不同林龄马尾松人工林土壤酶变化的相关特性分析

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土壤酶是一类具有蛋白质性质的生物催化剂,是土壤生物活动的产物[1]。森林土壤酶在森林生态系统中具有重要作用,参与了土壤中许多重要生物化学过程和物质循环,是表征森林土壤肥力的重要参数,在植被恢复过程中常被用来反应土壤生态系统变化的预警和敏感指标[2-3]。红壤丘陵区是我国侵蚀较严重地区,生态环境极其脆弱[4]。

马尾松以其抗旱、耐瘠薄、生态适应强及防风固沙等特点,在亚热带红壤丘陵地区大量引种、种植,是我国南方的主要造林树种[3]。目前,针对马尾松的研究大多集中在生态系统碳储量[5]、凋落物动态[6]和林地土壤性质[7]等方面,而对于在植被恢复过程中土壤酶活性随林龄变化的研究鲜见报道。

现以不同林龄马尾松人工林为研究对象,分析土壤酶活性随着林龄演变的规律,探讨土壤酶活性对于马尾松造林过程的意义,以期为红壤丘陵区的生态恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江西省鹰潭市余江县(东经116°55′,北纬28°15′)。该区属于中亚热带湿润季风气候区,年均降水量1 794 mm,年均蒸发量为1 318 mm,降水主要集中在4—6月,雨量分配极不均匀,干湿交替明显,平均海拔1 100 m。年平均温17.6 ℃,年平均日照时数1 809 h,≥10 ℃有效积温为5 528 ℃,年均无霜期262 d。该区地形以岗地为主,海拔在35~60 m,坡度为5°~8°,土壤类型以第四纪红黏土发育而成的典型红壤为主。本研究以马尾松(Pinus massoniana)林为研究对象,林下植被主要有芒(Dicranopteris dichotoma)、白茅草(Imperata cylindrica)和野谷草(Arundinella hirta)等。

1.2 研究方法

1.2.1 土样采集。2012年4月,在野外详细调查的基础上,采用空间代替时间法,选择营林、管理方法及坡位、坡向和土壤母质一致的6年(PM6)、12年(PM12)、16年(PM16)、20年(PM20)、25年(PM32)、30年(PM30)和45年(PM45)马尾松人工林为研究对象,选取裸地(CK1)和天然次生林(CK2)为对照样地(表1)。在20 m×20 m不同林龄马尾松样地内用“S”形采样法选取5点,利用土钻取0~20 cm厚的土样,每个土样3次重复。将每个土样去掉石砾、动植物残体及杂质后,混匀,四分法留取约500 g土样,将土样分成2份装入塑封袋内带回实验室。一份存于4 ℃冰箱内用于土壤酶活性测定分析,另一份自然风干,研磨,分别过1.00、0.25 mm筛,用于土壤理化性质分析。

1.2.2 样品测定。土壤pH值、有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和速效钾含量采用《中华人民共和国林业行业标准方法》测定[8]。蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶活性具体测定方法参照《土壤酶及其研究法》[9]:蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,以24 h后1 g土壤中含有的葡萄糖量(mg)表示;脲酶活性采用苯酚钠—次氯酸钠比色法测定,以24 h后1 g土壤中NH4+-N量(mg)表示;酸性磷酸酶采用Hoffman法测定,以12 h后1 g土壤所消耗酚量(mg)测定;过氧化氢酶采用滴定法测定,以 1 g土壤20 min后消耗0.1 moL/L KMnO4量(mL)表示;多酚氧化酶活性采用典量滴定法测定,以1 g土壤滤液的0.01 moL/L I2体积(mL)数来表示。

1.3 土壤酶指数(Soil enzymes index,SEI)计算方法及相关数据分析

为了全面揭示不同林龄马尾松人工林土壤酶活性的变化规律,进一步采用土壤酶指数(SEI)说明土壤酶活性在植被恢复过程中的演变特征[1]。土壤酶计算公式[2]如下:

