黃河三角洲鹽堿地刺槐混交林對土壤脲酶活性的影響

劉云，李傳榮?，許景偉，邴貝貝，呂蒙蒙，程玲

(1.泰山森林生態(tài)站，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，271018，山東泰安;2.山東省林業(yè)科學(xué)研究院，251014，濟(jì)南)

土壤酶是土壤中具有生物活性的蛋白質(zhì)，可以作為評價(jià)土壤肥力的指標(biāo)［1］，它不僅是外源有機(jī)物質(zhì)腐解轉(zhuǎn)化的驅(qū)動力，而且是土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化、土壤結(jié)構(gòu)及物理性狀演變與保持的驅(qū)動力，在碳、氮、磷、硫等的生物循環(huán)中起重要作用［2］。土壤脲酶是一種酰胺酶［3］，主要來源于土壤微生物的活動及植物根系的分泌物和動植物殘?bào)w腐解過程中釋放的酶［4］，在土壤有機(jī)物中碳-氮鍵的水解作用中具有重要作用，其活性的提高能促進(jìn)土壤有機(jī)氮向有效氮的轉(zhuǎn)化［5］，可以用于表示土壤的氮素供應(yīng)狀況。許多研究資料表明，脲酶活性與土壤肥力指標(biāo)有很好的相關(guān)性，如關(guān)松蔭［6］在研究茶園土壤和森林對土壤脲酶活性時(shí)指出，土壤脲酶可以作為評價(jià)土壤肥力的指標(biāo)之一。刺槐(Robinia pseudoacacia)是黃河三角洲鹽堿地改良土壤的優(yōu)良樹種。目前的研究大多集中在刺槐的生理機(jī)能和土壤水分方面［7-8］，對營造刺槐林的改良土壤效果也給予了廣泛的重視［9］，但是刺槐混交林土壤酶活性的影響尚未引起充分的重視。筆者以黃河三角洲鹽堿地防護(hù)林為研究對象，通過分析脲酶與刺槐林地土壤養(yǎng)分、土壤微生物、土壤水文特性和蓄水性能的關(guān)系，研究不同類型刺槐混交林地的土壤脲酶活性，并通過主成分分析法找出影響刺槐林地土壤脲酶活性的土壤因子，以期為黃河三角洲鹽堿地土壤質(zhì)量評價(jià)和土壤肥力的維持與改善提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

研究地點(diǎn)位于山東省東營市河口區(qū)，屬暖溫帶半濕潤區(qū)大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫12.1℃，無霜期201 d，≥10℃的積溫約4 200℃，年均降水量500～600 mm，7—8月降水量約占全年降水量的50%，且多暴雨，易形成旱澇災(zāi)害，年均蒸發(fā)量為1 962.1 mm。土壤為沖積性黃土母質(zhì)在海浸母質(zhì)上沉淀而成，機(jī)械組成以粉沙為主，沙黏相間，層次變化復(fù)雜。

天然植被以鹽生、濕生的禾本科植物茅草(Imperata cylindrica)、蘆葦(Phragmites communis)為主。主要造林樹種有刺槐、楊樹(Populus euramericana)、白蠟(Fraxinus chinensis)、檉柳(Tamarix chinensis)等。

2 研究方法

2.1 調(diào)查與采樣

于2011年4和8月開展調(diào)查，分別代表旱季和雨季。在試驗(yàn)區(qū)選擇刺槐+白榆(Ulmus pumila)混交林、刺槐 +臭椿(Ailanthus altissima)混交林、刺槐+白蠟混交林為研究對象，林齡均為26年，分別設(shè)置20 m×20 m樣地(表1)。以刺槐純林和無林地作對照。在選擇的樣地內(nèi)根區(qū)，采用環(huán)刀法測定土壤的水文指標(biāo)，采用十分法分別取0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm 3層的土壤樣品，每個(gè)樣地3次重復(fù)，裝入無菌袋中帶回實(shí)驗(yàn)室。其中一部分用于土壤微生物的培養(yǎng)，另一部分風(fēng)干，去除雜質(zhì)過篩后，保存于冰箱中，用于測定土壤養(yǎng)分和土壤脲酶。在樹木20 cm范圍內(nèi)挖取20 cm×20 cm×40 cm的土柱，分0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm 3層取根系，每個(gè)林分重復(fù)3次。

