黄土丘陵区人工柠条林土壤酶活性与养分变化特征

时间：2024-07-28

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(1. 西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100； 2. 陕西省循环农业工程技术研究中心，陕西杨凌 712100； 3. 西北农林科技大学林学院，陕西杨凌 712100)

柠条(Caraganakorshinskii)属于豆科锦鸡儿属多年生落叶灌木，具有极强的适应能力，在黄土高原丘陵沟壑区的各个生境下都有广泛分布，是黄土高原的优势灌木之一。因此掌握人工柠条林系统恢复过程与效应对于该区域的植被恢复和生态建设具有重要指导意义。目前关于柠条的研究主要集中于其遗传适应性[1]；细根存量对土壤水分和温度的响应[2]；柠条生长到一定树龄后的养分亏缺[3]；柠条林下的土壤水分利用及平衡特征[4]等方面。关于柠条林酶活性研究也有了一定进展，如佘雕等[5]研究表明坡向、坡位、树龄以及剖面深度对土壤酶活性的影响，但对于退耕后不同恢复年限柠条林土壤酶活性的演变与土壤养分之间的关系和转化机制研究相对薄弱。

土壤酶是由微生物分泌的一类具有加速土壤生化反应速率功能的蛋白质，它在土壤中可以催化复杂有机物的分解与转化，从而促进养分的释放、固定以及供应[6-8]。研究表明，土壤酶活性的高低能够表征土壤微生物活动的大小程度，同时也能够反映出土壤养分转化及其转运能力的强弱，是土壤综合肥力特征的有效反映，可以作为指示外界环境变化的重要因子[9-11]。国内外学者对于植被恢复中土壤酶活性的变化与土壤质量间的关系已有一定认识[12-13]。研究表明，土壤脲酶、蔗糖酶及磷酸酶活性与土壤有效氮和有效磷含量具有显著相关性，且随着草地恢复年限的增加而增加[14]。何跃军等[15]通过长期观测石灰岩退化生态系统不同恢复阶段的酶活性变化指出，土壤全氮与土壤酶活性呈显著或极显著相关。可见土壤酶在生态系统中占有重要地位，通过研究酶活性，可以帮助认知植被恢复过程中土壤质量变化机制以及物质转化过程。

因此，本研究采用时空替代法，选择恢复年限分别为15a，30a和40a的人工柠条林，从柠条林恢复时序过程研究土壤酶活性、土壤养分演变特征及二者互作关系，以期揭示退耕种植柠条林提升土壤肥力的效应与机制，并为深入认知黄土丘陵区人工植被恢复过程与机制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本研究区域位于陕西省延安市安塞县五里湾流域(105°05′ E，36°30′ N)，属于黄土丘陵区典型流域。该流域属暖温带半干旱气候，平均海拔约1 086～1 360 m，年均降水量535 mm，降雨主要集中在7—9月，年际间变化较大，年均温度8.8℃。该流域以丘陵沟壑为主，土壤为黄绵土，抗蚀力差，属最具代表性的黄土侵蚀区。退耕还林(草)工程实施以来，大部分坡耕地已退耕成林或撂荒，经过几十年的植被恢复，林地面积增加到40%[16],其中人工林以刺槐(RobiniaPseudoacacia)，小叶杨(PopulusSimonii) ，柠条(CaraganaKorshinskii)为主，荒坡主要由铁杆蒿(ArtemisiaGmelinii)，茭蒿(ArtemisiaGiraldii)，长芒草(StipaBungeana)等组成的处于不同演替阶段的草本植物群落[17]，并且该流域具有典型的柠条恢复年限序列，为本研究提供了良好的研究平台。