SEI=■wi×SEI(xi)(1)

wi=Ci/C(2)

SEI(xi)=(xi-ximin)/(ximax-ximin)(3)

SEI(xj)=(xjmax-xj)/(xjmax-xjmin)(4)

式(1)~(4)中,wi为土壤酶(i)的权重,Ci为公因子方差,C为公因子方差之和;SEI(xi)为升型酶(i)的隶属度值,SEI(xj)为降型酶(j)的隶属度值;(xi)表示土壤酶(i)的活性值,(xj)表示土壤酶(j)的活性值。ximax和ximin分别表示土壤酶(i)活性的最大值和最小值。xjmax和xjmin分别表示土壤酶(j)活性的最大值和最小值。多酚氧化酶采用降型分布函数对土壤酶指数进行计算,其他酶采用升型分布函数对土壤酶指数进行计算。相关性分析及差异性比较采用SPSS13.0(SPSS Inc.,USA)软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同林龄马尾松人工林地土壤酶活性变化特征

不同林龄马尾松林地土壤养分特征见表2。研究结果表明,裸地在种植马尾松6年后,土壤中蔗糖酶含量显着增加,在种植12~20年时土壤中蔗糖酶活性呈相对稳定趋势,25年后开始稳定增加,到45年达到最大,是CK1的2.55倍,但仍低于天然次生林土壤蔗糖酶活性(表3)。

裸地种植马尾松后,土壤酸性磷酸酶活性显着增加,随林龄增加呈上升趋势,到45年达到最大,是CK1的5.76倍,为天然次生林(CK2)的92.3%(表3)。

土壤过氧化氢酶的变化趋势和酸性磷酸酶类似,裸地种植马尾松后土壤过氧化氢酶活性显着增大,在种植6~25年时,保持相对稳定,32年后逐渐增加,到45年达到最大,但仍低于天然次生林(CK2)的(3.38±0.12)mL/g(表3)。栽植马尾松后,土壤脲酶活性增幅达到显着水平,随着植被种植年限的增加,土壤脲酶活性呈上升趋势,到45年达到最大,是CK1的3.88倍,仍低于天然次生林,但二者之间差异并不显着(表3)。

过氧化氢酶活性变化趋势与蔗糖酶相似,与CK1相比,不同林龄过氧化氢酶活性均显着增加,且随着林龄的增加呈上升趋势。多酚氧化酶随着马尾松种植年限的增加呈现递减趋势,到45年时达到最低值,仅占CK1的41.9%,但仍然高于天然次生林(CK2)(表3)。

2.2 土壤酶活性与土壤养分相关性分析

土壤酶活性与土壤养分相关性分析表明(表4),蔗糖酶与有机碳、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾呈极显着正相关(p<0.01),而与全磷呈显着正相关(p<0.05);酸性磷酸酶与有机碳、全磷、碱解氮和速效钾呈极显着正相关(p<0.01),而与全氮和有效磷呈显着正相关(p<0.05);过氧化氢酶与全磷呈显着正相关(p<0.05),而与其他土壤养分因子呈极显着正相关(p<0.01);脲酶与所有养分因子呈极显着正相关(p<0.01);而多酚氧化酶与其他各个指标均呈极显着负相关(p<0.01)。

2.3 土壤酶指数(SEI)

由前面对土壤酶活性随林龄变化的分析可知,马尾松林龄对土壤酶活性的影响随土壤酶类型的不同而有一定的差异。为了克服单一土壤酶指标反映土壤性质变化的缺点,引入土壤酶指数作为各酶因子的综合作用的反映,从而能更加客观、全面地反映土壤酶活性在整个植被恢复过程中的变化。研究结果表明(图1),裸地种植马尾松6年后,SEI呈显着升高趋势,在种植12~20年时保持相对稳定,在种植25年后又开始稳定升高,到45年达到最大,是CK1的2.64倍,但低于天然次生林(CK2)。

