不同間伐處理對(duì)馬尾松人工林土壤特性季節(jié)動(dòng)態(tài)變化的影響1)

李敏 趙熙州 丁波 丁貴杰 王好運(yùn)

(貴州大學(xué),貴陽,550025) (貴州師范學(xué)院) (貴州大學(xué))

土壤碳氮是土壤肥力的核心部分。土壤酶及微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要組成部分,在森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)、有機(jī)質(zhì)分解等諸多生態(tài)過程中起關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用,影響植被的發(fā)育和演替[1-2]。同時(shí),土壤酶及微生物對(duì)環(huán)境變化極為敏感,在土壤碳氮循環(huán)及其對(duì)自然和人為干擾響應(yīng)中具有非常重要的表征功能[3-4]。相關(guān)研究表明,各類森林經(jīng)營(yíng)措施通過改變森林植被組成、林分結(jié)構(gòu)、密度等方式,對(duì)林內(nèi)溫濕條件、凋落物、根系系統(tǒng)、植物分泌物等產(chǎn)生影響,進(jìn)而調(diào)控土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微生物及酶活變化[5-6]。土壤養(yǎng)分、酶活、微生物可作為反映管理措施引起的土壤肥力變化的有效指標(biāo)[7-8]。

間伐是森林生態(tài)系統(tǒng)管理的重要措施之一,在世界各地的人工林中普遍使用。合理的間伐強(qiáng)度能夠提高森林生產(chǎn)力、促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)、維持森林生態(tài)系統(tǒng)功能[9]。由于不同間伐處理對(duì)林內(nèi)生境條件、凋落物、植被多樣性等影響不同,導(dǎo)致森林土壤微生物活性、酶活、養(yǎng)分條件在間伐后呈現(xiàn)不同的變化。部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),間伐能提高林地土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤酶及微生物活性[10-12];也有研究表明,間伐可能會(huì)降低森林土壤的養(yǎng)分歸還及碳儲(chǔ)量,進(jìn)而降低土壤營(yíng)養(yǎng)元素和酶活性[13-14];還有部分研究表明,無論間伐強(qiáng)度如何,其均對(duì)土壤酶或微生物無影響[15]。間伐對(duì)土壤養(yǎng)分、酶活、微生物數(shù)量的影響因季節(jié)而異[16-17]。而當(dāng)前圍繞間伐對(duì)土壤質(zhì)量影響的研究多只在單一季節(jié)進(jìn)行,關(guān)于季節(jié)動(dòng)態(tài)的研究較少[18-19]。因此,為準(zhǔn)確選擇對(duì)森林土壤質(zhì)量具有持續(xù)且穩(wěn)定促進(jìn)作用的林分間伐強(qiáng)度,需要了解不同間伐處理下土壤因子的季節(jié)變化動(dòng)態(tài)。

作為中國(guó)南方重要的鄉(xiāng)土用材樹種,馬尾松 (Pinusmassoniana) 具有分布廣、適應(yīng)能力強(qiáng)、綜合利用程度高等特點(diǎn)[20]。但在其經(jīng)營(yíng)過程中,由于樹種結(jié)構(gòu)單一,長(zhǎng)期重造輕管導(dǎo)致林分過密,不利于林木生長(zhǎng)、地力的維持及提高,因此,在對(duì)馬尾松人工林的管理實(shí)踐中間伐被廣泛應(yīng)用。本研究選取不同間伐強(qiáng)度處理4 a后的馬尾松人工林,研究其土壤碳氮、微生物、酶活的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化,以了解林地土壤特性對(duì)不同間伐處理的季節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng),探索間伐作業(yè)在提高林地土壤質(zhì)量中的作用,為科學(xué)確定林分間伐強(qiáng)度和指導(dǎo)林地養(yǎng)分管理等提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省臺(tái)江縣臺(tái)盤鄉(xiāng)平水村 (26°42′ N,103°10′ E),屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,年均溫度15.7 ℃,年降水量1 050～1 400 mm,海拔最高為814 m、最低為731 m。土壤主要為紅壤和黃棕壤,樣地土壤0～15 cm土層土壤理化性質(zhì)的平均值為:pH=4.58,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)33.06 g·kg-1,全磷、全氮、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.44、1.19、15.15 g·kg-1,有效氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為90.51、2.65、51.95 mg·kg-1。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

