桉樹林分改造提升對(duì)土壤活性碳氮組分的影響

王冬雪

(福州市閩華工程設(shè)計(jì)有限公司，福建福州 350003)

森林土壤碳氮循環(huán)是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的功能過(guò)程之一，在調(diào)解和維持生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。按照分解難易和對(duì)植物有效性，土壤碳氮可劃分為活性碳氮、穩(wěn)態(tài)碳氮和難分解碳氮。其中，活性碳氮組分周轉(zhuǎn)周期短，對(duì)包括樹種結(jié)構(gòu)變化在內(nèi)的環(huán)境變化反應(yīng)較敏感[3]。桉樹是南亞熱帶地區(qū)分布面積較大，頗具爭(zhēng)議的一個(gè)樹種，也是林分改造提升的重點(diǎn)[4]。現(xiàn)有研究主要集中于林下植被多樣性[5]、生物量和生產(chǎn)力[6-7]和土壤理化性質(zhì)[8-9]等方面。筆者以福建省桉樹林分改造為研究對(duì)象，從土壤活性碳氮組分變化的角度評(píng)價(jià)了土壤質(zhì)量對(duì)不同改造模式的響應(yīng)，以期為改良樹種選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地概況研究區(qū)位于福建省莆田市涵江區(qū)，地理坐標(biāo)119°02′43″E，25°34′05″N。屬南亞熱帶，多年平均氣溫20.3 ℃，1月最冷，平均氣溫11.3 ℃，7月最熱，平均氣溫28.6 ℃。年日照時(shí)數(shù)1 977 h，多年平均降雨量1 500 mm，4—9月為雨季，約占全年降雨量的80%。土壤以紅壤為主。

1.2 樣地設(shè)置與取樣2019年7月，選取3個(gè)套種模式的桉樹成熟林分小班(表1)。每種林分隨機(jī)設(shè)置3個(gè)20 m×20 m樣地；沿南北對(duì)角線等距布設(shè)10～12個(gè)取樣點(diǎn)，利用土鉆獲取0～10 cm表層土壤，按四分法取樣，1份放入有生物冰袋的便攜式保溫箱，另1份放入布袋帶回實(shí)驗(yàn)室。環(huán)刀法測(cè)定土壤容重(SBD)；沿東西對(duì)角線等距設(shè)置4個(gè)1 m×1 m小樣方，采用全收獲法收集樣方內(nèi)的凋落物，80 ℃鼓風(fēng)烘箱烘至恒重，推算凋落物現(xiàn)存量(LSC)，部分粉碎過(guò)篩備用。

表1 4種林分模式基本情況

在實(shí)驗(yàn)室，取一半布袋土樣過(guò)篩，后經(jīng)流水浸泡、漂洗，揀出小于2 mm細(xì)根，并區(qū)分死活根，80 ℃鼓風(fēng)烘箱烘至恒重，推算細(xì)根生物量(FRB)，粉碎過(guò)篩備用。

1.3 樣品分析方法土壤微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法處理，MBC采用TOC-VCPH/CPN 分析儀(Shimadzu，Japan)測(cè)定，MBN采用SmartChem 200全自動(dòng)分析儀(Alliance，F(xiàn)rance)測(cè)定，轉(zhuǎn)換系數(shù)MBC=EC/0.45，MBN=EN/0.54。土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)、土壤可溶性有機(jī)氮(DON)采用2 mol/L氯化鉀浸提法處理，DOC采用TOC-VCPH/CPN 分析儀(Shimadzu，Japan)測(cè)定，DON、硝態(tài)氮(NO3--N)、銨態(tài)氮(NH4+-N)采用SmartChem200全自動(dòng)分析儀(Alliance，F(xiàn)rance)測(cè)定。土壤有機(jī)碳(STC)、有機(jī)氮(STN)、凋落物碳(LCC)、凋落物氮(LNC)和細(xì)根碳(FRC)、細(xì)根氮(FRN)利用碳氮元素分析儀(Vario EL Ⅲ，Elementar Analysensysteme GmbH，Hanau，Germany)測(cè)定。土壤全鉀(STK)、全磷(STP)、速效磷(SAP)和速效鉀(SAK)的測(cè)定方法參照中國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(LY/T 1228—1237)。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法利用Excel 2010整理，利用SPSS 17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Duncan多重比較，Canoco 5.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA和RDA分析，利用Origin 9.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分模式細(xì)根及凋落物性質(zhì)從圖1可以看出，模式3的LSC與LCC、LNC含量均較大，LCC/LNC表現(xiàn)為模式3最小，模式4最大。多重比較顯示，模式3的LSC和LCC/LNC與其他模式有顯著差異。0～10 cm土層的FRB以模式3最大，其次依次為模式1、模式2，模式4最小；FRC、FRN、FRC/FRN則相反，表現(xiàn)為模式3最小，模式1和模式2次之，模式4最大；Duncan多重比較顯示，模式3和模式4存在顯著差異。

注：不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著

2.2 不同林分模式土壤活性碳氮組分含量由圖2可知，模式3的土壤DOC含量、NH4+-N含量顯著高于其他各模式，模式1和模式2間差異不顯著。各模式MBC、MBN含量差異不顯著，MBC/MBN從小到大表現(xiàn)為模式3、模式2、模式1、模式4，NO3--N則表現(xiàn)為模式4顯著高于其他模式。