1.2 样地选择与采样

于2014年6月进行样地背景调查，选择立地条件相似的柠条林恢复15 a，30 a和40 a的样地，并以坡耕地为对照。表1为样地的基本情况。土壤样品于2014年6月采集，在选择的样地中选择3个20 m×20 m标准采样区，每个采样区按“五点法”取样，去除表面枯落层后利用内径5 cm土钻分0～10 cm，10～20 cm和20～30 cm土层采样，相同土层混合。将野外采集的土壤样品去除植物残体和石块后过2 mm孔筛分成2份，1份鲜土置4℃下保存用于酶活性和可溶性有机碳氮的测定。另1份置于阴凉通风干燥处风干，用于土壤有机碳(SOC)，全氮(TN)和全磷(TP)养分指标的测定。

1.3 指标测定

土壤酶活性测定[18]：脲酶采用苯酚钠-次氯酸钠比色法，活性以24 h后1 g土壤中的NH3-N量(mg)表示；蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法，活性以24 h后1 g土壤中含有的葡萄糖量(mg)表示；过氧化氢酶采用0.1 mol·L-1KMnO4滴定法，以1 g土壤20 min后消耗0.1 mol·L-1的KMnO4量(mL)表示；碱性磷酸酶采用磷酸苯二纳比色法，活性以1 g土壤中2 h后的苯酚量(mg)表示。

土壤理化性质测定：土壤有机碳采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定；全氮采用凯氏消煮法；全磷采用硫酸一高氯酸消煮法；速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法[18]；可溶性有机碳的测定：称相当于20 g干土的新鲜土壤放入盛有100 ml去离子水的三角瓶中, 常温下震荡浸提30 min后离心, 上清液过0.45 μm滤膜, 用岛津TOC-VCPH仪测定有机碳浓度；可溶性有机氮的测定：采用土壤溶解性总氮和土壤溶解性无机总氮的差值计算，其中土壤溶解性总氮含量采用过硫酸钾氧化—凯氏定氮法测定；土壤溶解性无机总氮为铵态氮和硝态氮之和[19]。

表1 研究样地的基本特征Table 1 Basic characteristics of the study sites

1.4 数据分析

利用Excel和SPSS 19.0软件对数据进行整理和统计分析，对不同恢复年限柠条林下不同土层及同一土层的土壤养分及酶活性指标采用单因素方差分析，其差异性检验采用最小显著差异法(LSD)，显著性水平为P<0.05，利用Origin 9.2进行作图。

2 结果与分析

2.1 土壤酶活性变化

不同恢复年限柠条林下土壤蔗糖酶活性差异显著(图1 Ⅰ)。蔗糖酶活性含量变化区间范围为0.65～11.40 mg·g-1，与CK相比，15 a，30 a，40 a柠条林0～10 cm土层蔗糖酶活性呈现显著增加的趋势，增幅分别为532%，611%和858%。在10～20 cm以及20～30 cm土层则随着年限的增加先增加后减少，10～20 cm层酶活性含量最高出现在15a，为3.99 mg·g-1，而在20～30 cm层酶活性含量最高出现在30 a，为1.40 mg·g-1。

随着柠条恢复年限的增加，脲酶活性呈现出显著增加的趋势(图1 Ⅱ)，与CK相比，3种不同年限柠条林在对应土壤层次均有不同程度的增加，在0～10 cm土层，脲酶活性呈现逐步增加的趋势，增幅分别为40%，84%和109%，在10～20 cm土层变化趋势与表层相似，增幅分别为72%，95%，130%，其中，脲酶活性在每一层的最大值分别达到0.54 mg·g-1，0.44 mg·g-1，0.28 mg·g-1。

土壤过氧化氢酶活性随着恢复年限的提高整体变化不大(图1 Ⅲ)，在0～10 cm土层中的变化范围为1.17～1.61 mL·g-1，10～20 cm的变化范围为1.14～1.39 mL·g-1，20～30 cm的变化范围为1.13～1.26 mL·g-1，3种不同年限柠条林0～10 cm土层过氧化氢酶活性并无显著差异，但均显著高于CK，增幅平均为27.3%。

