南亞熱帶馬尾松-紅錐混交林與其純林對土壤微生物生物量碳和氮的影響比較*

王玉鳳，席守鴻，譚玲，覃林

(廣西大學 林學院，廣西森林生態(tài)與保育重點實驗室，廣西 南寧530004)

土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)是土壤有機質(zhì)的活性組分，并作為土壤微生物生物量的主要成員參與陸地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)、凋落物分解和有機質(zhì)轉(zhuǎn)化等多種生態(tài)過程，在森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1-5]。已有眾多研究表明，不同樹種林分類型因其凋落物數(shù)量與質(zhì)量、根系分泌物含量與種類等的差異，導致土壤有機質(zhì)及養(yǎng)分含量不同而影響土壤微生物的生長與繁殖，進而導致林地土壤微生物生物量的差異[2,6-10]。同時，土壤微生物生物量碳與土壤有機碳(SOC)比值(MBC/SOC)以及微生物生物量氮與全氮(TN)的比值(MBN/TN)，反映了輸入土壤有機質(zhì)向微生物生物量的轉(zhuǎn)化效率以及土壤中養(yǎng)分元素的損失和土壤礦物質(zhì)對有機質(zhì)的固定[11]，該比值越大說明土壤碳、氮的積累強度越大[12-13]。因此，研究森林土壤MBC、MBN、MBC/SOC和MBN/TN，對于充分認識林地土壤養(yǎng)分儲備庫與碳氮源變化具有重要意義。

我國亞熱帶地區(qū)是造林和再造林的優(yōu)先發(fā)展區(qū)域，但長期大規(guī)模種植以杉木(Cunninghamialanceolata)與馬尾松(Pinusmassoniana)為主的鄉(xiāng)土針葉樹種人工林，導致林分針葉化及純林化嚴重、地力退化、林分生產(chǎn)力和生物多樣性減少等諸多林業(yè)與生態(tài)問題[8,14]。因此，將大面積的低質(zhì)低效針葉人工純林改造成鄉(xiāng)土闊葉樹種人工林和針闊混交林正逐漸成為人工林最有前景的森林經(jīng)營模式[15-16]。近10多年來，不同學者針對南亞熱帶地區(qū)馬尾松與紅錐(Castanopsishystrix)人工混交林及其純林的土壤有機碳儲量與溫室氣體(CO2和N2O)通量[17]、土壤理化性質(zhì)[18-19]、生態(tài)系統(tǒng)碳儲量[14,20]以及土壤細菌群落結(jié)構(gòu)與功能[21-23]等開展研究。然而，目前對于南亞熱帶地區(qū)馬尾松與紅錐混交林及其純林對林地土壤微生物生物量碳和氮的影響還少見報導。為此，本文選取位于南亞熱帶地區(qū)的具有環(huán)境條件(立地、土壤和氣候)和經(jīng)營措施基本一致的馬尾松林、紅錐林及其混交林為研究對象，探討上述3種林分土壤MBC和MBN的變異特征及其土壤理化性質(zhì)影響因子，以期為深入理解南亞熱帶人工林土壤碳氮循環(huán)過程的微生物調(diào)控機制提供科學依據(jù)，對南亞熱帶地區(qū)人工林營建的樹種選擇及樹種混交模式具有一定指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于廣西憑祥市的中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心伏波試驗場，地理坐標為106°51′～106°53′E、22°02′～22°04′N，海拔為430～680 m。該地區(qū)屬南亞熱帶季風型半濕潤-濕潤氣候，旱濕季節(jié)明顯(旱季為10月至翌年3月，濕季為4—9月)；年均氣溫20.5～21.7 ℃，年均降雨量1 200～1 500 mm，年均蒸發(fā)量1 261～1 388 mm，空氣相對濕度80%～84%；地帶性土壤為花崗巖發(fā)育的山地紅壤，土層厚度大于80 cm[24]。該地區(qū)地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，但在20世紀50年代將常綠闊葉林皆伐而種植杉木，1983年又在杉木林皆伐跡地上營造了馬尾松純林、紅錐純林及馬尾松-紅錐混交林(混交比例為1︰1)，其初植密度均為2 500 株/hm2；馬尾松純林、紅錐純林分別于1993、1998、2009年進行了3次間伐(強度約30%)，且紅錐純林因伐樁萌芽形成了復層林；馬尾松-紅錐混交林于1998年和2009年進行了2次間伐(強度約30%)。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

