间伐对侧柏人工林土壤微生物生物量碳、氮的影响

邱 雷，陈信力，丁 辉，关庆伟

(南京林业大学森林资源与环境学院，江苏 南京 210037)

土壤微生物生物量是指生活在土壤中的微生物活体的总量[1-2]，虽然土壤微生物生物量仅占有机质很小一部分，但对管理措施的变化具有极高的敏感性，可以作为土壤总有机质变化的早期预测指标[3-4]。微生物生物量碳、氮是土壤碳素、氮素养分转移和循环研究中的重要参数，可直观反映土壤微生物活性和土壤肥力状况。由于土壤微生物直接或间接参与了养分循环、有机质分解等诸多生态过程，是土壤中物质转化和养分循环的驱动力，微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)的变化也被认为是表征土壤活性碳库和氮库变化的指标之一[5-6]。

抚育间伐作为一种重要的森林经营技术，在森林经营管理中得到广泛应用。大量研究显示，间伐能够显著改变林下的温湿度、光照条件[7]，并且提高林下生物多样性[8]，土壤速效氮和速效磷等营养元素的质量分数[9-10]。近几年来，国内外关于间伐对土壤微生物的影响研究较多，囤兴建等[11]认为不同间伐强度对土壤微生物氮(MBN)的含量有显著影响，其含量随季节变化呈现先上升后下降的变化趋势;Beana[12]认为间伐明显提升了土壤微生物活性并使土壤有机质大量减少;Thibodeau[13]研究表明，间伐使土壤腐质层中微生物氮(MBN)和有机质含量显著增加等。但不同间伐强度对侧柏(Platycladus orientalis)人工林土壤微生物生物量碳、氮影响的研究较少。本文以徐州侧柏人工林为研究对象，旨在分析4种强度间伐下土壤中水溶性有机碳(WSOC)、土壤微生物量碳(MBC)、土壤微生物氮(MBN)等指标含量的变化规律，为实现侧柏人工林的可持续经营和提高森林生态系统服务功能提供科学依据。

1 研究区概况

徐州市位于江苏省的西北部，地处北纬33°43'～34°58'，东经116°22'～118°40'，总面积11 258 km2。气候属暖温带半湿润季风气候区，四季分明，雨量适中，年平均温度约14℃，年均降雨量800～900 mm，全年无霜期200～220 d。土壤以石灰岩发育而成的淋溶褐土为主，土层薄，砾石含量高，呈中性—弱碱性。地带性植被以落叶阔叶林为主，山丘陵地主要以侧柏人工林为主，主要树种有侧柏、小叶朴(Celtis bungeana)、麻栎(Quercus acutissima)、黄连木(Pistacia chinensis)、青桐(Firmiana simplex)、苦楝(Melia azedarach)、刺槐(Robinia pseudoacacia L.)、女贞(Ligustrum lucidum)等，而林下灌木和草本植物发育较差。

2 研究方法

2.1 样地设置

2010年8月，在徐州市铜山区赵疃林场选择50年生侧柏人工林，共设置5块固定样地做间伐处理，每块样地面积25 m ×25 m，不同样地间有5 m的隔离区，按间伐株数所占比率不同，分为对照(CK，0%)、弱度间伐(LIT，20%)、轻中度间伐(MIT1，40%)、中度间伐(MIT2，60%)和强度间伐(HIT， 80%)，详见图1。统计样地内乔木(直径＞5 cm)的株数，为了保证调查的准确性，尽可能在样地选择时使坡位、坡向、海拔和土壤等条件保持一致，林分概况见表1。

图1 样地设置

表1 调查地侧柏人工林林分概况

2.2 样品处理

取样时间为2012年9月，每种间伐处理样地分上、中、下取样，每个处理各重复3次。土壤采用剖面调查法，按0～10，10～20 cm机械分层取样。5个样地共采集30份土样，每土样采回后分成2份。一份鲜土去杂后，过2 mm的土筛进行水溶性有机碳(WSOC)和微生物生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)测定;另一份自然风干、去杂、过筛后进行土壤总有机碳(TOC)、全氮、氨氮、硝氮等其他指标的测定。

2.3 测定方法

2.3.1 土壤基本理化性质测定 pH采用KCl浸提pH电极测定法;土壤风干后过0.075 mm土筛，采用元素分析仪(Varia ElementⅢ，德国)测定全碳、全氮以及碳氮比;风干后土样过1 mm筛，采用钼蓝比色法测定有效P;土壤过3～5 cm的筛，测定土壤的水分含量，同时做浸提，氨氮采用纳氏试剂比色法，硝氮采用酚二磺酸比色法。

2.3.2 土壤微生物量碳氮测定 采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法测定，新鲜土壤5 g在氯仿熏蒸24 h后和未熏蒸样品5 g采用0.5 mol/L K2SO4溶液(水∶土=5∶1)浸提，震荡45 min后，于4 000 r/min下离心15 min，经0.45 μm滤膜过滤后，过TOCVCPN分析仪(岛津，日本)直接测定[14]。

