杨树(Populus)具有适应性强和速生丰产的优良特性，是中国中纬度平原地区最重要的人工林造林树种之一^[1]。目前，杨树作为大径材培育存在初植密度偏大、生物生产力较低、地力衰退等现象，严重影响了杨树人工林的经济效益、生态效益和社会效益的发挥^[2]。因此，如何合理调控杨树人工林结构和密度，提高林下植物多样性和生物量，改善土壤养分的有效性，是生产中要面对的现实问题。土壤中99%的氮是不能直接被植物吸收利用的有机态氮，这部分氮需要经过土壤微生物的矿化作用转化为可以被植物直接吸收利用的无机态氮(铵态氮和硝态氮)^[3-4]。土壤微生物量的大小和周转速度在很大程度上控制着土壤氮的转化过程和供应水平^[5]。不少研究表明^[6-8]，抚育间伐作为一种重要的营林措施，能有效调控林分结构，改善林内光照、温度等小气候环境，增加林下植物多样性，加速林内养分转化和循环，提高林地土壤养分的有效性，从而促进保留木的生长。探讨不同间伐强度和方法对杨树人工林土壤微生物量和氮素有效性的影响，旨在为杨树人工林的可持续经营提供依据和技术支撑。

试验地设在江苏省扬州市宝应县稻麦原种场(119°15′E，33°22′N)，属北亚热带季风型湿润气候，具体气候情况见CHUONG et al^[6]的描述，其中试验地0-20 cm土壤的基本性质见表 1。试验林为2006年造林，所用杨树无性系为35杨(Populus deltoides cv. 35)，行状配置，初植密度为4 m×5 m，500株· hm^-2。当年造林成活率达98%，6年生时调查杨树平均胸径为16.56 cm，平均树高为18.15 m。

2012年2月，对试验地进行间伐，间伐方式分为下层疏伐和机械间伐2种，间伐强度分为30%和50%两种。按照完全随机区组设计，设4种间伐处理，每种处理重复3次，共12个小区。每个小区面积约0.42 hm²(15株×16行)，共计约5.07 hm²。各处理的间伐方式和间伐强度如下：处理1为对照(CK，即不间伐)；处理2为间伐强度30%的下层伐；处理3为间伐强度50%的下层伐；处理4为间伐强度50%的机械伐。

下层伐时，根据相应间伐强度伐除生长不良、干形不直的林木(按胸径大小确定)，同时尽量保持保留木的均匀分布；机械伐是采用隔行间伐方式进行，间伐后林分株行距为8 m×5 m。

2014年1-12月每月中旬在各试验小区内分别采集0-10 cm和10-20 cm土层土样。按照“S”法用环刀在每个小区内的0-10 cm和10-20 cm土层各取5个土样，混合后用保鲜膜密封带回实验室。剔除土壤中的根系、石块等杂物，每份土样分成2份，1份鲜样过2 mm筛，存放在4 ℃冰箱内用于土壤有效氮的测定；另1份自然风干、过筛，进行土壤理化性质分析。

土壤微生物量含量测定：用氯仿熏蒸抽提法测定土壤微生物生物量^[9]。微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)含量采用TOC元素分析仪(liqui TOCⅡ元素分析仪，德国)测定。微生物生物量氮(microbial biomass nitrogen, MBN)含量采用茚三酮显色法测定。MBC含量和MBN含量按公式(1)、(2)计算^[9-10]。

土壤无机氮(NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N)含量测定：取过2 mm筛土样10 g，加入0.5 mol · L^-1 K₂SO₄溶液40 mL，170 r · min^-1，振荡30 min后，采用0.45 μm的微孔滤膜抽滤，将抽滤后清液作为待测液，置于-20 ℃保存，采用AA-3流动分析仪测定NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N含量。

土壤溶解性有机氮(dissolved organic nitrogen，DON)含量测定：取过2 mm筛土样10 g，加入0.5 mol · L^-1 K₂ SO₄溶液40 mL，170 r · min^-1，振荡30 min后，采用0.45 μm的微孔滤膜抽滤，将抽滤后清液作为待测液，用过硫酸钾氧化法测量土壤溶解性有机氮^[11]。在样品冷却后，采用AA-3流动分析仪同时测定土壤浸提液和反应后样品的无机氮含量，两者之差即为土壤溶解性有机氮。

试验林内土壤温湿度测定采用物联网技术监测，即在不同间伐林分进行林分环境因子的长期定点可视化监测和数据实时采集管理。在对照和50%机械伐小区各设置1个观测节点(距地表 1.5 m)，在30%和50%下层伐小区各设置2个观测节点(距地表 1.5 m)，各试验小区内有土壤温湿度探头，以每5 min一次的测定频率24 h监测0-10 cm土层和10-20 cm土层的土壤温度和湿度，并实时通过观测节点将数据传送至校内网上平台。