2014年8月在研究地選擇立地條件與經(jīng)營措施相似的馬尾松林、紅錐林及馬尾松-紅錐混交林為研究對象。在每種林分中隨機設(shè)置3個20 m×20 m的樣地(各樣地間距離至少20 m)，并記錄每個樣地的海拔、坡度、坡向和坡位等環(huán)境因子信息，同時進行樣地調(diào)查(記錄種名、胸徑和樹高等)。3個林分的立地條件和林分特征見表1。

表1 南亞熱帶馬尾松林、紅錐林及馬尾松-紅錐混交林的立地條件和林分特征

在每個樣地內(nèi)的對角線上隨機選取3個點挖取土壤剖面，并按0～20、20～40和40～60 cm土層分別采集土樣，同層土壤充分混合后按四分法取土壤樣品，將各土壤樣品裝入聚乙烯保鮮袋并用生物冰袋保存運回實驗室。在實驗室將每個土壤樣品分2份，一份于4 ℃冰箱保存用于測定土壤微生物生物量碳和氮，另一份于室內(nèi)自然風干用于測試土壤pH值以及有機碳和全氮含量。另外，在各土層用環(huán)刀(容積100 cm3)和鋁盒取樣用于測定土壤容重和含水量。

1.3 指標測定方法

土壤容重(BD)和含水量(SWC)分別采用環(huán)刀法與烘干法測定；土壤pH值采用水:土之比為 2.5︰1的電位法測定(Prtavo 907 MULTI pH，德國)；土壤有機碳含量(SOC)利用Multi N/C 3 100 TOC 分析儀(Analytik Jena，德國)測定，而全氮含量(TN)則利用H2SO4-HClO4消解后用SmartChem200 全自動化學元素分析儀(Alliance，法國)測定。土壤碳氮比(SOC/TN)為土壤有機碳與全氮之比。

土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)采用氯仿熏蒸提取法測定[25]。其方法簡要為：稱取10 g新鮮土壤放入裝有無乙醇氯仿的干燥器中，并在25 ℃的黑暗條件下放置24 h；另外稱取10 g新鮮土壤，然后將熏蒸和未熏蒸土壤用0.5M K2SO4溶液浸提，采用Multi N/C 3100 TOC分析儀(Analytik Jena，德國)測定浸提液中的有機碳和全氮含量。依據(jù)熏蒸后浸提液中有機碳增量除以轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.45)得出土壤微生物生物量碳，同樣熏蒸后浸提液中全氮增量除以轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.54)得到土壤微生物生物量氮。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用雙因素方差分析(two-way ANOVA)檢測林分類型、土壤深度以及林分類型與土壤深度交互作用對土壤理化性質(zhì)參數(shù)、微生物生物量變量的影響效果。相同土層不同林分間土壤理化性質(zhì)參數(shù)及微生物生物量變量的差異則采用單因素方差分析(one-way ANOVA)并用Tukey’s HSD進行多重比較。利用Pearson相關(guān)分析法檢驗所測微生物生物量變量與土壤理化性質(zhì)參數(shù)之間是否存在顯著相關(guān)關(guān)系。上述計算由SPSS 26.0 軟件(IBM SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分不同土層土壤理化性質(zhì)的差異

