带状采伐对毛竹林土壤理化性质、酶活性及优势菌群的短期影响1)

王树梅 范少辉 官凤英 肖箫 张美曼

(国家林业和草原局北京市共建竹藤科学与技术重点实验室(国际竹藤中心)，北京，100102)

我国丰富的竹类资源在经济、社会和生态效益等方面发挥着重要作用。第九次全国森林资源清查报告显示，中国竹林总面积已达641.16万hm2，其中毛竹(Phyllostachysedulis)林面积467.78万hm2，占全国竹林面积的72.96%[1]。中国林业和草原统计年鉴显示，2018年全国竹业产值达2 456亿元，其中竹材采运业产值约352.44亿元，我国大径竹竹材产量31.55亿根，毛竹产量达到16.95亿根[2]，占竹材产量的53.72%。毛竹林作为重要的森林资源对促进产业经济发展、增加农户收入、改善生态环境发挥着巨大作用。传统竹林经营以人工择伐为主，极大的受到劳动力成本的制约，而竹林带状采伐改变了劳动密集型的培育模式，可实现竹林集约化、规模化、机械化经营，是竹林培育技术研究的重点和方向[3]。

采伐是森林生态系统中的重要驱动力，对促进森林生态系统循环及森林动态更新演替具有重要作用[4-6]。采伐后林窗的形成直接影响了光照、温度、持水量等环境因子，对林内微环境、微生物群落结构、土壤养分循环等具有显著影响[4]。已有研究表明，采伐提高了马尾松(Pinusmassoniana)人工林土壤微生物碳质量分数的分配，使土壤微生物活性增强[7]，林窗的形成增大了土壤细菌群落优势度指数[8]，促进了林下凋落物的分解及养分释放[9]。采伐后形成的林窗提高了森林田间持水量、全N、全P、w(N)∶w(P)及活性C质量分数[10]，改变了林内土壤含水量、土壤温度，促进了有机质的分解利用[11]。毛竹林具有强大的地下鞭根系统，其密集的网络结构更加有利于土壤微生物活动，加快土壤养分循环，促进竹林恢复。但当前关于竹林带状采伐的研究仍处于初始阶段，仅集中于带状采伐后春笋、新竹数量及伐后林地草本多样性[12]方面的研究，对于带状采伐后土壤理化性质及微生物变化等方面的研究较少，无法科学指导毛竹林带状采伐生产经营技术。因此，本试验对江苏省宜兴市林场毛竹林进行带状采伐，设置3种采伐宽度带，以正常经营竹林为对照，研究带状采伐对毛竹林土壤理化性状、酶活性和优势菌群的影响，以期进一步增强对毛竹林带状采伐后土壤生态系统变化特征的认识，旨在为毛竹林科学的带状采伐经营提供参考。

1 研究区概况

试验地位于江苏省宜兴市国有林场(31°13′～31°15′N,119°41′～119°44′E)，属亚热带季风气候，年平均气温16.7 ℃，全年雨日150 d，年均降水量1 805.4 mm，年均日照时间1 807.5 h，全年水蒸发量886.8 mm，地形以平原丘陵为主。

2019年12月，选取集中连片的毛竹纯林，其立竹度为3 500株·hm-2左右，胸径约9.8 cm，年龄结构I(2龄竹数量)∶II(4龄竹数量)∶III(6龄竹数量)=3∶4∶3。采伐宽度分别设置为3(M3)、9(M9)、15(M15) m，长度均设置为20 m，对样方内的毛竹进行人工皆伐作业，伐带间设置与采伐宽度等宽的缓冲带，以20 m×20 m常规经营毛竹林为对照(CK)，每个处理均3次重复，共计12块样地。

样地采伐25 d后，采用Z形取样法，每个样地设置5个取样点，用环刀取0～10 cm深度的土，然后挖取20 cm×20 cm×20 cm的土方，采用抖落法收集附着在根系上的土壤作为根际土，将同一样地不同取样点的土样混合为1个样品，共12个，装于无菌离心管内，迅速带回实验室后保存在冰箱-80 ℃，用于土壤微生物测序，剩余部分带回实验室阴干、研磨、再次过筛，测定土壤pH、养分含量及酶活性。

