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干旱区研究 >

2025 , Vol. 42 >Issue 3: 445 - 455

DOI: https://doi.org/10.13866/j.azr.2025.03.05

水土资源

不同林龄天山云杉人工林土壤多功能性特征及影响因素

  • 王钰 , 1 ,
  • 赵善超 , 2 ,
  • 李柳 1 ,
  • 圆圆 1 ,
  • 顾晓亮 1
展开
  • 1.新疆农业大学林学与风景园林学院，干旱区林业生态与产业技术重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052
  • 2.新疆维吾尔自治区天然林保护中心，新疆 乌鲁木齐 830052
赵善超. E-mail:

王钰（1999-），女，硕士研究生，主要从事森林培育技术与应用研究. E-mail:

收稿日期: 2024-10-06

  修回日期: 2024-12-02

  网络出版日期: 2025-08-13

基金资助

中央财政林业改革发展资金(新财资环〔2022〕122号)

收起

Soil multifunctionality and its influences across various ages of Picea schrenkiana plantation

  • WANG Yu , 1 ,
  • ZHAO Shanchao , 2 ,
  • LI Liu 1 ,
  • YUAN Yuan 1 ,
  • GU Xiaoliang 1
Expand
  • 1. Key Laboratory of Forestry Ecology and Industrial Technology in Arid Area, College of Forestry and Landscape Architecture, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, Xinjiang, China
  • 2. Xinjiang Uygur Autonomous Region Natural Forest Protection Center, Urumqi 830052, Xinjiang, China

Received date: 2024-10-06

  Revised date: 2024-12-02

  Online published: 2025-08-13

Fold

摘要

土壤多功能性是生态系统多功能性的重要组成部分，研究不同林龄天山云杉人工林土壤多功能性及其影响因素可以更好地理解土壤的综合能力，为森林生态系统的管理和评估提供参考。以30 a、40 a、50 a和60 a天山云杉人工林为研究对象，基于与土壤碳、氮、磷等相关的15个指标量化土壤多功能性，研究不同林龄天山云杉人工林土壤多功能性差异。通过因子分析，揭示土壤多功能性的主要影响因素。结果表明：（1） 土壤含水量、全氮、碱解氮随着林龄增加先降低后升高，日平均温度和有机质含量随着林龄增加逐渐减小。（2） 土壤脲酶随着林龄增加呈倒“N”字形趋势，纤维素酶、蔗糖酶随林龄增加先升高后降低，过氧化氢酶活性随林龄增加逐渐降低。（3） 土壤多功能性随林龄增加先增加后减小，主要受碱解氮和脲酶影响。因此，林龄是影响天山云杉人工林土壤多功能性的重要生态因子，同时调节土壤理化性质、酶活性等，研究结果对新疆天山北坡地区天山云杉人工林的可持续经营具有重要意义。

关键词： 林龄; 天山云杉; 人工林; 土壤多功能性; 因子分析法

本文引用格式

王钰 , 赵善超 , 李柳 , 圆圆 , 顾晓亮 . 不同林龄天山云杉人工林土壤多功能性特征及影响因素[J]. 干旱区研究, 2025 , 42(3) : 445 -455 . DOI: 10.13866/j.azr.2025.03.05

Abstract

Soil multifunctionality is a vital component of ecosystem multifunctionality. Exploring the multifunctionality of soil in the Picea schrenkiana plantation at various ages offers valuable insights into soil capabilities. This research should enhance our understanding and support the management of vibrant forest ecosystems, making a significant contribution to environmental science. This study investigated the Picea schrenkiana plantation at the ages of 30, 40, 50, and 60 years, focusing on 15 indicators related to soil carbon, nitrogen, and phosphorus, to evaluate the soil multifunctionality of the Picea schrenkiana plantation. The findings reveal the following: (1) Soil moisture content, total nitrogen, and available nitrogen initially decreased before increasing with forest age, while daily average temperature and organic matter content exhibited a consistent decline with increasing forest age. (2) The activity of soil urease displayed an inverted “N” shaped trend concerning forest age, whereas the activities of cellulase and invertase initially rose and then declined. Catalase activity gradually decreased with increasing forest age. (3) Soil multifunctionality increased and then decreased with aging of the forest. The main factors affecting soil multifunctionality included the available nitrogen and urease. Therefore, forest age is a significant ecological factor that influences soil multifunctionality of the Picea schrenkiana plantation. In addition, managing related factors such as soil physical and chemical properties and enzyme activity is crucial. These research findings are significant for the sustainable management of Picea schrenkiana plantation on the northern slopes of Tianshan Mountains in Xinjiang.

