亚热带红壤丘陵区不同人工林型对土壤理化性质、微生物类群和酶活性的影响

刘飞渡，韩蕾

1. 湖南环境生物职业技术学院园林学院，湖南 衡阳 421005；2. 中国林业科学研究院林业研究所，北京 100091

亚热带红壤丘陵区不同人工林型对土壤理化性质、微生物类群和酶活性的影响

刘飞渡1，韩蕾2*

1. 湖南环境生物职业技术学院园林学院，湖南 衡阳 421005；2. 中国林业科学研究院林业研究所，北京 100091

为了探讨亚热带红壤丘陵区不同人工林对土壤理化性质、微生物类群和酶活性的影响。以亚热带红壤丘陵区的纯樟树林（CC）、纯杉木林（CL）、杉木樟树混交林（CLCC）、自然恢复地（受到人为干扰）（NR）作为研究对象，并以附近的疏草荒地（GD）作为对照（CK），通过调查取样和实验分析相结合的方法，分析不同人工林型中不同土层（0～10、10～20和20～40 cm）土壤的理化性质、微生物类群和酶活性的变化。结果表明，（1）与对照相比，不同林型下土壤细菌、真菌和放线菌总数均显著增加，依次为微生物总数（CLCC）>微生物总数（CC）>微生物总数（CL）>微生物总数（NR）>微生物总数（CK）（P<0.05）。（2）土壤脲酶（URE）活性在不同林型下的大小顺序为脲酶（CC）>脲酶（CLCC）>脲酶（CL）>脲酶（NR）>脲酶（CK）（P<0.05）；蔗糖酶（INV）活性的大小顺序为蔗糖酶（CC）>蔗糖酶（NR）>蔗糖酶（CLCC）>蔗糖酶（CK）>蔗糖酶（CL）(P<0.05）；酸性磷酸酶（APE）活性的大小顺序为酸性磷酸酶（CC和CLCC）>酸性磷酸酶（NR）>酸性磷酸酶（CL）>酸性磷酸酶（CK）（P<0.05）。（3）在剖面层次上，土壤微生物类群和酶活性也有明显的层次性，即随着土层的增加而减小。（4）相关分析表明：土壤细菌、真菌与脲酶、酸性磷酸酶之间具有显著或极显著的相关性（P<0.05或P<0.01）；土壤微生物类群和酶活性与土壤有机质（SOM）、全氮（TN）和有效氮（AN）之间具有极显著的相关性（P<0.01）。研究结果表明退耕还林（草）可增加土壤微生物类群的数量和土壤酶活性，促进土壤物理性状的改善和肥力的提高。

亚热带红壤丘陵区；不同人工林型；土壤理化性质；土壤微生物类群；土壤酶活性

土壤微生物和酶共同推动着土壤物质转化和能量流动（杨满元等，2013；杨宁等，2013a）。土壤微生物繁殖快，数量大，代谢能力强，不仅对土壤有机质降解转化、无机物转化、分子态氮固定、植物营养与土壤肥力的保持具有重要的作用，且对净化环境、保持生态平衡具有重大意义（杨宁等，2013b，2014a，2014b；杨满元等，2015）。土壤微生物和酶活性可代表土壤中物质代谢的旺盛程度，客观地反映土壤肥力，因而是土壤肥力的重要指标之一。因而研究人工林的土壤理化性质、微生物和酶活性对合理利用土壤，营造最佳生态效益的林分，防止地力衰退和改善生态环境具有重大意义。

