楊樹人工林幼林階段林下植被管理對土壤微生物生物量碳、氮酶活性的影響

張賈宇,佘 婷,鄂曉偉,唐羅忠,田 野

南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210037

我國速生型楊樹(Populusspp.)人工林普遍存在土壤養(yǎng)分供應(yīng)不足的問題[1-2],采用大面積施肥的方式必然增加營林成本,在生產(chǎn)中較少使用,而通過加快系統(tǒng)內(nèi)的養(yǎng)分循環(huán)來維持楊樹人工林生產(chǎn)力是一種有效且經(jīng)濟(jì)可行的方法。微生物和胞外酶在土壤物質(zhì)分解和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中起到重要作用,可以在很大程度上影響土壤的養(yǎng)分供應(yīng)能力[3- 6]。因此,提高林地土壤的微生物生物量和胞外酶活性可在一定程度上改善楊樹人工林養(yǎng)分的供應(yīng)。

林下植被是人工林的重要組成部分[7]。以往的多數(shù)觀點認(rèn)為,林下植被存在與上層喬木競爭水分[8]、養(yǎng)分[9]和生長空間[10]等問題,因此,在傳統(tǒng)的人工林經(jīng)營管理過程中一般會清除林下植被[11-12]。然而,近年的研究發(fā)現(xiàn),林下植被可通過改變林地微環(huán)境(如溫度、濕度和緊實度等)[13- 15]、產(chǎn)生凋落物和根系分泌物等方式[16- 19]改善土壤微生物的繁殖和生存條件,提高土壤微生物生物量和胞外酶活性,從而改善林地土壤的養(yǎng)分循環(huán)和供應(yīng)。因此,科學(xué)地管理林下植被有可能成為提高林地生產(chǎn)力的重要手段。

自然的人工林下一般存在物種豐富的林下植被。與單一物種的林下植物相比,林下植被物種豐富度的增加對系統(tǒng)內(nèi)的養(yǎng)分循環(huán)和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生何種影響,目前仍未有定論。一些研究認(rèn)為,物種豐富度較高的林下植被可以為土壤微生物提供更加復(fù)雜多樣的生存空間和環(huán)境[20-22],同時,多樣化的林下植被凋落物和根系分泌物還可為微生物提供異質(zhì)性的資源,使土壤微生物生物量和微生物群落代謝發(fā)生改變[23-24],并產(chǎn)生種類、數(shù)量和活性不同的胞外酶[25],從而影響林分凋落物的分解以及養(yǎng)分的釋放速率,進(jìn)而影響到林地土壤養(yǎng)分的供應(yīng)水平和生產(chǎn)力。

基于上述研究背景,本論文重點關(guān)注兩個問題：(1)與清除林下植被相比,保留林下植物能否改變微生物群落的代謝功能,提高土壤微生物生物量和土壤胞外酶活性？(2)與單一林下植物相比,增加林下植被的物種豐富度是否進(jìn)一步提高林地土壤微生物生物量和微生物活性？針對上述問題,本研究通過野外大田試驗探究楊樹人工林林下植被管理對林地土壤微生物生物量碳(Microbial biomass carbon, MBC)、微生物生物量氮(Microbial biomass nitrogen, MBN)、微生物群落代謝特征和胞外酶活性的影響,以期為楊樹人工林林下植被管理提供理論依據(jù),也為研究人工林土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化機(jī)制提供思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于江蘇省宿遷市泗洪縣泗洪林場(33°32′N,118°36′E)。所在區(qū)域為中緯度暖溫帶半濕潤氣候區(qū),年均氣溫14.6 ℃,年均降水量893.9 mm,年均無霜期213 d,年均日照時數(shù)2326.7 h。

試驗林林地0—10 cm土層土壤的pH(H2O)為 7.03,容重為1.33 g/cm3,有機(jī)碳含量為20.23 g/kg,全氮含量為2.03 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗林分為2016年造林的楊樹人工林,造林無性系為南林3804楊(P.deltoides‘Nanlin—3804’),采用1年生苗木造林,株行距6 m × 6 m。試驗林分楊樹的存活率在95%以上?；谠炝趾蟮谝荒甑恼{(diào)查,試驗林的林下植被蓋度約90%,主要種類為稗草(Echinochloacrusgalli),生物量占林下植被總生物量的60%左右,其它的林下植被種類主要包括鴨跖草(Setcreaseapurpurea)、莎草(Rhizomacyperi)和長葉水莧菜(Ammanniacoccinea)等,生物量分別約占林下植被總生物量的20%、10%和10%。

