竹萬寬，許宇星，王志超，杜阿朋

（國家林業(yè)和草原局 桉樹研究開發(fā)中心 廣東湛江桉樹林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，廣東 湛江 524022）

土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，是連接植物和土壤的重要因子，在獲取資源構建自身生物量的同時，驅動生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動，調(diào)控碳和養(yǎng)分在土壤-植物-大氣連續(xù)體之間的循環(huán)，對生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能有重要影響[1?2]。土壤微生物生物量能夠指示生態(tài)系統(tǒng)功能的變化，被用于評價土壤質(zhì)量和反映微生物群落狀態(tài)與功能變化[3]。生態(tài)化學計量學是研究生物系統(tǒng)能量平衡和多重化學元素平衡的科學，是生物地球化學循環(huán)與食物網(wǎng)結構和過程之間的內(nèi)在聯(lián)系，對于探索不同生態(tài)系統(tǒng)不同層次組分之間的相互聯(lián)系和內(nèi)在機制具有重要意義，因而被廣泛應用到微生物驅動的生態(tài)過程研究中[4]。研究表明，土壤微生物群落組成隨植物年齡及發(fā)育階段而發(fā)生變化[5?6]，由林齡引起的林分環(huán)境和土壤環(huán)境的變異會間接影響土壤微生物參與養(yǎng)分循環(huán)[7?10]。養(yǎng)分狀況的差異會對土壤微生物形成不同程度的養(yǎng)分限制，影響微生物群落結構及酶活性，對養(yǎng)分在根系、土壤和微生物之間的循環(huán)和轉化同樣會產(chǎn)生不確定的影響，進而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能[11]。因此，研究土壤養(yǎng)分與土壤微生物生物量及其生態(tài)化學計量特征間的相互作用關系對理解陸地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)十分重要。另外，土壤微生物對碳氮磷循環(huán)的調(diào)控機制也是生物地球化學循環(huán)研究的重要內(nèi)容之一。桉樹Eucalyptus spp. 是世界三大速生豐產(chǎn)樹種之一，因具有良好的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益而被廣泛引種和種植，截至2015年底，中國桉樹人工林面積已達4.5×106hm2[12]。非科學的經(jīng)營措施(如超短輪伐期、連栽等)造成的地力衰退等問題[13]，成為制約人工林生產(chǎn)力的主要原因[14]。目前，對桉樹人工林生態(tài)化學計量特征研究主要集中在器官、凋落物和土壤等尺度[12,15?16]，對土壤-微生物生態(tài)化學計量特征研究較少。本研究以雷州半島不同生長階段尾巨桉E. urophylla × E. grandis人工林為研究對象，探討其土壤-微生物碳、氮、磷化學計量特征，以期為桉樹高效可持續(xù)經(jīng)營養(yǎng)分管理提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

本研究樣地雷州半島北部廣東湛江桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站 (21°15′53.5″N，110°05′39.2″E)，地處北熱帶濕潤大區(qū)雷瓊區(qū)北緣，為海洋性季風氣候。最高海拔220.8 m，最低海拔80.0 m。年平均氣溫23.1 ℃，最熱月(7月)平均氣溫28.8 ℃，最冷月(1月)平均氣溫15.6 ℃，≥10 ℃的活動積溫8 373.0 ℃。年平均降水量1 567 mm，年相對濕度80.4%，年均日照時數(shù)1 937 h。樣地土壤類型為玄武巖發(fā)育的磚紅壤，土壤肥力中等，土層厚度達84 cm。

2 研究方法

2.1 樣地選取

依據(jù)國家林業(yè)和草原局2017年發(fā)布的林業(yè)行業(yè)標準《主要樹種齡級與齡組》，將南方山地丘陵區(qū)桉樹工業(yè)原料林劃分為：幼齡林(1～2 a)、中齡林(3～4 a)、近熟林(5 a)、成熟林(6～7 a)和過熟林(≥8 a)，2017年7月以空間換時間的方法在研究區(qū)選取立地條件、土壤類型較一致的幼齡林(2 a)、成熟林(6 a)、過熟林(9 a)等3個尾巨桉人工林，各林齡林分內(nèi)隨機設置20 m×20 m樣地，每個樣地3個重復，進行每木檢尺調(diào)查。樣地基本概況見表1。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic situation of sample plots

