伊犁河谷不同造林模式土壤養(yǎng)分與酶活性的關(guān)系

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)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是地球上最為寶貴的自然資源，一個獨特的人類和多種生物賴以生存和發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)[1]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤與植被密不可分，構(gòu)成一個復雜的功能體系。土壤為森林植物及土壤生物提供生長定居的機械支持和物質(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、動物殘體在土壤中經(jīng)過分解成小分子化合物，供給森林植物生命所需[2-3]。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)量變化的同時亦影響土壤物理化學性質(zhì)和養(yǎng)分數(shù)量[4-5]，造成森林土壤生產(chǎn)力的差異。

土壤酶主要指土壤中的聚積酶，包括游離酶、胞內(nèi)酶和胞外酶，來源于土壤微生物的活動、植物根系分泌物和動植物殘體腐解過程中釋放的酶。土壤酶參與土壤中的一切生物化學過程，催化了土壤中眾多生化反應(yīng)[6-7]。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)，因此可以作為土壤質(zhì)量的生物活性指標[8]。研究不同林分類型對土壤酶活性的影響將對林區(qū)生態(tài)學與土壤學的研究起到積極推動作用，因此土壤酶活性已然成為目前森林生態(tài)系統(tǒng)研究中必不可少的內(nèi)容。

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67.7%，被喻為新疆干旱區(qū)的一塊“濕島”。對伊犁河谷土壤的研究，將會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)量的評價提供依據(jù)。

近年來，國內(nèi)外學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行了廣泛研究。對于森林土壤養(yǎng)分的研究已有大量的研究報道，研究內(nèi)容涉及養(yǎng)分時間動態(tài)變化、土壤養(yǎng)分儲量、土壤養(yǎng)分的空間動態(tài)變化等方面[9]。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[10]。土壤酶作為土壤質(zhì)量的生物活性指標，自20 世紀 80 年代以來已經(jīng)被大量研究[11]。目前廣大學者對土壤生態(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)的研究與報道[12]。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[13]、單一酶活性[14]或養(yǎng)分[13]、不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分和酶活性研究[15]等方面，其它相關(guān)研究報道極少。伊犁河谷造林模式多樣，存在著長期選擇和演替的規(guī)律性變化，故對不同造林模式下土壤養(yǎng)分和酶活性特征的研究十分必要。因此，本研究擬以伊犁河谷地區(qū)為研究區(qū)域，選擇當?shù)氐湫偷?種造林模式為研究對象，分析土壤養(yǎng)分和土壤酶的變化狀況。通過研究不同造林模式下土壤養(yǎng)分和酶活性變化規(guī)律，以期為伊犁河谷地區(qū)造林樹種的搭配和布局提供科學依據(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。地理位置為東經(jīng)80°09′42″—84°56′50″，北緯42°14′16″—44°53′30″。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，降水隨高程上升增多明顯。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 造林模式的選擇 選取伊犁河谷5種典型生態(tài)造林模式，即楊樹用材林、沙棗防護林、楊樹防護林、榆樹防護林和林草間作用材林。均為成熟林。不同造林模式樣地基本情況見表1。

表1 不同造林模式樣地基本情況

1.2.2 土壤樣品的采集 在對研究區(qū)實際調(diào)查的基礎(chǔ)上，在5種造林模式中各設(shè)置3個標準樣地，樣地規(guī)格為林帶寬×50 m，按“S”型隨機采取5個樣點的土樣，在每個樣點取0—20和20—40 cm土層土樣，將相同土層的樣品混合，去除石塊、根系和土壤動物等，經(jīng)實驗室風干、過篩后貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3 測定指標及測定方法 ①土壤化學性質(zhì)測定[16]：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、火焰光度計法測定；土壤水解氮采用堿解擴散法(樣品正在分析中)；速效磷用鉬銻抗比色法，速效鉀用醋酸銨浸提—火焰光度計法測定；土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法。②土壤酶活性測定[17]。土壤過氧化氫酶和脲酶采用《土壤酶及其研究法》進行測定。

1.3 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 19.0 軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分特征

