全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 渊杂匀耘晕郧栽粤陨 载哉耘月粤韵冤
摇 摇 第 猿源卷 第 苑期摇 摇 圆园员源年 源月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
青藏高原东北部 缘园园园 年来气候变化与若尔盖湿地历史生态学研究进展
何奕忻袁吴摇 宁袁朱求安袁等 渊员远员缘冤
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天山云杉森林土壤有机碳沿海拔的分布规律及其影响因素 阿米娜木窑艾力袁常顺利袁张毓涛袁等 渊员远圆远冤噎噎
个体与基础生态
小兴安岭红松日径向变化及其对气象因子的响应 李兴欢袁刘瑞鹏袁毛子军袁等 渊员远猿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
采伐剩余物对林地表层土壤生化特性和酶活性的影响 吴波波袁郭剑芬袁吴君君袁等 渊员远源缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
庞泉沟自然保护区典型森林土壤大团聚体特征 白秀梅袁韩有志袁郭汉清 渊员远缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
思茅松天然林树冠结构模型 欧光龙袁肖义发袁王俊峰袁等 渊员远远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
镁缺乏和过量胁迫对纽荷尔脐橙叶绿素荧光特性的影响 凌丽俐袁黄摇 翼袁彭良志袁等 渊员远苑圆冤噎噎噎噎噎噎噎
斑块生境中食果鸟类对南方红豆杉种子的取食和传播 李摇 宁袁王摇 征袁鲁长虎袁等 渊员远愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
重金属铅与两种淡水藻的相互作用 刘摇 璐袁闫摇 浩袁李摇 诚袁等 渊员远怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
刺参养殖池塘初级生产力及其粒级结构周年变化 姜森颢袁周一兵袁唐伯平袁等 渊员远怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
控渊微囊冤藻鲢尧鳙排泄物光能与生长活性 王银平袁谷孝鸿袁曾庆飞袁等 渊员苑园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
五爪金龙中香豆素类物质含量及其对福寿螺尧水稻和稗草的影响 犹昌艳袁杨摇 宇袁胡摇 飞袁等 渊员苑员远冤噎噎噎
种群尧群落和生态系统
西双版纳国家级自然保护区勐腊子保护区亚洲象种群和栖息地评价 林摇 柳袁金延飞袁陈德坤袁等 渊员苑圆缘冤噎噎
莱州湾鱼类群落同功能种团的季节变化 李摇 凡袁徐炳庆袁马元庆袁等 渊员苑猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
长期不同施肥方式对麦田杂草群落的影响 蒋摇 敏袁沈明星袁沈新平袁等 渊员苑源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
极端干旱条件下燕麦垄沟覆盖系统水生态过程 周摇 宏袁张恒嘉袁莫摇 非袁等 渊员苑缘苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
流域景观格局变化对洪枯径流影响的 杂宰粤栽模型模拟分析 林炳青袁陈兴伟袁陈摇 莹袁等 渊员苑苑圆冤噎噎噎噎噎
近 圆园年青藏高原东北部禾本科牧草生育期变化特征 徐维新袁辛元春袁张摇 娟袁等 渊员苑愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
丽江城市不同区域景观美学 郭先华袁赵千钧袁崔胜辉袁等 渊员苑怨源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
珠三角河网水域栅藻的时空分布特征 王摇 超袁李新辉袁赖子尼袁等 渊员愿园园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
博斯腾湖细菌丰度时空分布及其与环境因子的关系 王博雯袁汤祥明袁高摇 光袁等 渊员愿员圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
遗传算法支持下土地利用空间分形特征尺度域的识别 吴摇 浩袁李摇 岩袁史文中袁等 渊员愿圆圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎
川西亚高山不同海拔岷江冷杉树轮碳稳定同位素对气候的响应 靳摇 翔袁徐摇 庆袁刘世荣袁等 渊员愿猿员冤噎噎噎噎
基于 耘杂阅粤的西北太平洋柔鱼资源空间热点区域及其变动研究 冯永玖袁陈新军袁杨铭霞袁等 渊员愿源员冤噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于居民生态认知的非使用价值支付意愿空间分异研究要要要以三江平原湿地为例
高摇 琴袁敖长林袁陈红光袁等 渊员愿缘员冤
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浑河河水及其沿岸地下水污染特征 崔摇 健袁都基众袁王晓光 渊员愿远园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
社会生态系统及脆弱性驱动机制分析 余中元袁李摇 波袁张新时 渊员愿苑园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
等渗 晕葬悦造和 悦葬渊晕韵猿冤 圆胁迫对黄瓜幼苗生长和生理特性的影响 周摇 珩袁郭世荣袁邵慧娟袁等 渊员愿愿园冤噎噎噎
专家观点
关于野生态保护和建设冶名称和内涵的探讨 沈国舫 渊员愿怨员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆愿圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢圆怨鄢圆园员源鄄园源
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 红豆杉人工林要要要红豆杉为常绿针叶乔木袁树高可达 圆缘皂袁属国家一级保护植物遥 红豆杉中含有的紫杉醇袁具有独
特的抗癌机制和较高的抗癌活性袁能阻止癌细胞的繁殖尧抑制肿瘤细胞的迁移袁是世界公认的抗癌药遥 红豆杉在我
国共有 源个种和 员个变种袁即云南红豆杉尧西藏红豆杉尧东北红豆杉尧中国红豆杉和南方红豆杉渊变种冤遥 由于天然红
豆杉稀缺袁国家严禁采伐利用袁因而我国南方很多地方都采取人工种植的方法生产利用遥 人工种植的南方红豆杉在
南方山区多呈斑块状分布袁斑块生境中鸟类对红豆杉种子的传播有重要的影响遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 7 期
2014年 4月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.7
Apr.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金重点项目(31130013)
收稿日期:2013鄄10鄄16; 摇 摇 修订日期:2014鄄02鄄11
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: jfguo@ fjnu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201310162495
吴波波,郭剑芬,吴君君,任卫岭,刘小飞,杨玉盛.采伐剩余物对林地表层土壤生化特性和酶活性的影响.生态学报,2014,34(7):1645鄄1653.