2 材料与方法

2.1 土壤指标测定

土壤理化性质测定。土壤含水率采用称质量法测定；土壤密度采用环刀法进行测定；土壤pH采用V(水)∶V(土)=2.5∶1.0的玻璃电极法进行测定；土壤有机质采用高温外热重铬酸钾氧化—容量法测定；全氮采用凯氏定氮法测定；全磷采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法测定；全钾采用氢氧化钠熔融—火焰原子吸收分光光度法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用盐酸—氟化铵提取—钼锑抗比色法测定；速效钾采用乙酸铵提取—火焰原子吸收分光光度法测定；土壤脲酶采用靛酚蓝比色法进行测定；酸性磷酸酶采用磷酸苯二钠水解比色法进行测定；蔗糖酶采用3,5—二硝基水杨酸比色法进行测定[13]。

土壤微生物群落结构测定。委托上海派森诺生物公司进行土壤微生物群落结构的测定。使用Omega Soil DNA Kit试剂盒提取总DNA，采用全式金公司的Pfu高保真DNA聚合酶对16 S rRNA基因V3～V4区进行目标片段进行PCR扩增，测序上游引物为338F-5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′，下游引物为806R-5′-CGGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′，采用Illumina TruSeq Nano DNA LT Library Prep Kit构建测序文库，进行高通量测序。按QIIME 2 dada 2进行序列去噪，ASV聚类，找出样本内土壤细菌差异菌群。

2.2 数据处理

使用IBM SPSS Statistics 25.0软件进行方差分析(ANOVA)、Duncan分析及相关性分析，使用Microsoft Excel、Canoco 4.5进行绘图。

3 结果与分析

3.1 不同采伐宽度土壤理化性质

如表1所示，带状采伐后毛竹林地土壤含水率由大到小表现出M15、CK、M9、M3的变化趋势，含水率最大为M15，达到27.29%，比对照样地提高了1.06%，但两者差异不显著。M3、M9土壤含水率均显著小于对照样地(P<0.05)，分别降低了2.92%、2.04%。说明中小带宽采伐会造成毛竹林地土壤含水率明显降低，当采伐宽度增大至15 m，土壤含水率又提高。带状采伐后土壤密度差异不显著，短时间内带状采伐对毛竹林地土壤紧实度改变不明显。

表1 不同采伐宽度样地内土壤理化性质比较

各处理间有效磷质量分数无显著差异，速效钾质量分数随着采伐宽度的增加而降低，对照样地土壤中速效钾最高为43.16 mg·kg-1，毛竹林带状采伐显著降低了土壤速效钾的质量分数(P<0.05)，M3、M9、M15较CK分别降低了9.43%、14.09%、25.57%。M3毛竹林地内土壤有机质、碱解氮质量分数最高，分别为30.70 g·kg-1和121.61 mg·kg-1，显著高于CK(P<0.05)，分别提高了11.68%和6.55%。M15毛竹林地内有机质、碱解氮及速效钾均显著低于CK(P<0.05)，可见3 m采伐宽度可以促进毛竹林地土壤有机质及碱解氮质量分数的提高，但采伐宽度达到15 m，超过一定限度后，反而阻碍了毛竹林地土壤养分的分解循环。

化学计量比可以衡量土壤生态系统中各元素之间的多重平衡关系。如表2所示，对带状采伐后毛竹林地内的土壤化学计量特征研究发现，随着采伐宽度的增大，土壤w(C)∶w(N)呈先增后减的变化趋势，各伐带间差异不显著，但均显著高于对照样地(P<0.05)，毛竹林进行带状采伐会增加土壤中的w(C)∶w(N)，但与采伐宽度无关。带状采伐后土壤w(N)∶w(P)随采伐宽度的增大而逐渐降低，M3采伐带w(N)∶w(P)最高，与对照无显著差异，其次为M9，显著低于M3，而M15w(N)∶w(P)最低，显著低于其他处理(P<0.05)，较M3降低了50.38%。带状采伐后土壤w(N)∶w(K)随着采伐宽度的增大逐渐降低，M15w(N)∶w(K)最小，显著低于M3(P<0.05)，降低了15.38%。与w(N)∶w(K)相反，土壤w(P)∶w(K)随采伐宽度的增大而增大，M15采伐带内土壤w(P)∶w(K)显著高于其他处理(P<0.05)，而其他处理之间无显著差异(P>0.05)。可见带状采伐达到一定带宽会破坏毛竹林土壤C、N、P、K元素的平衡。