按照林下植物物種數(shù)量遞增的順序設(shè)計3種林下植被處理,即清除林下植被、保留單一林下植物(稗草)和保留物種多樣的自然林下植被。本研究采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,在試驗林分內(nèi)設(shè)置3個區(qū)組,每個區(qū)組內(nèi)布設(shè)3個面積為42 m × 12 m的試驗小區(qū),根據(jù)試驗設(shè)計隨機(jī)安排3種林下植被處理。

于2017年8月開始按照試驗設(shè)計對林下植被進(jìn)行管理,清除林下植被處理將林下植被完全移除后,采用透氣透水性良好的黑色地布覆蓋。保留單一林下植物處理移除稗草以外的所有林下植被,并適當(dāng)結(jié)合人工播種的方式保證稗草的蓋度。保留自然狀態(tài)的林下植被處理在整個研究過程中不加以管理,保持林下植物的多樣性。

1.3 取樣和分析測定方法

于2018年的6月、8月和10月進(jìn)行土壤取樣。在每個試驗小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3點采集0—5 cm和5—10 cm土層的土壤樣品,放入冰盒內(nèi)帶回實驗室。清除土壤中的雜質(zhì)之后并過2 mm篩,置于4 ℃冰箱中儲存,用于MBC、MBN、土壤胞外酶活性和土壤微生物功能多樣性的測定。所有分析測定于取樣后1周內(nèi)完成。

土壤MBC和MBN用氯仿熏蒸,0.5 mol/L K2SO4溶液提取后,采用重鉻酸鉀容量分析法測定土壤MBC含量[26],采用茚三酮比色法測定MBN含量[26]。

本研究測定了土壤中參與碳轉(zhuǎn)化的2種胞外酶活性,包括β-葡萄糖苷酶(EC3.2.1.21)和多酚氧化酶(EC1.10.3.2),并測定了土壤中參與氮轉(zhuǎn)化的芳基酰胺酶(EC3.1.1.2)活性。

土壤β-葡萄糖苷酶活性測定參照Adetunji等[27]的方法,對硝基苯基-β-d-吡喃葡萄糖苷作為底物,于37 ℃培養(yǎng)1 h后使用0.5 mol/L CaCl2和0.5 mol/L NaOH終止反應(yīng),使用分光光度計測定生成的對硝基酚含量代表酶活性的高低,酶活性的單位為mg kg-1h-1。

土壤多酚氧化酶活性測定參照Perucci等[28]的方法,鄰苯二酚作為底物,于37 ℃培養(yǎng)2 h后直接使用乙醚萃取水解產(chǎn)物,并通過分光光度計測定生成的沒食子酸含量代表酶活性的高低,酶活性的單位為mg kg-1h-1。

土壤芳基酰胺酶活性測定參照Acosta-Martínez等[29]的方法,L-亮氨酰-β-萘胺鹽酸鹽作為底物,于37 ℃培養(yǎng)1 h后使用95%的乙醇終止反應(yīng),使用分光光度計測定生成的β-萘胺含量代表酶活性的高低,酶活性的單位為mg kg-1h-1。

采用Biolog-ECO微平板法分析土壤微生物區(qū)系的碳源利用能力。選擇BIOLOG微平板中的ECO板進(jìn)行微生物的培養(yǎng),接種方法參照徐萬里[30]的方法,稱取相當(dāng)于5 g烘干土重的鮮土于三角瓶中,加入45 mL無菌水,震蕩30 min后稀釋20倍并接種,接種量為150 μL。接種后置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng),于培養(yǎng)后每隔24 h使用酶標(biāo)儀測定590 nm處的光密度值,培養(yǎng)時長為168 h。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤微生物群落對碳源的利用能力大小用平均顏色變化率(Average well color development, AWCD)表示。在培養(yǎng)120 h以后,ECO板的光密度值基本趨于穩(wěn)定,因此選擇培養(yǎng)120 h的數(shù)據(jù)計算AWCD、微生物物種多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù))、均勻度指數(shù)(McIntosh指數(shù))和豐富度指數(shù)(Richness指數(shù))。具體計算公式如下：

式中,Ci為第i孔的光密度值,R為對照孔的光密度值,Ci-R<0時計為0。

式中,Pi為第i孔相對光密度值與整板平均相對光密度值總和的比,即：

式中,ni為第i孔的相對吸光度,即ni=Ci-R。

Richness指數(shù)：被利用的碳源總數(shù)目(Ci-R>0.25的孔數(shù))

采用主成分分析(Principal components analysis, PCA)法對不同處理下8月份的土壤微生物群落代謝功能進(jìn)行分析。

采用Microsoft Excel 2013對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算；采用SPSS 21.0對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比較(Least-Significant Difference, LSD)；采用SigmaPlot 12.5進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 林下植被處理對土壤微生物生物量碳、氮的影響

