植被恢復對典型黑土表層土壤團聚體水解酶活性的影響1)

齊思明 韓瑛 陳祥偉

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

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植被恢復對典型黑土表層土壤團聚體水解酶活性的影響1)

齊思明 韓瑛 陳祥偉

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

以典型黑土區(qū)耕地和14、23、50年生落葉松人工林表層土壤為研究對象，通過混合土壤和不同粒徑(d)干篩團聚體中蔗糖酶、β-D葡萄糖苷酶、磷酸酶活性及土壤酶活性幾何平均數(shù)等指標的測定、計算與分析，以期探究混合土壤和干篩團聚體之間酶活性的差異，揭示植被恢復對土壤團聚體水解酶活性的影響。結果表明，混合土壤酶活性顯著低于團聚體酶活性(P<0.05)，表現(xiàn)出團聚體對土壤酶具有明顯保護作用。植被恢復不同程度的提高了混合土壤和團聚體酶活性，其中以提高d≤1.00 mm各粒徑團聚體酶活性及綜合指標達到顯著水平(P<0.05)，d≤1.00 mm粒徑團聚體酶活性可以作為定量表征黑土區(qū)土壤生境質量變化的敏感指標。

黑土；植被恢復；團聚體；酶活性

土壤水解酶是存在于土壤中一種重要酶類，是催化土壤中各種底物參加水解反應的一類生物活性物質[1]，它不僅參與土壤生物化學反應及物質循環(huán)過程[2]，而且對外界環(huán)境條件引起的變化較為敏感，常被作為表征土壤質量變化的敏感指標[3]。土壤水解酶的種類和數(shù)量繁多，不同種類的酶參與不同的生物化學反應，其活性在一定程度上反映了土壤所處的狀況，與土壤質量和土壤性狀有著密切聯(lián)系。

東北黑土區(qū)是我國重要的商品糧生產基地，為維系國家糧食安全做出巨大貢獻的同時，因自然因素和人類活動的雙重影響而導致土壤侵蝕退化問題日益凸顯。為了有效遏制土壤侵蝕退化，長期以來在黑土區(qū)開展了大量的水土保持防護林體系建設與植被恢復工作，取得了顯著成效[4-6]，先后從土壤物理性質與結構[7]、濺蝕特征[8]、土壤微生物[9]以及土壤酶活性[10]等角度探討了植被恢復對黑土生境質量的影響。然而，在以往研究土壤酶活性時多以過篩后均勻混合的土壤樣品(簡稱混合土壤)為研究對象[11]，很少考慮到土壤團聚體微域生鏡中酶活性的變化。事實上，不同粒徑土壤團聚體的形成環(huán)境和膠結類型不同，常導致其穩(wěn)定性及內部物質組成等表現(xiàn)出特殊性，進而導致不同粒徑土壤團聚體之間酶活性的差異。為此，以黑土區(qū)不同林齡落葉松林地表層土壤為研究對象，通過對比分析不同粒徑土壤團聚體酶活性的差異，旨在探討土壤團聚體酶活性是否較混合土壤酶活性在評價土壤質量變化過程中更為敏感，進而闡明植被恢復對土壤團聚酶活性影響的時效性，以期為黑土區(qū)侵蝕退化土壤生態(tài)修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集與制備

研究地點位于屬典型黑土區(qū)的黑龍江省西北部克山農場境內。2015年7月，選擇立地條件相近、林齡分別為14、23、50年生的落葉松(Larixgmelinii)人工純林為研究對象，分別設置20 m×20 m臨時樣地，以相鄰的耕地為對照。在設置的樣地內按“S”型布設5個取樣點，分別采集0～10 cm和10～20 cm土壤樣品，等量混合，自然風干后過2 mm土壤篩用于土壤基本化學性質及土壤酶活性的測定。同時采集原狀土，用干篩法測定土壤團聚體組成，分別收集d>5.00 mm、5.00 mm≥d>2.00 mm、2.00 mm≥d>1.00 mm、1.00 mm≥d>0.50 mm、0.50 mm≥d>0.25 mm、d≤0.25 mm各粒徑(d)的土壤團聚體用于團聚體酶活性的測定。樣地基本特征見表1。

表1 樣地林分特征及土壤基本理化性質

注：表中數(shù)據(jù)表示平均值±標準差，同列不同字母表示同一指標在不同樣地間差異顯著(P<0.05)。

1.2 指標及測定方法

蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，β-D葡萄糖苷酶采用硝基對比色法測定，磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定[12]。土壤水解氮采用堿解-擴散法測定，全磷采用硫酸-高氯酸-鉬銻抗比色法測定，速效磷采用氟化銨-鹽酸浸提，鉬藍比色法測定[13]，土壤有機碳采用TOC儀(MultiEA400)測定。