碱性磷酸酶活性(图1 Ⅳ)在不同年限柠条林下波动较大，变化范围为0.17～2.72 mg·g-1，与CK相比，3种不同年限柠条林在对应土壤层次均有不同程度的增加。随着恢复年限的提高，碱性磷酸酶活性变化在不同土壤层次均呈现出先增加然后降低再增加的波浪形趋势。

图1 不同恢复年限柠条林土壤酶活性变化Fig.1 Changes of soil enzyme activities of artificial caragana stands following restoration chronosequences注：不同大写字母表示不同恢复年限间差异显著，小写字母表示不同土层间差异显著(P<0.05)，下同Note: Different capital letters indicate significant differences among recovery years, and lowercase letters indicate significant differences among different soil layers (P <0.05). The same as below

2.2 土壤养分变化

如图2Ⅰ所示，与CK相比，恢复15 a、30 a、40 a的柠条林地土壤有机碳(SOC)含量均有显著性的提高，在0～10 cm土层分别提高了119%，152%，160%，10～20 cm分别为156%，186%，181%，20～30 cm分别为173%，198%，336%，其含量在不同土壤深度的增幅均随着林龄的增加而变大。土壤可溶性有机碳(DOC)含量变化范围为79.86～209.06 mg·kg-1(图2Ⅱ)，与CK相比，15 a，30 a，40 a在不同土壤深度都呈显著增加的趋势，其中0～10 cm增幅最显著，分别为15%，83%，94%，并且随着年限的增加，林地间的差异性在变小。

图2 土壤有机碳和可溶性有机碳随不同恢复年限和土层深度变化Fig.2 Soil organic carbon and dissolved organic carbon varied with different recovering ages and soil depths

如图3Ⅰ所示，15 a，30 a，40 a柠条林下土壤全氮(TN)含量差异不明显，但与CK相比均显著增加，在0～10cm以及10～20 cm层次的增幅逐渐增加，分别为163%，165%，186%和93%，128%，143%，而在20～30 cm层次则呈递减的趋势，分别为164%，133%，103%。不同恢复年限柠条林下土壤可溶性有机氮(DON)含量差异显著(P<0.05)(图3 Ⅱ)，与CK相比，15 a，30 a，40 a在对应的土壤深度均显著性增加。DON变化范围为7.61～31.85 mg·kg-1，其中，最小值出现在CK的20～30 cm层次，最大值出现在30 a的0～10 cm层次。

图3 土壤全氮和可溶性有机氮随不同恢复年限和土层深度变化Fig.3 Soil total nitrogen and dissolved organic nitrogen varied with different recovering ages and soil depths

如图4 Ⅰ所示，土壤全磷(TP)含量的高低整体表现为30 a> 40 a>15 a>CK，垂直分布为0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm，土壤速效磷(AP)含量变化不明显(图4Ⅱ)，其含量的高低整体表现为15 a>30 a>CK>40 a，数值变化范围在4.15～7.07 mg·kg-1之间，最大值出现在15 a的0～10 cm层次，最小值出现在 40a的10～20 cm层次，AP含量最大值均出现在0～10 cm层次，但层次之间差异不明显。

图4 土壤全磷和速效磷随不同恢复年限和土层深度变化Fig.4 Soil total phosphorus and available phosphorus varied with different recovering ages and soil depths

2.3 土壤酶活性与土壤养分变化关系

相关性分析表明(图5)，不同恢复年限柠条林下土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶与土壤可溶性有机碳、可溶性有机氮、有机碳、全氮、全磷之间具有显著或极显著的正相关(P<0.05，P<0.01)。蔗糖酶和脲酶与可溶性有机碳、全氮都具有很强的正相关性，回归系数分别为0.6194，0.6448和0.7691，0.6773，过氧化氢酶与可溶性有机氮、有机碳、全氮、全磷相关性很强，回归系数为0.5806，0.5242，0.5730，0.6708，碱性磷酸酶与有机碳、全氮、全磷具有显著的正相关性，回归系数达到0.5700，0.6889，0.5242。从结果中发现，四种酶活性与速效磷的相关性均相对较弱，而与全氮都具有很强的正相关性。

