目標(biāo)樹經(jīng)營對興安落葉松人工林土壤胞外酶的影響

于江波，及 利，劉 月，王玉嬌，張 巖，楊立學(xué)，張慶江，陳 龍，趙 鑫

（1.東北林業(yè)大學(xué) a.林學(xué)院；b.森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040；2.尚志國有林場管理局小九林場，黑龍江 尚志 150600）

人工林在全球森林資源中扮演著重要角色，自20世紀(jì)60年代以來，人工林逐步替代天然林，成為木材的主要供應(yīng)源，我國已經(jīng)成為世界上發(fā)展人工林最多的國家[1-2]。長期以來，人工林經(jīng)營過分重視和追求短期生產(chǎn)力與經(jīng)濟(jì)利益，偏重于人工更新和同齡純林培育模式，忽視了森林的自然演替規(guī)律、天然更新、森林健康等多目標(biāo)近自然經(jīng)營模式，導(dǎo)致純林經(jīng)營引起的地力衰退、土壤酸化、環(huán)境惡化以及林分生產(chǎn)力下降等問題越來越普遍[3]。目標(biāo)樹經(jīng)營是以單株林木為對象而進(jìn)行的一種近自然森林經(jīng)營作業(yè)體系，通過不斷的撫育間伐，保持林分的最佳混交狀態(tài)和目標(biāo)樹最大生長量，保證林分天然更新，促使林分質(zhì)量不斷提高[4-9]。有研究發(fā)現(xiàn)目標(biāo)樹經(jīng)營一方面重新分配林內(nèi)水、熱、光等環(huán)境因子，另一方面改變凋落物歸還土壤中的基質(zhì)數(shù)量、質(zhì)量和分解速率，進(jìn)而提高林地物種多樣性和土壤肥力[10]。土壤胞外酶（Extracellular enzyme）廣泛存在于土壤中，是由植物根系及土壤微生物分泌到土壤中發(fā)揮催化作用的蛋白質(zhì)。胞外酶在土壤中具有不可替代的關(guān)鍵作用，參與土壤中幾乎所有的生物化學(xué)反應(yīng)，將微生物及植物無法吸收的大分子有機(jī)物降解為可吸收的小分子物質(zhì)[11]。

由于研究區(qū)的土壤類型、植被類型、區(qū)域氣候條件及土壤養(yǎng)分狀況差異，目標(biāo)樹經(jīng)營對于土壤養(yǎng)分、胞外酶活性的影響一直沒有一致結(jié)論[12-15]，而且目前國內(nèi)外目標(biāo)樹經(jīng)營相關(guān)的研究區(qū)域多集中在水熱條件較好的暖溫帶、亞熱帶地區(qū)，對寒溫帶地區(qū)樹種的研究相對較少[16-18]。興安落葉松Larix gmelinii是我國大興安嶺地區(qū)森林的優(yōu)勢種和建群種，對保持大興安嶺地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、保護(hù)物種多樣性和森林可持續(xù)發(fā)展都起到非常重要的作用[19]。因此，本研究以目標(biāo)樹經(jīng)營6 a 后的興安落葉松人工林為對象，通過分析目標(biāo)樹經(jīng)營后的土壤養(yǎng)分含量與土壤酶活性的變化以及二者之間的關(guān)系，探討目標(biāo)樹經(jīng)營在提高人工林土壤肥力中的作用，為加速形成優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的人工林提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究試驗(yàn)地位于大興安嶺松嶺林業(yè)局綠水林場119 林班。該地區(qū)位于大興安嶺林區(qū)南端，伊勒呼里山東南坡，嫩江上游左岸，地理坐標(biāo)為123°29′13″～125°11′10″E，50°09′16″～51°23′48″N，海拔高度介于400～700 m 之間，平均海拔為556 m。年平均溫度為-3℃，極端最高溫度為38℃，極端最低溫度為-48℃。年平均降水量600 mm，主要集中在7月和8月，占全年降水量的48.9%。年均蒸發(fā)量1 153 mm，年相對濕度63.5%。年無霜期為100～110 d，植物生長期為90～100 d。林業(yè)局作業(yè)區(qū)內(nèi)主要土壤為棕色針葉林土和沼澤土等[20]。該地區(qū)針葉樹種主要有興安落葉松、樟子松Pinus sylvestris；闊葉樹種有白樺Betula platyphylla、蒙古櫟Quecus mongolica、黑樺Betula davurica、山楊Populus davidiana、毛赤楊A(yù)lnus sibirica等。主要灌木有小葉杜鵑Rhododendron parvifolium、大黃柳Salix raddeana、沼柳S.rosmarinifolia、杜香Ledum palustrevar.angustum N.Busch、越橘Vaccinium vitisidaea、紅瑞木Swida alba、山荊子Malus baccata、稠李Padus racemosa、藍(lán)靛果忍冬Lonicera caerulea、刺玫薔薇Rosa davurica等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與取樣方法