2.3.3 土壤水溶性有机碳测定 新鲜土壤样品用去离子水(水∶土=5∶1)浸提，震荡45 min后，于4 000 r/min下离心15 min，经0.45 μm滤膜过滤后，使用TOC-VCPN自动分析仪(岛津，日本)进行分析[15]。

2.3.4 土壤微生物熵 土壤微生物生物量碳/土壤有机碳。

2.4 数据处理

运用Excel 2003对各样品数据进行整理;使用SPSS中单因素分析结合LSD检验，分析不同间伐强度下，侧柏人工林微生物量碳氮、土壤肥力及酶活性有无显著性变化(P＜0.05)及其相关性，多重比较采用Duncan法;用SigmaPlot 10.0进行制图。

3 结果与分析

3.1 间伐对侧柏人工林土壤微生物生物量碳的影响

土壤微生物生物量碳是土壤有机质转化和分解的动力，可反映土壤养分有效状况和生物活性，常作为土壤对环境响应的指示指标[16-17]。不同间伐强度对侧柏林表层土壤和亚表层土壤的土壤微生物量氮影响见图2:微生物生物量碳含量为242～889 mg/kg，相同间伐强度下，表层土(0～10 cm)微生物生物量碳含量普遍都比亚表层(10～20 cm)含量高，说明存在随着土层加深，土壤微生物生物量碳含量降低的规律。不同间伐强度下，表层土(0～10 cm)土壤微生物生物量碳含量呈现出先增加后降低的变化趋势，MIT1含量最高(889 mg/kg)，依次为MIT1＞LIT＞HIT＞MIT2＞CK，经过间伐处理后土壤中微生物生物量碳含量均得到了提升。方差分析显示在MIT1处理下存在显著差异(P＜0.05)。亚表层(10～20 cm)中，MBC含量呈现先降低再上升再下降后上升的趋势，在LIT和MIT2处理下出现显著差异(P＜0.05)，分别为242，317 mg/kg。

3.2 间伐对侧柏人工林土壤微生物氮的影响

土壤微生物生物量氮是土壤有机氮的重要组成部分，它的数量虽少，但却影响着土壤中碳、氮养分循环，对土壤养分的供给以及有机无机养分转化起着非常重要的作用[17-19]。不同间伐强度对侧柏林表层土壤和亚表层土壤的土壤微生物量氮影响见图3:微生物氮含量为37～126 mg/kg，在相同间伐强度下，表层土(0～10 cm)微生物生物量氮含量普遍都比亚表层(10～20 cm)含量高。在不同间伐强度下，表层土(0～10 cm)微生物生物量氮含量表现为MIT2＞MIT1＞LIT＞HIT＞CK，分别提高了85.3%，61.8%，55.9%，22.5%，经过间伐处理，表层土中微生物生物量氮都得到了显著提升。各处理均与对照CK出现了显著差异(P＜0.05);亚表层(10～20 cm)中则呈现先降低后上升再下降的趋势，MIT2含量最高(96 mg/kg)，HIT最低(37 mg/kg)，其中MIT1和HIT与对照CK出现了显著差异(P＜0.05)。

图2 间伐对侧柏人工林土壤微生物量碳的影响

图3 间伐对侧柏人工林土壤微生物量氮的影响

3.3 间伐对土壤总碳、氮等其他碳、氮含量变化影响

不同间伐强度对侧柏林表层土壤和亚表层土壤的其他碳氮影响见表2:土壤总有机碳含量为12.3～38.7 g/kg。随着间伐强度增加，总有机碳含量先减少再增加，其中MIT1处理下总有机碳含量表现出显著差异(P＜0.05)。在垂直剖面上，5种处理的侧柏人工林的土壤总有机碳含量随土层深度的增加而减小，这也符合总有机碳垂直分布的一般特征[20]。在土壤表层(0～10 cm)，不同的间伐处理，氨氮、硝氮、水溶性有机碳、全氮的含量均出现显著差异(P＜0.05)。其中氨氮在LIT处理下达到峰值，然后随着间伐强度增大含量降低;硝氮在MIT1处理下达到峰值，整体也是呈现随强度增加，含量先增加后减少的规律。水溶性有机碳受间伐处理影响不大，含量在0.54～0.68 g/kg之间。同样的情况也发生在C/N上，间伐处理没有让其表现出显著差异，整体维持在10左右。全氮含量在经过间伐处理后整体表现出下降的趋势，应该与间伐造成土壤微生物活动强烈，土壤氮库释放有关。在土壤亚表层(10～20 cm)，不同处理间，大多数指标变化差异不显著，而且经过间伐处理后土壤中氨氮、硝氮、水溶性碳、全氮，总有机碳含量都呈现降低趋势。

