带状皆伐对华西雨屏区柳杉人工林土壤氮矿化特征的影响.pdf

第 41 卷 第 5 期2023 年 10 月四川农业大学学报Journal of Sichuan Agricultural UniversityVol.41 No.5Oct.2023带状皆伐对华西雨屏区柳杉人工林土壤氮矿化特征的影响张玉，张琳慧，陈玉莲，杜婷，游成铭，张丽，谭波，徐振锋，李晗*（长江上游林业生态工程四川省重点实验室/四川农业大学林学院，成都 611130）摘要：【目的】旨在揭示带状皆伐对该地区人工林土壤氮矿化过程的影响，以期为华西雨屏区柳杉人工林提质增效和科学改造提供理论依据。【方法】以洪雅林场内3种带宽（10 m、20 m、30 m）带状皆伐改造柳杉人工林土壤为研究对象，通过为期28 d的室内培养实验，测定土壤硝态氮、铵态氮含量和净氮矿化速率等，并结合土壤理化性质，探究不同带宽带状皆伐对土壤氮矿化的影响及其关键驱动因子。【结果】华西雨屏区柳杉人工林土壤无机态氮主要形态为硝态氮；带状皆伐改造显著降低了土壤硝态氮含量，提高了土壤铵态氮含量；不同带宽带状皆伐对土壤氮矿化影响不同，其中20 m带宽皆伐显著提高了土壤初始硝化速率和净氮矿化速率；土壤养分含量及微生物生物量和酶活性是带状皆伐改造调控土壤氮矿化的关键因素。【结论】3种带状皆伐以20 m带宽土壤氮矿化速率较高，在提高土壤氮素有效性和促进氮素养分循环方面更具有优越性，有利于促进华西雨屏区柳杉人工林生产力和生态的可持续发展。关键词：带状皆伐；柳杉人工林；净氮矿化速率；硝态氮；酶活性中图分类号：S714.2 文献标志码：A 文章编号：1000-2650（2023）05-0863-10Effects of Strip Clearcutting with Different Bandwidths on Soil Nitrogen Mineralization Characteristics of Cryptomeria japonica Plantations in Rainy Area of Western ChinaZHANG Yu，ZHANG Linhui，CHEN Yulian，DU Ting，YOU Chengming，ZHANG Li，TAN Bo，XU Zhenfeng，LI Han*（Forestry Ecological Engineering in the Upper Reaches of the Yangtze River Key Laboratory of Sichuan Province/Faculty of Forestry，Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，China）Abstract:【Objective】The experiment aimed to reveal the effects of strip clearcutting on soil nitrogen mineralization of Cryptomeria japonica plantations，and provide a theoretical basis for the improvement of quality and productivity of plantations in the Rainy Area of Western China.【Method】A 28 days incubation experiment was conducted to determine the nitrate and ammonium nitrogen contents and the net nitrogen mineralization rate of the soil on three strips clearcutting bandwidths（10 m，20 m and 30 m）.Combined with soil physical and chemical properties，the effects of different strip clearcutting bandwidths on soil nitrogen mineralization and its key driving factors were explored.