半干旱黃土丘陵區(qū)純林土壤腐殖質(zhì)異化特征及與其他性質(zhì)的關(guān)系

張曉曦，劉增文，朱博超，邴塬皓，于 齊，Luc Nhu Trung,5

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 楊凌 712100 3 農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 4 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院, 楊凌 712100 5 農(nóng)業(yè)與農(nóng)村發(fā)展廳, 越南老街 330100

半干旱黃土丘陵區(qū)純林土壤腐殖質(zhì)異化特征及與其他性質(zhì)的關(guān)系

張曉曦1，劉增文2,3，朱博超2，邴塬皓4，于 齊4，Luc Nhu Trung1,5

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 楊凌 712100 3 農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 4 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院, 楊凌 712100 5 農(nóng)業(yè)與農(nóng)村發(fā)展廳, 越南老街 330100

純林長(zhǎng)期生長(zhǎng)或多代連栽必然會(huì)導(dǎo)致土壤腐殖質(zhì)含量和構(gòu)成發(fā)生異化，探究這種異化特征及其與土壤其他性質(zhì)的關(guān)系可以為純林管理或混交改造提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)對(duì)半干旱黃土丘陵區(qū)南泥灣林場(chǎng)8種典型純林土壤腐殖質(zhì)及其他性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)，結(jié)果表明：(1)側(cè)柏林土壤腐殖質(zhì)含量最高(34.61 g/kg)，腐殖化程度和穩(wěn)定性一般；白榆和白樺林土壤的腐殖質(zhì)含量中等(19.69—23.58 g/kg)、腐殖化程度和穩(wěn)定性最佳；茶條槭和小葉楊林土壤的腐殖質(zhì)含量(20.59—22.53 g/kg)和構(gòu)成均為中等水平；油松、沙棘和刺槐林土壤的腐殖質(zhì)質(zhì)量較低(11.77—13.81 g/kg)，且腐殖化程度較低，穩(wěn)定性相對(duì)最差；(2)與胡敏酸含量存在顯著相互促進(jìn)作用(P<0.05)的土壤性質(zhì)為CEC、N、微生物量和蛋白酶活性(相關(guān)系數(shù)0.769—0.926，下同)，存在顯著相互抑制作用的為有效Cu(-0.793)；與富啡酸存在顯著相互促進(jìn)作用的為N、CEC、微生物量、蔗糖酶和磷酸酶活性(0.836—0.955)，存在顯著相互抑制作用的為有效Cu(-0.822)；與胡敏素存在顯著相互促進(jìn)作用的為N、CEC、微生物量、磷酸酶活性和有效Zn(0.766—0.951)，存在顯著相互抑制作用的為脫氫酶活性(-0.784)。(3)腐殖質(zhì)構(gòu)成與其他性質(zhì)的相關(guān)性均不顯著(P>0.05)，其中相對(duì)有利于提高胡敏酸/腐殖酸含量之比的土壤性質(zhì)為蛋白酶、蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性，而不利的是脫氫酶活性；相對(duì)有利于提高胡敏酸/富啡酸含量之比的為速效K、CEC和脲酶活性，而不利的是脫氫酶活性。(4)總體而言土壤腐殖質(zhì)含量較之腐殖質(zhì)構(gòu)成與其他性質(zhì)之間具有更大的相關(guān)性；向土壤增施N肥可以促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成，增加K肥則有利于腐殖質(zhì)構(gòu)成的改善，而通過(guò)混交改造或增加林下植被是促進(jìn)純林土壤腐殖質(zhì)化過(guò)程和解決土壤退化的根本措施。

純林; 腐殖質(zhì); 異化特征; 土壤性質(zhì)

