紅松林土壤理化性質(zhì)及其微生物與酶活性影響因子研究進(jìn)展

倪偉杰

（遼寧省森林經(jīng)營研究所，遼寧 丹東 118003）

在全球氣候變化過程中，氣溫上升、CO2濃度增大、降水量發(fā)生變化、氮沉降增強(qiáng)[1]等致使森林生態(tài)系統(tǒng)外界環(huán)境發(fā)生改變，直觀表現(xiàn)在土壤理化性質(zhì)、微生物、酶活性等短期易受環(huán)境影響的生境因子。由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油煤炭的燃燒、人口增長等全球性問題對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響也逐漸顯現(xiàn)[2]，由此導(dǎo)致了森林土壤理化性質(zhì)的變化，主要有土壤含水量發(fā)生變化，土壤有機(jī)質(zhì)增加，土壤總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮變化明顯，改變了土壤呼吸變化、養(yǎng)分礦化、養(yǎng)分固定等生態(tài)過程，引起土壤微環(huán)境、微生物多樣性與酶活性的變化[3]。

紅松Pinus koraiensis林是東北區(qū)域的典型植被，也是最具代表性的地帶性頂極群落，對(duì)區(qū)域水土保持、涵養(yǎng)水源、固碳釋養(yǎng)等產(chǎn)生重大影響[4]。在氣候變化背景下，分析探討紅松林自身因素與環(huán)境因素對(duì)土壤微生物與酶活性的影響，更加有利于認(rèn)識(shí)紅松林的固碳保水作用，充分理解土壤微生物、酶活性、植被根系的相互關(guān)系。在土壤環(huán)境中，土壤微生物可以促進(jìn)土壤的養(yǎng)分循環(huán)與能量流動(dòng)，促進(jìn)根系對(duì)養(yǎng)分的吸收[5]。土壤酶是土壤環(huán)境中的“加速劑”，參與土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程，加快土壤營養(yǎng)元素的流轉(zhuǎn)[6]。土壤的各種酶主要來源于土壤微生物與植物根系的分泌作用，土壤理化性質(zhì)直接影響土壤微生物與酶活性，土壤微生物和酶活性共同參與土壤物質(zhì)能量循環(huán)[7]。因此，總結(jié)分析紅松土壤理化性質(zhì)、微生物和酶活性的關(guān)系，探討紅松林土壤微生物和酶活性的影響因子，對(duì)正確理解氣候變化背景下東北區(qū)域典型植被土壤中養(yǎng)分循環(huán)和能量流動(dòng)具有重要意義，從而可持續(xù)地利用森林生態(tài)系統(tǒng)各種服務(wù)功能。

1 紅松林主要土壤物理特性

1.1 紅松林土壤物理特征

紅松林內(nèi)影響土壤微生物和酶活性的土壤物理特性主要包括土壤容重、土壤密度、土壤含水率、土壤孔隙度、土壤持水量等[4，8]。

相關(guān)研究顯示[9-14]，紅松林淺層土壤（＜10 cm）容重0.638～1.390 g·cm-3，中層土壤（10～20 cm）容重0.910～1.420 g·cm-3，深層土壤（＞20 cm）容重為1.090～1.530 g·cm-3；土 壤 密 度 為1.096～1.437 g·cm-3；土壤含水率為21.67%～58.73%；土壤總孔隙度在淺層、中層和深層土壤的取值分別為51.56%～76.78%、49.26%～64.21%、45.38%～58.26%；土壤毛管孔隙度在淺層、中層和深層土壤的取值分別為43.50%～72.03%、28.40%～47.78%、17.08%～34.25%；土壤最大持水量為510.28～1213.51 t·hm-2。

1.2 紅松林土壤物理特征影響因素

紅松林土壤物理性質(zhì)受到自然因素和人為因素的影響，主要包括撫育間伐、混交林分類型、立地條件、經(jīng)營措施等[14-18]。

撫育間伐能夠顯著改善紅松林分土壤物理特性及其持水性能，且中強(qiáng)度撫育間伐效果更好[16-18]。祁金虎等[17]對(duì)遼寧草河口鎮(zhèn)不同撫育間伐強(qiáng)度的紅松林進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)弱度、中度、強(qiáng)度撫育間伐處理的紅松林內(nèi)，土壤密度比對(duì)照分別減少了1.36%、17.10%、13.46%；土壤總孔隙度分別是對(duì)照處理的1.02、1.14、1.23倍；土壤最大持水量分別比對(duì)照處理提高了0.52%、13.90%、23.18%。由此可見，適宜的撫育間伐處理能夠增加紅松的水源涵養(yǎng)功能。