試驗(yàn)地設(shè)置區(qū)域?yàn)?988年?duì)I造的興安落葉松人工林，造林密度為2 400 株/hm2。2013年進(jìn)行首次疏伐，采伐強(qiáng)度在31%，保存株數(shù)為1 700株/ hm2。2014年生長季前按照目標(biāo)樹經(jīng)營措施，在經(jīng)營樣地內(nèi)選取生長力旺盛、狀態(tài)良好、干形飽滿通直且沒有機(jī)械損傷和病蟲害的林木作為目標(biāo)樹，定牌永久性標(biāo)記，將目標(biāo)樹胸徑的25 倍范圍內(nèi)影響目標(biāo)樹生長的干擾樹選定并伐除。在林隙和林窗內(nèi)保護(hù)天然更新白樺、蒙古櫟等鄉(xiāng)土樹種。在林齡達(dá)到45 a 時(shí)進(jìn)行再一次撫育，確定最終目標(biāo)樹，將最終目標(biāo)樹的樹冠完全解放，形成自由樹冠。終伐前15 a 進(jìn)行最后一次疏伐，釋放空間培養(yǎng)第二代目標(biāo)樹，促進(jìn)天然更新，如天然更新不夠，再進(jìn)行人為干預(yù)。達(dá)到目標(biāo)胸徑后，根據(jù)地形和林木成熟情況采取帶狀或群團(tuán)狀采伐。

2019年8月通過初步踏查，分別在經(jīng)營林分和未經(jīng)營林分設(shè)置3 塊30 m×30 m 的樣地，樣地間距約20 m，并對樣地進(jìn)行每木檢尺，樣地基本概況見表1。在進(jìn)行土壤取樣時(shí)，將表層植物殘?bào)w清除，在每個(gè)樣方按0～10、10～20、20～40 cm 3 層分別進(jìn)行梅花狀5 點(diǎn)取樣，每個(gè)樣方的同一個(gè)土層分別充分混合，分為2 份樣品。一部分土樣置于4℃冰箱內(nèi)，用于測定土壤酶活性及銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，另一份土樣自然風(fēng)干后用于土壤其他養(yǎng)分指標(biāo)測定。

表1 興安落葉松目標(biāo)樹經(jīng)營樣地基本概況Table 1 Basic situation of the management plot of crop tree of L.gmelinii

1.3 土壤養(yǎng)分的測定

土壤pH 值采用酸度計(jì)測定。土壤有機(jī)碳、全氮采用碳氮分析儀（Vario MACRO，Elementar Co，Germany）測定，土壤全磷與有效磷采用雙酸浸提鉬銻抗比色法測定[21]。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮用連續(xù)流動分析儀（Tecator FIA Star 5000 Analyzer，F(xiàn)oss Tecator，Sweden）測定含量[22]。土壤微生物量碳氮采用氯仿熏蒸法測定[23]。

1.4 土壤胞外酶活性的測定

土壤胞外酶活性采用微孔板熒光法多功能酶標(biāo)儀（SynergyH4，BioTek）測定[24]，反應(yīng)底物及底物反應(yīng)濃度見表2，具體方法為：取1 g 鮮土，用125 mL pH 值為5.0 的50 mmol·L-1醋酸鈉緩沖液充分混勻，制備土壤懸浮液，用移液槍吸取200 μL 土壤懸浮液和50 μL 底物（空白為醋酸鈉）注入96微孔板內(nèi)，水解酶在20℃恒溫黑暗條件下培養(yǎng)4 h，加入10 μL 1 mol·L-1氫氧化鈉終止反應(yīng)，反應(yīng)1 min 后使用酶標(biāo)儀測定熒光值，熒光值在365 nm 波長處激發(fā)，450 nm 波長處測定，每個(gè)樣品測8 個(gè)平行。氧化酶活性采用吸光光度計(jì)來測定（氧化酶在450 nm 處測定吸光值），將微孔板置于黑暗中20℃孵育18 h。過氧化物酶在多酚氧化酶的基礎(chǔ)上，每個(gè)孔再添加10 μL 的0.3%雙氧水。最后通過土壤干質(zhì)量和反應(yīng)時(shí)間來計(jì)算胞外酶的活力，所測定的土壤胞外酶活性以nmol·g-1h-1為單位來表示。