腐殖質(zhì)含量和構(gòu)成是反映土壤肥力質(zhì)量的重要指標(biāo)，所以歷來(lái)受到土壤和生態(tài)學(xué)研究的重視[1]。由單一樹(shù)種組成的純林，由于受到枯落物分解、根系分泌物、養(yǎng)分循環(huán)和群落環(huán)境的特殊影響，必然導(dǎo)致其土壤腐殖質(zhì)在含量和構(gòu)成上發(fā)生明顯的異化(即特異變化)并對(duì)森林土壤生態(tài)過(guò)程產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在陜北半干旱黃土丘陵區(qū)分布的森林70%以上為純林，已有調(diào)查研究表明，由于立地環(huán)境條件相對(duì)惡劣，土壤腐殖質(zhì)化過(guò)程緩慢，這些純林的長(zhǎng)期經(jīng)營(yíng)和多代連栽出現(xiàn)了生長(zhǎng)衰退、土壤極化或退化等現(xiàn)象[2]。分析出現(xiàn)這些問(wèn)題的原因，是否與純林土壤腐殖質(zhì)異化特征有關(guān)？森林土壤腐殖質(zhì)含量和構(gòu)成特征與其他理化生物學(xué)性質(zhì)之間究竟有何關(guān)系？哪些土壤性質(zhì)能夠促進(jìn)(抑制)腐殖質(zhì)含量的提高和改善(惡化)腐殖質(zhì)的構(gòu)成？所以，搞清楚不同樹(shù)種純林土壤的腐殖質(zhì)分異特征，綜合分析土壤腐殖質(zhì)與其他性質(zhì)之間關(guān)系對(duì)解決純林衰退問(wèn)題非常必要。

截至目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于森林土壤腐殖質(zhì)的研究已經(jīng)廣泛涉及到腐殖質(zhì)特性與土壤肥力的關(guān)系，森林發(fā)育階段、經(jīng)營(yíng)方式和年限對(duì)土壤腐殖質(zhì)影響，以及森林土壤腐殖質(zhì)對(duì)土壤抗蝕性的影響等諸多方面[3-5]。然而，針對(duì)半干旱黃土丘陵區(qū)不同樹(shù)種純林開(kāi)展土壤腐殖質(zhì)特征的專門系統(tǒng)研究相對(duì)較少。為此，本研究以半干旱黃土丘陵區(qū)南泥灣林場(chǎng)常見(jiàn)典型純林類型為對(duì)象，通過(guò)對(duì)土壤腐殖質(zhì)及其他性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)，分析不同樹(shù)種純林土壤腐殖質(zhì)的異化特征，并對(duì)其與其他土壤性質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，旨在分析純林生長(zhǎng)對(duì)土壤腐殖質(zhì)的影響以及由此可能導(dǎo)致的土壤性質(zhì)的變化，據(jù)此提出改善純林土壤性質(zhì)的途徑和方法，為后期純林管理或混交改造提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置、土壤樣品采集

以地處黃土高原中部暖溫帶半干旱丘陵區(qū)的延安南泥灣林場(chǎng)為對(duì)象，當(dāng)?shù)睾０?00—1 400 m，年均氣溫8.5—9.5 ℃，無(wú)霜期165—190 d，降水量約520—550 mm。森林植被以人工林為主，也有少量天然次生林，土壤類型為黃綿土。本次調(diào)查選擇了地貌部位(梁峁坡中部)、坡向(陰坡或半陰坡)和坡度(15—25°)等立地條件基本相似、郁閉度大于0.85、未經(jīng)人為干擾的當(dāng)?shù)鼐哂械湫痛硇缘?個(gè)不同樹(shù)種成熟純林(表1)。林下植被主要以羊胡子草Carexrigescens、冰草Agropyroncristatum和蒿類Aremisia等草本植物為主，少有個(gè)別的苦糖果Lonicerastandishii、牛奶子Elaeagnusumbellate等灌木，且總蓋度均小于15%。

表1 土壤采集地林分平均生長(zhǎng)狀況Table 1 Introduction of forests for soil collection

具體采樣方法為：首先分別每個(gè)樹(shù)種純林建立3塊20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地(共計(jì)8個(gè)樹(shù)種24塊標(biāo)準(zhǔn)地)，然后在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)均勻設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的小樣方，以二次混合采樣法(即先每個(gè)樣方混合采樣，然后5個(gè)樣方再次等量混合采樣)采集0—20 cm土層的土壤樣品約3 kg左右(即每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地采集1份二次混合樣，每種林地土樣3份，共計(jì)24份樣品)，剔除植物根系、未分解枯落物和礫石等雜物后帶回室內(nèi)備測(cè)。

