管云云,葉鈺倩,鐘遠(yuǎn)標(biāo),費(fèi) 菲, 陳 斌,關(guān)慶偉,*

1 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210037 2 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院,南京 210037

微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)碳氮庫(kù)的重要組成部分,其代謝活動(dòng)在土壤碳氮循環(huán)與固持、枯落物和細(xì)根分解等生態(tài)過(guò)程中起著主導(dǎo)作用[1],因此微生物代謝活性的研究一直備受關(guān)注。目前,主要運(yùn)用Biolog法測(cè)定微生物代謝活性對(duì)各類干擾的響應(yīng)[2],但對(duì)林窗的響應(yīng)研究還鮮見(jiàn)[3]。林窗是由林冠喬木的死亡等原因造成林地上形成不連續(xù)的林中隙地[4],影響地上地下各類生態(tài)過(guò)程和功能[5-6]。人工林窗是加速同齡人工純林結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要管理措施[7]。目前的林窗研究主要集中在林窗的基本特征[8-9],林窗對(duì)小氣候和植物群落特征[6,10]等地上生態(tài)過(guò)程的影響上。越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)林窗對(duì)土壤碳氮?jiǎng)討B(tài)[11- 13]、枯落物分解[14-15]、細(xì)根動(dòng)態(tài)[16-17]、酶活性[13,18]等地下生態(tài)過(guò)程存在著明顯的干擾作用,進(jìn)而影響到森林生態(tài)功能的發(fā)揮。微生物活性對(duì)地下生態(tài)過(guò)程的發(fā)生存在激發(fā)作用,但林窗對(duì)土壤微生物量[19- 21]、微生物物種和功能多樣性[22]、菌根侵染[23]等的影響鮮有研究。因此還應(yīng)深入研究林窗對(duì)地下生態(tài)過(guò)程的影響,并且明晰林窗影響的生物學(xué)機(jī)制,加強(qiáng)土壤微生物代謝活性和多樣性的研究。

蘇北丘陵山地人工林由于林分密度過(guò)高等原因?qū)е铝址稚a(chǎn)力低下,亟待通過(guò)人工林窗干擾優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)、提高生態(tài)功能。為此,本研究以徐州九里山側(cè)柏人工純林為研究對(duì)象,應(yīng)用氯仿熏蒸浸提法和Biolog法,研究了3種尺度人工林窗對(duì)土壤微生物量碳氮和功能多樣性的影響。旨在明晰：1)不同尺度林窗干擾下,土壤微生物量碳氮和功能多樣性有何變化？2)從林窗邊緣到林下水平梯度上不同位置的的上述變化趨勢(shì)有無(wú)差異？期望通過(guò)以上研究,尋求合理的林窗干擾強(qiáng)度,為林窗對(duì)土壤碳循環(huán)影響的理論研究和人工林科學(xué)經(jīng)營(yíng)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

徐州市地處蘇北,33°42′—34°58′N,116°21′—118°43′E,屬亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡的半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,年均溫14℃左右,年均降水量800mm左右。徐州市九里山側(cè)柏人工純林的土壤以淋溶褐土為主,黏重且土層薄,中性至弱堿性,林下自然更新的喬木樹(shù)種主要為構(gòu)樹(shù)(BroussonetiapapyriferaL.),另外伴有化香(PlatycaryastrobilaceaSieb.et Zucc.)、臭椿(Ailanthusaltissima(Mill.) Swingle)、苦楝(MeliaazedarachL.)等,林下灌木和草本的發(fā)育較差,灌木主要有牡荊(VitexnegundoL.)、柘樹(shù)(CudraniatricuspidataCarriere)等。九里山樣地基本概況如下：海拔達(dá)134m,坡度30°左右,側(cè)柏林林齡51a,平均樹(shù)高8.6m,平均胸徑13.7cm,林分密度1317株/hm2,郁閉度達(dá)0.87。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣本采集

