馬尾松林轉(zhuǎn)變?yōu)闂蠲啡斯ち謱ν寥烙袡C碳和微生物功能多樣性的影響

劉海英，蔣仲龍，彭健健，王曉曉，仇智靈，張 勇，，王 增

（1.浙江省公益林和國有林場管理總站，浙江 杭州 310020；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點實驗室，浙江 杭州 311300；3.臺州市萬豐林業(yè)有限公司，浙江 仙居 317300；4.杭州市臨安區(qū)植物檢疫站，浙江 杭州 311300）

土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及結(jié)構(gòu)受到植物群落演替和人為干擾的顯著影響[1]。土壤微生物量碳和水溶性有機碳是土壤中活性較高的有機碳，對林地微環(huán)境變化的響應(yīng)敏感程度遠(yuǎn)大于土壤有機碳的變化[2]。土壤微生物是土壤最活躍的組分之一，積極參與土壤有機碳轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分循環(huán)，能敏感地反映土壤生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生的微小變化[3]。

研究表明，隨著林齡的增加，油松Pimus tabulaeformis人工林土壤總有機碳和微生物量碳顯著升高[4]，橡膠Hevea brasiliensis林土壤有機碳呈現(xiàn)下降趨勢[5]。隨著種植年限的增加，獼猴桃Actinidia chinensis園土壤微生物功能多樣性下降[6]，而杉木Cunninghamia lanceolata-閩楠Phoebe bournei復(fù)層林土壤微生物功能和多樣性指數(shù)均呈增加趨勢[7]；天然闊葉林改造為山核桃Carya cathayensis人工林并經(jīng)5 a強度經(jīng)營后，林地土壤總有機碳、水溶性有機碳及微生物量碳均顯著下降，土壤微生物功能多樣性也顯著降低[8]。顯然，不同森林類型及人為干擾強度對土壤有機碳和微生物的影響存在較大的差異。

馬尾松Pinus massoniana是浙江省林分面積最大的樹種之一，由于其經(jīng)濟效益較低，往往對其皆伐后，人工改造為楊梅Myrica rubra人工林，浙江省現(xiàn)有楊梅人工林面積9.07×104hm2，在經(jīng)營過程中將林下灌木、雜草全部去除，造成一定的水土流失。研究表明，隨著林齡的增大，楊梅人工林土壤有機碳含量先下降而后升高[9]；生草栽培提高了楊梅林的土壤肥力，優(yōu)化了果實品質(zhì)[10-11]。而有關(guān)楊梅人工林經(jīng)營過程中土壤有機碳的數(shù)量、質(zhì)量及土壤微生物功能多樣性的變化尚未見報道。本研究在楊梅主產(chǎn)區(qū)，通過空間代替時間的方法，以馬尾松林為對照，比較研究了3、9、14和21 a楊梅林土壤有機碳及微生物功能多樣性的差異，以期為楊梅人工林土壤精準(zhǔn)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省仙居縣福應(yīng)街道（28°25′～28°52′N，120°23′～120°42′E），有“中國楊梅之鄉(xiāng)”之稱，海拔140～230 m，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為18.3℃，最熱的7月平均氣溫為28.5℃，最冷的1月平均氣溫為5.6℃，無霜期240 d，歷年平均降水量為2 000 mm，年日照時數(shù)為1 786.2 h，母巖為花崗巖，土壤為紅壤。由于長期強度經(jīng)營，林下僅有少量的草本植物生長[12]。

1.2 試驗設(shè)計與取樣

表1 樣地林分和土壤基本特征Table 1 Basic information of the sample plot

1.3 分析方法

土壤總有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法[13]。水溶性有機碳的測定參考Jones和Willett的方法[14]。微生物生物量碳的測定采用氯仿熏蒸浸提法[15]。

