间伐和套种对杉木人工林土壤理化性质及微生物的影响

邹秉章

(福建上杭白砂国有林场 福建 龙岩 364000)

土壤微生物是土壤有机质的活性组分，它们虽然只占土壤有机质总量的很小一部分，但可以通过矿化作用和固定作用调节土壤养分的有效性，从而对土壤理化性质和土壤养分循环产生重要的影响[1-2]。土壤微生物是土壤生态系统的重要组成成分，在土壤形成和发育、有机质分解及土壤养分(C、N和P)转化等方面发挥着重要作用[3-4]。另外，土壤微生物也被广泛认为是评价土壤质量的重要指标[5]。研究表明，土壤微生物对外界环境变化的响应十分敏感，森林经营方式的改变会引起土壤微生物生物量和群落组成的显著变化[6]。也有研究表明，随着物种多样性的增加，土壤微生物生物量、细菌生物量、真菌生物量和真菌细菌之比会增加，而革兰氏阳性细菌对革兰氏阴性细菌的比例则会降低[7]。

杉木(Cunninghamialanceolate)凭借其良好的经济效益和生态效益，在中国南方地区广泛种植，成为重要的速生用材林树种。但是，随着杉木种植规模的不断扩大，杉木纯林化和多代连栽以及杉木本身凋落物分解慢、养分归还速度慢等特点，导致杉木人工林生产力下降、地力衰退等生态问题[8]。为了解决这些问题，可以通过人工施肥、间伐和套种等措施来提高林分质量和生态效能。间伐是森林经营技术的一种重要手段，其通过调整林分结构，减小林木间的竞争，可以促进林下植被和林木的更新与生长，从而改变林分的群落结构和土壤肥力[9]。林下套种是人为地把目标树种与其他植物在空间上组合在一起并进行经营的培育措施，这能够充分利用森林种植的剩余空间，使林分结构得以调整，提高了林业生产资源的多样性，还会促进养分循环，提高土壤肥力和土壤微生物数量，促进林地经济发展[10]。

间伐和套种均会对土壤理化性质和土壤微生物产生重要的影响，然而国内外相关研究大多集中在不同间伐强度或套种对林木生长、林下植被多样性、林地土壤理化性质等的影响[11]，而关于间伐和套种不同树种及其交互作用对土壤理化性质和微生物影响的研究相对较少；另外，土壤理化性质和土壤微生物对间伐和套种及其交互作用的响应机制尚不清楚。因此，本研究通过在不同间伐强度的杉木人工林中套种不同阔叶树种，来研究不同间伐强度和套种不同阔叶树种对大径材培育目标下的杉木人工林土壤理化性质和土壤微生物的短期影响，以期为杉木人工林土壤肥力的维护和大径材人工林的经营及发挥多功能效益提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省龙岩市上杭县白砂国有林场九岗林区(116°31′E～116°38′E; 25°6′N ～25°10′N)，地处武夷山南段东坡玳瑁山延伸的低山丘陵地带，该区平均海拔618 m，坡度25°～32°。研究区多年平均气温为19.9 ℃，年积温7 288 ℃，7月平均气温27.9 ℃，1月平均气温10 ℃；多年平均降水量为1 605.4 mm，年均无霜期301 d，年均相对湿度77%。

研究区植被以人工林为主，主要有杉木(Cunninghamialanceolata)、马尾松(Pinusmassoniana)及其他人工树种。为了确保试验的准确性，尽量选择立地条件基本一致的杉木人工林，本研究选择了3个1980年前后种植的杉木人工林小班为研究对象，其初植密度为383～405株·hm-2(株行距1.7 m×1.8 m)，并于1988、1998和2008年在3个小班进行相同的除草、施肥和间伐等抚育措施。该区林下植被茂盛，林下灌木主要有栲树(CastanopsisfargesiiFranch)、闽楠(Phoebebournei)、浙江润楠(MachiluschekiangensisS.Lee)、浙江楠(PhoebechekiangensisC.B.Shang)、鸭公树(NeolitseachuiiMerr)和密花山矾(SymplocoscongestaBenth)等；草本主要有淡竹叶(Lophatherumgracile)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)、乌毛蕨(Blechnumorientale)、菝葜(SmilazchinaL.)、玉叶金花(MussaendapubescensAit)、荩草(Arthraxonhispidus)等。该区土壤以红壤为主，土壤厚度达1 m以上。

1.2 样地设计

于2018年10月在109-6-1、109-6-3和109-6-5杉木人工林小班进行间伐，3个杉木林小班的面积分别是86×103m-2、60×103m-2和61×103m-2，将胸径大于10 cm的伐木移出样地并保留下层植被，间伐后杉木人工林林分概况见表1。间伐强度由保留木的株树和伐桩数确定，其公式：