在徐州市九里山陽(yáng)坡海拔70m左右的側(cè)柏人工純林中,于2012年1月隨機(jī)開(kāi)伐共27個(gè)3種尺度(每種9個(gè))的近圓形林窗,每個(gè)林窗之間相距至少50m。林窗尺度按照徑高比(林窗半徑與林窗邊緣木平均樹(shù)高8m的比值,R/H)確定,小(S)、中(M)、大(L)3種林窗的半徑分別為4、8、12m,R/H分別為0.5、1.0、1.5,面積分別約50、200、450m2。林窗開(kāi)設(shè)后清除了樹(shù)枝等殘?bào)w,未進(jìn)行掘根處理。本實(shí)驗(yàn)在27個(gè)林窗中選取小中大林窗各3個(gè),選擇距離林窗至少30m未受干擾的地帶為對(duì)照樣地(CK),于2014年1月、2015年4月、7月、10月共采樣4次。依據(jù)前人對(duì)林窗內(nèi)小氣候變化特征的研究,確定取樣點(diǎn)之間距離為小林窗半徑,即4m。鑒于以往對(duì)林窗中心與林下2點(diǎn)土壤微生物量的對(duì)比研究較多,而對(duì)從林窗邊緣到林下不同位置的水平梯度變化研究鮮見(jiàn),本研究則選取擴(kuò)展林窗邊緣(D1)、距林窗邊緣4m(D2)和8m(D3)處林下3個(gè)取樣點(diǎn),初步探究林窗對(duì)微生物活性在水平梯度上的影響,共9個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù)。小林窗的邊緣點(diǎn)、距小林窗邊緣4m和8m的點(diǎn)分別用S1、S2、S3表示；中(M)、大(L)林窗的3點(diǎn)以此類推。

圖1 林窗實(shí)驗(yàn)取樣點(diǎn)位置示意圖(圖例? 代表取樣點(diǎn)) Fig.1 Sample sites of gaps(legend ? represents the sampling points)

每個(gè)處理的土樣為同一個(gè)圓上至少東南西北4個(gè)方向上0—15cm土層非根際土的混合,同時(shí)采集側(cè)柏的根際土,見(jiàn)圖1。整個(gè)采集過(guò)程帶滅菌手套,取好的土樣裝入塑料袋并置于保鮮箱中,立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,過(guò)2mm篩后置冰箱中4℃保存。本論文利用夏季非根際土數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,采樣當(dāng)日陰轉(zhuǎn)多云。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

土壤微生物功能多樣性應(yīng)用Biolog方法測(cè)定,稱取相當(dāng)于10g烘干土的鮮土,加90mL 0.85%的無(wú)菌NaCl溶液于三角瓶中,封口振蕩15min,靜置30min,再將懸濁液在操凈臺(tái)上稀釋至10-3,再用8通道加樣器取150μL該菌液接種到ECO板中,將接種好的板立即在波長(zhǎng)設(shè)為590nm，ELx808-Biolog微孔板讀數(shù)儀( BIO-TEK Instruments INC，USA)上讀取吸光值，記為背景值(第0天)，之后置于25℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10d,每隔24h讀取一次吸光值[1- 2]。

微生物量碳(MBC)、氮(MBN)采用氯仿熏蒸-0.5mol/L K2SO4浸提法[24],稱取相當(dāng)于10g烘干土的鮮土,加40mL K2SO4溶液,搖勻,充分震蕩30min后靜置30min,取5mL澄清液稀釋至100mL,取部分稀釋液在總有機(jī)碳分析儀(TOC-VCPH+TNM- 1, Shimazu Inc., Japan)上測(cè)定,同時(shí)設(shè)未熏蒸的對(duì)照樣品,測(cè)定出熏蒸前后可溶性碳(Dissolved carbon,DC)和可溶性氮(DN)的濃度,兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果之差即為熏蒸后土壤碳氮的增量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 微生物功能多樣性數(shù)據(jù)處理方法

BiologECO平板(美國(guó))是一種用31種碳源作底物的96孔反應(yīng)板,各反應(yīng)3次重復(fù),1個(gè)重復(fù)4列(分別用1、2、3、4表示)8行(分別用A、B、C、D、E、F、G、H表示),各類碳源分布和分類見(jiàn)表1和表2[26]。運(yùn)用10d的數(shù)據(jù)(每個(gè)反應(yīng)孔皆減去第0天的背景值)[2],分析微生物代謝活性隨培養(yǎng)時(shí)間的變化趨勢(shì),同時(shí)對(duì)第96h[27]的數(shù)據(jù),運(yùn)用SPSS進(jìn)行采用單因素方差分析(one-way ANOVA),多重比較(Duncan,P=0.05)、相關(guān)性分析(Pearson法)、主成分分析和Q型聚類分析,所有數(shù)據(jù)為3 次重復(fù)的平均值。微生物代謝活性和4種功能多樣性計(jì)算方法如下[28-29]：

