曹 芹,邱新彩,劉 欣,彭道黎,程 順
(1.北京林業(yè)大學(xué) 森林資源和環(huán)境管理國家林草局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.山西省太原國有林場,山西 太原 030003;3.河北省塞罕壩機(jī)械林場,河北 承德 068466)
生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)多元素平衡的學(xué)科,它建立在熱力學(xué)第一定理、自然選擇、中心法則等多個(gè)不同學(xué)科基本原理的基礎(chǔ)上,很好地聯(lián)系了生態(tài)學(xué)中多個(gè)層次(分子、個(gè)體、種群、群落及生態(tài)系統(tǒng))的理論與科學(xué)研究[1],近年來廣泛應(yīng)用在生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分供需平衡、森林生態(tài)系統(tǒng)演替、限制性元素判斷等研究[2]。從生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)角度切入,研究森林土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)[3]及限制性營養(yǎng)元素[4],能有效揭示土壤環(huán)境與生態(tài)過程之間的關(guān)系[1-2,5]。
碳(C)、氮(N)、磷(P)皆為限制性元素,在植物的生化功能中存在強(qiáng)烈的耦合:C 與生物結(jié)構(gòu)與能量物質(zhì)有關(guān),吸收C 和能量的器官由富含N 的蛋白質(zhì)構(gòu)成,含N 蛋白質(zhì)由核糖體分泌,核糖體與P 密切相關(guān)[6-7]。土壤養(yǎng)分C∶N∶P化學(xué)計(jì)量可以直接反映土壤肥力,并間接表明植物養(yǎng)分的狀況,例如,土壤C∶N 可以指示土壤N礦化能力[1]。土壤微生物生物量是土壤中體積小于5×103μm3的除植物根系等植物體之外的生物總量[8],是土壤有機(jī)質(zhì)中最為活躍的部分,它能分解土壤有機(jī)質(zhì)并形成土壤腐殖質(zhì),體積小但活性高,對環(huán)境和土壤的變化反應(yīng)十分敏感[9]。土壤微生物生物量C∶N 是土壤中真菌和細(xì)菌含量比例指標(biāo)[10],土壤微生物生物量C∶P 反映土壤微生物對土壤P 有效性的調(diào)節(jié)潛力[11]。土壤胞外酶主要來源于有機(jī)體分泌和其殘?bào)w分解物[12],關(guān)注較多的胞外酶包括一種降解纖維素的C獲取酶(β-1,4-葡萄糖苷酶,BG),兩種N 獲取酶(β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶,NAG,降解幾丁質(zhì)和肽聚糖;亮氨酸氨肽酶,LAP,水解蛋白質(zhì)和多肽)以及一種分解有機(jī)磷的P 獲取酶(酸性或堿性磷酸酶,AP)[13]。土壤胞外酶化學(xué)計(jì)量(BG∶(NAG+LAP)、BG∶AP、(NAG+LAP)∶AP)是揭示微生物養(yǎng)分狀況和相對資源限制的有力指標(biāo),得到廣泛應(yīng)用[13-14]。
間伐是廣泛應(yīng)用于森林經(jīng)營管理實(shí)踐中的經(jīng)營措施之一[15]。它能降低林分密度,調(diào)整林分空間結(jié)構(gòu)[16],重分配光照、熱量、水分等生態(tài)因子,改變林下灌木和草本的物種組成和多樣性,凋落物加速分解[17],森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)養(yǎng)分循環(huán)過程發(fā)生變化,土壤性質(zhì)隨之改變[15]。目前,不同間伐強(qiáng)度下土壤養(yǎng)分-微生物生物量-胞外酶的研究主要集中在間伐對土壤養(yǎng)分含量、微生物生物量含量和胞外酶活性的影響上,而對不同間伐強(qiáng)度間土壤養(yǎng)分-微生物生物量-胞外酶化學(xué)計(jì)量比的研究較少[18-21]。且由于間伐方式、林分狀況立地條件、林齡和間伐后調(diào)查取樣時(shí)間的差異,已有研究存在很大差異[22-24]。