土壤各種碳化學(xué)組分采用固態(tài)13C核磁共振波譜圖方法測定。其基本步驟為：土壤樣品HF預(yù)處理的方法參考Mathers等[16]進(jìn)行。經(jīng)HF預(yù)處理過的土壤樣品進(jìn)行固態(tài)魔角旋轉(zhuǎn)-核磁共振測定（AVANCE Ⅱ 300MH，布魯克公司）。實驗采用7 mm CPMAS探頭，觀測頻率為100.5 MHz，MAS旋轉(zhuǎn)頻率為5 000 Hz，接觸時間為2 s，循環(huán)延遲時間為2.5 s?；瘜W(xué)位移的外標(biāo)物為六甲基苯（hexamethylbenzene，HMB，甲基17.33 mg·kg-1）。然后對譜峰曲線進(jìn)行區(qū)域積分，獲得各種碳化學(xué)組分的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如圖1所示，可將波譜劃分為烷基碳（0～45）、N-烷氧碳（45～60）、烷氧碳（60～90）、縮醛碳（90～110）、芳香碳（110～145）、酚基碳（145～165）和羰基碳（165～210）等7個共振區(qū)（括號中的數(shù)據(jù)表示化學(xué)位移）。

圖1 楊梅人工林土壤總有機碳的核磁共振圖譜Fig.1 13C NMR spectra of total soil organic carbon of M.rubra plantation

疏水C/親水C=（C0～45+C110～165）/（C45～110+C165～210），其比值越大則土壤有機碳穩(wěn)定性越高。脂族C0～110/芳香C110～165，該比值越高表明腐殖物質(zhì)中芳香核結(jié)構(gòu)越少，脂肪族側(cè)鏈越多，縮合程度越低，分子結(jié)構(gòu)越簡單。芳香度（C110～165/C0～165×100%）越大，表明芳香核結(jié)構(gòu)越多，分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

土壤微生物功能多樣性分析采用Biolog Eco檢測法，數(shù)據(jù)處理參照文獻(xiàn)[17]進(jìn)行。計算土壤微生物利用碳源的平均顏色變化率（AWCD）、土壤微生物對碳源利用的多樣性Shannon指數(shù)（H）和均勻度指數(shù)（E），公式如下。

式中：Ci為除對照孔外各孔在590 nm下的吸光值；R為對照孔A1的吸光值，Ci-R小于0的孔，計算中記為0；Pi為第i孔的相對吸光值與整板相對吸光值總和的比率；S為Eco板顏色變化的孔的數(shù)目。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 22.0軟件包的單因素方差分析和新復(fù)極差法比較不同數(shù)據(jù)組間的差異，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 林地土壤有機碳庫的變化

隨著林齡的增長，楊梅人工林0～10 cm土壤總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）表現(xiàn)為升高—下降—升高—穩(wěn)定的變化趨勢（表2），TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小表現(xiàn)為3 a＞CK＞21 a＞14 a＞9 a，其中3年生楊梅人工林土壤的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他林齡（P＜0.05），而9年生的顯著低于其他林齡（P＜0.05）。

土壤微生物量碳（MBC）和水溶性有機碳（WSOC）與土壤TOC的變化規(guī)律相似（表2）。3年生林地土壤MBC和WSOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于其他林齡（P＜0.05），而9年生林地土壤MBC和WSOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于其他林齡（P＜0.05）。

選用麻醉藥和方法需要了解所患肝臟疾病;了解肝臟在藥物解毒中的作用;了解藥物對肝臟的影響。麻醉者必需了解肝病類型,肝細(xì)胞損害程度以及其他可使手術(shù)復(fù)雜的因素,特別是那些促進(jìn)出血的因素是否存在。不同的麻醉方法各有其優(yōu)缺點,選用時應(yīng)根據(jù)手術(shù)的類型,結(jié)合病人肝功能不全等具體情況作全面考慮。藥物的選用應(yīng)選擇直接對肝臟毒性和血流的影響較小的藥物,要了解施給麻醉藥的技術(shù)和術(shù)中對病人的管理往往比個別藥物的選擇更為重要,如術(shù)前用藥、術(shù)中供氧、補充血容量、糾正酸中毒、維持循環(huán)穩(wěn)定等[7]。