Key words： age of stand; Picea schrenkiana; plantation forests; soil multifunctionality; factor analysis

土壤作为森林生态系统的重要组成部分，是林木生长发育所需营养元素的重要来源[1]，在水分调节、养分循环及有机质分解等方面发挥着重要作用[2]。土壤质量可以综合评价土壤肥力质量、土壤环境质量及土壤健康质量，多选用土壤基本性质，如土壤物理指标（容重、土壤含水量、电导率）、化学指标（土壤pH、有机质）和生物指标（土壤脲酶、蔗糖酶），与土壤养分循环密切相关[3]。以往对土壤质量的评价多集中于单一过程，缺乏全面性[4-5]，土壤多功能性的提出为评价土壤质量提供了新思路，已成为近年生态学研究的热点。土壤多功能性（Soil Multifunctionality，SMF）主要指土壤同时维持生态系统多种功能的能力，包括养分循环、土壤养分储存功能，体现了土壤对生态系统整体功能的综合贡献，有助于深入理解土壤对生态系统的综合服务能力[1,4]。评估土壤多功能性的指标、方法的不同会导致结果存在差异，已有研究表明土壤多功能性主要受生物因素和非生物因素共同驱动，其指标的选择主要集中于土壤碳、氮、磷等元素循环过程[1]。土壤理化性质（非生物因素）和酶活性（生物因素）作为反映土壤多功能性的重要指标，通过调节养分循环和有机质分解等过程，协调森林生态系统的多种功能，共同驱动土壤多功能性[1,4]。土壤酶作为土壤中最活跃的生物催化剂，其活性与土壤理化性质密切相关，共同影响林木生长[6]。相关研究表明，土壤化学性质和酶活性是影响土壤功能在不同林龄间存在差异的主要因素[7]。
天山云杉（Picea schrenkiana）作为新疆山地森林中分布最广、蓄积量最大的森林生态树种，是新疆森林资源的重要组成部分，在涵养水源、保持水土、调节气候及保育生物多样性等方面发挥着重要作用[8]。截至2020年，我国森林面积约为2.2×108 hm2，约占全球森林面积的5%[9]。同时，中国也是世界上人工林面积最大的国家，但由于不合理的经营措施使人工林出现严重的衰退现象[9-10]。自20世纪60年代开始，新疆山区进行高密度人工更新造林，但由于天山云杉人工林初植密度过高、抚育措施不到位等原因使林地土壤地力衰退，林木出现自疏现象[11]。本研究以4个林龄的天山云杉人工林为研究对象，通过野外调查取样、室内实验，分析不同林龄天山云杉人工林土壤理化性质、酶活性及土壤多功能性的变化特征，明确其变化规律，并采用因子分析法揭示土壤多功能性的主要因素，旨在为新疆天山北坡地区天山云杉人工林的可持续经营提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆维吾尔自治区沙湾市西戈壁镇，隶属于天山东部国有林管理局沙湾分局（图1），该地区属于温带大陆性干旱、半干旱气候，年平均气温4.3 ℃，年平均降水量299.5 mm[12]。研究区位于中山带，海拔在1500~2100 m，坡度为6°~26°，坡向为北坡。林分树种以天山云杉为主，初植林分平均密度为4000~6000株·hm-2。研究区所在山区自20世纪60年代进行人工更新造林，目前仅有30 a、40 a、50 a、60 a林木成林，分别属于幼龄林（30 a、40 a）和中龄林（50 a、60 a）[13]。土壤类型为灰褐色森林土，林下主要分布天山羽衣草（Alchemilla tianschanica）、亚欧唐松草（Thalictrum minus）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）等。
图1 研究区和取样地示意图

