华北地区油松人工林林分密度对土壤化学性质和酶活性的影响

王 玲，赵广亮，周红娟，杨 英，耿玉清，王新杰

（1.北京林业大学，北京 100083；2.北京市八达岭林场，北京 102112）

林分密度是指在单位面积林地中栽种树木的株数。通过人为干扰开展有选择性地疏伐，是森林生态系统经营的主要技术途径。林分密度直接或间接地影响森林微气候如光照、穿透性和温湿度的变化[1]，造成林下小环境、林下植被组成、枯落物的输入和土壤养分的差异[2]，对提高林木生产力、促进养分循环、提升生态系统服务具有重要作用[3]。

林分密度作为森林培育过程中能够人为控制的主要因子，其研究被广泛关注。随着林分密度对林木生长、形态[4]、群落结构[5]、林下植被多样性[2]和养分循环[6]等方面研究的深入，林分密度对森林土壤性质的研究日益丰富。国内外学者主要围绕林分密度对土壤的水热状况[7]、土壤粒度特征[8]、土壤有机碳和养分特征[9-11]、土壤呼吸[12]、土壤微生物群落结构和酶活性的变化[13-15]进行了研究。

土壤酶是具有加速土壤反应速率功能的蛋白质，是表征森林土壤肥力的重要参数。此外，土壤酶也是反映生态环境变化的敏感性指标，在土壤生态系统中具有重要的生化功能。近年来，诸多相关研究指出，土壤酶较其理化性质对林分密度响应敏感，但林分密度对土壤酶活性影响的研究结论尚有分歧。有研究表明：在3 种密度马尾松Pinus massoniana人工林中，中密度（1 560 株·hm-2）林分的土壤脲酶、转化酶和多酚氧化酶活性均较高，但过氧化氢酶活性为最低[15]；但也有研究发现，4种密度杉木Cunninghamia lanceolata人工林中，低密度（900 株·hm-2）下的土壤氧化氢酶（15～30 cm、30～45 cm）、碱性磷酸酶（0～15 cm、30～45 cm）及脲酶（30～45 cm）酶活性最高[16]；还有研究表明，土壤β-葡萄糖苷酶和几丁质酶活性在不同林分密度间差异不显著[7]。以上结论的差异可能与研究区的气候条件、植被类型、密度梯度、土壤的类型、层次和养分状况相关。因此，对于具体区域和具体人工林类型开展有针对性的研究，从而有助于揭示林分密度对特定区域和人工林类型土壤化学性质和酶活性的影响规律。

油松Pinus tabulaeformis为我国的特有树种，其抗旱和抗寒能力较强，适应性强，是华北地区山地针叶林最主要造林树种之一[17]。本研究以北京市八达岭林场油松人工林为研究对象，采用样地调查与实验室土壤样本分析相结合的方法，通过分析林分密度对油松人工林土壤化学性质和酶活性的影响，筛选出适宜的林分密度，以促进林分稳定性，为森林质量精准提升及森林生态系统可持续经营提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于北京市延庆区八达岭林场（115°55′E，40°17′N），海拔450～1 230 m，属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均气温为9.69 ℃，年均降水量为435.50 mm，年均相对湿度55.17%，全年无霜期160 d。土壤为发育在花岗岩风化母质上的棕壤，土层厚度为30～100 cm。现有植被类型主要是20世纪50年代后营造的人工林，乔木以油松为主。

1.2 样地设置与样品采集

研究区域位于海拔约700 m、阴坡的油松人工林，该人工林曾分别于2003年、2008年和2013年清除枯死木和枯枝。于2015年8月对60年生的油松人工林进行随机间伐，形成4 种林分密度（900、1 260、1 460 和1 660 株·hm-2），每个处理设3 个重复固定样地（20 m×30 m），为消除边界效应，样地间距离不小于10 m。每个样地的坡向、坡位及海拔等条件基本一致（表1），油松人工林下灌木主要有三裂绣线菊Spiraea trilobata、多花胡枝子Lespedeza floribunda和雀儿舌头Leptopus chinensis等；草本主要有银背凤毛菊Saussurea nivea、披针叶苔草Carex lanceolatavar.subpediformis和野青茅Calamagrostis arundinacea等。