表2 土壤胞外酶的功能及反應(yīng)底物Table 2 Functions and substrates of the soil extracellular enzymes

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2016 和SPSS 22.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過單因素（One-way ANOVA）方差分析和最小顯著差異法（LSD）分析目標(biāo)樹經(jīng)營對土壤養(yǎng)分和酶活性的影響，以及不同土層下土壤養(yǎng)分含量和酶活性的差異（α=0.05）。采用Canoco 5.0軟件，以土壤酶活性為響應(yīng)變量，同時(shí)以土壤養(yǎng)分指標(biāo)為解釋變量做冗余分析（RDA）。利用SigmaPlot 12.5 軟件作圖，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 目標(biāo)樹經(jīng)營對不同土層土壤養(yǎng)分的影響

與對照相比，經(jīng)營組中土壤有機(jī)碳的含量在0～10 cm 土層中顯著增加了18.5%（P＜0.05），經(jīng)營組中的碳氮比在0～10 cm 和10～20 cm 兩個(gè)土層中分別顯著增加了40.5%和21.8%（P＜0.05），經(jīng)營組中的有效磷含量在0～10 cm 土層中顯著增加了30.1%（P＜0.05），微生物量碳含量在0～10 cm 和10～20 cm 兩個(gè)土層中分別顯著增加了64.2%和37.8%（P＜0.05），微生物量氮含量在0～10 cm 土層中顯著增加了32.3%（P＜0.05）。而經(jīng)營組中的全氮含量在0～10 cm 土層中顯著減少了19.8%（P＜0.05）。不同土層的土壤養(yǎng)分差別較大，目標(biāo)樹經(jīng)營對土壤養(yǎng)分的影響在表層（0～10 cm）最明顯，隨土層加深，土壤養(yǎng)分含量均降低（表3）。

表3 興安落葉松目標(biāo)樹經(jīng)營后土壤養(yǎng)分的變化?Table 3 Changes in soil nutrients of L.gmelinii crop trees after management

2.2 目標(biāo)樹經(jīng)營對不同土層土壤胞外酶活性的影響

與對照組相比，經(jīng)營組中的多酚氧化酶活性在0～10 cm 土層中顯著提高了16.8%（P＜0.05），β 葡萄糖苷酶活性在0～10 cm 和10～20 cm 兩個(gè)土層中分別顯著降低了45.8%和45.1%（P＜0.05），木糖苷酶活性在0～10、10～20 和20～40 cm 3 個(gè)土層中分別顯著降低了146.8%、220.4%和246.1%（P＜0.05）（圖1）。

圖1 興安落葉松目標(biāo)樹經(jīng)營后土壤胞外酶活性的變化Fig.1 Changes of soil extracellular enzyme activity after management of L.gmelinii crop tree

2.3 不同土層土壤酶活性變化的冗余分析

在0～10 cm 土層，第1 軸和第2 軸共解釋了土壤酶活性變異程度的84%，第1 軸主要由木糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶解釋，影響這2 種酶的主要因素是土壤有機(jī)碳（P＜0.01），且與第1 軸呈明顯正相關(guān)，解釋了該土層土壤酶變異的83.5%，說明土壤有機(jī)碳在0～10 cm 土層中是影響土壤酶活性的主要因素，土壤有機(jī)碳與木糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶均呈正相關(guān)。在10～20 cm土層中，第1 軸和第2 軸共解釋了土壤酶活性變異程度的91%，第1 軸主要由酸性磷酸酶和β 葡萄糖苷酶解釋，影響這2 種酶的主要因素是土壤有機(jī)碳（P＜0.05），解釋了該土層土壤酶變異的95.9%，且與第1 軸呈明顯正相關(guān)，土壤有機(jī)碳與酸性磷酸酶均呈正相關(guān)，與β葡萄糖苷酶呈負(fù)相關(guān)。在20～40 cm 土層，第1 軸和第2 軸共解釋了土壤酶活性變異程度的99%，第1 軸主要由酸性磷酸酶和亮氨酸氨基肽酶解釋,影響土壤酶的主要因素是全磷（P＜0.05），全磷解釋了該土層土壤酶變異的37.7%，且與第1 軸呈明顯正相關(guān),全磷與亮氨酸氨基肽酶均呈正相關(guān),與酸性磷酸酶呈負(fù)相關(guān)（圖2，表4）。