Wu B B, Guo J F, Wu J J, Ren W L, Liu X F, Yang Y S.Effects of logging residues on surface soil biochemical properties and enzymatic activity.Acta
Ecologica Sinica,2014,34(7):1645鄄1653.
采伐剩余物对林地表层土壤生化特性和酶活性的影响
吴波波1,2,郭剑芬1,2,*,吴君君1,2,任卫岭1,2,刘小飞1,2,杨玉盛1,2
(1. 湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地, 福州摇 350007; 2. 福建师范大学地理科学学院, 福州摇 350007)
摘要:对福建省大武夷山常绿阔叶林野外站三明观测点的 35年生米槠天然更新次生林皆伐后采伐剩余物进行不同处理(火烧
LB、保留 LR)后表层土壤(0—10 cm)主要生化特性、芳香性指数、腐殖化程度以及酶活性进行研究。 结果表明:半年后,与 LB
相比,LR土壤可溶性有机碳、可溶性有机氮和微生物量碳含量分别增加 92%、105%和 39%,土壤有效磷含量和代谢熵值下降
42%和 68%,土壤酸性磷酸酶、茁鄄葡萄糖苷酶和纤维素水解酶活性增加了 3.3倍、2.8倍和 2.1倍,酚氧化酶活性下降了 34%(P<
0.05)。 LR土壤芳香性指数(4.99依2.39)较低,腐殖化指数(1.72依0.01)较高,但与 LB均无显著差异(P > 0.05)。 1a后,LB除土
壤 茁鄄葡萄糖苷酶活性略有降低外,其他 3种土壤酶活性较半年前均显著上升。 土壤有机碳、全氮、可溶性有机碳氮、有效磷、土
壤碳矿化速率和土壤腐殖化指数较半年时显著下降,其中土壤可溶性有机碳含量减少近 80%,代谢熵减少近 68%(P<0.05)。
LR土壤芳香性指数(10.58依0.34)较半年前显著增加(P<0.05)。 处理 1a 后 LB 土壤有效磷含量(1.71依0.12) mg / kg 显著高于
LR,但 LR土壤可溶性有机碳、可溶性有机氮含量和土壤碳矿化速率较 LB仍明显更高(P < 0.05)。 可见,采伐剩余物不同处理
对森林土壤质量存在不同程度的影响,保留采伐剩余物有利于改善林地水热条件和养分循环,对地力的维持有利。
关键词:采伐剩余物;土壤生化特性;酶活性
Effects of logging residues on surface soil biochemical properties and
enzymatic activity
WU Bobo1,2, GUO Jianfen1,2,*, WU Junjun1,2, REN Weiling1,2, LIU Xiaofei1,2, YANG Yusheng1,2
1 Cultivation Base of State Key Laboratory of Humid Subtropical Mountain Ecology, Fuzhou 350007, China
2 School of Geographical Science, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China
Abstract: Changes of surface soil biochemical properties, aromaticity index, humification degree and enzyme activity for
half a year and one year were studied in different logging residue treatments in a clear鄄cut 35鄄year鄄old secondary Castanopsis
carlesii forest. Logging residue treatments included residue burned (LB) and residue remained (LR). The research results
showed that: after six months, in comparing with LB, soil dissolved organic C, dissolved organic N and microbial biomass
C contents in the LR increased by 92%, 105% and 39% respectively. Soil acid phosphatase, 茁鄄1,4鄄glucosidase and
cellobiohydrolase activities increased by 3.3, 2.8 and 2.1 times. But soil available P content and metabolic quotient in the
LR decreased by 42% and 68%. Phenol oxidase activity decreased by 34% (P < 0.05). Compared with the LB, soil
aromaticity index (4.99依2.39) was much lower and humification index (1.72依0.01) much higher in the LR. However,
there were no significant differences in soil aromaticity index and humification index between the two treatments (P >
0郾 05). One year later, soil enzyme activities significantly increased in the LB treatment except 茁鄄1,4鄄glucosidase. Contents
of soil organic C, total N, dissolved organic C, dissolved organic N, available P, C mineralization rate and humification
index in the LB treatment decreased significantly compared with six鄄month values, especially dissolved organic C and
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metabolic quotient decreased by nearly 80% and 68%. One year after treatment, soil aromaticity index (10.58依0.34) in the
LR increased significantly. Soil available P (1.71依0.12) mg / kg content in the LB was also significantly higher than in the
LR,while dissolved organic C, dissolved organic N and soil C mineralization rate in the LR were much higher (P < 0.05).