土壤酶活性的幾何平均數(shù)(Geometric mean，Mg)[14]是綜合評價土壤酶活性的指標，可用來定量反映土壤質量的變化。計算公式為：

式中:EInv為蔗糖酶活性；EGlu為β-D葡萄糖苷酶活性；EPho為磷酸酶活性。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel2007對數(shù)據(jù)進行處理，運用SPSS18.0統(tǒng)計分析軟件通過單因素方差分析的LSD法對數(shù)據(jù)進行差異性檢驗。

2 結果與分析

2.1 土壤干篩團聚體粒徑分布

測定結果表明，林地與耕地土壤不同粒徑團聚體組成比例分配規(guī)律明顯不同。耕地表層土壤團聚體組成以d>5.00 mm粒徑為主，其組成比例可達50%以上，且隨團聚體粒徑減小組成比例逐漸降低。與耕地土壤相比，林地土壤團聚體組成則以5.00 mm≥d>2.00 mm、2.00 mm≥d>1.00 mm粒徑為主，不僅顯著降低了d>5.00 mm粒徑團聚體的比例而且顯著增加了中、小粒徑團聚體的比例(P<0.05)，表現(xiàn)出隨團聚體粒徑減小組成比例增加幅度不斷增加的趨勢(見表2)。

表2 各樣地土壤干篩團聚體組成比例

注：表中數(shù)據(jù)表示平均值±標準差，同列不同字母表示同一粒徑下不同樣地間團聚體比例差異顯著(P<0.05)。

從表2還可以看出，不同植被恢復年限落葉松林地表層土壤團聚體組成比例分配同樣表現(xiàn)出一定的差異性。隨植被恢復時間的延長，顯著增加了2.00 mm≥d>1.00 mm粒徑的團聚體比例、顯著降低了d>5.00 mm粒徑的大團聚體比例(P<0.05)，而其他粒徑的團聚體比例無顯著性差異或表現(xiàn)出波動性變化規(guī)律。

2.2 土壤蔗糖酶活性變化

蔗糖酶是參與土壤有機碳循環(huán)的酶，其活性反映了土壤有機碳的積累與分解轉化的規(guī)律。測定結果表明，除50年生林地土壤d>1.00 mm粒徑團聚體外，無論耕地土壤還是林地土壤各粒徑團聚體蔗糖酶活性均顯著高于混合土壤的酶活性(P<0.05)；與耕地土壤相比，林地土壤和團聚體蔗糖酶活性均顯著高于耕地土壤(見表3)。由此表明，林地土壤提高了對蔗糖酶活性的保護是通過不同粒徑土壤團聚體酶活性得以實現(xiàn)的。

由表3可知，不同粒徑土壤團聚體蔗糖酶活性間的差異整體上表現(xiàn)出隨粒徑減小、酶活性逐漸升高趨勢，但峰值出現(xiàn)的團聚體粒徑有所不同，耕地土壤蔗糖酶活性的最大值出現(xiàn)在2.00 mm≥d>1.00 mm粒徑團聚體上，而林地土壤則主要出現(xiàn)在1.00 mm≥d>0.50 mm粒徑團聚體。此外，植被恢復對不同粒徑土壤團聚體蔗糖酶活性的影響規(guī)律有所不同。其中，d>1.00 mm粒徑土壤團聚體則隨植被恢復年限增加表現(xiàn)出波動性變化，甚至至植被恢復50 a時出現(xiàn)顯著降低的趨勢(P<0.05)；而d≤1.00 mm粒徑土壤團聚體表現(xiàn)出蔗糖酶活性隨植被恢復年限增加而顯著增大的一致性規(guī)律(P<0.05)，表明植被恢復對蔗糖酶活性的保護以d≤1.00 mm粒徑團聚體為主。

表3 土壤干篩團聚體蔗糖酶活性測定結果

注：表中數(shù)據(jù)表示平均值±標準差，同列不同小寫字母表示同一粒徑不同樣地間酶活性差異顯著(P<0.05)，同列不同大寫字母表示同一樣地不同粒徑酶活性差異顯著(P<0.05)。

2.3 土壤β-D葡萄糖苷酶活性變化

β-D葡萄糖苷酶具有生物催化作用，其水解產物(糖類)是微生物的主要來源，其活性對有機碳復合物的降解過程會產生重要影響[15]。研究發(fā)現(xiàn)，與蔗糖酶活性的變化有所不同(見表3、表4)，無論耕地土壤還是林地土壤整體上表現(xiàn)為d>1.00 mm各粒徑團聚體β-D葡萄糖苷酶活性差異未達顯著水平或低于混合土壤，而d≤1.00 mm各粒徑團聚體的酶活性則顯著高于混合土壤(P<0.05)。與耕地土壤相比，林地土壤粒徑團聚體和混合土壤β-D葡萄糖苷酶活性均相對較高水平(P<0.05)，進一步證明了植被恢復顯著增強了對土壤酶活性的保護能力。

