黄土丘陵沟壑区刺槐人工林林分密度对土壤微生物碳氮利用效率的影响

《Land Degradation & Development》：Effect of Stand Density on Soil Microbial Carbon and Nitrogen Use Efficiency in Robinia pseudoacacia Plantations in the Loess Hilly-Gully Region, China

　　

土壤微生物碳利用效率（CUE）和氮利用效率（NUE）对于土壤碳（C）固存和氮（N）有效性至关重要。然而，微生物CUE和NUE如何响应林分密度尚不清楚。此外，微生物CUE和NUE对林分密度的响应是否会受到土壤深度的调节也尚不明确。本研究调查了中国黄土丘陵沟壑区刺槐（Robinia pseudoacacia）人工林表土层（0–10 cm）和亚表层（10–20 cm）中林分密度（低密度，625~1000；中密度，1001~1625；高密度，1626~2100株 ha-1）对微生物CUE和NUE的影响。在0–10 cm土层中，微生物CUE随林分密度增加而降低。具体而言，低密度林分下的微生物CUE显著高于中密度和高密度林分，分别提高了4.9%和7.1%。低密度林分的微生物NUE显著低于中密度和高密度林分，分别降低了19.9%和27.8%。在10–20 cm土层中，中密度林分的微生物CUE比低密度和高密度林分分别高出4.8%和6.4%。相反，在10–20 cm土层中，中密度林分的微生物NUE比低密度和高密度林分分别低24.5%和32.1%。层次分割分析显示，环境因子对微生物CUE和NUE的相对重要性在不同土壤深度间存在显著差异。具体而言，酶C:N比和土壤有机碳:全氮比分别解释了0–10 cm（19.2%）和10–20 cm（19.5%）土层微生物CUE和NUE变异的最大比例。多元线性回归结果表明，微生物代谢限制是0–10 cm土层微生物CUE和NUE的主要驱动因子；然而，微生物生物量C:N比是10–20 cm土层微生物CUE和NUE的主要驱动因子。总体而言，这些结果强调，林分密度通过驱动由不同土壤深度化学计量不平衡引起的养分限制变化，从而调控微生物养分利用效率。

一、研究背景与目的

人工林在缓解气候变化、维持土壤肥力和提供木材供应方面发挥着重要作用。然而，不合理的造林活动也引发了负面环境影响，如土壤有机碳（SOC）储量下降、初级生产力降低以及树木死亡率升高。大量证据表明，除了立地条件、气候变化和物种特性外，不适宜的林分密度是导致这些不利趋势的主要原因。土壤氮（N）通常是植物生长的限制因子，使其比其他必需元素对森林生产力更为关键。不适宜的林分密度不仅抑制土壤有机质分解，还会促进N损失，从而加剧植物生长的N限制。同时，不当的密度会破坏碳输入与输出的平衡，对SOC库的稳定性构成长期威胁。因此，阐明林分密度调控碳（C）和N循环的机制，对于评估森林SOC动态和N有效性至关重要。

异养微生物是驱动土壤C和N循环的核心，微生物碳利用效率（CUE）和氮利用效率（NUE）是SOC固存和N有效性的关键调控因子。微生物CUE决定C在生长和呼吸之间的分配，较高的CUE倾向于促进土壤C固存，而较低的CUE则会导致C损失。同样，微生物NUE是有机N矿化为植物可利用无机N的关键调控因子，较低的NUE会提高无机N的有效性。因此，探究微生物CUE和NUE对环境变化的响应，对于阐明SOC固存和N有效性的驱动机制具有重要意义。

林分密度通过影响冠层结构来调控冠层光照条件和水分动态，进而影响植物源有机质的输入和土壤有机质的分解，共同调节土壤微生物的资源可利用性，从而驱动微生物CUE和NUE的变化。现有研究报道了微生物CUE和NUE对林分密度增加的响应不一，有的表现为下降，有的则保持相对稳定，这种不一致可能归因于树种、土壤类型和气候条件的差异。此外，亚表层是森林生态系统中的主要N源和C库。由土壤深度驱动的土壤理化性质和微生物群落组成的变化可以影响微生物CUE和NUE，从而调节SOC动态和N有效性。然而，微生物CUE和NUE对林分密度变化的深度依赖性响应仍知之甚少。阐明这一机制对于更准确地评估和预测森林生态系统中长期SOC固存和N有效性的潜力至关重要。