2.2 樣品采集與處理

2018年6月在各樣地內(nèi)隨機設置5個樣點，分別挖取土壤剖面(距離樹干100 cm以外)，環(huán)刀法(100 cm3)采集0～20、20～40和40～60 cm層次土壤；同層土壤混合均勻裝袋標記后置于含冰袋的保溫箱中，帶回實驗室。一部分風干，研磨，過篩，用于測定土壤有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分數(shù)，另一部分置于4 ℃冰箱中冷藏保存，用于測定土壤微生物生物量碳、氮、磷質(zhì)量分數(shù)[17]。土壤有機碳采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定，土壤全氮采用凱氏定氮法測定，土壤全磷采用氫氧化鈉熔融，鉬銻抗比色法測定[18]；微生物碳采用三氯甲烷熏蒸-重鉻酸鉀容量法測定[19]，微生物氮采用三氯甲烷熏蒸-蒸餾-鹽酸(HCl)滴定法測定[20]，微生物磷采用三氯甲烷熏蒸-全磷法測定[21]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)處理與分析。采用單因素方差法(one-way ANOVA)對不同生長階段土壤有機碳、全氮、全磷和微生物碳、氮、磷質(zhì)量分數(shù)及碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)、氮磷比(N/P)進行方差分析和顯著性檢驗(P＜0.05)。Pearson相關檢驗分析土壤有機碳、全氮、全磷和微生物碳、氮、磷質(zhì)量分數(shù)及C/N、C/P、N/P關系。采用Canoco 5進行冗余分析(RDA)。采用SigmaPlot 14.0制作圖形。

圖1 不同生長階段土壤與土壤微生物碳、氮、磷質(zhì)量分數(shù)Figure 1 Carbon, nitrogen and phosphorus contents of soil and soil microbial biomass in different growth stages

3 結果與分析

3.1 土壤有機碳、全氮、全磷和土壤微生物碳、氮、磷質(zhì)量分數(shù)特征

由圖1所示：從碳、氮、磷的平均質(zhì)量分數(shù)看，幼齡林土壤分別為17.88、1.32、0.72 g·kg?1，土壤微生物分別為 493.04、52.45、13.54 mg·kg?1；成熟林土壤分別為 14.99、1.45、0.78 g·kg?1，土壤微生物分別為 436.41、49.83、10.62 mg·kg?1；過熟林土壤分別為 20.15、1.47、0.88 g·kg?1，土壤微生物分別為583.09、55.20、28.03 mg·kg?1。不同生長階段尾巨桉林同一土層土壤碳(Csoil)質(zhì)量分數(shù)從大到小依次為過熟林、幼齡林、成熟林，成熟林的0～20和20～40 cm土層顯著低于其他生長階段(P＜0.05)，垂直分布均為隨土層加深而遞減，各土層間差異顯著(P＜0.05)。土壤氮(Nsoil)質(zhì)量分數(shù)在不同生長階段無明顯差異，垂直分布表現(xiàn)與碳垂直分布一致。土壤磷(Psoil)質(zhì)量分數(shù)從大到小依次為過熟林、成熟林、幼齡林，不同生長階段差異顯著(P＜0.05)，不同土層間無明顯差異。

土壤微生物碳(Cmic)質(zhì)量分數(shù)在0～20 cm土層表現(xiàn)為成熟林顯著低于幼齡林和過熟林(P＜0.05)，20～40 cm土層過熟林Cmic質(zhì)量分數(shù)顯著高于幼齡林和成熟林(P＜0.05)。土壤微生物氮(Nmic)質(zhì)量分數(shù)在0～20 cm土層均表現(xiàn)為過熟林、幼齡林顯著高于成熟林(P＜0.05)。土壤微生物磷(Pmic)質(zhì)量分數(shù)各土層均表現(xiàn)為過熟林顯著高于其他階段(P＜0.05)。幼齡林Cmic質(zhì)量分數(shù)隨土層加深遞減，各土層間差異顯著(P＜0.05)。過熟林中0～20 cm土層Cmic質(zhì)量分數(shù)顯著高于40～60 cm土層(P＜0.05)。幼齡林、成熟林不同土層間Nmic質(zhì)量分數(shù)無顯著差異，過熟林中0～20 cm土層顯著高于其他土層(P＜0.05)。幼齡林、成熟林中Pmic質(zhì)量分數(shù)0～20 cm土層顯著高于其他土層(P＜0.05)，過熟林中各土層間無顯著差異。