【Result】The predominant form of soil inorganic nitrogen in the Cryptomeria japonica plantations of the Rainy Area of Western China was nitrate nitrogen.The strip clearcutting resulted in a significant decrease in soil nitrate nitrogen content and an increase in soil ammonium nitrogen content.The effects of different strip clearcutting bandwidths on soil N mineralization were different.The 20 m bandwidth one resulted in a significant increase in initial soil nitrification rate and initial net N mineralization rate；The strip clearcutting primarily affected soil N doi：10.16036/j.issn.1000-2650.202305259收稿日期：2023-05-10基金项目：四川省应用基础研究（2022NSFSC0997、2022NSFSC0083）；中国博士后科学基金（2023M732500、2022M722297）。作者简介：张玉，硕士研究生，E-mail：。*责任作者：李晗，博士，讲师，主要从事高山森林地下物质循环、全球气候变化与高山森林生态系统响应方面的研究，E-mail：。四川农业大学学报第 41 卷 mineralization rate by altering soil nutrient content，enzyme activity and microbial biomass.【Conclusion】The soil nitrogen mineralization rate was higher at 20 m than other strip clearcutting bandwidths，which would be beneficial for improving soil nitrogen effectiveness and nutrient cycling in the sustainable development of Cryptomeria japonica plantations productivity in the Rainy Area of Western China.Keywords:strip clearcutting；Cryptomeria japonica plantations；net nitrogen mineralization rate；nitrate nitrogen；enzyme activity目前我国人工林生产力低下、经营管理方式参差不齐等问题显著1。氮素作为森林生态系统中限制林木生长和森林生产力的主要元素之一2，但森林生态系统中绝大多数氮是以有机化合物形态存在的，无法被植物直接吸收利用，植物可吸收利用的无机态氮(硝态氮和铵态氮)则需要在土壤微生物的驱动下经矿化作用获取2-3。因此，土壤氮矿化过程很大程度上决定了人工林土壤的氮素有效性及生产力高低。目前，国内外学者在不同地区开展了大量有关森林土壤氮矿化过程及其影响因子研究4-6。研究结果表明，土壤氮矿化过程与微生物活性密切相关，且受到土壤温度、湿度、pH值和土壤养分等土壤环境因子调控7-9。皆伐是常见的人工林经营管理方法，在改善林分空间结构，改变土壤微气候，提高林分生产力等方面具有重要作用10。现有的研究结果表明，皆伐改造能够通过林木数量的减少增加地面太阳辐射和降低蒸腾作用影响林地内土壤温湿度，引起林地内微环境的改变，进而对土壤氮矿化过程产生影响7。然而，大面积皆伐会导致林地裸露，易造成水土流失，且采伐迹地多杂草丛生，不利于开展后续抚育工作。因此，为避免大面积林木采伐，在维持原有林地环境的同时，达到皆伐改造的效果，带状皆伐这一近自然改造措施成为人工林改造领域的研究热点之一11-12。有研究表明不同带宽的带状皆伐对土壤氮矿化过程影响有所差异：当皆伐带宽过小时，可能不足以通过改变土壤微气候和理化特征对土壤氮矿化过程产生显著影响7；而皆伐带宽过大则会增加水土流失的风险13-14。