基于林龄和密度效应的杉木人工林土壤性质研究

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随着杉木高世代良种的大量应用,杉木人工林对林地养分和造林技术需求提高。研究杉木人工林林地生产力下降机理以及研发土壤肥力维持关键技术成为了亟待解决的重要课题。许多研究表明,林龄和密度是影响人工林土壤物理、化学和生物学性质的重要因素。探究杉木人工林土壤性质变化趋势的林龄和密度效应,对于杉木人工林科学经营,维持土壤肥力,保障杉木人工林可持续发展具有重要意义。本研究分别以江西省分宜县大岗山中国林业科学研究院亚热带实验中心山下林场的3、6、12、18、25、32和49年生的杉木人工林和福建省邵武市卫闵国营林场的初植密度分别为1667、3333、5000、6667和10,000株?hm-2的35年生杉木人工林为研究对象,探究基于林龄效应和密度效应的杉木人工林土壤性质变化规律。采用分光光度法测定土壤酶活性,采用Biolog-ECO技术、磷脂脂肪酸(PLFA)分析法和高通量测序技术分析土壤微生物群落的代谢功能、结构和遗传多样性。研究发现,在同一土壤层次,土壤容重和p H值从6年林龄到49年林龄逐渐增加,但3年林龄的p H值高于6年林龄。有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾和速效钾均随林龄的增加而先减后增,并在12或18年林龄中最低。在0-60 cm土层,土层越深,土壤容重和p H值越大,全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾和速效钾的含量越低。土壤过氧化氢酶活性随林龄的增加而增加,而12、18和25年林龄土壤中的脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶以及β-葡萄糖苷酶活性则低于3、6、32和49年林龄。土壤酶活性随土层深度的增加而显著下降。在同一土层,微生物群落对碳源的利用强度(AWCD)以及细菌和真菌群落的多样性指数均随林龄的增加呈现出先增加后下降的规律。在所有土壤样品中,Acidobacteria(酸杆菌门)、Proteobacteria(变形菌门)、Actinobacteria(放线菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)和Firmicutes(厚壁菌门)为优势细菌门;Ascomycota(子囊菌门)、Basidiomycota(担子菌门)和Zygomycota(接合菌门)是优势真菌门,这些菌门的相对丰度随着林龄和土层深度的变化而变化。细菌Acidobacteria的相对丰度呈现出先增加后减少的趋势,但Proteobacteria的相对丰度则与之相反;真菌Ascomycota的相对丰度从6年林龄到49年林龄呈现先下降后上升的趋势。在0-20 cm层,土壤p H值、易氧化有机碳、有效磷和速效钾含量随着杉木人工林初植密度从1667株?hm-2增加至6667株?hm-2时显著上升。土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶的活性呈现低密度林(1667株?hm-2和3333株?hm-2)高于高密度林(5000株?hm-2、6667株?hm-2和10000株?hm-2),并且分别在初值密度为3333株?hm-2和6667株?hm-2的人工林中最高和最低的规律。微生物群落对单碳基质和六类碳源的利用强度,Shannon-Wiener多样性指数,Pielou均匀度指数和Mc Intosh多样性指数均呈现从1667株?hm-2到6667株?hm-2逐渐减少,从6667株?hm-2到10000株?hm-2增加的规律。微生物群落的PLFA生物量呈现低密度林显著高于高密度林的规律。真菌群落的遗传多样性指数呈现低密度林显著高于高密度林的规律,而细菌群落的遗传多样性指数虽然呈现低密度林高于高密度林的规律,但在不同密度之间的差异并不显著。不同密度杉木人工林中的优势细菌门为Acidobacteria、Proteobacteria、Chloroflexi和Actinobacteria,优势真菌门为Ascomycota、Basidiomycota和Zygomycota,除Ascomycota外,这些优势细菌门和真菌门的相对丰度在不同密度之间的差异并不显著。
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