不同密度杉木成熟林土壤酶活性與微生物生物量分析

吳友良，盧宗軍，陳曉明，陳代喜，李富洲，孫 瑋，陳 琴

（1.柳州市林業(yè)科學(xué)研究所，廣西柳州 545300；2.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西南寧 530002）

土壤是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，在森林土壤生態(tài)系統(tǒng)中，土壤酶和微生物共同參與土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量流動等過程[1-2]。土壤酶主要來源于土壤微生物、動植物殘?bào)w分解和根際分泌物，參與土壤多種生化反應(yīng)，在保持土壤生物學(xué)平衡及凈化土壤等方面有重要意義[3-4]。參與土壤生化反應(yīng)的主要酶為水解酶和氧化還原酶[5]，水解酶和氧化還原酶分別與土壤有機(jī)質(zhì)分解和腐殖化過程有緊密聯(lián)系[6]，其活性可有效反映微生物養(yǎng)分需求的變化[5-7]。土壤酶活性和微生物生物量對土壤底物有效性變化較敏感，可綜合反映土壤質(zhì)量在不同環(huán)境下的變化，是評價(jià)土壤生物活性和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[7-8]。土壤微生物生物量作為土壤有機(jī)質(zhì)的活性組分，參與土壤有機(jī)質(zhì)的合成和分解，是反映土壤自然肥力的重要指標(biāo)之一[9]。

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國南方主要的造林樹種之一，人工林栽培面積達(dá)6 933 萬hm2；長期大面積人工林連續(xù)經(jīng)營，杉木林地出現(xiàn)了土壤肥力衰退、生產(chǎn)力下降、水土流失嚴(yán)重和病蟲害加劇等一系列問題[10-11]。開展杉木林地土壤生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)研究對杉木可持續(xù)經(jīng)營有重要意義。有學(xué)者對杉木成熟林不同密度條件下的土壤肥力進(jìn)行研究，證實(shí)不同密度杉木人工林的土壤物理性狀和養(yǎng)分含量均有較大差異；土壤孔隙組成和水分狀況均隨林分密度降低而增加[12]。本研究以兩種不同保留密度31年生杉木間伐試驗(yàn)林為研究對象，調(diào)查林分的土壤脲酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶和纖維素酶活性及土壤微生物生物量碳（MBC）、氮（MBN）和磷（MBP）含量，分析不同密度試驗(yàn)林中土壤酶活性、微生物生物量的差異及其相互關(guān)系，以期為該區(qū)域杉木人工林地力維持及可持續(xù)經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在廣西柳州市林業(yè)科學(xué)研究所（109°24′E，25°12′N），海拔160 ～650 m，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，地貌以丘陵、低山為主，土壤以紅壤和山地黃壤為主，土層厚度40 ～70 cm。試驗(yàn)林的立地條件基本一致，于1989年3月造林，1999年進(jìn)行第一次間伐，間伐后保留1 395 株/hm2；2007年對部分林分進(jìn)行擇伐，擇伐后保留375 株/hm2。林地土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of soil

1.2 樣品采集

分別在密度375 和1 395 株/hm2的林分中采集土壤。每種密度林分中分別設(shè)置1 個(gè)20 m × 20 m的樣地，每種密度3 個(gè)重復(fù)。在樣地內(nèi)以S 型選取8 個(gè)點(diǎn)采集土樣，每個(gè)采樣點(diǎn)用土鉆（內(nèi)徑5 cm）取1鉆0 ～10 cm 土層土樣，將每塊樣地8 個(gè)采樣點(diǎn)的土壤充分混勻?yàn)? 個(gè)土壤樣品，共6 個(gè)土壤樣品。檢測土壤酶活性的土樣采集后及時(shí)采用干冰運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，在-20 ℃冷藏；檢測土壤微生物生物量含量的土樣采集后及時(shí)采用保鮮盒運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，在0 ～4 ℃冷藏。土樣采集袋上標(biāo)明采樣地點(diǎn)、采樣時(shí)間、造林年份、保留密度和重復(fù)數(shù)等信息，并詳細(xì)填寫土壤樣品標(biāo)簽。

1.3 分析方法

每份土壤樣品均測定土壤脲酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶和纖維素酶5 種土壤酶活性及MBC、MBN 和MBP 含量。土壤脲酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶和纖維素酶活性測定分別采用靛酚藍(lán)比色法[13]、鄰苯三酚比色法[2]、高錳酸鉀滴定法[2]、磷酸苯二鈉比色法[14]和3,5－二硝基水楊酸比色法[6]。土壤微生物生物量含量采用氯仿熏蒸浸提法測定[6]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)的匯總及統(tǒng)計(jì)分析均采用Excel 2010和SPSS 20.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同密度林分土壤酶活性