華北落葉松Larix principis-rupprechtii是松科落葉松屬喬木,是華北地區(qū)重要的速生用材樹種,還具有涵養(yǎng)水源、固土防沙等作用,具有很高的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益[19]。本研究以河北省塞罕壩機(jī)械林場華北落葉松人工林為研究對象,探究間伐強(qiáng)度對土壤C∶N∶P 化學(xué)計(jì)量特征、土壤微生物生物量化學(xué)計(jì)量特征和土壤胞外酶化學(xué)計(jì)量特征的影響,為人工林經(jīng)營管理提供理論支持。
研究區(qū)域位于河北省承德市塞罕壩機(jī)械林場(42°22′N,116°53′E),海拔1 100~1 940 m,屬大興安嶺山系、內(nèi)蒙古高原與冀北山地的交匯地,地貌以曼甸、丘陵為主。該區(qū)域?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,年均氣溫-1.4℃[25],年均降水量450 mm[26]。土壤類型主要為山地棕壤、灰色森林土和風(fēng)沙土。有林地面積為7.3×104hm2,其中人工林面積達(dá)5.7×104hm2[27]。華北落葉松是該地區(qū)的優(yōu)勢樹種,其面積約占人工林總面積的77.1%[26]。
研究地點(diǎn)的華北落葉松人工林于1989年?duì)I造,初植密度為3 300 株·hm-2。2002年,進(jìn)行第一次撫育,措施主要包括撫育、修枝等。2008年,選取立地條件、土壤特征和撫育措施基本一致的人工林,進(jìn)行不同強(qiáng)度的間伐處理,根據(jù)間伐株數(shù)所占比例分為4 個(gè)梯度:對照(CK,0%間伐,保留密度為2 086 株·hm-2),輕度間伐(LT,14%間伐,1 792 株·hm-2),中度間伐(MT,28%間伐,1 495 株·hm-2)和重度間伐(HT,42%間伐,1 211 株·hm2)。每種間伐處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù),共12 塊20 m×30 m 標(biāo)準(zhǔn)地。2017年7月,測量和記錄各樣地的立地條件等基本特征,進(jìn)行每木檢尺,樣地概況見表1。
表1 樣地概況?Table 1 Basic information of sample plots
2017年7月底,在12 個(gè)樣地內(nèi)按照“S”形布點(diǎn)法取5 個(gè)樣點(diǎn),用直徑5 cm 的土鉆從表層向下按0~10、10~20、20~30 cm 分層取樣。充分混合同一樣地同一土層所有土樣,再用四分法取出約1 kg 樣品,取其中約20 g 樣品測定土壤含水量。剩余樣品去除植物細(xì)根和石塊等雜質(zhì)并過2 mm(10 目)孔篩,分成兩份,一份立即帶回實(shí)驗(yàn)室保存在4℃冰箱中,用于測定土壤微生物與酶相關(guān)性質(zhì);另一份樣品自然條件下中風(fēng)干、研磨、過篩,用于測定其余土壤理化性質(zhì)。
使用環(huán)刀法測定土壤容重(BD);探針式溫度計(jì)測定土壤0~10 cm 層溫度(ST0-10);將土樣在105℃下烘干至恒重得出土壤質(zhì)量含水率(SWC);電位法測pH 值;使用元素分析儀(FLASH 2000 CHNS/O,Thermo Scientific,USA)測定土壤全碳、全氮含量;使用紫外分光光度計(jì)(UV-2600,SHIMADZU,Japan)和濃硫酸-高氯酸-鉬銻抗比色法測定土壤全磷含量[28]。使用氯仿熏蒸浸提法測定土壤微生物生物量,使用總有機(jī)碳分析儀(Multi N/C 3100,Analytic Jena,Germany)測定土壤微生物生物量碳含量(MBC)和土壤微生物生物量氮含量(MBN),使用紫外分光光度計(jì)(UV-2600,SHIMADZU,Japan)測定土壤微生物生物量磷含量(MBP)[29-31]。使用p-硝基苯酚法測定β-葡萄糖苷酶(BG)、N-乙酰-β-葡萄糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)與酸性磷酸酶(AP)活性[32]。
