川西人工林是青藏高原东缘最具代表性的植被类型之一，20世纪80年代以来，该地区原始林被逐渐砍伐破坏，造成水土流失严重，养分日趋贫瘠、生态系统遭到严重破坏，生态功能下降等问题。结合天然林保护和退耕还林 (草) 工程，在采伐迹地灌丛的基础上进行了大规模的人工造林^[1]，目前已形成多种针叶或阔叶为优势的同龄林^{[2, 3]}。但是由于这些人工林存在林分结构单一、物种多样性贫乏、林地土壤酸化从而导致肥力下降、生态服务功能弱、病虫害风险大等问题^{[4, 5, 6, 7, 8]}。尽快提高人工林生态功能，维持高效的人工林生态系统一直是当前该地区的重要任务。改善现有人工林生态服务功能的前提是弄清各人工林的土壤肥力状态，特别是土壤养分及酶活性等是林分生长发育的基础，而这一直较少受到关注。

土壤酶是土壤中的生物活性物质及生物化学过程的积极参与者，是联系“植物-土壤酶-土壤养分”的联系纽带，在土壤生态系统的物质循环和能量转化中具有重要作用^{[9, 10, 11]}，能较客观地反映土壤质量的变化状况^{[12, 13]}，间接影响到土壤中碳、氮、磷等元素的循环。土壤养分是植物生长发育的基础,植被对土壤养分有效性及生物学过程具有重要决定性的作用。土壤酶活性的变化规律不仅与群落的演替有关，而且与植物的类型及养分有效性有关^[14]。不同人工林树种对土壤养分的吸收利用和土壤的反馈作用是树种竞争取胜的一个重要的驱动机制^[15]，植物通过凋落物分解或根分泌物调节根际土壤养分有效性及土壤酶活性^[16]。不同人工林植被类型下的土壤酶活性和肥力不同^{[17, 18]}，混交林则能提高土壤养分有效性和酶活性^{[18, 19]}。另外，不同的植被优势群落结构差异明显，对微气候的影响也将不同，进而间接影响到土壤酶活性和养分的有效性，庞学勇等^[20]研究表明，针叶人工林相比阔叶人工林林下微气候环境不同，其吸水程度和分解程度缓慢会导致林地有大量的养分滞留。因此假设通过阔叶树种造林替代当地落叶灌丛，能促进土壤养分恢复，酶活性增加；相反，使用针叶纯林造林，将造成土壤肥力退化，养分循环受阻，酶活性降低。通过研究不同树种或植被下土壤酶活性及养分有效性的关系将有助于提高树种对土壤肥力的改善认识，同时也有助于低效人工林的结构调整和土壤肥力恢复对管理和调控人工林和土壤生态恢复有着重要的意义。

本研究选择人工造林26a后，立地条件和营林方式相同的4种人工林，并以自然恢复的乡土灌丛为对照，通过对不同树种林下土壤碳、氮、磷养分特征及酶活性比较分析，探明不同树种造林恢复对土壤养分有效性及酶活性的影响，比较各人工林间土壤养分及酶活性的差异，监测或指示其土壤于生态恢复中的健康或退化状况，分析其原因，为土壤生态恢复提供一定的理论依据。