選擇1998年種植的具有相同初始密度的馬尾松人工林作為試驗(yàn)樣地,于2010年在研究區(qū)沿等高線隨機(jī)區(qū)組開展密度調(diào)控試驗(yàn),設(shè)置未間伐(T0,2 016株·hm-2)、輕度間伐(T1,1 800株·hm-2)、中度間伐(T2,1 575株·hm-2)、重度間伐(T3,1 350株·hm-2) 4個(gè)處理,試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù),每個(gè)小區(qū)面積為600 m2(30 m×20 m)。間伐4 a后,于2014年3月(春季)、6月(夏季)、9月(秋季)、12月(冬季)進(jìn)行土壤采樣,樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本概況

2.2 土樣采集

分別于2014年3、6、9、12月上旬采集12個(gè)樣地內(nèi)0～15 cm土層土樣,每個(gè)樣地隨機(jī)采集5個(gè)點(diǎn),去除枯枝落葉、昆蟲、石塊等,過2 mm篩后按四分法進(jìn)行混合,每個(gè)樣地獲得1份約1 kg的混合土樣。取一部分土樣于冰箱4 ℃保存用于測(cè)定土壤酶活和微生物數(shù)量,其余部分風(fēng)干后用于土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定。

土壤酶活和微生物數(shù)量測(cè)定方法參考李振高等[21]方法,碳氮測(cè)定參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[22-24]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用office 2019和SPSS18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析;以季節(jié)作為方差分析的內(nèi)部因子,使用重復(fù)測(cè)量方差分析對(duì)不同季節(jié)中不同間伐程度下土壤酶活、微生物數(shù)量、碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析;采用LSD法進(jìn)行多重比較;使用簡(jiǎn)單相關(guān)性分析檢驗(yàn)不同土壤指標(biāo)間相關(guān)性;采用主成分分析評(píng)價(jià)各間伐程度下林地土壤質(zhì)量。

采用隸屬函數(shù)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,用于主成分分析。分析過程中,按照特征值大于1的原則提取主成分用于后續(xù)分析。根據(jù)主成分得分系數(shù)計(jì)算各主成分的得分(Fjn),對(duì)所得主成分的得分進(jìn)行加權(quán)求和,以主成分對(duì)應(yīng)的的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重,得到各林分土壤綜合分值(Dn),公式如下:

Ui=(Ii-Imin)/(Imax-Imin);

(1)

(2)

式中:Ui指第n個(gè)樣品第i個(gè)土壤參數(shù)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值;Ii為第n個(gè)樣品第i個(gè)品質(zhì)指標(biāo)的原始測(cè)定值;Imin和Imax分別指所有樣品中第i個(gè)土壤參數(shù)原始數(shù)據(jù)的最小值和最大值;Dn為各間伐處理林分土壤綜合得分;Fjn為第n個(gè)樣品第j個(gè)主成分得分值;Ej為第j個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率;m為所提取的主成分個(gè)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

由表2、表3可知,季節(jié)變化對(duì)馬尾松林地土壤全氮、堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有顯著影響;間伐對(duì)馬尾松林地土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響存在季節(jié)性差異,且不同間伐強(qiáng)度的影響有異同。相對(duì)于T0處理,T2處理在3月、6月、9月、12月均穩(wěn)定提高了土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),且在12月時(shí)對(duì)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、3月時(shí)對(duì)全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的促進(jìn)作用達(dá)顯著水平(P<0.05),分別提高了13.58%、18.65%。對(duì)于T1處理,12月時(shí)堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有下降,3月、6月、9月該處理對(duì)土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均具有穩(wěn)定促進(jìn)作用;3月、6月、9月、12月該處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)有穩(wěn)定促進(jìn)作用,且在12月時(shí)對(duì)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、3月時(shí)對(duì)全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的促進(jìn)作用達(dá)顯著水平(P<0.05),分別提高了9.46%、16.69%。對(duì)于T3處理,9月時(shí)該處理下有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有下降,3月、6月、12月該處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及3月、6月、9月、12月對(duì)土壤全氮和堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均具有穩(wěn)定的促進(jìn)作用,且在12月時(shí)對(duì)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)促進(jìn)作用達(dá)顯著水平(P<0.05)。4個(gè)間伐處理中,3月、6月、9月、12月時(shí)均以T2處理的土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。此外,4個(gè)間伐處理的土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1.13～1.62 g·kg-1)和堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(70.89～137.47 mg·kg-1)均以3月、9月高于6月、12月,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(33.23～46.44 g·kg-1)在3月達(dá)峰值。

