黃土丘陵區(qū)人工檸條林土壤酶活性與養(yǎng)分變化特征

， ， ,3， *， ， ，

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 2. 陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心， 陜西 楊凌 712100； 3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

檸條(Caraganakorshinskii)屬于豆科錦雞兒屬多年生落葉灌木，具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力，在黃土高原丘陵溝壑區(qū)的各個生境下都有廣泛分布，是黃土高原的優(yōu)勢灌木之一。因此掌握人工檸條林系統(tǒng)恢復(fù)過程與效應(yīng)對于該區(qū)域的植被恢復(fù)和生態(tài)建設(shè)具有重要指導(dǎo)意義。目前關(guān)于檸條的研究主要集中于其遺傳適應(yīng)性[1]；細(xì)根存量對土壤水分和溫度的響應(yīng)[2]；檸條生長到一定樹齡后的養(yǎng)分虧缺[3]；檸條林下的土壤水分利用及平衡特征[4]等方面。關(guān)于檸條林酶活性研究也有了一定進(jìn)展，如佘雕等[5]研究表明坡向、坡位、樹齡以及剖面深度對土壤酶活性的影響，但對于退耕后不同恢復(fù)年限檸條林土壤酶活性的演變與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系和轉(zhuǎn)化機(jī)制研究相對薄弱。

土壤酶是由微生物分泌的一類具有加速土壤生化反應(yīng)速率功能的蛋白質(zhì)，它在土壤中可以催化復(fù)雜有機(jī)物的分解與轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)養(yǎng)分的釋放、固定以及供應(yīng)[6-8]。研究表明，土壤酶活性的高低能夠表征土壤微生物活動的大小程度，同時也能夠反映出土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及其轉(zhuǎn)運(yùn)能力的強(qiáng)弱，是土壤綜合肥力特征的有效反映，可以作為指示外界環(huán)境變化的重要因子[9-11]。國內(nèi)外學(xué)者對于植被恢復(fù)中土壤酶活性的變化與土壤質(zhì)量間的關(guān)系已有一定認(rèn)識[12-13]。研究表明，土壤脲酶、蔗糖酶及磷酸酶活性與土壤有效氮和有效磷含量具有顯著相關(guān)性，且隨著草地恢復(fù)年限的增加而增加[14]。何躍軍等[15]通過長期觀測石灰?guī)r退化生態(tài)系統(tǒng)不同恢復(fù)階段的酶活性變化指出，土壤全氮與土壤酶活性呈顯著或極顯著相關(guān)。可見土壤酶在生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位，通過研究酶活性，可以幫助認(rèn)知植被恢復(fù)過程中土壤質(zhì)量變化機(jī)制以及物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程。

因此，本研究采用時空替代法，選擇恢復(fù)年限分別為15a，30a和40a的人工檸條林，從檸條林恢復(fù)時序過程研究土壤酶活性、土壤養(yǎng)分演變特征及二者互作關(guān)系，以期揭示退耕種植檸條林提升土壤肥力的效應(yīng)與機(jī)制，并為深入認(rèn)知黃土丘陵區(qū)人工植被恢復(fù)過程與機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)域位于陜西省延安市安塞縣五里灣流域(105°05′ E，36°30′ N)，屬于黃土丘陵區(qū)典型流域。該流域?qū)倥瘻貛О敫珊禋夂?，平均海拔約1 086～1 360 m，年均降水量535 mm，降雨主要集中在7—9月，年際間變化較大，年均溫度8.8℃。該流域以丘陵溝壑為主，土壤為黃綿土，抗蝕力差，屬最具代表性的黃土侵蝕區(qū)。退耕還林(草)工程實施以來，大部分坡耕地已退耕成林或撂荒，經(jīng)過幾十年的植被恢復(fù)，林地面積增加到40%[16],其中人工林以刺槐(RobiniaPseudoacacia)，小葉楊(PopulusSimonii) ，檸條(CaraganaKorshinskii)為主，荒坡主要由鐵桿蒿(ArtemisiaGmelinii)，茭蒿(ArtemisiaGiraldii)，長芒草(StipaBungeana)等組成的處于不同演替階段的草本植物群落[17]，并且該流域具有典型的檸條恢復(fù)年限序列，為本研究提供了良好的研究平臺。