表1 BiologEco板31種碳源分布

表2 BiologEco板碳源分類

(1)土壤微生物的代謝活性用每孔顏色平均變化率(average well color development,AWCD)來(lái)描述,計(jì)算公式如下：

AWCD =∑(Ci-R)/31

式中,Ci為各反應(yīng)孔在590nm下的吸光值；R為ECO板對(duì)照孔A1的光密度值,31為生態(tài)板的碳源數(shù)目。Ci-R<0的孔,記為0。

(2)豐富度指數(shù)(Richness index,S)

用碳源代謝孔的數(shù)目表示(Ci-R>0,則代表該孔碳源被利用)。

(3)多樣性指數(shù)(Diversity index,H′)

H′ =-∑(Pi×logPi)

式中,Pi=(Ci-R)/∑(Ci-R),表示有碳源的孔與對(duì)照孔A1的光密度值之差與整板總差的比值。

(4)均勻度指數(shù)(Evenness index,E)

E=H′/lnS

(5)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Dominance index,Ds)

2.3.2 土壤微生物量碳氮和基本理化性質(zhì)的分析方法

MBC與DC增量,MBN與DN增量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為KC=0.45,KN=0.54。

DC(mg/g)=a×100×ts/m

MBC(mg/kg)=(DC熏蒸-DC未熏蒸)×1000×KC

a為測(cè)試液濃度(mg/mL)；100為測(cè)試液體積(mL)；ts為分取倍數(shù)；m為鮮土質(zhì)量(g)；KC=0.45,即浸提效率。

a為測(cè)試液濃度(mg/mL)；50為測(cè)試液體積(mL)；ts為分取倍數(shù)；m為鮮土質(zhì)量(g)。

3 研究結(jié)果

3.1 林窗對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

據(jù)表3可知,林窗總體上提高了土壤溫度、pH、含水率,影響程度因林窗尺度和位置而異。土壤溫度隨林窗尺度增大而增大,從D1到D3點(diǎn),逐漸降低。土壤呈偏堿性,pH值總體表現(xiàn)為小>大、中林窗。從D1到D3點(diǎn),小林窗的pH和大中林窗的含水率先增后減,大中林窗的pH和小林窗的含水率先減后增,pH皆表現(xiàn)為D3>D1。隨林窗尺度增大,D1、D2的pH先減后增,D3的pH 和D2、D3的含水率先增后減,D1的含水率減小。

表3 林窗對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

圖中小寫字母不同代表處理間差異顯著(P<0.05),下同。S：小林窗,Small gap；M：中林窗,Medium gap；L：大林窗,Large gap

林窗總體上降低了土壤TC、TN含量和C/N比值,S1點(diǎn)有所增加,TS含量表現(xiàn)為小林窗>CK>大中林窗。TC和TN的趨勢(shì)相近,總體表現(xiàn)為小>中>大林窗,從D1到D3,小林窗的TC和TN先減后增,大中林窗則先增后減。從D1到D3,中小林窗的C/N先減后增,大林窗則相反。從D1到D3,小林窗TS先減后增,大林窗相反,中林窗增加,變化顯著。

3.2 林窗對(duì)土壤微生物量碳氮的影響

據(jù)圖2可知,與CK(2820.33mg/kg)相比,林窗樣點(diǎn)MBC總體降低,但S1顯著提高；MBN顯著降低,MBC/MBN顯著上升,S1點(diǎn)高達(dá)20。大林窗的MBC總體偏小,低至2069.42mg/kg,中、小林窗偏大。從D1到D3點(diǎn),小林窗的MBC先顯著下降后顯著上升,大林窗趨勢(shì)相反,中林窗顯著上升,且大、小林窗的D3皆小于D1。