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我国南方造林中广泛应用的树种，在我国的森林资源中占据十分重要的地位。由于种种原因，大面积经营杉木纯林会造成地力衰退、生产力下降，这严重地阻碍了杉木人工林的持续生产与发展。国内外许多学者从生态系统养分循环、生物生产力、生态经济效益等角度对混交林进行了一系列的研究，取得了很多积极的成果（Parrotta et al.，1999；冯宗炜等，1988；王光军等，2009）。虽然不同树种的混交林可缓解单一树种长期种植对土壤的危害，但这种作用取决于树种的组成（Augusto et al.，2002）。樟树（Cinnamomum camphora）是我国亚热带代表性常绿阔叶树种，有报道指出樟树可在一定程度上提高土壤微生物的活性（王会利等，2009）。本试验针对亚热带红壤丘陵区，研究不同林型下土壤微生物数量、分布及碳、氮、磷转化有关的酶活性及与土壤理化性质的关系进行探索，以揭示不同林地的物质代谢和肥力发展规律，为提高土壤肥力质量及确定其生物学指标提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于湖南省长沙市南郊的天际岭国家森林公园（113°02′～01′ E，28°06′～07′N），其地层主要是第四纪更新世的冲积性网纹红土和砂砾，土壤剖面具有暗或弱腐殖质表层，属典型的红壤丘陵区，地形以岗地为主；海拔46～116 m，坡度5°～25°，属典型的亚热带湿润季风气候，雨量充沛，年平均降雨量1422 mm，主要集中于4─6月； 年平均气温17.2 ℃，1月最冷（平均气温4.7 ℃，极端最低温度-11.3 ℃），7月最热（平均气温29.4 ℃，极端最高气温40.6 ℃）；无霜期为270～300 d，日照时数平均1677 h。园内小生境众多，植物种类达到 2200余种，植被以人工林为主（陈璟等，2013）。

1.2 样地设置

于2012年4上旬，选取位于阳坡且环境特征基本一致的纯樟树林（C. camphora，CC）、纯杉木林（C. lanceolata，CL）、杉木樟树混交林（C. lanceolata-C. camphora，CLCC）、自然恢复地（受到人为干扰）（Natural restoring，NR）的根际土壤作为试验处理，以附近的疏草荒地的土壤作为对照（CK），且每个样地的面积>1 hm2（表1）。在每个>1 hm2的样地内设置3块400 m2（20 m×20 m）的样方，且样方间距>20 m，在每个样方内采取5点混合取样法分别取0～10、10～20和20～40cm土层土样，去掉土壤中可见的植物根系和残体，将土样分为2部分：一部分新鲜土样过孔径<2 mm筛后置于4 ℃冰箱中（保存时间不超过4 d），供测定生物学性质用；另一部分土样风干后过筛，供测土壤理化性质。

表1 样地概况Table 1 General situation of sample plots

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤理化性质的测定

土壤容重（Soil bulk density，SBD）与总孔隙度（Total soil porosity，TSP）：环刀法；土壤有机质（Soil organic matter，SOM）：重铬酸钾氧化-外加热法；全氮（Total nitrogen，TN）：半微量凯氏法；有效氮（Available nitrogen，AN）：扩散吸收法；有效磷（Available phosphorus，AP）：NaHCO3提取-钼锑抗显色-紫外分光光度法；pH值：电极电位法（中国科学院南京土壤研究所，1978）。

1.3.2 土壤微生物与酶活性

土壤微生物数量采用稀释平板法计数测定（中国科学院南京土壤研究所微生物室，1985），其中细菌用牛肉膏蛋白胨培养基培养，真菌用马丁氏培养基，放线菌用改良高氏1号培养基；酶活性采用比以法测定（关松荫，1983），其中脲酶（Urease，URE）采用苯酚-次氯酸钠比色法，蔗糖酶（Invertase，INV）采用3, 5-二硝基水杨酸比色法，酸性磷酸酶（Acidity phophatase，APE）采用对硝基苯磷酸二钠比色法测定。

1.4 数据处理

采用 SPSS 13.0软件进行数据处理与统计分析。采用单因素方差分析法（one-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）比较不同数据间的差异，用Pearson相关系数分析法分析土壤理化性质、土壤微生物类群以及酶活性之间的相关系数。所有数据均为3次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同林型的土壤理化性质