In conclusion, surface soil properties will be influenced by different treatments of logging residue. Logging residues remained
will be benefit to improve forest hydrothermal conditions, nutrient cycling of the ecosystems and helpful for soil quality
maintenance.
Key Words: logging residue; soil biochemical property; enzymatic activity
摇 摇 有关采伐剩余物的研究以往主要集中在采伐剩
余物的分解及其影响因素等方面[1],而关于采伐剩
余物不同处理对森林土壤质量的影响研究较少。 目
前在我国南方林区常用火烧来清理采伐剩余物,火
烧对土壤的影响主要包括土壤结构的改变或破
坏[2]、土壤有机质的减少[3]、土壤养分的下降[4]等,
而 Arcenegui实验认为火烧会导致土壤结构稳定性
的增加[5],McIntosh 发现采伐剩余物火烧短期能增
加表层土壤的养分有效性[6],尤其在酸性缺磷的土
壤中,火烧后有效磷会出现短时间的增加[7]。 采伐
剩余物是林地土壤有机质和养分元素的重要来源,
经分解和淋溶作用自然腐烂后可以增加土壤有机碳
含量[8]。 G佼mez鄄Rey认为保留采伐剩余物将会带来
表土层氮损失增加,这些氮损失又将影响更新林分
的生长和生产力[9],因此采伐剩余物不同处理方式
对土壤生态过程的影响得到了林学家和生态学家的
高度重视。
土壤质量不仅取决于土壤的理化性质,而且与
土壤的生物学性质密切相关。 由于土壤微生物量转
化速率比较快,同时又是土壤养分的重要来源,因此
在土壤养分循环过程中起着十分重要的作用[10]。
土壤微生物代谢熵(qCO2,即土壤微生物呼吸释放的
CO2鄄C 量与土壤微生物量碳比值)的变化能够反映
土壤微生物对土壤碳的利用效率和土壤生态系统演
化的程度及其受干扰程度[11]。 芳香性指数能够反
映芳香化合物的含量,液相1H 核磁共振的结果表明
254 nm的紫外吸光值与芳香 H 的含量呈正相关关
系[12]。 腐殖化指数可以用来表征土壤的腐殖化程
度[13]。 此外,土壤酶直接参与土壤中物质的转化、
养分释放和固定过程,能够表征土壤 C、N、P 等养分
的循环状况[14]。 有关酶活性的研究目前主要集中
于土壤酶活性状况及其影响因素和土壤酶活性与其
理化性状的关系方面[15],对不同林地干扰下土壤酶
活性变化则报道较少。
我国湿润亚热带是全球同纬度带少有的 “绿
洲冶,分布着世界上面积最大、最典型的常绿阔叶林,
是全球亚热带生物多样性的中心。 同时,本区降雨
量丰富且集中,加上山高、坡陡,以花岗岩发育土壤
抗蚀性差,山区生态系统较为脆弱,对人类干扰响应
极为敏感。 本文着重从森林表土生化特性及酶活性
角度,比较采伐剩余物不同处理方式的影响差异,这
有助于进一步深入了解不同强度人为干扰对森林土
壤生态过程的影响,为地力维持及森林的合理经营
提供理论依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 试验样地概况
试验地设在福建省三明市金丝湾森林公园陈大
林业采育场(26毅19忆 N,117毅36忆 E),样地总面积达到
17.1 hm2。 地处戴云山脉西北面、武夷山脉东南面,
是以低山丘陵为主的山区;平均海拔 330 m,平均坡
度 30—40毅,属中亚热带季风气候,年均气温 18.5益,
年均降雨量 1745 mm(主要集中在 3—8月份),年均
蒸发量 1585 mm,相对湿度 81%。 土壤为黑云母花
岗岩发育的红壤,土壤厚度超过 1 m。 土壤基本性质
见表 1。
1.2摇 样地设置及采样方法
拟采伐林分为 1978 年经强度择伐后天然更新
的次生林,乔木层主要有米槠(Castanopsis carlesii)、
闽粤栲(Castanopsis fissa)、木荷(Schima superba)等,
以米槠占优势,其平均树高 19.7 m,胸径 13.5 cm,密
度 2650 株 / hm2,林下植被主要有狗骨柴(Tricalysia
dubia)、毛冬青 ( Iles pubescens)、矩圆叶鼠刺 ( Itea
chinensis)、沿海紫金牛 ( Ardisia punctata)、狗脊蕨
(Woodwardia japonica)等。
6461 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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表 1摇 米槠次生林土壤性质
Table 1摇 The soil properties of secondary forest of Castanopsis carlesis