然而，目前国内外有关华西雨屏区人工林生态系统皆伐带宽对土壤氮矿化的影响及人工林经营措施下土壤氮矿化调控因子的研究尚有不足，限制了对人工林经营管理方式下土壤氮矿化过程响应的理解。柳杉(Cryptomeria japonica)生长迅速、适应性强且树干通直，是我国亚热带地区主要的速生丰产用材针叶树种之一15。华西雨屏区位于四川盆地西部边缘，常年降雨充沛，位于其核心地带的四川洪雅国有林场内种植大面积柳杉人工林，但由于造林初期着重追求经济效益，长期大规模种植单一树种导致其柳杉林分地力衰退严重、生态稳定下降和养分利用率低等生态问题突出。因此，本研究以不同带宽带状皆伐改造的柳杉人工林土壤为研究对象，通过为期28 d的室内培养实验，测定土壤无机氮含量和氮矿化速率，分析带状皆伐改造中不同带宽对柳杉人工林生态系统供氮能力及土壤氮素潜在矿化能力的影响，同时结合土壤理化性质，探究带状皆伐带宽对土壤氮矿化的关键驱动因子，以期为华西雨屏区内柳杉人工林提质增效与科学改造提供理论依据，以促进华西雨屏区人工林生态的可持续发展。1材料和方法1.1研究区域概况研究区域位于四川省眉山市洪雅县洪雅林场(1024910332E，29243000N)，地属华西雨屏区核心区域，南高北低，海拔1 2001 300 m。该地区属于亚热带湿润气候，气候温和湿润，年平均气温16.6，月平均最高温28.9 (7月)，月平均最低温4.6 (1月)；降水充沛，510月多阴雨天气，多年平均降雨量1 435.5 mm，空气平均湿度77%。土壤为酸性山地黄壤土16。洪雅林场是全国有名的大型柳杉人工商品材基地，区域内主要乔木为人工种植的柳杉(Cryptomeria japonica)、杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb)Hook.)等，覆盖面积大，林下植被主要为蕨类(PteridopHyta)、箭竹(Fargesia spathacea Franch)、蛇莓(Duchesnea indica)、楼梯草(Elatostema involucratum Franch.et Sav.)等。1.2样地设置实验样地位于洪雅林场玉屏山工区野鸡坪五米桥，海拔1 239.0 m，主要为林龄为23 a柳杉近熟林，郁闭度0.7，平均胸径22.0 cm，平均高度16.98 m，坡度25。研究团队于2020年912月以集水区为生态系统研究功能单元，选择相邻且条件相似的柳杉人工林展开不同带宽的带状皆伐改造工作，并于2020年底完成样地采伐带砍伐与清理工作。带状皆864第 5 期张玉，等：带状皆伐对华西雨屏区柳杉人工林土壤氮矿化特征的影响伐采伐带的宽度分别为10 m(L10)、20 m(L20)和30 m(L30)，同时在工区内保留未皆伐林分设置为对照样地(LCK)。此外，由于该研究区域内山丘较多，地形起伏不定，相对高差在2050 m左右，不便进行规则的横坡改造，因此，研究团队采用顺山(山脊到沟底方向)皆伐的方式对样地进行带状皆伐改造。1.3实验方法1.3.1样品采集及处理于2022年7月采集土壤样品，在未皆伐林分中随机选取3个采样区域进行采样，在各带宽带状皆伐样地中随机选取3个皆伐带，并在其中心各设置采样区域进行采样。采样时先移除地表凋落物层，后利用20 cm土钻取样。同时为平衡坡位差异，分别在皆伐带的上、中和下坡设置3个采样点，每个采样点分别取土壤有机层(约020 cm)和土壤矿质层(约2040 cm)两层土样，随后将同一采样区域内3个采样点样品混合成1个土样，共计24份土样，低温保存带回实验室，新鲜土样过2 mm筛后，一部分用于测定各类土壤理化性质初始值(表1)，一部分进行室内氮矿化培养。1.3.2室内培养实验室内培养氮矿化实验具体方法如下：新鲜土样过2 mm筛后，置于在100 mL塑料瓶中，并将瓶口用保鲜膜密封，置于25、湿度为60%的恒温培养箱中，黑暗条件下培养0、7、14、21和28 d后测定土壤硝态氮、铵态氮含量。土壤含水量测定采用烘干法；pH测定采用电位法；土壤硝态氮采用氯化钾浸提-酚二磺酸比色法测定；土壤铵态氮采用氯化钾浸提-靛蓝比色法测定17；土壤有机碳测定采用重铬酸钾-硫酸外加热法；土壤全氮测定采用凯氏定氮法18；微生物生物量碳氮测定采用氯仿熏蒸法19；微生物胞外酶活性测定采用S.D.Allison20改进R.L.Sinsabaugh 21方法。