MBN與MBC趨勢(shì)相反,大、小林窗的MBN總體偏小,S2低至126.21mg/kg,中林窗偏大。從D1到D3,小林窗的MBN先顯著下降后顯著上升,中林窗無(wú)顯著變化,大林窗顯著降低。3點(diǎn)的MBC/MBN皆隨林窗尺度增大而顯著下降；從D1到D3,大中林窗基本先升后降,小林窗則顯著下降。

圖2 不同位置土壤微生物量碳氮含量及碳氮比Fig.2 The comparison of MBC, MBN and MBC/MBN of all samples S：小林窗,Small gap；M：中林窗,Medium gap；L：大林窗,Large gap

3.3 林窗對(duì)土壤微生物代謝活性的影響

據(jù)圖3可知,林窗干擾下土壤微生物的AWCD值隨培養(yǎng)天數(shù)增加總體上呈S型增長(zhǎng)趨勢(shì),上升至1后變化不大。林窗對(duì)AWCD增長(zhǎng)趨勢(shì)的影響因林窗尺度和位置而異。林窗總體降低了AWCD值,小林窗的影響最小,大中林窗相近。從D1到D3,中小林窗的AWCD先降后升,且D3>D1,大林窗趨勢(shì)相反。隨林窗尺度增大,3點(diǎn)基本先降后升。不同處理之間第96 h的AWCD的差異顯著性結(jié)果詳見(jiàn)表4,CK顯著大于L3和M1,其他點(diǎn)之間均無(wú)顯著差異。從D1到D3,小林窗的AWCD先降后升,中(大)林窗上升(下降)；3點(diǎn)的AWCD基本隨林窗尺度增加而降低。不同尺度林窗的影響程度和范圍不同。

圖3 林窗對(duì)土壤微生物代謝活性的影響Fig.3 The comparison of the AWCD of all samplesAWCD: 微生物代謝活性,Microbial functional diversity

3.4 林窗對(duì)土壤微生物利用6類碳源的影響

據(jù)表4可知,側(cè)柏人工林土壤微生物對(duì)6類碳源中的酚類,聚合物類,氨基酸類利用較高,其次是碳水化合物。林窗降低了土壤微生物對(duì)6類碳源的利用,中林窗的影響總體最小,但其D1對(duì)6類碳源的利用皆小于大小林窗的D1。

表4 各處理之間AWCD和6類碳源利用程度的差異顯著性

數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3),小寫字母不同代表處理間差異顯著(P<0.05)。 AWCD: 微生物代謝活性, Microbial functional diversity

碳水化合物的利用表現(xiàn)為S3和CK顯著大于M1和L3,總體上小>中>大林窗；從D1到D3,小林窗先降后升,中大林窗上升,大林窗下降。氨基酸類和酚類的利用在各點(diǎn)之間皆無(wú)顯著差異,總體上表現(xiàn)為小>大>中林窗,D2對(duì)氨基酸、D3對(duì)酚類的利用都隨林窗尺度增大先減后增,D2對(duì)酚類、D3對(duì)氨基酸的利用都隨林窗尺度增大而減小；從D1到D3,中林窗的微生物對(duì)這2種碳源的利用增大,大林窗則都先增后減,小林窗對(duì)氨基酸的利用減少,對(duì)酚類則先增后減。

CK對(duì)聚合物的利用顯著大于M2和L3,CK和M2對(duì)羧酸類的利用顯著大于M1,S3對(duì)胺類的利用顯著大于M1和L3。隨林窗尺度增大,D2對(duì)羧酸和胺類的利用先升后降,對(duì)聚合物的利用相反,D3對(duì)聚合物和胺類的利用減小,對(duì)羧酸則先升后降。從D1到D3,中林窗對(duì)羧酸類和胺類的利用先升后降,對(duì)聚合物則相反,大林窗對(duì)聚合物和胺類的利用下降,對(duì)羧酸類先升后降,小林窗對(duì)這3類碳源的利用皆先降后升。

3.5 林窗對(duì)土壤微生物4種功能多樣性的影響

H′、S和E多樣性指數(shù)在各點(diǎn)之間均無(wú)顯著差異,S3、S1和CK的Ds指數(shù)則顯著大于L1和L2。大中林窗提高了H′和E指數(shù),降低了Ds指數(shù),小林窗基本相反；林窗基本提高了D1的S指數(shù),D1無(wú)變化,D3則降低,小林窗總體偏高。不同指數(shù)在不同尺度林窗和不同位置上的變化不同,詳見(jiàn)表5。