表1 杉木人工林不同间伐模式林分特征 Table 1 Stand characteristics of Chinese fir plantation in different thinning patterns

间伐强度=1-保留木株数/(保留木桩数+伐桩数)

(1)

本研究共设置3种间伐强度，分别是间伐44%(M1)、间伐38%(M2)和间伐0%(M3)。于2018年12月在3种不同间伐模式的小班内布设18个20 m×20 m的固定标准样地，并在每个杉木林小班内随机选取15个标准样地补植闽楠、米老排、火力楠、南方红豆杉和鹅掌楸5种本地树种，每个树种有3个重复，剩余的3个标准样地为无套种措施林分，在实验中作为对照样地，共54个样地，每个样地间距10 m以上。

1.3 土样采集及指标测定

2019年7月，利用土钻在每个标准样地内按照“S”形选取9个取样点，对0～10 cm的土壤进行取样，并将同一样地内的土壤样品混匀。将取好的土壤样品放置在装有冰袋的保温箱内保存，并尽快将保温箱运回实验室进行下一步处理，去除可见根系和动植物残体。土壤样品分两部分保存，一部分土壤样品过2 mm孔径的筛子并置于4 ℃冰箱中保存，用于微生物生物量的测定；另一部分土壤在室内风干保存，用于测定土壤有机质等基本理化指标。

土壤pH通过玻璃电极pH计(STARTER 300, OHAUS, 美国)测定，水土比为2.5∶1。土壤矿质氮的测定：称取5 g鲜土加入20 mL 2 mol/L KCl进行浸提，振荡离心后，上清液经定量滤纸过滤后，用连续流动分析仪(Skalar san++, Skalar, 荷兰)测定NH4+-N、NO3--N浓度。土壤可溶性有机碳(DOC)测定：用去离子水浸提5 g鲜土，水土比为4∶1，振荡离心后，经0.45 μm滤膜抽滤，用总有机碳分析仪(岛津TOC-V CPH, 日本)测定DOC含量。土壤微生物生物量碳氮(SMBC、SMBN)采用氯仿熏蒸法，K2SO4浸提，滤液中的有机碳含量用总有机碳分析仪(岛津TOC-V CPH, 日本)测定。土壤全碳(TC)与土壤全氮(TN)用元素分析仪测定(Elementar Vario EL, 德国)[12]。

土壤微生物群落组成采用磷脂脂肪酸方法测定。用单相提取试剂(氯仿∶甲醇∶柠檬酸=1∶2∶0.8)进行总脂提取；采用3 mL硅胶小柱分离磷脂，依次用10 mL氯仿和10 mL丙酮分别洗去中性脂和糖脂，再用10 mL甲醇淋洗并用玻璃试管收集磷脂；然后是磷脂甲酯化；加入200 μL样品的磷脂脂肪酸分析采用美国MIDI Sherlock微生物鉴定系统平台的PLFA模块，以氢气为载气，以安捷伦Agilent 6890N气象色谱仪及FID检测器为硬件平台；色谱柱为Agilent 19091B-102(25 m×200 μm×0.33 μm)。每个样品进样量为1 μL。根据MIDI平台鉴定出每个磷脂脂肪酸的摩尔丰度，所有测试均采用标准品进行校正。

1.4 数据处理

试验数据用Excel进行处理，通过SPSS 21.0软件，采用双因素方差分析法(ANOVA)分析间伐强度、套种模式及相互作用对土壤理化性质和微生物生物量和群落组成的影响，利用Origin 9绘制不同间伐模式和套种不同树种的林分土壤微生物含量图，以土壤理化性质为解释变量，土壤微生物为响应变量利用Canoco 5进行冗余分析(RDA)。

注：不同大写字母表示相同树种不同间伐模式间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示相同间伐模式不同树种间差异显著(P<0.05)。