表2 不同季節(jié)中不同間伐強(qiáng)度下馬尾松人工林土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

月份全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/g·kg-1T0T1T2T33(1.36±0.03)Ab(1.59±0.08)Aa(1.62±0.05)Aa(1.41±0.05)Ab6(1.22±0.03)Aa(1.28±0.11)Aa(1.31±0.09)Aa(1.24±0.09)Aa9(1.33±0.11)Aa(1.42±0.12)Aa(1.45±0.10)Aa(1.34±0.09)Aa12(1.13±0.09)Aa(1.24±0.09)Aa(1.38±0.11)Aa(1.16±0.07)Aa

注:T0為未間伐;T1為輕度間伐;T2為中度間伐;T3為重度間伐;表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;同列不同大寫字母表示同一梯度不同月份間差異顯著(P<0.05);同行不同小寫字母表示同一月份不同梯度間差異顯著(P<0.05)。

3.2 土壤酶活性變化

由表3、表4可知,季節(jié)變化對(duì)4種酶活性均具有顯著影響,間伐對(duì)脲酶和蔗糖酶活性具有顯著影響,二者交互作用僅對(duì)蔗糖酶活性有顯著影響(P<0.05)。不同間伐強(qiáng)度對(duì)4種土壤酶活性的影響不同,且存在一定的季節(jié)性差異。相較于T0處理,T1、T2處理在3月、6月、9月、12月內(nèi)均能提高4種土壤酶活性,其中,T2處理在6月、12月顯著提高脲酶活性;T1、T2處理在6月、9月、12月對(duì)蔗糖酶活性促進(jìn)作用達(dá)顯著水平(P<0.05)。與T0處理相比,T3處理在3月、6月、9月、12月中持續(xù)抑制過氧化氫酶活性(P>0.05),對(duì)其他3種酶活性的影響則因季節(jié)而異。T3處理除6月時(shí)對(duì)磷酸酶活性具有抑制作用外,在其余月份均對(duì)磷酸酶活性均有促進(jìn)作用(P>0.05);該處理在3月、12月時(shí)抑制脲酶活性,在6月、9月則對(duì)脲酶活性有促進(jìn)作用,并在6月達(dá)顯著水平(P<0.05);6月、9月時(shí),T3處理顯著提高蔗糖酶活性,但在3月則無顯著促進(jìn)作用,12月則對(duì)蔗糖酶活性具有抑制作用。3月、6月、9月、12月,4種酶活性均在T2處理時(shí)達(dá)到峰值。所有間伐處理的過氧化氫酶活性由大到小依次為:9月、12月、3月、6月。磷酸酶活性在3月、9月較高。不同間伐程度下的蔗糖酶和脲酶活性季節(jié)變化趨勢(shì)不同。

