林區(qū)不同土地利用模式對土壤理化性質(zhì)與酶學(xué)特性的影響

李 聰，孫正峰，曹 宇，閆紹鵬

(東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150040)

森林是陸地上最大的碳儲存庫，對全球的碳循 環(huán)起著重要作用，而森林土壤在調(diào)節(jié)地球氣候和物質(zhì)循環(huán)方面起著重要作用，所以對森林生態(tài)系統(tǒng)中的土壤亞系統(tǒng)的研究就顯得尤為重要［1］。但是由于人為的因素，不當?shù)耐恋乩眯问?(如林區(qū)居住用地、農(nóng)業(yè)耕地、毀林開荒)會對土壤產(chǎn)生不利的影響，土壤的質(zhì)量會產(chǎn)生較大波動，土壤肥力的指標也會發(fā)生變化，棲息地上原著植被可能會被其他物種所取代，生態(tài)系統(tǒng)中的物種種類隨之發(fā)生變異。

為了維護土壤的肥力與質(zhì)量，需要對森林的經(jīng)營和管理模式進行監(jiān)督，對不當?shù)耐恋乩梅绞綄ν寥蕾|(zhì)量的影響進行分析。在檢測土壤質(zhì)量變化時，不僅要測定土壤理化性質(zhì)的變化，而且也可以用土壤酶作為指示劑，對人為干擾因素的程度進行測評。

本研究對黑龍江省尚志市東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實驗林場的4種不同土地利用和經(jīng)營模式 (森林土壤、農(nóng)田土壤、林場場部用地和森林跡地)下的土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性進行測定與分析，評價不同程度人為干擾對土壤理化性質(zhì)與酶活性的影響，為今后森林土壤生態(tài)資源的利用、管理與保護提供積極參考。

1 試驗材料與方法

1.1 實驗地區(qū)地理與自然環(huán)境

本研究地點為黑龍江省尚志市境內(nèi)東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實驗林場，地理坐標為 N 45°10'～45°35'，E 127°20' ～ 127°45'，區(qū) 域 面 積 為264.99 km2［2］;屬長白山系張廣才嶺支脈西部小嶺余脈，以低山丘陵為主要地形地貌特征，平均海拔381 m;四季較分明，年平均溫度2.8℃，年降水量723.8 mm，無霜期120～140 d，屬溫帶大陸性氣候;該地區(qū)土壤類型以暗棕壤為主，有機質(zhì)含量較高，土壤營養(yǎng)豐富。帽兒山林場的植被屬于長白植物區(qū)系，由于歷史上遭受了3次人為高強度破壞，原始地帶性植被紅松闊葉林發(fā)生逆向演替形成了以楊樺林為代表的溝塘次生林和以柞樺林為天然次生林為主，珍貴闊葉人工林和優(yōu)質(zhì)針葉人工林鑲嵌分布的森林景觀［3］。

1.2 采樣點的選取

龔文峰等參照Costanza對生態(tài)系統(tǒng)的劃分，并結(jié)合帽兒山林場土地利用現(xiàn)狀和資源分布特點，將該地區(qū)土地類型分為有林地、灌叢、農(nóng)耕地、水域、跡地、荒山荒地、林場場部用地和未利用地［2］。本研究用土壤根據(jù)不同土地利用方式分為4種土壤類型:森林土壤 (No.1、No.2、No.3)、農(nóng)耕土壤(No.4、No.5)、林場 場 部 用 地 (No.6、No.7、No.8)、森林跡地 (No.9、No.10)(見表1)。

表1 帽兒山林場土壤樣品采集地的地理位置和描述Tab.1 The Maoer Moutain Forest Farm soil sample collection location and description

2 材料與方法

2.1 土樣采集及預(yù)處理

每個樣地選擇3個50m×50m樣方，每個樣方采用5點法收集土樣，混合均勻，作為1個混合樣，將混合土樣風干和研磨過篩處理［4］。每種土樣設(shè)3次重復(fù)。