2 结果

2.1 间伐和套种对土壤理化性质的影响

经过测定发现，在不同间伐模式下，对照和套种鹅掌楸、红豆杉及闽楠的林分土壤DOC含量均随着间伐强度的增加而减少；而套种火力楠和米老排的林分土壤DOC含量随着间伐强度的增加而增加(表2)。在M3模式下，对照和套种鹅掌楸、红豆杉的林分土壤DOC含量显著高于M1和M2模式，而套种闽楠的林分土壤DOC含量在3种模式之间均有显著差异(P<0.05)。在M1模式下套种火力楠和米老排的林分土壤DOC含量显著高于M2和M3模式(P<0.05)，但M2和M3模式之间的土壤DOC含量并无显著差异。在不同间伐模式下，对照及套种鹅掌楸、米老排和闽楠的林分土壤NH4+-N和NO3--N含量随着间伐强度的增强表现出先降低后增加的趋势。在M3模式下套种闽楠的林分土壤NH4+-N含量显著高于M1和M2模式；在M1和M3模式下，套种闽楠的林分土壤NO3--N含量显著高于M2模式(P<0.05)。在不同间伐模式下套种鹅掌楸、红豆杉、火力楠、米老排、闽楠和对照对土壤的pH值、SWC和C/N均无显著影响。研究发现，在M3模式下，套种鹅掌楸和闽楠的林分土壤DOC含量均显著高于对照；套种红豆杉、米老排和火力楠的林分土壤NO3--N含量均显著低于对照；套种火力楠的林分土壤DOC、NH4+-N和NO3--N含量均显著低于对照(P<0.05)。在M2模式下，套种鹅掌楸、米老排和闽楠的林分土壤DOC含量均显著高于套种红豆杉和火力楠的林分，但与对照处理相比均无显著差异；与对照相比，套种鹅掌楸和火力楠的林分土壤NH4+-N含量均显著高于对照(P<0.05)。在M1模式下，套种鹅掌楸、火力楠和米老排的林分土壤DOC含量均显著高于对照，套种鹅掌楸、火力楠和米老排的林分土壤NH4+-N含量显著高于对照(P<0.05)；与对照相比，套种各种树种对土壤NO3--N含量无显著影响。

表2 不同间伐模式和套种不同树种对土壤理化性质的影响Table 2 Effects of different thinning patterns and interplanting species on soil physical and chemical properties

表 3 不同间伐模式和套种不同树种及其交互作用对土壤理化性质的影响 Table 3 Effects of thinning patterns and interplanting different tree species and their interactions on soil physical and chemical properties

通过双因素方差分析法(ANOVA)分析间伐强度、套种模式及相互作用对土壤理化性质的影响发现(表3)，间伐强度、套种模式及其交互作用对土壤MBC、DOC和NH4+-N含量均有显著的影响(P<0.05)；间伐强度对土壤pH值和NO3--N含量也有显著影响(P=0.027；P<0.000 1)，间伐强度和套种模式的交互作用对土壤NO3--N含量有显著影响(P=0.000 8)。

2.2 间伐和套种对土壤微生物的影响

研究发现，在M2模式下，对照林分土壤革兰氏阳性菌含量显著高于M1和M3模式，这表明适当的间伐措施会增加土壤中革兰氏阳性菌的含量，有利于改善土壤肥力。在M1和M2模式下套种米老排的林分土壤革兰氏阳性菌含量均显著高于M3模式，且表现出M1>M2>M3的趋势，这表明在杉木人工林中套种米老排的林分土壤革兰氏阳性菌含量会随着间伐强度的增强而增加(P<0.05)。在M2模式下对照林分的土壤革兰氏阴性菌含量显著高于M1模式(P<0.05)。

表 4 间伐强度和套种模式及其交互作用对土壤微生物的影响 Table 4 Effects of thinning patterns and interplanting different tree species and their interactions on soil microorganisms

在M3模式下，套种鹅掌楸的林分土壤革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌含量均显著高于对照和套种其他树种的林分，这表明在未间伐的杉木人工林中套种鹅掌楸会促使土壤中细菌含量的增加(P<0.05)。另外，在套种鹅掌楸的林分中，土壤放线菌含量显著高于套种闽楠的林分(P<0.05)。在M2模式下，套种不同树种的林分土壤微生物含量与对照相比并无显著变化；套种红豆杉的林分土壤革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌含量显著高于套种闽楠的林分(P<0.05)。在M1模式下，套种鹅掌楸、火力楠和米老排的林分土壤革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的含量显著高于对照(P<0.05)。

以土壤理化性质为解释变量，土壤微生物为响应变量进行冗余分析(RDA)，结果如图2所示。通过RDA分析发现，DOC、SWC、NH4+-N和C/N是导致土壤微生物发生变化的主要因子，它们的贡献率分别是36.7%、15.6%、14%和13.5%。土壤DOC含量与革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和丛枝菌根真菌均呈正相关关系；真菌、厌氧菌、真核生物和放线菌与NH4+-N含量和C/N呈正相关关系，与土壤含水量呈负相关关系(图2)。

注：GramPost：革兰氏阳性菌；GramNegt：革兰氏阴性菌；Anaerobe：厌氧菌；Actinomc：放线菌；AMFungi：丛枝菌根真菌；Fungi：真菌；Eukaryotic：真核生物；SWC:土壤水分含量；pH:土壤pH值；NH4：铵态氮；NO3：硝态氮；MBC：微生物生物量碳；DOC：可溶性有机碳；C/N：土壤碳氮比。