本研究位于岷江上游大沟流域——中国科学院茂县山地生态系统定位研究站(103°54′E，31°42′N，海拔1826 m)站区。该区气候类型属山地温带气候，年日照时数1373.8 h，年日照百分率31%；年均温9.3 ℃，极端最高气温30.9 ℃，极端最低气温-13.5 ℃，最冷月1月平均气温-0.9 ℃，最热月7月平均气温18.6 ℃，≥10 ℃年有效积温954.1 ℃，无霜期215d；年降雨量825.2 mm，年蒸发量968.7 mm，年均相对湿度81.1%。自然植被以次生阔叶灌丛为主，20世纪80年代初的大面积植被恢复重建形成了大面积人工林，仅川西地区郁闭成林人工林面积就有4.3×10⁴ hm^2[4]，土壤类型主要为褐土^[9]。本研究选择的4种人工林分别为油松 (Pinus tabulaeformis) [PT]、华山松 (Pinus armandii) [PA]、落叶松 (Larix kaempferi) [LK]、连香树 (Cercidiphyllum japonicum) [CJ]，以次生灌丛为对照。油松和华山松为常绿针叶树种，落叶松为落叶针叶树种，而连香树为落叶阔叶树种，次生灌丛 (QC) 主要以落叶槲栎 (Quercus aliena) 和川榛 (Corylus heterophylla var. sutchuenensis Franch.) 为主。人工林与次生灌丛样地彼此相邻，其地形和土壤条件相似。人工林恢复重建前，主要植被类型为针阔混交林破坏后形成的次生山地落叶阔叶灌丛和箭竹灌丛，1985年砍伐次生灌丛后，1986年打窝种植，人工林树苗为3—4年生小树苗，初植密度为3300株/hm²，后期根据成活状况，进行适当补植。人工林后期管理措施均相同，生长期间没有添加任何肥料。

于2013年7月进行背景调查选择背景一致的油松、华山松、落叶松、连香树和次生灌丛样地，包括林木生长参数，海拔，坡度和坡位等 (表 1)。

所有林地郁闭度均较高，均保持在80%—98%间，其中华山松最高(98%)，落叶松最低(80%)。各植被的胸径和树高呈显著正相关，即胸径和树高都表现为落叶松>连香树>华山松>油松>灌丛，各替代树种生长显著优于灌丛。其中，生长最佳的落叶松树高和胸径分别是灌丛的3.8倍和2.5倍。年凋落物现储量大小为华山松(5.1×10³ kg/hm²)>落叶松(4.8×10³ kg/hm²)>灌丛(4.4×10³ kg/hm²)>油松(4.2×10³ kg/hm²)>连香树(3.6×10³ kg/hm²)。可见，人工林替代灌丛后，生物量等指标显著增加。

在相似地形条件下，选择4个不同树种人工林和1个次生灌丛作为研究林地，在每一个林地内，分别随机设置5块不连续样地，样地之间间隔至少为50 m,每一样地内设置1个乔木调查样方(10 m×10 m)，在每一个样方内按上、中、下坡位分别设3个土壤采样点，在每个取样点用直径5 cm的不锈钢土钻分0—10 cm和10—20 cm层进行土样采集，采用十字交叉法，对同一样方同一层次土壤样品充分混合后，取1000 g左右混合样。将野外采集的土壤样品去除细根和石块过2 mm孔筛，分成两份，一份鲜土置4 ℃下保存用于酶活性和其它需要鲜土壤样品指标的测定，所有鲜样指标均在10d内室内分析。另一份置于阴凉干燥通风处风干，用于土壤pH，土壤有机碳(TOC)、全氮(TN)和全磷(TP)等指标的测定。

(1)土壤理化性质测定参照《土壤农化分析手册》^{[21, 22, 23]}。土壤pH采用水土比为2.5∶1的酸度计测定；土壤有机碳TOC和全氮TN采用干烧法-元素分析仪法；TP采用酸溶钼锑抗比色法；土壤水溶性有机碳(WEOC)和水溶性有机氮(WEON)用土水比1∶5的去离子水浸提后，采用TOC分析仪测定；土壤铵态氮(NH⁺₄-N)采用靛酚蓝比色法；硝态氮(NO^-₃-N)采用紫外分光光度法。

(2)土壤酶活性测定参照《土壤酶测定方法及其应用》^[24]。脲酶采用苯酚-次氯酸钠比色法^[22]；酸性磷酸酶采用磷酸对硝基酚比色法；转化酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法；β-葡萄糖苷酶采用对硝基酚比色法；脱氢酶采用甲醇比色法；过氧化氢酶采用0.02 mol/L KMnO₄滴定法；多酚氧化酶采用0.01 mol/L I₂滴定法；需要说明，土壤酶活性测定只分析了0—10 cm土壤层。

