间伐和修枝对杉木人工林土壤微生物群落结构的影响

佘宇晨 ，陈彩虹 ，丁思一 ，汪思龙 ，常双双

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016）

土壤微生物群落结构对土壤生态机制和环境变化反应敏捷，是环境恢复的先锋，能够较早地预测土壤养分和环境质量的变化。土壤微生物在人工林生态系统中的数量、种类、分布以及生理活动都能反映生物因素和非生物因素对土壤微生物的影响，这种影响通常表现在其分布活动、群落组成和种群演替上。目前微生物群落结构对人工林的影响研究，主要针对植物类型[1]、作物栽培和土地管理方式[2]、时空变化[3]、土壤养分[4]、气候[5]等因子对土壤微生物群落结构的影响。

间伐是一种重要的人工林经营技术，能够促进林分胸径、树高以及蓄积量的增加，改善木材质量[6]。间伐促进森林生态系统的养分循环，从而增加了土壤中有机质、全碳、全磷、水解氮、速效磷和速效钾等的含量，改变了土壤养分状况[7]。修枝是一种生产无节良材的重要人工林培育技术。修枝减少了树木的总叶面积，促进树冠光合作用和蒸腾作用。修枝促进林下植被的生长发育，从而加快森林土壤中的物质能量代谢和养分循环[8]。因此，本研究以会同县中科院的杉木人工林为研究对象，通过分析杉木人工林微生物群落结构特征，研究间伐和修枝对杉木人工林土壤微生物群落结构的影响，为林业生产实践中制定适宜的人工林经营措施提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

湖南会同中科院实验林场位于会同县广坪镇吉朗村中心林区。会同县地处湖南省西南部，介于 东 经 位 于 109°45′～ 110°07′， 北 纬 22°41′～22°53′之间，东靠雪峰山脉，南依云贵高原，属于典型的亚热带季风湿润气候，年平均气温13.4～16.6℃，年降雨量略高于年蒸发量，两者分别为1 200～1 400 mm和100～1 300 mm，年平均湿度在80%以上，植物生长期达300天。区域属于典型的低山丘陵类型，海拔300～1 100 m，山地红黄壤是主要土壤类型。受海拔、坡向、坡度和土壤植被影响，有机质层厚度呈现明显差异。研究区位于我国杉木主产区的核心区，素有“广木之乡”的美誉。人类活动影响，原生植物遭到毁灭破坏，代之杉木和马尾松为主的人工混交林。据样样本数据分析，杉木人工林中土壤肥力比天然次生阔叶林明显下降。

1.2 实验设计

实验林场内实验样地共分为3个区组，每个区组3种措施随机布设，即对照（CK）、间伐（T，50%）、修枝（P，50%），共设置9块样地。避免边缘效应，每块样地距离实验林场边缘10 m以上，尺寸20 m×20 m，立地条件9年生杉木人工林里中等偏上，林龄选择中龄林，同时保证林分状况一致。2014年4月对实验样地乔木进行每木检尺实测胸径和树高，并统计样地内直径≥5 cm的乔木株数。详情见表1。

表1 人工杉木林样地实验设计Table 1 Experiment design of artificial Chinese fir plantation

2014年5月24日，在9块样地中随机选取27个样点，每块样地均有3个样点，去除地表凋落物层，用直径6 cm的土钻，在每个样点钻取0～20 cm土样两钻，均匀混合后作为土样，共提取27个土壤样品。将27个土壤样本分别用自封袋封装，用油性笔做好标记，并立即放入4℃保鲜冰盒，运回实验室。将预处理（剔除石块、植物残体和动物等杂物）后的新鲜土样过1 mm土壤筛，并放入-20℃冰箱保存，用于测定土壤微生物群落结构。

采用磷脂脂肪酸（PLFA）图谱分析技术测定土壤微生物群落结构。PLFA方法通过分析PLFA图谱中不同PLFA的含量和种类来估算土壤微生物生物量和种类。将新鲜土样冻干，并保存于-20℃，以提取磷脂脂肪酸。本论文中针对土壤微生物群落特征的研究主要采用磷脂脂肪酸（PLFA）图谱分析技术，该技术综合Gleixner[9]、Forestegard[10]等人的研究成果，主要经过提取脂肪酸→固相抽提柱层析分离脂类→磷脂酯化→气象色谱（GC）分析等步骤。通过PLFA样品与标准物质19∶0甲基酯的相对保留时间和色谱图与数据库中的对比进行磷脂脂肪酸（PLFA）定性分析，用内标法进行定量分析。土壤微生物群落对应的特征磷脂脂肪酸主要参考Sakamoto[11]、Vestal[12]等人的研究。