注：底图采用国家地理信息公共服务平台标准地图制作，审图号为GS（2024）0650号，对底图边界无修改。

Fig. 1 Schematic diagram of study area and sampling site

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与样品采集

2023年6—9月，依据海拔、坡向、坡位等信息（表1），在研究区域内不同林龄天山云杉人工林下分别设置10个大小为20 m×30 m的重复样地，共40块。在每个样地内按照对角线法选取3个土壤采样点，共120个采样点。每个采样点内采用环刀法采集0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm（未去除枯落物）的原状土壤样品，用于测定容重、含水量等物理性质；同时采用四分法将同一样地内同一土层的土壤样品混合均匀，将所采集土壤分为两份保存。一份经风干、去除石块、动植物残体等杂质后过筛保存，用于测定土壤粒径等物理性质和化学性质；另一份保存在4 ℃条件下，用于测定土壤酶活性。
表1 不同林龄天山云杉人工林样地的基本信息

Tab. 1 Basic information of Picea schrenkiana plantation plots of different ages

林龄/a 海拔/m 平均树高/m 平均胸径/cm 林分密度/（株·hm-2）
30 1795±34 11.06±2.07 12.43±0.98 2513±508
40 1930±12 15.73±0.25 15.73±0.35 2388±286
50 2040±25 15.44±1.01 17.42±1.37 1554±323
60 1999±34 18.41±2.64 21.59±2.66 1307±247

1.2.2 土壤性质测定

本实验共测定10个理化性质和4个酶活性，土壤理化性质[14-15]和酶活性[16-17]指标及检测方法如表2所示。
表2 土壤性质检测方法

Tab. 2 Mothods for detecting soil properties

指标 单位 检测方法
物理指标 土壤容重（Soil Bulk Density，SBD） g·cm-3 环刀法
土壤含水量（Soil Water Content，SWC） m3·m-3 便携式数据采集器TH302及配套5TE探针
便携式数据采集器TH302及配套5TE探针
便携式数据采集器TH302及配套5TE探针
日平均温度（Daily Mean Temperature，DMT） ℃
电导率（Electrical Conductivity，EC） us·cm-1
化学指标 pH - 电极法
土壤有机质（Soil Organic Matter，SOM） g·kg-1 扩散吸收法
全氮（Total Nitrogen，TN） g·kg-1 原子吸收法
碱解氮（Alkali-hydrolyzed Nitrogen，AN） mg·kg-1 熏蒸法
速效钾（Available Potassium，AK） mg·kg-1 醋酸铵浸提-火焰光谱法
速效磷（Available Phosphorus，AP） mg·kg-1 碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法
酶活性 土壤脲酶（Solid-Urease，S-UE） U·g-1 靛酚蓝比色法
土壤过氧化氢酶（Solid-Catalase，S-CAT） U·g-1 紫外吸收法
土壤纤维素酶（Solid-Cellulase，S-CL） U·g-1 蒽酮比色法
土壤蔗糖酶(Solid-Sucrase，S-SC） U·g-1 DNS法

1.2.3 土壤多功能性计算

土壤多功能性通常采用平均值法、单功能法、因子分析法等方法来进行量化。单功能法往往会忽略不同功能间的复杂关系以及在生态系统中的贡献大小；平均值法中平等分配过于简化不同生态功能的权重比例，某些功能可能对土壤多功能性有更大影响，但无法明确体现出[1]。采用因子分析的方法可以通过因子载荷系数表现不同功能在土壤生态系统中发挥的作用[1]。本研究通过Z score标准化方法使各指标均处于同一数量级，采用因子分析法选择与土壤碳、氮、磷、水等循环相关的14个指标量化土壤多功能性[1,18-19]，公式如下：
S M F = ∑ j m Y j ∑ i n X i F i
式中：SMF为土壤多功能性； F i为标准化得分（Z score）后的数值； X i为因子分析得出的指标对应的因子载荷系数； Y j为因子分析法得到的公因子解释率。

1.3 数据处理与分析

通过单因素方差分析（One-way ANOVA）和双因素方差分析（Two-Way ANOVA）对不同林龄天山云杉人工林间土壤理化性质、酶活性及土壤多功能性进行显著性分析，显著性水平设定为α=0.05。标准化后的数据用于土壤多功能性的计算，通过因子分析法得到指标的因子得分用于量化土壤多功能性，并绘制物理、化学和生物（酶活性）占比图。采用皮尔逊相关性分析得到不同林龄天山云杉人工林土壤单一功能与土壤多功能性的相关性，显著性水平（双尾）设置为0.05、0.01。以上分析在IBM SPSS Statistics 25.0、R 4.4.1和Origin 2021中完成。