越来越多的证据表明，非生物因素（如土壤资源有效性）和生物因素（如微生物生物量和群落结构）强烈影响微生物CUE和NUE。近年来，研究视角已从外部环境驱动因素转向环境诱导的微生物代谢限制变化，后者最终影响微生物CUE和NUE。微生物代谢限制可以调控微生物的养分获取策略，迫使微生物调整生长、维持呼吸和酶合成之间的能量分配，最终影响CUE和NUE。当微生物面临更大的C限制时，CUE趋于降低；类似地，更大的微生物代谢N限制会增加NUE。因此，在分析环境变化影响微生物CUE和NUE的内在机制时，必须考虑土壤微生物代谢限制。然而，关于林分密度如何驱动微生物CUE和NUE的研究在很大程度上忽略了代谢限制的作用。因此，将微生物代谢限制纳入考量，对于阐明林分密度如何影响微生物CUE和NUE至关重要。

本研究旨在基于中国黄土丘陵沟壑区刺槐人工林的自然密度梯度，探索林分密度在不同土壤深度影响微生物CUE和NUE的潜在机制。研究人员基于生态化学计量学估算了微生物CUE和NUE，并测量了土壤理化性质、胞外酶活性和微生物生物量等特征，以探究不同土壤深度下微生物CUE和NUE的关键驱动因子。该研究为理解林分密度如何跨土壤深度调控微生物CUE和NUE及其对人工林生态系统长期SOC稳定化和N有效性的影响提供了机理见解。

二、关键技术方法

研究人员在中国陕西省延安市安塞区（36°30′–37°19′ N, 108°51′–109°26′ E）的黄土丘陵沟壑区进行实验。选取了三种密度等级（低密度625~1000株 ha^-1；中密度1001~1625株 ha^-1；高密度1626~2100株 ha^-1）的刺槐人工林作为试验样地，每种密度设置三个重复样地（20 × 20 m），共9个样地。所有样地初始种植密度一致（约2300株 ha^-1），且未进行过抚育间伐，当前密度差异主要由自然稀疏过程造成。采集0–10 cm和10–20 cm两个土层的土壤样品，测定土壤理化性质（如SOC、全氮TN、有效磷AP、铵态氮NH₄⁺-N、硝态氮NO₃^--N、溶解性有机碳DOC、土壤含水量SWC、pH）、微生物生物量碳氮（MBC、MBN）以及五种胞外酶活性（纤维二糖水解酶CBH、β-1,4-葡萄糖苷酶BG、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶NAG、碱性磷酸酶ALP、亮氨酸氨基肽酶LAP）。采用生态酶化学计量法量化微生物代谢限制（C限制和N限制），并基于生态化学计量学模型估算微生物CUE和NUE。统计分析方法包括单因素方差分析（ANOVA）、Pearson相关性分析、层次分割分析和多元线性回归分析。

三、研究结果

3.1 林分密度对不同土层土壤理化性质和微生物生物量的影响

林分密度对土壤理化性质和微生物生物量有显著影响。在0–10 cm土层，SOC、SOC:TN比、SOC:TP比和TN:TP比随林分密度增加而增加。TN和DOC在所有土层均呈现相似趋势。相反，表土层NO₃^--N和亚表层SWC随林分密度增加而下降。在10–20 cm土层，SOC、AP和SOC:TP比随林分密度增加先降后升，在中密度林分中最低。亚表层NO₃^--N和MBC:MBN比随林分密度增加先升后降。SWC和MBN在表土层以及MBC在所有土层均表现出类似趋势。10–20 cm土层的NH₄⁺-N随林分密度增加而增加。0–10 cm土层的AP则呈相反趋势。土壤pH和TP在不同林分密度间无显著差异。

3.2 林分密度对不同土层土壤胞外酶活性和微生物代谢限制的影响

土壤胞外酶活性及其化学计量比对林分密度变化的响应具有深度依赖性。两个土层中，C-获取酶活性和酶C:N比以及表土层酶C:P比在低密度林分中显著低于中密度和高密度林分。相反，表土层P-获取酶活性在低密度林分中最高。在10–20 cm土层，增加林分密度提高了酶C:P比和酶N:P比。表土层N-获取酶活性和酶N:P比以及亚表层P-获取酶活性随林分密度增加呈驼峰型趋势，在中密度林分中达到峰值。增加林分密度加剧了微生物C限制。矢量角度均低于45°，表明土壤微生物代谢受N限制。表土层微生物N限制随林分密度增加先增后减；而在10–20 cm土层则先减后增。

