中亞熱帶不同森林更新方式生態酶化學計量特征

袁 萍,周嘉聰,張秋芳,曾曉敏,鮑 勇,高 穎,高金濤,司友濤,陳岳民,*,楊玉盛

1 福建師范大學地理研究所, 福州 350007 2 福建師范大學濕潤亞熱帶生態地理過程教育部重點實驗室, 福州 350007

土壤微生物是調節土壤有機質分解和養分循環的主要參與者[1]。由于微生物自身的生物多樣性以及復雜性導致微生物的生態學研究面臨巨大挑戰[2]。土壤酶活性是微生物養分需求的指標[3],同時也是微生物分解土壤有機質的主要動力,驅動土壤碳(C)、氮(N)和磷(P)養分流通[4-5]。有研究表明運用生態化學計量理論有利于提升對微生物生態過程和機理的認知[6]。生態化學計量學是將生物學、化學,物理學等基本原理結合用以研究生態系統能量平衡和多種化學元素平衡的科學[7],可以探究不同生態系統維持養分元素平衡的調控機制[8],因而被廣泛應用于微生物驅動的生態過程研究中。Sinsabaugh等[9- 10]通過對全球尺度的土壤酶活性進行Meta分析,結果發現土壤酶活性之間也存在化學計量關系,即與C、N、P循環相關的酶活性的相對比值稱為生態酶化學計量學,該比值能夠反映微生物群落的新陳代謝及養分需求與環境中養分有效性之間的生物地球化學平衡模式[9- 12]。此外,生態酶化學計量與土壤化學計量可能存在動態平衡關系[13-14]。然而通過土壤-酶化學計量結合的方法進行研究鮮有報道。

森林更新是實現森林生態系統可持續發展的重要手段。近年來,我國南方常綠闊葉林的營林活動頻繁,通過不同森林更新方式轉換成次生林、人工促進天然更新林(人促更新林)和人工林等不同森林類型。其中,人工促進天然更新林是在天然林經過強度擇伐后,適當增添人為措施輔助天然更新的人工林,該方式中采伐剩余物的保留有利于改善林地水熱條件,促進腐殖質形成,從而維持土壤肥力[15]。有研究表明人工促進天然更新方式下,常綠闊葉次生林的土壤肥力以及生產力均顯著高于同期人工林[16]。根據第八次全國森林資源調查結果表明,人工林增長迅速,對我國森林資源數量增加貢獻明顯[17],人工造林已成為我國森林更新的重要方式之一。但人工造林活動導致的樹種單一化及林地干擾,均易造成森林土壤有機質和肥力下降等問題[18]。楊玉盛等[19]研究也表明,由于亞熱帶山地生態系統的潛在脆弱性,經皆伐、煉山后挖穴造林和幼林撫育而形成的人工林,無論其造林類型的差異或是生產力的高低,土壤肥力下降是不可避免的。不同森林更新方式可能會引起土壤溫度、水分、養分有效性等差異,前期研究發現土壤P素的積累會隨著造林的人為干擾強度的增加而降低[20]。但是較少以土壤-酶化學計量的角度研究不同森林更新方式下土壤養分的特征,這可能對森林養分維持及調控具有重要的指示意義。

因此,本研究選取不同更新方式的米櫧次生林、米櫧人促林和杉木人工林,測定土壤C、N、P含量及酶活性,計算化學計量比,探究土壤-酶化學計量特征及其內在聯系,以期揭示中亞熱帶不同森林更新方式下土壤養分特征,以及土壤微生物對養分循環的響應以及調控機制,為不同森林更新方式下土壤養分的評估提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于福建省三明市金絲灣森林公園陳大林業采育場(26°19′N,117°36′E),現有面積約17.1 hm2。該地區位于戴云山脈西北面、武夷山脈東南面,平均海拔330 m,平均坡度30—40°,年均氣溫18.5℃,年均降雨量1749 mm(主要集中在3—8月份),年均蒸發量1585 mm,相對濕度81%,屬中亞熱帶季風氣候,土壤為黑云母花崗巖發育的紅壤,土壤厚度超過1 m[16]。