H′和E指數(shù)的變化趨勢(shì)相近,總體上,大>中>小林窗>CK,僅小林窗的E指數(shù)小于CK。從D1到D3,大小林窗的H′和E指數(shù)表現(xiàn)為先增后減,中林窗則增加。D1、D2的S指數(shù)隨林窗尺度增大先增后減,D3則減??；從D1到D3,3個(gè)林窗的S指數(shù)呈下降趨勢(shì)。

Ds指數(shù)總體表現(xiàn)為小>CK>中>大林窗。3點(diǎn)的Ds指數(shù)隨林窗尺度增大的變化趨勢(shì)與H′指數(shù)相反,且林窗之間相同點(diǎn)Ds的差異越往林下越小。從D1到D3,小林窗Ds指數(shù)先降后升,中林窗相反,大林窗上升,且林窗內(nèi)部的差異隨林窗尺度增大而增大。

表5 林窗對(duì)微生物4種功能多樣性的影響

H′：多樣性指數(shù),Diversity index；S：豐富度指數(shù),Richness index；E：均勻度指數(shù),Evenness index；Ds：優(yōu)勢(shì)度指數(shù),Dominance index

3.6 土壤微生物對(duì)31種碳源利用的主成分和聚類分析

對(duì)第96 h的培養(yǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分和聚類分析,共提取了6個(gè)主成分,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)87.5%,其中第1主成分(PC1)的貢獻(xiàn)率為35.95%,詳見(jiàn)表6。31種碳源在6個(gè)主成分中的得分(表7)表明,對(duì)PC1貢獻(xiàn)較大的碳源有6種(系數(shù)>0.8),主要是聚合物類和氨基酸類,有β-甲基-D-葡萄糖苷(碳水化合物)、α-環(huán)狀糊精、肝糖(聚合物)、L-絲氨酸、甘氨酰-L-谷氨酸(氨基酸類)、苯乙基胺(胺類),碳水化合物的貢獻(xiàn)總體不大。

圖4的Q型聚類分析表示：若分為3類,CK為一類,M1和L3為一類,其余點(diǎn)為一類,歸屬一類的說(shuō)明代謝能力相近,這也與上述6類碳源利用和多樣性指數(shù)的變化趨勢(shì)相近。

表6 土壤微生物碳源利用的各個(gè)主成分特征值和累計(jì)貢獻(xiàn)率

3.7 土壤微生物指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

圖4 土壤微生物對(duì)31種碳源利用的聚類分析 Fig.4 Cluster analysis of 31 kinds of carbon source consumption by soil microbial communities

4 討論與結(jié)論

4.1 林窗尺度對(duì)土壤微生物量碳氮和代謝多樣性的影響

本研究中,大林窗MBC偏小,小林窗MBN偏小,MBC/MBN與隨林窗尺度增大而減小,是因?yàn)榇罅执暗牡蚵湮?、?xì)根量較少[17],小林窗中C/N較高,抑制了MBN。而在意大利的黑松(Pinusthunbergii)林中,小林窗的土壤MBC、MBN最高[13]；林窗顯著提高表層土MBC、MBN含量,隨林窗尺度增大而減小[20],高天雷等發(fā)現(xiàn)在川西云杉(Piceaasperata)林中MBC、MBN與林窗尺度(50、100、150m2)顯著正相關(guān)[36],在馬尾松(Pinusmassoniana)人工林中則隨林窗尺度(100—1600m2)增大先增后減,但均無(wú)顯著差異[21]。這可能與所選的林窗尺度、林窗年齡、立地條件等有關(guān)。