于2017年8月用样线法采集土壤样本。在选定的样地中，分别沿垂直于等高线的方向，按照10 m 间距均匀布设3 条样线。在每条样线上间隔5 m 布设3 个采样点。去掉灌草和枯落物后，用直径为5 cm 的土钻，按0～10 cm 和10～20 cm 分层取样，同一层次土壤混合均匀，去除根系和石块后，将其一部分装入聚乙烯自封袋，并存放于4 ℃的冰盒中，用于测定土壤水溶性化学成分和酶活性；另一部分装入布袋，风干后进行土壤化学性质分析。

表1 不同密度油松人工林样地信息†Table 1 Site information of Pinus tabulaeformis plantation with different densities

1.3 样品分析与测定

1.3.1 土壤化学性质

电位法测土壤pH 值（水土比为5∶1）；重铬酸钾容量法（稀释热法）测土壤有机碳含量[18]；硫酸钾-硫酸铜-硒粉硝化凯氏定氮法测土壤全氮含量[18]；去离子水振荡浸提（水土比5∶1），经离心、过膜后，滤液用碳氮分析仪测土壤水溶性有机碳含量；氯化钾浸提（液土比为5∶1），滤液用连续流动分析仪测土壤铵态氮和硝态氮含量；碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法测土壤有效磷含量；乙酸铵提取-火焰分光光度法测速效钾含量[18]。

1.3.2 土壤酶活性

在土壤泥浆（缓冲液与土比为10∶1）中添加底物，经培养后用分光光度计测其生成物的含量来测定酶活性[19]。其中水解酶（β-葡萄糖苷酶、几丁质酶、酸性磷酸酶和亮氨酸氨基肽酶）活性均采用对硝基苯法测定，β-葡萄糖苷酶、几丁质酶和酸性磷酸酶活性单位均用每克烘干土每小时催化产生的对硝基苯酚物质的量（mmol·h-1g-1）来表示[20-21]，亮氨酸氨基肽酶用μmol·h-1g-1表示。土壤多酚氧化酶以左旋多巴加过氧化氢为底物[21]，其活性用每小时每克烘干土氧化底物的物质的量（mmol·h-1g-1）来表示。土壤脱氢酶底物是碘硝基氯化四氮唑蓝（INT），用每小时每克烘干土催化产生的INTF 的质量（μg·h-1g-1）表示。

1.4 统计分析

用SPSS 19.0 的单因素方差分析法（One-way ANOVA）比较不同林分密度和土壤层次间土壤化学性质和酶活性的差异，差异显著性用邓肯法（Duncan）检验。用一般线性模型中的双因素方差分析方法（Two-way ANOVA），分析林分密度和土壤层次及交互作用对土壤化学性质和酶活性的影响，并将其化学性质和酶活性的均值进行比较，其中林分密度间的差异用Duncan 多重比较实现，而土壤层次间的均值比较采用对比检验法。采用CANOCO 的RDA 排序分析土壤化学性质对酶活性影响。采用Origin 9.0 软件完成绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤化学性质的变化

不同林分密度间的土壤化学性质有一定的差异，且不同化学性质指标的变化与土壤的层次有关（表2）。其中，0～10 cm 土壤pH 值和速效钾、10～20 cm 有机碳、全氮、铵态氮和有效磷含量随林分密度的增加呈先增加后减少的趋势，且均在1 260 株·hm-2时达到最大。0～10 cm 有效磷和10～20 cm pH值也呈现随林分密度的增加呈先增加后减少的趋势，但均在1 460 株·hm-2时达到最大。0～10 cm 土壤有机碳、全氮和10～20 cm 速效钾含量随林分密度的增加呈增加的趋势，且在密度为1 660 株·hm-2时达到最大。随着林分密度的增大，无论是0～10 cm 还是10～20 cm，土壤的水溶性有机碳和硝态氮含量呈现出先下降后上升的趋势，且均在1 260 株·hm-2时达最小。

表2 不同密度油松人工林土壤化学性质Table 2 Soil chemical properties of Pinus tabulaeformis plantation with different densities