1.3.3数据统计分析采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和邓肯(Duncan)法检验同一土层不同皆伐改造下各无机氮含量和硝化速率、氨化速率、净氮矿化速率及平均矿化速率间的差异显著性；利用重复测量方差分析表1不同带宽带状皆伐土壤理化性质Table 1Soil physical and chemical properties in different bandwidths土壤理化性质Soil physical and chemical propertiesSWC/%pHSOC/(gkg-1)TN/(gkg-1)MBC/(mgkg-1)MBN/(mgkg-1)BG/(molh-1g-1)CBH/(molh-1g-1)NAG/(molh-1g-1)LAP/(molh-1g-1)土壤有机层 Soil organic layerLCK52.760.54 a4.210.04c53.100.14a3.070.11a776.1455.96a100.7824.95a3.630.16a3.630.16a0.210.01a0.520.00aL1044.540.19b4.210.04c53.100.14a3.070.11a371.490.48a100.7824.95ab3.630.16ab3.630.16ab0.210.01a0.520.00aL2045.661.45ab4.620.01a53.361.71a2.410.28a217.581.4a33.893.00b1.610.04b1.550.04b0.380.02a0.440.01aL3040.933.31b4.300.01b46.305.77a3.240.61a415.65132.64a55.5114.17ab1.660.02b1.660.02b2.10.68a0.560.02a土壤矿质层 Soil mineral layerLCK56.760.28a4.390.03ab43.490.64a2.650.17a-211.4893.68b17.3510.71a2.140.08b2.260.1a0.130.03c0.410.03abL1043.350.17b4.460.01a27.771.68b1.970.100b50.3444.06a10.964.46a2.20.11b2.20.11a0.230.01b0.360.01bL2041.120.12c4.320.01b15.440.54b1.020.11c-86.3123.51ab9.651.03a2.540.03a2.050.27a0.020.00d0.490.00aL3036.100.23d4.370.04b16.720.15b1.540.23bc-23.4466.13ab10.131.71a2.110.01b2.110.01a0.430.06a0.430.02ab注：SWC：土壤含水量；SOC：土壤有机碳；TN：土壤全氮；MBC：微生物生物量碳；MBN：微生物生物量氮；BG：-葡萄糖苷酶；CBH：纤维二糖水解酶；NAG：-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶；LAP：亮氨酸氨基肽酶；不同小写字母代表不同带宽带状皆伐改造间差异显著（平均值标准误，n=3；P0.05）。下同。Note：SWC：soil water content；SOC：soil organic carbon；TN：soil total nitrogen；MBC：microbial biomass carbon；MBN：microbial biomass nitrogen；BG：-glucosidase；CBH：cellobiohydrolase；NAG：-4-N-acetylglucosaminidase；LAP：leucine aminopeptidase；different lowercase letters indicates significant differences among bandwidths（MeanSE，n=3；P0.05）.The same as below.865四川农业大学学报第 41 卷 法(Repeated Measures ANOVA)检验培养时间、带宽和土层及其交互作用对各无机氮含量和硝化速率、氨化速率及净氮矿化速率的影响；运用冗余分析(RDA)检验土壤各理化性质与土壤硝化速率、氨化速率和净氮矿化速率之间的关系。