1.2 土壤性質(zhì)測(cè)定與數(shù)據(jù)處理

土壤pH值采用PHS-2型酸度計(jì)測(cè)定(水土比為2.5∶1)；腐殖質(zhì)含量(胡敏酸、富啡酸和胡敏素)采用焦磷酸鈉浸提-重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；土壤全N采用半微量凱氏定N法測(cè)定；堿解N采用擴(kuò)散法測(cè)定；有效P 采用NaHCO3法測(cè)定；速效K采用醋酸銨浸提火焰光度法測(cè)定；CEC采用乙酸鈉-乙酸銨火焰光度法測(cè)定；Cu、Zn、Fe、Mn的全量采用硝酸高氯酸消煮-原子吸收分光光度法(AAS法)測(cè)定，有效態(tài)含量采用為二乙三胺五乙酸(DTPA)浸提-原子吸收分光光度法(AAS法)測(cè)定[6]。微生物量C采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測(cè)定；脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測(cè)定；蔗糖酶活性采用Na2S2O3滴定法測(cè)定；過(guò)氧化氫酶活性采用KMnO4滴定法測(cè)定；過(guò)氧化物酶活性采用滴定法測(cè)定；脫氫酶采用三苯基四唑氯化物比色法測(cè)定；磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定；蛋白酶活性采用茚三酮比色法測(cè)定[7-8]。

測(cè)定數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel 2010進(jìn)行整理，每個(gè)樹(shù)種林地的以上所有指標(biāo)測(cè)定均采用3塊標(biāo)準(zhǔn)地(即3次重復(fù))實(shí)測(cè)的平均值(每塊標(biāo)準(zhǔn)地采用誤差不超過(guò)5%的3個(gè)測(cè)次平均)，每個(gè)林地的每項(xiàng)測(cè)定值使用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，多重比較采用最小顯著差法(LSD)(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同純林土壤腐殖質(zhì)異化特征比較

圖1 土壤腐殖質(zhì)含量特征Fig.1 Properties of soil humus contents

圖2 土壤腐殖質(zhì)構(gòu)成特征Fig.2 Properties of soil humus composition

根據(jù)對(duì)8種純林土壤腐殖質(zhì)特征測(cè)定的結(jié)果表明(圖1)，總腐殖質(zhì)含量以側(cè)柏林土壤顯著最高(34.61 g/kg)，其次為白樺和小葉楊(22.53—23.58 g/kg)，再次為白榆和茶條槭(19.70—20.59 g/kg)，油松、沙棘和刺槐林顯著最低(11.77—13.81 g/kg)?？偢乘岷恳詡?cè)柏林土壤顯著最高(20.10 g/kg)，其次為白榆、小葉楊、白樺和茶條槭(9.41—13.87 g/kg)，油松、刺槐和沙棘顯著最低(6.23—7.73 g/kg)。其中，胡敏酸含量以側(cè)柏林地土壤顯著最高(7.91 g/kg)，其次為白榆、白樺和小葉楊(4.17—6.81 g/kg)，茶條槭、刺槐、油松和沙棘較低(1.65—2.96 g/kg)；富啡酸含量以側(cè)柏林地土壤顯著最高(12.19 g/kg)，其次為白榆、小葉楊和茶條槭(6.45—7.06 g/kg)，再次為油松和白樺(4.90—5.41 g/kg)、沙棘和刺槐顯著最低(4.32—4.58 g/kg)；胡敏素含量以側(cè)柏林地土壤顯著最高(14.52 g/kg)，其次為小葉楊和茶條槭(11.18—11.72 g/kg)，再次為白榆和白樺(9.17—9.71 g/kg)，沙棘、油松和刺槐顯著最低(5.07—6.22 g/kg)。

腐殖質(zhì)的構(gòu)成以胡敏酸在腐殖質(zhì)中所占比例以及胡敏酸與富啡酸比值來(lái)反映(圖2)。結(jié)果表明，胡敏酸/腐殖質(zhì)比例以白榆和白樺林地土壤顯著最高(28.59%—28.88%)，其次為側(cè)柏、刺槐、小葉楊和油松(16.80%—22.85%)，茶條槭和沙棘顯著最低(13.26%—14.35%)；胡敏酸/富啡酸比值以白榆顯著最高(1.15)，其后依次為白樺、側(cè)柏、小葉楊和刺槐(0.55—0.95)，再次為茶條槭和油松(0.43—0.46)，沙棘顯著最低(0.36)，所有林地土壤在胡敏酸/富啡酸比值這一指標(biāo)上均存在顯著差異。

綜合以上分析可知，8種純林土壤比較，側(cè)柏林土壤腐殖質(zhì)含量最高但腐殖化程度和穩(wěn)定性一般；白榆和白樺林土壤的腐殖質(zhì)含量中等、腐殖化程度最高，穩(wěn)定性最好；茶條槭和小葉楊林土壤的腐殖質(zhì)含量和構(gòu)成均為中等水平；油松、刺槐和沙棘林土壤的腐殖質(zhì)質(zhì)量較低且腐殖化程度低、穩(wěn)定性差。