双因素方差分析（表3）显示，林分密度和土壤层次均极显著影响土壤的化学性质，两者的交互作用极显著影响土壤pH 值、有机碳、全氮、铵态氮和速效钾含量，显著影响土壤有效磷含量，但对水溶性有机碳和硝态氮含量影响不显著。以上结果表明，林分密度和土壤层次是影响土壤化学性质的主导因素。土壤层次的F值均大于林分密度，因此，土壤层次对土壤化学性质的影响较林分密度明显。结合双因素分析中均值（表3）可知，1 260 株·hm-2的土壤pH 值和铵态氮含量最大，且显著高于其他林分密度；1 460 株·hm-2的土壤速效钾含量显著高于其他密度；1 660 株·hm-2的土壤有机碳和水溶性有机碳含量显著高于其他林分密度；1 260 和1 460 株·hm-2的土壤有效磷含量较大，但硝态氮含量较小，且与其他林分密度呈显著差异。除土壤pH 值外，0～10 cm 的其他土壤化学性质均显著高于10～20 cm。

表3 林分密度和土壤层次对土壤化学性质影响的双因素方差分析†Table 3 Two-way ANOVA analysis for the effects of forest densities and soil layer on soil chemical properties

2.2 土壤酶活性的变化

不同种类的土壤酶活性在不同林分密度间有所差异（表4）。除10～20 cm 多酚氧化酶外，土壤的β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、几丁质酶、酸性磷酸酶和脱氢酶活性均随油松人工林密度的增大呈现先增大后减小的变化趋势，但其变化在不同土层间有些差异。土壤β-葡萄糖苷酶、0～10 cm 亮氨酸氨基肽酶和酸性磷酸酶活性均在1 260 株·hm-2最高，显著高于其他密度，其次为1 460 株·hm-2，但900 株·hm-2与1 660 株·hm-2间的差异不显著。土壤几丁质酶、0～10 cm 脱氢酶、10～20 cm 亮氨酸氨基肽酶活性均在1 260株·hm-2最高，其次为1 460 株·hm-2，均显著高于900 株·hm-2和1 660 株·hm-2，但两密度间差异不显著。就土壤多酚氧化酶活性而言，0～10 cm 的活性在1 460 株·hm-2最高，显著高于其他密度，但与1 260 株·hm-2差异不显著；10～20 cm 随密度的增大呈先降低再升高后降低的趋势，在900株·hm-2时达最大值。

表4 不同密度油松人工林土壤的酶活性Table 4 Soil enzyme activities of Pinus tabulaeformis plantation with different densities

双因素方差分析（表5）显示，林分密度和土壤层次均极显著影响土壤的酶活性，两者的交互作用极显著影响土壤亮氨酸氨基肽酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶和脱氢酶活性，显著影响土壤几丁质酶活性，但对β-葡萄糖苷酶活性影响不显著。以上结果表明，林分密度和土壤层次是影响土壤酶活性的主导因素。土壤层次的F值均大于林分密度，因此，土壤层次对土壤酶活性的影响更甚。结合双因素分析中均值（表5）可知，不同林分密度的土壤酶活性存在显著性差异。土壤β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、几丁质酶、酸性磷酸酶和脱氢酶活性随油松人工林密度的增大呈现先增大后减小的变化趋势，在密度为1 260 株·hm-2时达到最大，900株·hm-2时最小。与900 株·hm-2土壤酶活性相比，1 260 株·hm-2的β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、几丁质酶、酸性磷酸酶和脱氢酶活性分别显著提高了48.67%、28.10%、58.28%、33.87%和37.50%；相应的1 460 株·hm-2的土壤酶活性则分别显著提高了19.86%、18.23%、45.80%、24.65%和26.39%；相应的1 660 株·hm-2的土壤酶活性则分别显著提高了5.73%、11.08%、19.63%、3.04%和11.11%；而多酚氧化酶活性在1 460 株·hm-2最大，显著高于其他密度。