2.2 土壤理化性質(zhì)檢測方法

土壤相對含水量 (RWC)測定采用稱重法，土壤pH測定采用電位法，土壤鹽濃度 (EC)測定采用電導(dǎo)法。土壤全氮 (TN)與可溶性全氮(DTN)含量、土壤全碳 (TC)和總有機碳(TOC)、土壤可溶性全碳 (DTC)、可溶性有機碳(DOC)、可溶性無機碳 (DIC)含量均采用德國multi N/C 3100分析儀測定，方法參照李振高等編著的《土壤與環(huán)境微生物研究法》［5］。

2.3 土壤酶活性測定方法

過氧化氫酶活性測定采用滴定法，即定量滴定酶促反應(yīng)后剩余的過氧化氫量來表示酶活性。過氧化物酶活性測定利用鄰苯三酚比色法，即利用多酚氧化物 (鄰苯三酚、二酚等)作為氧的受體，在過氧化物酶的參與下，通過過氧化物中氧的作用，多酚被氧化為著色的醌類化合物。其顏色深度與醌類化合物相關(guān)，據(jù)此用以表示酶活性。多酚氧化酶測定利用土壤中基質(zhì)鄰苯三酚，經(jīng)多酚氧化酶的酶促作用生成紅紫棓，用乙醚萃取，萃取液經(jīng)紫外光譜比色，測得紅紫棓精的量，即可表示多酚氧化酶的活性。以上3種酶活性測定方法參照李振高等編著的《土壤與環(huán)境微生物研究法》［5］。

脲酶測定根據(jù)酶促尿素分解成氨、二氧化碳和水，測定產(chǎn)生的NH3或CO2的量，以表示脲酶的活性。轉(zhuǎn)化酶活性測定方法為3，5－二硝基水楊酸比色法，該方法以蔗糖為基質(zhì)，根據(jù)葡萄糖與3，5－二硝基水楊酸反應(yīng)生成的黃色產(chǎn)物，來確定土壤蔗糖酶活性，以上2種酶活性測定方法參照姚槐應(yīng)等編著的《土壤微生物生態(tài)學(xué)及其實驗技術(shù)》［6］。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析的方法

采用Excel作圖，DPS軟件處理試驗數(shù)據(jù)。單因素方差分析，并通過最小顯著差異法 (LSD)進行多重比較;處理間各性狀相關(guān)性分析采用Excel軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤理化性質(zhì)分析

不同的土地利用方式對土壤產(chǎn)生的影響是不同的，其中最為重要的莫過于土壤結(jié)構(gòu)與質(zhì)地的變化。這些變化會直接或間接的影響土壤的理化與生物學(xué)指標，影響土壤的肥沃程度。不當?shù)睦脮?dǎo)致土壤水分及養(yǎng)分的流失［7］。

3.1.1 不同土壤類型間土壤含水量、酸堿度和電導(dǎo)率的變化

土壤相對含水量 (RWC):不同土地利用方式會因其地表植被覆蓋差異造成土壤水分時空差異［8］。方差分析表明4種土壤類型10個地點間的土壤含水量差異達到了極顯著水平(如圖1所示)，F(xiàn)值為186.42(p＜0.01)。

圖1 不同生境類型下土壤含水量，酸堿度，鹽濃度的變化Fig.1 The change of moisture，pH and salt concentration in different habitat types of soil

三種森林土壤 (No.1、No.2、No.3)因為受人為因素干擾極小，植被豐富，涵養(yǎng)水分的能力強，所以土壤水分含量最多，含水量在41%～45%;森林砍伐跡地 (No.9)和火燒跡地(No.10)地理位置處于低洼山地，水分含量適中，但由于植被缺乏，加之蒸發(fā)作用較強，水分易于散失，含水量在35% ～37%;林場綠化帶 (No.7)、居民區(qū) (No.6)和場部的車庫廢墟 (No.8)因為植被多為灌木、草本和空地，人為干擾因素多，所以涵養(yǎng)水分能力較差，土壤水分含量較少低，含水量在18% ～29%;農(nóng)田土壤 (No.4、No.5)因為作物吸水作用和蒸騰作用，加之地勢開闊，不易涵養(yǎng)水分，所以土壤水分含量最低，其中，玉米地僅為17%。

