO2以及在離子的主動(dòng)吸收和根尖細(xì)胞伸長(zhǎng)過(guò)程中分泌質(zhì)子和有機(jī)酸所致。此外，土壤碳循環(huán)與根系密不可分，只有在高密度林分中，紅皮云杉的根際土pH 值和全碳含量顯著高于青海云杉，這表明根系對(duì)根際土壤環(huán)境作出明顯的響應(yīng)。由于高密度林分內(nèi)有更多的植物殘?bào)w輸入到生態(tài)系統(tǒng)中，會(huì)降低微生物對(duì)碳的利用效率或是對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解速率，而低密度林分較好的光照條件及適量的枯枝落葉組成等更適宜微生物群落的活動(dòng)，從而加快養(yǎng)分循環(huán)，有利于土壤微生物量碳和氮含量的積累[42]。因此，2 種幼苗的根際土壤微生物量碳和氮含量均在低密度林分（密度Ⅲ）表現(xiàn)為最高。但樹種沒(méi)有對(duì)幼苗根際土微生物量碳和氮含量產(chǎn)生顯著影響，這是因?yàn)橛酌巛^小，試驗(yàn)時(shí)間較短，而微生物數(shù)量和結(jié)構(gòu)的變化在短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生改變。紅皮云杉幼苗的根際土水溶性酚含量與銨態(tài)氮含量呈正相關(guān)，復(fù)合態(tài)酚含量與碳氮比呈正相關(guān)，總酚酸含量與硝態(tài)氮和全氮含量具有相關(guān)性；青海云杉幼苗的根際水溶性酚與土壤微生物量氮呈正相關(guān)，復(fù)合酚含量與全氮具有相關(guān)性，這印證了酚類物質(zhì)對(duì)土壤硝化作用的影響極其重要，土壤全氮增加時(shí)，土壤微生物量氮也隨之增加，使得土壤中的微生物種群和數(shù)量也發(fā)生變化，硝化菌數(shù)量增加，土壤硝化作用增強(qiáng)，銨態(tài)氮減少，硝態(tài)氮增加[19,43]。根據(jù)結(jié)果可知，2 種云杉長(zhǎng)期栽植均能改良落葉松林的土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤質(zhì)量。

圖4 不同密度落葉松人工林下紅皮云杉和青海云杉幼苗根際土理化性質(zhì)Fig.4 The physical and chemical properties of rhizosphere soil of Picea koraiensis and Picea crassifolia seedlings in Larix gmelinii plantations with different densities

圖5 不同密度落葉松人工林下紅皮云杉和青海云杉幼苗的根際土微生物量Fig.5 Soil microbial biomass of rhizosphere soil of Picea koraiensis and Picea crassifolia seedling in Larix gmelinii plantations with different densities

圖6 紅皮云杉(a)和青海云杉(b)幼苗根際土理化性質(zhì)的PCA 分析Fig.6 Ordination plot of principal component analysis of physical and chemical properties of rhizosphere soil of Picea koraiens (a) and Picea crassifolia (b) seedling

4 討 論

不同密度興安落葉松人工林土壤總酚、復(fù)合態(tài)酚、水溶性酚含量沒(méi)有明顯變化。栽植于落葉松林下的紅皮云杉和青海云杉根際土的3 種酚含量在不同密度落葉松林下沒(méi)有顯著差異，也均低于未栽植云杉落葉松純林的，云杉從幼苗期即可顯示出降低落葉松純林土壤酚類物質(zhì)含量的能力。只有在高密度林分中，紅皮云杉的根際土pH 值和全碳含量顯著高于青海云杉的，這也是紅皮云杉比青海云杉更具生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)的原因。本研究由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，無(wú)法驗(yàn)證第2年落葉松土壤養(yǎng)分含量變化是否與第1年趨勢(shì)一致，2 種云杉幼苗后期的生長(zhǎng)表現(xiàn)需進(jìn)一步深入研究，驗(yàn)證密度、樹種、密度和樹種哪種因素對(duì)落葉松林土壤養(yǎng)分含量及酚類物質(zhì)含量的影響更大。對(duì)于落葉松人工林，其自身幼苗在林下難以更新存活，選擇云杉等耐陰針葉樹種進(jìn)行替代更新具有一定意義。