2.3 土壤酶活性与化学性质的相关性

对不同密度油松人工林的土壤酶活性与化学性质进行冗余（RDA）分析，前2 个轴的土壤酶活性特征累计解释量为89.64%，能够反映土壤酶活性与化学性质的绝大部分信息（图1）。其中，第一轴（RDA1）能解释83.16%的变化，第二轴（RDA2）能解释6.48%的变化。土壤有效磷、速效钾、有机碳、铵态氮和全氮对土壤酶活性有极显著的解释作用（P＜0.01），其中有效磷对土壤酶活性的影响最大，解释比例达73.24%（F=45.956，P＜0.01）。但pH 值、水溶性有机碳和硝态氮对土壤酶活性的影响较小，均未达到显著水平。另外，图1中箭头所处的象限代表不同因子与排序轴间的正负相关性。土壤β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、几丁质酶、酸性磷酸酶和脱氢酶与有机碳、全氮、铵态氮、有效磷和速效钾呈显著正相关，与pH 值无显著相关。而土壤多酚氧化酶活性与pH 值呈正相关，而与其他7 个化学因子呈负相关。

3 讨 论

3.1 林分密度对土壤酶活性的影响

由于受到太阳辐射、降雨截留和林冠大小的影响，不同林分密度构成了不同的微环境，并显著影响优势树种生长、林下植被物种多样性和枯落物输入量的变化，从而促进土壤有机质的分解，诱发土壤微生物多样性和活性的变化，进而影响到土壤酶活性的变化[22]。然而这种变化的程度，受林分密度多因素的影响。已有研究表明，林分密度形成年龄的不同可导致不同林分密度间酶活性变化趋势的不同。Miesel 等[23]研究发现，林分密度形成1 a 后，土壤酸性磷酸酶和多酚氧化酶活性在不同林分密度间差异不显著；但林分密度形成3 a 后，低密度的上述酶活性均显著低于对照。也有研究表明，树种和林分密度范围的不同显著影响不同林分密度土壤的酶活性。Kim 等[7]研究发现，土壤亮氨酸氨基肽酶活性在橡树林的高密度（1 440 株·hm-2）中最高，但在落叶松林的中密度（560 株·hm-2）最高。土壤酸性磷酸酶活性在橡树林的中密度（800 株·hm-2）最高，而在落叶松林不同林分密度间差异不显著。此外，从采样时期来看，8月处于植被生长旺盛后期，降雨较多，森林中生物循环过程比较强烈，土壤的酶活性易出现峰值[24]。但由于土壤酶活性对外界变化非常敏感，取样时间的变化、温度和湿度等小环境的变化也会影响土壤酶活性变化趋势的不同[25]。而本研究仅采样一次，未测定大气和土壤的温湿度。因此，今后应结合土壤酶活性的动态变化，需长期动态监测林分密度、土壤化学性质和土壤酶活性三者间的关系，且针对林分密度带来的光照、温湿度和土壤微生物等改变展开更多研究。

本研究的林分密度范围在北京山区针叶林中有一定的代表性，其林分密度形成的时间为2 a。研究结果表明，林分密度显著影响土壤酶活性。土壤β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、几丁质酶、酸性磷酸酶和脱氢酶活性随林分密度的增大呈先增大后减小趋势，其活性均在1 260 株·hm-2密度时达最大，林分密度增加或降低其酶活性均呈现减少的趋势。这与张景普等[26]的研究结果相一致。其原因可能是随着林分密度的增大，林下植被增多，其凋落物的量越大。与此同时，土壤养分累积[7]和土壤微生物数量提高[15,27]，势必会增强土壤的酶活性；但林分密度超出一定限度后会加剧林木间的竞争，且高密度和高郁闭度导致林下水肥气热等条件变差[30]，不利于林下植被和土壤微生物的生存，使得土壤酶活性减少。

土壤多酚氧化酶作为一种氧化还原酶，其活性的提高不仅有助于土壤酚类物质向醌类物质的转化，从而降低土壤的毒素含量，还可加速土壤芳香族化合物的循环。有研究[7,15]发现，土壤多酚氧化酶活性在中密度林分中最高。但也有研究发现，中密度林分下的土壤多酚氧化酶活性显著低于其他密度[28]。而本研究发现：土壤多酚氧化酶活性在1 460 株·hm-2最大，显著高于其他密度，其原因可能是林分密度形成时间、立地条件、油松人工林生物学特性和林下植被等不同导致了研究结果的差异[28]。