土壤MBC/TOC、WSOC/TOC的變化也與土壤TOC的變化規(guī)律相似（表2）。3年生林地土壤MBC/TOC、WSOC/TOC顯著高于其他林齡（P＜0.05），其中CK林地土壤MBC/TOC顯著低于其他林齡（P＜0.05）。

表2 楊梅人工林地不同形態(tài)土壤有機碳的變化?Table 2 Soil organic carbon content of M.rubra plantation

2.2 林地土壤有機碳結(jié)構(gòu)的變化

土壤有機碳結(jié)構(gòu)隨著林分改變和人為經(jīng)營而改變。不同土壤有機碳化學(xué)組分的百分比如表3所示。與CK相比，人工經(jīng)營3 a后，土壤芳香碳、酚基碳、羰基碳顯著下降了16.5%、24.8%、21.2%（P＜0.05），而N-烷氧碳顯著增加了41.0%（P＜0.05）；而后隨著林齡的增大，土壤有機碳庫穩(wěn)定性增強。其他碳組分的比例在不同林齡間的差異并不顯著。

表3 林地土壤含碳組分在13C NMR譜中的信號強度分布Table 3 Signal intensity distribution of different carbon fractions in the 13C NMR spectra

2.3 林地土壤微生物碳源利用的差異

土壤微生物功能多樣性可用Biolog盤中的平均顏色變化率(AWCD)來表示。在土壤微生物培養(yǎng)過程中，人工林地土壤AWCD的變化均表現(xiàn)為3 a＞CK＞21 a＞14 a＞9 a，192 h的AWCD平均值分別為1.414、1.322、1.198、1.143、0.993，經(jīng)多重比較，3年生土壤微生物AWCD值最大，顯著高于9年生的（P＜0.05），其他林齡間沒有顯著性差異（圖2）。

圖2 楊梅人工林土壤微生物AWCD的變化Fig.2 Average well-color development (AWCD) of the soil microbes of M.rubra plantation

不同林齡楊梅人工林土壤微生物對碳源利用率差異較大，楊梅人工經(jīng)營改變了土壤微生物利用不同有機碳源的模式、種類和程度。利用培養(yǎng)192 h的AWCD值，對楊梅土壤微生物利用單一碳源進(jìn)行主成分分析（PCA）。從圖3可知，在PC1軸上，CK和3年生楊梅人工林分布在正方向；9、14和21年生楊梅人工林分布在負(fù)方向。在PC2軸上，CK、20年生楊梅人工林分布在正方向，3、9和14年生楊梅分布在負(fù)方向上。

圖3 楊梅人工林土壤微生物碳源利用率的主成分分析Fig.3 PCA analysis of carbon sources utilization of the soil microorganisms of M.rubra plantation

2.4 林地土壤微生物多樣性指數(shù)的比較

如表4所示，隨著林齡的增長，楊梅人工林土壤微生物對碳源利用的多樣性Shannon指數(shù)（H）表現(xiàn)為先升高而后下降，其中3年生楊梅人工林的H指數(shù)顯著高于CK和21 年生楊梅人工林（P＜0.05）；均勻度指數(shù)（E）則表現(xiàn)為先下降而后升高，其中3年生的E指數(shù)顯著低于CK和21年生楊梅人工林（P＜0.05）。

表4 楊梅人工林土壤的微生物功能多樣性指數(shù)Table 4 Indexes of microbial function diversity in the soil of M.rubra plantation

2.5 林地土壤有機碳與微生物多樣性的相關(guān)性

由表5可知，土壤水溶性有機碳與總有機碳、微生物生物量碳之間呈現(xiàn)極顯著相關(guān)（P＜0.01），而與微生物多樣性Shannon指數(shù)（H）的相關(guān)性也達(dá)顯著性水平（P＜0.05）；土壤總有機碳與平均顏色變化率之間具有顯著性正相關(guān)（P＜0.05）。微生物生物量碳與土壤微生物多樣性Shannon指數(shù)（H）之間的相關(guān)性也達(dá)顯著性水平（P＜0.05）；土壤微生物均勻度指數(shù)（E）與其他5個指標(biāo)間為負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與微生物多樣性Shannon指數(shù)（H）的負(fù)相關(guān)關(guān)系達(dá)顯著性水平（P＜0.05）。