通过双因素方差分析法(ANOVA)分析间伐强度、套种模式及相互作用对微生物生物量的影响发现(表4)，间伐强度、套种模式及其交互作用对土壤革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均有显著的影响(P<0.05)，但是对其他土壤微生物均无显著影响(P>0.05)。

3 讨论

3.1 间伐和套种对土壤理化性质的影响

土壤易变性碳、氮是土壤微生物所需的能量和有机养分的来源，是调节土壤微生物生物量的关键因素，在维持森林生态系统生产力方面起重要作用。研究发现，在杉木中套种鹅掌楸、红豆杉、闽楠和对照林分的土壤DOC含量随着间伐强度的增强而减少，这与采取间伐和套种措施后林内环境变化有关。首先，间伐和套种后林下植被得到恢复和更新，林下的植被生物量和物种多样性增加。由于不同物种吸收养分的策略具有差异性，这就会导致物种多样性丰富的林分会消耗更多的土壤DOC[13]。其次，间伐后的林分土壤可以接收更多的光照和水分，使土壤温湿度得以提高[14]，从而增强土壤微生物的活性，微生物活性的增强也会消耗土壤DOC。此外，本研究还发现，在同一种间伐模式下，套种阔叶树种鹅掌楸、火力楠和米老排的林分会增加土壤DOC含量。这可能是由于间伐后林下套种的阔叶树种和草本植物得以生长，一般来说，针叶树种的凋落物中含有较多难以分解的、疏水性芳香族化合物，而阔叶树种和草本植物的凋落物中含有较多易变的、亲水性低分子量化合物，具有较高的分解率，从而使土壤中DOC含量增加[15-16]。

在M3模式下，对照处理的NH4+-N和NO3--N含量显著高于其他2种间伐模式，可能是因为未间伐林分产生的凋落物数量较多，为林下土壤提供了充足的养分来源；而在其他2种模式下，大部分间伐的枝叶被从样地内清理出来，这就大大减少了氮素的输入[6]。但是，在森林生态系统中，NH4+-N和NO3--N在土壤溶液中的可溶性和移动性比较高，很容易被淋失。因此，如果间伐强度比较大也会存在土壤氮流失的风险。在同一间伐模式下，套种阔叶树种鹅掌楸、米老排等显著降低了土壤中的NH4+-N和NO3--N含量。原因是阔叶树种根系生物量大，对土壤中有效氮摄取量大，这增加了植被对土壤有效氮的利用和保留，进而减少氮损失。不同间伐模式对土壤pH值无显著影响，这与间伐对黄土高原油松人工林pH值影响的结果一致[17]。研究结果表明，在M1模式下套种鹅掌楸、火力楠和米老排的林分及在M3模式下套种鹅掌楸的林分能够改善土壤养分水平，有利于森林的经营和发展。

3.2 间伐和套种对土壤微生物的影响

间伐和套种可以通过改变凋落物输入的数量和质量影响微生物生物量和群落组成[18]。本研究发现，在M2模式下，对照处理的革兰氏阳性菌显著高于M1和M3。其原因可能是，M3模式未采取间伐措施导致林分郁闭度大，林分结构单一，林下植被发育不良，土壤的温湿度相对较低，减弱了微生物活性，从而导致林内环境不利于土壤微生物的繁殖和生长[19]。而M1模式由于间伐强度较大，并将直径>10 cm的间伐剩余物清除出样地，从而导致养分输入减少；另外，间伐后林下植被得到恢复和更新，植被生物量和物种多样性增加会消耗更多的养分，从而使用于微生物生长的养分受到限制[20]。另外，在M1和M3模式下，套种鹅掌楸的林分土壤革兰氏阳性细菌生物量均显著高于对照。这可能是因为在M1和M3模式下凋落物数量高于M2模式，土壤中有机质含量随着凋落物的分解而增加，这为微生物的合成与代谢提供了充足的C、N来源和能力来源[19]。另外，革兰氏阳性细菌是富营养微生物类群，偏向于利用新鲜输入的有机质作为主要碳源。与杉木相比，鹅掌楸的凋落物叶面积大、质量高且利于分解，大量有机质的输入刺激了革兰氏阳性细菌生长。室内控制实验研究发现，在农业土壤中添加高质量(低C/N)的凋落物会激发土壤中富含养分微生物群落的生长，例如革兰氏阳性细菌。通过凋落物互换实验也发现，在杉木林土壤中加入高质量的阔叶树种米老排凋落物后，革兰氏阳性细菌生物量显著增加[21]。因此，本研究结果表明，在杉木人工林中采取合理的间伐强度和套种措施可能更有利于土壤微生物的繁殖和生长，从而更有效地缓解杉木人工林地力衰退，促进杉木人工林的可持续发展。