紅松林擇伐經(jīng)營措施相比于皆伐更有利于土壤水分和土壤理化性質(zhì)的保持[15，19]。吳生廣[15]對(duì)遼東山區(qū)不同經(jīng)營措施下的紅松林和雜木林進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在表層土壤中，擇伐區(qū)和皆伐區(qū)土壤容重分別高于對(duì)照區(qū)的10.5%、4%；土壤蓄水能力由大到小為擇伐＞皆伐＞對(duì)照。

2 紅松林主要土壤化學(xué)性質(zhì)

2.1 紅松林土壤化學(xué)特征

紅松林土壤化學(xué)性質(zhì)主要包括有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、全磷、有效磷、全鉀、有效鉀、交換性鈣、交換性鎂等，主要影響紅松林的生長、發(fā)育、分布等，也是紅松養(yǎng)分循環(huán)研究的基礎(chǔ)與重點(diǎn)內(nèi)容[20-21]。有關(guān)研究表明，紅松林土壤化學(xué)性質(zhì)存在一定的差異性，一般隨著土層深度的增加，紅松林土壤養(yǎng)分有所降低[22]。紅松林土壤主要化學(xué)性質(zhì)中，土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、全磷、有效磷、全鉀含量普遍處于25.75～68.10 g·kg-1、3.42～6.70 g·kg-1、27.40～640.28 mg·kg-1、0.16～0.75 g·kg-1、2.24～7.54 mg·kg-1、12.80～30.19 g·kg-1[22-26]。

2.2 紅松林土壤化學(xué)特征影響因素

土壤化學(xué)性質(zhì)是紅松林內(nèi)植被生長發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，起到養(yǎng)分供應(yīng)和基礎(chǔ)支撐作用[27]。現(xiàn)階段影響紅松土壤化學(xué)性質(zhì)的因子多種多樣，但主要體現(xiàn)在林分混交類型、森林經(jīng)營方式、森林管理程度、林分年齡等[16，21-23]。

受到林分樹種組成和林分類型的影響，闊葉紅松林土壤養(yǎng)分含量往往高于紅松純林。惠淑榮等[22]對(duì)遼寧東部山區(qū)的闊葉紅松林和紅松純林進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)闊葉紅松林土壤主要養(yǎng)分含量普遍高于紅松純林。近自然經(jīng)營方式對(duì)紅松土壤化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，特別是林間透光撫育措施，有利于提高林內(nèi)土壤養(yǎng)分含量。吳瑤等[23]以涼水自然保護(hù)區(qū)原始闊葉紅松林為研究對(duì)象，利用近自然經(jīng)營理論對(duì)紅松土壤化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)近自然經(jīng)營尤其是透光撫育有利于紅松表層土壤養(yǎng)分積累，在經(jīng)營過程中更加注重土壤表層養(yǎng)分的利用。在紅松林管理中進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿嵊g伐也會(huì)對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。楊會(huì)俠[16]對(duì)遼寧省森林經(jīng)營研究所實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)不同間伐強(qiáng)度的紅松進(jìn)行分析，表明中度間伐強(qiáng)度能夠提高土壤氮磷鉀含量，但是對(duì)有機(jī)質(zhì)的影響不顯著。

3 紅松林土壤微生物與酶活性

3.1 土壤微生物

紅松林土壤微生物群落參與土壤物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，促進(jìn)紅松林喬木、灌木、草本等植被的生長發(fā)育。紅松土壤細(xì)菌以變形菌、放線菌、疣微菌、酸桿菌為主，紅松土壤真菌以子囊菌門和擔(dān)子菌門為主，固氮菌和反硝化菌均以變形菌門為優(yōu)勢(shì)菌門[28]。目前，對(duì)紅松土壤微生物的研究主要是土壤微生物的多樣性，其量化指標(biāo)包括均衡性、豐富性、多樣性等。

陳秀波等[29]利用高通量測(cè)序法，分析了小興安嶺紅松林土壤nirK型反硝化微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性特征及其主要影響因子（土壤理化性質(zhì)因子）；曹延珺[30]采用傳統(tǒng)平板培養(yǎng)法，分析了涼水地區(qū)紅松根部土壤微生物數(shù)量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性；賈丹等[31]利用分子生物學(xué)法中的RAPD技術(shù)，分析了穆棱縣紅松根際土壤微生物的多樣性；王楠楠等[32]基于Biolog微平板法，分析了長白山紅松針闊混交林根際土和表層土微生物功能多樣性；Jia等[33]利用分子生物學(xué)法中的PCR技術(shù)，分析了夏季紅松林土壤微生物對(duì)CO2升高的響應(yīng)；尉建埔[34]利用生物標(biāo)記中的磷脂脂肪酸標(biāo)記技術(shù)，探究了施氮肥對(duì)紅松人工林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。