3.2 不同生長階段土壤和土壤微生物生物量碳、氮、磷化學計量比

由圖2所示：從碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)、氮磷比(N/P)均值看，幼齡林土壤分別為13.51、24.87、1.84，土壤微生物分別為9.42、41.89、4.85；成熟林土壤分別為10.52、19.25、1.86，土壤微生物分別為9.21、46.37、5.48；過熟林土壤分別為13.63、22.83、1.68，土壤微生物分別為10.97、21.25、2.00。Csoil/Nsoil以成熟林最小，幼齡林和過熟林僅在20～40 cm土層差異顯著(P＜0.05)。Csoil/Psoil在0～20和20～40 cm土層從大到小依次為幼齡林、過熟林、成熟林。同一生長階段Csoil/Psoil隨土層加深遞減，兩兩之間差異顯著(P＜0.05)。Nsoil/Psoil僅過熟林的0～20 cm土層顯著低于幼齡林和成熟林(P＜0.05)，其他無顯著差異。Cmic/Nmic在20～40 cm土層均表現(xiàn)為過熟林顯著高于其他階段(P＜0.05)，40～60 cm土層表現(xiàn)為過熟林顯著高于幼齡林(P＜0.05)，與成熟林無顯著差異。Cmic/Pmic在0～20 cm和40～60 cm表現(xiàn)為過熟林顯著低于幼齡林和成熟林(P＜0.05)。Nmic/Pmic在0～20 cm無顯著差異，20～40和40～60 cm均以過熟林最小。

不同生長階段Cmic/Csoil、Nmic/Nsoil、Pmic/Psoil分別為2.58%～3.40%、2.44%～4.61%、0.97%～3.72% (圖3)。不同階段和不同土層Cmic/Csoil均無顯著差異。過熟林0～20 cm土層Nmic/Nsoil顯著高于其他階段(P＜0.05)。各土層的Pmic/Psoil均以過熟林最大，僅0～20 cm土層與幼齡林差異不顯著，其他均具有顯著差異(P＜0.05)。

圖2 不同生長階段土壤與土壤微生物碳、氮、磷化學計量比Figure 2 Carbon, nitrogen and phosphorus stoichiometric ratios of soil and soil microbial biomass with different growth stages

圖3 不同生長階段土壤微生物與土壤碳、氮、磷之比Figure 3 Carbon, nitrogen and phosphorus stoichiometric ratios of soil and soil microbial biomass with different growth stages

3.3 不同生長階段土壤和土壤微生物碳、氮、磷質(zhì)量分數(shù)及化學計量比的關系

由圖4可知：幼齡林第1軸和第2軸的解釋變量分別為99.08%和0.65%，Csoil、Csoil/Psoil、Nsoil、Nsoil/Psoil和Pmic/Psoil是土壤微生物及其化學計量比的顯著影響因子；成熟林第1軸和第2軸的解釋變量分別為91.68%和6.36%，Csoil/Psoil是土壤微生物的主要影響因子；過熟林第1軸和第2軸的解釋變量分別為99.07%和0.72%，Nsoil、Nsoil/Psoil、Csoil/Psoil、Csoil和Pmic/Psoil是土壤微生物及其化學計量比的顯著影響因子。說明在林分不同生長階段，土壤微生物生物量的主要影響因子及其影響程度具有差異。相比之下，成熟林階段土壤化學性質(zhì)對微生物影響較小，對于3個階段平均而言，第1軸和第2軸的解釋變量分別為 96.97% 和 1.29%，Csoil、Csoil/Psoil、Pmic/Psoil、Nsoil、Nsoil/Psoil、Psoil和 Csoil/Nsoil是尾巨桉人工林土壤微生物的顯著影響因子。

