土壤深度对混交林间伐影响土壤多功能性的关键作用

《Plant and Soil》：The importance of soil depth in determining the impacts of mixed plantations with thinning on soil multifunctionality

本研究针对单一树种人工林导致的土壤功能退化问题，通过对比纯林、间伐及混交林+间伐三种管理模式，系统分析了土壤剖面（0-100 cm）中活性有机碳（SOC）组分、微生物群落结构及酶活性的变化规律。研究发现混交林+间伐处理通过提升根系生物量、降低氧化还原酶/碳水化合物酶活性比值，显著增强了中层土壤（20-40 cm）的活性SOC库和土壤多功能性。该研究为通过优化林分结构缓解土壤深度对生态过程的限制提供了理论依据，对人工林可持续经营具有重要指导意义。

　　

在全球再造林浪潮中，单一树种人工林仍占据主导地位，尽管越来越多的证据表明物种多样的森林能提升生态系统功能和恢复力。中国杉木（Cunninghamia lanceolata）作为重要用材树种，其纯林连栽导致的地力衰退问题日益凸显。虽然通过间伐可缓解林木竞争，引入阔叶树种能改善土壤性质，但混交林与间伐结合如何通过影响土壤微生物群落和有机碳动态来调控土壤多功能性，尤其是在不同土壤深度层面的作用机制，尚不明确。

为此，福建农林大学等单位的研究人员在《Plant and Soil》发表了题为“The importance of soil depth in determining the impacts of mixed plantations with thinning on soil multifunctionality”的研究论文。该研究以43年生杉木人工林为对象，设置纯林（对照）、间伐、混交林+间伐（引入红锥Castanopsis hystrix）三种处理，通过分析树木生长、凋落物输入、土壤理化性质、活性SOC组分（微生物生物量碳MBC、可溶性有机碳DOC、颗粒有机碳POC、易氧化有机碳ROOC）、酶活性及微生物群落结构等指标，系统揭示了管理措施与土壤深度对土壤多功能性的交互影响。

研究采用的关键技术方法包括：基于随机区组设计的野外定位观测、树木生物量模型估算、土壤剖面分层采样（0-100 cm，分6层）、常规土壤理化性质分析、活性SOC组分化学提取与测定、7种土壤酶活性荧光法检测、土壤微生物总DNA提取与Illumina HiSeq高通量测序、随机森林模型与结构方程模型（SEM）等统计分析。

植物生产力与土壤理化性质的变化

混交林+间伐处理显著促进了杉木的胸径和树高生长，提高了乔木层生产力，但降低了林下植被和凋落物生物量。土壤深度和管理措施均显著影响土壤水分、pH、容重和孔隙度等理化性质，但二者交互作用不显著。

土壤个体功能与多功能性的垂直变化

活性SOC组分（POC、ROOC、DOC）和碳水化合物酶活性随土壤深度增加而降低，而氧化还原酶（特别是过氧化物酶）活性则随深度增加。混交林+间伐处理在0-60 cm土层（除表层0-10 cm外）显著提高了活性SOC和全氮（TN）含量，并在深层土壤（20-60 cm）提升了微生物生物量碳（MBC）。土壤多功能性在混交林+间伐处理下显著增强，且在20-40 cm中层土壤表现最为突出。

土壤微生物群落特征的变化

土壤深度是驱动微生物β多样性和α多样性（Shannon指数）变化的主导因子。混交林+间伐处理在0-10 cm和40-60 cm土层表现出更高的微生物多样性，且显著降低了寡营养型与富营养型微生物的比值，表明其促进了富营养型微生物的生长。稀有微生物类群的相对丰度在混交林中更高。

土壤功能与生物非生物因子的关联

土壤多功能性与土壤水分、毛管孔隙度、总孔隙度和碳氮比（C:N）呈显著正相关。氧化还原酶/碳水化合物酶活性比值与土壤多功能性负相关。微生物多样性、稀有类群与活性SOC和多功能性呈负相关，而优势类群和寡营养型微生物则呈正相关。

调控土壤多功能性的关键因子

随机森林分析表明，土壤C:N比、氧化还原酶/碳水化合物酶活性比值和优势微生物类群是驱动土壤多功能性的关键因子。结构方程模型进一步证实，较低的氧化还原酶/碳水化合物酶比值通过提升活性SOC，间接增强了土壤多功能性，且这一途径受土壤条件和优势微生物类群的显著调控。

研究表明，混交林结合间伐通过增加根系分泌物输入，改善了中层土壤的碳有效性，促进了富营养型微生物的生长，降低了微生物为获取氮素而分解顽固性碳的“氮挖掘”效应（即氧化还原酶活性相对降低），从而增强了活性SOC的积累和土壤多功能性。土壤深度通过调控土壤理化性质（如水分、孔隙度）和微生物生命策略，成为影响SOC分解与保存过程平衡的主导因素。该研究强调了在人工林经营中考虑土壤垂直异质性的重要性，为通过优化树种配置缓解单一树种人工林生态功能衰退提供了科学依据。未来研究可进一步关注根系输入在连接地上植被与地下过程跨土层调控中的关键作用。