使用Excel 2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與初步處理。土壤養(yǎng)分-微生物生物量-胞外酶化學(xué)計(jì)量比用質(zhì)量比表示。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗(yàn)間伐強(qiáng)度對土壤環(huán)境因子、土壤養(yǎng)分含量及化學(xué)計(jì)量比、土壤微生物生物量含量及化學(xué)計(jì)量比、土壤胞外酶活性及化學(xué)計(jì)量比的影響,顯著性水平設(shè)為α=0.05,用R(4.0.2 版)軟件完成。使用Origin 8.5 軟件進(jìn)行繪圖。
如表2所示,土壤ST0-10、SWC、BD 和pH值在不同間伐強(qiáng)度間差異顯著(P<0.05)。與對照林分相比,輕度間伐、中度間伐和重度間伐林分的ST0-10分別提高了4.25%、7.69%和5.45%,SWC 分別增加了12.79%、31.60%和32.18%,而BD 則分別降低了2.10%、8.39%和4.20%。隨間伐強(qiáng)度的增大,pH 值先降低后升高,在中度間伐處(6.20)觀測到最低值。
在0~10、10~20 和20~30 cm 土層中,土壤C 含量分別在14.84~32.63、13.60~28.22和10.20~23.24 g·kg-1的范圍內(nèi)變動(dòng),土壤N 含量的變化范圍分別為0.95~2.63、0.75~2.28 和0.66~1.74 g·kg-1,土壤P 含量的變化范圍分別為0.11~0.36、0.10~0.33 和0.07~0.27 g·kg-1。隨土層深度的增加,土壤C、N 和P 含量逐漸減少(圖1)。
表2 不同間伐強(qiáng)度間土壤環(huán)境因子的變化?Table 2 Changes of soil environmental factors among the treatments with different thinning intensities
圖1 不同間伐強(qiáng)度間0~30 cm 土層土壤碳、氮、磷含量Fig.1 Contents of soil C,N,and P of the 0~30 cm soil layers among the treatments with different thinning intensities
土壤C、N、P 含量及化學(xué)計(jì)量比受到間伐的顯著影響(P<0.05;圖2)。土壤C 含量在中度和重度間伐中顯著高于間伐和輕度間伐(P<0.05;圖2A)。土壤N 和P 含量在不同間伐強(qiáng)度間的變化趨勢為中度間伐>重度間伐>輕度間伐>對照(圖2B—C)。間伐顯著降低了土壤C∶N 和C∶P,與對照相比,輕度間伐、中度間伐和重度間伐林分的土壤C∶N 分別降低了19.94%、22.61%和18.78%,土壤C∶P 則分別降低了20.85%、34.72%和26.28%(圖2D—E)。重度間伐的土壤N∶P 顯著低于對照和輕度間伐(P<0.05;圖2F)。