2 结果与分析

2.1 不同林龄天山云杉人工林土壤物理性质

林龄、土壤深度以及两者交互作用极显著影响土壤含水量和日平均温度（P<0.001）（图2）。在各土壤深度中，含水量随着林龄增加先降低后升高，仅在0~20 cm土壤深度中随林龄增加先增加后降低，在40 a处土壤中达到最大值，为0.33 m3·m-3（图2b）。日平均温度随林龄增加逐渐降低，介于10.91~14.20 ℃。土壤垂直剖面上，各林龄阶段容重和电导率均随土壤深度增加而增加；日平均温度随土壤深度增加而降低，0~20 cm日平均温度显著高于20~40 cm和40~60 cm（P<0.05）（图2d）。
图2 不同林龄天山云杉人工林土壤物理性质特征

注：不同大写字母代表不同林龄间差异显著，不同小写字母代表同一林龄不同土壤深度间的差异显著。下同。

Fig. 2 Soil physical properties of Picea schrenkiana plantation of different ages

2.2 不同林龄天山云杉人工林土壤化学性质特征

由图3a~图3e可知，林龄极显著影响pH、有机质、全氮、碱解氮和速效钾，土壤深度极显著影响有机质、全氮、碱解氮和速效磷（P<0.001）。各土壤深度中，有机质随林龄增加呈逐渐降低趋势，仅在0~20 cm中，30 a到40 a阶段增加了4.98%，由130.50 g·kg-1升高至137.00 g·kg-1，后逐渐降低（图3b）。全氮、碱解氮随林龄的增加呈现出先降低后升高趋势，在50 a处土壤有相对低值。在0~20 cm深度中，全氮、碱解氮含量分别为4.84 g·kg-1、372.33 mg·kg-1，在20~40 cm 深度中分别为2.64 g·kg-1、136.33 mg·kg-1，而在40~60 cm 深度中则分别为1.63 g·kg-1、80.40 mg·kg-1。同样在0~20 cm深度中，30 a到40 a阶段，全氮、碱解氮含量分别增加了2.41%、3.22%。全氮由7.89 g·kg-1升高至8.08 g·kg-1，碱解氮由651.33 mg·kg-1升高至672.33 mg·kg-1，后逐渐降低（图3c，图3d）。速效钾随林龄增加呈现倒“N”字形变化趋势，即随着林龄增加先降后升，后在50 a~60 a阶段再次下降。而pH变化规律与其相反，呈现“N”字形变化趋势，即随着林龄增加先升后降，后在50 a 到60 a阶段再次上升，在40 a处土壤中达到最大值，在50 a出现最小值。
图3 不同林龄天山云杉人工林土壤化学性质特征

Fig. 3 Soil chemical properties of Picea schrenkiana plantation of different ages

土壤垂直剖面上，pH随土壤深度增加而逐渐增加，范围为6.67~7.04（图3a）。有机质、全氮、碱解氮、速效钾、速效磷均随土壤深度的增加而逐渐降低，表层土壤（0~20 cm）含量显著高于底层土壤（20~40 cm和40~60 cm）（P<0.05）。

2.3 不同林龄天山云杉人工林土壤酶活性特征

林龄显著影响土壤活性（P<0.05），各土壤深度间差异不显著（P>0.05）（图4a~图4d）。各土壤深度中，脲酶随着林龄的增加呈现倒“N”字形变化规律，50 a处的土壤脲酶活性显著高于30 a、40 a、60 a（P<0.05），在0~20 cm土层中达到977.92 U·g-1。纤维素酶、蔗糖酶活性随林龄增加呈先升高后降低趋势，纤维素酶活性在50 a的0~20 cm土层中达到最大值74.89 U·g-1，分别较30 a、40 a、60 a高46.76%、11.68%、42.97%；蔗糖酶活性在40 a的40~60 cm土层达到最大值13.75 U·g-1，分别较30 a、50 a、60 a高7.76%、1.93%、52.78%。过氧化氢酶活性随着林龄增加逐渐降低，且幼龄林（30 a、40 a）中过氧化氢酶显著高于中龄林（50 a、60 a）（P<0.05），在60 a的40~60 cm土层有最小值10.27 U·g-1（图4c）。
图4 不同林龄天山云杉人工林土壤酶活性特征