2.2 森林土壤腐殖質(zhì)特征與微生物及土壤酶活性的關(guān)系分析

土壤腐殖質(zhì)的形成是各種有機(jī)物質(zhì)在微生物活動(dòng)和一系列酶促反應(yīng)下逐步降解和轉(zhuǎn)化的結(jié)果，同時(shí)腐殖質(zhì)化過(guò)程又會(huì)對(duì)微生物和土壤酶活性產(chǎn)生反饋?zhàn)饔谩５?，針?duì)半干旱黃土丘陵區(qū)森林土壤來(lái)說(shuō)，土壤腐殖質(zhì)含量及構(gòu)成與微生物量和土壤酶活性之間的相互關(guān)系和相互作用強(qiáng)度究竟如何？現(xiàn)以24塊標(biāo)準(zhǔn)地的數(shù)據(jù)(表2)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析(表3)，結(jié)果表明：與胡敏酸含量呈顯著正相關(guān)的指標(biāo)為微生物量C和蛋白酶；與富啡酸含量呈顯著正相關(guān)作用的指標(biāo)為微生物量C、磷酸酶和蔗糖酶；與胡敏素含量呈顯著正相關(guān)的指標(biāo)為：微生物量C和磷酸酶，呈顯著負(fù)相關(guān)的為脫氫酶；可見(jiàn)，微生物、蛋白酶、磷酸酶和蔗糖酶與腐殖質(zhì)的形成具有顯著的相互促進(jìn)作用，脫氫酶則表現(xiàn)出一定的相互抑制作用。

微生物量和酶活性與腐殖質(zhì)構(gòu)成的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平，相較之下較為有利于提高胡敏酸/腐殖質(zhì)比值和胡敏酸/富啡酸比值的指標(biāo)為脲酶和蛋白酶，而較為不利的指標(biāo)為脫氫酶。可見(jiàn)，酶活性對(duì)腐殖質(zhì)構(gòu)成的影響不明顯，蛋白酶和脲酶相對(duì)最有利于腐殖質(zhì)良好結(jié)構(gòu)的形成，而脫氫酶最為不利。

表2 不同林地土壤生物學(xué)性質(zhì)Table 2 Biological properties of soil from different forests

表中數(shù)值表示平均值(標(biāo)準(zhǔn)差); 同列中不同字母代表具有顯著性差異

表3 森林土壤腐殖質(zhì)特征與其他生物學(xué)性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)(n=24)Table 3 Correlation coefficients of soil humus with other biological properties

腐殖質(zhì)含量 Humus contents(胡敏酸 Humic acid；富啡酸 Fulvic acid；胡敏素 Humin；腐殖酸 Humic acids；腐殖質(zhì) Humus)；腐殖質(zhì)構(gòu)成Humus composition(胡敏酸C/腐殖質(zhì)C Humic acid carbon/Humus carbon；胡敏酸C/富啡酸C Humic acid carbon/Fulvic acid carbon); *P<0.05，**P<0.01

2.3 森林土壤腐殖質(zhì)特征與化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系分析

土壤腐殖質(zhì)含量及構(gòu)成特征同樣與其他化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。為了探明半干旱黃土丘陵區(qū)的森林土壤腐殖質(zhì)特征與其他化學(xué)性質(zhì)(表4)之間的相互關(guān)系及其強(qiáng)度，做統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析(表5)。

表4 不同林地土壤化學(xué)性質(zhì)Table 4 Chemical properties of soil from different forests

表5 森林土壤腐殖質(zhì)特征與其他化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients of soil humus with other chemical properties

與胡敏酸、富啡酸和胡敏酸含量均呈顯著正相關(guān)作用的指標(biāo)為CEC、堿解N和全N；pH值與3種腐殖質(zhì)組分的含量均表現(xiàn)出不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；可見(jiàn)，腐殖質(zhì)各組分的形成與土壤N素含量存在顯著相互促進(jìn)作用，能顯著的提高土壤的保肥能力，但有導(dǎo)致土壤出現(xiàn)酸化的趨勢(shì)。

土壤化學(xué)性質(zhì)與腐殖質(zhì)構(gòu)成的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平，相較之下較為有利于明顯有利于提高胡敏酸/腐殖質(zhì)比值和提高胡敏酸/富啡酸比值的指標(biāo)依次為速效K、CEC和堿解N；良好的腐殖質(zhì)構(gòu)成與土壤pH值則具有一定的正相關(guān)關(guān)系。可見(jiàn)，腐殖質(zhì)構(gòu)成與速效養(yǎng)分僅存在一定的相互促進(jìn)作用，而較好的腐殖質(zhì)構(gòu)成可能部分抵消其含量增加導(dǎo)致的土壤酸化趨勢(shì)。