1.3 数据处理

基于Microsoft Excel 2007进行实验数据进行基础数据录入及平均值和标准差计算；利用SPSS 19.0进行单因素方差分析、相关性分析和回归分析；Graph Pad Prism 5生成图像。

2 结果与分析

2.1 间伐和修枝对土壤微生物量碳的影响

如图1所示，间伐（T）、修枝（P）和对照组（CK）3种经营措施对杉木人工林土壤微生物量碳（MBC）的含量的影响显著，平均土壤微生物量碳的含量大小排序为CK＞P＞T，对照组样地的土壤微生物量碳的含量最大，间伐样地的土壤微生物量碳的含量最小，修枝样地土壤微生物量碳的含量一般。对3种经营措施下杉木人工林土壤微生物量碳的含量单因素方差分析。结果表明，间伐和修枝使得杉木人工林土壤微生物量碳的含量均显著下降（P＜0.05），但修枝样地的土壤微生物量碳的含量略高于间伐样地，间伐样地的土壤微生物量碳的含量为对照样地的73.25%，修枝样地的土壤微生物量碳的含量为对照组的76.69%。间伐和修枝处理使得土壤中土壤微生物量碳的含量均显著减少，说明间伐和修枝2种人工林经营措施对其土壤微生物量碳的含量影响显著。

图1 间伐和修枝对杉木人工林土壤微生物量碳的影响Fig. 1 Effects on soil microbial biomass carbon of Chinesefir plantation in pruning and thinning

图2 间伐和修剪对杉木人工林土壤全碳的影响Fig. 2 Effects on soil total carbon of Chinese fir plantation in thinning and pruning

2.2 间伐和修枝对土壤C、N含量的影响

由表2可知，3种经营措施下，全碳（C）含量差异显著，间伐（T）样地的平均土壤全碳（C）含量最少，含量为17.60 g/kg，对照组（CK）样地的平均土壤全碳（C）含量最高，含量为19.43g/kg；全氮（N）含量差异显著，修枝（P）样地的全氮含量最高，含量为1.83 g/kg，间伐（T）样地的全氮含量最少，含量为1.59 g/kg；碳氮比(C/N)差异显著，间伐（T）样地碳氮比最大，值为11.04，修枝最小，值为10.44。

表2 间伐和修枝对杉木人工林土壤碳氮的影响Table 2 Effects on soil carbon and nitrogen of Chinese fir plantation in thinning and pruning

由图2可知，间伐（T）、修枝（P）和对照组（CK）措施对杉木人工林土壤全碳（C）含量有影响，平均土壤碳含量的大小排序与土壤微生物量碳一致，为CK＞P＞T，对照组样地的全碳的含量最大，间伐样地的全碳的含量最小，修枝样地全碳含量一般。对3种经营措施下杉木人工林全碳含量单因素方差分析。结果表明，与对照样地相比，间伐样地土壤全碳含量降低9.42%，修枝样地土壤全碳含量降低1.69%，其中，间伐对人工杉木林土壤全碳含量影响显著（P＜0.05），修枝对人工杉木林样地土壤全碳含量影响不显著（P＞0.05）。

由图3可知，间伐（T）、修枝（P）和对照组（CK）措施对杉木人工林土壤全氮（N）含量有影响，平均土壤碳含量的大小排序为P＞CK＞T，修枝组样地的全氮含量最大，间伐样地的全碳的含量最小，对照组样地全氮含量一般。对杉木人工林全氮含量单因素方差分析。结果表明，与对照样地相比，间伐组样地的土壤全氮含量降低10.17%，而修枝后土壤全氮含量增加3.39%。间伐后土壤全氮显著减小（P＜0.05），修枝对土壤全氮显著增加（P＞0.05）。

图3 间伐和修枝对杉木人工林土壤全氮的影响Fig. 3 Effects on soil total nitrogen of Chinese fir plantation in thinning and pruning

