红松林土壤理化性质及其微生物与酶活性影响因子研究进展

倪伟杰

（辽宁省森林经营研究所，辽宁 丹东 118003）

在全球气候变化过程中，气温上升、CO2浓度增大、降水量发生变化、氮沉降增强[1]等致使森林生态系统外界环境发生改变，直观表现在土壤理化性质、微生物、酶活性等短期易受环境影响的生境因子。由于社会经济的发展，石油煤炭的燃烧、人口增长等全球性问题对森林生态系统的影响也逐渐显现[2]，由此导致了森林土壤理化性质的变化，主要有土壤含水量发生变化，土壤有机质增加，土壤总氮、硝态氮和铵态氮变化明显，改变了土壤呼吸变化、养分矿化、养分固定等生态过程，引起土壤微环境、微生物多样性与酶活性的变化[3]。

红松Pinus koraiensis林是东北区域的典型植被，也是最具代表性的地带性顶极群落，对区域水土保持、涵养水源、固碳释养等产生重大影响[4]。在气候变化背景下，分析探讨红松林自身因素与环境因素对土壤微生物与酶活性的影响，更加有利于认识红松林的固碳保水作用，充分理解土壤微生物、酶活性、植被根系的相互关系。在土壤环境中，土壤微生物可以促进土壤的养分循环与能量流动，促进根系对养分的吸收[5]。土壤酶是土壤环境中的“加速剂”，参与土壤有机质的转化过程，加快土壤营养元素的流转[6]。土壤的各种酶主要来源于土壤微生物与植物根系的分泌作用，土壤理化性质直接影响土壤微生物与酶活性，土壤微生物和酶活性共同参与土壤物质能量循环[7]。因此，总结分析红松土壤理化性质、微生物和酶活性的关系，探讨红松林土壤微生物和酶活性的影响因子，对正确理解气候变化背景下东北区域典型植被土壤中养分循环和能量流动具有重要意义，从而可持续地利用森林生态系统各种服务功能。

1 红松林主要土壤物理特性

1.1 红松林土壤物理特征

红松林内影响土壤微生物和酶活性的土壤物理特性主要包括土壤容重、土壤密度、土壤含水率、土壤孔隙度、土壤持水量等[4，8]。

相关研究显示[9-14]，红松林浅层土壤（＜10 cm）容重0.638～1.390 g·cm-3，中层土壤（10～20 cm）容重0.910～1.420 g·cm-3，深层土壤（＞20 cm）容重为1.090～1.530 g·cm-3；土 壤 密 度 为1.096～1.437 g·cm-3；土壤含水率为21.67%～58.73%；土壤总孔隙度在浅层、中层和深层土壤的取值分别为51.56%～76.78%、49.26%～64.21%、45.38%～58.26%；土壤毛管孔隙度在浅层、中层和深层土壤的取值分别为43.50%～72.03%、28.40%～47.78%、17.08%～34.25%；土壤最大持水量为510.28～1213.51 t·hm-2。

1.2 红松林土壤物理特征影响因素

红松林土壤物理性质受到自然因素和人为因素的影响，主要包括抚育间伐、混交林分类型、立地条件、经营措施等[14-18]。

抚育间伐能够显著改善红松林分土壤物理特性及其持水性能，且中强度抚育间伐效果更好[16-18]。祁金虎等[17]对辽宁草河口镇不同抚育间伐强度的红松林进行了研究，发现弱度、中度、强度抚育间伐处理的红松林内，土壤密度比对照分别减少了1.36%、17.10%、13.46%；土壤总孔隙度分别是对照处理的1.02、1.14、1.23倍；土壤最大持水量分别比对照处理提高了0.52%、13.90%、23.18%。由此可见，适宜的抚育间伐处理能够增加红松的水源涵养功能。

红松林择伐经营措施相比于皆伐更有利于土壤水分和土壤理化性质的保持[15，19]。吴生广[15]对辽东山区不同经营措施下的红松林和杂木林进行了研究，发现在表层土壤中，择伐区和皆伐区土壤容重分别高于对照区的10.5%、4%；土壤蓄水能力由大到小为择伐＞皆伐＞对照。