表2 不同采伐宽度样地内土壤化学计量特征比较

3.2 不同采伐宽度土壤酶活性

如表3所示，带状采伐毛竹林与对照样地间土壤蔗糖酶活性差异显著(P<0.05)，土壤酸性磷酸酶及脲酶活性无显著差异。土壤脲酶及蔗糖酶活性由大到小表现为M3、CK、M9、M15，随着采伐宽度的增大，酶活性先增加后降低，而土壤酸性磷酸酶活性则呈逐渐降低的趋势。M3采伐样地内土壤脲酶、蔗糖酶活性较对照样地分别提高了4.20%、8.85%，酸性磷酸酶活性降低了1.2%，而M15采伐样地内土壤脲酶、蔗糖酶及酸性磷酸酶活性较对照分别降低了4.05%、9.11%、3.18%，可见采伐宽度过大阻碍了毛竹林地土壤酶活性的提高。

表3 不同采伐宽度样地内土壤酶活比较

3.3 不同采伐宽度土壤优势菌群

如表3所示，对土壤细菌进行Alpha多样性指数分析发现，带状采伐后土壤在细菌丰富度、多样性及均匀度均无显著差异。随着带状采伐宽度的增加，Chao1丰富度指数、Pielou均匀度、Shannon多样性、Simpson多样性指数均表现出先下降后上升趋势，均低于对照样地。短时间内带状采伐造成群落中细菌丰富度、多样性及均匀度均减小，中小采伐宽度低了土壤细菌Alpha多样性，采伐宽度达到15 m时土壤细菌群落Alpha多样性再次增大，但变化均未达到显著水平。

表3 不同采伐宽度样地内土壤细菌Alpha多样性指数

带状采伐后在土壤细菌群落组成门水平上共检测到36个菌门及未确定菌门，对相对丰度前10种菌群进行排序，如表4所示，占据优势的菌门有变形菌门(38.40%)、放线菌门(31.04%)、占比较低为疣微菌门(4.23%)。对照样地中占优势的菌门依次为变形菌门(32.39%)、放线菌门(30.55%)、酸杆菌门(17.50%)、绿湾菌门(6.56%)、浮霉菌门(2.39%)、芽单胞菌门(2.06%)和其他占比非常低的门类。其中变形菌门、酸杆菌门、放线菌门、绿湾菌门的丰度占比达到85%～90%，为样地内的优势菌门。

表4 不同采伐宽度样地内土壤细菌在门水平上的平均相对丰度

随着采伐宽度的增加，土壤变形菌门相对丰度呈先升高后降低的趋势，采伐宽度为9 m时丰度最高，15 m时略有下降，但与9 m间差异不显著，9 m伐带内土壤变形菌门相对丰度最大为41.64%，较对照样地提高了约10%。酸杆菌门相对丰度由大到小表现为CK、M3、M9、M15，对照样地酸杆菌门丰度最大为17.50%，显著高于带状采伐样地(P<0.05)，15 m伐带宽度丰度最小，比对照降低了约5%，各伐带间无显著差异，即带状采伐显著降低了土壤内酸杆菌门的丰度，土壤酸杆菌门丰度随林窗面积的增加逐渐降低，但未达到显著水平。带状采伐同时还降低了绿湾菌门、浮霉菌门、芽单胞菌门的丰度。对于前10种丰度较高的菌门，M15有6种菌门均高于对照样地，其中变形菌门、Patescibacteria、Rokubacteri均达到显著水平(P<0.05)，M9及M3样地分别有3种、4种菌门高于对照样地，但未达到显著水平。可见3～9 m带状采伐宽度对毛竹林地内土壤细菌门水平上丰度差异不大，但带状采伐宽度达到15 m时，可显著促进土壤细菌门水平上丰度的提高。

3.4 带状采伐后土壤优势菌群与环境因子的关系

对不同带状采伐宽度毛竹林地内土壤微生物优势菌群与环境因子进行RDA冗余分析(图1)。

变形菌门(Proteobacteria);放线菌门(Actinobacteria);酸杆菌门(Acidobacteria);绿湾菌门(Chloroflexi);疣微菌门(Verrucomicrobia);浮霉菌门(Planctomycetes);芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)；匿杆菌门(Latescibacteria);Patescibacteria菌门；Rokubacteria菌门;θg为质量含水率;ρb为土壤密度;C为有机质;AN为碱解氮;AP为有效磷;AK为速效钾;w(N)∶w(K);w(N)∶w(P);w(C)∶w(N);w(P)∶w(K);ACP为酸性磷酸酶;SC为蔗糖酶;UE为脲酶。