1.2 樣地選擇與采樣

于2014年6月進(jìn)行樣地背景調(diào)查，選擇立地條件相似的檸條林恢復(fù)15 a，30 a和40 a的樣地，并以坡耕地為對照。表1為樣地的基本情況。土壤樣品于2014年6月采集，在選擇的樣地中選擇3個20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)采樣區(qū)，每個采樣區(qū)按“五點(diǎn)法”取樣，去除表面枯落層后利用內(nèi)徑5 cm土鉆分0～10 cm，10～20 cm和20～30 cm土層采樣，相同土層混合。將野外采集的土壤樣品去除植物殘體和石塊后過2 mm孔篩分成2份，1份鮮土置4℃下保存用于酶活性和可溶性有機(jī)碳氮的測定。另1份置于陰涼通風(fēng)干燥處風(fēng)干，用于土壤有機(jī)碳(SOC)，全氮(TN)和全磷(TP)養(yǎng)分指標(biāo)的測定。

1.3 指標(biāo)測定

土壤酶活性測定[18]：脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，活性以24 h后1 g土壤中的NH3-N量(mg)表示；蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法，活性以24 h后1 g土壤中含有的葡萄糖量(mg)表示；過氧化氫酶采用0.1 mol·L-1KMnO4滴定法，以1 g土壤20 min后消耗0.1 mol·L-1的KMnO4量(mL)表示；堿性磷酸酶采用磷酸苯二納比色法，活性以1 g土壤中2 h后的苯酚量(mg)表示。

土壤理化性質(zhì)測定：土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定；全氮采用凱氏消煮法；全磷采用硫酸一高氯酸消煮法；速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法[18]；可溶性有機(jī)碳的測定：稱相當(dāng)于20 g干土的新鮮土壤放入盛有100 ml去離子水的三角瓶中, 常溫下震蕩浸提30 min后離心, 上清液過0.45 μm濾膜, 用島津TOC-VCPH儀測定有機(jī)碳濃度；可溶性有機(jī)氮的測定：采用土壤溶解性總氮和土壤溶解性無機(jī)總氮的差值計算，其中土壤溶解性總氮含量采用過硫酸鉀氧化—凱氏定氮法測定；土壤溶解性無機(jī)總氮為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之和[19]。

表1 研究樣地的基本特征Table 1 Basic characteristics of the study sites

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel和SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計分析，對不同恢復(fù)年限檸條林下不同土層及同一土層的土壤養(yǎng)分及酶活性指標(biāo)采用單因素方差分析，其差異性檢驗采用最小顯著差異法(LSD)，顯著性水平為P<0.05，利用Origin 9.2進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤酶活性變化

不同恢復(fù)年限檸條林下土壤蔗糖酶活性差異顯著(圖1 Ⅰ)。蔗糖酶活性含量變化區(qū)間范圍為0.65～11.40 mg·g-1，與CK相比，15 a，30 a，40 a檸條林0～10 cm土層蔗糖酶活性呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，增幅分別為532%，611%和858%。在10～20 cm以及20～30 cm土層則隨著年限的增加先增加后減少，10～20 cm層酶活性含量最高出現(xiàn)在15a，為3.99 mg·g-1，而在20～30 cm層酶活性含量最高出現(xiàn)在30 a，為1.40 mg·g-1。

隨著檸條恢復(fù)年限的增加，脲酶活性呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢(圖1 Ⅱ)，與CK相比，3種不同年限檸條林在對應(yīng)土壤層次均有不同程度的增加，在0～10 cm土層，脲酶活性呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，增幅分別為40%，84%和109%，在10～20 cm土層變化趨勢與表層相似，增幅分別為72%，95%，130%，其中，脲酶活性在每一層的最大值分別達(dá)到0.54 mg·g-1，0.44 mg·g-1，0.28 mg·g-1。

土壤過氧化氫酶活性隨著恢復(fù)年限的提高整體變化不大(圖1 Ⅲ)，在0～10 cm土層中的變化范圍為1.17～1.61 mL·g-1，10～20 cm的變化范圍為1.14～1.39 mL·g-1，20～30 cm的變化范圍為1.13～1.26 mL·g-1，3種不同年限檸條林0～10 cm土層過氧化氫酶活性并無顯著差異，但均顯著高于CK，增幅平均為27.3%。

堿性磷酸酶活性(圖1 Ⅳ)在不同年限檸條林下波動較大，變化范圍為0.17～2.72 mg·g-1， 與CK相比，3種不同年限檸條林在對應(yīng)土壤層次均有不同程度的增加。隨著恢復(fù)年限的提高，堿性磷酸酶活性變化在不同土壤層次均呈現(xiàn)出先增加然后降低再增加的波浪形趨勢。

圖1 不同恢復(fù)年限檸條林土壤酶活性變化Fig.1 Changes of soil enzyme activities of artificial caragana stands following restoration chronosequences注：不同大寫字母表示不同恢復(fù)年限間差異顯著，小寫字母表示不同土層間差異顯著(P<0.05)，下同Note: Different capital letters indicate significant differences among recovery years, and lowercase letters indicate significant differences among different soil layers (P <0.05). The same as below