研究樣地主要包括米櫧天然林通過不同更新方式形成的3種林分：米櫧次生林(SF)、米櫧人工促進天然更新林(簡稱米櫧人促林,AR)、杉木人工林(CF)。3種林分的立地條件相同,且林齡相近。米櫧次生林(SF)：經過擇伐,封山育林后,自然次生演替形成的米櫧次生林,主要樹種為米櫧(Castanopsislanceolata),其林分密度為3788株/hm2,平均樹高達10.8 m,平均胸徑12.2 cm。米櫧人促林(AR)：采伐時保留林下主要林下幼樹,采伐后跡地保留剩余物,將殘留的枝椏、樹梢等沿水平帶平鋪堆積以促其腐爛而形成的米櫧人促林,其主要樹種是米櫧,其林分密度為2158株/hm2,平均樹高達13.7 m,平均胸徑16.8 cm。杉木人工林(CF)：由皆伐后火燒,幼林撫育營造的人工純林,其林分密度為3788株/hm2,平均樹高達10.8 m,平均胸徑12.2 cm,林下植被主要為狗骨柴(Tricalysiadubia)、毛冬青(Ilexpubescens)、新木姜子(Neolitseaaurata)等。每種林分各設置3個重復區域共計9個樣方,平均每個面積約20 m × 20 m[20]。

1.2 樣品采集

2016年11月,在米櫧次生林、米櫧人促林和杉木人工林分別進行隨機布點采樣,每個采樣點設置3個重復,去除表面凋落物,取表層0—10 cm土壤。將采集的土壤冷藏后迅速帶回實驗室,去除可見根系等動植物殘體,一部分樣品置于4 ℃冰箱保存,用于土壤酶活性測定;另一部分鮮土過2 mm篩用于土壤的基本理化性質的測定。取部分過2 mm篩鮮土自然風干,其中一部分干燥處保存,用于測定pH和土壤有效磷(AVP),另一部分過0.149 mm篩,用于測定土壤有機碳(SOC)、總氮(TN)和全磷(TP)。

1.3 室內測定

1.3.1 土壤基本理化性質

1.3.2 土壤酶活性測定

參照Saiya-Cork方法提取和培養土壤中3種與碳、氮、磷循環相關的水解酶[2]。用多功能酶標儀(SpectraMax M5,美國)測定熒光度。3種土壤酶的名稱、簡寫、參與養分循環類型及所用標定底物詳見表1,本文用βG∶NAG、βG∶AP、NAG∶AP來評估微生物C、N、P養分資源需求狀況[23]。

表1 土壤酶活性的種類、縮寫、類型和所用底物

1.4 數據處理

數據經過Microsoft Excel 2013和SPSS 19.0軟件處理,采用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗不同森林更新方式的土壤理化性質、土壤化學計量比、生態酶化學計量的差異顯著性。采用Canoco Software 5.0軟件對生態酶化學計量與環境因子的關系進行冗余分析;繪圖由Origin 9.0軟件完成。

2 結果

2.1 不同森林更新下土壤養分及計量比特征

如表2所示,不同森林更新方式對SOC和pH無顯著影響。AR的TN、TP含量顯著高于SF和CF,而SF和CF之間無顯著差異。不同更新方式對土壤速效性養分的影響并不一致,CF土壤有效磷的含量最高,而在SF中則最低。AR的銨態氮含量和土壤含水量顯著高于其他兩種更新方式。不同森林更新方式下的硝態氮含量無顯著差異。如圖1所示,不同森林更新方式的土壤C∶N與N∶P差異顯著(P<0.01)。其中,C∶N變化趨勢：CF>SF>AR,而N∶P比則呈現不一致的趨勢：SF最高,而CF最低。但是不同更新方式未對土壤C:P產生顯著差異。

表2 不同更新方式的土壤基本理化性質

表中數值為平均值±標準偏差(n=3),SF：米櫧次生林Castanopsiscarlesiiforest;AR：米櫧人促林Human-assisted naturally regenerated forests ofCastanopsiscarlesii;CF：杉木人工林Cunninghamialanceolataplantation;用不同小寫字母表示不同更新方式差異顯著(P<0.05)