表4 土壤干篩團聚體β-D葡萄糖苷酶活性測定結果

注：表中數(shù)據(jù)表示平均值±標準差，同列不同小寫字母表示同一粒徑不同樣地間酶活性差異顯著(P<0.05)，同列不同大寫字母表示同一樣地不同粒徑酶活性差異顯著(P<0.05)。

由表4可知，不同粒徑耕地土壤團聚體β-D葡萄糖苷酶活性以d≤0.25 mm粒徑團聚體最高，并表現(xiàn)出隨團聚體粒徑減小酶活性顯著增大的趨勢(P<0.05)。不同粒徑林地土壤團聚體β-D葡萄糖苷酶活性則呈現(xiàn)出波動性變化，其中，對d>1.00 mm的小粒徑團聚體而言，酶活性差異未達顯著水平或表現(xiàn)有降低的趨勢，而對d≤1.00 mm的小粒徑團聚體來說，隨團聚體粒徑減小酶活性顯著增大的趨勢(P<0.05)，表明與蔗糖酶有所不同，植被恢復對土壤β-D葡萄糖苷酶活性的保護以以d≤0.50 mm粒徑團聚體為主。

2.4 土壤磷酸酶活性變化

磷酸酶可促進磷酸脂類或磷酸酐的水解，其活性高低直接影響著土壤有機磷的釋放及其生物有效性。測定結果表明，與蔗糖酶和β-D葡萄糖苷酶活性的變化明顯不同(參見表3、表4)，無論耕地還是林地，混合土壤磷酸酶活性均顯著低于各粒徑土壤團聚體酶活性(P<0.05)，并整體上呈現(xiàn)出隨土壤團聚體粒徑的減小磷酸酶活性增加的一致性規(guī)律。與耕地相比，林地均顯著提高了混合土壤和各粒徑土壤團聚體磷酸酶的活性(P<0.05)，且表現(xiàn)出隨著植被恢復的時間延長土壤磷酸酶活性有所增大的趨勢(表5)。由此表明，所研究的3種類型水解酶中磷酸酶在定量評價植被恢復對土壤生境質量影響中具有更高的敏感性。

2.5 土壤酶活性綜合指標

土壤酶活性的幾何平均數(shù)Mg是指示土壤生物質量的綜合評價指標，通過該指標可將多個生物性指標簡化為單一值來反映土壤環(huán)境的微小變化[16]。由計算結果可知，所研究的耕地和林地混合土壤酶活性幾何平均數(shù)的變化范圍為4.80～8.40，而團聚體酶活性幾何平均數(shù)的變化范圍則在7.73～17.47之間。土壤酶活性綜合指標均表現(xiàn)出混合土壤酶活性幾何平均數(shù)顯著低于團聚體酶活性幾何平均數(shù)(P<0.05)，表明土壤團聚體確實具有更高的酶活性保護能力(見表6)。

表5 土壤干篩團聚體磷酸酶活性測定結果

注：表中數(shù)據(jù)表示平均值±標準差，同列不同小寫字母表示同一粒徑不同樣地間酶活性差異顯著(P<0.05)，同列不同大寫字母表示同一樣地不同粒徑酶活性差異顯著(P<0.05)。

表6 土壤酶幾何平均數(shù)計算結果

注：表中數(shù)據(jù)表示平均值±標準差，同列不同小寫字母表示同一粒徑不同樣地間土壤酶幾何平均數(shù)差異顯著(P<0.05)，同列不同大寫字母表示同一樣地不同粒徑土壤酶幾何平均數(shù)差異顯著(P<0.05)。

由表6可知，植被恢復顯著促進了對土壤水解酶活性的保護。從混合土壤酶活性幾何平均數(shù)來看，林地土壤較耕地顯著提高了綜合酶活性(P<0.05)，且表現(xiàn)出隨著植被恢復年限的增加土壤酶活性顯著增強的一致性規(guī)律。就土壤團聚體而言，酶活性幾何平均數(shù)均表現(xiàn)出隨著粒徑的減小而顯著增大的趨勢，但不同粒徑之間的增加幅度有所差異。隨著植被恢復時間的延長，d≤1.00 mm各粒徑團聚體酶活性幾何平均數(shù)顯著增大(P<0.05)，而d>1.00 mm各粒徑團聚體酶活性幾何平均數(shù)則出現(xiàn)波動或未達顯著水平。這進一步證明了，黑土區(qū)植被恢復對土壤團聚體酶的綜合保護能力確實有所提高，但以d≤1.00 mm各粒徑團聚體為主。

