伊犁河谷沙棗等4種林分類型土壤養(yǎng)分和酶活性特征

桑巴葉，朱玉偉，陳啟民，王永紅，褚奮飛

(新疆林科院造林治沙研究所，新疆 烏魯木齊 830063)

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤與植被密不可分，構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的功能體系。土壤為森林植物及生物提供生長定居的機(jī)械支持和物質(zhì)基礎(chǔ)。森林植物在生長過程中所需養(yǎng)分極大部分通過植物本身新陳代謝過程中或自然條件調(diào)節(jié)所形成的凋落物、動(dòng)物殘?bào)w在土壤中經(jīng)過分解成小分子化合物，供給森林植物生命所需[1,2]。土壤酶也同樣發(fā)揮著重要作用，土壤酶參與土壤中的一切生物化學(xué)過程，催化了土壤中眾多生化反應(yīng)[3,4]。由于土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)、土壤生物數(shù)量和生物多樣性等密切相關(guān)，因此可以作為評價(jià)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤肥力和熟化程度的重要指標(biāo)[5]。不同的森林類型提供的物質(zhì)基礎(chǔ)的差異，影響微生物種群數(shù)量變化的同時(shí)亦影響土壤物理化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分?jǐn)?shù)量[6,7]，造成森林土壤生產(chǎn)力的差異。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對土壤類型、土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性等方面進(jìn)行了廣泛研究。土壤養(yǎng)分研究內(nèi)容涉及養(yǎng)分時(shí)間動(dòng)態(tài)變化、土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量、土壤養(yǎng)分的空間動(dòng)態(tài)變化等方面[8]。關(guān)于林分類型對土壤理化性質(zhì)的影響，已經(jīng)取得了重要的研究成果[9]。土壤酶作為土壤質(zhì)量的生物活性指標(biāo)，自20 世紀(jì) 80 年代以來已經(jīng)被大量研究[10]。對土壤生態(tài)因子和林分類型與土壤酶之間的相互關(guān)系十分關(guān)注，并做了相應(yīng)的研究與報(bào)道[11]。關(guān)于伊犁河谷森林土壤養(yǎng)分與酶活性方面研究僅局限于單一林分、單一酶活性或養(yǎng)分[12，13]、不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分和酶活性研究[14]等方面，其他相關(guān)研究報(bào)道極少。伊犁河谷位于新疆西天山地區(qū),是新疆及天山氣候最濕潤、降水最豐沛、植被土壤發(fā)育最良好的地區(qū)，森林覆蓋率為7.9%，林、草植被覆蓋率高達(dá)67.7%，被喻為新疆干旱區(qū)的一塊“濕島”。伊犁河谷林分多樣，存在著長期選擇和演替的規(guī)律性變化，故對不同林分下土壤養(yǎng)分和酶活性特征的研究十分必要，將會(huì)更加充分地理解植被狀況對土壤質(zhì)量和環(huán)境的潛在影響，最終為森林土壤質(zhì)量的評價(jià)提供依據(jù)。因此，本研究以伊犁河谷地區(qū)為研究區(qū)域，選擇當(dāng)?shù)氐湫偷?種林分為研究對象，分析土壤養(yǎng)分和土壤酶的變化狀況。通過研究不同林分土壤養(yǎng)分和酶活性變化規(guī)律，為伊犁河谷地區(qū)造林適地適樹、合理配置提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

伊犁河谷位于中國天山山脈西部，準(zhǔn)噶爾盆地西南緣，屬南天山、北天山分隔而成的由斷陷盆地與山間河谷間布的中亞內(nèi)陸河流域。地理位置80°09′42″—84°56′50″ E，42°14′16″—44°53′30″ N。三面環(huán)山，流域地跨中溫帶大陸性氣候和高山氣候類型，氣候溫和濕潤，晝夜溫差大。年均降水量200～800 mm，降水隨高程上升明顯增多。平均海拔高度為477～1 701 m，氣候溫和濕潤，降水量充足，是中國唯一的溫帶大陸性氣候地區(qū)，部分地區(qū)屬于高山氣候。伊犁河谷地域遼闊，資源豐富，素有“塞外江南”的美稱。土壤類型多樣，包括潮土、灌耕土、草甸土、黑鈣土、栗鈣土、灰鈣土、沼澤土等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與土壤采集 選取沙棗、新疆楊、加小楊×俄羅斯楊、白榆4種林分為研究對象，均為成熟林，在每個(gè)林分的典型地段各設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地規(guī)格為林帶寬×50m，進(jìn)行林地狀況調(diào)查,每塊樣地設(shè)3 個(gè)重復(fù)(表1)。土壤采集方法按照多點(diǎn)混合采樣法，按“S”形隨機(jī)采取5個(gè)樣點(diǎn)的土樣，在每個(gè)樣點(diǎn)取0～20 cm和20～40 cm土層土樣，將相同土層的樣品混合，去除石塊、根系和土壤動(dòng)物等，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、過篩后貯存?zhèn)溆谩?/p>