雙因素方差分析表明(表2)，林分對土壤BD、pH、TN和SOC/TN有顯著性影響(P<0.05)。其中，馬尾松-紅錐混交林與馬尾松人工林在土壤表層(0～20 cm)的BD差異不顯著(P>0.05)，但均顯著高于紅錐人工林;在土壤中層(20～40 cm)和底層(40～60 cm),馬尾松-紅錐混交林與馬尾松純林的土壤pH值無顯著差異，但卻明顯低于紅錐林;3個林分在土壤中層的TN差異顯著，而在底層則是馬尾松林顯著低于其他2個林分;馬尾松-紅錐混交林在土壤底層的SOC/TN與馬尾松林和紅錐林差異不顯著，但后2個林分間差異顯著。同時，土壤深度對研究林分的土壤BD、SWC、pH、SOC、TN和SOC/TN具有顯著性影響(P<0.05)。3個林分的土壤BD表現(xiàn)為土壤中層略高于表層和底層。隨著土壤深度增加，3個林分的pH值呈逐漸增加規(guī)律，而SWC、SOC、TN和SOC/TN均呈遞減趨勢。在0～60 cm土壤中，馬尾松-紅椎混交林的SOC、TN含量相對最高(表2)。

表2 林分與土層對土壤理化性質(zhì)的影響及相同土層不同林分間土壤理化性質(zhì)的差異

2.2 不同林分不同土層微生物生物量碳和氮的變化

雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，林分對土壤MBC(P=0.872)和MBN(P=0.922)無顯著作用(P>0.05)。在表層土壤(0～20 cm)，馬尾松-紅錐混交林的MBC(197.21 mg/kg)明顯低于馬尾松林(283.85 mg/kg)和紅錐林(256.30 mg/kg)(圖1a)，而其MBN(50.34 mg/kg)卻略低于紅錐林(53.49 mg/kg)(圖1b)。在土壤中層(20～40 cm)，馬尾松-紅錐混交林的MBC和MBN均高于2個人工純林(圖1a,b)。在土壤底層(40～60 cm)，馬尾松-紅錐混交林的MBC和MBN略低于紅錐林(圖1a，b)。

同時，雙因素方差分析表明土壤深度對林分的土壤MBC(P<0.01)和MBN(P<0.01)都有顯著影響。隨土壤深度遞增，各林分的MBC和MBN均呈遞減模式(圖1a、圖b)。

2.3 不同林分不同土層的土壤微生物生物量碳有機碳比和微生物生物量氮全氮比

雙因素方差分析結(jié)果顯示，林分對土壤MBC/SOC(P=0.880)、MBN/TN(P=0.108)的影響不顯著(P>0.05)，但各林分間的差異依土層而異。從圖1c可知，在土壤表層，馬尾松-紅錐混交林的MBC/SOC(0.91%)、MBN/TN(4.91%)均低于馬尾松林和紅錐林；但在土壤中層，馬尾松-紅錐混交林有相對較高的MBC/SOC(1.38%)和MBN/TN(4.16%)；在土壤底層，馬尾松-紅錐混交林的MBC/SOC(1.23%)高于馬尾松林(1.07%)而低于紅錐林(1.47%)，而其MBN/TN(2.08%)則低于馬尾松林(4.85%)和紅錐林(2.48%)。

同時，雙因素方差分析表明土壤深度對林分的土壤MBC/SOC(P=0.986)無顯著影響，而對土壤MBN/TN(P=0.001)影響顯著。相同林分不同土層MBC/SOC比較而言，馬尾松-紅錐混交林表現(xiàn)為土壤中層>底層>表層，而紅錐林則是土壤底層>表層>中層，馬尾松林卻是土壤表層>中層>底層(圖1c)。同時，各林分的土壤MBN/TN隨著土壤深度增加而逐漸減少(圖1d)。

2.4 土壤微生物生物量變量與土壤性質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性

Pearson相關(guān)分析(表3)表明，林分土壤MBC、MBN與土壤 SWC、SOC 及SOC/TN呈極顯著正相關(guān)，與土壤pH值呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)；土壤MBN/TN與SOC、SOC/TN呈顯著正相關(guān)，而與土壤pH值顯著負相關(guān)。然而，土壤MBC/SOC與所有土壤理化性質(zhì)參數(shù)均無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。

