北京延庆—怀来盆地四种温带人工林土壤生化性质与酶活性的多深度变异

《Plants》：Variation in Soil Biochemical Properties and Soil Enzyme Activities Among Four Temperate Plantation Types: A Case Study from Beijing, China

　　

研究人员比较了延庆—怀来盆地北京平原造林项目下四个11年生人工林的土壤生化性质。人工林分别以 Populus alba、Ulmus pumila、Salix matsudana 和 Pinus tabuliformis 为优势种，每个人工林设3个样地。土壤性质在0–10、10–30和30–60 cm测定；β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase, BG）、N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶（N-acetyl-β-D-glucosaminidase, NAG）、脲酶（urease, UE）和脱氢酶（dehydrogenase, DHA）活性在上部两个深度测定。采用双因素混合设计方差分析（two-way mixed-design analysis of variance, ANOVA）评估人工林类型、土壤深度及其交互作用。人工林类型效应对有效钾（available potassium, AK）、土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）、硝酸盐（nitrate, NO₃^?）和全部四种酶活性显著，但对pH、有效磷（available phosphorus, AP）或碱解氮（alkali-hydrolyzable nitrogen, AN）不显著。NO₃^?、AK、UE和BG存在显著交互作用。0–10 cm平均酶活性高于10–30 cm。对24个样地×深度观测值的Pearson分析显示BG–SOC正相关（r = 0.516）、UE–AK正相关（r = 0.766）以及UE–NO₃^?负相关（r = ?0.665）。基于8个人工林×深度均值的冗余分析（redundancy analysis, RDA）识别AK为唯一显著解释变量，解释41.0%的酶活性变异（p = 0.018）。这些发现为评估不同人工林类型和土壤深度下土壤养分状况及选定生化活动提供区域基线。

研究背景与问题：人工林在全球扩张，为木材生产、碳固存、土地恢复和其他生态系统服务作出贡献。其长期生态表现不仅取决于气候和营林管理，也取决于所植树种。树种可通过凋落物数量与质量、细根性状、养分吸收、根际沉积和菌根关联影响凋落物分解、微生物活性与养分有效性，进而改变土壤有机质输入、酸度和养分循环。因此，在环境条件相近时，不同人工林仍可能形成不同的土壤生化环境，影响养分保持、碳储存和林分可持续性。北京自2012年起实施平原造林工程，但延庆—怀来盆地当地常见人工林的土壤养分与酶活性综合证据仍有限；树种效应方向和幅度随环境与林分条件变化，且表层格局未必延伸至深层，需同时考虑人工林类型和土壤深度开展区域比较。研究人员比较四种11年生人工林，以评估类型间和深度间差异，并检验酶活性与土壤养分状况的关联。

研究开展与结论：研究人员选取以 Populus alba（PA）、Ulmus pumila（UP）、Salix matsudana（SM）和 Pinus tabuliformis（PT）为优势种的四个11年生人工林，每林3个样地；测定0–10、10–30和30–60 cm土壤理化性质，并在0–10和10–30 cm测定β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase, BG；催化纤维素源底物释放葡萄糖的酶）、N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶（N-acetyl-β-D-glucosaminidase, NAG；水解几丁质源化合物的酶）、脲酶（urease, UE；催化尿素水解为氨的酶）和脱氢酶（dehydrogenase, DHA；主要反映活体微生物细胞内氧化活性）活性。结论显示，人工林类型对有效钾（available potassium, AK）、土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）、硝酸盐（nitrate, NO₃^?）和四种酶活性有显著影响，对pH、有效磷（available phosphorus, AP）和碱解氮（alkali-hydrolyzable nitrogen, AN）无显著影响；土壤深度显著影响AK、SOC和四种酶活性；NO₃^?、AK、UE和BG存在显著类型×深度交互；AK是冗余分析（redundancy analysis, RDA）中唯一显著解释变量，解释41.0%酶活性变异。该研究为评估当地重要人工林土壤状况提供区域基线，并强调多深度养分剖面与互补酶活性联合评价的价值。

关键技术方法（≤250字）：样本队列来源于北京平原造林项目下延庆区延庆镇福玉屯村附近（40°28′N, 115°55′E; 472 m a.s.l.）的四个11年生单一优势种人工林，每林设3个20 m×20 m样地，共12个样地；2024年6月无雨期3天内以五点法采集0–10、10–30和30–60 cm复合土样，酶活性测0–10和10–30 cm。采用双因素混合设计方差分析（two-way mixed-design analysis of variance, ANOVA），以人工林类型为样地间因子、土壤深度为样地内因子；用Tukey HSD作类型间比较，用配对对比和Holm校正作深度间比较；用Pearson相关分析24个样地×深度观测，用Canoco 5 RDA分析8个人工林×深度均值。