表3 重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果

3.3 不同間伐程度下土壤微生物數(shù)量時(shí)間動(dòng)態(tài)變化

由表3、表5可知,間伐、季節(jié)分別對(duì)除氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌外的其余微生物數(shù)量存在顯著影響,二者交互效應(yīng)對(duì)除真菌和氨化細(xì)菌外的微生物數(shù)量具有顯著影響(P<0.05)。相對(duì)T0處理,T1、T2處理在3月、6月、9月、12月中穩(wěn)定增加細(xì)菌和放線菌數(shù)量,其中,T1、T2處理對(duì)細(xì)菌數(shù)量的促進(jìn)作用在4個(gè)月份均達(dá)顯著水平,在3月、9月對(duì)放線菌數(shù)量促進(jìn)作用也達(dá)顯著水平(P<0.05)。T3處理在除6月外的其余月份對(duì)細(xì)菌和放線菌數(shù)量也具有促進(jìn)作用。間伐在3月、6月、9月、12月中對(duì)真菌數(shù)量起穩(wěn)定促進(jìn)作用,但不同季節(jié)的促進(jìn)效應(yīng)不同。除T2、T3處理在6月對(duì)氨化細(xì)菌數(shù)量具有不顯著抑制作用外,T1處理在3月、6月、9月、12月以及T2、T3處理在3月、9月、12月對(duì)氨化細(xì)菌的數(shù)量均起促進(jìn)作用,且T2處理在3月時(shí)對(duì)氨化細(xì)菌的促進(jìn)作用達(dá)顯著水平(P<0.05)。不同間伐程度對(duì)硝化細(xì)菌數(shù)量影響不同,且季節(jié)性差異明顯,其中,T3處理在6月對(duì)硝化細(xì)菌數(shù)量具有顯著的促進(jìn)作用,但在3月、9月、12月均呈抑制作用;T2處理在6月、9月、12月對(duì)硝化細(xì)菌數(shù)量起促進(jìn)作用;T1處理在3月、6月對(duì)硝化細(xì)菌數(shù)量起抑制作用,但在9月、12月起促進(jìn)作用。細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量均以3月、9月高于6月、12月,不同間伐處理的氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌數(shù)量季節(jié)變化無明顯規(guī)律。

表4 不同季節(jié)中不同間伐強(qiáng)度下馬尾松人工林土壤酶活性

表5 不同季節(jié)中不同間伐強(qiáng)度下馬尾松人工林土壤微生物數(shù)量

月份放線菌數(shù)量/105cfu·g-1T0T1T2T33(17.55±1.64)Bd(31.44±2.53)Bb(40.11±1.39)Ba(23.47±1.70)Bc6(21.23±1.65)Ba(26.81±2.00)Ba(35.73±1.38)Ba(20.79±1.62)Ba9(60.92±4.54)Ad(78.30±6.51)Ac(112.87±6.64)Aa(98.37±6.34)Ab12(10.85±3.78)Bc(13.59±1.50)Cbc(19.61±1.65)Ca(17.72±1.02)Bab

月份真菌數(shù)量/105cfu·g-1T0T1T2T33(9.76±0.94)Ab(11.86±0.53)Aab(15.59±0.61)Aa(12.64±0.59)Aab6(0.74±0.16)Bc(1.50±0.47)Ba(1.27±0.25)Cab(0.97±0.07)Bbc9(1.77±0.10)Ba(1.86±0.36)Ba(2.23±0.26)Ba(1.84±0.12)Ba12(0.47±0.05)Ba(0.61±0.04)Ba(0.71±0.18)Ca(0.57±0.04)Ba

月份氨化細(xì)菌數(shù)量/105cfu·g-1T0T1T2T33(10.57±0.65)Ab(10.79±0.99)ABb(15.06±1.11)Aa(13.00±1.02)Aab6(11.44±1.04)Aa(12.43±1.00)ABa(8.93±0.53)Ba(8.41±0.50)Ba9(8.54±0.45)Aa(9.79±1.46)Ba(10.30±0.83)Ba(9.23±0.85)Ba12(12.28±0.73)Aa(14.27±1.04)Aa(15.32±1.50)Aa(14.20±0.93)Aa

注:T0為未間伐;T1為輕度間伐;T2為中度間伐;T3為重度間伐;表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;同列不同大寫字母表示同一梯度不同月份間差異顯著(P<0.05);同行不同小寫字母表示同一月份不同梯度間差異顯著(P<0.05)。

3.4 土壤養(yǎng)分、土壤酶和微生物數(shù)量的相關(guān)性

相關(guān)分析表明,除氨化細(xì)菌外,其余指標(biāo)間均存在顯著相關(guān)性。其中,土壤有機(jī)質(zhì)與硝化細(xì)菌存在顯著相關(guān)性(P<0.05),與真菌、磷酸酶、脲酶存在極顯著相關(guān)性(P<0.01);堿解氮、全氮與真菌、細(xì)菌、蔗糖酶、磷酸酶存在顯著相關(guān)性(表6)。