3 討論

本次研究驗證了典型黑土區(qū)混合土壤酶活性均低于團聚體酶活性，這與鐘曉蘭的研究結果相吻合[17]，說明團聚體對酶具有保護作用。產生這種差異原因可能在于，團聚體具有容積密度大、孔隙小、易彎曲等特性，降低了外部微生物進入到團聚體內部的機會，從而對團聚體內部微生物、有機質、酶起到了物理保護作用。此外，Six研究發(fā)現(xiàn)大團聚體由小團聚體和和有機質等膠結劑結合而成[18]，其中包裹著較多的顆粒有機碳[19]，這為團聚體內酶提供了充足的基質，進而導致團聚體內部酶活性高于混合土壤。

植被恢復能不同程度的改善黑土土壤酶活性，主要表現(xiàn)為不同林齡落葉松林均不同程度的提高了黑土混合土壤和d≤1.00 mm各粒徑團聚體蔗糖酶、β-D葡萄糖苷酶、磷酸酶活性和酶活性幾何平均數(shù)。這是由于人工林植被在造林初期林木通過凋落物等形式返還量少，有機質含量低，但隨著林齡增加，林木的枝、葉、樹干和根的生物量不斷增加，累積的枯枝落葉分解成有機物的量逐漸增多，導致酶的底物增加，進而誘導酶活性增強[20]。此外，在植被恢復過程中，小粒徑團聚體先形成[18]，包裹在大團聚體內部的小團聚體具有其穩(wěn)定的有機物質、酶及其底物。隨著恢復年限增加，促進了微生物的生長繁殖，提高了酶與這些穩(wěn)定底物相互作用，而提高了d≤1.00 mm各粒徑團聚體酶活性?？梢哉J為土壤中d≤1.00 mm各粒徑團聚體酶活性可以作為反映土壤酶活性變化的敏感指標，加強d≤1.00 mm粒徑團聚體的保護對科學保護和利用黑土資源、維系和提高土壤生境質量具有重要意義。

此外，與混合土壤和不同粒徑團聚體蔗糖酶、β-D葡萄糖苷酶相比，植被恢復對磷酸酶活性的提高幅度較大，表明磷酸酶活性在定量評價植被恢復對土壤生境質量影響效果中更為敏感。

4 結論

典型黑土區(qū)無論是耕地還是林地混合土壤水解酶活性明顯低于干篩團聚體酶，表明土壤團聚體對酶活性具有保護隔離作用。所研究的蔗糖酶、β-D葡萄糖苷酶以及磷酸酶中以磷酸酶活性更為敏感。

植被恢復可以不同程度的提高黑土混合土壤和不同粒徑團聚體酶活性。隨植被恢復時間的延長，d≤1.00 mm各粒徑團聚體酶活性及綜合指標均得以顯著提高(P<0.05)，可認為d≤1.00 mm粒徑團聚體酶活性可以作為定量表征黑土區(qū)土壤生境質量變化的敏感指標。

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Effect of Vegetation Restoration on Soil Aggregates Enzyme Activity in Typical Black Soil Region//

Qi Siming, Han Ying, Chen Xiangwei
(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(6)：42-46.

Black soil; Vegetation recovery; Aggregates; Enzyme activity

齊思明，女，1992年10月生，東北林業(yè)大學林學院，碩士研究生。E-mail：742830032@qq.com。

陳祥偉，東北林業(yè)大學林學院，教授。E-mail：chenxwnefu@163.com。

2017年3月22日。

S152.4

1)國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201404202)。

責任編輯：潘 華。

The experiment was conducted to explore the differences of enzyme activities between homogenized soil and dry-sieved aggregates and reveal the effects of vegetation restoration on hydrolase activities in soil aggregates, and the topsoil in typical black soil region fromLarixgmeliniplantations at 14, 23 and 50 year-old and from farm-land was collected and compared by determining invertase,β-D-glucosidase, phosphatase activities, geometric mean of enzyme activities (Mg) and other related soil properties. The enzyme activity in homogenized soil was significantly (P<0.05) lower than those in aggregates, representing an obvious protective effect of aggregates on soil enzymes. Vegetation restoration improved enzyme activities both in homogenized and aggregates to various degrees and enzyme activities occlude in aggregates smaller than 1.00 mm withP<0.05, and other comprehensive indexes were also parallel higher. Therefore, enzyme activities withind≤1.00 mm size aggregates could be used as a sensitive index to quantitatively characterize the quality changes of soil habitat in black soil regions.