研究结果：
2.1 不同人工林类型间土壤理化性质差异：双因素ANOVA显示类型对NO₃^?、AK和SOC显著，深度对AK和SOC显著，类型×深度交互对NO₃^?和AK显著；pH、AN和AP无显著主效应或交互。pH均值8.06–8.59且无显著差异；NO₃^?为15.79–30.09 mg kg^?1，PA在0–10 cm高于SM和PT，在10–30和30–60 cm高于其他类型，且PA内随深度增加；AK为12.33–54.00 mg kg^?1，SM表层最高，PT深层较高，UP和SM随深度下降；SOC为5.99–17.42 g kg^?1，PA表层和30–60 cm较高；AN仅PA 30–60 cm高于SM，SM 30–60 cm低于其上两层；AP无显著差异。
2.2 不同人工林类型间土壤酶活性差异：类型对NAG、UE、DHA和BG显著，深度对四酶均显著，类型×深度交互对UE和BG显著。NAG在0–10 cm以UP最高，SM和PT较低，10–30 cm无类型差异；UE在两层均以PA最低，其他三类型无显著差异；DHA在0–10 cm以UP最高、PT高于PA，10–30 cm UP和PT高于PA和SM；BG在0–10 cm以PT最低，10–30 cm无类型差异。所有酶10–30 cm均值低于0–10 cm，降幅NAG 30.3%–53.4%、UE 30.2%–41.1%、DHA 47.5%–72.0%、BG 33.8%–62.4%。
2.3 土壤性质与酶活性关系：基于24个样地×深度观测的Pearson分析显示，UE与AK正相关（r = 0.766），与NO₃^?负相关（r = ?0.665）；AK与NAG、DHA、BG正相关；BG与SOC正相关（r = 0.516）；NAG与pH负相关（r = ?0.448）；NAG与BG（r = 0.794）和DHA（r = 0.663）正相关，UE与DHA（r = 0.623）、DHA与BG（r = 0.509）正相关。基于8个人工林×深度均值的RDA前两轴解释79.38%的酶活性变异，AK解释41.0%且为唯一显著解释变量（p = 0.018），pH解释20.9%但不显著，SOC、AP、AN和NO₃^?个体效应不显著。

讨论总结与结论翻译：讨论认为，类型间AK、SOC和NO₃^?差异部分支持第一假设；AK和NO₃^?的交互表明其垂直格局随类型不同，PA中NO₃^?随深度增加而AK在PA、UP、SM表层富集，深层SOC与NO₃^?测量有助于刻画类型间养分状况。pH无显著差异可能与共同成土环境和土壤缓冲有关。四酶均受类型显著影响，BG、NAG、UE和DHA格局不同，表层酶活性较高与植物源底物和微生物活动在上层集中相一致；原文讨论将类型差异与凋落物和根源底物数量组成及微生物群落利用资源差异相联系，但相关变量未直接测定。BG–SOC正相关与BG参与纤维素源底物分解相一致；UE–AK正相关和UE–NO₃^?负相关描述跨类型和深度的共变，AK并非UE底物或产物，UE也不直接降低硝酸盐有效性，不能作直接因果解释；RDA表明AK是与所测酶活性变异关联最强的土壤性质，pH作用需谨慎解释。局限包括每类型仅一个连续林分、采样集中于2024年6月、酶仅测上部30 cm四酶、未直接测凋落物/根/微生物/水分等。研究结论翻译：该区域案例研究识别了北京延庆—怀来盆地四种11年生人工林类型间不同的土壤养分和酶活性格局。第一假设获部分支持：AK、SOC、NO₃^?和全部四种所测酶活性存在显著人工林类型效应，而pH、AP和AN总体效应不显著；土壤深度显著影响AK、SOC和全部四种酶活性；四种人工林0–10 cm平均酶活性高于10–30 cm；NO₃^?、AK、UE和BG的显著类型×深度交互进一步表明部分人工林间对比取决于土壤深度。第二假设亦获部分支持：BG活性与SOC正相关，UE活性与NO₃^?负相关并与AK正相关；AK还与其他三种酶活性正相关，并且是RDA中唯一显著个体解释变量，解释41.0%的酶活性变异。这些关联突出所选土壤生化活动与土壤养分状况若干方面的联系。该研究为评估当地重要人工林土壤状况提供区域基线，并强调在多个土壤深度检查养分剖面和互补酶活性的价值。