Fig. 4 Soil enzyme activity characteristics of Picea schrenkiana plantation of different ages

2.4 不同林龄天山云杉人工林土壤多功能性特征

采用因子分析法进行多变量的降维和公因子的提取，基于Bartlett球形检验显著，最终得到1个公因子。公因子贡献率为94.341%，代表大部分原始数据所表现的信息，因此可用于综合变量评价土壤多功能性。其中，公因子主要受碱解氮和脲酶活性影响，表明研究区内土壤多功能性主要受化学性质和酶活性直接影响（表3）。如表4所示，土壤多功能性与容重、含水量、日平均温度、电导率、pH、全氮、速效磷、脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶间均存在极显著正相关关系，与有机质、碱解氮间存在极显著负相关关系（P<0.001）。速效钾、蔗糖酶与土壤多功能性间的相关关系在林龄间存在差异，速效钾仅在40 a处与土壤多功能性存在极显著正相关关系（P<0.001），蔗糖酶活性极显著正向影响土壤多功能性（P<0.01）。
表3 因子载荷系数

Tab. 3 Soil property detection methods

指标
AN S-UE EC SOM AK S-CL SWC S-SC pH SBD DMT S-CAT TN AP
因子载荷系数 -0.800 0.154 0.017 -0.015 0.007 0.007 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.002 0.002
公因子贡献率/% 94.341

注：SBD为土壤容重，SWC为土壤含水量，EC为电导率，DMT为日平均温度，pH为酸碱度，SOM为有机质，TN为全氮，AN为碱解氮，AK为速效钾，AP为速效磷，S-UE为脲酶，S-SC为蔗糖酶，S-CL为纤维素酶，S-CAT为过氧化氢酶。下同。

表4 不同林龄天山云杉人工林土壤单功能与土壤多功能性的相关性分析

Tab. 4 Correlation analysis of soil mono-function and soil multifunction in different ages of Picea schrenkiana plantation

林龄/a 指标
SBD SWC DMT EC pH SOM TN AN AP AK S-UE S-CAT S-SC S-CL SMF
SMF 30 0.90**
 0.89**
 0.94** 0.92** 0.93** -0.91** 0.85** -1.00** 0.88** -0.08 0.98** 0.95** 0.94** 0.95** 1
40 0.92** 0.91** 0.97** 0.88** 0.95** -0.97** 0.87** -1.00** 0.89** 0.83** 0.98** 0.97** 0.96** 0.78* 1
50 0.91** 0.91** 0.93** 0.81** 0.93** -0.92** 0.89** -1.00** 0.91** 0.16 0.98** 0.91** 0.91** 0.82** 1
6 0.95** 0.95** 0.98** 0.83** 0.98** -0.98** 0.93** -1.00** 0.89** -0.01 0.97** 0.97** 0.98** 0.95** 1

注：SMF为土壤多功能性； *表示P<0.05；**表示P<0.01。

土壤多功能性随林龄增加表现出先增后降的变化趋势，50 a处土壤多功能性（0.23）显著高于30 a、40 a、60a。30 a、40 a、60 a处土壤多功能性分别较50 a低300.00%、256.52%、230.43%（P<0.05），幼龄林（30 a、40 a）和中龄林（50 a、60 a）间无显著差异（P>0.05）（图5a）。不同林龄天山云杉人工林土壤多功能性中物理、化学及生物因素（酶活性）所占比重如图5b所示，化学和生物因素占比总和达到99%。其中，生物因素占比随林龄的增加先升后降，在50 a占比最多为68.31%；化学因素占比随林龄的增加先降后升，在50 a占比最小为31.00%。土壤多功能性在林龄、土壤深度间均存在极显著差异（P<0.001），林龄与土壤深度两者交互对土壤多功能性无显著影响（P>0.05）。各土壤深度中，土壤多功能随林龄增加表现出先增加后减小趋势，在50 a达到最大值，分别为-0.21、0.38、0.54，仅在0~20 cm中呈倒“N”字形变化趋势。各林龄阶段，土壤多功能性指数随着土壤深度增加逐渐增加，且0~20 cm土壤多功能性指数显著高于20~40 cm、40~60 cm（P<0.05）。
图5 不同林龄天山云杉人工林土壤多功能性特征