3.2 土壤酶活性

土壤酶參與土壤中的生物化學(xué)反應(yīng)過程，包括腐殖質(zhì)合成、微生物的生長發(fā)育、土壤養(yǎng)分的運(yùn)轉(zhuǎn)等，是土壤組成中最活躍的成分之一，是表征土壤肥力的重要指標(biāo)，影響土壤的新陳代謝[6，35-36]。自然界中已知的土壤酶有60多種，包括游離酶、胞內(nèi)酶和胞外酶三大類[35-36]。1961年國際酶學(xué)委員會(huì)按照其反應(yīng)類型和功能劃分為6類，而土壤中普遍存在氧化還原酶和水解酶2大類[38]。其中，氧化還原酶主要包括多酚氧化酶、過氧化氫酶等，而水解酶類主要包括脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、纖維素酶等[38]。

紅松林土壤酶活性測(cè)定主要采用的是分光比色分析法。孫雙紅等[6]利用分光比色分析法和物理測(cè)定中的碘量滴定法分別測(cè)定了闊葉紅松林土壤脲酶、蔗糖酶和多酚氧化酶；呂來新等[40]利用分光比色分析法測(cè)定了土壤BG酶、NAG酶、磷酸酶等；劉晴等[41]利用紫外分光比色分析法，測(cè)定了不同撫育間伐強(qiáng)度下紅松林土壤過氧化氫酶活性。

4 紅松林土壤微生物與酶活性的影響因素

4.1 土壤微生物與酶活性的關(guān)系

土壤中的酶主要來源于土壤微生物、土壤中的植物根系、土壤動(dòng)物等[7]，土壤理化性質(zhì)、林分類型、自然演替、林間空隙等林分自身?xiàng)l件，CO2濃度、伴生樹種、海拔高度、經(jīng)營模式、氮添加、降雨量、凍融過程等外界環(huán)境條件，都會(huì)對(duì)土壤微生物的數(shù)量及其多樣性產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致土壤酶活性的變化[6，32，42-44]。

土壤微生物和地上植被的根系，通過自身代謝反應(yīng)分泌出土壤酶，土壤微生物和土壤酶共同參與土壤的能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)過程[7，42]。土壤微生物、土壤酶、植被根系是一個(gè)相互作用的統(tǒng)一體[42]，受外界環(huán)境、人類活動(dòng)的影響，首先作用于整個(gè)土體，進(jìn)而影響土壤微生物與酶活性。土壤溫度、土壤濕度、降水、外來物種影響等外界環(huán)境因素，放牧、林木砍伐、施肥等人類活動(dòng)，都會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤微生物的多樣性和數(shù)量、植被根系的生長和分化產(chǎn)生影響，從而影響土壤酶的分泌，而土壤酶的改變又反過來影響土壤微生物和植被根系，表現(xiàn)出一定的負(fù)反饋?zhàn)饔肹42]。

4.2 紅松林自身因素對(duì)土壤微生物與酶活性影響

紅松林內(nèi)影響土壤微生物和酶活性的主要內(nèi)部因素有土壤理化性質(zhì)、林分類型、自然演替、林間空隙等，直接影響植被根系（尤其是細(xì)根），微生物數(shù)量、多樣性、群落結(jié)構(gòu)，間接影響到土壤酶的分泌過程。

紅松林土壤理化性質(zhì)中，干腐活立木根部的土壤真菌數(shù)量與土壤含水率沒有顯著的相關(guān)性，土壤微生物總量、細(xì)菌數(shù)量、真菌數(shù)量主要受到土壤全氮的影響，土壤全鉀主要影響放線菌數(shù)量[30]；同時(shí)，紅松林內(nèi)土壤總孔隙度、總有機(jī)碳和pH值與細(xì)菌群落組成顯著相關(guān)[28]。土壤溫度可以直接影響酶的反應(yīng)速率，也可以通過影響微生物數(shù)量和豐富度來間接影響酶的活性。李龍等[45]發(fā)現(xiàn)，紅松闊葉林中，隨著土壤溫度的上升，土壤脲酶、過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶均出現(xiàn)爆發(fā)性增高，然后迅速降低。