表5 林地土壤不同形態(tài)有機碳與微生物功能多樣性的相關(guān)系數(shù)?Table 5 Correlation coefficients between soil microbial functional diversity and soil carbon

3 討 論

3.1 土壤有機碳庫對土地利用變化及人為經(jīng)營的響應(yīng)

地上植被的變化及人為經(jīng)營活動顯著影響著土壤有機碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、組成和結(jié)構(gòu)[18]。馬尾松純林土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于馬尾松-闊葉混交林[19]。本研究中，馬尾松林轉(zhuǎn)換為楊梅人工林初期，即3年生楊梅林地土壤TOC、MBC、WSOC、MBC/TOC和WSOC/TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著上升，分別提高了26.9%、111.5%、103.6%、66.7%和59.7%（P＜0.05）；而9年生楊梅林地土壤TOC和WSOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)則顯著下降了26.5%和16.1%；隨著經(jīng)營時間的延長，土壤不同形態(tài)有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)又有所提高。21年生楊梅人工林土壤，MBC、WSOC、MBC/TOC、WSOC/TOC顯著提高了34.5%、24.4%、51.7%和40.3%（P＜0.05），而TOC僅下降了11.6%。與天然闊葉林改造為山核桃林后土壤TOC、MBC和WSOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降[8]的結(jié)果不符，這主要是由于研究對象、林齡和人為經(jīng)營措施的差異所造成的。造林初期，枯枝落葉、林下灌草等大量有機物料經(jīng)過整地后翻耕入土，種植楊梅需施入基肥30 t·hm-2，在陽光直射地面后，加快了有機物料的轉(zhuǎn)化速率，增加了土壤有機碳的積累，從而造林3 a后，土壤不同形態(tài)有機碳顯著升高，這與強度森林撫育顯著提升了土壤有機碳的研究結(jié)果相似[20]。隨著時間的推移，人為強度經(jīng)營后，灌木層、草本層缺失，土壤有機碳礦化速度加快，林地水土流失嚴(yán)重，從而導(dǎo)致土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，即經(jīng)過9 a的人為經(jīng)營，土壤不同形態(tài)有機碳分?jǐn)?shù)顯著下降；隨著林齡的繼續(xù)增大，林分郁閉度提高及有機肥的施用等，土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)步提升且趨于穩(wěn)定，達(dá)到新的平衡。這與杉木人工林土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著林齡的增加而逐漸積累的研究結(jié)果相似[21]。

烷基碳/烷氧碳比值可作為有機碳分解程度的指標(biāo)[22]，疏水C/親水C的比值越大表明土壤有機碳穩(wěn)定性越高[23]。脂族碳/芳香碳的比值越高表明土壤有機碳分子結(jié)構(gòu)越簡單。芳香度（C110～165ppm/C0～165ppm×100%）越大指示土壤有機碳分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。與馬尾松林相比，林齡為3 a的楊梅人工林土壤有機碳結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，烷基碳/烷氧碳、疏水碳/親水碳的比值分別下降了17.9%和18.5%，說明了土壤中易分解有機碳的比例相對增加。脂族碳/芳香碳的比值上升了41.39%，而芳香度則下降了20.0%，這也說明了土壤中有機碳分子結(jié)構(gòu)變得簡單。而后隨著楊梅經(jīng)營歷史的延長，林地土壤烷基碳/烷氧碳、疏水碳/親水碳和芳香度等表征有機碳庫穩(wěn)定性的標(biāo)指也隨著增大，20 a后其數(shù)值接近馬尾松林，表明碳庫穩(wěn)定性增強。在楊梅經(jīng)營過程中，土壤中碳組分的變化與上述研究中TOC、WSOC 和MBC的變化規(guī)律也是一致的。這與吳家森等[8]研究的天然闊葉林改造為山核桃林并長期經(jīng)營后，土壤碳庫的穩(wěn)定性顯著增加的結(jié)果相似。