土层深度
Soil depth
/ cm
酸碱度
pH
全氮
TN
/ (g / kg)
全磷
TP
/ (g / kg)
全钾
TK
/ (g / kg)
微生物量碳
MBC
/ (mg / kg)
土壤密度
Volume weight
/ (g / cm3)
0—10 4.40依0.05 1.74依0.17 0.15依0.04 42.27依11.09 476.03依33.20 0.95依0.03
10—20 4.40依0.11 1.24依0.50 0.14依0.03 51.66依12.27 377.39依35.20 1.04依0.03
20—40 4.30依0.27 0.61依0.01 0.11依0.05 48.62依15.67 317.34依43.10 1.20依0.06
摇 摇 表中数据为平均值依标准偏差
摇 摇 2012 年 3 月 28 日对米槠天然更新次生林进行
皆伐,采伐剩余物设置两种处理,即保留(LR)、火烧
(LB)。 LR 采用传统的“ stem鄄only冶方法进行皆伐,
只取走具商业价值的干材和皮,其它有机物质部分
装入 180个分解袋并按随机加局部控制的原则分别
位于上、中、下坡均匀分布(每个坡面 60 袋,共 5 列,
每列 12 袋,分别为叶、枝,细枝、中等枝和粗枝);LB
即传统的处理方法,伐后采伐剩余物(叶子和细枝)
留在原地进行火烧。 每种处理面积约 20 m 伊 20 m,
各处理 3个重复,6 块样地立地条件相似,按随机区
组排列。
半年和 1a 后,在每个 LR 处理样地的 180 个分
解袋下分别随机选取 10 个采样点,每个 LB 处理样
地的上、中、下坡随机选取 10个采样点,用直径 4 cm
的土钻取 0—10 cm深的表层土壤,然后充分混合成
一个土样,一共 6袋,之后迅速带回实验室进行室内
分析。 每个土样分两个部分,一部分 4益保存用于土
壤微生物量碳、土壤碳矿化、土壤酶活性等测定;另
一部分在室温下风干,分别过 2 mm和 0.125 mm筛,
用于土壤基本化学性质测定。
1.3摇 分析方法
土壤有机碳氮用德国 Elemantar vario MAX碳氮
元素分析仪测定;可溶性有机碳用总有机碳测试仪
TOC鄄VCPH测定;全磷采用硫酸鄄高氯酸消煮法提取
待测溶液;氨氮、硝氮、亚硝氮、有效磷和全磷用连续
流动分析仪 skalar san++测定。
土壤微生物量碳用氯仿熏蒸浸提方法并用连续
流动分析仪 skalar san++测定,微生物量碳计算公式:
微生物量 C = EC (熏蒸后土壤浸提出的有机碳量-
未熏蒸土壤浸提出的有机碳) / kEC (其中 kEC =
0郾 38)。 土壤矿化释放 CO2量用碱液吸收盐酸滴定
法 测 定。 土 壤 酶 活 性 分 析 按 Saiya鄄Cork 和
Sinsabaugh方法测定,提取待测液体用 Synergy H4多
功能酶标仪测定。
芳香性指数(AIX)是 254 nm紫外吸光值(cm-1)
乘以 100(m-1),再除以溶液可溶性有机碳的浓度
(mg / L);腐殖化指数 (HIX) 定义为发射光谱中
移435—480 nm与移300—345 nm的面积比(以上相
关实验全部通过 3次重复实验完成)。
1.4摇 数据处理
数据经 Excel整理后, 采用 SPSS17.0 软件包进
行单因素方差(One鄄Way ANOVA),不同处理之间多
重比较采用 LSD方法。 绘图由 excel软件完成。
2摇 结果
2.1摇 采伐剩余物不同处理方式下次生林表土的化
学性质
采伐剩余物不同处理方式对次生林表土化学性
质影响不同(表 2)。 半年内,2 种处理土壤间有机
碳、全氮、全磷、硝态氮和亚硝氮均无显著差异(P >
0.05)。 与 LB相比,LR土壤可溶性有机碳氮含量明
显更高(P<0.05),其中可溶性有机氮含量(7. 61 依
1郾 41) mg / kg是 LB的 2.05倍。 LB土壤有效磷含量
(2.23依1.77) mg / kg显著高于 LR(1.30依0.29) mg / kg
(P < 0.05)。 LB 土壤氨氮含量显著低于 LR(P <
0郾 05)。 1a后,LB较半年前土壤的氨氮、硝态氮和亚
硝氮含量显著增加,而有机碳、全氮、可溶性有机碳
氮含量、有效磷含量显著下降(P < 0.05),LR变化趋
势与其一致,其中 LB土壤可溶性有机碳含量(11郾 68
依2.77) mg / kg减少近 80%。 处理 1a后 LB土壤有效
磷含量(1.71依0.12) mg / kg显著高于 LR,但 LR可溶
性有机碳氮含量和土壤碳矿化速率较 LB 仍明显更
高(P < 0.05)。
2.2摇 采伐剩余物不同处理对次生林表土微生物学
性状影响
从表 3可见,处理半年时 LR土壤微生物量碳含
量(317.58依79.14) mg / kg 是 LB 的 1.38 倍,代谢熵