圖4 不同生長階段土壤與土壤微生物碳、氮、磷及化學計量比的冗余分析Figure 4 Carbon, nitrogen and phosphorus contents and stoichiometric ratios of soil and soil microbial biomass with different growth stages

由相關性分析(表2)可知：幼齡林的Cmic、Pmic、Cmic/Nmic受土壤養(yǎng)分及其化學計量比的影響較為一致，均與Csoil、Nsoil、Csoil/Psoil、Nsoil/Psoil、Pmic/Psoil呈顯著(P＜0.05)或極顯著(P＜0.01)正相關。成熟林中僅Pmic與土壤養(yǎng)分關系較為密切，Pmic與Csoil、Nsoil、Csoil/Psoil、Nsoil/Psoil、Pmic/Psoil呈顯著(P＜0.05)或極顯著(P＜0.01)正相關。過熟林中各指標與土壤化學性質(zhì)及其化學計量比的關系表現(xiàn)差異較大，Cmic與Csoil、Nsoil、Csoil/Psoil、Nsoil/Psoil呈極顯著(P＜0.01)正相關性，與Pmic/Psoil呈顯著(P＜0.05)正相關；Nmic與 Csoil、Nsoil、Psoil、Csoil/Psoil、Nmic/Nsoil存在顯著 (P＜0.05)或極顯著 (P＜0.01)正相關；Cmic/Nmic與Psoil、Csoil/Nsoil、Nmic/Nsoil呈極顯著(P＜0.01)負相關。

表2 土壤和土壤微生物碳、氮、磷及化學計量比的相關性Table 2 Correlation of soil and microbe biomass C, N, P content and their stoichiometry

4 討論

4.1 不同生長階段土壤化學性質(zhì)及土壤微生物生物量特征

按照中國第2次土壤普查養(yǎng)分分級標準[22]，本研究中0～60 cm土層Csoil質(zhì)量分數(shù)均值，幼齡林(17.88 g·kg?1)和成熟林 (14.99 g·kg?1)達到中下 (4級)水平，過熟林 (20.15 g·kg?1)達到中上 (3級)水平；Nsoil質(zhì)量分數(shù)均值，幼齡林 (1.32 g·kg?1)、成熟林 (1.45 g·kg?1)和過熟林 (1.47 g·kg?1)均達到中上(3級)水平；Psoil質(zhì)量分數(shù)，幼齡林 (0.72 g·kg?1)和成熟林 (0.78 g·kg?1)達到中上 (3級)水平，成熟林(0.88 g·kg?1)達到高(2級)水平。本研究中，尾巨桉人工林Csoil質(zhì)量分數(shù)從大到小依次為過熟林、幼齡林、成熟林，與以往研究相同[23]。這可能是由于成熟林階段屬桉樹人工林速生生長階段，林木生長需要消耗大量養(yǎng)分，原有有機質(zhì)的分解大于外界輸入，從而使土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)下降；當進入過熟林階段后，林木生長趨緩，對養(yǎng)分吸收減少，而凋落物和植物根系不斷積累，分解產(chǎn)生有機碳輸入土壤，使得土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)升高。土壤Nsoil和Psoil質(zhì)量分數(shù)均為從幼齡林、成熟林到過熟林增加的趨勢，與XU等[23]研究結果一致?？赡苁请S著林齡的增加，林分郁閉度降低，林下植被生物多樣性增加，凋落物分解速度加快[24]，使得土壤養(yǎng)分在過熟林階段得到積累。