2 红松林主要土壤化学性质

2.1 红松林土壤化学特征

红松林土壤化学性质主要包括有机质、全氮、有效氮、全磷、有效磷、全钾、有效钾、交换性钙、交换性镁等，主要影响红松林的生长、发育、分布等，也是红松养分循环研究的基础与重点内容[20-21]。有关研究表明，红松林土壤化学性质存在一定的差异性，一般随着土层深度的增加，红松林土壤养分有所降低[22]。红松林土壤主要化学性质中，土壤的有机质、全氮、有效氮、全磷、有效磷、全钾含量普遍处于25.75～68.10 g·kg-1、3.42～6.70 g·kg-1、27.40～640.28 mg·kg-1、0.16～0.75 g·kg-1、2.24～7.54 mg·kg-1、12.80～30.19 g·kg-1[22-26]。

2.2 红松林土壤化学特征影响因素

土壤化学性质是红松林内植被生长发育的物质基础，起到养分供应和基础支撑作用[27]。现阶段影响红松土壤化学性质的因子多种多样，但主要体现在林分混交类型、森林经营方式、森林管理程度、林分年龄等[16，21-23]。

受到林分树种组成和林分类型的影响，阔叶红松林土壤养分含量往往高于红松纯林。惠淑荣等[22]对辽宁东部山区的阔叶红松林和红松纯林进行了研究，发现阔叶红松林土壤主要养分含量普遍高于红松纯林。近自然经营方式对红松土壤化学性质产生影响，特别是林间透光抚育措施，有利于提高林内土壤养分含量。吴瑶等[23]以凉水自然保护区原始阔叶红松林为研究对象，利用近自然经营理论对红松土壤化学性质进行了分析，发现近自然经营尤其是透光抚育有利于红松表层土壤养分积累，在经营过程中更加注重土壤表层养分的利用。在红松林管理中进行适当的抚育间伐也会对土壤化学性质产生影响。杨会侠[16]对辽宁省森林经营研究所实验林场不同间伐强度的红松进行分析，表明中度间伐强度能够提高土壤氮磷钾含量，但是对有机质的影响不显著。

3 红松林土壤微生物与酶活性

3.1 土壤微生物

红松林土壤微生物群落参与土壤物质循环和能量流动，促进红松林乔木、灌木、草本等植被的生长发育。红松土壤细菌以变形菌、放线菌、疣微菌、酸杆菌为主，红松土壤真菌以子囊菌门和担子菌门为主，固氮菌和反硝化菌均以变形菌门为优势菌门[28]。目前，对红松土壤微生物的研究主要是土壤微生物的多样性，其量化指标包括均衡性、丰富性、多样性等。

陈秀波等[29]利用高通量测序法，分析了小兴安岭红松林土壤nirK型反硝化微生物群落结构与多样性特征及其主要影响因子（土壤理化性质因子）；曹延珺[30]采用传统平板培养法，分析了凉水地区红松根部土壤微生物数量与土壤理化性质的相关性；贾丹等[31]利用分子生物学法中的RAPD技术，分析了穆棱县红松根际土壤微生物的多样性；王楠楠等[32]基于Biolog微平板法，分析了长白山红松针阔混交林根际土和表层土微生物功能多样性；Jia等[33]利用分子生物学法中的PCR技术，分析了夏季红松林土壤微生物对CO2升高的响应；尉建埔[34]利用生物标记中的磷脂脂肪酸标记技术，探究了施氮肥对红松人工林土壤微生物群落结构的影响。

3.2 土壤酶活性

土壤酶参与土壤中的生物化学反应过程，包括腐殖质合成、微生物的生长发育、土壤养分的运转等，是土壤组成中最活跃的成分之一，是表征土壤肥力的重要指标，影响土壤的新陈代谢[6，35-36]。自然界中已知的土壤酶有60多种，包括游离酶、胞内酶和胞外酶三大类[35-36]。1961年国际酶学委员会按照其反应类型和功能划分为6类，而土壤中普遍存在氧化还原酶和水解酶2大类[38]。其中，氧化还原酶主要包括多酚氧化酶、过氧化氢酶等，而水解酶类主要包括脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、纤维素酶等[38]。

红松林土壤酶活性测定主要采用的是分光比色分析法。孙双红等[6]利用分光比色分析法和物理测定中的碘量滴定法分别测定了阔叶红松林土壤脲酶、蔗糖酶和多酚氧化酶；吕来新等[40]利用分光比色分析法测定了土壤BG酶、NAG酶、磷酸酶等；刘晴等[41]利用紫外分光比色分析法，测定了不同抚育间伐强度下红松林土壤过氧化氢酶活性。