(3. 90 依 0. 20) 滋g mg-1 h-1比 LB 低 68. 06% ( P <
7461摇 7期 摇 摇 摇 吴波波摇 等:采伐剩余物对林地表层土壤生化特性和酶活性的影响 摇
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0郾 05)。 土壤微生物熵 LR>LB,但差异不显著(P >
0郾 05)。 LB土壤矿化释放 CO2量为(2.70依0.14) 滋g
mg-1 h-1,明显高于 LR(1.23依0.23) 滋g mg-1 h-1。 1a
后,LR土壤微生物量碳、土壤碳矿化、代谢熵和微生
物熵较半年前有所上升,其中土壤碳矿化速率(1郾 86
依0.08) 滋g mg-1 h-1显著高于 LB(P<0.05)。 LB土壤
微生物量碳和微生物熵较半年前显著上升,土壤碳
矿化显著减少,代谢熵(4.76依0.40) 滋g mg-1 h-1显著
减少近 68%(P<0.05)。
表 2摇 采伐剩余物不同处理方式土壤化学性质
Table 2摇 Soil chemical properties in different treatments of logging residue
处理
Treatment
时间
Time / a
有机碳
Soil organic
C / (g / kg)
全氮
Total N
/ (g / kg)
全磷
Total P
/ (g / kg)
有效磷
Available P
/ (mg / kg)
氨氮
NH+4鄄N
/ (mg / kg)
硝氮+亚硝氮
NO-3鄄N+NO-2鄄N /
(mg / kg)
可溶性有机碳
Dissolved
organic C
/ (mg / kg)
可溶性有机氮
Dissolved
organic N
/ (mg / kg)
LR 0.5 24.39依1.30aA 1.56依0.16aA 0.14依0.00aA 1.30依0.29bA 14.59依2.30aA 13.71依4.15aA 99.34依29.56aA 7.61依1.41aA
LB 22.15依4.58aA 1.57依0.26aA 0.13依0.01aB 2.23依1.77aA 10.58依3.68bA 15.44依5.91aA 51.61依12.71bA 3.71依1.62bB
LR 1 21.30依0.91aA 1.39依0.04bA 0.10依0.00bA 0.82依0.03bA 38.74依1.12aB 13.76依4.49aA 42.82依10.33aB 6.20依0.19aA
LB 17.68依5.12bB 1.26依0.32bB 0.10依0.01bB 1.71依0.12aB 26.64依1.85aB 19.61依2.29aB 11.68依2.77bB 3.47依1.43bB
摇 摇 平均值依标准差;同一列标有不同小写字母的表示不同处理间差异显著,标有不同大写字母的表示同一处理不同取样时间之间差异显著(P < 0.05)
表 3摇 采伐剩余物不同处理方式土壤微生物学特征
Table 3摇 Soil microbial properties in different treatments of logging residue
处理
Treatment
时间
Time / a
微生物量碳(Cbio)
Microbial biomass
C / (mg / kg)
基础呼吸(BR)
Basal respiration
/ (CO2 鄄C, 滋g mg-1 h-1)
代谢熵(qCO2)
Metabolic quotient
/ (C / Cbio,
滋g mg-1 h-1)
微生物熵(Cbio / Corg)
Microbial quotient / 译
LR 0.5 317.6依79.14bA 1.23依0.23aA 3.90依0.20aA 13.01依3.20bA
LB 229.2依82.03aA 2.70依0.14bA 12.21依2.76bA 10.34依2.53bA
LR 1 327.1依68.82bA 1.86依0.08aA 5.84依1.02aA 15.30依2.71aA
LB 285.9依16.31bB 1.36依0.12bB 4.76依0.40aB 17.24依5.59aB
摇 摇 注:平均值依标准差;同一列标有不同小写字母的表示不同处理间差异显著,标有不同大写字母的表示同一处理不同取样时间之间差异显著
(P < 0.05)
2.3 摇 采伐剩余物不同处理对次生林表土芳香性和
腐殖化程度影响
由图 1看出,处理半年时与 LB 相比,LR 土壤芳
香性指数 (4. 99 依 2. 39)较低,腐殖化指数 ( 1. 72 依
0郾 01)较高,但均无显著差异(P > 0.05)。 1a 后,LR
土壤芳香性指数(10.58依0.34)较半年前显著增加,并
显著高于 LB1.6倍之多(P<0.05)。 LB土壤腐殖化指
数(1.20依0.13)较半年前显著降低,比 LR小 36.5%。
2.4摇 采伐剩余物不同处理对次生林表土酶活性影响