土壤微生物生物量既是土壤有機質(zhì)和土壤養(yǎng)分轉化與循環(huán)的動力，又可作為土壤中植物有效養(yǎng)分的儲備庫，在土壤肥力和植物營養(yǎng)中具有重要作用。本研究中，土壤微生物Cmic、Nmic、Pmic質(zhì)量分數(shù)(504.18、52.49、17.40 mg·kg?1)均低于全球土壤 (680.4、105.0、40.3 mg·kg?1)和森林土壤 (629、98、32 mg·kg?1)的平均水平?？赡茉蚴嵌梯喎テ谌斯ち滞寥罃_動頻繁，對土壤微生物群落結構產(chǎn)生較大影響[25?26]，不利于土壤微生物繁殖和生長，具體影響機制有待進一步研究。本研究中，微生物Cmic、Nmic、Pmic質(zhì)量分數(shù)均值均以過熟林最高，與時偉偉等[27]研究結果一致。易桂田等[28]對1、6、11 a生尾葉桉E. urophylla人工林的研究發(fā)現(xiàn)：土壤微生物碳質(zhì)量分數(shù)隨林齡降低，11 a生植株中僅為56.912 mg·kg?1；這與本研究結果不同?？赡茉蚴洽勹駱淙斯ち滞寥牢⑸镏饕性?～20 cm土層[29]，本研究對0～60 cm土層進行了取樣分析，相比于0～10 cm土層取樣更具代表性；②研究區(qū)桉樹過熟林凋落物量積累較大，具有較高的養(yǎng)分歸還量[30]，土壤養(yǎng)分含量也處于3個階段的最高水平，使得土壤微生物可利用底物含量較高，因而生物量增加；③土壤微生物碳、氮、磷化學計量具有環(huán)境可塑性，會因土壤資源狀況、氣候條件、植被組成、土壤理化性質(zhì)等的不同而產(chǎn)生差異[31?33]。

3個生長階段土壤Csoil和Nsoil質(zhì)量分數(shù)隨土層加深遞減，且差異顯著。原因是土壤碳、氮主要來源于土壤表面枯落物的分解歸還，在土壤表層積累后經(jīng)淋溶作用向下遷移，從而被植物吸收利用。Psoil主要集中在0～20 cm土層，隨土層變化幅度較小，呈“表層聚集性”特點[34]；可能是由于林分凋落物周轉較快，分解的林下凋落物、死亡的植物和腐敗的枯草向表層土壤補充大量養(yǎng)分所致[35]；此外，土壤磷主要來源于土壤母質(zhì)風化，而風化是一個漫長的過程，風化程度在0～60 cm土層中無明顯差異，因而土壤磷在土壤剖面上的變化幅度較小。土壤微生物Cmic、Nmic、Pmic質(zhì)量分數(shù)基本表現(xiàn)為表層土壤高于深層土壤，這與前人研究結果相符[9,36]。表層土壤富集了大多數(shù)功能根系，有利于提高微生物生物量[37]，其微生物活性顯著高于深層土壤[38]；而深層土壤生境條件較差，抑制微生物活性，因此生物量也較低。

土壤微生物主要由異養(yǎng)型的細菌和真菌組成，土壤中可利用養(yǎng)分資源是調(diào)節(jié)土壤微生物生物量增長的驅動因子，因此微生物生物量通常與土壤養(yǎng)分變化趨勢基本一致[39]。本研究中過熟林Cmic、Nmic與土壤Csoil、Nsoil均表現(xiàn)出顯著或極顯著相關性，幼齡林Cmic與Csoil、Nsoil表現(xiàn)出極顯著相關性，與以往研究結果一致[7,36]。幼齡林Nmic及成熟林Cmic、Nmic與Csoil、Nsoil未表現(xiàn)出顯著相關性，與王薪琪等[9]和LITTON等[40]發(fā)現(xiàn)：土壤微生物碳、氮與土壤有機碳、氮相關性不顯著的結果相近?？赡茉蚴洽僦参?草本和木本)根系的生理活性或土壤有機質(zhì)的活性組分(輕組碳)對微生物生物量碳的影響較大[41]；②成熟林處于速生生長期，地上生物量隨林齡增加趨勢明顯[42?43]，地上植被的生長與土壤微生物碳的固定可能存在競爭關系。

4.2 不同生長階段土壤及微生物生物量碳氮磷化學計量特征

土壤碳氮磷比值是土壤有機質(zhì)組成和質(zhì)量程度的一個重要指標。TIAN等[44]研究發(fā)現(xiàn)中國土壤Csoil/Nsoil、Csoil/Psoil、Nsoil/Psoil均值分別為 11.9、61.0、5.2。本研究中，Csoil/Nsoil、Csoil/Psoil、Nsoil/Psoil的均值分別為12.55、22.32、1.79；較高的Csoil/Nsoil表明本研究土壤有機質(zhì)礦化作用較慢，較低的Csoil/Psoil說明微生物在礦化土壤有機質(zhì)釋放磷的潛力較大[45]，提示研究地Psoil質(zhì)量分數(shù)處于較高水平。