紅松林不同混交類型對(duì)土壤微生物與酶活性產(chǎn)生影響，有關(guān)研究表明闊葉林下微生物要比針葉林下豐富，闊葉林下細(xì)菌較多，針葉林中真菌較多，針葉林下酶活性低于闊葉林，凋落物微生物與酶活性高于土壤[46-47]。原始紅松林和人工紅松林土壤細(xì)菌的Simpson指數(shù)大于紅松天然次生林，原始紅松林土壤真菌的Shannon指數(shù)和豐富度指數(shù)大于紅松人工林和天然次生林[28]。張憲武等[47]對(duì)椴樹紅松林、楓樺紅松林、柞樹紅松林進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)凋落物和土壤中微生物數(shù)量表現(xiàn)出椴樹紅松林最大，楓樺紅松林次之，柞樹紅松林最?。婚矘浼t松林凋落物和土壤中水解酶活性強(qiáng)于其他兩種類型。

在紅松林的自然演替過程中，隨著林分逐漸向頂極群落方向發(fā)展，土壤理化性質(zhì)、植被根系狀況，土壤微生物活性與多樣性增加，土壤酶活性也發(fā)生變化，表現(xiàn)出很大的“喜銨性”，生境條件逐漸不利于紅松幼苗更新[6，48]。

4.3 紅松林外界條件對(duì)土壤微生物與酶活性影響

CO2濃度、海拔高度、凍融過程、氮添加、降雨量、經(jīng)營模式、伴生樹種等外界環(huán)境條件，也會(huì)對(duì)土壤微生物與酶活性產(chǎn)生影響。

紅松林在高濃度的CO2條件下，林內(nèi)生物量、根系分泌物、植被生長發(fā)育等都會(huì)發(fā)生變化，從而影響土壤微生物的活動(dòng)與酶的活性。有研究表明，增加CO2濃度，紅松幼苗根際土壤細(xì)菌數(shù)量顯著增加，而土壤真菌與放線菌受高濃度CO2影響不顯著[44]；不同CO2濃度對(duì)酶活性的影響存在差距，土壤蛋白酶、脲酶、磷酸酶活性顯著增強(qiáng)，而轉(zhuǎn)化酶活性顯著降低[49]。任欣偉等[50]在紅松幼苗增加CO2濃度實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，CO2增加對(duì)纖維素酶、蔗糖酶、脲酶、過氧化物酶、多酚氧化酶有促進(jìn)作用，而對(duì)中性磷酸酶有抑制作用。

海拔高度與凍融過程會(huì)引起紅松生境中溫度、氣候的變化，從而對(duì)微生物和酶活性產(chǎn)生影響。王寧等[51]分析長白山不同海拔高度紅松林土壤微生物碳含量，發(fā)現(xiàn)隨著海拔的增加，土壤微生物生物碳呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，海拔高度對(duì)紅松土壤微生物產(chǎn)生顯著影響。李龍等[45]分析了長白山自然保護(hù)區(qū)3種林分解凍過程中土壤酶活性的變化，表明土壤酶活性先爆發(fā)式增加之后迅速降低，土壤脲酶和轉(zhuǎn)錄酶活性表現(xiàn)為闊葉林＞針闊混交林＞針葉純林。所以海拔和凍融過程是通過影響土壤理化性質(zhì)與林分組成，間接影響土壤微生物和酶活性的主要因子。

氮添加或者氮沉降對(duì)不同種類微生物和酶活性的影響不同，通過短期改變土壤理化性質(zhì)，對(duì)紅松林產(chǎn)生相應(yīng)的作用。有研究表明，氮添加對(duì)紅松土壤pH值無顯著影響；高濃度氮添加，顯著增加了紅松人工林土壤有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，從而對(duì)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，如Berkelbacteria細(xì)菌和Polyporales真菌產(chǎn)生顯著變化；中濃度氮添加，尿素酶和胰蛋白酶顯著降低；低濃度氮添加，土壤細(xì)菌的Simpson和Shannon指數(shù)顯著下降，但土壤真菌的α-多樣性指數(shù)差異不顯著[52]。