表2 间伐对侧柏人工林土壤总碳氮等的影响

3.4 间伐对土壤微生物熵的影响

研究认为，微生物熵能够避免在使用绝对量或对不同有机碳含量的土壤进行比较时出现的一些问题，对于土壤质量的变化具有重要的指示意义[21]。图4表明，土壤微生物生物量碳占总有机碳的比例在0.77%～2.63%之间。微生物熵整体先减小后增加再减少，表层土(0～10 cm)中最高出现在MIT2 (2.63%)，最低出现在LIT(1.57%);亚表层土(10～20 cm)中最高出现在MIT1(1.39%)，最低与表层一样出现在LIT(0.77%)。同一间伐强度下，微生物熵亚表层依然比表层低;不同间伐强度之间，微生物熵差异不显著(P＜0.05)。图5显示，不同强度间伐下侧柏人工林土壤微生物生物量氮占总氮的比例在1.8%～4.16%，不同间伐强度下，均为表层土(0～10 cm)比亚表层土(10～20 cm)土壤微生物生物量氮占总氮比例大，方差分析显示，同一土层各间伐强度之间土壤微生物生物量氮占总氮比例不存在显著差异。不同土层间该比例出现相似变化趋势，都是先增加后降低。表层土(0～10 cm)最高比例出现在LIT(4.16%)，最低为CK(2.58%);亚表层(10～20 cm)最高在MIT1(3.34%)，最低出现在HIT(1.8%)，在峰值出现上存在一定差异。

图4 间伐对侧柏人工林土壤微生物生物量碳占总有机碳比例的影响

图5 间伐对侧柏人工林土壤微生物生物量氮占总氮比例的影响

4 讨论

土壤微生物生物量碳是土壤有机碳中最活跃的生物活性组分，虽然所占比例较低，但对土壤有机碳的动态过程却具有重要的影响[22]。本研究中，微生物生物量碳的含量先上升后下降，MIT1处出现显著差异，且表层基本上比亚表层含量高，说明间伐明显提高了土壤微生物生物量碳含量，这可能由于间伐改变了林地光照和通气状况，为微生物提供了一个更好分解有机质的微生物区系;另一方面土壤表层根系分布多，温度适中，加速了土壤微生物的活动，促进了凋落物和死根的分解，而亚表层的生存环境较差，微生物的活动较温和，因此土壤亚表层微生物生物量碳含量比表层含量低，且变化没有表层显著。土壤活性有机碳占总有机碳的比例越高，说明土壤碳的活性越大，稳定性越差[23]。本研究中，土壤微生物生物量碳占总有机碳的比例(微生物熵)，随着间伐强度增加整体呈现先增加后降低的规律。这说明不同的间伐强度下土壤碳库的稳定性发生着变化，稳定性先增加后降低，选择合适的间伐强度使土壤碳库趋向稳定是首要任务。土壤微生物生物量氮的变化趋势与土壤微生物生物量碳相似，都是先上升后下降，但波动较大;土壤微生物生物氮占总氮的比例总体比土壤微生物生物量碳占总有机碳的比例大，且变化趋势也存在差异，说明土壤氮库对间伐产生的效应更敏感。

对于土壤其他碳、氮含量的影响研究表明:土壤各碳、氮养分总体都呈现由表层向下递减的趋势，这是由于地表上的枯枝落叶和植物根系分解形成的有机质首先进入土壤表层被微生物分解利用，再又表层进入更深层土壤。随着间伐强度的增加，土壤中氨氮、硝氮的含量先增加后减少，这和自岗栓等[24]对仁用杏园间伐后土壤理化性质的研究结论一致。土壤总有机碳与总氮的表现很相似，都是随间伐强度增加先减少后增加，这是由于间伐使林内温度升高，加快了有机质的分解速度，因而引起了林内土壤营养元素含量的降低[25]。也有可能是测定时间太短，间伐的效果还没有完全显现。土壤水溶性有机碳变化趋势不是很明显，表层平均含量为0.59 g/kg，亚表层平均含量为0.55 g/kg，说明土壤中水溶性有机碳含量不会随间伐强度的增加而出现明显波动，可能是由于水溶性有机碳在土壤中与其他形态的碳之间相互转化，呈现一种动态平衡。这与谢涛等[26]对苏北沿海不同林龄杨树林土壤活性有机碳特征研究得出的结论基本一致。

总之，间伐使土壤中微生物生物量碳、氮含量得到了提升，同时通过对微生物熵的分析发现，随着间伐强度增加，土壤中活性碳的活性变大，土壤碳库出现不稳定现象;另外土壤微生物生物量氮比微生物生物量碳表现出较大的变化与波动，说明土壤中活性氮活性变化更大，土壤氮库对于间伐产生的效应更加敏感。因此，在侧柏人工林生产经营管理当中，应注意采取合理的间伐强度、轮伐期来提高林地的光照和土壤温度，促进土壤微生物的活动，从而提高土壤有机物的含量，通过这些手段来增加土壤碳汇、氮汇及其稳定性。

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