圖1 土壤化學計量比在不同更新方式下的變化Fig.1 Changes in soil stoichiometric ratio of forest regenerationSF：米櫧次生林Castanopsis carlesii forest;AR：米櫧人促林Human-assisted naturally regenerated forests of Castanopsis carlesii;CF：杉木人工林Cunninghamia lanceolata plantation。不同小寫字母表示不同更新方式差異顯著(P<0.05)。圖中數據為平均值±標準偏差(n=3)

2.2 不同森林更新下生態酶化學計量比的變化

如圖2,SF的BG∶NAG顯著高于其他兩種更新方式,而AR和CF并無顯著差異。CF的βG∶AP最低,相比于SF和AR分別下降了17.3%和14.6%。AR的NAG∶AP最高,與SF和CF相比分別提高了14.1%和11.6%。

圖2 不同森林更新方式對土壤生態酶化學計量比的影響Fig.2 Effects of forest regeneration on soil eco-enzymatic stoichiometric ratio不同小寫字母表示不同更新方式差異顯著(P<0.05)。圖中數據為平均值±標準偏差(n=3)

2.3 影響生態酶化學計量比變異的主要因子

以土壤生態酶化學計量作為響應變量,以土壤的理化性質及土壤化學計量為解釋變量,進行冗余分析(RDA),探究土壤理化性質及土壤化學計量和土壤生態酶化學計量之間的相關關系。如圖3所示,SF、AR、CF均具有較好的聚類,說明森林更新方式顯著影響土壤酶計量比的變化。其中,第一軸解釋了變量的57.64%,第二軸解釋了8.48%。土壤含水量和銨態氮分別解釋土壤生態酶計量比變異的42.7%和23.4%。土壤含水量、銨態氮分別與NAG∶AP成正相關關系,而土壤含水量與βG∶NAG呈負相關關系。

圖3 不同森林更新對土壤生態酶化學計量影響的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis (RDA) of soil eco-enzymatic stoichiometry along forest regenerationSF1,2,3：米櫧次生林Castanopsis carlesii forest;AR1,2,3：米櫧人促林Human-assisted naturally regenerated forests of Castanopsis carlesii;CF1,2,3：杉木人工林Cunninghamia lanceolata plantation。RDA圖左下角表示環境因子對土壤生態酶化學計量變化的相應解釋比例

3 討論

3.1 不同森林更新下土壤養分及化學計量特征

本研究結果表明,不同森林更新方式下,AR土壤中全氮和全磷含量均顯著高于SF和CF(表2)。lvarezYépiz 等[24]認為,土壤溫度,水分、植被類型等條件的改變均會引起土壤結構和微生物特性的變化,從而對土壤N和P循環產生影響。有研究表明,杉木等針葉樹種的葉片多為厚革質,角質層豐富,難分解物質如木質素、單寧、纖維素等較多,微生物難以利用分解,也不利于淋溶作用和土壤動物的機械破壞,而闊葉樹種凋落物的木質素、纖維素含量相對較低,且葉片面積相對較大,更有利于微生物進行分解[25-27]。本研究中SF和AR屬于闊葉林,而CF為針葉林,因此可能是由于凋落物質量的差異進而對土壤養分狀況產生影響[28- 29]。但是CF的有效磷含量高于其他林分,這可能由于杉木樹種具有P富集作用,有利于提高土壤P的有效性[30]。

不同森林更新方式下,土壤含水量也存在顯著差異,其中AR土壤含水量最高(表2),這是因為人促更新方式與其他兩種方式相比,保留了采伐剩余物,不僅減少土壤水分蒸發,也有利于腐殖質的形成,從而對土壤的保水保肥具有重要意義[31]。有研究表明,土壤水分控制著氮素的轉化過程,隨著土壤含水量的提高,對有效氮的轉換限制作用則越強[32- 33]。即在一定范圍內,土壤水分含量與土壤凈礦化速率呈顯著正相關,即濕度越大,礦化作用則越強[34]。因此,本研究中人促更新方式可能會因為較高的土壤含水量,促進土壤礦化,最終提高土壤中銨態氮含量。