自然界的降水也會(huì)對(duì)紅松林土壤微生物與酶活性產(chǎn)生影響，短期內(nèi)當(dāng)土壤產(chǎn)生干濕交替時(shí)，有一些不適應(yīng)水勢(shì)變化的微生物會(huì)迅速減少，當(dāng)水分變化較小時(shí)對(duì)土壤微生物多樣性的影響有限；長期的降水會(huì)引起土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致土壤微生物群落與酶活性的改變[42]。王楠楠等[32]以長白山紅松闊葉林為研究對(duì)象，分析了降水變化對(duì)土壤微生物功能多樣性的影響，發(fā)現(xiàn)降水增減30%不會(huì)對(duì)紅松表層土和根際土微生物多樣性產(chǎn)生顯著影響。王寧等[53]在降水變化對(duì)長白山紅松林土壤微生物生物碳量的影響中發(fā)現(xiàn)，隨著降水的增加紅松林土壤微生物生物碳也逐漸增加，說明雨水進(jìn)入土壤加速土壤營養(yǎng)物質(zhì)的溶解，提高有機(jī)質(zhì)碳含量。降水增加過程容易使得紅松林土壤形成缺氧環(huán)境，從而抑制土壤酶活性，因此當(dāng)降水較小時(shí)，土壤透氣性較大，酶活性影響也較小，當(dāng)降水急劇長時(shí)間增加時(shí)，土壤酶活性則會(huì)較低[52]。

綜上所述，外界環(huán)境條件一定程度上都是通過間接影響紅松林土壤理化性質(zhì)、植被根系特征、林分群落組成等內(nèi)部自身因子，導(dǎo)致土壤和根系微生物數(shù)量、多樣性、群落結(jié)構(gòu)、群落功能性發(fā)生變化，從而土壤酶活性也隨之變化，最后土壤酶活性反過來也會(huì)對(duì)土壤微生物產(chǎn)生負(fù)反饋?zhàn)饔谩?/p>

5 小結(jié)與展望

紅松林土壤理化性質(zhì)的改變直接影響著土壤微生物結(jié)構(gòu)、功能多樣性，也直接影響土壤酶活性，即使外界其他因子，如降雨、氮沉降、CO2濃度等也都是間接影響土壤理化性質(zhì)與紅松植被根系，促使紅松林內(nèi)土壤酶的變化。伴隨著全球變暖的加劇以及“碳達(dá)峰”、“碳中和”的提出，外界環(huán)境變化對(duì)紅松生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物和酶的影響，引起東北地區(qū)越來越多學(xué)者的關(guān)注。但是有關(guān)紅松林土壤微生物和酶活性的研究仍然存在較大的局限性，對(duì)于人工紅松與原始紅松林生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物和酶活性研究，提出幾點(diǎn)思考：

（1）加強(qiáng)紅松林土壤性質(zhì)、土壤酶活性與土壤微生物三者的統(tǒng)一性分析。我們知道三者間存在正反饋與負(fù)反饋相互作用，在進(jìn)行分析時(shí)往往只考慮一種或者兩種因素，很少有討論三者的相互作用及其變化規(guī)律機(jī)理分析。因此，在以后的研究中注重考慮多種因素之間的交互作用，尤其更加注重期間的機(jī)理分析。

（2）加強(qiáng)長期定位實(shí)驗(yàn)與監(jiān)測(cè)研究，更加注重自身因素與外界環(huán)境對(duì)紅松土壤微生物、酶活性的長時(shí)間、大尺度效應(yīng)。當(dāng)前，我們的一些研究主要集中在2年以內(nèi)，缺少幾十年甚至上百年的長期定位觀測(cè)數(shù)據(jù)；對(duì)區(qū)域尺度效應(yīng)分析也欠缺，從紅松單株樹木到一片紅松林，到整個(gè)區(qū)域紅松生態(tài)系統(tǒng)，土壤微生物與酶活性的變化規(guī)律及其固碳作用也是未來研究方向。所以，要注重紅松林區(qū)域生態(tài)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建立，堅(jiān)持野外試驗(yàn)與室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，注重“3S”技術(shù)在區(qū)域大尺度分析中的作用。

（3）采用先進(jìn)的技術(shù)方法，拓寬研究思路，著重從機(jī)理出發(fā)，分析紅松內(nèi)部因子與外部因子對(duì)土壤微生物群落、結(jié)構(gòu)和功能多樣性的響應(yīng)，從分子、基因、遺傳的角度探究土壤酶與土壤微生物的相互作用。當(dāng)前隨著高通測(cè)序技術(shù)、功能基因組學(xué)技術(shù)、微陣列技術(shù)等分子生物學(xué)的發(fā)展，獲取微生物和酶的群落結(jié)構(gòu)信息更加精準(zhǔn)、方便，使得微生物的基因多樣性和酶活性的作用機(jī)理研究更加地充分與合理。