樹種影響著水分、土壤、植物和微生物之間的相互作用，各模式中的樹種不同，土壤養(yǎng)分就會呈現(xiàn)出不同的差異。由表2可知，0—20 cm土層林草間作用材林的有機質(zhì)含量最高，次之為楊樹防護林，均與其他模式之間差異顯著(p<0.05),楊樹用材林、沙棗防護林和榆樹防護林之間差異不顯著(p>0.05)。林草間作用材林和沙棗防護林20—40 cm土層有機質(zhì)含量分別為最高和最低，含量最低值僅為最高值的24.82%。各模式土壤有機質(zhì)平均含量高低順序為：林草間作用材林>楊樹防護林>榆樹防護林>楊樹用材林>沙棗防護林。除榆樹防護林外，其余模式均隨土層深度增加，土壤有機質(zhì)含量下降，其中楊樹防護林降幅最大，楊樹用材林最小。

土壤全氮在2個土層之間表現(xiàn)出了相似的規(guī)律，林草間作用材林全氮含量最高并與其他模式之間差異顯著，沙棗防護林最低，林草間作用材林全氮含量為沙棗防護林含量的3.46倍。各模式土壤全氮均值：林草間作用材林>榆樹防護林>楊樹防護林>楊樹用材林>沙棗防護林。堿解氮0—20 cm土層榆樹防護林堿解氮含量最高，林草間作用材林次之，兩者之間沒有顯著差異，但均與其他模式之間有顯著差異，2個土層堿解氮高低順序一致，均為榆樹防護林>林草間作用材林>楊樹用材林>沙棗防護林>楊樹防護林。

表2 伊犁河谷不同造林模式土壤化學性質(zhì)

由表2可以看出各模式林分土壤全磷含量總體較低，范圍在0.31～0.50 g/kg，各模式之間相關(guān)不大。0—20 cm土層榆樹防護林全磷含量最高，最底為楊樹用材林，20—40 cm土層全磷含量最高則為林草間作用材林。各模式林分土壤全磷均值表現(xiàn)為林草間作用材林〉榆樹防護林〉沙棗防護林〉楊樹防護林〉楊樹用材林。各模式間土壤速效磷含量相差較大，2個層次的含量在3.97～43.5 mg/kg之間，速效磷含量最高值為最低值的11倍。0—20 cm土層含量最高的榆樹防護林為最低的沙棗防護林的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，其中楊樹防護林和榆樹防護林降幅最大。榆樹防護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為：榆樹防護林>楊樹防護林>楊樹用材林>林草間作用材林>沙棗防護林。

5種模式2個層次土壤全鉀的含量為18.12～26.84 g/kg，速效鉀含量為121.33～384.33 mg/kg，均屬于較高水平。5種模式的2個層次之間全鉀含量變化幅度小。在0—20 cm土層沙棗防護林含量最高，20—40 cm則為楊樹用材林。各林分土壤全鉀均值排序：楊樹用材林>沙棗防護林>榆樹防護林>楊樹防護林>林草間作用材林。沙棗防護林速效鉀含量在2個土層中最高。0—20 cm土層中林草間作用材林速效鉀含量最低，僅為含量最高的沙棗防護林的37.47%。20—40 cm最低的林草間作用材林僅為含量最高的沙棗防護林的32.29%。沙棗防護林、榆樹防護林和楊樹防護林2個土層中的速效鉀含量均屬很高水平，與其他2個模式之間差異顯著。各模式林分土壤速效鉀均值表現(xiàn)為：沙棗防護林>榆樹防護林>楊樹防護林>楊樹用材林>林草間作用材林。

2.2 土壤酶活性特征

圖1為不同造林模式下土壤酶活性差異。圖1表明，不同造林模式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。

注：不同字母表示同一土層同一酶活性在不同造林模式中差異顯著(p<0.05)。

脲酶參與有機態(tài)氮素的分解作用, 專門水解有機氮轉(zhuǎn)化過程的中間產(chǎn)物尿素, 使其轉(zhuǎn)化成為氨被林木利用, 其活性可以用來表示土壤氮素供應(yīng)狀況。楊樹防護林0—20 cm脲酶活性最高，為2.32 mg/g，榆樹防護林20—40 cm脲酶活性最高，為1.61 mg/g。沙棗防護林脲酶活性最低，0—20 cm土層為0.86 mg/g，20—40 cm僅為0.40 mg/g。不同造林模式0—40 cm 土層土壤脲酶活性高低排序為：榆樹防護林>楊樹防護林>林草間作用材林>楊樹用材林>沙棗防護林。