與清除林下植被處理相比,保留一種林下植物處理提高了0—5 cm 和5—10 cm土層的土壤MBC與MBN含量,此效應(yīng)在8月份表現(xiàn)得最為明顯；此外,與保留一種林下植物處理相比,林下植物物種數(shù)量的增加進(jìn)一步提高了土壤微生物生物量(圖1)。保留物種多樣的自然植被處理8月份0—5 cm土層的土壤MBC與MBN含量比保留單一植物處理分別顯著增加了4.88%和14.93%(P<0.05),另外6月份5—10 cm土層的土壤MBN含量同比也顯著增加了9.75%(P<0.05)(圖1)。林地土壤MBC/MBN比隨林下植物豐富度增加的變化趨勢與MBC和MBN含量有所不同,與清除林下植被處理相比,保留單一植物處理8月份0—5 cm土層土壤的MBC/MBN比顯著降低了17.30%,而保留物種豐富的自然植被處理進(jìn)一步顯著降低,降低幅度達(dá)24.42%(P<0.05)(圖1)。

2.2 林下植被處理對土壤微生物群落功能的影響

土壤微生物的AWCD值、McIntosh指數(shù)和Richness指數(shù)均以0—5 cm土層大于5—10 cm土層(表1)。與清除林下植被處理相比,保留單一植物處理在0—5 cm 和5—10 cm土層各個調(diào)查時間的AWCD值、Shannon指數(shù)和Richness指數(shù)均有所上升,0—5 cm土層土壤的McIntosh指數(shù)在8月份也明顯上升(表1)。與保留單一植物相比,林下植物物種數(shù)量的增加對6月和10月份0—5 cm土層和5—10 cm土層的土壤微生物AWCD值無顯著影響(P>0.05),但顯著提高了8月份0—5 cm土層的土壤微生物AWCD值、Shannon指數(shù)和McIntosh指數(shù)(P<0.05),以及5—10 cm土層的McIntosh指數(shù)和Richness指數(shù)(表1)。

由于各處理土壤微生物對碳源的利用方式在8月份的差異最明顯,因此本研究選擇8月份的結(jié)果進(jìn)行土壤微生物對碳源利用的主成分分析?；赑CA的相關(guān)性矩陣,第一主成分(Principal component 1, PC1)和第二主成分(Principal component 2, PC2)的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到71.87%,對主成分PC1和PC2貢獻(xiàn)較大(因子負(fù)荷量的絕對值大于0.7)的碳源類型見表2,其中對PC1貢獻(xiàn)最大的碳源是氨基酸類和有機(jī)酸類,其次是醇類、糖類和酯類,對PC2貢獻(xiàn)較大的碳源是有機(jī)酸類、糖類和胺類。

表1 不同林下植被處理的土壤微生物群落AWCD值及多樣性指數(shù)

圖2 不同林下植被處理8月份的土壤微生物群落碳源代謝主成分分析Fig.2 Principal Component Analysis (PCA) of soil microbial community carbon sources metabolism in August under different understory vegetation treatments

基于前兩個主成分PC1和PC2進(jìn)行微生物群落代謝特征分析,分析結(jié)果見圖2。在0—5 cm土層,清除林下植被處理在PC1和PC2上均與保留林下植物的2種處理出現(xiàn)了明顯的分異,說明清除林下植被處理主要影響了土壤微生物對氨基酸類和有機(jī)酸類碳源的利用,同時在一定程度上影響了土壤微生物對一部分糖類和胺類碳源的利用。保留單一植物處理與保留自然植被處理在PC2上出現(xiàn)明顯的分異,說明林下植被物種數(shù)量主要影響土壤微生物對有機(jī)酸類、糖類和胺類碳源的利用。在5—10 cm土層,處理間的分異程度明顯小于0—5 cm土層,清除林下植被處理在PC2上與保留林下植物的2種處理出現(xiàn)一定的分異,而保留單一植物處理與保留自然植被處理在PC1上出現(xiàn)一定的分異。

不同處理8月份0—5 cm土層的土壤微生物對31種碳源利用情況的進(jìn)一步分析結(jié)果(圖3)表明,清除林下植被處理的土壤微生物主要利用的碳源包括a-D-乳糖、β-甲基-D-葡萄糖苷、D-纖維二糖等部分糖類以及L-天冬酰胺酸、D-甘露醇、丙酮酸甲酯、γ-羥基丁酸、N-乙?；?D-葡萄胺等。與清除林下植被處理相比,保留單一植物處理不僅顯著提高了土壤微生物對上述碳源的利用,還顯著提高了土壤微生物對幾乎所有糖類以及多種氨基酸類和酯類、有機(jī)酸類碳源的利用(P<0.05)。保留自然植被處理的土壤微生物進(jìn)一步擴(kuò)大了對碳源種類的利用范圍,土壤微生物幾乎可以有效利用所有的31種碳源,其利用水平整體上顯著高于保留單一林下植物處理(P<0.05)。