3.5 不同間伐程度下土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

采用主成分分析方法評(píng)價(jià)不同間伐強(qiáng)度下的林地質(zhì)量。依據(jù)特征值大于1的原則抽取了前2個(gè)主成分,累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)95.199%(表7),表明2個(gè)公因子能準(zhǔn)確體現(xiàn)土壤指標(biāo)的綜合信息。其中,主成分1主要包含除硝化細(xì)菌外的其余指標(biāo),而硝化細(xì)菌則在主成分2中發(fā)揮重要作用(表8)。根據(jù)得分系數(shù)矩陣(表9),并將各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后代入,可得2個(gè)主成分的得分(F1、F2),分別為:

F1=0.101×X2+0.101×X7+0.074×X11+0.119×X10+0.108×X1+0.0.112×X4+0.107×X3+0.074×X8+0.077×X9+0.082×X6+0.093×X5+0.066×X12;

F2=-0.014×X2-0.062×X7+0.139×X11-0.268×X10-0.092×X1-0.146×X4-0.089×X3+0.202×X8+0.172×X9+0.142×X6+0.034×X5-0.726×X12。

其中,X1～X12分別代表磷酸酶、有機(jī)質(zhì)、蔗糖酶、脲酶、氨化細(xì)菌、真菌、全氮、細(xì)菌、放線菌、過氧化氫酶、堿解氮、硝化細(xì)菌。以各主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重計(jì)算4個(gè)間伐程度林下土壤質(zhì)量綜合得分(表10),各處理得分由高到低依次為T2、T1、T3、T0,表明中度間伐最有利于提高森林土壤質(zhì)量。

表6 土壤碳氮與土壤酶、微生物數(shù)量的相關(guān)系數(shù)

表7 土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主成分分析結(jié)果

4 結(jié)論與討論

碳、氮作為植物生長(zhǎng)所需的大量元素,在森林生態(tài)系統(tǒng)中的作用具有不可替代性。植被凋落物、根系、根系分泌物是土壤碳氮的主要來源[25],因此,森林經(jīng)營(yíng)措施對(duì)林分密度結(jié)構(gòu)和植被組成的影響會(huì)改變林地土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。本研究中,輕度、中度、重度間伐總體對(duì)林地土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有不同程度的促進(jìn)作用,且以中度間伐的促進(jìn)效果最為明顯及穩(wěn)定。盛煒彤等[26]研究表明,間伐主要通過促進(jìn)林下植被生長(zhǎng)、因林冠疏開導(dǎo)致的水土流失、間伐木移走損失的養(yǎng)分等方式影響土壤肥力。本研究中,間伐后林地碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加可能是由于間伐改善了林分中溫度、光照及濕度[27],提升了作為土壤養(yǎng)分重要來源的凋落物層的分解速率,同時(shí)促進(jìn)了林下植被生長(zhǎng),進(jìn)而增加易降解凋落物、土壤養(yǎng)分、根系分泌物的輸入[28]。間伐后林地中相對(duì)較高的堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)也能反映林分有較高的凋落物分解能力和較好的土壤環(huán)境[29]。葛曉改等[30]對(duì)馬尾松人工林的研究發(fā)現(xiàn),相較于凋落物產(chǎn)量,凋落物的周轉(zhuǎn)率才是決定土壤養(yǎng)分的關(guān)鍵,這解釋了本研究中未間伐林地雖然沒有因間伐木移走而丟失養(yǎng)分,仍保持較多的凋落物產(chǎn)量,但土壤養(yǎng)分含量仍較低的現(xiàn)象。此外,馬尾松人工林細(xì)根分布表層化,主要分布在0～20cm的土層中[31],間伐導(dǎo)致大量細(xì)根和根系死亡分解,有效增加土壤碳庫(kù)及N的輸入,這也是間伐林地土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高的原因之一。Liu et al.[32]發(fā)現(xiàn),不同間伐強(qiáng)度能提高土壤全氮,同時(shí)也能改變有效磷、氮、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)。張文雯等[35]研究也發(fā)現(xiàn),間伐能提高土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),且中度間伐處理的養(yǎng)分含量最高。但與本研究結(jié)果不同,Settineri et al.[33]發(fā)現(xiàn),高強(qiáng)度間伐最適于提高土壤碳儲(chǔ)量;趙朝輝等[34]研究發(fā)現(xiàn),隨間伐程度的增大,土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)增加;Wang et al.[35]研究發(fā)現(xiàn),間伐降低了土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這表明,適當(dāng)?shù)拈g伐強(qiáng)度有利于提高馬尾松林地土壤碳氮養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù),但由于林分類型、間伐后恢復(fù)時(shí)間、間伐強(qiáng)度、立地條件不同,不同林分適宜的間伐強(qiáng)度也不同。