2.2 土壤養(yǎng)分變化

如圖2Ⅰ所示，與CK相比，恢復(fù)15 a、30 a、40 a的檸條林地土壤有機(jī)碳(SOC)含量均有顯著性的提高，在0～10 cm土層分別提高了119%，152%，160%，10～20 cm分別為156%，186%，181%，20～30 cm分別為173%，198%，336%，其含量在不同土壤深度的增幅均隨著林齡的增加而變大。土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)含量變化范圍為79.86～209.06 mg·kg-1(圖2Ⅱ)，與CK相比，15 a，30 a，40 a在不同土壤深度都呈顯著增加的趨勢，其中0～10 cm增幅最顯著，分別為15%，83%，94%，并且隨著年限的增加，林地間的差異性在變小。

圖2 土壤有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳隨不同恢復(fù)年限和土層深度變化Fig.2 Soil organic carbon and dissolved organic carbon varied with different recovering ages and soil depths

如圖3Ⅰ所示，15 a，30 a，40 a檸條林下土壤全氮(TN)含量差異不明顯，但與CK相比均顯著增加，在0～10cm以及10～20 cm層次的增幅逐漸增加，分別為163%，165%，186%和93%，128%，143%，而在20～30 cm層次則呈遞減的趨勢，分別為164%，133%，103%。不同恢復(fù)年限檸條林下土壤可溶性有機(jī)氮(DON)含量差異顯著(P<0.05)(圖3 Ⅱ)，與CK相比，15 a，30 a，40 a在對應(yīng)的土壤深度均顯著性增加。DON變化范圍為7.61～31.85 mg·kg-1，其中，最小值出現(xiàn)在CK的20～30 cm層次，最大值出現(xiàn)在30 a的0～10 cm層次。

圖3 土壤全氮和可溶性有機(jī)氮隨不同恢復(fù)年限和土層深度變化Fig.3 Soil total nitrogen and dissolved organic nitrogen varied with different recovering ages and soil depths

如圖4 Ⅰ所示，土壤全磷(TP)含量的高低整體表現(xiàn)為30 a> 40 a>15 a>CK，垂直分布為0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm，土壤速效磷(AP)含量變化不明顯(圖4Ⅱ)，其含量的高低整體表現(xiàn)為15 a>30 a>CK>40 a，數(shù)值變化范圍在4.15～7.07 mg·kg-1之間，最大值出現(xiàn)在15 a的0～10 cm層次，最小值出現(xiàn)在 40a的10～20 cm層次，AP含量最大值均出現(xiàn)在0～10 cm層次，但層次之間差異不明顯。

圖4 土壤全磷和速效磷隨不同恢復(fù)年限和土層深度變化Fig.4 Soil total phosphorus and available phosphorus varied with different recovering ages and soil depths

2.3 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分變化關(guān)系

相關(guān)性分析表明(圖5)，不同恢復(fù)年限檸條林下土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶與土壤可溶性有機(jī)碳、可溶性有機(jī)氮、有機(jī)碳、全氮、全磷之間具有顯著或極顯著的正相關(guān)(P<0.05，P<0.01)。蔗糖酶和脲酶與可溶性有機(jī)碳、全氮都具有很強(qiáng)的正相關(guān)性，回歸系數(shù)分別為0.6194，0.6448和0.7691，0.6773，過氧化氫酶與可溶性有機(jī)氮、有機(jī)碳、全氮、全磷相關(guān)性很強(qiáng)，回歸系數(shù)為0.5806，0.5242，0.5730，0.6708，堿性磷酸酶與有機(jī)碳、全氮、全磷具有顯著的正相關(guān)性，回歸系數(shù)達(dá)到0.5700，0.6889，0.5242。從結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，四種酶活性與速效磷的相關(guān)性均相對較弱，而與全氮都具有很強(qiáng)的正相關(guān)性。

圖5 土壤酶活性和養(yǎng)分變化相關(guān)性Fig. 5 Pearson linear correlation coefficients between soil enzyme activities and nutrient properties注：**表示P<0.01,*表示P<0.05Note: Statistically significant values are indicated by symbols: **indicates difference at the 0.01 level; * indicates difference at the 0.05 level