显著性水平设置 为 P=0.05。采 用 Microsoft Excel 2016 和 SPSS 23.0 软件进行数据统计分析，采用 Origin 2021 和GraphPad Prism 8.0.1软件进行绘图。2结果与分析2.1不同带宽皆伐下土壤无机氮含量特征由三因素重复测量方差分析可知，带宽及其与土层和培养时间两两交互作用对土壤硝态氮、铵态氮及总无机氮含量具有显著影响，且带宽、土层和培养时间三者交互作用对铵态氮和无机氮含量存在显著性差异影响（表2）。如图1所示，培养开始阶段与未皆伐林分相比，不同带宽皆伐改造在土壤有机层和土壤矿质层的硝态氮含量分别降低了18.4%59.1%和38.4%48.3%。随着培养时间的延长，有机层和矿质层内各带宽皆伐带内土壤硝态氮含量均呈增加趋势，而未皆伐林分土壤硝态氮含量则呈现先增后降的趋势，在第21天时达到最高，在有机层和矿质层中分别为(53.392.38)mg/kg 和(35.210.77)mg/kg，随后下降。土壤有机层内，不同宽带状皆伐平均硝态氮含量表现为10 m带宽皆伐显著大于30 m带宽和20 m带宽皆伐，而在矿质层内不同带宽皆伐之间差异不显著。如图2所示，带状皆伐显著增加了土壤有机层和矿质层的初始铵态氮含量(P0.05)，其中，30 m和20 m带宽改造下初始铵态氮含量分别在土壤有机层和矿质层中最高，分别为(9.741.28)mg/kg 和(5.690.12)mg/kg，并随着培养时间的推移均呈现波动递减的趋势。在培养过程中，土壤有机层铵态氮含量在各宽度皆伐带间始终差异显著，但在矿质层中随着培养的延长差异逐渐减弱。从整个培养周期平均值看，30 m带宽的带状皆伐显著增加了土壤有机层铵态氮含量，20 m带宽带状皆伐显著增加了矿化层铵态氮含量。不同宽度带状皆伐对土壤无机氮含量差异影响显著(图3)。土壤有机层及矿质层无机氮存在形式均以硝态氮为主，且为土壤铵态氮含量的414倍。因此，无机氮含量随着培养时期的变化趋势与硝态氮含量变化趋势相似，不同带宽带状皆伐下均呈明显的增长趋势，而未皆伐林土壤呈先增加后减少趋势。从培养时期平均值来看，各带宽皆伐改造均显著降低了土壤有机层及矿质层无机氮含量，而10 m和20 m宽度皆伐带的无机氮含量分别显著高于有机层和矿质层其余皆伐带宽，其含量分别为(30.541.37)mg/kg与(18.511.28)mg/kg(P0.05)。2.2不同带宽皆伐下土壤氮矿化速率特征如表2所示，不同带宽以及带宽、土层和培养时间三者交互作用对土壤硝化速率、氨化速率及净氮矿化速率存在显著差异性影响。由图4a可知，20 m及30 m带宽带状皆伐改造显著增加了土壤有机层中初始硝化速率，其硝化速率分别为（0.990.11）mg/(kgd)和（0.680.08）mg/(kgd)，而随着培养时间的延长，不同带宽皆伐之间硝化速率差异不显著。在矿质层土壤中，未皆伐林的硝化速率表现为先增后减的趋势，表2不同带宽、土层和培养时间对无机氮含量及氮矿化速率的影响Table 2Effects of bandwidth,soil layer and period on inorganic nitrogen content变异来源Source of variance带宽土层培养时间带宽土层带宽培养时间土层培养时间条带土层培养时间硝态氮含量Nitrate Ncontent/(mgkg-1)F53.356*205.076*69.654*19.134*9.209*7.255*2.161铵态氮含量Ammonium Ncontent/(mgkg-1)F11.683*8.425*26.730*8.874*14.500*5.521*13.864*无机氮含量Inorganic Ncontent/(mgkg-1)F47.843*214.530*57.903*19.669*8.553*6.753*3.761*硝化速率Nitrification rate/(mgkg-1d-1)F7.293*76.190*24.226*0.33626.115*2.1867.600*氨化速率Ammonization rate/(mgkg-1d-1)F20.727*14.526*96.614*35.904*14.876*14.502*15.785*净氮矿化速率Net N mineralization rate/(mgkg-1d-1)F4.551*41.421*78.216*16.623*29.524*2.69511.008*注：*表示不同带宽皆伐改造间差异显著（P0.05）。