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据处理；采用SPSS 18.0软件对MBC 、MBN 、土壤无机氮和DON含量进行单因素方差分析和多重比较，分析间伐处理间的差异显著性(P＜0.05)。

从图 1可知，在0-10 cm土层中，50%机械伐和50%下层伐土壤温度高于30%下层伐和不间伐，这种差异性在春季和夏季较为明显，在秋季和冬季则并不明显；土壤湿度季节变化趋势总体表现为夏季＞春季＞冬季＞秋季，且50%机械伐＞50%下层伐＞30%下层伐＞CK。

	图 1 不同间伐处理0-10 cm土壤温度和含水量的月动态 Fig. 1 Monthly variation in soil temperature and moisture at depth of 0-10 cm under different thinning treatments
图选项

从图 2可知，总体上，0-10 cm土层的土壤MBC均大于10-20 cm土层，MBC最大值均出现在8月份。0-10 cm土壤MBC最大值出现在50%机械伐(750.8 mg · kg^-1)，而10-20 cm土壤MBC最大值出现在50%下层伐(655.9 mg · kg^-1)。7月份2层土壤的MBC均低于6月份，这可能与7月高土壤含水量有关(图 1)。

	图 2 不同间伐处理土壤微生物生物量碳月动态 Fig. 2 Monthly variation in soil MBC content under different thinning treatments 注: *代表同一月份不同间伐处理之间土壤MBC含量存在显著差异(P＜0.05)。 Note : * indicating a significant difference in MBC content among the thinning treatments within the same month(P < 0.05).
图选项

方差分析结果表明，在0-10 cm土层，4种间伐处理间MBC含量在12个月均存在显著差异；而在10-20 cm土层，4种间伐处理的MBC含量在2 、5和10月无显著差异，其他月份均有显著差异(图 2)。从年平均值看，一般表现为50%机械伐和50%下层伐之间差异不显著，而30%下层伐和不间伐之间无显著差异；但在生长季(3-10月)表现为高强度间伐(50%间伐强度)的土壤MBC含量高于低强度(30%)和不间伐。各处理土壤微生物量碳也出现了明显的表聚性，这可能是由于上层土壤内土壤微生物和土壤有机质更多，且上层土壤温度更高，土壤微生物活性更强。

从图 3可知，在0-10 cm土层，MBN与MBC的月变化趋势一致，最大值出现在8月份的50%机械伐，达178.19 mg · kg^-1。方差分析表明，除3和7月外，其它月份4种间伐处理间的MBN含量均存在显著差异，总体表现为50%机械伐和50%下层伐的MBN含量大于30%下层伐和不间伐。

	图 3 不同间伐处理土壤微生物生物量氮月动态 Fig. 3 Monthly variation in soil MBN content under different thinning treatments 注: *代表同一月份不同间伐处理之间土壤MBN含量存在显著差异(P＜0.05)。 Note : * indicating a significant difference in MBN content among the thinning treatments within the same month(P < 0.05).
图选项

在10-20 cm土层，MBN年平均值低于0-10 cm土层，最大值出现在4月份的50%机械伐(58.83 mg · kg^-1)。方差分析结果表明，在大多数月份，10-20 cm土层表现为50%机械伐和50%下层伐的MBN含量大于30%下层伐和不间伐，但50%机械伐和50%下层伐之间，以及30%下层伐和不间伐之间差异不显著(图 3)。

土壤中无机氮素主要包括硝态氮、铵态氮和亚硝态氮等，其含量的高低在一定程度上反应了土壤的氮素供应水平，特别是铵态氮和硝态氮是植物吸收利用氮素的主要形态，对土壤肥力有指示作用^{[3, 12]}。不同间伐处理中，2层土壤无机氮(NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N)含量月动态变化见图 4和图 5。

图 4 不同间伐处理0-10 cm土壤无机氮含量月动态 Fig. 4 Monthly variation in inorganic nitrogen content under different thinning treatments at soil depth of 0-10 cm 注: CK, 30%下层伐, 30% lower thinning; 50%下层伐, 50% lower thinning; 50%机械伐, 50% mechanical thinning; 小写英文字母代表同一月份不同间伐处理之间土壤无机氮含量的多重比较结果, 相同字母表示处理之间差异不显著(P＜0.05)。 Note : small letters represent multiple comparison result of soil inorganic nitrogen content among different thinning treatments in the same month, and the same letters mean insignificant difference between treatments(P < 0.05).