表1 樣地概況Tab．1 Survey of plot

2.2 測定方法

1)土壤脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定。脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)用靛酚比色法測定，活性以24 h后1 g土壤中NH3-N 的質(zhì)量(mg)表示［6］。

2)土壤水文物理特性和蓄水性能的測定。采用烘干法測定土壤含水量，環(huán)刀法測定土壤密度、總孔隙度等，并由公式計(jì)算一定土層深度內(nèi)的毛管蓄水量和飽和蓄水量［10］。其中土壤涵蓄降水量的計(jì)算公式為

式中:Mh為土壤涵蓄降水量，mm;Mb為飽和蓄水量，mm;Mw為土壤含水量，mm。

3)土壤化學(xué)性質(zhì)的測定。pH值采用電位法測定;含鹽量采用質(zhì)量法測定;全磷采用碳酸鈉熔融-鉬銻抗比色法測定;全N采用半微量凱氏法測定;速效鉀采用乙酸銨提取-火焰光度法測定;堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定;有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定［11］。

4)土壤微生物的培養(yǎng)。采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)菌，高氏一號培養(yǎng)基培養(yǎng)放線菌，馬丁氏培養(yǎng)基培養(yǎng)真菌，Ashby無氮培養(yǎng)基培養(yǎng)自生固氮菌［12］。

5)根系的質(zhì)量。根系在烘箱中65°下烘干8 h，稱量質(zhì)量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0和Excel軟件進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分類型的土壤脲酶活性

不同刺槐林地中，不同土層深度的土壤脲酶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見圖1。由圖1(a)可知，與CK相比，8月份造林地脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加(P＜0.05)，其中RP、RU、RA和 RF的脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是 CK的4.02、4.74、5.01和 5.08 倍，而與 RP 相比，RU、RA和RF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了17.86%、24.62%和26.41%。在不同土層深度上，刺槐混交林地的土壤脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于刺槐純林地，其中0～10 cm和20～40 cm土層的脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到顯著水平(P＜0.05)，10～20 cm差異不顯著(P＞0.05)。在同一林分中，土壤脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢是0～10 cm＞10～20 cm＞20～40 cm，層次之間變化較明顯。

4月份脲酶活性的變化規(guī)律和8月份大體相同(圖1(b))，但是脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于8月份，其中CK、RP、RU、RA和 RF分別降低了 18.95%、25.88%、27.83%、32.44%和32.24%。

同一林地中，土壤脲酶活性隨土層的加深而降低，這與一些研究結(jié)果一致［13-15］?；旖涣州^純林提供了較多的枯枝落葉和營養(yǎng)元素等物質(zhì)，改善了土壤理化性質(zhì)，并且為微生物提供了充足的碳源，加之刺槐的固氮作用［16］，促進(jìn)了微生物的生理代謝活動［17］，增加了微生物的數(shù)量，從而使混交林的土壤脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)較純林高。造林后枯枝落葉及腐殖質(zhì)主要積累于土壤表層，上層有機(jī)物含量較高，進(jìn)而導(dǎo)致微生物數(shù)量較下層多，加之表層水熱條件和通氣狀況好，因微生物生長旺盛、代謝活躍、呼吸強(qiáng)度加大而使表層的土壤脲酶活性較高。隨土層的加深，土壤密度増大，孔隙度減小，有機(jī)質(zhì)也隨著土層的加深而急劇下降，土壤微生物的活動會減弱，限制了生物代謝的強(qiáng)度，生物產(chǎn)酶能力隨之下降［18］。由于純林和混交林樹種組成不同，土壤脲酶活性也會產(chǎn)生一定的差異。總體來看，造林顯著增加了土壤脲酶的活性，而且混交林又優(yōu)于純林。