土壤酸堿性 (pH):土壤pH值直接影響土壤養(yǎng)分存在狀態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性［9］。方差分析表明4種土壤類型10個地點間的土壤酸堿度差異達到了極顯著水平，F(xiàn)值為721.1(p＜0.01)。

農(nóng)田土壤 (No.3、No.4)因施肥因素影響，導(dǎo)致土壤酸性增強，pH值穩(wěn)定在4.8左右。森林土壤 (No.1、No.2、No.3)pH值穩(wěn)定在5.3左右。原因是森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤中含有大量動植物遺體成分，微生物的分解作用導(dǎo)致土壤酸性增強。該數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)相吻合，說明森林土壤基本沒有受到人為干擾。森林砍伐跡地 (No.9)pH值穩(wěn)定在5.3左右，因測定樣品為當年春天新采伐地，不會對土壤酸堿性產(chǎn)生較大影響。森林火燒跡地 (No.10)pH為6左右，介于林場綠化帶和森林土壤之間。森林火燒跡地不同于森林砍伐跡地，火燒后產(chǎn)生余燼多為植物體中的礦物質(zhì) (如鈣鎂鉀)，而這些元素呈堿性，會增加土壤的堿性。居民區(qū) (No.6)、林場場部綠化帶 (No.7)和場部的車庫廢墟 (No.8)pH值穩(wěn)定在6.7～7.5之間，其中車庫廢墟pH值最大，達到7.5，因為居民區(qū)和車庫廢墟受人為影響因素較大 (比如洗滌用化學(xué)品等)，所以土壤呈弱堿性。

土壤電導(dǎo)率 (EC):電導(dǎo)率用于衡量土壤溶出液的含鹽量。方差分析表明4種土壤類型10個地點的土壤鹽濃度差異達到了極顯著水平，F(xiàn)值為891.78(p＜0.01)。

場部綠化帶 (No.7)的鹽濃度最低，其次是森林土壤和農(nóng)田土壤No.5的電導(dǎo)率相對較低，而森林跡地和林場場部用地相對較高，因為林場場部用地 (No.6、No.8)受人為因素影響較大所以鹽濃度較高，而火燒跡地 (No.10)由于林木燃燒，礦物質(zhì)回歸土壤，導(dǎo)致土壤鹽含量升高。

3.1.2 不同土壤類型間土壤全氮 (TN)與可溶性全氮 (DTN)含量的差異

土壤全氮 (TN)含量:土壤全氮指的是所有的氮儲存量，但不是所有氮素都是可以被利用的，其中小部分是土壤可溶性氮，這種氮是可以被植物直接利用的。土壤全氮的測定結(jié)果可以用來估計土壤有機質(zhì)含量的近似值［4］。方差分析表明4種土壤生境10個采樣點間土壤全氮含量差異達到了極顯著水平(如圖2所示)，F(xiàn)值為166.5(p＜0.01)。

森林土壤是高級而復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，表層土壤有大量的動植物遺體，所以在10個土樣中，森林土壤的全氮指標最高，在0.76～0.81 g/kg。森林跡地 (No.9、No.10)全氮含量較森林土壤少，其中，火燒跡地顯著減少，因為燃燒留下的余燼中的氮素會隨雨水流失，而且一部分氮素會隨焚燒而變成氣態(tài)形式回歸大氣，砍伐跡地雖然植被減少，但土壤中的腐殖質(zhì)含量基本不會受到影響。林場場部用地 (No.8、No.6、No.7)鮮有植被，而且保水能力較差，加之人為清理因素使得氮素不易積累，因此總氮量較少。農(nóng)田土壤 (No.4、No.5)總氮量最少，在0.26～0.28 g/kg，即使肥料會對土壤的含氮量進行補充，但是因為大豆和玉米對氮素的吸收作用很強，所以氮含量最少。