第一排序轴Axis1、第二排序轴Axis2分别解释了优势菌群相对丰度38.4%、43.6%的变异，Axis1和Axis2对整合样本的解释度为82.0%。变形菌门相对丰度与土壤w(C)∶w(N)、w(P)∶w(K)具有极强的正相关性；放线菌门相对丰度与土壤有机质、w(N)∶w(K)、w(N)∶w(P)及速效养分具有极强的正相关性，两个菌门均与土壤含水量呈较强的负相关性；酸杆菌门、芽单胞菌门丰度与速效养分呈较强的正相关性；浮霉菌门丰度与土壤含水率呈极强的正相关性；Patescibacteria菌门丰度与土壤w(P)∶w(K)呈较强的正相关。

4 结论与讨论

毛竹林带状采伐后形成林窗，改变了竹林内的光照和水热条件，造成林地内微环境的差异。本研究发现，短时间内带状采伐对毛竹林地土壤密度改变不明显，3～9 m采伐宽度显著降低了毛竹林地内土壤含水量，当采伐宽度达到15 m时，土壤含水量增多。对川中丘陵区柏木(Cupressusfunebris)研究发现[15]，50 m2的小林窗对土壤理化性质改善不明显，当林窗增大到150 m2时，土壤理化性质的改善对柏木效果最好，与本研究结果相似。但与刘聪等[14]对辽东山区次生林研究结论不同，辽东山区天然次生林表现出林窗越小土壤含水量越多，大林窗反而降低了林内的含水量。分析认为江苏省宜兴市属于亚热带季风气候，12月前后均有持续性降雨，这显著影响了土壤理化性质，再次树种不同也对研究结论有显著影响，毛竹林与乔本林木不同，地上部分虽然被砍伐，但其强大的地下鞭根系统依然得到邻近竹林的养分供给，保持活性。毛竹林出笋及退笋过程中均会有大量笋箨留在地表，笋箨不易腐烂，其地面凋落物积累量可达2～3 cm厚度，更加有利于林地的水分保持与养分循环。

对带状采伐后毛竹林地土壤养分研究发现，中小强度的采伐干扰有利于林分养分循环和森林功能的提升[5，16]。土壤w(N)∶w(P)、w(N)∶w(K)及土壤肥力随采伐宽度增加逐渐降低，这与韩文娟等[17]对黄龙山油松(Pinustabuliformis)人工林，刘聪等[14]对辽东次生林，欧江等[18]对长江上游马尾松林研究结论相同，毛竹林3 m的带状采伐宽度可以促进土壤有机质及碱解氮的提高，但采伐宽度达到15 m后反而阻碍了土壤养分的分解循环，采伐带的加宽也会造成地面降水及径流的增多，使得土壤中某些元素的淋溶效应增加，这可能是造成随着采伐带的加宽，土壤中速效钾质量分数的降低的原因，多余的钾易随水流失。与上述变化趋势不同，土壤w(C)∶w(N)、w(P)∶w(K)随着采伐宽度的增大而增加，带状采伐破坏了竹林地内C、N、P、K元素的平衡。带状采伐后土壤有机质、碱解氮、速效钾波动大，带状采伐对土壤中速效养分的影响较大，尤其是土壤有机质和碱解氮质量分数的增加。竹林地面凋落物及地下死亡根系的分解补充了土壤中的有机质质量分数，促进土壤中氮素质量分数的增加，磷、钾元素多来自于矿质分解，这都离不开土壤酶活性及微生物的作用[19]，林窗微环境的改变可以显著提高土壤酶活性[20]，促进土壤微生物的繁殖[21]，进一步改变了土壤中养分的质量分数及配比。

土壤酶是土壤中植物、动物和微生物活动的产物，其数量小而作用大。土壤酶参与了土壤反应中全部的生化过程，在土壤养分的固定、动植物残体的分解、有机物的合成等方面发挥着不可忽视的作用[22]。毛竹带状采伐后不同伐带内土壤蔗糖酶及脲酶活变化规律与土壤有机质、全氮、碱解氮相同，随着林窗的增大，先增加后降低，说明两种酶活性与土壤养分密切联系。土壤酸性磷酸酶活性与土壤中有效磷质量分数变化趋势相同，随采伐宽度增大而降低，其中土壤蔗糖酶最为活跃。蔗糖酶的酶促作用产物与土壤中有机质、氮、磷质量分数，微生物数量及土壤呼吸强度密切关，是评价土壤肥力的重要指标，本研究发现蔗糖酶与伐后土壤养分及优势菌群均具有显著的正相关性。