圖1 不同林地土壤脲酶的活性Fig．1 Soil urease activity in different stands

3.2 不同林分類型土壤脲酶活性與土壤因子的關(guān)系

3.2.1 土壤水文物理特性和蓄水性能 由圖2(a)可知，土壤密度隨土層加深而增大，林地間差異不顯著(P＞0.05)，與無林地差異顯著(P＜0.05)，表現(xiàn)為無林地＞刺槐純林＞刺槐混交林。由表2可知，4月份各林地的總孔隙度均隨土層的加深而減小，且各土層上均表現(xiàn)為刺槐混交林＞刺槐純林＞無林地。這與林地枯落物分解后腐殖質(zhì)含量增加，有利于表層土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成有關(guān)。各林地的孔隙比分別比 CK增加了 23.1%(RP)、33.1%(RA)、27.1%(RU)和36.8%(RF)。土壤涵蓄降水量為RF(94.63 mm)＞RA(90.91 mm)＞RU(89.41 mm)＞RP(79.84 mm)＞CK(53.94 mm)，有效涵蓄量與其大體一致。從空間變化來看，土壤飽和蓄水量、涵蓄降水量和有效涵蓄量均隨土層的增加而減小。

8月份(圖2(b)和表2)林分的水分物理特性和蓄水性能和4月份的大體規(guī)律相同，但各林分均優(yōu)于4月份，表現(xiàn)為土壤密度減小、總孔隙度增加和涵蓄降水量增加等。

圖2 圖2 不同林分的土壤密度Fig．2 Soil density in different stands

3.2.2 土壤化學(xué)性質(zhì) 4和8月份(表2、圖3)各林地土壤養(yǎng)分與土壤脲酶的變化趨勢大體一致。全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均是隨土層的增加而降低，且刺槐混交林＞刺槐純林＞無林地;與無林地相比較，林地的pH值在0～20 cm土層均有一定程度的降低;4月份，林地10～20 cm含鹽量高于其他層次(圖3(a))，原因是林地降低了土壤蒸發(fā)量，減弱了鹽分向表層的聚集，而無林地由于蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致鹽分表聚性明顯;8月份，林地0～10 cm含鹽量較低(圖3(b))，這與鹽分隨降雨向下淋洗有關(guān)，且為CK ＞ RF＞RP ＞RA ＞RU(10～20 cm，RP ＞RF)。

3.2.3 土壤微生物和根系質(zhì)量 由表2可以看出，8月份，刺槐混交林地土壤細(xì)菌個(gè)數(shù)＞放線菌個(gè)數(shù)＞真菌個(gè)數(shù)，這與大多數(shù)的研究結(jié)果相同［19］。其中細(xì)菌和固氮菌的數(shù)量均表現(xiàn)出隨土層的加深而減少的趨勢，而放線菌和真菌的數(shù)量主要集中分布在0～20 cm土層范圍內(nèi)，沒有明顯的規(guī)律性。這是因?yàn)榧?xì)菌和放線菌適宜在中性或微堿性的環(huán)境中生活，而真菌一般生長在酸性土壤中。微生物總量方面，3種混交林地為無林地的2.4～2.8倍，刺槐純林地為無林地的2.2倍，刺槐混交林地明顯大于刺槐純林地。由表2還可以看出，4月，土壤微生物數(shù)量略低于8月，變化規(guī)律與8月基本一致。

由于試驗(yàn)林均為26年生，其根系質(zhì)量在一年內(nèi)變化較小，故僅分析8月份根系。由表2可知，各樣地林分根系分布差異顯著(P＜0.05)，無林地草本豐富，根系集中于表層，而刺槐林地中根系大多集中于10～20 cm土層，40 cm以下土層出現(xiàn)土壤板結(jié)現(xiàn)象，根系較少。

3.2.4 土壤脲酶活性與土壤化學(xué)性質(zhì)和土壤微生物數(shù)量的相關(guān)性分析 脲酶與土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系(表3)表明:4月，刺槐混交林地脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與含鹽量負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，與全P、速效鉀和pH值相關(guān)性不顯著。8月與4月大體相同，不同點(diǎn)為與含鹽量呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)。