2.3 林下植被處理對土壤酶活性的影響

土壤β-葡萄糖苷酶和芳基酰胺酶活性從6月份至10月份呈先上升后下降的趨勢,而土壤多酚氧化酶活性則持續(xù)上升(圖4)。與清除林下植被處理相比,保留單一植物處理顯著提升了6月份和8月份0—5 cm土層的3種土壤胞外酶活性(P<0.05),也顯著提高了10月份與土壤碳轉(zhuǎn)化相關(guān)的β-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性(P<0.05)。與清除林下植被處理相比,保留單一植物處理顯著提高了6月份5—10 cm土層的β-葡萄糖苷酶活性和8月份5—10 cm土層的多酚氧化酶和芳基酰胺酶活性(P<0.05)。此外,與保留單一植物處理相比,保留自然植被處理0—5 cm土層的β-葡萄糖苷酶和芳基酰胺酶活性在6月份和8月份分別顯著增加17.04%、10.58%和9.22%、12.86%(P<0.05),土壤多酚氧化酶活性在8月份顯著增加13.63%(P<0.05)。提高林下植物物種數(shù)量在各個月份均未明顯影響5—10 cm土層的β-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性,但保留自然植被處理8月份的土壤芳基酰胺酶活性比保留單一林下植物處理顯著增加10.05%(P<0.05)。

表2 主成分對應(yīng)的碳源載荷因子分析(|因子負(fù)荷量|>0.70)

3 討論

土壤微生物和土壤胞外酶均是土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程中重要的參與者。本研究表明,與清除林下植被相比,保留單一林下植物提高了土壤MBC、MBN含量(圖1)和土壤胞外酶活性(圖4),改變了微生物群落的生理代謝特征(表1,圖2和圖3),這與前人的多數(shù)研究結(jié)果一致[31-32]。大量研究表明,林下植被具有提高土壤含水率[33-34]、降低土壤容重[35]和改善土壤微環(huán)境的作用,因此,與清除林下植被相比,保留林下植被可為微生物提供更適宜的生存和繁殖條件,從而導(dǎo)致林地土壤中微生物生物量的積累和胞外酶活性的提高。此外,吳亞叢等[36]發(fā)現(xiàn),與保留林下植被相比,清除林下植被會降低土壤有機(jī)碳的含量,這主要是因為清除林下植被減少了林下植被的凋落物和根系分泌物向土壤的碳輸入。金艷強(qiáng)等[37]發(fā)現(xiàn)柏木(Cupressusfunebris)人工林林下植被生物量可占到群落總生物量的23.6%,楊超等[38]也發(fā)現(xiàn)3年生杉木(Cunninghamialanceolata)人工林林下植被生物量可達(dá)到2.95 kg/m2；而Yakov 等[39]則發(fā)現(xiàn)植物以根系分泌物的形式釋放入土壤中的含碳物質(zhì)最高可占到其光合作用固定碳量的42%左右。這些數(shù)量可觀的凋落物或根系分泌物能夠為土壤微生物提供大量的有效碳源,加快土壤微生物的繁殖,提高微生物的活性,并且向土壤胞外酶提供大量底物,從而提高土壤酶活性[40-41]。與此同時,林下植被凋落物中含有豐富的纖維素、果膠等糖類物質(zhì)[42],而根系分泌物中則含有大量的氨基酸類和有機(jī)酸類物質(zhì)[43],與清除林下植被相比,保留林下植物可以使土壤微生物獲得更多種類的碳源,從而導(dǎo)致微生物群落代謝特征發(fā)生改變[44-45]。因此,在人工林中保留林下植物可以有效提高土壤微生物生物量,并且提升其群落代謝能力和土壤胞外酶活性,有助于加快土壤有機(jī)物的分解轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分釋放。

圖3 不同林下植被處理8月份0—5 cm土層的土壤微生物碳代謝指紋圖譜Fig.3 Metabolic fingerprint of carbon physiological profiles of soil microbial community in the 0—5 cm soil layer in August under different understory vegetation treatments圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=9)；不同字母代表同一種碳源在處理間差異顯著(P<0.05)