根据土壤TOC，TN和TP，分别计算了不同人工林土壤地C/N，C/P和N/P比。对同一土壤层不同植被类型间土壤养分及酶活性指标采用单因素方差分析(One-way ANOVA)，其差异性检验采用最小二乘法(LSD)检验法，显著性水平为P<0.05。土壤酶活性与土壤养分等指标的相关分析采用person相关分析法。所有统计检验均用SPSS 19.0软件完成，所有图均在Origin 8软件内完成。

在相似的地形、土壤条件及管理措施下，不同树种造林形成人工林后对土壤理化性质产生明显的影响(表 2)，但土壤pH在各植被类型之间差异不显著(P>0.05)，各人工林pH为5.5—6.0之间，土壤为弱酸性。

造林后，人工林地土壤C、N含量明显低于对照样地(P<0.05) (表 2)，如与QC土壤C (54.57 g/kg)和N含量 (5.07 g/kg)相比，CJ、LK、PA和PT人工林土壤C含量分别下降27.6%、28.5%、52.5%和57.0%，土壤N含量分别下降29.98%、57.59%、51.87%和30.37%。在不同的人工林中，LK和CJ人工林土壤C、N含量明显高于PA和PT人工林；造林也明显影响了土壤P的含量(P<0.05)，除CJ人工林土壤P明显高于QC样地外，LK人工林土壤P与QC没有明显差异，而PA和PT人工林土壤P含量明显低于灌丛样地，所以人工林土壤P含量的顺序为CJ人工最高，LK人工林次之，PA人工林大于PT人工林。造林并没有明显影响土壤C/N(P>0.05)，但明显影响了土壤C/P和N/P比(P<0.05)，CJ人工林土壤C/P和N/P明显低于对照的灌丛样地和其它人工林，主要原因可能为CJ人工林土壤有较高的P含量。

不同土层间(0—10 cm和10—20 cm)土壤C、N和P也存在明显地差异(P<0.05)，主要表现为0—10 cm层土壤C、N和P含量明显高于10—20 cm层(表 2)，结果表明：CJ、PT、PA、LK及QC的10—20 cm层土壤C含量分别较0—10 cm层低39.16%、40.84%、40.87%、42.89%和45.97%；土壤N含量较表层分别低32.67%、35.34%、33.19%、37.67%和40%；土壤P含量较表层分别低12.28%、50%、11.53%和40%。可见，人工造林后，尽管土壤C、N和P含量减少，但0—10 cm和10—20 cm之间的差异减少，可能与土壤层间养分迁移有关。

除土壤10—20 cm 层WEON外，造林明显影响了土壤WEOC和WEON(P<0.05)。CJ和PT人工林土壤WEOC含量明显低于灌丛样地；同样所有人工林土壤WEON也明显低于灌丛样地(图 1)。在人工林土壤间，PA人工林土壤WEOC明显高于其它人工林样地且和LK差异较小，其它人工林间没有明显差异；而土壤WEON在各人工林间没有明显地差异。土壤WEOC和WEON在各层次间差异不明显(P>0.05)。

图 1 不同人工林及灌丛土壤可溶性有机碳(WEOC)和可溶性有机氮(WEON)比较 Fig.1 Soil water extractable organic carbon (WEOC) and water extractable organic nitrogen (WEON) in the different plantations and shrub land CJ：连香树Cercidiphyllum japonicum； PT：油松Pinus tabulaeformis； PA：华山松Pinus armandii； LK：落叶松Larix kaempferi； QC：落叶阔叶灌丛 Native broad-leaf forest; 同一土壤层中,不同小写字母表示树种间存在明显的差异P<0.05; ns: 无显著差异Not significant

图选项

土壤速效氮对人工林生态系统的维护具有重要的作用，它不仅与土壤理化性质有关，而且影响着土壤酶与土壤微生物的活性。造林明显影响了土壤无机N(NH⁺₄-N和NO^-₃-N)含量(图 2)。人工造林明显降低了土壤NH⁺₄-N含量(P<0.05)，在不同人工林中，PA人工林的土壤NH⁺₄-N含量明显高于PT人工林；同样，造林也明显降低了土壤NO^-₃-N含量(P<0.05)，在不同人工林中PT和PA人工林土壤NO^-₃-N明显低于CJ和LK人工林。

