桉树林分改造提升对土壤活性碳氮组分的影响

王冬雪

(福州市闽华工程设计有限公司，福建福州 350003)

森林土壤碳氮循环是森林生态系统重要的功能过程之一，在调解和维持生态系统生产力和稳定性方面发挥着重要作用[1-2]。按照分解难易和对植物有效性，土壤碳氮可划分为活性碳氮、稳态碳氮和难分解碳氮。其中，活性碳氮组分周转周期短，对包括树种结构变化在内的环境变化反应较敏感[3]。桉树是南亚热带地区分布面积较大，颇具争议的一个树种，也是林分改造提升的重点[4]。现有研究主要集中于林下植被多样性[5]、生物量和生产力[6-7]和土壤理化性质[8-9]等方面。笔者以福建省桉树林分改造为研究对象，从土壤活性碳氮组分变化的角度评价了土壤质量对不同改造模式的响应，以期为改良树种选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地概况研究区位于福建省莆田市涵江区，地理坐标119°02′43″E，25°34′05″N。属南亚热带，多年平均气温20.3 ℃，1月最冷，平均气温11.3 ℃，7月最热，平均气温28.6 ℃。年日照时数1 977 h，多年平均降雨量1 500 mm，4—9月为雨季，约占全年降雨量的80%。土壤以红壤为主。

1.2 样地设置与取样2019年7月，选取3个套种模式的桉树成熟林分小班(表1)。每种林分随机设置3个20 m×20 m样地；沿南北对角线等距布设10～12个取样点，利用土钻获取0～10 cm表层土壤，按四分法取样，1份放入有生物冰袋的便携式保温箱，另1份放入布袋带回实验室。环刀法测定土壤容重(SBD)；沿东西对角线等距设置4个1 m×1 m小样方，采用全收获法收集样方内的凋落物，80 ℃鼓风烘箱烘至恒重，推算凋落物现存量(LSC)，部分粉碎过筛备用。

表1 4种林分模式基本情况

在实验室，取一半布袋土样过筛，后经流水浸泡、漂洗，拣出小于2 mm细根，并区分死活根，80 ℃鼓风烘箱烘至恒重，推算细根生物量(FRB)，粉碎过筛备用。

1.3 样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浸提法处理，MBC采用TOC-VCPH/CPN 分析仪(Shimadzu，Japan)测定，MBN采用SmartChem 200全自动分析仪(Alliance，France)测定，转换系数MBC=EC/0.45，MBN=EN/0.54。土壤可溶性有机碳(DOC)、土壤可溶性有机氮(DON)采用2 mol/L氯化钾浸提法处理，DOC采用TOC-VCPH/CPN 分析仪(Shimadzu，Japan)测定，DON、硝态氮(NO3--N)、铵态氮(NH4+-N)采用SmartChem200全自动分析仪(Alliance，France)测定。土壤有机碳(STC)、有机氮(STN)、凋落物碳(LCC)、凋落物氮(LNC)和细根碳(FRC)、细根氮(FRN)利用碳氮元素分析仪(Vario EL Ⅲ，Elementar Analysensysteme GmbH，Hanau，Germany)测定。土壤全钾(STK)、全磷(STP)、速效磷(SAP)和速效钾(SAK)的测定方法参照中国林业行业标准(LY/T 1228—1237)。

1.4 数据处理方法利用Excel 2010整理，利用SPSS 17.0对数据进行Duncan多重比较，Canoco 5.0对数据进行PCA和RDA分析，利用Origin 9.5作图。

2 结果与分析

2.1 不同林分模式细根及凋落物性质从图1可以看出，模式3的LSC与LCC、LNC含量均较大，LCC/LNC表现为模式3最小，模式4最大。多重比较显示，模式3的LSC和LCC/LNC与其他模式有显著差异。0～10 cm土层的FRB以模式3最大，其次依次为模式1、模式2，模式4最小；FRC、FRN、FRC/FRN则相反，表现为模式3最小，模式1和模式2次之，模式4最大；Duncan多重比较显示，模式3和模式4存在显著差异。

注：不同小写字母表示在0.05水平差异显著

2.2 不同林分模式土壤活性碳氮组分含量由图2可知，模式3的土壤DOC含量、NH4+-N含量显著高于其他各模式，模式1和模式2间差异不显著。各模式MBC、MBN含量差异不显著，MBC/MBN从小到大表现为模式3、模式2、模式1、模式4，NO3--N则表现为模式4显著高于其他模式。