密度為375 株/hm2的林分中，土壤過氧化氫酶活性為10.20 U/g，極顯著高于1 395 株/hm2的林分（8.24 U/g）（P＜0.01）；纖維素酶活性為211.54 U/g，顯著高于1 395 株/hm2的林分（200.96 U/g）（P＜0.05）（表2）。兩種密度林分的土壤脲酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性均差異不顯著。

表2 不同密度林分中土壤酶活性Tab.2 Soil enzyme activities in stands with different densities

2.2 不同密度林分土壤微生物生物量

密度為375 株/hm2的林分中，MBC 含量為40.02 mg/kg，顯著高于1 395 株/ hm2的林分（32.83 mg/kg）（P＜0.05）；MBP 含量為6.06 mg/kg，極顯著低于1 395 株/hm2的林分（7.98 mg/kg）（P＜0.01）（表3）。兩種密度林分的MBN含量差異不顯著。

表3 不同密度林分中土壤微生物生物量Tab.3 Soil microbial biomass in stands with different densities

2.3 土壤酶活性及微生物生物量的相關(guān)性

土壤脲酶活性與多酚氧化酶活性呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與MBN 呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；多酚氧化酶活性與酸性磷酸酶活性和纖維素酶活性均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與MBN 呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；過氧化氫酶活性與酸性磷酸酶活性和MBP 均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與MBC 呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；酸性磷酸酶活性與MBC 呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）（表4）。

表4 土壤酶活性和土壤微生物生物量的相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis among soil enzyme activities and soil microbial biomass

3 討論與結(jié)論

土壤過氧化氫酶活性和土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤微生物有密切關(guān)系，纖維素酶是參與土壤碳循環(huán)的重要酶之一。本研究結(jié)果表明，兩種密度杉木成熟林中，低密度林分的土壤過氧化氫酶和纖維素酶活性分別極顯著和顯著高于高密度林分，同時(shí)低密度林分的土壤微生物生物量碳含量顯著高于高密度林分，說明低密度林分中土壤微生物更活躍，有利于促進(jìn)與碳循環(huán)關(guān)系密切的土壤酶類的活性。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可能是低密度林分中，林下透光較多，林下植被生長較旺盛，促進(jìn)土壤微生物活動，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量；高密度林分樹冠濃密，林下透光相對較少，林下植被生長受到限制，土壤微生物多樣性減少，土壤微生物活躍程度降低，影響過氧化氫酶活性。丁凱等[15]研究也表明較低密度杉木林分中土壤細(xì)菌多樣性和土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，對杉木人工林中齡林林分進(jìn)行間伐，適當(dāng)降低林分密度，能有效改善林地土壤的物理性狀，提高土壤有機(jī)質(zhì)和各種養(yǎng)分含量，提高土壤肥力。

本研究表明，土壤脲酶和多酚氧化酶活性均與土壤微生物生物量氮呈極顯著或顯著正相關(guān)，說明土壤脲酶和多酚氧化酶活性受土壤微生物活動的影響較大，與土壤中基礎(chǔ)營養(yǎng)氮儲備有十分密切的關(guān)系。土壤脲酶活性、多酚氧化酶活性及土壤微生物生物量氮含量在兩種密度杉木成熟林間無顯著差異，說明兩種密度林分的土壤氮營養(yǎng)儲備差異不大，可能是由于杉木成熟林對土壤氮的需求減小，不同密度林地土壤中氮儲備均較豐富。

土壤磷酸酶活性直接影響土壤中有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性，土壤有機(jī)磷在土壤磷酸酶作用下才能轉(zhuǎn)化為可供植物吸收的無機(jī)磷[16]。本研究結(jié)果表明，兩種密度林分的土壤酸性磷酸酶活性差異不顯著，但從數(shù)值上看，高密度林分的土壤酸性磷酸酶活性高于低密度林分，同時(shí)高密度林分土壤微生物生物量磷含量極顯著高于低密度林分，說明土壤有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化受到林分密度的影響，兩種密度林分的土壤有效磷含量是否存在差異需進(jìn)一步研究。

從本研究結(jié)果來看，低密度林分土壤過氧化氫酶、纖維素酶活性和土壤微生物生物量碳含量均高于高密度林分，土壤酸性磷酸酶活性低于高密度林分，說明適當(dāng)降低林分密度有利于促進(jìn)林分土壤微生物活動，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高養(yǎng)分利用效率。過度降低林分密度，有可能使土壤酶類活性失衡，導(dǎo)致某些營養(yǎng)元素利用率下降。本研究中，林分密度梯度較少，研究指標(biāo)有限，不足以深入闡明林分密度與土壤微環(huán)境的相關(guān)性；在后期研究中，可增加林分密度梯度和調(diào)查指標(biāo)，更全面和深入地探討林分密度對土壤微環(huán)境的影響。