研究表明（表2），不同林型的土壤容重差异较大，0～10、10～20和20～40 cm土层，疏草荒地和自然恢复地的土壤容重显著高于其他林型、总孔隙度显著低于其他林型，这与植被凋落物的数量与质量以及植物根系的有关；不同土层土壤pH值呈酸性，pH值4.5～5.4。

0～10 cm土层，土壤有机质大小顺序为土壤有机质（CC）>土壤有机质（CL和CLCC）>土壤有机质（NR）>土壤有机质（CK）（P<0.05），全氮以纯杉木林、纯樟树林和杉木樟树混交林最高，自然恢复地次之，疏草荒地最低，自然恢复地的土壤有机质和全氮含量较高，是由于其植被主要为草本植物，其地下部分生物量主要集中在0～10 cm土层，且一年生的习性使使大量枯枝落叶归还于土壤中，草被的地上部分具有较强的抗冲（侵）蚀能力，能够保水保肥（吴蔚东等，1999；杨宁等，2010a）。由此看来，植被恢复也是提高红壤土壤有机质，促进红壤肥力恢复之良策（杨宁等，2010b；杨昌华等，2014）。不同林型对红壤速效养分的影响也很明显。0～10 cm土层有效氮的大小顺序为有效氮（CLCC）>有效氮（CL）>有效氮（CC）>有效氮（NR）>有效氮（CK）；有效磷含量为痕量，值很低，但也有一定的差别，纯樟树林的含量较高，这可归结为枯落物中有机磷的分解释放和生物活化作用（杨宁等，2012，2013c）；10～20和20～40 cm土层的土壤有机质、全氮、有效氮和有效磷在不同林型下的变化规律与0～10 cm土层基本相似。

表2 不同林型下土壤的理化性质Table 2 Soil physio-chemical properties under different artificial forests

随着土层深度的增加，土壤容重、pH值呈增加趋势；孔隙度、土壤有机质、全氮、有效氮与有效磷呈减少趋势，各土层在不同林型的差异大小表现为：纯樟树林、杉木樟树混交林和自然恢复地最大，纯杉木林次之，疏草荒地最小。

表3 不同林型下土壤微生物类群分布Table 3 Soil microbial groups under different artificial forests

2.2 不同林型的土壤微生物类群及分布

土壤中的微生物一方面反映土壤的物质和能量代谢的旺盛程度，另一方面也反映土壤的肥力状况（陈宏峻等，1993）。通过对不同林型与疏草荒地的土壤微生物类群进行对比研究（表3），不同林型土壤 3大微生物类群数量均明显高于疏草荒地（P<0.05），其高低顺序为微生物总数（CLCC）>微生物总数（CC）>微生物总数（CL）>微生物总数（NR）>微生物总数（CK）（P<0.05）；3大微生物类群的数量的大小顺序为细菌>放线菌>真菌。在0～10 cm土层，虽然杉木樟树混交林的凋落物的数量少于纯樟树林，但细菌、真菌的数量以杉木樟树混交林最多，这可能与地形、pH值等外界环境因素有关（郑诗樟等，2004；杨宁等，2015；刘作云等，2015a）。10～20 cm土层，3大微生物数量以纯樟树林最多，这与表2所示的养分状况相吻合。

从土壤剖面分布看，3大类微生物数量一般有明显的上高下低的分布趋势。但纯樟树林的 0～10 cm 土层细菌数量明显低于 10～20 cm 土层（P<0.05），可能与纯樟树林的叶片比纯杉木林的叶片分解快，养分向下淋溶较多有关。纯杉木林的0～10 cm土层放线菌数量显著低于20～40 cm土层（P<0.05），可能与土壤的 pH值有一定关系（Uytvanck et al.，2008；刘作云等，2014）。

自然恢复地的3大微生物数量明显高于疏草荒地（P<0.05），说明自然恢复地由于长期的撂荒和免耕，土壤养分在0～20 cm土层积累较多，有利于土壤微生物的繁殖（薛立等，2003）。