Fig. 5 Soil multifunctional characteristics of Picea schrenkiana plantationt at different ages

3 讨论

3.1 林龄对土壤理化性质的影响

天山云杉人工林理化性质受林龄影响，并且土壤物理性质与水热条件紧密相关（图2），直接反映林龄、林分密度等变化对土壤产生的影响[20]。各土壤深度中，含水量均随林龄增加呈先降后升趋势（图2b），与研究区内天山云杉人工林随着林龄增长存在自疏现象有关（表1）。前期林分密度较大，水分资源相对紧张，而树木的密集覆盖降低蒸发量[21-22]。温度随林龄增加逐渐减小（图2d），主要是因为林内光环境随林分密度的减小得到了较大的改善，与海龙等[23]的研究结果一致。电导率随土壤深度增加逐渐增加，与研究区天山云杉人工林林分密度大、遮荫效果好，有效缓解地表蒸发、聚盐密切相关[24]。
适宜的林分密度促进土壤微生物活动和枯落物分解，可改善林内微环境进而促进土壤养分的积累[25]。枯落物分解时产生有机酸，促进有机物质的分解，pH值随林龄增加呈“N”字形变化[26]。有机质随林龄增加逐渐降低，仅在0~20 cm中，30 a到40 a含量略微增加，可能是因为表层土壤对环境变化更为敏感[27]。全氮、碱解氮在0~20 cm土壤深度中与有机质变化规律相似（图3c、图3d）[28]，且全氮、碱解氮与天山云杉根系分泌物量有关，可以加速养分转化，提高土壤养分含量[29]。速效钾随林龄增加呈现倒“N”字形趋势（图3e），与西北地区土壤平均钾释放速率较高有关，有机质含量增加可促进缓效钾转化为速效钾，有机质积累的同时部分转化为土壤全氮和碱解氮等养分，是速效钾含量在30 a~40 a降低的原因之一[30]，与刘慧敏等[25]对不同密度的华北落叶松土壤质量研究相似。
土壤理化性质表现出明显的“表聚现象”（图3），pH值随土壤深度增加呈增加趋势，主要是因为土壤中碳、氮等养分主要来源于凋落物，云杉林枯落物在分解时产生有机酸淋洗土壤[26]。有机质、全氮、碱解氮、速效钾、速效磷含量均随土壤深度的增加而逐渐降低，表层土壤（0~20 cm）含量显著高于底层土壤（20~40 cm和40~60 cm），主要是因为枯落物输入、微生物活动集中于表层土壤中，微生物分解枯落物合成有机质，而后依靠水分及其他介质向土壤深处扩散或运输，形成土壤碳、氮等含量由表层向下逐渐降低的分布规律，与刘云超等[31]研究所得结论一致。

3.2 林龄对土壤酶活性的影响

森林通过凋落物及其形成的腐殖质将有机质、氮、磷、钾及各种微量元素归还到土壤中，并受林分密度影响[32]。脲酶能催化水解尿素，并受到有机质、碱解氮等因素影响，在土壤氮素循环中扮演重要角色[31]；微生物分泌纤维素酶可分解林地表面的粗木质残体等，参与土壤碳循环[33]。各土壤深度中，脲酶随着林龄的增加呈现倒“N”字形变化规律，50 a处的脲酶活性显著高于30 a、40 a、60 a（P<0.05）（图4a）；蔗糖酶通常与有机质、氮、磷含量及微生物数量有关，可衡量碳、氮转化程度[34]，纤维素酶、蔗糖酶活性随林龄增加呈先升高后降低趋势，纤维素酶活性在50 a处达到最大值，蔗糖酶活性在40 a达到最大值，反应了土壤碳、氮、磷转化活动的活跃。过氧化氢酶是氧化还原酶类的一种，在一定程度上反映了土壤腐殖质化、有机质化以及体现土壤微生物过程的强度和速度[35]，能减轻过氧化氢对植物的毒害。过氧化氢酶活性随林龄增加逐渐降低（图4c），表明酚类物质的积累产生危害自身的化感物质，可能影响土壤微生物活性[36]。