2.4 森林土壤腐殖質(zhì)特征與微量元素的關(guān)系分析

根據(jù)腐殖質(zhì)含量及構(gòu)成與土壤微量元素含量(表6)的統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析表明(表7)：

與胡敏酸和富啡酸含量呈顯著負(fù)相關(guān)的指標(biāo)為有效Cu，與胡敏素含量呈顯著正相關(guān)的指標(biāo)為有效Zn。此外，有效Cu含量與胡敏素含量與也呈現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)，而有效Zn含量則與胡敏酸和富啡酸含量呈一定正相關(guān)關(guān)系。由此表明，腐殖質(zhì)能提高土壤Zn的有效性而降低Cu的有效性。

微量元素與腐殖質(zhì)構(gòu)成特征的關(guān)系均未達(dá)顯著水平，其中較為有利于提高胡敏酸/腐殖質(zhì)比值的指標(biāo)為有效Zn，而較為不利的依次為全Fe、有效Mn和有效Cu。較為有利于提高胡敏酸/富啡酸比值的指標(biāo)為有效Zn，而較為不利的指標(biāo)主要為有效Mn、全Fe和有效Cu。表明土壤中Zn的適當(dāng)積累以及Zn有效性的提高可能有利于腐殖質(zhì)腐殖化程度的提高和穩(wěn)定性的增加，而Fe的積累和Cu、Mn有效性的提高則相反。

微量元素含量較之大量元素含量和生物學(xué)性質(zhì)與腐殖質(zhì)各組分含量及構(gòu)成特征的相互作用更為微弱，均未達(dá)到顯著水平，且相關(guān)的正負(fù)性相對(duì)復(fù)雜，這可能與不同微量元素本身特殊的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

表6 不同林地微量元素含量Table 6 Microelements content of soil from different forests

表7 森林土壤腐殖質(zhì)性質(zhì)與微量元素含量的相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlation coefficients among soil humus properties and microelements content

3 討論

3.1 關(guān)于不同純林土壤的腐殖質(zhì)含量及構(gòu)成特征

胡敏酸是土壤腐殖質(zhì)最重要的組成成分，由于其具有大量邊緣官能團(tuán)和活躍的化學(xué)性質(zhì)，能與土壤養(yǎng)分和礦物產(chǎn)生作用，所以常用來(lái)表征土壤腐殖質(zhì)的品質(zhì)。土壤的腐殖化程度一般采用胡敏酸/富啡酸的比值表示，可反映腐殖質(zhì)的芳構(gòu)化和聚合程度以及穩(wěn)定性[9]。然而，也有一些研究表明，由于受到計(jì)算方法的限制可能導(dǎo)致胡敏酸/富啡酸比值的誤差較大，所以認(rèn)為胡敏酸/總腐殖質(zhì)比值更適于作為腐殖化程度的表征指標(biāo)[10]?？紤]到所研究土壤的差異和為了更加全面、客觀，本研究選取了上述兩種指標(biāo)并結(jié)合腐殖質(zhì)各組分的含量等來(lái)綜合考察8種純林土壤的腐殖質(zhì)特征，結(jié)果表明不同樹(shù)種林地土壤的腐殖質(zhì)含量和構(gòu)成均存在明顯的異化現(xiàn)象，這主要是不同樹(shù)種林木枯落物的性質(zhì)差異所致[11]。Trap等[12]對(duì)枯落物基質(zhì)質(zhì)量與腐殖質(zhì)形式之間的關(guān)系進(jìn)行分析，證明枯落物基質(zhì)質(zhì)量是影響森林熟化過(guò)程中腐殖質(zhì)形成和形式變化的主要因子，并指出枯落物的C/N、木質(zhì)素/N比值和N、K的含量均對(duì)腐殖質(zhì)形式的變化存在顯著影響。本文與Trap等的研究結(jié)論相似：白榆和白樺等枯落物含N高或C/N較低的闊葉喬木樹(shù)種(具體數(shù)值見(jiàn)參考文獻(xiàn)[13])形成的腐殖質(zhì)質(zhì)量也較好，而枯落物基質(zhì)質(zhì)量較差的油松分解過(guò)程受到限制，轉(zhuǎn)化的腐殖質(zhì)也就相對(duì)較少。這是由于木質(zhì)素是腐殖質(zhì)形成的重要碳源，其分解對(duì)腐殖質(zhì)形成具有重要的意義[14-15]，而基質(zhì)質(zhì)量差的枯落物含N量相對(duì)低，不能滿足微生物(尤其是在木質(zhì)素分解過(guò)程中具有重要地位的真菌)的生活需要[16]，從而影響到腐殖質(zhì)的累積量和構(gòu)成優(yōu)劣。同時(shí)，本研究的結(jié)果表明，枯落物某些微量元素含量的差異也對(duì)腐殖質(zhì)的形成和組成存在一定影響，這可能是由于這些微量元素參與了某些酶類的形成或者是其發(fā)揮活性的關(guān)鍵因子。例如本研究發(fā)現(xiàn)Mn的有效性提高不利于腐殖質(zhì)的形成，與Trap等[12]的結(jié)論相似。這是由于Mn是Mn-過(guò)氧化物酶的重要組成部分，而后者直接影響了木質(zhì)素的分解[17]，從而影響到腐殖化過(guò)程。沙棘的枯落物數(shù)量較少，即使具有較低的C/N比和相對(duì)高N含量，其形成的腐殖質(zhì)數(shù)量也較少。