表3 土壤微生物生物量變量與土壤理化性質(zhì)參數(shù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)僅占土壤有機質(zhì)含量的2%左右，但卻是植物養(yǎng)分的重要儲備庫，同時又是土壤碳氮等物質(zhì)的“庫”和“源”[26]，常被用作表征土壤質(zhì)量的生物指標[27]。已有研究表明，闊葉林的土壤MBC和MBN高于針葉林[28-29]，其主要原因是，針葉樹種的凋落物中因存在較多難分解的物質(zhì)(如木質(zhì)素、纖維素、單寧等)[30]而導致分解速率低，相應地向土壤中輸送養(yǎng)分的速率下降，使得土壤微生物活性減弱[29]，故而導致土壤MBC和MBN相對較低。然而，Wen等[32]對10、24和45 a生馬尾松-樟樹(Cinnamomumcamphora)混交人工林及其人工純林(馬尾松林、樟樹林)不同土層(0～10、10～20和20～30 cm)MBC和MBN的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這3個人工林之間土壤MBC、MBN在各土層上的差異依林分年齡而異；在林分年齡為24 a時，土壤MBC在各土層上均是3個林分間差異不顯著，而土壤MBN在表層(0～10 cm)、中層(10～20 cm)、底層(20～30 cm)分別是3個林分間無顯著差異、樟樹林顯著高于馬尾松林和馬尾松-樟樹混交林。本研究中，馬尾松林、紅錐林和馬尾松-紅錐混交林之間的土壤MBC、MBN在各個土層上均不存在顯著差異(P>0.05)，這與上述24 a生馬尾松-樟樹混交林及其純林的研究結(jié)果高度一致，也在一定程度上說明本研究的3個人工林之間土壤質(zhì)量差異不明顯?？紤]到土壤SWC、pH、SOC和SOC/TN是影響3個研究林分不同土層之間土壤MBC、MBN變化的主導因素(表3)，但同一土層不同林分間土壤SWC、pH值、SOC和SOC/TN的差異不明顯(表2)，因而導致3個林分之間在各土層的土壤MBC、MBN無顯著差異。較多學者對我國亞熱帶地區(qū)不同樹種林分的研究結(jié)果顯示，土壤MBC和MBN與土壤SWC[29]、SOC[9-10,28,32]、SOC/TN[32]呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

土壤MBC/SOC和MBN/TN，表征了土壤微生物生物量對土壤營養(yǎng)庫的貢獻率，該比值越大說明土壤微生物固C、N能力越強，土壤養(yǎng)分的有效性越高[12]。本研究結(jié)果表明，馬尾松林、紅錐林和馬尾松-紅錐混交林的土壤MBC/SOC、MBN/TN分別在0.91%～1.55%、2.02%～7.11%，符合一般土壤1%～5%和2%～7%的變化范圍[10]。同時，3個人工林的土壤MBC/SOC、MBN/TN在各土層上均無顯著差異，該結(jié)果與Wen等[32]關(guān)于24 a生的馬尾松林、樟樹林和馬尾松-樟樹混交林在不同土層上的土壤MBC/SOC無顯著差異完全一致，與其土壤MBN/TN在各土層的結(jié)果基本一致。究其原因，本研究所選取的土壤理化性質(zhì)參數(shù)對這3個人工林分不同土層MBC/SOC差異均無顯著作用(表3)；雖然土壤pH值、SOC和SOC/TN對其土壤MBN/TN有顯著影響，但相同土層各林分之間的土壤pH值、SOC和SOC/TN差異又不顯著。目前對于南亞熱帶地區(qū)影響不同樹種林分土壤MBC/SOC、MBN/TN的土壤理化性質(zhì)參數(shù)也不盡相同[10,32-33]，除了樹種不同之外，可能由于林分年齡、土壤采樣時間以及土壤深度等不同導致。