2.3 不同林型的土壤酶活性

从表4可以看出，不同林型土壤的脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶的活性不同，与疏草荒地相比，除蔗糖酶活性异常外，脲酶、酸性磷酸酶活性均有较大程度的增加。在0～10 cm土层，脲酶活性在不同林型下的大小顺序为脲酶（CC）>脲酶（CLCC）>脲酶（CL）>脲酶（NR）>脲酶（CK）（P<0.05），蔗糖酶活性的大小顺序为蔗糖酶（CC）>蔗糖酶（NR）>蔗糖酶（CLCC）>蔗糖酶（CK）>蔗糖酶（CL）（P<0.05），酸性磷酸酶活性的大小顺序为酸性磷酸酶（CC和CLCC）>酸性磷酸酶（NR）>酸性磷酸酶（CL）>酸性磷酸酶（CK）（P<0.05）。说明土壤酶活性的变化与土壤地被覆盖物的数量和质量有关（Bell et al.，2010；胡亚林等，2005；杨宁等，2011，2014c；刘作云等，2015b）。

表4 不同林型下土壤酶活性Table 4 Soil enzyme activities under different artificial forests

在土壤的剖面分布上，3种土壤酶活性也表现出明显的上高下低的态势，说明土壤养分在 0～10 cm土层较多，具有明显的“表聚性”。

2.4 相关性分析

通过对土壤微生物类群与酶活性的相关分析可知（表5），脲酶活性与细菌、真菌的相关系数为0.67*、0.89**；酸性磷酸酶活性与细菌、真菌的相关系数为 0.87**、0.86**（*P<0.05；**P<0.01）。该结果说明，土壤酶大多数源于土壤微生物，土壤酶活性与土壤微生物关系密切。

表5 土壤微生物类群与酶活性的相关性分析Table 5 Correlation analysis between soil microbial groups and enzyme activities

通过土壤微生物类群、酶活性和土壤理化性质的相关分析可知（表6），土壤容重、总孔隙度与真菌、脲酶、酸性磷酸酶具有相好的相关性，说明土壤理化性质与土壤微生物、酶活性相互影响，相互促进；细菌、真菌与土壤有机质、全氮、有效氮呈极显著正相关关系（P<0.01），而放线菌的相关性较差，可能与放线菌适合于偏碱性的环境生长有关；脲酶、酸性磷酸酶与土壤有机质、全氮、有效氮呈极显著正相关关系（P<0.01），而蔗糖酶的相关性较差，可能与疏草荒地的蔗糖酶活性表现异常有关（表 4），有效磷与土壤微生物类群、酶活性的相关性较差，可能与有效磷的含量为痕量，差异不明显有关，pH值与土壤微生物类群、酶活性相关性较低，与不同林型各土层pH值的差异不在有关（其差异大小仅为0.9）（表2）（Waring et al.，2013；Gascuel-Odoux et al.，1994）。

表6 土壤微生物类群、酶活性和土壤理化性质的相关分析Table 6 Correlation analysis between soil microbial groups, enzyme activities and soil physio-chemical properties

3 小结与讨论

在亚热带红壤丘陵区，以疏草荒地（Grassland，GD）作为CK，研究纯樟树林（CC）、纯杉木林（CL）、杉木樟树混交林（CLCC）和自然恢复地（受到人为干扰）（NR）对壤理化性质、微生物类群和酶活性的影响，结果表明，植被恢复可大幅度增加土壤微生物类群的数量和土壤酶活性，促进土壤物理性状的改善和肥力的提高。不同林型作用效果表现为纯樟树林（CL）>杉木樟树混交林（CLCC）>纯杉木林（CL）>自然恢复地（NR）。自然恢复地好具有较高的土壤微生物类群、土壤酶活性和土壤肥力。土壤微生物和土壤酶对土壤环境的净化、土壤生态环境的保护和保持整个生态平衡具有重要意义。退耕还林（草）、荒（坡）地植树植草将是今后一项长期的任务。