3.3 林龄对天山云杉人工林土壤多功能性的影响

土壤作为地上植被的必要生境条件，直接决定物种的生存繁衍[37]。研究区内各土壤深度中，土壤多功能性随林龄增加呈先升后降趋势（图5a），与王宏星等[2]的研究一致，适宜的林分密度改善林内微环境，提高酶活性和养分转化速率，进而改善土壤多功能性。土壤多功能性随着土壤深度的增加逐渐增加，且0~20 cm土壤多功能性显著高于20~40 cm、40~60 cm（P<0.05）（图5c），与土壤单个功能指标在垂直剖面上的表现一致。土壤多功能性中生物因素占比随着林龄增加先增后减，在50 a土层达到最大值；化学因素占比随林龄增加先降后升，在50 a处占比最小（图5b）。这表明土壤多功能性主要受化学和生物因素影响，在50 a处土壤酶分解有机物质为养分的速率最快。土壤多功能性主要受碱解氮和脲酶影响（表3），不同林龄天山云杉人工林土壤单功能与土壤多功能性间的相关性分析中，速效钾和纤维素酶在林龄间存在差异，说明化学性质和酶活性是影响土壤多功能性的重要因素，其中速效钾和纤维素酶是导致土壤多功能性在林龄间存在差异的重要因子（表4），与江康威等[38]的研究结果一致。
植物-土壤反馈方向的变化取决于植物之间的竞争作用，在强烈的竞争环境下，植被和土壤相互作用制约；而在弱竞争环境下两者之间关系较为缓和、相互促进[37-38]。研究区内的30 a时林分平均密度为2513株·hm-2，林木平均胸径为12.43 cm，40 a、50 a、60 a时林木生长的同时林分密度分别减小4.97%、34.92%、15.89%，林木平均胸径分别增加了26.55%、10.74%、22.96%（表1），且土壤多功能性在50 a处达到最大值，说明此时竞争较为缓和。植物通过调整林分结构、密度等引起的土壤环境变化反过来抑制植物的生长，可能与土壤中养分被固化造成的资源匮乏有关[39]。50 a到60 a阶段土壤多功能性随林龄增加而降低，而林木胸径增长幅度较大，表明这一阶段土壤主要供应林木高质量生长，储存养分能力较弱，植被和土壤间相互促进、达到动态平衡，符合“植物-土壤反馈”的描述[39]。通过分析土壤理化性质及酶活性随林龄增加的变化规律，发现特别在50 a，密度结构发生较大幅度改变时，各项土壤理化、酶活性指标及土壤多功能指数均出现变化的转折点，即相对低点或高点，再次验证土壤养分匮缺引起林分密度改变的原因。

4 结论

本研究结合野外采样和室内分析，研究了不同林龄天山云杉人工林土壤理化性质、酶活性和土壤多功能性差异性，得出如下结论：
（1） 林龄、土壤深度极显著影响土壤理化性质（P<0.001）。土壤含水量、全氮、碱解氮含量随着林龄增加先降后升，日平均温度和有机质含量随着林龄增加逐渐减小。pH值随着林龄增加表现出“N”字形变化规律。各林龄阶段，土壤日平均温度、有机质、全氮、碱解氮、速效磷含量在垂直剖面上随土壤深度增加逐渐降低。
（2） 林龄极显著影响土壤酶活性（P<0.001）。脲酶随着林龄的增加呈现倒“N”字形变化规律。纤维素酶、蔗糖酶活性随林龄增加呈先升高后降低趋势。过氧化氢酶活性随着林龄增加逐渐降低，幼龄林显著高于中龄林（P<0.05）。
（3） 林龄、土壤深度极显著影响土壤多功能性（P<0.001），土壤多功能性随着林龄的增加先升后降，50 a处土壤多功能性显著高于30 a、40 a、60 a。土壤多功能性指数随着土壤深度增加逐渐增加，0~20 cm土壤多功能性指数显著低于20~40 cm、40~60 cm（P<0.05）。
（4） 土壤多功能性中生物因素占比随着林龄增加先增后减，化学因素占比随林龄增加先降后升。研究区内土壤多功能性主要受碱解氮和脲酶活性影响。

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