3 结论与讨论

3.1 土壤酶活性

土壤酶能催化土壤中的生物化学反应和物质循环,其活性的高低可以反 应土壤的肥力状况[10]。林龄主要是通过对土壤理化性质、生物区系和土壤水热状况的改变,从而间接影响土壤酶活性[3]。张 超等[1]对黄土高原丘陵区植被恢复过程中土壤酶活性的研究表明,植被恢复过程中土壤中脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、纤维素酶活性显着增加,但仍然低于天然侧柏林,而多酚氧化酶的活性随着马尾松林龄的增加而降低。

本研究结果表明,土壤多酚氧化酶活性也随林龄的增加而降低,与葛晓改等[3]、谭芳林等[11]的研究结果一致;其他酶活性随林龄的增加而呈总体上升趋势,与张 超等[1]的研究结果类似。土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶和纤维素酶活性随马尾松种植年限增加而增加,这可能是因为红壤丘陵区低质土壤在种植马尾松后,根系能够固定土壤,减少水土流失,同时大量的枯枝落叶返回土壤,增加土壤中的有机质和营养元素含量[1];同时,随植被恢复年限的增加,林下植被种类增多,能为土壤微生物提供更多的营养物质,土壤酶活性因而得到提高[12]。土壤多酚氧化酶随着马尾松林龄的增加反而降低,这可能是因为土壤无机氮利用率的提高,改变了土壤微生物的群落结构,导致了土壤多酚氧化酶活性的降低[13-14]。

3.2 土壤酶活性与养分相关性

在植被恢复过程中,土壤酶在改善土壤质量中扮演着极其重要的角色,它们能直接影响土壤养分的转化和代谢过程,可以作为土壤肥力的评价指标[1-2]。Duran et al[15]认为,纤维素酶和土壤中有机质和氮含量之间有着密切的关系,土壤有机质性质决定纤维素酶活性。葛晓改等[3]对红壤丘陵区不同林龄马尾松林土壤养分和酶活性关系研究表明,马尾松土壤养分与土壤酶活性关系密切,土壤有机质含量越高,转化酶活性越高。张 超等[1]对黄土丘陵区不同林龄人工林刺槐林土壤酶演变特征研究表明,土壤酶与土壤养分因子相关性较强。

本研究结果也表明,土壤酶与土壤养分因子之间存在密切关系。因此,土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、纤维素酶和多酚氧化酶可以作为土壤肥力和质量的生物学评价指标[16-17]。

3.3 土壤酶指数

土壤酶是较为理想的土壤质量指标,在进行土壤肥力评价时,可以作为土壤肥力状况的评价指标。但利用单一酶类反映土壤酶活性变化,这存在很大的片面性和局限性,土壤酶指数(SEI)可以克服这一缺点,能更加客观、全面地反映土壤酶活性随植被恢复的演变特征。张 超等[8]在对黄土高原丘陵区植被恢复的研究表明,土壤酶指数随植被种植年限的增加而增加,结果认为土壤酶指数可以作为一种土壤肥力评价指标。

本研究表明,在植被恢复过程中,土壤酶指数随马尾松林龄的增加呈上升趋势,45年龄的为裸地上的2.64倍,但仍低于天然次生林的土壤酶指数。

4 参考文献

[1] 张超,刘国彬,薛萐,等.黄土丘陵区不同林龄人工刺槐林土壤酶演变特征[J].林业科学,2010,46(12):23-29.

[2] 王兵,刘国彬,薛萐,等.黄土丘陵区撂荒对土壤酶活性的影响[J].草地学报,2009,17(3):282-287.

[3] 葛晓改,肖文发,曾立雄,等.三峡库区不同林龄马尾松土壤养分与酶活性的关系[J].应用生态学报,2012,23(2):445-451.

[4] 王晓龙,胡峰,李辉信,等.侵蚀退化红壤自然恢复下土壤生物学质量演变特征[J].生态学报,2007(4):1404-1411