總之，腐殖質(zhì)形成的數(shù)量和構(gòu)成受到枯落物類型、數(shù)量和質(zhì)量的制約，其中枯落物基質(zhì)質(zhì)量的作用最為重要。當(dāng)然，其他限制因子如樹(shù)種特殊化學(xué)成分(如多酚等影響分解的物質(zhì))[18]、微量元素(如Mn)、葉生理結(jié)構(gòu)(如角質(zhì)層、蠟質(zhì)厚度等)[19]等均可能對(duì)腐殖質(zhì)形成過(guò)程產(chǎn)生影響，其規(guī)律有待更為深入的探究。

3.2 關(guān)于腐殖質(zhì)特征與其他土壤性質(zhì)的關(guān)系

林地土壤腐殖質(zhì)的各組分含量均與全N、堿解N和CEC存在緊密的正相關(guān)關(guān)系，與黨亞愛(ài)和Fontana等[20-21]研究結(jié)果相同。表明土壤N含量與枯落物基質(zhì)質(zhì)量共同決定了土壤微生物的養(yǎng)分供應(yīng)，進(jìn)而影響到其對(duì)腐殖質(zhì)合成和分解的方向與速率。一些研究表明[22]，P的供應(yīng)也會(huì)限制土壤微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的利用與轉(zhuǎn)化，故土壤中P的含量也可能會(huì)對(duì)腐殖質(zhì)的形成和積累產(chǎn)生一定影響，本研究的結(jié)果支持了上述觀點(diǎn)。胡敏酸和富啡酸分別呈弱酸性和強(qiáng)酸性，其含量是影響土壤pH的重要因子，本研究的結(jié)果表明，腐殖酸含量總體與土壤酸堿性表現(xiàn)為相對(duì)明顯的負(fù)相關(guān)，這與Andersson等[23]的結(jié)果相似，與張林海等[24]的研究結(jié)果相反，證明pH對(duì)腐殖質(zhì)的各組分存在一定的反作用，影響其積累與分解的同時(shí)也影響其化學(xué)性質(zhì)的變化[25-26]。腐殖質(zhì)組分含量與微量元素含量的相關(guān)性方向多變，這與何蓉等[4]的研究結(jié)果相似，其原因則尚需進(jìn)一步的研究加以解釋。