图 2 不同人工林及灌丛土壤NH+4-N和NO-3 -N比较 Fig.2 Soil NH+4-N and NO-3-N in the different plantations and shrub land CJ, 连香树Cercidiphyllum japonicum； PT, 油松Pinus tabulaeformis； PA, 华山松Pinus armandii； LK, 落叶松 Larix kaempferi； QC, 落叶阔叶灌丛 Native broad-leaf forest; 同一土壤层中，不同小写字母表示树种间存在明显的差异P<0.05

图选项

在人工林各样地和对照样地中，0—10 cm层土壤NH⁺₄-N和NO^-₃-N含量略高于10—20 cm层，NO^-₃-N土层的差异大于NH⁺₄-N。

除土壤转化酶活性外，不同人工林替代灌丛后显著影响了土壤酶活性(P<0.05)(图 3)。总体上，除脲酶、转化酶和多酚氧化酶外，土壤酸性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、脱氢酶和过氧化氢酶活性在QC均高于各人工林地。

图 3 不同人工林及灌丛土壤脲酶，酸性磷酸酶，转化酶，β-葡萄糖苷酶，脱氢酶，过氧化氢酶和多酚氧化酶活性比较 Fig.3 Soil urease，acid phosphatase，invertase，β-glucosidase，dehydrogenase，catalase and polyphenol oxidase activities in the different plantations and shrub land CJ：连香树(Cercidiphyllum japonicum)；PT：油松(Pinus tabulaeformis)；PA：华山松(Pinus armandii); LK：落叶松(Larix kaempferi)；QC：落叶阔叶灌丛 Native broad-leaf forest; 不同小写字母表示不同树种间存在明显的差异P<0.05

图选项

人工造林明显影响了土壤脲酶活性(P<0.05)(图 3)，除LK人工林与灌丛土壤脲酶活性没有明显差异外，CJ和PA人工林土壤脲酶活性明显高于QC样地，PT人工林明显低于QC样地；在不同人工林之间，土壤脲酶活性也差异明显(P<0.05)，其活性在各人工林间呈现CJ>PA>LK>PT，CJ和PA人工林土壤脲酶活性显著大于其他树种人工林。土壤酸性磷酸酶活性在各人工林间呈现LK>PT>CJ>PA，CJ和PA人工林明显低于灌丛样地(P<0.05)，其它各林地间没有明显差异。人工造林没有影响土壤转化酶活性(P>0.05)，但各人工林间有显著差异(P<0.05)，PT人工林显著高于CJ和PA人工林，不同人工林土壤转化酶活性为PT>LK>CJ>PA。人工造林明显影响了土壤β-葡萄糖苷酶活性(P<0.05)，除CJ人工林没有差异外，LK、PT和PA人工林土壤β-葡萄糖苷酶活性明显低于QC样地，各人工林之间没有明显的差异。土壤脱氢酶活性与土壤β-葡萄糖苷酶在各林地间表现一致，人工造林明显降低了土壤脱氢酶活性(P<0.05)，但各人工林之间没有明显的差异。与土壤脱氢酶一样，人工造林明显降低了土壤过氧化氢酶活性(P<0.05)，且各人工林之间存在明显的差异，为LK>CJ>PT>PA。除CJ人工林土壤多酚氧化酶活性明显低于QC样地、PT和PA人工林外，其它林地间土壤多酚氧化酶活性没有明显差异(图 3)。