土壤微生物作为土壤生态系统的重要组成部分，对林地环境的变化十分敏感，带状采伐后毛竹林地内温度、湿度、风力等微环境因子改变，显著促进了土壤微生物活动。土壤微生物及其所参与的各个过程，是实现土壤养分循环、提高土壤肥力质量的重要环节[23]。本研究发现不同带状采伐宽度对土壤细菌群落多样性影响未达显著水平，但对于单个的优势菌门数量的增减具有显著影响。采伐后毛竹林地变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、绿湾菌门4种优势菌门占比达到85%～90%。采伐后毛竹林地中变形菌门丰度提高，酸杆菌门、绿湾菌门等丰度降低。变形菌门包括许多与碳、氮固定相关的细菌，可以溶解土壤中难溶性磷酸盐，但本研究发现带状采伐后变形菌门相对丰度由大到小表现为M9、M15、M3、CK，带状采伐可以提高土壤内变形菌门的丰富，采伐宽度越大，丰度越高，但当采伐宽度达到15 m后，变形菌门丰度略有降低。毛竹林地土壤中的变形菌门相对丰度与土壤w(C)∶w(N)、w(P)∶w(K)具有极强的正相关性，与速效养分呈负相关，与前人研究结果有所不同[24]，可能是由于竹种类型及土壤生境的差异所造成，竹林带状采伐虽然地上部分均被移除，但其独特的地下鞭根系统依然受到其他竹林养分的补给，保持活性，同时地下鞭根系统密集复杂的网络结构也为细菌的生存繁衍及活动提供保障。

放线菌门可以分解纤维素和木质素[25]，降解土壤中的各种不溶性有机物质，尤其是凋落物及植物残体，研究发现带状采伐后3 m采伐带内土壤放线菌门丰度增大，当采伐宽度增大至15 m后，丰度降低。放线菌门提高了伐带内土壤蔗糖酶活性、促进了土壤有机质及速效养分的分解转化，这与Elliott et al.[26]研究结论相似。同时，也说明带状采伐毛竹林的土壤碳、氮固定过程中放线菌门比变形菌门发挥更大的作用。酸酐菌门在特殊的环境中生存[27]，研究发现酸杆菌门相对丰度由大到小表现为CK、M3、M9、M15，采伐宽度越大，土壤内酸杆菌门丰度越低，酸杆菌门与速效养分呈较强的正相关性，随伐带宽度的增加毛竹林地内的酸杆菌门的减少限制了土壤速效养分的转化。绿湾菌门多位于绿体的微囊中，通过光合作用产生能量。带状采伐后绿湾菌门的减少可能由于采伐后土壤有机质增多，同时由于采伐形成的林窗对光照等条件的影响造成菌门数量的减少[28]。带状采伐样地同时还提高了放线菌门、疣微菌门、匿杆菌门、Patescibacteria、Rokubacteri的丰度，降低了绿湾菌门、浮霉菌门、芽单胞菌门的丰度。伐带间土壤养分质量分数与土壤酶活性及菌门数量变化趋势相同。可见土壤微生物、土壤酶活性与土壤养分相辅相成，良好的土壤环境为微生物群落结构的繁殖和生长提供保障，而活跃的微生物提高了土壤酶活性，改善了土壤理化性质，加快了土壤养分的分解循环，提高了土壤质量[29]。

综上所述，短时间内带状采伐对毛竹林地土壤密度改变不明显，3～9 m采伐宽度改善了土壤理化性质，提高了土壤w(N)∶w(P)、w(N)∶w(K)及土壤肥力，增强了土壤蔗糖酶、脲酶活性，增加土壤优势菌群丰度，加快土壤养分循环，尤其是带状采伐后毛竹林地内的放线菌门与蔗糖酶对土壤碳、氮的分解和转化，对伐后土壤生态系统的稳定及毛竹林恢复具有重要意义。本研究仅针对毛竹林带状采伐技术实施当年竹林地土壤理化性质、土壤酶活及优势菌群丰度的影响。毛竹林的自然恢复是一个长期的过程，林窗闭合也需要一个时间过程，土壤理化性质、土壤酶活及微生物群落结构均会随着竹林的闭合及演替的进行发生变化，因此加强对毛竹林带状采伐林窗闭合及自然恢复过程中土壤各项指标的监测，形成时空变化特征，对探明毛竹林带状采伐后土壤生态系统的恢复特征具有重要意义，同时也为毛竹林带状采伐经营技术的实施及推广提供科学的依据。