不同林分基本概況見表1。

表1 不同林分樣地基本概況

1.2.2 測定指標(biāo)及測定方法 土壤化學(xué)性質(zhì)測定[15]：土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定；土壤全磷采用氫氧化鈉熔融、鉬銻鈧比色法測定。土壤全鉀采用氫氧化鈉堿熔、火焰光度計(jì)法測定。土壤水解氮采用堿解擴(kuò)散法。速效磷用鉬銻抗比色法，速效鉀用醋酸銨浸提、火焰光度計(jì)法測定，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法--外加熱法。

土壤酶活性測定[16]：土壤過氧化氫酶和脲酶采用《土壤酶及其研究法》進(jìn)行測定。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2007和SPSS 19.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分特征

表2 不同林分樣地土壤化學(xué)性質(zhì)

注：數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，小寫字母表示土壤同層不同模式之間存在顯著性差異(P<0.05)

樹種影響著環(huán)境中水分、土壤、植物和微生物之間的相互作用，樹種不同，土壤養(yǎng)分就會(huì)呈現(xiàn)出不同的差異。由表2可知，不同林分樣地土壤養(yǎng)分之間差異較明顯。土壤有機(jī)質(zhì)能改變土壤物理結(jié)構(gòu)、通氣性及透氣性，是微生物、土壤酶和礦物質(zhì)的有機(jī)載體。0～20 cm土層新疆楊林分的有機(jī)質(zhì)含量最高，與其他模式之間差異顯著(P<0.05),加小×俄、沙棗和白榆林分之間差異不顯著(P>0.05)。白榆林和沙棗林20～40 cm土層有機(jī)質(zhì)含量分別為最高和最低。各林分土壤有機(jī)質(zhì)平均含量高低順序?yàn)椋盒陆畻盍?白榆林>加小×俄林>沙棗林。除白榆林外，其余林分均隨土層深度增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，其中新疆楊林降幅最大。

土壤全氮在2個(gè)土層之間表現(xiàn)出了相似的規(guī)律，各林分間全氮含量差異不大，各林分土壤全氮均值：白榆林>新疆楊林>加小×俄林>沙棗林。白榆林0～20 cm土層堿解氮含量最高，與其他模式之間有顯著差異，2個(gè)土層堿解氮高低順序一致，均為白榆林>加小×俄林>沙棗林>新疆楊林。

從表2可以看出，各林分土壤全磷含量總體較低，范圍在0.31～0.46 gkg-1間。2個(gè)土層中白榆林全磷含量最高，最低為加小×俄林。各模式林分土壤全磷均值表現(xiàn)為白榆林>沙棗林>新疆楊林>加小×俄林。各林分間土壤速效磷含量相差較大，2個(gè)層次的含量在3.97～43.5 mgkg-1之間，速效磷含量最高值為最低值的11倍。0～20 cm土層含量最高的白榆林為最低的沙棗林的9.67倍，20～40 cm土層相同情況，最高為最低的4.79倍。隨土壤深度增加，有效磷含量急劇降低，其中新疆楊林和白榆林降幅最大。白榆林與其他模式之間差異顯著，其他各模式之間差異不顯著。有效磷均值高低順序?yàn)椋喊子芰?新疆楊林>加小×俄林>沙棗林。

4種林分2個(gè)層次土壤全鉀的含量在24.68～26.84 gkg-1之間，速效鉀含量在113.33～451.00 mgkg-1之間，均屬于較高水平。各林分及2個(gè)層次之間全鉀含量變化幅度小。各林分土壤全鉀均值排序：加小×俄林>沙棗林>白榆林>新疆楊林。沙棗林速效鉀含量在2個(gè)土層中最高，加小×俄林含量最低。2個(gè)土層中新疆楊林、沙棗林和白榆林速效鉀含量均屬很高水平，均與加小×俄林之間差異顯著。各林分土壤速效鉀均值表現(xiàn)為沙棗林>白榆林>新疆楊林>加小×俄林。

2.2 土壤酶活性特征

圖1表明，不同林分土壤土層酶活性的變化趨勢基本一致，0～20 cm土層酶活性均高于20～40 cm土壤酶活性。

圖1 不同林分土壤酶活性

圖中線段為標(biāo)準(zhǔn)差，字母表示同一土層同一酶活性在不同林分中的差異性，字母不同表示顯著差異，P<0.05

土壤酶是土壤生物化學(xué)反應(yīng)的催化劑,它參與土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程與循環(huán),促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解,反映土壤生物活性的大小。脲酶參與有機(jī)態(tài)氮素的分解作用,專門水解有機(jī)氮轉(zhuǎn)化過程的中間產(chǎn)物尿素,使其轉(zhuǎn)化成氨為林木利用。新疆楊林0～20 cm土層土壤脲酶活性最高，為2.32 mgg-1，白榆林20～40 cm脲酶活性最高，為1.61 mgg-1。沙棗林脲酶活性最低，0～20 cm土層為0.86 mgg-1，20～40 cm僅為0.40 mgg-1。不同林分土壤脲酶活性高低排序?yàn)榘子芰?新疆楊林>加小×俄林>沙棗林。