3.3 林分密度对不同土层土壤微生物CUE和NUE的影响

微生物CUE和NUE对不同土层林分密度变化的响应存在差异。在0–10 cm土层，微生物CUE随林分密度增加而降低。低密度林分的CUE显著高于中密度和高密度林分，分别高出4.9%和7.1%。微生物NUE则随林分密度增加而持续升高。低密度林分的NUE显著低于中密度和高密度林分，分别低19.9%和27.8%。在10–20 cm土层，中密度林分的微生物CUE比低密度和高密度林分分别高出4.8%和6.4%，但仅中密度与高密度间差异显著。相反，中密度林分的微生物NUE比低密度和高密度林分分别低24.5%和32.1%。

3.4 微生物CUE和NUE与环境因子的关系

在0–10 cm土层，微生物CUE与MBC:MBN比、N-获取酶活性、P-获取酶活性、酶C:P比和矢量长度显著正相关，而与SOC:TN比、SOC:TP比和C-获取酶活性显著负相关。微生物NUE与SOC:TN比、酶C:N比、矢量长度和矢量角度显著正相关。在10–20 cm土层，微生物CUE与MBC和MBC:MBN比显著正相关，但与AP、SOC:TN比和SOC:TP比显著负相关。微生物NUE与MBC:MBN比、C-获取酶活性、酶C:P比和矢量角度显著正相关，而与NO₃^--N、AP和SOC:TN比显著负相关。

3.5 微生物CUE和NUE的环境驱动因子

层次分割分析显示，在0–10 cm土层，环境因子共同解释了微生物CUE和NUE变异的94.2%。酶C:N比对变异的解释率最大（19.2%），其次是矢量角度和SOC:TP比（均为18.9%）。在10–20 cm土层，环境因子共同解释了59.7%的变异。SOC:TN比对变异的解释率最大（19.5%），其次是AP（11%）。多元线性回归结果表明，矢量长度（50.9%）是0–10 cm土层微生物CUE的主导预测因子，而10–20 cm土层微生物CUE主要由MBC:MBN比（32.8%）和SOC:TP比（32.4%）解释。对于微生物NUE，在0–10 cm土层，矢量角度（19.9%）、酶C:N比（19.5%）和SOC:TP比（18%）被确定为主要预测因子；在10–20 cm土层，MBC:MBN比（25.7%）、SOC:TP比（22.1%）和矢量角度（22%）是主要预测因子。

四、讨论与结论

讨论部分指出，林分密度对微生物NUE的影响在土层间存在显著差异。高密度和中密度林分在0–10 cm土层的NUE显著高于低密度林分，而中密度林分在10–20 cm土层的NUE显著低于低密度和高密度林分。微生物代谢N限制的差异可能导致了这种不同的响应。研究表明，低密度林分表土层微生物N限制更强，这可能是因为更强的植物-微生物竞争加剧了N限制，促使微生物提高NUE以维持元素稳态。在0–10 cm土层，低密度林分较高的CUE可能与较低的N限制有关，因为微生物会从更高的养分利用效率转向更高的CUE以应对N可利用性的增加。在10–20 cm土层，中密度林分较高的CUE可能源于微生物群落组成的改变，更高的MBC:MBN比暗示真菌占优势，而真菌通常具有比细菌更高的CUE。中密度林分较低的NUE则可能与根系N输入增加导致的微生物N限制减轻有关。

层次分割分析揭示了不同土层间驱动因子的差异。表土层中，酶C:N比对微生物CUE和NUE变异的解释率最大，反映了微生物通过调整酶分配来应对资源失衡的策略。亚表层中，SOC:TN比是最重要的解释因子，可能是因为亚表层新鲜有机质输入较少，养分有效性更低，使得SOC:TN比的变化对资源供给失衡的影响更强。多元线性回归进一步证实，微生物代谢限制是表土层NUE的主要驱动因子，而MBC:MBN比是亚表层CUE和NUE的主要驱动因子，这反映了微生物群落结构变化（如真菌优势度增加）对CUE和NUE的深刻影响。

研究结论为：研究人员的研究结果揭示了微生物CUE和NUE对林分密度的响应受土壤深度的调节。在0–10 cm土层，微生物CUE随林分密度增加而降低，而微生物NUE则增加。在10–20 cm土层，中密度林分下的微生物CUE最高，而NUE最低。研究人员的研究结果表明，林分密度与土壤资源化学计量和微生物代谢限制的深度依赖性变化相关，从而影响估算的微生物CUE和NUE。这些结果强调了在评估人工林生态系统微生物资源利用效率及相关C和N循环过程时，需要考虑林分密度、土壤深度和微生物代谢限制的重要性。