3.2 土壤微生物功能多樣性對土壤利用變化及人工經(jīng)營的響應(yīng)

馬尾松林改造為楊梅林并經(jīng)后期的人工經(jīng)營，土壤微生物功能的變化趨勢表現(xiàn)為上升—下降—上升—穩(wěn)定的規(guī)律，與馬尾松林相比，9年生楊梅人工林土壤AWCD值下降了24.9%（P＜0.05），顯著低于其他年齡段。3年生楊梅人工林土壤的Shannon指數(shù)最大，而均勻度指數(shù)則最?。≒＜0.05）。導(dǎo)致這種差異的原因主要是地上植物組成的差異，植物殘體、根的生物量、根系分泌物量不同[24]。馬尾松林改造為楊梅純林初期，林分的改變、大量枯枝落葉及有機肥的施入，增加了土壤中有機物料的種類和成分，而后隨著人為經(jīng)營強度的增加和土壤有機碳的進(jìn)一步礦化，土壤微生物功能多樣性顯著降低，而后隨著楊梅植株的生長和林分的郁閉，土壤微生物功能多樣性也隨著增強，這與落葉松人工林的研究結(jié)果相似[25]。而與闊葉林改造為山核桃林后初期土壤有機碳和微生物的變化并不一致[8]，這主要是因為改造前的森林類型不同造成的，本研究改造前的林分為馬尾松，相較于闊葉林枯枝葉片的分解相對較慢，從而改造3年后土壤有機碳和微生物功能多樣性顯著提高。

3.3 局限與展望

本論文僅以仙居縣境內(nèi)的馬尾松林轉(zhuǎn)變?yōu)闂蠲啡斯ち滞寥肋M(jìn)行研究，因此本研究的土壤有機碳及微生物功能多樣性的變化規(guī)律能否代表各地楊梅人工林的土壤變化規(guī)律還有待進(jìn)一步的研究，未來可結(jié)合在不同地區(qū)的楊梅人工林土壤指標(biāo)數(shù)據(jù)探究不同林齡的楊梅人工林。本研究對于土壤微生物僅進(jìn)行了功能多樣性的研究，未來可以進(jìn)一步研究微生物的PLFA和群落多樣性，結(jié)合不同土壤酶的變化，更深入探討人為經(jīng)營過程中楊梅林地土壤微生物的變化。今后還可對土壤有機碳的形態(tài)、礦物特征及與楊梅地上部分的生長關(guān)系進(jìn)一步深化，從而為楊梅人工林的綠色發(fā)展提供技術(shù)支撐。

4 結(jié) 論

馬尾松林改造為楊梅純林并經(jīng)人工經(jīng)營后，林地土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為上升—下降—上升—穩(wěn)定的變化趨勢，有機碳結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著變化。人工造林初期（3 a），林地土壤TOC、MBC、WSOC、MBC/TOC和WSOC/TOC顯著提高 了26.9%、115.5%、103.6%、66.7%和59.7%（P＜0.05），而芳香度則顯著下降了20.0%，碳庫穩(wěn)定性降低；楊梅人工經(jīng)營9 a后，土壤TOC和WSOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降了26.5%和16.1%，而后隨著經(jīng)營歷史的延長，不同形態(tài)有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升并保持在相對穩(wěn)定的水平，土壤有機碳庫的穩(wěn)定性增強。

土壤微生物功能多樣性（AWCD值）以3 a的楊梅人工林土壤最高，而9 a的林地土壤最低（P＜0.05），3 a林地土壤的Shannon指數(shù)最大，均勻度指數(shù)則最低（P＜0.05）。人工經(jīng)營改變了土壤微生物利用碳源的模式，馬尾松林及楊梅人工林造林初期與經(jīng)營9 a后的楊梅林地土壤微生物功能多樣性差異較大。

在楊梅人工林經(jīng)營過程中，提倡適當(dāng)種植綠肥或保留天然生草、施用有機肥等措施，從而保持楊梅人工林土壤質(zhì)量的可持續(xù)性。