表4 對土壤胞外酶變化有顯著影響作用的環(huán)境因子相應(yīng)解釋比例Table 4 Corresponding explanatory ratios of environmental factors that have a significant effect on the changes of soil extracellular enzymes

圖2 興安落葉松目標(biāo)樹經(jīng)營下土壤養(yǎng)分對土壤胞外酶活性影響的冗余分析Fig.2 Redundant analysis of the influence of soil nutrients on soil extracellular enzyme activity under the management of L.gmelinii crop tree

3 討 論

目標(biāo)樹經(jīng)營作為近自然林業(yè)經(jīng)營的重要措施之一，在改變林分結(jié)構(gòu)的同時(shí)，林下植被、光照、溫度以及水分等環(huán)境因子的變化，從而引起土壤表層的凋落物分解、土壤有機(jī)質(zhì)形成、土壤生物化學(xué)過程和養(yǎng)分循環(huán)等變化[25]。本研究結(jié)果表明，目標(biāo)樹經(jīng)營后土壤有機(jī)碳、有效磷和微生物量碳氮的含量顯著增加，土壤全氮含量顯著降低。土壤有機(jī)碳作為土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量的增加主要是源于興安落葉松人工林內(nèi)前期實(shí)驗(yàn)樣地修建時(shí)產(chǎn)生更多的植物殘?bào)w以及目標(biāo)樹經(jīng)營后各樣地內(nèi)的林下植被多樣性增加[26]。趙朝輝等[27]在研究間伐對杉木林內(nèi)土壤理化性質(zhì)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，間伐改變了土壤溫度、濕度等條件，加速了死地被物的分解，從而改善了土壤理化性質(zhì)，提高了土壤有機(jī)質(zhì)的含量，這與本研究的結(jié)果一致。土壤中全氮含量顯著降低，而有效磷養(yǎng)分顯著增多，這與李旭等[14]對云冷杉人工林間伐的研究結(jié)果一致。主要原因是在生長季期間，目標(biāo)樹經(jīng)營后樣地內(nèi)有著更加豐富的植被群落，因此土壤中氮磷的含量必須以更快的速度礦化成植物可利用的形式，隨后由更高的根生物量吸收利用，使得土壤全氮和全磷含量減少，速效養(yǎng)分增多，以滿足植被在生長季對養(yǎng)分的需求[10]。微生物量碳氮雖然在土壤養(yǎng)分含量中占比極少，卻是土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍的組分之一，也是表征土壤微生物數(shù)量的常用指標(biāo)，微生物數(shù)量又是評價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一[28]。微生物量碳氮含量的增加主要是因?yàn)槟繕?biāo)樹經(jīng)營后，一方面林下植被多樣性提高，土壤養(yǎng)分循環(huán)加速，使得微生物群落多樣性和數(shù)量顯著提高；另一方面改變了林下微環(huán)境，加速根系分泌，促進(jìn)凋落物分解，影響土壤中的有機(jī)質(zhì)的數(shù)量與質(zhì)量，最終影響微生物群落[29]。Mendham 等[30]研究表明間伐5 a 后的桉樹林中土壤微生物量碳氮顯著降低，這與本研究的結(jié)果不一致，可能是由于樹種、地理位置或間伐時(shí)間等不同造成的。