表8 主成分與土壤各因子負(fù)荷矩陣

表9 土壤各指標(biāo)的第1主成分、第2主成分得分系數(shù)矩陣

表10 4種間伐強(qiáng)度時(shí)土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

作為土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo),土壤微生物和酶活性易受各種生物和非生物因素的影響。本研究中,間伐顯著改變了土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性,且輕度及中度間伐處理穩(wěn)定增加了真菌、放線菌、細(xì)菌數(shù)量及4種土壤酶活性。過氧化氫酶和蔗糖酶能夠反映土壤腐質(zhì)化強(qiáng)度及有機(jī)碳的分解、周轉(zhuǎn)速度。2種酶活性的增加,進(jìn)一步表明輕度和中度間伐能促進(jìn)林地土壤中凋落物的分解轉(zhuǎn)化,從而提高土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。脲酶和磷酸酶作為養(yǎng)分循環(huán)中的重要水解酶,其活性高低與土壤中養(yǎng)分供應(yīng)狀況密切相關(guān)。本研究中,輕度和中度間伐持續(xù)增加了土壤有機(jī)質(zhì)及全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),為微生物生長(zhǎng)提供了穩(wěn)定的能量和養(yǎng)分供給[36-37],促進(jìn)了微生物活性及數(shù)量增加。充足的養(yǎng)分及豐富的微生物為土壤酶合成提供了保障[38],促使林地土壤酶活性增加。土壤碳氮、微生物與各類酶活間的顯著正相關(guān)性進(jìn)一步證明三者間的密切聯(lián)系。Rousk et al.[39]研究發(fā)現(xiàn),微生物與土壤肥力間存在密切相關(guān)性;Kim et al.[15]發(fā)現(xiàn),不同間伐強(qiáng)度對(duì)土壤性質(zhì)的影響改變了櫟樹和落葉松林中土壤微生物生物量;Kivlin et al.[40]研究也表明,土壤理化性質(zhì)通過養(yǎng)分的有效性來調(diào)節(jié)土壤酶活性。反之,間伐后土壤微生物數(shù)量和酶活性提高,也在一定程度上促進(jìn)林地土壤養(yǎng)分循環(huán),增加土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

季節(jié)變化會(huì)引起植物生長(zhǎng)、土壤水分、溫度和地上植被等發(fā)生變化[41],影響各類養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、酶活、微生物生長(zhǎng)及活性,導(dǎo)致其呈現(xiàn)不同的季節(jié)變化。本研究中,3月、9月的林下土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、磷酸酶活性、細(xì)菌數(shù)量、放線菌數(shù)量、真菌數(shù)量較高,而6月或12月時(shí)較低,出現(xiàn)這種現(xiàn)象與植物生長(zhǎng)發(fā)育階段和環(huán)境條件變化等因素有關(guān)。各季節(jié)中,植物對(duì)林地養(yǎng)分需求不同,林地溫度及濕度、根系分泌物、凋落物輸入量及分解速率也會(huì)發(fā)生變化[42-43],從而導(dǎo)致林地土壤特性呈現(xiàn)較為規(guī)律的季節(jié)性變化。Kaiser et al.[44]也發(fā)現(xiàn),根系分泌物或新鮮凋落物的輸入是秋季或春季時(shí)土壤酶活性最高的主要原因。但由于各種酶和微生物對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力不同,導(dǎo)致蔗糖酶、脲酶、氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌呈現(xiàn)不同的季節(jié)性變化。