土壤C∶N∶P化學計量比是衡量土壤有機質和養分狀況的指示器[35- 36],會隨養分輸入和植物類型的變化而改變[37- 38]。土壤C∶N與土壤有機質的礦化速率成反比[8]。本研究中,AR的C∶N最低(圖1),進一步表明人促更新林的微生物礦化作用增強,促進有機氮向礦質氮的轉化,這與本研究中AR的有效氮含量最高具有一致性。N∶P可作為預測土壤養分限制的指標之一[39]。三片林分的N∶P比均高于中國土壤N∶P(9.3)[40],表明本地區森林土壤仍受到P素的限制[23,41]。但是CF的N∶P低于其他兩種更新方式,說明杉木人工林在一定程度上能緩解土壤P限制,這可能與樹種特征有關。

3.2 不同森林更新下土壤生態酶化學計量特征

土壤酶是微生物新陳代謝的決定因素[42],同時也是土壤養分的重要調控者。土壤生態酶化學計量能夠有效地衡量微生物對C、N、P的養分需求[43- 45],并且反映微生物生物量和土壤有機質之間的平衡以及微生物營養吸收和生長效率[10],Waring等[23]研究發現BG∶AP和NAG∶AP比值偏低表明熱帶森林生態系統養分循環受P限制。三種不同更新方式中,AR的BG∶NAG較低,但是其NAG∶AP顯著最高(圖2),表明人促林微生物可能受到N限制。而CF的βG∶AP和NAG∶AP均較低(圖2),表明人工林微生物受到P限制。這與本研究中土壤化學計量及土壤養分特征結果并不一致。王冰冰等[46]研究結果表明：由于土壤酶主要來自于土壤微生物,酶的相對活性可能受到微生物生物量的元素組成影響更大,而非土壤有機質元素,因此土壤酶活性不能很好地反映土壤有機質的元素組成狀況。

3.3 土壤生態酶化學計量變異的關鍵驅動因子

RDA結果表明,土壤含水量和銨態氮是影響土壤生態酶化學計量變異的主要環境因子,其解釋度分別為42.7%和23.3%(圖3)。土壤水分作為土壤系統中養分循環和流動的載體[47],會影響土壤底物和酶的擴散效率進而改變養分有效性[48- 49]。本研究中,土壤含水量與NAG∶AP正相關,而與βG∶NAG存在負相關關系,表明土壤含水量的提高會加劇土壤微生物N限制現象,因此導致土壤NAG酶活性提高。Toberman 等[49]認為土壤含水量的增加會提高底物擴散效率和土壤酶活性,從而影響生態酶化學計量。銨態氮是微生物在土壤中易于吸收和利用的無機氮,NAG酶活性隨著無機氮的含量增加而提高[50],有效性養分會影響微生物養分利用效率而改變微生物酶活性[23],從而調控生態酶化學計量。在本研究中發現,生態酶化學計量并不受土壤化學計量的影響,這符合本研究中生態酶化學計量和土壤化學計量比結果不一致的結論。有研究表明微生物或其他環境因子(如：溫度、水分)對生態酶化學計量的影響更為強烈,從而掩蓋了生態酶化學計量比和土壤化學計量比之間的聯系[46]。土壤化學計量僅反映土壤養分現狀而并非微生物可利用的資源現狀,因此土壤-酶化學計量并未呈現良好的耦合性。

4 結論

不同森林更新方式下土壤養分特征及土壤-酶化學計量存在顯著差異。本研究區域整體處于P限制狀態。人促更新方式有利于土壤中礦質N的積累,而人工造林方式則促進土壤中有效P的積累,這可能與人工造林樹種有關。酶化學計量受到土壤含水量和有效性養分的影響較大,但與土壤化學計量無關,表明生態酶化學計量可作為反映土壤當前有效性養分狀況的重要指標,本研究結果可為土壤養分現狀以及循環過程提供科學的理論參考依據。