采伐剩余物各处理对土壤酶活性影响不同(表
4)。 半年时 LR 土壤酸性磷酸酶 ( 180. 01 依 3. 61)
nmol g-1 h-1、茁鄄葡萄糖苷酶(13.21依 1. 77) nmol g-1
h-1、纤维素水解酶(0.39依0.01) nmol g-1 h-1活性均
显著高于 LB,而酚氧化酶(54.59依4.16) nmol g-1 h-1
活性显著低于 LB(P<0.05)。 1a 后,除 茁鄄葡萄糖苷
酶活性略有降低外,LB 其他 3 种土壤酶活性较半年
前均显著上升(P<0.05),其中酚氧化酶(364. 39 依
5郾 62) nmol g-1 h-1增加近 4.5倍并与 LR有显著差异
(P < 0郾 05),其他几种酶与 LR 无显著差异 ( P >
0郾 05)。 LR土壤酸性磷酸酶和 茁鄄葡萄糖苷酶活性较
半年前有所下降,酚氧化酶(83.67依5.27) nmol g-1
h-1活性显著增加(P<0.05),纤维素水解酶活性也有
所增加。
3摇 讨论
3.1摇 采伐剩余物对次生林表土化学性质的影响
处理半年时,和 LB相比,LR土壤可溶性有机碳
氮含量较高,有研究表明这是由于采伐后剩余物的
可溶性有机碳氮易被雨水淋洗进入土壤表层造成
的[16]。 1a后,分解基本结束,部分地表植被开始恢
复,这也导致林地表层土壤养分因植被恢复时被
大量吸收而减少[17] 。随着时间的推移,林地表层土
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图 1摇 采伐剩余物不同处理方式土壤芳香性指数和腐殖化指数
Fig.1摇 Soil aromaticity index and humification index in different treatments of logging residue
直方柱上标有不同小写字母的表示不同处理间差异显著,标有不同大写字母的表示同一处理不同取样时间之间差异显著 (P < 0.05)
表 4摇 采伐剩余物不同处理方式土壤酶活性
Table 4摇 Soil enzymatic activities in different treatments of logging residue
处理
Treatment
时间
Time / a
酸性磷酸酶
Acid phosphatase
/ (nmol g-1 h-1)
茁鄄葡萄糖苷酶
茁鄄1,4鄄glucosidase
/ (nmol g-1 h-1)
纤维素水解酶
Cellobiohydrolase
/ (nmol g-1 h-1)
酚氧化酶
Phenol Oxidase
/ (nmol g-1 h-1)
LR 0.5 180.01依3.61aA 13.21依1.77aA 0.39依0.01aA 54.59依4.16aA
LB 54.01依1.12bA 4.71依0.68bB 0.19依0.01bA 82.17依6.78bA
LR 1 170.03依3.57aA 9.45依2.12aB 0.41依0.09aA 83.67依5.27aB
LB 149.12依2.71aB 4.37依2.12aB 0.35依0.01aB 364.39依5.62bB
摇 摇 平均值依标准差;同一列标有不同小写字母的表示不同处理间差异显著,标有不同大写字母的表示同一处理不同取样时间之间差异显著
(P < 0.05)
壤可溶性养分不断减少,这也促成了养分滤出量减
少。 本研究中 LR土壤硝态氮和亚硝氮含量 1a 后变
化不大,可能是因为 LR大部分沉淀物中的无机氮化
合物被有效的保留在大量采伐剩余物当中,保留的
采伐剩余物中通过雨水淋洗渗入土壤中的无机氮较
少[18]。 而氨氮含量却显著增加,这可能是腐烂的采
伐剩余物和生物残骸层有机质矿化作用增强的
结果[19]。
Page鄄Dumroese 研究表明,在火烧之后 1a 内林
地表层以下 30 cm 的土壤有机碳含量减少了近
80%[20]。 本研究中,火烧 v后 LB土壤有机碳含量减
少可能因为火烧强度大造成大量有机碳损失[21],也
可能是火烧后表层土壤板结易受暴雨侵蚀导致有机
碳大量损失[22]。 杨玉盛等在福建尤溪粉砂岩发育
的山地红壤研究指出,火烧后第 1 年水土流失导致
有机质的流失量达 489.39t / hm2 [23]。 大多数研究表
明,火烧后无论是全磷、无机磷还是有效磷含量均迅
速增加[24],特别是火烧强度较大的火烧迹地有效磷
含量增加明显[25]。 本研究中,和 LR相比,火烧后半
年明显增加了土壤有效磷含量,这与火烧后残留的
灰分进入表层矿质土壤及表土温度升高而使土壤养
分矿化速度加快有关[26]。 1a 后,LB 有效磷含量依
然最高,因南方地区酸性土壤的有效磷含量极低,火
烧后其含量的增加无疑对南方地区林木的更新具有
积极意义。 LB土壤可溶性有机碳含量 1a 后减少近
80%,可溶性有机氮含量变化不大,这表明可溶性有
机碳对火烧响应更为敏感。 Fisher研究发现,火烧剩