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	图 5 不同间伐处理10-20 cm土壤无机氮含量月动态 Fig. 5 Monthly variation in inorganic nitrogen content under differentthinning treatments at soil depth of 10-20 cm 注: *代表同一月份不同间伐处理之间土壤无机氮含量存在显著差异(P＜0.05)。 Note : * indicating a significant difference in soil inorganic nitrogen content among thinning treatments within the same month(P < 0.05).
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从图 4可知，土壤无机氮组分中，硝态氮(NO₃ ^--N)含量明显高于铵态氮(NH₄ ⁺-N)。在0-10 cm和10-20 cm土层，土壤无机氮含量的月变化动态与土壤微生物量的变化趋势一致(图 4和图 5)。2层土壤中均表现为生长季(3-10月)50%机械伐和50%下层伐显著高于30%下层伐和不间伐，而在非生长季则表现出相反的趋势。总体上，在同一月份，土壤无机氮含量在50%机械伐和50%下层伐之间以及30%下层伐和不间伐之间差异不显著；0-10 cm和10-20 cm的土壤无机氮含量未达显著差异水平(P＜0.05)。

土壤溶解性有机氮(dissolved organic nitrogen，DON)一般是指由动植物残体分解而成的一些溶解性的小分子氨基酸等物质，土壤溶解性有机氮能够快速地转化为无机氮素，也是反映土壤肥力的一项重要指标^[4]。由图 6可以看出，0-10 cm和10-20 cm土层，4种间伐处理间的DON随月份均呈现出先上升后下降的趋势，但与土壤微生物量和土壤无机氮素的变化并不完全一致。总体上，50%机械伐和50%下层伐的土壤DON高于30%下层伐和不间伐，但在大多数月份，这种差异性并不显著。在生长季，高强度的间伐处理能够显著地改善林内的小气候，土壤温度较高，林下植被的种类和数量也相应增多，进而促进高强度间伐后的土壤有机物质分解形成土壤溶解性有机氮。

	图 6 不同间伐处理土壤溶解性有机氮月动态 Fig. 6 Monthly variation in soil dissolved organic nitrogen content (DON) under different thinning treatments 注: *代表同一月份不同间伐处理之间土壤溶解性有机氮含量存在显著差异(P＜0.05)。 Note : * indicating a significant difference in soil dissolved organic nitrogen content among thinning treatments within the same month(P < 0.05).
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铵态氮和硝态氮是植物能直接吸收利用的主要氮素，是限制林木生长的重要因素。已有研究表明，疏伐能有效提高马尾松(Pinus massoniana Lamb.)人工林土壤氮矿化速率^[7]，且土壤净氮矿化与微生物量氮呈线性关系^[13]。囤兴建等^[8]对长江滩地杨树人工林的研究结果表明，不同间伐处理对土壤无机氮素含量、土壤微生物量氮和土壤水溶性有机氮含量均有显著影响，且高强度间伐处理三者的含量较高，季节的动态变化均呈先上升后下降的动态变化，与本研究结果一致。造成此结果的原因主要是高强度的间伐改善了林内小气候，提高了林地土壤的温度和湿度(图 1)，增强了土壤微生物的活性，促进了土壤微生物对氮素的转化，加速氮素矿化过程。同时，高强度的间伐也增加了林下植被种类和生物量^{[6, 14-16]}，增加了土壤有机质和土壤溶解性有机氮。但在7月份各间伐处理2层土壤无机氮均出现大幅下降，这与7月份土壤暂时性淹水相关，因为淹水能够抑制土壤微生物活性，抑制氮素转化。

森林土壤有效氮的空间分布特征可以反映森林土壤养分的供给状况及可利用水平^[17]。研究结果表明，高强度间伐能显著提高土壤无机氮和DON含量，且所有间伐处理中土壤无机氮主要以硝态氮的形式存在。土壤有效氮的空间分布特征受许多因素诸如土壤温度、湿度、植被和自然或人为干扰活动等的影响，林分结构的改变如砍伐、间伐等调控措施对森林土壤有效氮的含量及其林分生产力产生深远的影响^[18-19]。不少研究认为，人工林间伐使得土壤微生物数量增加、酶活性增强和速效养分含量提高^[20-21]。此外，更多的研究同样证实，森林砍伐、人工林的间伐以及采伐后林地废弃物燃烧，都提高了土壤氮元素的矿化水平和土壤DON含量^[22-24]。虽然本研究表明，土壤微生物量、土壤无机氮和溶解性有机氮表现出了明显的表聚性，但MBC 、MBN和DON表现得更明显，其可能原因是0-10 cm土壤经氮矿化产生的无机氮马上被植物吸收利用，同时由于土壤淋溶等过程中上下土层养分的交换作用，导致了无机氮素含量在土壤层次中差异不明显。

总之，间伐强度和间伐方式改变了杨树人工林林内小气候环境，进而影响土壤微生物量、无机氮和溶解性有机氮含量的月动态变化和分布格局。在生长季，高强度间伐处理(50%下层伐和50%机械伐)能够显著提高土壤MBC 、MBN 、土壤无机氮和溶解性有机氮含量，有利于促进保留木的生长。从不同土壤层次看，土壤微生物量、土壤无机氮和溶解性有机氮均表现出了明显的表聚性。