不同間伐處理對(duì)部分土壤特性的影響同樣受季節(jié)變化調(diào)控。本研究中,相對(duì)未間伐處理,輕度間伐對(duì)堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硝化細(xì)菌數(shù)量,中度間伐對(duì)氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌數(shù)量的影響均受季節(jié)變化調(diào)控。這2種間伐處理在各季節(jié)中對(duì)其余土壤特性均表現(xiàn)出穩(wěn)定的促進(jìn)作用,但促進(jìn)效應(yīng)無明顯季節(jié)規(guī)律。重度間伐僅對(duì)全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、放線菌數(shù)量、真菌數(shù)量具有穩(wěn)定的促進(jìn)作用,其持續(xù)不顯著抑制過氧化氫酶活性,對(duì)其余指標(biāo)的影響均明顯受季節(jié)變化調(diào)控。由此說明,輕度及中度間伐處理能有效改善林分環(huán)境,對(duì)林地質(zhì)量具有較為穩(wěn)定的促進(jìn)作用,而重度間伐對(duì)大部分土壤指標(biāo)的不穩(wěn)定作用可能是由于擾動(dòng)強(qiáng)度大,影響持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),林分密度過度降低,從而減少了凋落物輸入,導(dǎo)致土壤暴露,地面保溫性較差,最終引起林下土壤pH值、密度、養(yǎng)分、溫度發(fā)生劇烈變化[45]。因此,在評(píng)估間伐對(duì)林地土壤特性影響時(shí),應(yīng)結(jié)合各個(gè)季節(jié)進(jìn)行綜合研究。本研究?jī)H發(fā)現(xiàn)不同間伐程度對(duì)林地土壤特性影響存在季節(jié)性差異,但未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律和機(jī)制,需要進(jìn)一步結(jié)合林內(nèi)環(huán)境條件、凋落物養(yǎng)分歸還、植物生長(zhǎng)、根系分泌物、細(xì)根的發(fā)生和死亡分解的季節(jié)變化動(dòng)態(tài)進(jìn)行深入研究,探明導(dǎo)致間伐影響季節(jié)性差異的具體原因。

土壤酶活性、微生物數(shù)量、養(yǎng)分的變化一定程度上代表了土壤肥力和健康水平[46]。主成分分析結(jié)果表明,間伐能有效提高馬尾松林地土壤質(zhì)量,其中以中度間伐的促進(jìn)效應(yīng)最明顯,這與該間伐處理下碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤酶活性和微生物數(shù)量最高的結(jié)果相呼應(yīng)。Qiu et al.[9]對(duì)不同間伐強(qiáng)度后華北落葉松林土壤特性變化的研究也發(fā)現(xiàn),間伐能有效提高林地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)、提高土壤質(zhì)量,且以中度間伐的促進(jìn)效果最佳。

綜上,輕度和中度間伐對(duì)土壤特性具有穩(wěn)定促進(jìn)作用,其間伐影響的季節(jié)性差異小。重度間伐對(duì)土壤特性的影響存在明顯季節(jié)性差異,但無明顯規(guī)律。間伐能有效提高土壤質(zhì)量,且以中度間伐的促進(jìn)效果最佳及穩(wěn)定。生產(chǎn)實(shí)踐中,可對(duì)馬尾松人工林進(jìn)行適度間伐作業(yè),以穩(wěn)定提高林地土壤質(zhì)量和維持長(zhǎng)期生產(chǎn)力。此外,本研究表明,為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)各種經(jīng)營(yíng)管理措施對(duì)土壤質(zhì)量的影響,應(yīng)該結(jié)合各類指標(biāo)及其季節(jié)動(dòng)態(tài)表現(xiàn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。季節(jié)動(dòng)態(tài)研究能夠較為準(zhǔn)確地指出森林經(jīng)營(yíng)管理活動(dòng)中土壤肥力的缺失或改善之處,為后期林地施肥等經(jīng)營(yíng)措施提供參考。