圖4 不同林下植被處理的土壤β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶和芳基酰胺酶活性Fig.4 Soil β-glucosidase, polyphenol oxidase and arylamidase activities under different understory vegetation treatments圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=9)；不同字母代表同一土層同一月份處理間差異顯著(P<0.05)

本研究發(fā)現(xiàn),與保留單一林下植物相比,林下植物物種數(shù)量的增加能進(jìn)一步提高土壤微生物生物量和土壤胞外酶活性,并增加了土壤微生物對氨基酸類、有機(jī)酸類和胺類等多種類碳源的利用(圖1、圖3和圖4)。前人的研究表明,物種數(shù)量較多的林下植被可為土壤微生物提供更加復(fù)雜的生存環(huán)境[46-47],如李東海等[48]研究不同類型的林下植被對桉樹(Eucalyptussp.)人工林土壤物理性質(zhì)的影響時發(fā)現(xiàn),林下植被物種豐富度高的林地具有更高的土壤持水能力,土壤更為疏松多孔；同時,多樣性的凋落物也可為微生物提供更加復(fù)雜的生存場所和分解底物來源[49],可能因此導(dǎo)致土壤微生物區(qū)系更加復(fù)雜,微生物的活性更高。此外,聶蘭琴等[50]和王春陽等[51]通過研究發(fā)現(xiàn),同一區(qū)域不同植物凋落物的碳氮比明顯不同,Dai等[52]和高雨秋等[53]還發(fā)現(xiàn)不同的林下植被根際土壤中的碳、氮、磷含量均不同。不同的林下植物可以產(chǎn)生不同的凋落物和根系分泌物,這些異質(zhì)性的資源使土壤微生物可以獲取更多種類的有機(jī)物,從而促進(jìn)了土壤微生物的繁殖和胞外酶的分泌,進(jìn)而提高了土壤微生物生物量和胞外酶的活性。此外,除糖類、酯類等植物體內(nèi)含有的常規(guī)物質(zhì)以外,多樣化的林下植物還可以在分解過程中為土壤微生物提供更加豐富和多樣化的氨基酸、有機(jī)酸和腐胺等物質(zhì)[54],從而改變微生物的群落代謝特征。因此,物種數(shù)量多的林下植被總體上具有比單一林下植物更為復(fù)雜的功能性狀,對土壤微生物生物量、微生物群落代謝特征和胞外酶活性的提升也更為有效。

本研究中不同林下植被處理對8月份0—5 cm土層的土壤MBC、MBN含量、微生物群落代謝和胞外酶活性產(chǎn)生的影響最為顯著,這一方面是由于林下植被對土壤微環(huán)境的改變以及林下植被凋落物的歸還主要作用于表層土壤[55],此外,對土壤微生物而言,8月份相對來說具有更加適宜的土壤溫度和濕度條件,因此,此時的表層土壤的微生物群落更容易受到林下植被的影響[56]。土壤胞外酶活性由于受分解底物的量以及相應(yīng)的微生物活性的影響,通常在夏季活性較高,本研究中的β-葡萄糖苷酶和芳基酰胺酶均表現(xiàn)出這一趨勢。但是多酚氧化酶活性則從6月至10月逐漸提高,這一現(xiàn)象可能與多酚氧化酶分解的底物特征有關(guān)。多酚氧化酶主要分解土壤中較難被分解的木質(zhì)素類含碳有機(jī)物[57],在以凋落物為主體的土壤有機(jī)物的分解進(jìn)程中,易被分解的組分隨著分解進(jìn)程逐漸減少,而難分解的木質(zhì)素類物質(zhì)則逐漸積累,因此,土壤多酚氧化酶活性也相應(yīng)地逐漸升高[58-59]。

4 結(jié)論

與清除楊樹人工林林下植被相比,保留林下植被可以顯著提升林地土壤的微生物生物量以及與碳、氮轉(zhuǎn)化相關(guān)酶的活性,這種效應(yīng)隨林下植被物種多樣性的提高進(jìn)一步增強(qiáng)。保留物種豐富的自然林下植被可以使土壤微生物區(qū)系更加復(fù)雜,從而提高土壤微生物多樣性,并且增強(qiáng)土壤微生物對碳源利用的多樣化和代謝活性。因此,在楊樹人工林的經(jīng)營過程中,建議盡量保留多樣化的自然林下植被,從增加土壤微生物生物量、豐富微生物群落結(jié)構(gòu)、提高土壤胞外酶活性等方面,促進(jìn)楊樹人工林林地土壤的養(yǎng)分循環(huán),進(jìn)而實現(xiàn)高效生態(tài)型的楊樹人工林可持續(xù)經(jīng)營。