注：不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著

2.3 細(xì)根、凋落物性質(zhì)與土壤理化因子的相關(guān)關(guān)系從圖3可以看出，PC1和PC2兩軸能夠共同解釋總方差的比例為84.12%。其中，模式4的3個(gè)樣地mode41～mode43集中在FRC、FRN和NO3--N含量的高值區(qū)域，MBC/MBN、FRC/FRN和LCC/LNC也較高。模式3的3個(gè)樣地mode31～mode33集中在DON、DOC、FRB、MBC、MBN、NH4+-N含量的高值區(qū)域。模式2和模式3的樣地各土壤理化指標(biāo)介于模式3和模式4之間。DON、DOC、FRB、MBC、MBN、NH4+-N之間呈正相關(guān)關(guān)系，MBC/MBN、LCC/LNC和FRC/FRN、NO3--N之間存在正相關(guān)關(guān)系，但是2組指標(biāo)之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

注：mode11～13表示模式1的3個(gè)樣地；mode21～23表示模式2的3個(gè)樣地；mode31～33表示模式3的3個(gè)樣地；mode41～43表示模式4的3個(gè)樣地

2.4 土壤活性碳氮組分與細(xì)根、凋落物性質(zhì)及土壤理化因子的關(guān)系以DON、DOC、MBC、MBN、MBC/MBN、NH4+-N、NO3--N為響應(yīng)變量，土壤理化性質(zhì)和LSC、LCC、LNC、LCC/LNC、FRB、FRC、FRN、FRC/FRN為環(huán)境變量進(jìn)行RDA排序(圖4)，排序結(jié)果顯示，RDA1第1軸單獨(dú)解釋總方差的比例達(dá)到98.32%，第2軸單獨(dú)解釋總方差的比例為1.45%，二者共同解釋總方差的比例為99.77%。

注：mode11～13表示模式1的3個(gè)樣地；mode21～23表示模式2的3個(gè)樣地；mode31～33表示模式3的3個(gè)樣地；mode41～43表示模式4的3個(gè)樣地

pH(貢獻(xiàn)度為35.9%，F(xiàn)=31.7，P=0.002)、STP(貢獻(xiàn)度為25.7%，F(xiàn)=13.6，P=0.002)、土壤含水率(SMC)(貢獻(xiàn)度為13.9%，F(xiàn)=8.1，P=0.04)、LCC/LNC(貢獻(xiàn)度為8.2%，F(xiàn)=6.4，P=0.006)、FRC(貢獻(xiàn)度為5.6%，F(xiàn)=28.2，P=0.008)對(duì)于樣方沿著第1軸的分布起到關(guān)鍵作用，DON、DOC、NH4+-N、MBC、MBN主要與pH、STP和SMC較高的模式4的3個(gè)樣地mode31～mode33所在林地密切相關(guān)，而MBC/MBN和NO3--N則主要與LCC/LNC和FRC較高的模式4的3個(gè)樣地mode41～mode43所在林地密切相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

土壤表層(0～10 cm)是森林地下生態(tài)過(guò)程活躍的區(qū)域，不同質(zhì)量的凋落物分解淋溶的養(yǎng)分及產(chǎn)生的次生代謝物能夠影響土壤微生物群落組成和植物細(xì)根的分布[10]。該研究中，模式3凋落物現(xiàn)存量顯著高于其他模式，達(dá)到1.58 t/hm2，這與林分套種株數(shù)和套種樹種有關(guān)，模式3套種密度是模式1和模式2的近2倍，對(duì)林分凋落物現(xiàn)存量的貢獻(xiàn)大，間接影響了土壤表層的細(xì)根分布。該研究與王微等[11]研究得出的細(xì)根生物量與凋落物層生物量存在顯著線性相關(guān)關(guān)系的結(jié)論一致，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.925。

已有研究表明，土壤有機(jī)碳氮含量受不同的土壤可分解底物的數(shù)量和質(zhì)量的顯著影響，而土壤底物的差異主要受動(dòng)植物殘?bào)w、凋落物、根系及微生物群落及樹種不同的影響[12]。不同的微生物群落分解土壤有機(jī)碳氮，可進(jìn)一步影響土壤活性碳氮組分含量[13]。該研究中，模式3的土壤STC、STN及NH4+-N含量顯著高于其他模式，桉樹純林顯著低于套種模式。各模式的MBC、MBN含量差異雖然不顯著，但是MBC/MBN卻表現(xiàn)出模式3顯著低于其他模式，說(shuō)明該模式的土壤微生物群落組成結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)套種闊葉樹種改造后發(fā)生明顯變化，形成以高效利用豐富有機(jī)氮源為主的微生物群落。

主成分分析表明，DOC、DON、FRB、MBC、MBN、NH4+-N之間存在正相關(guān)關(guān)系，與土壤MBC/MBN、LCC/LNC和FRC/FRN、NO3--N存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而模式3個(gè)樣地均集中分布在具有高土壤DOC、DON、FRB、MBC/MBN及NH4+-N的區(qū)域，桉樹純林模式4則集中分布在高M(jìn)BC/MBN、LCC/LNC、FRC/FRN和NO3--N的區(qū)域，模式1和模式2則介于兩者之間，說(shuō)明桉樹林套種闊葉樹可顯著提高林地土壤活性碳氮組分含量，降低林地土壤的碳氮比。

為了進(jìn)一步探討能夠顯著影響土壤微生物群落組分結(jié)構(gòu)的土壤活性碳氮含量與其他土壤環(huán)境因子的關(guān)系，研究進(jìn)行了冗余分析。結(jié)果表明，STP含量是影響土壤活性碳氮首要環(huán)境因素，其次為SBD、pH、LCC/LNC和FRB含量。這表明STP含量是影響桉樹林分土壤微生物組分結(jié)構(gòu)的限制性因子，而凋落物作為影響微生物分解的重要底物之一，其碳氮比也會(huì)顯著影響微生物群落組分結(jié)構(gòu)，并與已有研究結(jié)果一致[14]。