土壤可溶性全氮 (DTN)含量:方差分析表明4種土壤類型10個采樣點間土壤可溶性全氮含量差異達到了極顯著水平，F(xiàn)值為23.89(p＜0.01)。

森林跡地DTN含量最高達30.24～36.35 mg/kg。主要因為跡地植被缺乏，氮素利用能力有限。另外，森林跡地土壤透氣性較強，有利于土壤微生物分解腐殖質(zhì)。森林土壤和農(nóng)田土壤都較低，原因可能是因為森林植被豐厚，氮素利用能力較強。農(nóng)用土壤肥料中的氮素基本與農(nóng)作物所需持平，所以DTN也較低。林場場部用地土壤可溶性全氮最低，其中綠化帶土壤可溶性全氮不到火燒跡地的1/5，這可能是因為場部用地土壤相對貧瘠，植物只能利用一些固有的養(yǎng)分，從而更降低了土壤的可溶性全氮含量。

圖2 不同生境類型下土壤全氮和可溶性全氮變化Fig.2 The change of TN and DTN in different habitat types soil

3.1.3 不同土壤類型間土壤全碳 (TC)和總有機碳 (TOC)含量的變化

土壤碳素狀況可作為土壤生態(tài)功能的標志或控制器［10］。方差分析表明4種生境土壤10個采樣點間總碳和總有機碳含量差異達到了極顯著水平(如圖3所示)，F(xiàn)值分別為48.91(p＜0.01)和36.84(p＜0.01)。并且，TC與TOC有很強相關(guān)性 (0.97)(見表1)，也說明在土壤全碳量中有機碳占很大部分，同時也意味著如果一個地區(qū)的土壤有機碳的總量很高，那其總碳量亦會很高，反之亦然。

森林土壤總碳量最高 (55～59 g/kg)，由于微生物的分解作用，碳素回歸土壤，在所有土壤樣品中森林土壤的有機碳含量也最高 (37～48 g/kg)。農(nóng)田土壤因農(nóng)作物大豆和玉米對碳素的吸收作用，所以含量較低。林場場部用地 (No.6、No.7、No.8)因植被少，所以總碳量與有機碳量都較少。森林火燒跡地的總碳含量最低，有機碳含量最少，這是因為森林經(jīng)過焚燒，大部分碳素會以二氧化碳的形式回歸大氣，這也是TC和TN的不同之處。

圖3 不同生境類型下土壤全碳和有機碳的變化Fig.3 The change of total carbon and organic carbon in different habitat types of soil

3.1.4 不同土壤類型間土壤可溶性碳素含量分析

可溶性總碳 (DTC)指的是土壤中可溶性碳的總量，可溶性有機碳 (DOC)是植物所能利用的碳素的形式［10］。方差分析表明4種土壤類型10個采樣點的可溶性總碳和可溶性有機碳含量的差異達到了極顯著水平 (如圖4所示)，F(xiàn)值為9.83(p＜0.01)和10.01(p＜0.01)。而且，土壤樣品間的DTC和DOC相關(guān)性很強 (r=0.98)。

森林土壤的DTC(354.67～364.67 mg/kg)和DOC(354.57～364.67 mg/kg)均為最高，而且在不同采樣點間基本相同，之后從大到小分別為場部廢棄車場，場部綠化帶，森林跡地，居民區(qū)，最低為農(nóng)田土壤。森林土壤有大量腐殖質(zhì)，經(jīng)過微生物分解，DTC和DOC含量很多。經(jīng)過長期耕作，農(nóng)田的可溶性碳含量會顯著減少。居民區(qū)的DTC和DOC含量相對較多的原因可能是生活垃圾或牲畜的糞便造成的。

可溶性無機碳含量 (DIC)在人為干擾較嚴重的區(qū)域如場部用地 (No.6、No.7、No.8)和火燒跡地 (No.10)中很高，可能由于人為排放的廢物以及林地火燒剩余物進入土壤造成的。

圖4 不同生境類型下土壤DTC，DOC和DIC的變化Fig.4 The change of DTC，DOC and DIC in different habitat types of soil