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。研究表明，過氧化氫酶活性能夠反映土壤的呼吸強度[18]。不同造林模式0—20土層土壤過氧化氫酶活性變化范圍在0.20～1.57 mg/g，20—40 cm土層在0.18～1.50 mg/g。楊樹防護林酶活性為最高，比活性最小的林草間作用材林高8.1倍。不同林分土壤過氧化氫酶的排列順序為：楊樹防護林>沙棗防護林>楊樹用材林>榆樹防護林>林草間作用材林。

2.3 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析

研究表明[19-22]，土壤酶活性與土壤養(yǎng)分互相作用，土壤養(yǎng)分含量的高低制約著土壤酶活性的大小，反之，土壤酶活性的反饋作用使土壤養(yǎng)分含量發(fā)生變化，二者之間存在著非常密切的相關(guān)關(guān)系。為此，我們對土壤酶活性與土壤養(yǎng)分之間進行相關(guān)分析。研究結(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、速效鉀呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，和其他養(yǎng)分指標呈負相關(guān)，其中和全氮、堿解氮有關(guān)系最為密切，均達到極顯著負相關(guān)(p<0.01)，和有機質(zhì)呈顯著負相關(guān)(p<0.05)。

在底土層，脲酶和全鉀呈負相關(guān)，與其他養(yǎng)分指標呈正相關(guān)，其中和速效磷、有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；過氧化氫酶和全氮、有機質(zhì)呈極顯著負相關(guān)(p<0.01)，和全磷、堿解氮呈顯著負相關(guān)(p<0.05)，和全鉀、速效鉀呈顯著正相關(guān)(p<0.05)。

在整個土層中，脲酶和全鉀呈負相關(guān)，和其他養(yǎng)分指標呈正相關(guān)；過氧化氫酶和全鉀、速效鉀呈正相關(guān)，和其他養(yǎng)分指標負相關(guān)。因此，不同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土壤肥力的指標。

表3 伊犁河谷土壤酶活性與土壤養(yǎng)分的相關(guān)分析

3 結(jié) 論

(1) 在同一造林模式林分內(nèi)，土壤養(yǎng)分含量主要分布在0—20，20—40 cm土層則較低。不同造林模式土壤肥力狀況有明顯的差異，楊樹用材林的全鉀含量最高，楊樹防護林的有效鉀含量較高，沙棗防護林土壤全鉀和有效鉀含量最高，榆樹防護林土壤堿解氮和有效磷含量最高，全鉀和有效鉀處于較高水平，林草間作用材林土壤全氮、全磷和有機質(zhì)含量最高，堿解氮也處于較高水平。凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要物質(zhì)庫，通過植被枯落物的形式能不斷地給予土壤養(yǎng)分，使得土壤表層養(yǎng)分含量顯著增加，進而達到互利共贏。

(2) 土壤酶活性是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，對土壤養(yǎng)分的流動與轉(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)。在土壤空間上，脲酶和過氧化氫酶活性隨土層的增而減小。在整個土層中土壤脲酶活性排序為：榆樹防護林>楊樹防護林>林草間作用材林>楊樹用材林>沙棗防護林；過氧化氫酶活性排序為：楊樹防護林>沙棗防護林>楊樹用材林>榆樹防護林>林草間作用材林。

(3) 土壤養(yǎng)分與土壤酶活性之間存在一定的相關(guān)性。在整個土層中，脲酶和全鉀呈負相關(guān)，和其他養(yǎng)分指標呈正相關(guān)，其中和全磷顯著正相關(guān)(p<0.05)，和堿解氮、速效磷、有機質(zhì)極顯著正相關(guān)(p<0.01)；過氧化氫酶和全鉀、速效鉀呈極顯著正相關(guān)，和全氮、全磷、堿解氮、有機質(zhì)呈極顯著負相關(guān)。本研究結(jié)果同李傳榮等[23]的研究結(jié)果一致，但與其他多數(shù)文獻結(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[19-22]。這種存在不一致情況，需在今后的研究中進一步考證。