图5 土壤酶活性和养分变化相关性Fig. 5 Pearson linear correlation coefficients between soil enzyme activities and nutrient properties注：**表示P<0.01,*表示P<0.05Note: Statistically significant values are indicated by symbols: **indicates difference at the 0.01 level; * indicates difference at the 0.05 level

3 讨论

3.1 不同恢复年限柠条林地土壤酶活性变化

不同恢复年限柠条林土壤酶活性相比坡耕地均有不同程度的增加，说明退耕还林后，在植被的自然恢复状态下，土壤酶活性得以改善，与已有的研究相一致[20]。但不同恢复年限下，随着林龄的增加，土壤蔗糖酶和脲酶的敏感性要高于过氧化氢酶和碱性磷酸酶，过氧化氢酶活性变化相对平稳，可能是其在植被恢复过程中是一个相对稳定的因子。以往在黄土丘陵区的很多相关研究中都得到了类似的结果[21]。碱性磷酸酶活性显著提高反映出林地中较强的磷素分解能力。在0～10 cm土层，土壤蔗糖酶和脲酶的酶活性均存在随着柠条年限的增加呈现递增的趋势，这主要是随着柠条年限的增加，每年的凋落物数量累积增多，有机质不断增加，微生物活动增强，促使微生物的种类和数量增加，进而其分泌的分解酶也增多[5]；土壤酶活性随着土层深度的增加均呈现降低的趋势，并且0～10 cm与10～20 cm之间的差异明显高于10～20和20～30 cm之间的。这主要是可能在浅层土壤中微生物活动频繁，微生物分泌物在表层聚集较多，生化反应活跃[5]，而随着土层的加深，土壤水分和通气状况变差，微生物数量和种类也降低，酶含量在土壤的转移过程中降低[22]。

3.2 土壤酶活性与养分变化的关系

土壤酶活性的高低反映了土壤中不同生化过程的作用强度，而不同的生化反应过程也是土壤酶活性的直接响应[23]。本研究的相关分析表明过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶以及碱性磷酸酶与土壤养分因子间的相关性显著，说明在本研究区域土壤酶活性与土壤养分循环和能量转化关系密切，应该与土壤酶活性、土壤肥力、土壤微生物和植物群落间存在的相互协同、促进的现象有关[24]，并且养分含量高的土壤，一般其微生物数量越高，土壤酶活性也高[25]。蔗糖酶通过把土壤中的蔗糖分解为较简单的单糖参与土壤有机质的代谢过程，即将土壤中复杂有机质转化成易于被植物吸收利用的活性养分，其活性可以反映土壤有机碳累积和分解转化的情况[26]。在李林海、吕春花等[27-28]的研究中也说明蔗糖酶在土壤碳、氮转化过程中具有重要作用，可以作为表征土壤肥力的因子。土壤脲酶可以分解尿素，促其水解成氨和二氧化碳，是决定土壤中氮素转化的关键[29]，随着柠条恢复年限的增长，土壤脲酶的增加促进了土壤氮素的供给，再者柠条与固氮菌的相互作用，固定了更多空气中的氮素，促进氮素的循环[30]。在安韶山等[31]研究中也认为植被恢复提高了脲酶活性，而脲酶又积极参与有机物质的分解转化，两者相互促进，这也能解释脲酶活性与土壤可溶性有机碳含量的极显著正相关关系。过氧化氢酶和碱性磷酸酶都与土壤有机碳、全氮、全磷具有极显著的正相关性，过氧化氢酶能够水解过氧化氢并释放出水和氧气，从而解除了过氧化氢对植物的毒害作用[23]，促进土壤的生化活性；碱性磷酸酶可能在促进有机磷的释放过程中间接影响了碳素和氮素的分解释放。综上分析，蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶和碱性磷酸酶四种酶可以作为表征黄土丘陵区人工柠条林恢复土壤肥力变化的重要指示因子。