土壤微生物类群和土壤酶活性能很好地表征土壤肥力性状。因而是土壤肥力评价的重要指标之一。从分析过程来看，以微生物总数量和土壤酶活性的总体来表征土壤肥力状况较好。微生物类群总数量与土壤酶活性具有显著相关性。

土壤微生物类群和土壤酶活性与土壤物理性状具有一定的相关性，对改善土壤物理性状具有一定的积极作用，与土壤化学性状具有显著或极显著的相关性，对土壤有机质、全氮、有效氮和有效磷的转化有积极作用；同时也提示我们在红壤坡地的植被恢复中，可施用菌肥来提高土壤生化强度，促进植被恢复（杨满元等，2015）。

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Effects of Different Artificial Forestry on Soil Physio-chemical Properties, Microbial Groups and Enzyme Activities in Subtropical Red Soil Hilly Region

LIU Feidu1, HAN Lei2*
1. Hunan Environmental-Biological Polytechnic College, College of Landscape Architecture, Hengyang 421005, China; 2. Chinese Academy of Forestry, Forestry institute, Beijing 100091, China

The aim of this study was to explore effects of different artificial forestry on soil physio-chemical properties, microbial groups and enzyme activities in subtropical red soil hilly region. Taking four kinds of artificial forestry (C. camphora (CC), C. lanceolata (CL), C. lanceolata-C. camphora (CLCC) and Natural restoring (NR)) and barren grassland (CK) nearby as test objects, soil samples from depths of 0～10, 10～20 and 20～40 cm were collected to study the effects of four kinds of artificial forestry on soil physio-chemical properties, microbial groups and enzyme activities through the combination of sample investigation and experimental analysis. The results showed that: (1) Compared with barren grassland (CK), the total number of microbes in different artificial forestry were followed the order as CLCC>CC>CL>NR>CK (P<0.05). (2) The activities of soil urease (URE) in different artificial forestry were followed the order as CC>CLCC>CL>NR>CK (P<0.05); Invertase (INV), CC>NR>CLCC>CK>CL (P<0.05), Acidity phosphatase (APE), CC and CLCC>NR>CL>CK (P<0.05). (3) In the profile, soil microbial groups and enzyme activities decrease with the increase of soil depth. 4)Correlation analysis showed that the contents of bacteria and fungi have a significant or very significantly positive correlation with URE and APE (P<0.05 or P<0.01); the soil microbial groups and enzyme activities have a very significantly positive correlation with soil organic matter (SOM), total nitrogen (TN) and available nitrogen (AN) (P<0.01). All the results showed that returning farmland to forests (grass) could increase the number of soil microbial groups and the activities of soil enzyme, promoting the improvement of soil physical properties and the heighten of soil fertility.

subtropical red soil hilly region; different artificial forestry; soil physio-chemical properties; soil microbial groups; soil enzyme activities

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.09.003

S151.9；X171.1

A

1674-5906（2015）09-1441-06

刘飞渡，韩蕾. 亚热带红壤丘陵区不同人工林型对土壤理化性质、微生物类群和酶活性的影响[J]. 生态环境学报, 2015, 24(9): 1441-1446.

LIU Feidu, HAN Lei. Effects of Different Artificial Forestry on Soil Physio-chemical Properties, Microbial Groups and Enzyme Activities in Subtropical Red Soil Hilly Region [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(9): 1441-1446.

国家林业局948重点项目（2008-4-32）；湖南省教育厅科学研究项目（13C253）；湖南省林业科技创新计划项目（XLK201341）

刘飞渡（1977年生），男，讲师，硕士，主要从事园艺园林方面的教学与研究工作。E-mail: feiduliu@sina.com *通讯作者：韩蕾（1972年生），女，研究员。E-mail: hdd@caf.ac.cn

2015-08-15