由图4可知，间伐（T）、修枝（P）和对照组（CK）措施对杉木人工林土壤碳氮比影响显著，其大小排序T＞CK＞P，间伐样地的土壤碳氮比最大，修枝样地的土壤碳氮比最小，对照组样地的土壤碳氮比一般。对杉木人工林全氮含量单因素方差分析。结果表明，与对照样地相比，间伐样地的土壤碳氮比增加0.91%，修枝样地的土壤碳氮比减少4.57%。修枝对杉木人工林的土壤碳氮比影响显著（P＜0.05），而间伐对杉木人工林土壤的碳氮比影响不显著（P＞0.05）。

图4 间伐和修枝对杉木人工林碳氮比的影响Fig. 4 Effects on carbon-nitrogen ratio of Chinese fir plantation in thinning and pruning

2.3 间伐和修枝对土壤微生物群落结构的影响

由图5和表3可知，3种不同经营措施对杉木人工林土壤各菌群PLFA含量的影响各异，相对于对照样地，间伐和修枝使杉木人工林土壤总PLFA含量降低，且间伐样地中土壤总PLFA含量显著降低（P＜0.05），而修枝对土壤总PLFA含量的影响不显著（P＞0.05）。对照样地中土壤微生物总PLFA量为29.99 nmol/g，间伐和修枝微生物总PLFA量分别为26.24 nmol/g和26.67 nmol/g，分别占对照组样地的87.50%和88.93%。间伐和修枝使人工杉木林样地的土壤细菌PLFA含量显著降低（P＜0.05），间伐、修枝和对照组人工杉木林样地的土壤细菌PLFA含量分别为 9.45 nmol/g、9.69 nmol/g和 11.50 nmol/g，其中间伐和修枝样地的土壤细菌含量分别占对照样地的82.17%和84.26%。间伐和修枝使人工杉木林的土壤真菌PLFA含量显著降低（P＜0.05），对照组土壤真菌PLFA含量为3.06 nmol/g，间伐和修枝样地真菌PLFA含量分别为对照样地的87.91%和85.95%。与对照样地相比，间伐和修枝使人工杉木林土壤放线菌PLFA含量均下降，分别占对照组样地土壤放线菌PLFA含量（4.07 nmol/g）的86.98%和97.05%，且间伐使得土壤放线菌PLFA含量显著降低（P＜0.05），而修枝对土壤放线菌PLFA含量影响不显著（P＞0.05）。

图5 不同经营措施杉木人工林土壤微生物PLFA含量Fig. 5 Effects of different management measures on soil microbial PLFA contents

表3 间伐和修枝对杉木人工林土壤微生物群落的影响Table 3 Effects on soil microbial communities of Chinese fir plantation in thinning and pruning

3 结论与讨论

不同经营措施下杉木人工林平均土壤微生物量碳由大到小排序为对照组（CK）＞间伐（T）＞修枝（P）。间伐和修枝后人工杉木林土壤微生物量碳含量均显著减小（P＜0.05），说明人工林经营措施对森林土壤微生物量碳能够产生较大的影响。

间伐使杉木人工林土壤全碳（C）和全氮（N）含量（p＜0.05）显著降低。修枝是杉木人工林土壤碳氮比（C/N）显著降低（P＜0.05），间伐对杉木人工林土壤的碳氮比影响不显著（P＞0.05）。以上分析结果表明，间伐降低杉木人工林土壤全碳（C）和全氮（N）含量，而修枝则会增加土壤全碳（C）和全氮（N）含量，且间伐对土壤全碳（C）和全氮（N）含量的影响较大。

间伐和修枝使杉木人工林微生物总量、土壤细菌、真菌和放线菌的数量。间伐对土壤细菌、革兰氏阳性菌数量的影响极显著（P＜0.01），对放线菌数量及微生物总数的影响显著（P＜0.05）。修枝对土壤细菌和真菌数量的影响显著（P＜0.05）。

研究表明，间伐和修枝使得人工杉木林的土壤细菌、真菌和放线菌的数量和微生物总数降低，且间伐比修枝对土壤微生物群落结构的影响更大。这可能是因为间伐和修枝后，林冠透光度增加，土壤温度升高，有机质的分解矿化速度加快，促进林下植被生物量的增加和土壤速效养分的吸收，在一定程度上降低了土壤有机质和速效养分，导致土壤微生物数量减小。

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