過氧化氫酶是土壤中一種重要的氧化還原酶，參與土壤物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化過程，具有分解土壤中對植物有害的過氧化氫的作用。不同林分0～20 cm土層土壤過氧化氫酶活性變化范圍在0.80～1.57 mgg-1，20～40 cm土層在0.87～1.50 mgg-1。新疆楊林和沙棗林酶活性較高，與其他2個(gè)林分之間差異顯著，不同林分土壤過氧化氫酶的排列順序?yàn)樾陆畻盍?沙棗林>加小×俄林>白榆林。

2.3 土壤酶與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

土壤酶活性與土壤養(yǎng)分之間存在密切的相關(guān)關(guān)系[17，18]，土壤養(yǎng)分含量的高低制約著土壤酶活性的大小，反之，土壤酶活性的反饋?zhàn)饔檬沟猛寥鲤B(yǎng)分含量發(fā)生變化。為此，我們對土壤酶活性與土壤養(yǎng)分之間進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明(表3)，在表土層，脲酶和除全鉀外其他呈正相關(guān)，其中和速效磷呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；過氧化氫酶和全鉀、速效鉀、有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)，和其他養(yǎng)分指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，其中和速效磷、堿解氮關(guān)系最為密切，呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。在底土層，脲酶和全鉀呈負(fù)相關(guān)，與其他養(yǎng)分指標(biāo)呈正相關(guān)，其中和速效磷呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，和有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；過氧化氫酶和全磷、速效鉀呈正相關(guān)，和其他呈負(fù)相關(guān)，其中和堿解氮、速效磷呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

在整個(gè)土層中，脲酶和全鉀呈負(fù)相關(guān)，和其他養(yǎng)分指標(biāo)呈正相關(guān)，其中和全磷、速效磷、有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),和全氮、堿解氮呈顯著相關(guān)(P<0.05)；過氧化氫酶和全鉀、速效鉀、有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，和其他養(yǎng)分指標(biāo)負(fù)相關(guān)，其中和堿解氮、速效磷呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。因此，不同林分類型的土壤酶活性與土壤養(yǎng)分之間存在著相關(guān)關(guān)系，故土壤酶活性高低情況可作為評價(jià)土壤肥力的指標(biāo)。

表3 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分的相關(guān)分析

**.在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。*. 在0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。n=24。

3 討論與結(jié)論

3.1 在同一林分內(nèi)，土壤養(yǎng)分主要集中在表土層，不同林分土壤肥力狀況有明顯的差異，各林分土壤全氮和全鉀含量均在一個(gè)水平上，林分之間差異不大，沙棗林的速效鉀含量最高，新疆楊林和白榆林含量也較高，白榆林土壤堿解氮和有效磷含量最高，新疆楊林有機(jī)質(zhì)含量最高。

3.2 土壤酶活性對土壤養(yǎng)分的流動(dòng)與轉(zhuǎn)化起著重要作用，可以客觀地反映土壤質(zhì)量狀況。土壤酶活性不僅與土壤理化性質(zhì)有關(guān)，而且與林分類型也密切相關(guān)。在土壤中，脲酶和過氧化氫酶活性隨土層的增加而減小。在整個(gè)土層中土壤脲酶活性排序?yàn)榘子芰?新疆楊林>加小×俄林>沙棗林；過氧化氫酶活性排序?yàn)樾陆畻盍?沙棗林>加小×俄林>白榆林。

3.3 土壤養(yǎng)分與土壤酶活性之間存在一定的相關(guān)性。在整個(gè)土層中，脲酶和全鉀呈負(fù)相關(guān)，和其他養(yǎng)分指標(biāo)呈正相關(guān)；過氧化氫酶和全鉀、速效鉀、有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，和其他養(yǎng)分指標(biāo)負(fù)相關(guān)。本研究結(jié)果同李傳榮[19]的研究結(jié)果一致，但與其他多數(shù)文獻(xiàn)結(jié)果不同。研究發(fā)現(xiàn)土壤中過氧化氫酶、脲酶活性與土壤主要養(yǎng)分因子間均存在極顯著或顯著的正相關(guān)關(guān)系[17]。這種結(jié)論不一致的原因，需在今后的研究中進(jìn)一步探討。

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