余物后,通过氧化(气化)、蒸发(挥发)、灰分颗粒对
流、增加可溶性离子的淋溶,加速了地表侵蚀,LB 可
溶性有机碳含量可能因此迅速降低[27]。 Smithwick
对林火后北方针叶林无机氮的变化研究发现,林火
后氮挥发、有机质经高温溶解、无机氮沉积等现象都
9461摇 7期 摇 摇 摇 吴波波摇 等:采伐剩余物对林地表层土壤生化特性和酶活性的影响 摇
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有发生,林地表层无机氮的增加可能和林地表层物
质燃烧量及火烧强度成正比[28]。 LB 土壤有机质碳
化和植被层火烧后有机残体与无机物堆积,加上火
烧后土壤温度升高、固氮植物减少、土壤微生物减少
固氮能力降低导致氮矿化速率增加,氨氮、硝态氮和
亚硝氮含量随之增加,这表明 LB表层土壤一年来硝
化作用在不断增强。
3.2摇 采伐剩余物对次生林表土生物特性的影响
土壤微生物是土壤有机质和土壤养分转化和循
环的动力,其本身既是土壤养分的贮备库,也参与有
机质的分解、腐殖质的形成、养分的转化和循环的各
个生化过程,发挥着极为重要的作用[29]。 LR 中采
伐剩余物分解为微生物提供了养分和能量来源,从
而导致半年后 LR土层中土壤微生物量碳含量比 LB
高。 随着土壤微生物量碳转换加快,微生物熵也变
大,土壤有机碳周转速率随之加快[30]。 qCO2值的变
化能够反映土壤微生物种群利用土壤有机成分的效
率,半年后,LB土壤的 qCO2值最高,LR的最低,表明
LR土壤微生物利用土壤养分效率最高[31]。 通常情
况下,火烧引起的高温可以直接杀死土壤微生
物[32],短期内会引起土壤微生物生物量的显著下
降[33],部分土壤养分、微生物量碳及微生物熵相比
LR有所降低,但随后由于自然恢复植被产生的死地
被物积累与逐步分解,土壤养分含量又开始增加。
火烧后一年内林地光照充足,地表温度升高,土壤微
生物量碳和微生物熵较半年前小幅上升,qCO2值显
著下降,土壤碳矿化减少并显著小于 LR,这将导致
土壤养分循环速率的提高。 这与黄熬梅的研究结论
“土壤质量提高,土壤 qCO2有减少的趋势一致[34] 冶。
表明随着火烧后时间的增加,迹地生态环境可能在
逐渐改善,这将有利于植被的快速恢复。 但也说明
LB土壤微生物生物量要经过很长时间才能恢复到
火烧前水平。 Fritze 研究发现松林要经历长达 12a
才能使微生物生物量恢复到火烧前的水平[35]。 因
此,在进行皆伐炼山过程中,土壤进行强烈的矿质化
作用,这对土壤养分及时供应是有利的,但对养分的
蓄持是不利的,因而要尽量减少火烧的强度和持续
时间,减少对土壤微生物群落的影响。 LR 采伐剩余
物残体主要积累在表土层中,相应地可供微生物维
持生命活动的能量充足,因而 LR 土壤微生物量碳、
土壤碳矿化、代谢熵和微生物熵较半年前有所上升。
3.3摇 采伐剩余物对次生林表土芳香性和腐殖化程
度的影响
王清奎等人认为芳香性指数可以粗略地反映腐
殖质的芳化分子程度和分子量的大小,其值越大,分
子的复杂程度越高,芳香族原子团越多,缩合程度越
高。 相反,值越小,则芳香性小,脂肪侧链多,光密度
较小[36]。 由图 1看出,半年时 LR与 LB土壤芳香性
指数差异不显著,说明采伐剩余物处理半年对芳香
化物的吸附影响不明显。 当它在土壤表层覆盖采伐
剩余物后其吸光值逐渐升高,1a 后,LR 芳香性指数
较半年前显著增加,这是 LR对芳香化合物优先吸附
的结果,说明保留采伐剩余物后土壤腐殖质中的芳
香物质的缩合程度高。 LB 腐殖化指数较半年前显
著降低,与 1a 后土壤芳香性变化趋势相似。 Michel
研究认为腐殖化指数较大的土壤中含有更多的大分
子物质,比如缩合的芳香环和芳香化合物,这些都是
腐殖质中所含有的典型大分子物质[37]。 杨秀虹室
内分解实验与本研究结果类似,LR 采伐剩余物的输
入和分解短期内增加了土壤可溶性有机碳含量,一
些大分子量的物质可以优先被吸附在土壤中,土壤
芳香类组分增多,团聚化程度增加,促进了土壤有机
物质的转化,加快了营养元素循环,为林木生长提供
更多的营养物质,同时也积累了较多的腐殖质,起到
了培肥改土的作用[38]。 LB 土壤的吸附作用大致呈
现下降的趋势,1a后腐殖化指数较半年前显著降低,
这是由于火烧时火对表层土壤的灼烧,表层土壤腐
殖质遭分解,不但数量上减小,其品质亦发生一定的
变化[39]。 P佴rez 研究表明,火烧能减少表层土壤有
机质中能降低物质溶解度的表面含氧基团,减小烷
基化合物如烷烃、脂肪酸和醇的链长,使糖和脂类发
生芳构化,腐殖质大分子缩合等[40]。 Jenkinson 发现
土壤中腐殖质含量及所占比例下降与林地枯死物数
量减少和质量下降有关,与营林措施采取(特别是炼
山措施反复使用)导致其分解有关[41]。 本研究中,
虽然 LB 半年内差异不是很明显,但随着时间的推
移,LB土壤腐殖化度减弱,腐殖质大分子缩合,复杂
程度降低,芳香族原子团减少,结合度变弱,而脂肪