XU等[46]研究表明：全球土壤微生物Cmic/Nmic、Cmic/Pmic、Nmic/Pmic的均值分別為7.6、42.4、5.6；李品等[47]發(fā)現(xiàn)：亞熱帶闊葉林分別為5.8、53.4、9.1。本研究中，Cmic/Nmic、Cmic/Pmic、Nmic/Pmic的均值分別為9.87、36.50、4.11，其中Cmic/Nmic高于全球和亞熱帶闊葉林均值，Cmic/Pmic、Nmic/Pmic低于全球土壤和亞熱帶闊葉林均值，結合研究區(qū)土壤理化性質(zhì)發(fā)現(xiàn)：Nsoil質(zhì)量分數(shù)處于中上水平，而低的土壤氮素有效性會影響微生物的利用。研究[48]表明：土壤微生物碳氮比、碳磷比與土壤有機質(zhì)質(zhì)量相關，土壤中有效氮、有效磷越豐富，則土壤微生物碳氮比、碳磷比值越低。本研究過熟林Cmic/Nmic高于幼齡林和成熟林，而Cmic/Pmic低于幼齡林和成熟林，表明隨著森林植物生長和土壤環(huán)境條件的改變，土壤中有效養(yǎng)分資源對土壤微生物生長限制程度也在改變。相關研究[49]表明：土壤微生物C/N可以反映土壤微生物種類和區(qū)系，細菌和真菌的C/N一般為3～5和4～15，土壤中Cmic/Nmic越大，真菌比例越高[50]。本研究中過熟林Cmic/Nmic最大，說明過熟林土壤真菌含量相對豐富。相關性分析表明：幼齡林中Cmic/Nmic與Csoil/Nsoil相關系數(shù)為0.327，成熟林中為0.073，過熟林中為?0.805，表明Cmic/Nmic隨著Csoil/Nsoil的改變是微生物適應土壤養(yǎng)分變化的重要機制[51]。

Cmic/Csoil、Nmic/Nsoil、Pmic/Psoil可以反映土壤養(yǎng)分向微生物的轉化效率和土壤養(yǎng)分的流失狀況，比單獨使用微生物生物量或土壤養(yǎng)分來表征土壤質(zhì)量變化更加有效[52?53]。本研究中，3個階段Cmic/Csoil無顯著差異，Cmic與Cmic/Csoil均無顯著相關性，說明土壤微生物Cmic的周轉速度在3個階段差異可能并不明顯。0～20 cm 土層的Nmic/Nsoil、Pmic/Psoil均表現(xiàn)為成熟林最高，且分別與Nmic、Pmic存在極顯著正相關，可能是由于過熟林土壤微生物Nmic、Pmic比幼齡林和成熟林具有更快的周轉速度，其增加幅度高于Nsoil、Psoil，這與吳建平等[54]研究結果類似。

5 結論

尾巨桉人工林土壤和微生物碳、氮、磷質(zhì)量分數(shù)均為過熟林最高，垂直變化呈現(xiàn)出“表層聚集性”特征。土壤微生物生物量與土壤化學性質(zhì)關系密切，在林分的不同生長階段土壤微生物受土壤影響的指標和程度具有差異性，幼齡林、成熟林和過熟林土壤微生物的主要影響因子分別為Csoil、Csoi/Psoil和Nsoil。土壤 Csoi/Nsoil和微生物 Cmic/Nmic偏高，Csoi/Psoil、Nsoi/Psoil及 Cmic/Pmic、Nmic/Pmic均處于較低水平，Psoil質(zhì)量分數(shù)充足，表明尾巨桉人工林土壤微生物可能存在氮素有效性限制，生長后期應注重養(yǎng)分有效性對土壤微生物生長繁殖的影響。