土壤酶活性与土壤理化性质相关分析显示，除土壤转化酶与理化性质没有显著相关外，其余所检测土壤酶活性部分与土壤理化性质有显著相关关系(表 3)。

不同人工林树种可通过影响森林生态系统结构和功能，通过影响林地微环境、凋落物产生量与分解，以及根系的周转等过程，进而对土壤C、N、P有不同程度的影响^{[11, 20]}。本研究显示人工植树造林26a后，各人工林土壤C、N、P含量显著低于对照的灌丛样地(表 2)，同时人工林土壤WEOC和WEON也明显低于灌丛样地(图 1)，这也造成人工林土壤可利用N(NH⁺₄-N和NO^-₃-N)降低(图 2)。单优势种人工林导致林地结构单一，林地小气候恶化(如土壤水分低)，物质循环受阻等可能是人工林土壤养分全面低于对照的灌丛样地的原因^[20]。前期研究表明，人工林样地年凋落物量与灌丛样地没有明显差异，但在凋落物贮量上，人工林样地，特别是PA和PT人工林样地无论是数量和凋落物厚度上都明显大于灌丛样地^{[20, 22]}，这也部分证实了凋落物的归还或周转明显慢于灌丛样地，这也导致以凋落物为载体的C、N、P元素的归还人工林慢于灌丛样地。

尽管各人工林替代灌丛后，土壤C、N、P等养分低于灌丛样地，但在各人工林之间也存在差异(表 2)。研究显示落叶人工林(CJ和LK)土壤C、N、P显著高于常绿针叶纯林(PA和PT)。首先，不同树种凋落物分解、转化速率与贮量存在明显差异，人工林年凋落物量在各人工林间存在明显差异，尽管针叶人工林年凋落物量高于落叶人工林(表 1)，但各人工林树种中凋落物分解速率呈现针叶人工林较落叶人工林慢^[20]，因此，本研究中针叶人工林大量凋落物贮存于地被而难于返还，落叶人工林内土壤C、N、P高于针叶常绿纯林可能与大量养分保存在枯枝落叶层难于返还土壤和被植物利用有关^[20]。其次，树种差异对土壤C、N、P的影响也导致土壤WEON、WEOC、NH⁺₄-N和NO^-₃-N等活性养分不同。不同植被类型和土壤中有机质数量是决定WEOC含量的主要因素^[25]，CJ人工林凋落物分解快，土壤有机质含量高，虽然可能贡献高的土壤WEOC，但明显高的土壤水分加剧了土壤WEOC淋溶流失的可能^[26]。最后，树种差异对土壤C、N、P的影响另一个原因是植物根系分泌物引起的土壤酶活性差异导致的^[27]。落叶LK和CJ人工林土壤酶活性高于针叶人工林(PA和PT)，说明落叶人工林下土壤可供酶利用的底物明显的高于常绿人工林，可利用土壤酶的底物差异是不同人工林土壤养分发生变化的重要驱动机制之一。

土壤WEON、WEOC、NH⁺₄-N和NO^-₃-N浓度在不同的人工林之间也存在明显差异(图 1和图 2)，但与土壤C、N、P不同的是含量高的人工林，其土壤WEON、WEOC、NH⁺₄-N和NO^-₃-N不一定高。如CJ人工林在土壤C、N、P含量最高，但WEOC和WEON含量却很低(图 1)，可能与阔叶林地土壤酶活性强(图 3)，夏季有机质分解强烈，微生物活动也最旺盛，土壤WEOC和WEON处于不断产生和消耗的动态平衡中，阔叶人工林产生水解WEOC、WEON多，被微生物和土壤酶消耗的也多，NH⁺₄-N和NO^-₃-N有效吸收旺盛；同时，取样时为8月，正值叶凋落物分解和淋溶的高峰期，PA和PT人工林由于地面贮存了大量凋落物，相反，CJ由于前期的快速分解，地面较少有存量凋落物，导致CJ人工林含有较低的土壤WEOC。因此，不同树种特性对土壤养分的影响是不同的，本研究表明人工造林选择落叶阔叶树种较针叶树种有更好的土壤改善效果。