注：不同小写字母表示在0.05水平差异显著

2.3 细根、凋落物性质与土壤理化因子的相关关系从图3可以看出，PC1和PC2两轴能够共同解释总方差的比例为84.12%。其中，模式4的3个样地mode41～mode43集中在FRC、FRN和NO3--N含量的高值区域，MBC/MBN、FRC/FRN和LCC/LNC也较高。模式3的3个样地mode31～mode33集中在DON、DOC、FRB、MBC、MBN、NH4+-N含量的高值区域。模式2和模式3的样地各土壤理化指标介于模式3和模式4之间。DON、DOC、FRB、MBC、MBN、NH4+-N之间呈正相关关系，MBC/MBN、LCC/LNC和FRC/FRN、NO3--N之间存在正相关关系，但是2组指标之间呈负相关关系。

注：mode11～13表示模式1的3个样地；mode21～23表示模式2的3个样地；mode31～33表示模式3的3个样地；mode41～43表示模式4的3个样地

2.4 土壤活性碳氮组分与细根、凋落物性质及土壤理化因子的关系以DON、DOC、MBC、MBN、MBC/MBN、NH4+-N、NO3--N为响应变量，土壤理化性质和LSC、LCC、LNC、LCC/LNC、FRB、FRC、FRN、FRC/FRN为环境变量进行RDA排序(图4)，排序结果显示，RDA1第1轴单独解释总方差的比例达到98.32%，第2轴单独解释总方差的比例为1.45%，二者共同解释总方差的比例为99.77%。

注：mode11～13表示模式1的3个样地；mode21～23表示模式2的3个样地；mode31～33表示模式3的3个样地；mode41～43表示模式4的3个样地

pH(贡献度为35.9%，F=31.7，P=0.002)、STP(贡献度为25.7%，F=13.6，P=0.002)、土壤含水率(SMC)(贡献度为13.9%，F=8.1，P=0.04)、LCC/LNC(贡献度为8.2%，F=6.4，P=0.006)、FRC(贡献度为5.6%，F=28.2，P=0.008)对于样方沿着第1轴的分布起到关键作用，DON、DOC、NH4+-N、MBC、MBN主要与pH、STP和SMC较高的模式4的3个样地mode31～mode33所在林地密切相关，而MBC/MBN和NO3--N则主要与LCC/LNC和FRC较高的模式4的3个样地mode41～mode43所在林地密切相关。

3 结论与讨论

土壤表层(0～10 cm)是森林地下生态过程活跃的区域，不同质量的凋落物分解淋溶的养分及产生的次生代谢物能够影响土壤微生物群落组成和植物细根的分布[10]。该研究中，模式3凋落物现存量显著高于其他模式，达到1.58 t/hm2，这与林分套种株数和套种树种有关，模式3套种密度是模式1和模式2的近2倍，对林分凋落物现存量的贡献大，间接影响了土壤表层的细根分布。该研究与王微等[11]研究得出的细根生物量与凋落物层生物量存在显著线性相关关系的结论一致，相关系数R2达到0.925。

已有研究表明，土壤有机碳氮含量受不同的土壤可分解底物的数量和质量的显著影响，而土壤底物的差异主要受动植物残体、凋落物、根系及微生物群落及树种不同的影响[12]。不同的微生物群落分解土壤有机碳氮，可进一步影响土壤活性碳氮组分含量[13]。该研究中，模式3的土壤STC、STN及NH4+-N含量显著高于其他模式，桉树纯林显著低于套种模式。各模式的MBC、MBN含量差异虽然不显著，但是MBC/MBN却表现出模式3显著低于其他模式，说明该模式的土壤微生物群落组成结构经过套种阔叶树种改造后发生明显变化，形成以高效利用丰富有机氮源为主的微生物群落。

主成分分析表明，DOC、DON、FRB、MBC、MBN、NH4+-N之间存在正相关关系，与土壤MBC/MBN、LCC/LNC和FRC/FRN、NO3--N存在显著负相关关系，而模式3个样地均集中分布在具有高土壤DOC、DON、FRB、MBC/MBN及NH4+-N的区域，桉树纯林模式4则集中分布在高MBC/MBN、LCC/LNC、FRC/FRN和NO3--N的区域，模式1和模式2则介于两者之间，说明桉树林套种阔叶树可显著提高林地土壤活性碳氮组分含量，降低林地土壤的碳氮比。

为了进一步探讨能够显著影响土壤微生物群落组分结构的土壤活性碳氮含量与其他土壤环境因子的关系，研究进行了冗余分析。结果表明，STP含量是影响土壤活性碳氮首要环境因素，其次为SBD、pH、LCC/LNC和FRB含量。这表明STP含量是影响桉树林分土壤微生物组分结构的限制性因子，而凋落物作为影响微生物分解的重要底物之一，其碳氮比也会显著影响微生物群落组分结构，并与已有研究结果一致[14]。