3.2 土壤酶學(xué)特性分析

土壤酶活性相較于土壤理化性質(zhì)，可以更好更敏感的體現(xiàn)土壤性質(zhì)的變化［11］。森林土壤酶主要來源于土壤微生物的活動、以及植物根系的分泌物和動植物殘體降解過程，由于土壤酶介導(dǎo)了各種各樣的土壤反應(yīng)，所以土壤酶活性是評測土壤質(zhì)量的重要指標［12－14］。

3.2.1 不同土壤類型間土壤過氧化氫酶、多酚氧化酶和脲酶活性差異

過氧化氫酶:土壤過氧化氫酶的活性與土壤呼吸作用和微生物分解作用有關(guān)［15］。方差分析表明4種土壤類型的10個采樣點間的土壤過氧化氫酶活性差異達到了極顯著水平 (如圖5所示)，F(xiàn)值為119.54(p＜0.01)。其中森林土壤 (No.1、No.2、No.3)酶活性最高，在0.287 3～0.290 8 mL/g;其次是森林跡地 (No.9、No.10)，在0.280 1～0.281 6 mL/g;其三是林場場部用地(No.6、No.7、No.8)，在 0.269 7～0.278 3 mL/g;最低的是農(nóng)田耕地 (No.4、No.5)，在0.256 0～0.258 5 mL/g。原因可能是森林的腐殖質(zhì)層很厚，跡地植被稍少，林場場部用地雖然動植物遺體少，但是人為遺棄物很多，而農(nóng)田則因為土壤鮮有殘枝斷葉，所以過氧化氫酶含量最少。

多酚氧化酶:方差分析表明4種土壤類型的10個采樣點間的土壤多酚氧化酶活性差異達到了極顯著水平 (如圖5所示)，F(xiàn)值為29.49(p＜0.01)。土壤的多酚氧化酶活性森林土壤最低(0.092 8～0.125 5 mg/g·h－1)，其次是農(nóng)田土壤(0.118 7～0.151 1 mg/g·h－1)，再次是森林跡地(0.190 9～0.203 6 mg/g·h－1)，含量最多的是林場場部用地 (0.250 8～0.543 7 mg/g·h－1)。

脲酶:土壤脲酶可以將尿素進一步分解為土壤生物可利用的營養(yǎng)物質(zhì)［16－18］，脲酶能促進土壤碳氮的轉(zhuǎn)化，在土壤碳氮循環(huán)中起著重要作用。方差分析表明4種土壤類型的10個采樣點間脲酶活性差異達到了極顯著水平 (如圖5所示)，F(xiàn)值為1 286.66(p＜0.01)。森林土壤脲酶活性最高，在0.584 3～0.646 3 mg/g;森林跡地次之，在0.514 0～0.535 1 mg/g;居民用地再次之，在0.267 3～0.407 4 mg/g;農(nóng)耕土壤活性最低，在0.115 8～0.131 8 mg/g。原因是森林土壤的腐殖質(zhì)層很豐厚，微生物快速繁殖，產(chǎn)生大量脲酶，加速碳氮循環(huán)。森林跡地因植被的減少，會對土壤腐殖質(zhì)含量的積累有一定影響，而林場場部用地鮮有植被，枯枝落葉很少，不易于土壤微生物的繁殖，所以脲酶活性很低。而脲酶含量最低的農(nóng)耕田，可能是因為農(nóng)作物對土壤養(yǎng)分的吸收，土壤的有機質(zhì)含量大量減少，不易于微生物的繁殖和脲酶的產(chǎn)生。

圖5 不同生境類型下土壤過氧化氫酶，多酚氧化酶和脲酶的變化Fig.5 The change of catalase，polyphenol oxidase and urease in different habitat types of soil

3.2.2 不同土壤類型間過氧化物酶和轉(zhuǎn)化酶活性差異

本研究表明帽耳山林區(qū)的土壤過氧化物酶和轉(zhuǎn)化酶活性遠遠高于土壤過氧化氫酶、多酚氧化酶和脲酶活性，而且轉(zhuǎn)化酶活性是過氧化物酶活性的數(shù)倍 (如圖6所示)。