4 红松林土壤微生物与酶活性的影响因素

4.1 土壤微生物与酶活性的关系

土壤中的酶主要来源于土壤微生物、土壤中的植物根系、土壤动物等[7]，土壤理化性质、林分类型、自然演替、林间空隙等林分自身条件，CO2浓度、伴生树种、海拔高度、经营模式、氮添加、降雨量、冻融过程等外界环境条件，都会对土壤微生物的数量及其多样性产生影响，从而导致土壤酶活性的变化[6，32，42-44]。

土壤微生物和地上植被的根系，通过自身代谢反应分泌出土壤酶，土壤微生物和土壤酶共同参与土壤的能量流动、物质循环过程[7，42]。土壤微生物、土壤酶、植被根系是一个相互作用的统一体[42]，受外界环境、人类活动的影响，首先作用于整个土体，进而影响土壤微生物与酶活性。土壤温度、土壤湿度、降水、外来物种影响等外界环境因素，放牧、林木砍伐、施肥等人类活动，都会对土壤理化性质、土壤微生物的多样性和数量、植被根系的生长和分化产生影响，从而影响土壤酶的分泌，而土壤酶的改变又反过来影响土壤微生物和植被根系，表现出一定的负反馈作用[42]。

4.2 红松林自身因素对土壤微生物与酶活性影响

红松林内影响土壤微生物和酶活性的主要内部因素有土壤理化性质、林分类型、自然演替、林间空隙等，直接影响植被根系（尤其是细根），微生物数量、多样性、群落结构，间接影响到土壤酶的分泌过程。

红松林土壤理化性质中，干腐活立木根部的土壤真菌数量与土壤含水率没有显著的相关性，土壤微生物总量、细菌数量、真菌数量主要受到土壤全氮的影响，土壤全钾主要影响放线菌数量[30]；同时，红松林内土壤总孔隙度、总有机碳和pH值与细菌群落组成显著相关[28]。土壤温度可以直接影响酶的反应速率，也可以通过影响微生物数量和丰富度来间接影响酶的活性。李龙等[45]发现，红松阔叶林中，随着土壤温度的上升，土壤脲酶、过氧化氢酶和转化酶均出现爆发性增高，然后迅速降低。

红松林不同混交类型对土壤微生物与酶活性产生影响，有关研究表明阔叶林下微生物要比针叶林下丰富，阔叶林下细菌较多，针叶林中真菌较多，针叶林下酶活性低于阔叶林，凋落物微生物与酶活性高于土壤[46-47]。原始红松林和人工红松林土壤细菌的Simpson指数大于红松天然次生林，原始红松林土壤真菌的Shannon指数和丰富度指数大于红松人工林和天然次生林[28]。张宪武等[47]对椴树红松林、枫桦红松林、柞树红松林进行研究，发现凋落物和土壤中微生物数量表现出椴树红松林最大，枫桦红松林次之，柞树红松林最小；椴树红松林凋落物和土壤中水解酶活性强于其他两种类型。

在红松林的自然演替过程中，随着林分逐渐向顶极群落方向发展，土壤理化性质、植被根系状况，土壤微生物活性与多样性增加，土壤酶活性也发生变化，表现出很大的“喜铵性”，生境条件逐渐不利于红松幼苗更新[6，48]。

4.3 红松林外界条件对土壤微生物与酶活性影响

CO2浓度、海拔高度、冻融过程、氮添加、降雨量、经营模式、伴生树种等外界环境条件，也会对土壤微生物与酶活性产生影响。

红松林在高浓度的CO2条件下，林内生物量、根系分泌物、植被生长发育等都会发生变化，从而影响土壤微生物的活动与酶的活性。有研究表明，增加CO2浓度，红松幼苗根际土壤细菌数量显著增加，而土壤真菌与放线菌受高浓度CO2影响不显著[44]；不同CO2浓度对酶活性的影响存在差距，土壤蛋白酶、脲酶、磷酸酶活性显著增强，而转化酶活性显著降低[49]。任欣伟等[50]在红松幼苗增加CO2浓度实验中发现，CO2增加对纤维素酶、蔗糖酶、脲酶、过氧化物酶、多酚氧化酶有促进作用，而对中性磷酸酶有抑制作用。

海拔高度与冻融过程会引起红松生境中温度、气候的变化，从而对微生物和酶活性产生影响。王宁等[51]分析长白山不同海拔高度红松林土壤微生物碳含量，发现随着海拔的增加，土壤微生物生物碳呈现出先增加后降低的趋势，海拔高度对红松土壤微生物产生显著影响。李龙等[45]分析了长白山自然保护区3种林分解冻过程中土壤酶活性的变化，表明土壤酶活性先爆发式增加之后迅速降低，土壤脲酶和转录酶活性表现为阔叶林＞针阔混交林＞针叶纯林。所以海拔和冻融过程是通过影响土壤理化性质与林分组成，间接影响土壤微生物和酶活性的主要因子。