不同間伐強(qiáng)度人工林土壤MBC、MBN 和MBP 含量的變化范圍分別為147.35~446.72、23.12~60.36 和7.24~22.61 mg·kg-1,隨土層深度的增加,MBC、MBN 和MBP 含量逐漸降低(圖3)。間伐對土壤MBC、MBN 和MBP 有顯著影響(P<0.05;圖4)。土壤MBC 和MBP 含量在不同間伐強(qiáng)度間的變化趨勢為中度間伐>重度間伐>輕度間伐>對照(圖4A 和4C)。土壤MBN在中度間伐林分(46.62 mg·kg-1)中觀測到最大值,分別是對照、輕度間伐和重度間伐林分的1.68、1.45 和1.25 倍(圖4B)。土壤MBC∶MBN和MBN∶MBP 在不同間伐強(qiáng)度間差異顯著(P<0.05),與對照相比,輕度間伐、中度間伐和重度間伐林分的土壤MBC∶MBN 分別提高了10.10%、9.09% 和20.92%,而土壤MBN∶MBP則分別降低了7.17%、12.77%和17.76%(圖4D和4F)。土壤MBC∶MBP 在不間伐強(qiáng)度間無顯著性差異(P>0.05;圖4E)。
圖2 不同間伐強(qiáng)度間土壤碳、氮、磷含量及其化學(xué)計(jì)量比Fig.2 Contents of Soil C,N,and P and their stoichiometric ratios among the treatments with different thinning intensities
圖3 不同間伐強(qiáng)度間0~30 cm 土層土壤微生物生物量碳、氮、磷含量Fig.3 Contents of soil microbial biomass C,N,and P of the 0~30 cm layers among different thinning treatments
土壤BG、NAG+LAP 和AP 活性分別在134.08~320.19、190.45~633.60 和490.91~1 029.25 nmol·g-1·h-1的范圍內(nèi)變動(dòng)(圖5)。土壤BG、NAG+LAP 和AP 均在0~10 cm 土層中呈現(xiàn)最大活性,隨土層深度的增加而呈現(xiàn)活性降低趨勢(圖5)。
土壤BG 活性在不同間伐強(qiáng)度間未表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05;圖6A)。土壤NAG+LAP 活性在中度間伐和重度間伐林分中顯著高于對照和輕度間伐林分(P<0.05;圖6B)。土壤AP 活性在不同間伐強(qiáng)度間的大小為中度間伐>重度間伐>輕度間伐>對照,中度間伐的AP 活性分別是重度間伐、輕度間伐和對照的1.19、1.46 和1.75 倍(圖6C)。中度和重度間伐的BG∶(NAG+LAP)顯著低于對照和輕度間伐,而(NAG+LAP)∶AP 則顯著高于對照和輕度間伐(P<0.05;圖6D 和6F)。中度間伐的土壤BG∶AP 顯著低于對照21.88%(P<0.05;圖6E)。
在千島湖“保水漁業(yè)”產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)上,一系列重要舉措被提上日程:“中國大水面生態(tài)凈水研究中心”正式落戶千島湖,針對千島湖地區(qū)特點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求,開展共性關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與示范推廣;“中林兩山學(xué)院”掛牌成立,為培訓(xùn)和普及千島湖“保水漁業(yè)”提供渠道;與上海海洋大學(xué)、浙江海洋大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)等高校合作,培養(yǎng)更多的千島湖漁業(yè)產(chǎn)業(yè)人才。
圖4 不同間伐強(qiáng)度間土壤微生物生物量碳、氮、磷含量及化學(xué)計(jì)量比Fig.4 Contents of soil microbial biomass C,N,and P and their stoichiometric ratios among different thinning treatments