3.2 土壤化学性质对土壤酶活性的影响

土壤酶作为森林生态系统物质循环和能量流动过程中最为活跃的生物活性物质，驱动着土壤中碳、氮、磷等营养元素的生物化学循环过程，对土壤养分及微环境的变化十分敏感。林分密度的改变影响林地土壤养分循环，进而影响土壤酶活性[22,29]。

有研究发现，土壤有机质、全氮、全钾和速效钾在中密度林分中的含量最高[30]。本研究的结果表明，土壤铵态氮含量在1 260 株·hm-2的油松人工林中最高，这与Kim 等[7]的研究结果相一致。其原因可能是此密度下的油松生长旺盛，向土壤中释放大量有机碳等易降解底物，土壤的生物活性得到了提高，其势必加速土壤养分的释放。同时，研究结果也表明：1 260 株·hm-2的土壤水溶性有机碳和硝态氮含量较小。其原因可能是此密度下的油松对土壤中可溶性有机碳和硝态氮耗竭较大，凋落物输入不及油松的吸收[15]。

土壤酶活性的变化与土壤有效磷有明显的关联[31]。有研究发现，不同林分密度日本落叶松人工林的土壤有效磷与外切葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶呈正相关关系[29]；又有研究发现，不同林分密度落叶松人工林的土壤有效磷与上述4 种酶无显著相关[26]。本研究结果显示，土壤有效磷显著影响土壤酶活性，土壤有效磷可以解释73.24%的土壤酶活性。因此，增加土壤有效磷可以提高土壤酶活性。而八达岭地区属于“缺磷的地区”[32]，通过提高土壤有效磷提高土壤酶活性，进而提高土壤养分的循环。

周红娟等[33]研究发现，八达岭地区的油松人工林凋落物L 层pH 值为4.90，凋落物F 层pH 值为4.35；Yang 等[17]研究中，八达岭地区的油松人工林土壤0～10 cm 的pH 值为6.0。耿玉清[32]的研究也证明，八达岭地区的油松纯林土壤pH 值为5.72 和6.26；赵广亮等[34]研究发现，八达岭地区的油松人工林3 层土壤的pH 平均值为7.5。从以上文献可知，八达岭地区的油松人工林pH 值从凋落物层到土壤层呈先减少后增大的趋势，pH 值的范围为4.35～7.50。而本研究0～10 cm 的pH值为4.5～5.7 cm，低于Yang 等[17]与耿玉清[32]的pH 值。一方面本研究在采集0～10 cm 土样时，其凋落物的F 层与土样的交界位置可能更加靠近F层，导致pH 值偏低。另一方面，pH 值较低与油松是纯林、林龄属于成熟林有关[35]。其中900 和1 660 株·hm-2的pH 值较低，其原因可能与地表积累的针叶在分解过程中产生的有机酸有关[32]。

众多研究表明，土壤pH 值通过影响土壤微生物类群进而影响酶来源，是影响土壤酶活性与稳定性的因子[29]。有研究表明，不同密度日本落叶松人工林土壤pH 值与外切葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶呈显著负相关[29]；也有研究表明，土壤pH 值与β-葡萄糖苷酶、脱氢酶[36]、酸性磷酸酶和多酚氧化酶[15]不相关。本研究的结果表明，土壤pH 值可驱动多酚氧化酶活性，但与土壤β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、几丁质酶、酸性磷酸酶和脱氢酶之间不相关。其原因可能与立地、树种、采样的季节等不同紧密相关。因此，后续还应开展更多的研究进一步验证化学性质与酶活性的关系。

4 结 论

4 种林分密度中，1 260 株·hm-2油松人工林下土壤的pH 值和铵态氮含量最高，而土壤水溶性有机碳和硝态氮含量最低。土壤β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、几丁质酶、酸性磷酸酶和脱氢酶活性随林分密度的增大呈先增大后减小趋势，在密度为1 260 株·hm-2时其活性达最大，但土壤多酚氧化酶活性在1 460 株·hm-2时达最大。因此，适宜的林分密度会显著提高土壤化学性质和酶活性，这对油松人工林早期抚育措施有一定指导意义。