表8 土壤微生物量和代謝活性與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系

**表示在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān);AK：速效鉀,Available K

4.2 林窗尺度對(duì)土壤微生物代謝活性的影響

結(jié)果表明,側(cè)柏林土壤AWCD值低于其他類型的森林[1]。并且,林窗降低了土壤微生物的AWCD值,小林窗影響最小,3點(diǎn)的AWCD值隨林窗尺度增大而減小,這可能是因林窗尺度增大,晝夜溫差[37]和pH增大、落物量減少、養(yǎng)分流失加快[38],從而不利于微生物總量的增加。殷睿等發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)季節(jié)性凍融期,小林窗和林下土壤AN更高[39],說(shuō)明小林窗更有利于微生物活性提高。也有研究表明熱帶雨林林窗顯著降低了土壤呼吸速率[11],并且林下土壤呼吸排放量是林窗的2倍[11],說(shuō)明林窗提高了土壤的固碳能力[40]。歐洲山毛櫸林(Fagussylvatica)林窗加速了枯落物的分解,小林窗(220m2)作用更顯著[14],說(shuō)明小林窗微生物活性更高。

林窗總體上降低了土壤微生物對(duì)六類碳源的利用,酚類、聚合物類的利用程度較高,中林窗的微生物對(duì)碳水化合物和氨基酸類小分子碳源的利用最低,對(duì)聚合物類利用程度較高。主成分分析也表明,對(duì)PC1貢獻(xiàn)較大的碳源是聚合物類和氨基酸類,說(shuō)明側(cè)柏林土壤微生物對(duì)大分子類物質(zhì)利用較高,這與上述對(duì)MBC/MBN的討論一致。而寧南山區(qū)和黃土丘陵人工林土壤微生物利用的主要碳源分別為羧酸類[1]和糖類[28],與本研究存在差異的原因有待進(jìn)一步探究。吳慶貴也發(fā)現(xiàn),在冬季時(shí)較大林窗(<290m2)抑制紅樺(Betulaalbosinensis)和促進(jìn)岷江冷杉(AbiesfaxonianaRehd.)凋落葉木質(zhì)素的降解,在生長(zhǎng)季相反,岷江冷杉凋落葉木質(zhì)素富集速率為大>中>小林窗[41]。因此,林窗有望促進(jìn)夏季土壤碳的固持和難降解物質(zhì)的分解,提高森林生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)全球氣候變化的能力。

林窗總體上提高了土壤微生物代謝多樣性水平,其與AWCD值隨林窗尺度增大的變化總體上呈相反趨勢(shì)。說(shuō)明林窗形成后微生物總量雖減少,但可能由于環(huán)境異質(zhì)性提高,微生物種類增多,特別是真菌,或是r-對(duì)策種,從而代謝多樣性水平提高[42]。因此,林窗有望調(diào)控夏季土壤微生物群落結(jié)構(gòu),促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。

4.3 林窗位置對(duì)土壤微生物量碳氮和代謝活性的影響

關(guān)于土壤微生物對(duì)從林窗邊緣到林下水平梯度的響應(yīng)研究鮮見(jiàn)。本研究中,3種尺度林窗D3的土壤MBC皆小于D1,可能是光照增加對(duì)土壤微生物量起激發(fā)作用。從林窗邊緣到林下,小林窗的MBC含量先降后升,大林窗趨勢(shì)相反,中林窗一直上升,存在明顯的尺度效應(yīng),是多種因素綜合作用的結(jié)果,小林窗D2的光照增加不明顯,且枯落物量、AN有所減少,所以MBC較低,大林窗D2光照較多[43],枯落物分解速率較快[44],晝夜溫差較S1小,反而有利于微生物增殖,Fownes等認(rèn)為氮增加對(duì)生物量分配的影響比光大[45],中林窗的光照量和晝夜溫差適中,土壤MBC隨枯落物量和AN增加而增加。從林窗邊緣到林下,中、小林窗土壤的MBN含量先減后增,大林窗減少；大小林窗的土壤MBC/MBN基本先升后降,中林窗上升,說(shuō)明林窗的影響至少達(dá)到林下D3的8m處。在林窗邊緣到林下水平梯度上MBN、MBC/MBN復(fù)雜的變化也是光照、枯落物量、土壤pH和速效性養(yǎng)分等綜合作用的結(jié)果,各個(gè)因子作用的影響機(jī)制有待進(jìn)一步的研究,取樣點(diǎn)的密度和范圍應(yīng)進(jìn)一步加大。