前人研究發(fā)現(xiàn)，在林分發(fā)育過(guò)程中微生物數(shù)量會(huì)出現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象，與此同時(shí)，隨森林經(jīng)營(yíng)時(shí)間延長(zhǎng)和林分更新，森林土壤腐殖質(zhì)的質(zhì)量會(huì)有所下降[2]。本研究表明，微生物量C與腐殖質(zhì)組分間存在緊密的正相關(guān)，而與腐殖質(zhì)構(gòu)成指標(biāo)間存在較弱正相關(guān)，表明腐殖質(zhì)(含量和構(gòu)成)會(huì)隨微生物量的變化做出響應(yīng)，為上述發(fā)現(xiàn)提供了一定的機(jī)理解釋。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)蔗糖酶、蛋白酶和磷酸酶活性與腐殖質(zhì)某些組分呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這與閆德仁[27]的結(jié)果相反。而脫氫酶與胡敏素顯著負(fù)相關(guān)、過(guò)氧化物酶與腐殖質(zhì)組分含量呈現(xiàn)一定的正相關(guān)，與閆德仁的結(jié)果相同。表明前三者的活性提高可能提供了腐殖質(zhì)形成的一些前體物質(zhì)(如加速蛋白質(zhì)水解提供氨基酸)或者提供了有機(jī)質(zhì)分解的養(yǎng)分條件(如磷酸酶為微生物提供P)，且蔗糖等低分子物質(zhì)確實(shí)參與了腐殖質(zhì)的形成過(guò)程，這與竇森等的總結(jié)相似[16]。另有研究認(rèn)為，酶在土壤中以酶-腐殖質(zhì)復(fù)合體的形式存在[28]，從而保持其活性，但針對(duì)不同酶類的研究結(jié)果存在差異，其機(jī)理有待進(jìn)一步深入探討和驗(yàn)證。

不同有效態(tài)微量元素與腐殖質(zhì)的關(guān)系表現(xiàn)出較大差異，這可能與特定元素與腐殖物質(zhì)的絡(luò)合物穩(wěn)定程度有關(guān)。本研究結(jié)果表明，有效Cu與腐殖酸含量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，有效Zn則與胡敏素含量呈顯著正相關(guān)。這與吳炳孫等[29]的部分研究結(jié)果不符。其原因可能在于研究土壤的腐殖質(zhì)含量和結(jié)構(gòu)有所差異，且腐殖質(zhì)各組分含量不同情況下，對(duì)微量元素起主要“活化”或者“鈍化”作用的腐殖質(zhì)組分也有所變化[29]。此外，在高離子強(qiáng)度下，被土壤礦質(zhì)吸附的腐殖質(zhì)將因靜電作用被壓縮，其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[30]。這種作用也會(huì)影響微量元素及其他土壤性質(zhì)與腐殖質(zhì)特性之間的關(guān)系。

與多數(shù)研究不同，本研究中腐殖質(zhì)構(gòu)成指標(biāo)與土壤性質(zhì)的相關(guān)性總體上弱于腐殖質(zhì)含量與相應(yīng)土壤性質(zhì)的相關(guān)性，證明在研究區(qū)土壤條件下，與土壤理化生物學(xué)性質(zhì)關(guān)系更緊密的主要為腐殖質(zhì)各組分的絕對(duì)含量而非其組成結(jié)構(gòu)。此外，從本研究結(jié)果對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)意義來(lái)看，向土壤增施N肥可以促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成，增加K肥則有利于腐殖質(zhì)構(gòu)成的改善，而通過(guò)選擇適宜樹(shù)種混交以調(diào)節(jié)枯落物腐解和養(yǎng)分釋放過(guò)程[18,31]，從而改善歸還土壤的有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)[32]，或者通過(guò)增加林下植被以提高森林土壤的腐殖質(zhì)含量可能是解決研究區(qū)純林土壤退化現(xiàn)象的根本措施之一。

4 結(jié)論

(1)側(cè)柏林土壤腐殖質(zhì)含量最高，但腐殖化程度和穩(wěn)定性一般；白榆和白樺林土壤的腐殖質(zhì)含量中等、腐殖化程度和穩(wěn)定性最佳；茶條槭和小葉楊林土壤的腐殖質(zhì)含量和構(gòu)成均為中等水平；油松、刺槐和沙棘林土壤的腐殖質(zhì)質(zhì)量較低，且腐殖化程度較低，穩(wěn)定性相對(duì)最差。

(2)與胡敏酸含量存在顯著相互促進(jìn)作用的土壤性質(zhì)為CEC、N(全N和堿解N)、微生物量和蛋白酶活性，存在顯著相互抑制作用的為有效Cu；與富啡酸存在顯著相互促進(jìn)作用的為N、CEC、微生物量、蔗糖酶和磷酸酶活性，存在顯著相互抑制作用的為有效Cu；與胡敏素存在顯著相互促進(jìn)作用的為N、CEC、微生物量、磷酸酶活性和有效Zn，存在顯著相互抑制作用的為脫氫酶活性。

(3)腐殖質(zhì)構(gòu)成與其他性質(zhì)的相關(guān)性均不顯著，其中，相對(duì)有利于提高胡敏酸/腐殖酸含量之比的土壤性質(zhì)為蛋白酶、蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性；相對(duì)有利于提高胡敏酸/富啡酸含量之比的為速效K、CEC和脲酶活性。脫氫酶活性的提高最不利于腐殖質(zhì)良好構(gòu)成的形成。