Note：*indicates significant differences among bandwidths（P0.05）.866第 5 期张玉，等：带状皆伐对华西雨屏区柳杉人工林土壤氮矿化特征的影响10 m带宽带状皆伐趋势相反，在培养初期呈负硝化速率，而在培养后期转为正硝化速率，20 m与30 m带宽带状皆伐则始终呈现稳定的硝化速率。从培养周期内平均值来看，有机层各带宽带状皆伐间土壤硝化速率无显著差异，20 m和30 m带宽带状皆伐则显著提高了矿质层土壤硝化速率。土壤有机层中，未皆伐林土壤的氨化速率呈正负交替变化，而10 m带宽带状皆伐的氨化速率始终为正，而20 m和30 m带宽带状皆伐的则始终为负，且30 m带宽负氨化速率显著高于20 m带宽。土壤矿质层中，在培养初期，不同处理均呈现负氨化速率，其中30 m带宽带状皆伐氨化速率为(-0.030.00)mg/(kgd)，显著高于未皆伐林分及其余带宽皆伐。由图5c可知，有机层土壤中不同带宽皆伐改造（a）：土壤有机层；（b）：土壤矿质层；（c）：培养时期内平均值（N=3）。“*”及不同大写字母均表示不同带宽皆伐改造间差异显著（P0.05），下同。（a）：soil organic layer；（b）：soil mineral layer；（c）：means content during the incubation（N=3）.Both*and different capital letters indicates significant differences among bandwidths（P0.05）.The same as below.图1不同带宽带状皆伐土壤硝态氮含量变化Figure 1Dynamics of soil nitrate nitrogen concentration under strip clear-cutting with different bandwidths图2不同带宽带状皆伐土壤铵态氮含量变化Figure 2Dynamics of soil ammonium nitrogen concentration under strip clear-cutting with different bandwidths图3不同带宽带状皆伐土壤无机氮含量变化Figure 3Dynamics of soil ammonium nitrogen concentration under strip clear-cutting with different bandwidths867四川农业大学学报第 41 卷 之间平均氨化速率差异显著，其中10 m带宽平均氨化速率为(0.050.00)mg/(kgd)显著高于其余带宽皆伐，而矿质层10 m和20 m带宽显著降低了土壤氨化速率(P0.05)。培养初期，20 m带宽皆伐改造的土壤净氮矿化速率在有机层显著高于其他带宽皆伐带，具体为(0.760.03)mg/(kgd)。而随着培养的进行，20 m带宽皆伐改造下有机层土壤净氮矿化速率呈波动下降趋势，其余带宽皆伐改造均呈上升趋势，培养后期土壤净氮矿化速率差异逐渐不显著。在矿质层土壤中，培养初期不同带宽皆伐间净氮矿化速率差异不显著，但随着培养实验的进行，30 m带宽带状皆伐改造的净氮矿化速率显著高于10 m和20 m带宽带状皆伐。由图6c可知，30 m带宽皆伐显著降低了培养时期内土壤有机层平均净氮矿化速率，而提高了矿质层土壤平均净氮矿化速率。2.3不同带宽皆伐下土壤氮矿化的影响因素冗余分析结果表明(图7)，在解释变量对响应变量的解释方面，RDA1轴和RDA2轴分别能解释45.65%和27.70%，总解释率达73.35%。土壤微生物生物量碳氮与土壤有机碳存在明显的协同作用，随着微生物生物量和土壤有机碳增加(RDA1轴)，土壤净氮矿化速率在土壤有机层内呈明显的增加趋势，存在极强的正相关关系，此外，土壤净氮矿化图6不同带宽带状皆伐净氮矿化速率变化Figure 6Dynamics of net N mineralization rate under strip clear-cutting with different bandwidths图5不同带宽带状皆伐氨化速率变化Figure 5Dynamics of soil ammonization rate under strip clear-cutting with different bandwidths图4不同带宽带状皆伐硝化速率变化Figure 4Dynamics of soil nitrification rate under strip clear-cutting with different bandwidths868第 5 期张玉，等：带状皆伐对华西雨屏区柳杉人工林土壤氮矿化特征的影响速率与土壤含水量呈现正相关关系，与土壤pH则呈现负相关关系。