圖5 不同間伐強(qiáng)度間0~30 cm 土層土壤胞外酶活性Fig.5 Activities of soil extracellular enzymes of the 0~30 cm layers among different thinning treatments
間伐顯著提高了土壤C、N、P 含量(圖2),與山西太岳山華北落葉松人工林的研究結(jié)果一致[18-19]??赡苁且?yàn)殚g伐可以提高植被的初級生產(chǎn)力,凋落物數(shù)量增多、質(zhì)量提高,從而增加了土壤養(yǎng)分的來源[17]。本研究中,間伐后容重降低,土壤溫度和水分增加(表2),土壤環(huán)境因子的改善可以提高微生物和土壤酶的活性,加速凋落物和根系的分解,從而促進(jìn)養(yǎng)分釋放,加速養(yǎng)分循環(huán)[23-34]。在四種間伐強(qiáng)度中,C、N、P 含量總體上在中度間伐中觀測到最大值(圖2),可能是因?yàn)楦欣男夂蚝透玫耐寥阑|(zhì)數(shù)量和質(zhì)量共同作用[18]。另外,土壤C、N、P 含量呈現(xiàn)出隨土層深度增加而垂直遞減規(guī)律(圖1),與已有研究的結(jié)果一致[35-36]。
土壤C∶N 是土壤N 礦化能力的指標(biāo),通常,土壤C∶N 與土壤有機(jī)質(zhì)分解和N 礦化能力成反比[1]。本研究中,間伐后土壤C∶N 顯著降低(圖2),表明間伐可以加快有機(jī)物分解和N 礦化的速度,提供更多無機(jī)氮供植物根系吸收。土壤C∶P 表明P 礦化能力,較低的C∶P 則表明P的有效性較高[37]。本研究中,間伐顯著降低了土壤C∶P,且中度間伐中土壤C∶P 最低(圖2),表明間伐提高了土壤P 有效性,且中度間伐的P有效性最高。在山西太岳山華北落葉松人工林中,Tian 等[19]研究發(fā)現(xiàn)中度間伐顯著提高了土壤P 有效性,是因?yàn)橥寥浪?、土壤碳含量及微生物生物量的增加?/p>
圖6 不同間伐強(qiáng)度間土壤胞外酶活性及化學(xué)計(jì)量比Fig.6 Activities of soil extracellular enzymes and their stoichiometric ratios among different thinning treatments
隨間伐強(qiáng)度的增大,土壤MBC、MBN、MBP呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,在中度間伐處呈現(xiàn)出最大值(圖4)。間伐之后林分結(jié)構(gòu)改變,光照和生長空間增加,林下的草本和灌木充分發(fā)育,使得凋落物增加,為微生物代謝提供了豐富的底物[38]。土壤環(huán)境的變化是改變微生物生物量含量的重要原因[20,34]。本研究中,間伐通過降低容重、提高土壤溫度和水分(表2)而改善了土壤環(huán)境,更適宜微生物活動(dòng),從而增加了土壤微生物生物量。淺層土壤的微生物生物量含量高于深層土壤,這與前人結(jié)果一致[38],表層土壤更靠近凋落物與腐殖質(zhì)層,深層土壤的可獲取外源性養(yǎng)分來源更少。
土壤MBC∶MBN 是土壤中真菌和細(xì)菌含量比例指標(biāo)[10]。相關(guān)研究表明,土壤中細(xì)菌MBC∶MBN 在3~5 之間,真菌MBC∶MBN 在4~15 之間,土壤MBC∶MBN 與真菌比例通常成正比[11]。間伐提高了土壤MBC∶MBN(圖4),表明間伐后土壤中的真菌比例增加。土壤MBN∶MBP 反映微生物對于N 與P 需求的平衡,能有效反映養(yǎng)分限制,即,較低的MBN∶MBP 表明N 限制增大,而較高的MBN∶MBP 表明P 限制增大[11,39]。間伐使MBN∶MBP 降低(圖4),表明植物相對于P 而言更需要N 的補(bǔ)充。