族结构增大,土壤腐殖质团粒化作用降低,分解和裂
解矿物的作用加强,表层土壤腐殖质品质变差,活化
度变弱,这对保持森林土壤良好结构的能力不利。
0561 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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3.4摇 采伐剩余物对次生林表土酶活性的影响
土壤酶是土壤生物化学过程的积极参与者,在
森林生态系统中的物质循环和能量流动过程中扮演
着重要的角色[42],对于土壤生态系统中的 C、N循环
具有重要作用[43]。 火烧之后,土壤酶活性的变化随
酶的种类、火烧时间和火烧强度而异。 半年时 LR土
壤酸性磷酸酶、茁鄄葡萄糖苷酶、纤维素水解酶活性明
显比 LB土壤的更高,尤其是土壤酸性磷酸酶和 茁鄄葡
萄糖苷酶,这说明土壤输入采伐剩余物土壤碳氮元
素循环较快,土壤质量明显改善,而严重火烧引起的
高温使酶变性而失去活性[44]。 这与其他相关研究
结果类似。 如:Boerner 和 Brinkman 发现,频繁火烧
迹地降低了森林土壤中酸性磷酸酶和 茁鄄葡萄糖苷酶
活性[45],Miesel的研究也表明火烧后一年内加州混
合针叶树森林相对未火烧区域酸性磷酸酶活性下降
33%[46],Hamman 等发现严重火烧后 2—3a,土壤酶
活性仍低于火烧前水平[47]。 LR 表层土壤覆盖了较
多采伐剩余物及其已分解的腐殖质,有机质含量高
转化快,利于微生物生长,加之表层水热条件和通气
状况良好,微生物生长旺盛,代谢活跃,呼吸强度加
大,从而使表层土壤的 茁鄄葡糖苷酶活性较高。 由于
土壤酚氧化酶活性与土壤腐殖化程度呈负相关[48],
本研究中 LB土壤酚氧化酶活性较高,这表明火烧使
土壤粗腐殖质较多,土壤腐殖化程度低,而 LR 土壤
酚氧化酶活性较低,说明 LR土壤有较强的合成腐殖
质的能力,因此能积累更多的营养物质,为林木生长
提供基础。 总体上,LR土壤微生物数量的增加和土
壤酶活性增强,表明土壤的生物活性得到了提高,其
势必加速土壤养分的循环速率,促进林木的生长,有
利于土壤肥力的提高[49]。
1a后采伐剩余物分解基本结束,LR土壤较半年
前微生物生物量变化不大,酸性磷酸酶、茁鄄葡萄糖苷
酶活性略有降低,纤维素水解酶活性有所增加,土壤
腐殖化程度加深,说明此时 LR以腐殖质合成作用占
优势,表层土壤养分变化不大。 LB 因其改变了林下
生境的光热条件,火烧迹地地表裸露,土壤热量状况
较好,促进了微生物的繁衍,除 茁鄄葡萄糖苷酶活性少
许降低外,LB 土壤酶活性较半年前有所上升,土壤
磷酸酶增加,酶促作用能加速有机物磷元素的脱磷
速度,提高磷元素的有效性,使得 LB 土壤有效磷的
含量较 LR土壤的大。 但随时间延长,LB 土壤酚氧
化酶活性增加近 4.5 倍,合成腐殖质的能力大大降
低,这对土壤养分及时供应是有利,但对养分的蓄持
是不利的。
4摇 结论
林地表层土壤生化性质及酶活性对采伐剩余物
不同处理方式反应比较敏感,尤其是可溶性有机碳、
微生物量碳和酚氧化酶。 半年内,LR 土壤微生物利
用土壤养分效率最高,除酚氧化酶外其他 3 种酶活
性均高于 LB。 LB 对土壤养分及时供应有利,但随
时间延长,严重火烧引起的高温使酶变性而失去活
性,1a后 LB土壤酶活性有所上升,但芳香族原子团
变少,土壤腐殖质品质变差;LR 土壤养分较半年前
变化不大,但积累了较多的腐殖质,起到了培肥改土
的作用。 总体上采伐剩余物保留对林地表层土壤质
量的改善效果比火烧更明显。
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3561摇 7期 摇 摇 摇 吴波波摇 等:采伐剩余物对林地表层土壤生化特性和酶活性的影响 摇
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
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学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿源卷摇 第 苑期摇 渊圆园员源年 源月冤
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电话院渊园员园冤远圆怨源员园怨怨憎憎憎援藻糟燥造燥早蚤糟葬援糟灶泽澡藻灶早贼葬蚤曾怎藻遭葬燥岳 则糟藻藻泽援葬糟援糟灶
主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
主摇 摇 办摇 中国生态学学会
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耘凿蚤贼藻凿 遭赠摇 耘凿蚤贼燥则蚤葬造 遭燥葬则凿 燥枣
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