土壤全氮与氮相关酶活性(NAG和LAP)有明显的协同作用，主要与土壤的硝化速率呈正相关，且土壤的硝化速率与土壤微生物生物量碳氮和土壤有机碳也存在较强的正相关关系，而与土壤含水量及土壤pH呈负相关关系。土壤的氨化速率与碳相关酶(BG和CBH)活性在RDA2轴上表现为显著正相关关系，与土壤含水量呈正相关关系，但不显著，而与其他土壤理化性质呈现负相关关系。3讨论3.1带状皆伐对土壤无机氮含量的影响硝态氮是华西雨屏区柳杉人工林土壤无机氮的主要形态，且远高于土壤铵态氮含量，这与川西地区人工林的研究结果相似22。此外，本实验结果显示，不同带宽皆伐改造的土壤初始硝态氮含量均显著低于未皆伐林分，这与多数研究中采伐会提高森林土壤硝态氮的结果有所不同7,23-24，可能是由于华西雨屏区降雨充沛，而皆伐后林地内林木数量锐减，树冠截流作用变弱，使得到达地面的雨水增多，加剧了硝态氮的淋溶25-26，进而导致皆伐后土壤硝态氮含量显著减少。此外，被改造林分的森林类型、经营历史、土壤营养状况以及改造后采伐剩余物处理方式的差异均会对土壤硝态氮含量产生影响25,27。虽然带状皆伐改造下土壤硝态氮含量较未皆伐林分有所降低，但在室内培养期间，带状皆伐改造下土壤硝态氮含量均随着培养时间的延长呈现递增的趋势，表明皆伐改造有利于提高土壤微生物对硝态氮的持续转化能力，增强了硝态氮的潜在矿化能力。此外，未皆伐林分土壤硝态氮含量在培养后期发生了固持，则可能在华西雨屏区生态系统高降雨量下，引发的土壤微生物对土壤氮素的保持机制，对于在硝态氮含量持续增加的情况下，防止林地氮素的流失及保护林地生产力具有重要意义22。研究结果表明，20 m及30 m带宽皆伐改造显著提高了土壤有机层初始铵态氮含量，这可能与采伐带内植被数量的大量减少，导致铵态氮吸收减少有关22。同时，与10 m带宽皆伐改造相比，较宽的皆伐带可以更加强烈地改变了林窗内土壤微环境，如土壤温湿度及养分条件，影响微生物氨化过程及土壤铵态氮含量23,28。此外，本实验中不同带宽皆伐改造下矿质层土壤初始铵态氮含量均高于未皆伐林分，可能是未皆伐林分土壤矿质层中较高的含水量限制了铵态氮的有效性29，而皆伐导致有机层土壤板结、土壤的透气性及透水性下降，一定程度上限制了雨水的下渗，降低了带状皆伐林分土矿质层含水量(表1)，在矿质层中造就了有利于土壤微生物繁殖的条件，激发了土壤微生物的氨化作用，进而引起土壤铵态氮含量有所升高15,30。一般而言，土壤无机氮含量与土壤深度呈负相关31-32，然而10 m及20 m带宽皆伐改造对矿质层土壤铵态氮强烈的促进作用，使得矿质层铵态氮含量甚至高于土壤有机层。图7RDA分析土壤理化性质与土壤硝化速率、氨化速率及净氮矿化速率的关系Figure 7The RDA analysis of the effect of soil physical and chemical properties on the nitrification,ammonization,and net nitrogen mineralization rate of nitrogen869四川农业大学学报第 41 卷 3.2带状皆伐对土壤氮矿化速率的影响作为土壤氮素有效性的重要指标之一，土壤净氮矿化速率显著提高表明10 m和20 m带宽皆伐改造有利于可以提高土壤的供氮能力以及改善土壤有机层的氮素可利用性33-35。此外，土壤净氮矿化速率代表了土壤微生物对氮矿化和氮固定之间总的平衡，同时显著受到微生物活性的影响36。本实验中10 m和20 m带宽带状皆伐改造下土壤氨化速率和净氮矿化速率的提高可能是由于适宜带宽的带状皆伐减少了林内林木数量，改善了林内光照和水分条件，为微生物创造了适宜的生存条件,增加了土壤微生物的活性，进而促进了胞外酶的分泌来获取养分37-38。而30 m带宽带状皆伐改造林分内的土壤有机层氨化速率和净氮矿化速率均显著低于其他带宽皆伐改造林分，则可能与过宽的皆伐带使得林地内植被数量锐减，铵态氮吸收量减少致使其在土壤中大量积累，抑制了土壤微生物矿化铵态氮的能力有关39。