從林窗邊緣到林下,小林窗土壤微生物AWCD的變化趨勢(shì)與土壤MBC相近,各尺度林窗土壤微生物代謝多樣性的變化趨勢(shì)與MBC相反。從林窗邊緣到林下,中小林窗對(duì)聚合物的利用先降后升,大林窗則下降,說(shuō)明中小林窗更有利于難降解物質(zhì)的分解,林窗的影響存在明顯的尺度和梯度效應(yīng)。張艷也發(fā)現(xiàn)紅椿凋落葉除纖維素外的其余難降解物質(zhì)含量, 中小型林窗從林窗中心到邊緣均顯著低于林下[46]。從林窗邊緣到林下,3個(gè)林窗的S指數(shù)基本呈下降趨勢(shì),其他指數(shù)因林窗尺度而異,總體在邊緣點(diǎn)較高,可能是因?yàn)榱执斑吘壄h(huán)境異質(zhì)性較高和微生物種類較多。這種梯度效應(yīng)是小氣候和土壤理化性質(zhì)對(duì)林窗的差異性響應(yīng)共同作用的結(jié)果,具體影響機(jī)制有待進(jìn)一步研究。有研究表明植物多樣性水平也在林窗邊緣最高,即林窗的“邊緣效應(yīng)”[47]。

4.4 合理人工林窗干擾強(qiáng)度的確定

人工林窗尺度和密度的確定是個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題,應(yīng)結(jié)合研究地的氣候、立地條件和林窗對(duì)森林生態(tài)功能的影響等綜合考慮。本研究根據(jù)土壤養(yǎng)分和微生物代謝水平對(duì)林窗尺度和位置的響應(yīng),認(rèn)為中林窗對(duì)側(cè)柏人工林土壤生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能的發(fā)揮和可持續(xù)發(fā)展最有利,不僅保證較小程度上降低土壤微生物量和代謝活性,也適當(dāng)?shù)靥岣吡谁h(huán)境異質(zhì)性和微生物代謝多樣性水平。歐江等也認(rèn)為中林窗有利于微生物量的提高[21],張艷等認(rèn)為中小型林窗(100—900m2)更有利于凋落葉中難降解物質(zhì)的降解[46],小林窗(50m2)更有利于土壤SOC積存和肥力提升[20]。而宋小艷等認(rèn)為1225m2的林窗對(duì)土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的積累,以及團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是比較適宜的[48]。在油松(Pinustabulaeformis)人工林中,D/H為1.0的大林窗更有利于陰坡油松種群可持續(xù)發(fā)育,陽(yáng)坡不宜進(jìn)行過(guò)大強(qiáng)度的間伐[49]。Zhu等對(duì)溫帶森林林窗的尺度作了規(guī)范,小林窗D/H為0.49—1.0,中林窗為1.0—2.0,大林窗為2.0—3.5[50],

因此本研究中的林窗屬中小林窗范圍,還應(yīng)擴(kuò)大林窗尺度進(jìn)一步研究。

4.5 小結(jié)

徐州側(cè)柏人工林中,林窗降低了土壤MBC、MBN含量和微生物代謝活性,提高了代謝功能多樣性,具有明顯的尺度和梯度效應(yīng),中尺度林窗(200m2)干擾有利于土壤固碳能力的提高。該研究可對(duì)進(jìn)一步明晰林窗如何促進(jìn)土壤碳固持和大分子物質(zhì)降解,促進(jìn)森林地上和地下生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和生態(tài)過(guò)程的調(diào)控,提高森林生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)全球氣候變化的能力有重要意義。

本文僅闡述了夏季時(shí)林窗尺度和位置對(duì)土壤微生量和代謝水平的影響,接下來(lái)將在季節(jié)變化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步闡釋林窗對(duì)微生物活性的影響,以及對(duì)微生物活性的根際效應(yīng)的影響。今后應(yīng)著重研究林窗如何調(diào)控土壤碳氮循環(huán)與固持、細(xì)根和根際圈動(dòng)態(tài)等地下生態(tài)過(guò)程,明晰地下生態(tài)過(guò)程發(fā)生的生物學(xué)機(jī)制；同時(shí),應(yīng)進(jìn)一步拓展研究的時(shí)空尺度,并加強(qiáng)地上與地下生態(tài)系統(tǒng)、生物與非生物因子、宏觀與微觀尺度等之間的整合研究。

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