土壤胞外酶活性對生物與非生物環(huán)境的變化十分敏感，是土壤系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與能量轉(zhuǎn)換的積極參與者，也常被視為是判定土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[31]。目標(biāo)樹經(jīng)營后土壤微環(huán)境以及植物多樣性的改變有利于土壤微生物活動，從而增強(qiáng)土壤胞外酶活性。本研究發(fā)現(xiàn)，不同的土壤胞外酶對目標(biāo)樹經(jīng)營的響應(yīng)不同，并非所有胞外酶都受單一影響而以相同的方式產(chǎn)生變化，目標(biāo)樹經(jīng)營后β葡萄糖苷酶與木糖苷酶活性顯著降低，多酚氧化酶活性顯著提高。參與土壤易分解有機(jī)碳反應(yīng)的β葡萄糖苷酶與木糖苷酶活性在目標(biāo)樹經(jīng)營后，均呈顯著的降低趨勢，這與 Garcia 等[32]有關(guān)間伐的研究結(jié)果是一致的。有研究表明，土壤中的易分解有機(jī)碳主要來自于地下根系和地上凋落物，在目標(biāo)樹經(jīng)營伐除干擾樹后，導(dǎo)致地下根系生物量和地上凋落物減少，使得林分內(nèi)可利用的易分解有機(jī)碳含量減少，所以進(jìn)一步影響了β 葡萄糖苷酶與木糖苷酶的活性[33]。多酚氧化酶是土壤中主要的木質(zhì)素降解酶，目標(biāo)樹經(jīng)營后分解難降解碳的多酚氧化酶活性在表層土壤中呈顯著的增加趨勢。于立忠等[34]研究發(fā)現(xiàn)，間伐顯著提高了日本落葉松人工林的多酚氧化酶活性，這與本研究的結(jié)果一致。主要原因是經(jīng)營后林內(nèi)土壤表層殘留了很多木屑和枯枝殘?jiān)黾恿送寥乐心举|(zhì)素、粗纖維和多酚類頑固性碳的輸入，目標(biāo)樹經(jīng)營后土壤中難分解的碳相對較多，所以使得多酚氧化酶的活性有所提高[26]。

冗余分析的結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳是驅(qū)動0～20 cm 土層土壤酶活性變化的主要因子，說明土壤有機(jī)質(zhì)是影響表層土壤酶活性的重要因素，另外酶活性的增強(qiáng)也有利于加劇土壤有機(jī)質(zhì)的礦化作用，土壤中微生物可利用的碳氮養(yǎng)分含量增高，從而加速土壤養(yǎng)分循環(huán)和碳周轉(zhuǎn)[35]。凋落物、根系、動植物殘?bào)w等碳源主要積累于表層土中，所以土壤有機(jī)碳在土壤表層對酶活性變化的主導(dǎo)作用更顯著[36]。全磷是驅(qū)動20～40 cm 土層土壤酶活性變化的主要因子。由此可見，土壤有機(jī)碳并不是影響土壤胞外酶活性的唯一因素，全磷也是影響土壤酶活性的重要因子，全磷與土壤有機(jī)碳共同影響著土壤中的酶活性。磷作為溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)的限制性養(yǎng)分元素之一,隨著土壤深度的增加，磷含量會顯著下降，且相比于土壤碳氮養(yǎng)分含量較低，導(dǎo)致深層土壤中缺磷現(xiàn)象加劇，此時(shí)解磷微生物會通過分泌相關(guān)的胞外酶將有機(jī)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為供植物根系吸收利用的無機(jī)養(yǎng)分。全磷作為土壤中磷的總貯量指標(biāo)，具有關(guān)鍵作用，為土壤中有機(jī)磷向無機(jī)磷的轉(zhuǎn)化提供底物，因此全磷可能是決定20～40 cm 土層酶活性的關(guān)鍵因子[37]。在高緯度寒區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)中，除土壤環(huán)境因子外，植被群落多樣性、植物根系生物量以及土壤微生物群落等也是驅(qū)動土壤胞外酶活性變化的重要因素。因此，下一步我們還需結(jié)合這些指標(biāo)進(jìn)行研究。

4 結(jié) 論

目標(biāo)樹經(jīng)營對興安落葉松人工林土壤養(yǎng)分及胞外酶活性都有顯著的影響。冗余分析表明，目標(biāo)樹經(jīng)營引起的土壤養(yǎng)分的變化是影響土壤胞外酶活性變化的主要原因。本研究由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短，因此還需長期觀測目標(biāo)樹經(jīng)營對興安落葉松人工林的影響，以期更好地揭示近自然經(jīng)營背景下土壤胞外酶與土壤養(yǎng)分之間的作用機(jī)制，能夠?yàn)槿斯ち值目沙掷m(xù)經(jīng)營提供更加全面、科學(xué)的參考依據(jù)。