在培养初期，带状皆伐改造下土壤硝化速率显著高于未皆伐林分，使土壤中更多的铵态氮转化为硝态氮，平衡了柳杉人工林土壤因皆伐导致的硝态氮含量下降，有利于提高土壤的硝态氮含量40。此外，有研究表明，土壤氮矿化速率与土壤层次显著相关41，一般而言，上层土壤的氮矿化速率显著强于下层土壤，本研究中除30 m带宽皆伐土壤有机层平均氮矿化速率显著低于矿质层外，其余带宽皆伐改造及未皆伐林分均表现为有机层净氮矿化速率显著强于土壤矿质层，这源于土壤表层丰富的有机质资源以及良好的透气、透水条件，使得有机层土壤具有较高的微生物活性，为土壤氮矿化过程创造了良好的条件42。总体而言，20 m带宽带状皆伐改造下土初始硝化速率及净氮矿化速率均显著高于其他带宽皆伐，表明20 m带宽皆伐改造较其他带宽皆伐改造更有利于提高土壤养分、增强土壤氮矿化的能力43-44。10 m及30 m带宽皆伐均难以起到较好的提高林地氮素可利用性和林地生产力的效果，因此，华西雨屏区柳杉人工林的改造可选择20 m皆伐带宽作为改善土壤质量的合理皆伐宽度。3.3带状皆伐对土壤氮矿化影响的驱动因子RDA分析表明(图7)，土壤净氮矿化速率与土壤有机碳含量以及微生物生物量碳、氮存在显著正相关关系。其中，土壤有机碳含量作为微生物氮矿化过程的能量来源之一，对土壤氮矿化过程起着关键的调控作用。皆伐过后，地下根系的分解会增加土壤有机碳的含量，土壤中可利用碳的增加则可能会提高微生物对氮素的需求，进而加快微生物获取无机氮的速度，这可以解释皆伐改造下，土壤有机碳含量与净氮矿化速率呈现正相关关系45-46。此外，对土壤氮素循环来说，土壤微生物作为易矿化氮的源和库，以及土壤氮矿化过程的主要驱动者，其数量和活性对于氮的矿化有显著的调控作用47。本实验中土壤净氮矿化速率与土壤微生物生物量碳氮呈现正相关关系，与P.W.Hazlett等48-49的研究结果净氮矿化速率与微生物生物量氮呈现负相关有所不同，则可能是因为本实验样地内无机氮以硝态氮为主，当微生物生物量的增加时，土壤中硝化作用相关细菌的数量和活性一定程度上会受到积极影响，加速土壤氮素的硝化作用，进而提高土壤的净矿化速率50。由图7可知，土壤硝化速率与多种土壤理化性质存在相关关系，其中土壤全氮和有机碳作为氮矿化物质和能量来源，与土壤硝化速率呈显著的正相关。许多研究发现有机质含量高的土壤氮矿化速率较快，这可以归因于较高的土壤有机质含量往往伴随着微生物的高活性和对氮素的高需求量8,51。此外，土壤硝化速率还与土壤氮相关酶(NAG 和LAP)呈正相关关系，这是因为作为土壤氮矿化过程的主要参与者，土壤氮相关酶调控土壤氮矿化及氮素动态转换的关键过程52。土壤氮素从有机形态转变为无机氮的第一步是微生物氨化作用，本实验发现土壤氨化速率与碳相关酶(BG和CBH)活性有显著正相关关系，可能是由于微生物在分解利用土壤有机碳的同时促进了对土壤有机氮的分解。4结论本研究发现，华西雨屏区柳杉人工林样地内无机氮的主要形态为硝态氮。土壤无机氮含量和氮矿化速率显著受到带状皆伐不同带宽的影响：各带宽皆伐改造均显著降低了土壤初始硝态氮含量，除10 m带宽皆伐外，其余带宽皆伐改造均提高了土壤铵态氮含量。不同带宽带状皆伐对土壤氮矿化速率影响不同，其中20 m带宽带状皆伐的初始硝化速率和净氮矿化速率最高，而30 m带宽带状皆伐则显著降低了土壤有机层的平均净氮矿化速率。土壤有机质含量及微生物活性是影响土壤氮矿化过程的主要驱动因子。综上所述，华西雨屏区柳杉人工林带状皆伐作业中，可选择20 m带宽皆伐改造以提高土壤氮矿化速率，达到提高林分生产力和增强林分可持续经营的目的。此外，本实验仅在室内恒温870第 5 期张玉，等：带状皆伐对华西雨屏区柳杉人工林土壤氮矿化特征的影响恒湿条件下进行了氮矿化培养实验，而忽略了实际林分中温湿度变化等因素对土壤氮矿化的影响，因此，在今后的研究中应考虑原位土壤氮矿化实验，以进一步分析比较不同带宽带状皆伐改造对柳杉人工林土壤氮矿化的影响。参考文献：1 杜志，胡觉，肖前辉，等.中国人工林特点及发展对策探析J.中南林业调查规划，2020，39（1）：5-10.2 YUAN X B，NIU D C，GUO D，et al.Responses of soil carbon and nitrogen mineralization to nitrogen addition in a semiarid grassland：The role of season J.Catena，