氮添加或者氮沉降对不同种类微生物和酶活性的影响不同，通过短期改变土壤理化性质，对红松林产生相应的作用。有研究表明，氮添加对红松土壤pH值无显著影响；高浓度氮添加，显著增加了红松人工林土壤有机质、铵态氮和硝态氮含量，从而对土壤真菌群落结构产生影响，如Berkelbacteria细菌和Polyporales真菌产生显著变化；中浓度氮添加，尿素酶和胰蛋白酶显著降低；低浓度氮添加，土壤细菌的Simpson和Shannon指数显著下降，但土壤真菌的α-多样性指数差异不显著[52]。

自然界的降水也会对红松林土壤微生物与酶活性产生影响，短期内当土壤产生干湿交替时，有一些不适应水势变化的微生物会迅速减少，当水分变化较小时对土壤微生物多样性的影响有限；长期的降水会引起土壤理化性质发生变化，从而导致土壤微生物群落与酶活性的改变[42]。王楠楠等[32]以长白山红松阔叶林为研究对象，分析了降水变化对土壤微生物功能多样性的影响，发现降水增减30%不会对红松表层土和根际土微生物多样性产生显著影响。王宁等[53]在降水变化对长白山红松林土壤微生物生物碳量的影响中发现，随着降水的增加红松林土壤微生物生物碳也逐渐增加，说明雨水进入土壤加速土壤营养物质的溶解，提高有机质碳含量。降水增加过程容易使得红松林土壤形成缺氧环境，从而抑制土壤酶活性，因此当降水较小时，土壤透气性较大，酶活性影响也较小，当降水急剧长时间增加时，土壤酶活性则会较低[52]。

综上所述，外界环境条件一定程度上都是通过间接影响红松林土壤理化性质、植被根系特征、林分群落组成等内部自身因子，导致土壤和根系微生物数量、多样性、群落结构、群落功能性发生变化，从而土壤酶活性也随之变化，最后土壤酶活性反过来也会对土壤微生物产生负反馈作用。

5 小结与展望

红松林土壤理化性质的改变直接影响着土壤微生物结构、功能多样性，也直接影响土壤酶活性，即使外界其他因子，如降雨、氮沉降、CO2浓度等也都是间接影响土壤理化性质与红松植被根系，促使红松林内土壤酶的变化。伴随着全球变暖的加剧以及“碳达峰”、“碳中和”的提出，外界环境变化对红松生态系统中土壤微生物和酶的影响，引起东北地区越来越多学者的关注。但是有关红松林土壤微生物和酶活性的研究仍然存在较大的局限性，对于人工红松与原始红松林生态系统的土壤微生物和酶活性研究，提出几点思考：

（1）加强红松林土壤性质、土壤酶活性与土壤微生物三者的统一性分析。我们知道三者间存在正反馈与负反馈相互作用，在进行分析时往往只考虑一种或者两种因素，很少有讨论三者的相互作用及其变化规律机理分析。因此，在以后的研究中注重考虑多种因素之间的交互作用，尤其更加注重期间的机理分析。

（2）加强长期定位实验与监测研究，更加注重自身因素与外界环境对红松土壤微生物、酶活性的长时间、大尺度效应。当前，我们的一些研究主要集中在2年以内，缺少几十年甚至上百年的长期定位观测数据；对区域尺度效应分析也欠缺，从红松单株树木到一片红松林，到整个区域红松生态系统，土壤微生物与酶活性的变化规律及其固碳作用也是未来研究方向。所以，要注重红松林区域生态观测网络的建立，坚持野外试验与室内控制实验相结合，注重“3S”技术在区域大尺度分析中的作用。

（3）采用先进的技术方法，拓宽研究思路，着重从机理出发，分析红松内部因子与外部因子对土壤微生物群落、结构和功能多样性的响应，从分子、基因、遗传的角度探究土壤酶与土壤微生物的相互作用。当前随着高通测序技术、功能基因组学技术、微阵列技术等分子生物学的发展，获取微生物和酶的群落结构信息更加精准、方便，使得微生物的基因多样性和酶活性的作用机理研究更加地充分与合理。