不同人工林土壤酶活性含量的差异主要受土壤生态条件、土壤类型、植被恢复阶段、土壤微生物、土壤肥力等多因素影响^{[14, 15, 28, 29, 30]}。本研究人工造林26a后，各人工林下土壤酶活性明显不同于对照灌丛样地，同时，不同的人工树种之间也存在一定的差异性，CJ和LK人工林土壤C、N、P及相关土壤酶活性明显不同于PT和PA人工林(图 3)。土壤酶活性大小与土壤C、N、P、可溶性C和N、有效氮等有较一致的相关性(表 3)，说明土壤酶活性对土壤C、N、P及WEON、WEOC、有效氮等养分的含量有一定的贡献。

土壤脲酶是催化有机氮类化合物转化为无机氮类的酶类，它对含氮化合物具有活化作用^{[24, 31]}。CJ和PA人工林土壤脲酶活性高于QC样地(图 3)，土壤脲酶与全氮、WEON、铵态氮、硝态氮呈有一定的正相关性(表 3)，表明该类人工林在生长季N素物质循环周转快，有机N转化为无机N比较多，用于植物吸收利用。土壤酸性磷酸酶能够酶促含P的有机化合物矿化，造林导致土壤酶活性低，但各人工林之间没有明显的差异(图 4)，说明人工造林导致土壤磷素改善(如CJ人工林)或土壤中磷素满足植物的吸收利用，但需要测定土壤有效P的含量进一步研究证实。而转化酶对土壤有机质的转化和增加可溶性具有重要作用^{[24, 31]}，相对于灌丛样地，人工造林并没有明显影响土壤转化酶活性，但PT人工林土壤转化酶活性明显高于PA和CJ人工林，说明PT人工林急需将土壤有机质转化为WEOC或WEON，供应微生物生长或增加土壤养分的有效性供给植物生长，可从PT人工林内较低的土壤WEOC、NH⁺₄-N和NO^-₃-N间接得到证实(图 1和图 2)。QC及各人工林土壤β-葡萄糖苷酶、脱氢酶、过氧化氢酶活性与土壤C、N、P及WEON、WEOC有极显著的正相关性(表 3)，说明其大小的变化能反应土壤肥力的特征，可用于指示土壤肥力的变化。多酚氧化酶与土壤有机质等形成密切相关，是促进腐殖质等酚类物质降解，与土壤腐殖化程度呈负相关，本研究显示人工林土壤过氧化氢酶与土壤C、N、P及WEON、WEOC呈负相关，且CJ和LK人工林土壤过氧化氢酶明显高于PT和PA人工林，说明落叶人工林(如LK和CJ)土壤腐殖化程度高于针叶纯林(PA和PT)，指示PA和PT人工林土壤粗腐殖质较多，土壤腐殖化程度较低，土壤肥力质量差^{[22, 31]}，进而说明LK和CJ人工林土壤有机质优于PA和PT人工林。NH⁺₄-N和NO^-₃-N与土壤脲酶、脱氢酶、β-葡萄糖苷酶呈极显著相关关系表明，土壤酶活性与土壤养分状况相关密切，同时也说明树种差异影响土壤酶的变化。总之，人工造林后土壤酸性磷酸酶、脱氢酶、β-葡萄糖苷酶和过氧化氢活性有不同程度的降低，土壤脲酶活性增加(图 3)，表明人工造林对土壤肥力有一定影响，在各人工林间，土壤酶活性的变化是依赖具体的树种特性。

(1)人工造林降低了土壤C、N、P等养分含量，除脲酶活性增加外，土壤酸性磷酸酶、脱氢酶、β-葡萄糖苷酶和过氧化氢活性也有不同程度的降低，说明在现存的人工林土壤肥力并没有得到根本改善，可能由于人工林初植密度过大、林分结构不合理和林下生物多样性低等原因导致的，要提高林地生态服务功能，急需对现有低效人工林的结构进行调整和改善。

(2)不同的人工林树种之间土壤养分和酶活性也存在差异性，CJ和LK人工林土壤C、N、P及相关酶活性明显不同于PT和PA。因此，在进行人工造林时尽量避免单一树种造林，在对低效林高密度人工林结构改造时，补植树种应尽量增添落叶或阔叶树。