4和8月，刺槐混交林地脲酶活性和微生物的相關(guān)性基本相似(表3)。脲酶與固氮菌、細(xì)菌顯著正相關(guān)，與放線菌正相關(guān)，與真菌相關(guān)性不明顯，同時(shí)，脲酶與根量的相關(guān)性不顯著。

表2 不同林分的土壤理化性質(zhì)、微生物和根量Tab．2 Soil physic-chemical properties，microbes and root weight in different stands

3.3 土壤脲酶活性各影響因子的主成分分析

對研究區(qū)的土壤微生物、土壤化學(xué)性質(zhì)、土壤水文物理特性和蓄水性能等共16個(gè)指標(biāo)(土壤密度、總孔隙度、飽和蓄水量、涵蓄降水量、細(xì)菌個(gè)數(shù)、放線菌個(gè)數(shù)、真菌個(gè)數(shù)、固氮菌個(gè)數(shù)、根量、pH值、含鹽量、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù))進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表4?？芍?，僅需要4個(gè)主成分就可解釋超過85%的信息。第1主成分中，總孔隙度、細(xì)菌、固氮菌、全N、堿解氮和有機(jī)質(zhì)的系數(shù)值較大，方差貢獻(xiàn)率達(dá)52.325%，說明土壤的通透性以及氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脲酶的活性有較大的影響;第2主成分主要解釋了土壤蓄水性能，如飽和蓄水量和涵蓄降水量，方差貢獻(xiàn)率達(dá)到14.533%;第3主成分主要是pH值的信息，方差貢獻(xiàn)率達(dá)到13.250%，說明pH值通過對元素以及微生物的影響間接影響脲酶的活性;第4主成分是全P的信息，方差貢獻(xiàn)率為6.804%。從評價(jià)脲酶活性的角度看，可知總孔隙度、細(xì)菌個(gè)數(shù)、固氮菌個(gè)數(shù)、全N質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以作為主要指標(biāo)。

圖3 不同林分的含鹽量和pH值Fig．3 Salt content and pH value in different stands

表3 土壤脲酶活性與土壤化學(xué)性質(zhì)和土壤微生物數(shù)量的相關(guān)性分析結(jié)果Tab．3 Correlation analysis among urease activity，soil chemical properties and microbes quantity

表4 土壤脲酶活性影響因子的主成分分析及結(jié)果Tab．4 Principal component analysis and results of influencing factors on soil urease activity

4 結(jié)論與討論

1)黃河三角洲鹽堿地地區(qū)植被恢復(fù)后，土壤中脲酶活性有較大的增加，且表現(xiàn)出混交林優(yōu)于純林的趨勢。

2)刺槐混交林地土壤脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)，與全P、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)及pH值相關(guān)性不顯著，與含鹽量負(fù)相關(guān)。表明土壤脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤養(yǎng)分具有一定的相關(guān)關(guān)系，可在一定程度上反映土壤的肥力水平。

研究土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性與林地土壤肥力的關(guān)系，能夠揭示林地土壤發(fā)育的現(xiàn)狀和趨勢，可用于評價(jià)林地土壤肥力以及各種林業(yè)技術(shù)措施的效果，為林業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)［20］。微生物數(shù)量越多，土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)換越強(qiáng)［19］。本研究刺槐混交林地脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤中主要微生物種類(細(xì)菌和放線菌)的相關(guān)性均較好，進(jìn)一步表明脲酶可以作為評價(jià)土壤肥力的指標(biāo)。

3)刺槐混交林地土壤養(yǎng)分、土壤微生物、土壤水文物理特型和蓄水性能對土壤脲酶的活性均有一定的影響，其中總孔隙度、細(xì)菌個(gè)數(shù)、固氮菌個(gè)數(shù)、全N質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較大，因此可作為評價(jià)土壤脲酶活性的主要指標(biāo)。

本實(shí)驗(yàn)涉及的影響脲酶的因子較多，工作量較大，通過主成分分析方法，可以用較少的指標(biāo)代表大量指標(biāo)，既可以達(dá)到較準(zhǔn)確反映土壤脲酶活性的作用，又可以減少工作量。

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