(4)總體而言，土壤腐殖質(zhì)含量較之腐殖質(zhì)構(gòu)成與其他性質(zhì)之間具有更大的相關(guān)性，在實(shí)踐中向土壤增施N肥可以促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成，增加K肥則有利于腐殖質(zhì)構(gòu)成的改善，而通過(guò)混交改造或增加林下植被是促進(jìn)純林土壤腐殖質(zhì)化過(guò)程和解決土壤退化的根本措施。

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Humus differentiation and correlation with other soil properties under pure forest in semi-arid loess hilly area

ZHANG Xiaoxi1, LIU Zengwen2,3, ZHU Bochao2, BING Yuanhao4, YU Qi4, Luc Nhu Trung1,5

1InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestAgricultuceandForestryUniversity,Yangling712100,China2CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestAgricultuceandForestryUniversity,Yangling712100,China3KeyLaboratoryforAgriculturalResourcesandEnvironmentalRemediationinLoessPlateauofAgricultureMinistryofChina,Yangling712100,China4CollegeofForestry,NorthwestAgricultuceandForestryUniversity,Yangling712100,China5DepartmentofAgricultureRuralDevelopmentofLaoCai,LaoCaiCity330100,Vietnam

Long-term growth or continued planting of pure forests which composed of one single species would cause soil humus differentiation both in content and composition, so studying the characteristics of humus differentiation and its correlation with other soil properties may provide scientific basis for the management and reformation of pure forests. In this study, 8 typical pure forest soils in Nanniwan forest station (which located at the semi-arid loess hill area) were sampled from 24 plots and their humus and other soil properties were measured systematically. The results showed that: (1) the soil fromPlatycladusorientalisforest had the highest humus content (34.61 g/kg) but moderate humification degree and stability; the soils fromUlmuspumilaandBetulaplatyphyllahad moderate humus content (19.69—23.58 g/kg) but highest humification degree and stability; the soils fromAcerginnalaandPopulussimoniiforestshad both moderate humus content (20.59—22.53 g/kg) and composition; the soils fromPinustabulaeformis,HippophaerhamnoidesandRobiniapseudoaciaforests had both low humus content (11.77—13.81 g/kg) and lowest humification degree and stability. (2) According to correlation analysis among humus content and other soil properties, humic acid had significant (P<0.05) positive interaction with CEC, N (total and available N), microbe biomass and protease activity (correlation coefficient 0.769—0.926, the same below), but significant negative with available Cu (-0.793); fulvic acid had significant positive interaction with N, CEC, microbe biomass, sucrase and phosphatase activities (0.836—0.955), but significant negative with available Cu (-0.822); humin had significant positive interaction with N, CEC, microbe biomass and phosphatase activity and available Zn (0.766—0.951), but significant negative with dehydrogenase activity (-0.784). (3) According to correlation analysis among humus composition and other soil properties, no significant correlation (P>0.05) among humus composition and other soil properties was observed. However, the ratio of humic acid/total humus acid would be enhanced by protease, sucrase and peroxidase to some extent, but restrained by dehydrogenase; the ratio of humic acid/fulvic acid would be enhanced by available K, CEC and urease to some extent, but restrained by dehydrogenase. (4) In general, humus content had more observable correlation with other soil properties than humus composition Increasing N fertilize and increasing K fertilize were helpful for the improvement of humus content and composition, respectively. Forming mixed forests or increasing the undergrowth was the essential measure to promote the soil humification process and to solve the problem of soil degradation.

pure forest; humus; differentiation characteristic; soil properties

國(guó)家自然科學(xué)基金(30471376)

2013-05-20;

日期:2014-04-25

10.5846/stxb201305201116

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zengwenliu2003@aliyun.com.cn

張曉曦，劉增文，朱博超，邴塬皓，于齊，Luc Nhu Trung.半干旱黃土丘陵區(qū)純林土壤腐殖質(zhì)異化特征及與其他性質(zhì)的關(guān)系.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(6):1779-1787.

Zhang X X, Liu Z W, Zhu B C, Bing Y H, Yu Q, Luc Nhu Trung.Humus differentiation and correlation with other soil properties under pure forest in semi-arid Loess Hilly Area.Acta Ecologica Sinica,2015,35(6):1779-1787.