本研究發(fā)現(xiàn)，馬尾松林、紅錐林和馬尾松-紅錐混交林的土壤MBC、MBN表現(xiàn)隨土層的加深而下降，養(yǎng)分具有明顯的表聚效應。這主要是因為隨著土壤深度增加，3個林分的pH逐漸增加而SWC、SOC、TN和SOC/TN卻遞減(表2)的緣故。Pearson相關(guān)分析表明研究林分的土壤MBC、MBN與土壤SWC、SOC、TN和SOC/TN極顯著正相關(guān)(P<0.01)而與pH值極顯著負相關(guān)(表3)。已有研究指出，林地土壤MBC、MBN 和養(yǎng)分含量隨土層加深而減少的垂直分布特征具有一定的穩(wěn)定性，樹種的不同對其垂直分布影響很有限[10,28,34-35]。同時，3個林分的土壤MBN/TN隨土層加深而遞減，但土壤MBC/SOC的變化卻不具一致性，這可能是因為影響林分土壤MBN/TN與MBC/SOC的土壤理化性質(zhì)參數(shù)不同(表3)。Wen 等[32]發(fā)現(xiàn)，馬尾松林、樟樹林和馬尾松-樟樹混交林在不同年齡(10、24、45 a)的土壤MBC/SOC、MBN/TN隨土層加深均無規(guī)律性變化。

另外，向元彬等[36]研究表明，華西雨屏區(qū)不同密度巨桉(Eucalyptusgrandis)人工林(833、1 333、2 222 株/hm2)土壤MBC、MBN、MBC/SOC和MBN/TN受到林分密度的顯著影響，Ma等[37]研究發(fā)現(xiàn)林分密度(2 173、1 834、1 418、1 089 株/hm2)對華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林土壤MBN含量有明顯影響。本研究中，馬尾松人工林(1 470 株/hm2)、紅錐人工林(1 075 株/hm2)的林分密度顯著大于馬尾松-紅錐混交林(600 株/hm2)(表1)。因此，推斷造成混交林與其純林之間土壤MBC、MBN、MBC/SOC和MBN/TN均無顯著差異(P>0.05)的原因可能與林分密度有關(guān)，但是由于缺乏同一林分密度下的不同林分土壤MBC和MBN、同一林分不同林分密度下的土壤MBC和MBN數(shù)據(jù)，所以不能進行林分類型、土壤深度和林分密度的三因素綜合比較分析，關(guān)于林分密度對南亞熱帶不同鄉(xiāng)土樹種人工林土壤MBC和MBN的影響在今后研究中會重點關(guān)注。同時，李勝藍等[28]研究發(fā)現(xiàn)，亞熱帶4種森林類型〔杉木人工林、馬尾松-石櫟(Lithocarpusglaber)針闊混交林、南酸棗(Choerospondiasaxillaris)落葉闊葉林、石櫟-青岡(Cyclobalanopsisglauca)常綠闊葉林〕土壤MBC和MBN具有明顯季節(jié)變化特征。因此，鑒于南亞熱帶氣候具有旱濕季節(jié)明顯的特點，本研究的3個人工林在旱季的土壤MBC、MBN、MBC/SOC和MBN/TN變化特征是否與濕季一致，還有待進一步研究。

3.2 結(jié)論

南亞熱帶地區(qū)馬尾松-紅錐混交林與其純林(馬尾松林、紅錐林)對土壤MBC、MBN、MBC/SOC和MBN/TN的影響差異不顯著，但各林分的土壤MBC、MBN隨土壤深度增加而遞減，其主要影響因素是土壤SWC、pH值、SOC和SOC/TN；3個林分的土壤MBC/SOC與MBN/TN隨土層加深的變化模式不具有一致性，土壤MBC/SOC與所有土壤理化性質(zhì)參數(shù)無顯著相關(guān)性，而MBN/TN主要受土壤pH值、SOC和SOC/TN制約。因此，馬尾松-紅錐混交林對土壤MBC和MBN在南亞熱帶地區(qū)人工林生態(tài)系統(tǒng)中的維持能力與其純林無顯著差異。