間伐提高了土壤胞外酶活性(圖6)。與我們的結(jié)果相反,Chen 等[20]研究發(fā)現(xiàn)間伐降低了杉木人工林土壤BG 活性,可能是由于有機(jī)碳供應(yīng)減少和根系活動(dòng)減少導(dǎo)致。Cao 等[35]研究發(fā)現(xiàn)輕度(15%)和中度間伐(30%)增加了華北落葉人工林的土壤BG 和NAG 活性,是由于間伐增加了凋落物分解速率。本研究得出該結(jié)果可能是因?yàn)殚g伐為微生物合成更多的土壤酶提供了更豐富的基質(zhì)[38]。另外,間伐后土壤溫度與土壤質(zhì)量含水量顯著增加(表2)。一般而言,較高的土壤溫度和濕度能加快底物和土壤酶的擴(kuò)散速度,提高胞外酶活性[40]。
根據(jù)資源分配理論,微生物可以投資豐富的元素來分泌生態(tài)酶以獲取相對有限的元素[41]。與對照和輕度間伐相比,中度間伐和重度間伐呈現(xiàn)出更低的BG∶(NAG+LAP)和更高的(NAG+LAP)∶AP(圖6),表明中度間伐和重度間伐中N 限制增大。微生物N 限制是一個(gè)相對的概念,它取決于其他元素(例如,C 和P)的含量。與對照和輕度間伐相比,中度間伐和重度間伐的MBC∶MBN 較高(圖4),而土壤N∶P 和MBN∶MBP 較低(圖2和圖4),表明中度間伐和重度間伐中N 可用性相對較低、而C 和P 可用性較高,所以促進(jìn)了微生物合成N 獲取酶NAG 與LAP、抑制了微生物合成BG 與AP,進(jìn)而導(dǎo)致中度間伐和重度間伐中BG∶(NAG+LAP)降低、(NAG+LAP)∶AP 升高。
本研究中,不同間伐強(qiáng)度設(shè)置下人工林的BG∶(NAG+LAP)平均值為0.60,低于全球土壤平均值(1.41)[13]和熱帶土壤平均值(1.83)[14],(NAG+LAP)∶AP 平均值為0.49,高于全球土壤平均值(0.44)[13]和熱帶土壤平均值(0.13)[14],這表明華北落葉松人工林微生物受N 限制。在同一研究地點(diǎn),Qiu 等[42]研究發(fā)現(xiàn)鮮葉N∶P 平均值小于14,這同樣表明華北落葉松人工林生長受到N限制?;谥参锷L、植物養(yǎng)分狀況和土壤肥力的全球數(shù)據(jù),Augusto 等[43]發(fā)現(xiàn)N 限制是由氣候驅(qū)動(dòng)的,惡劣氣候下的生態(tài)系統(tǒng)比適宜氣候下的生態(tài)系統(tǒng)更易受N 限制。塞罕壩機(jī)械林場所在地氣候寒冷干燥、凋落物和死根輸入較少與微生物分解活性較低導(dǎo)致N 可利用性低,整體呈現(xiàn)出N限制狀態(tài)。
本研究土壤樣本采集于夏季。華北落葉松人工林土壤環(huán)境因子,如土壤表層溫度、土壤濕度、光照等受季節(jié)影響,同時(shí),土壤微生物及酶的活性、種類及比例等相關(guān)性質(zhì)也隨季節(jié)動(dòng)態(tài)變化。其次,人工林土壤改良是一個(gè)長期、復(fù)雜的過程[44],間伐對土壤的影響因時(shí)間而異,且間伐效應(yīng)隨時(shí)間的推移可能會(huì)消失,為全面科學(xué)地理解間伐對土壤養(yǎng)分-微生物-胞外酶化學(xué)計(jì)量的影響,制定合理的森林經(jīng)營措施,應(yīng)進(jìn)行長期連續(xù)觀測。
間伐能夠提高華北落葉松人工林養(yǎng)分含量、微生物生物量含量和胞外酶活性,尤其是中度間伐?;谕寥鲤B(yǎng)分-微生物-胞外酶化學(xué)計(jì)量比的分析,我們得出以下結(jié)論:
1)與對照相比,間伐后,土壤C∶N 顯著降低,表明間伐增強(qiáng)了土壤N 礦化能力。
2)間伐顯著降低了土壤C∶P,且中度間伐呈現(xiàn)出最低的土壤C∶P,表明間伐提高了土壤P 有效性。
3)塞罕壩華北落葉松人工林土壤微生物生物量及酶化學(xué)計(jì)量表明微生物N 限制程度在間伐后增大,且中度間伐與重度間伐導(dǎo)致了更高的N限制。
本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可為該區(qū)域人工林養(yǎng)分循環(huán)、資源限制和生態(tài)過程研究提供理論支撐,為該區(qū)域華北落葉松人工林的合理經(jīng)營提供理論依據(jù)。