土壤過氧化物酶:方差分析表明4種土壤類型的10個采樣點的過氧化物酶活性差異達到了極顯著水平，F(xiàn)值為16.97(p＜0.01)。其中場部居民用地和綠化帶過氧化物酶活性最高，森林跡地最低，森林土壤居中，但大豆與玉米種植土壤的過氧化物酶活性存在較大差異，大豆地顯著高于玉米地，可能的原因是大豆根系共生的固氮菌的生物代謝的結(jié)果。

土壤轉(zhuǎn)化酶:轉(zhuǎn)化酶能酶促蔗糖水解成植物和土壤微生物能利用的葡萄糖和果糖。土壤轉(zhuǎn)化酶活性與微生物的數(shù)量及其活動呈正相關(guān)［5］。方差分析表明4種土壤類型的10個采樣點的轉(zhuǎn)化酶活性差異達到了極顯著水平，F(xiàn)值為14.07(p＜0.01)。森林土壤、森林跡地、居民用地的轉(zhuǎn)化酶活性顯著高于農(nóng)耕用地，由此可見，長期的農(nóng)耕操作會一定程度改變土壤的質(zhì)量和肥力。

圖6 不同生境類型下土壤過氧化物酶和轉(zhuǎn)化酶活性的變化Fig.6 The change of peroxidase and invertase in different habitat types of soil

3.3 土壤酶學(xué)性質(zhì)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

相關(guān)分析表明不同土壤類型地點間土壤含水量與土壤全氮和土壤碳含量各指標間，土壤全氮與土壤碳素含量各指標間、以及土壤碳素各指標間均存在顯著和極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.719～0.977，土壤可溶性無機碳含量除外。但土壤可溶性無機碳與土壤pH值間存在極顯著的正相關(guān) (見表1)。

由土壤酶與土壤理化指標的相關(guān)性分析可知(見表2):土壤脲酶和過氧化氫酶與土壤含水量、土壤全氮以及4種土壤碳素含量呈顯著和極顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在在0.68～0.99之間，這種相關(guān)關(guān)系可以明顯的反映土壤質(zhì)量;土壤的多酚氧化酶活性與土壤pH和土壤可溶性無機碳含量成顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均在0.9左右，也就是說土壤pH值和可溶性無機碳含量高，其多酚氧化酶活性高，該研究與參考文獻 ［19］的研究結(jié)果相吻合，即土壤多酚氧化酶活性在相對高的土壤pH值時活性高。土壤轉(zhuǎn)化酶活性與土壤可溶性碳素含量也存在明顯的正相關(guān)，即土壤可溶性碳素含量對提高其轉(zhuǎn)化酶活性有明顯的促進作用;土壤過氧化物酶與與土壤可溶性全氮含量呈顯著的負相關(guān)。

表1 不同土壤類型間土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性Tab.2 Correlation between soil physical and chemical properties of the different soil types

表2 土壤酶與土壤物理化性質(zhì)之間的相關(guān)性Tab.2 Correlation between soil enzymes and soil physical and chemical properties

4 結(jié)論

土壤的不當利用會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的變化，使土壤失去保持水分和養(yǎng)分的能力。通過土壤理化性質(zhì)10項數(shù)據(jù)相關(guān)性分析所得結(jié)果可以清晰看出不同土壤類型間土壤理化性質(zhì)差異顯著，從土壤理化性質(zhì)角度來評價土壤質(zhì)量從高到低依次為:森林土壤，跡地，林場場部用地，農(nóng)田用地。

森林植被豐厚，保持水土的能力強，腐殖質(zhì)層豐富，所以總氮總碳含量最高，可溶性C和N經(jīng)過雨水淋刷進入土壤;森林跡地由于焚燒，總的C和N量相對減少，但可溶性C和N隨余燼進入土壤;林場場部用地由于人為干擾嚴重，植被少，腐殖質(zhì)層薄，鎖水能力差，但可能因為家畜家禽的影響使得可溶性有機碳含量得到增加。農(nóng)田雖然有肥料的補充，但是農(nóng)作物對土壤肥力的消耗很大，經(jīng)過幾番耕作，土地肥力顯著降低。綜上所述，不同土地利用方式對土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性產(chǎn)生了顯著影響。

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