3 討論

3.1 不同恢復(fù)年限檸條林地土壤酶活性變化

不同恢復(fù)年限檸條林土壤酶活性相比坡耕地均有不同程度的增加，說明退耕還林后，在植被的自然恢復(fù)狀態(tài)下，土壤酶活性得以改善，與已有的研究相一致[20]。但不同恢復(fù)年限下，隨著林齡的增加，土壤蔗糖酶和脲酶的敏感性要高于過氧化氫酶和堿性磷酸酶，過氧化氫酶活性變化相對平穩(wěn)，可能是其在植被恢復(fù)過程中是一個相對穩(wěn)定的因子。以往在黃土丘陵區(qū)的很多相關(guān)研究中都得到了類似的結(jié)果[21]。堿性磷酸酶活性顯著提高反映出林地中較強(qiáng)的磷素分解能力。在0～10 cm土層，土壤蔗糖酶和脲酶的酶活性均存在隨著檸條年限的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢，這主要是隨著檸條年限的增加，每年的凋落物數(shù)量累積增多，有機(jī)質(zhì)不斷增加，微生物活動增強(qiáng)，促使微生物的種類和數(shù)量增加，進(jìn)而其分泌的分解酶也增多[5]；土壤酶活性隨著土層深度的增加均呈現(xiàn)降低的趨勢，并且0～10 cm與10～20 cm之間的差異明顯高于10～20和20～30 cm之間的。這主要是可能在淺層土壤中微生物活動頻繁，微生物分泌物在表層聚集較多，生化反應(yīng)活躍[5]，而隨著土層的加深，土壤水分和通氣狀況變差，微生物數(shù)量和種類也降低，酶含量在土壤的轉(zhuǎn)移過程中降低[22]。

3.2 土壤酶活性與養(yǎng)分變化的關(guān)系

土壤酶活性的高低反映了土壤中不同生化過程的作用強(qiáng)度，而不同的生化反應(yīng)過程也是土壤酶活性的直接響應(yīng)[23]。本研究的相關(guān)分析表明過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶以及堿性磷酸酶與土壤養(yǎng)分因子間的相關(guān)性顯著，說明在本研究區(qū)域土壤酶活性與土壤養(yǎng)分循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化關(guān)系密切，應(yīng)該與土壤酶活性、土壤肥力、土壤微生物和植物群落間存在的相互協(xié)同、促進(jìn)的現(xiàn)象有關(guān)[24]，并且養(yǎng)分含量高的土壤，一般其微生物數(shù)量越高，土壤酶活性也高[25]。蔗糖酶通過把土壤中的蔗糖分解為較簡單的單糖參與土壤有機(jī)質(zhì)的代謝過程，即將土壤中復(fù)雜有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化成易于被植物吸收利用的活性養(yǎng)分，其活性可以反映土壤有機(jī)碳累積和分解轉(zhuǎn)化的情況[26]。在李林海、呂春花等[27-28]的研究中也說明蔗糖酶在土壤碳、氮轉(zhuǎn)化過程中具有重要作用，可以作為表征土壤肥力的因子。土壤脲酶可以分解尿素，促其水解成氨和二氧化碳，是決定土壤中氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵[29]，隨著檸條恢復(fù)年限的增長，土壤脲酶的增加促進(jìn)了土壤氮素的供給，再者檸條與固氮菌的相互作用，固定了更多空氣中的氮素，促進(jìn)氮素的循環(huán)[30]。在安韶山等[31]研究中也認(rèn)為植被恢復(fù)提高了脲酶活性，而脲酶又積極參與有機(jī)物質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化，兩者相互促進(jìn)，這也能解釋脲酶活性與土壤可溶性有機(jī)碳含量的極顯著正相關(guān)關(guān)系。過氧化氫酶和堿性磷酸酶都與土壤有機(jī)碳、全氮、全磷具有極顯著的正相關(guān)性，過氧化氫酶能夠水解過氧化氫并釋放出水和氧氣，從而解除了過氧化氫對植物的毒害作用[23]，促進(jìn)土壤的生化活性；堿性磷酸酶可能在促進(jìn)有機(jī)磷的釋放過程中間接影響了碳素和氮素的分解釋放。綜上分析，蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶和堿性磷酸酶四種酶可以作為表征黃土丘陵區(qū)人工檸條林恢復(fù)土壤肥力變化的重要指示因子。

4 結(jié)論

黃土丘陵區(qū)不同恢復(fù)年限人工檸條林下土壤酶活性差異很大，與耕地相比，隨著年限的增長，蔗糖酶和脲酶活性呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，而堿性磷酸酶和過氧化氫酶變化不明顯，說明前者在反映土壤變化的過程中較后者更敏感，另外，隨著土壤深度的增加，酶活性降低。

不同恢復(fù)年限檸條林下土壤酶活性與土壤養(yǎng)分之間具有顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中四種酶與速效磷之間的相關(guān)性相對較弱，而與全氮的相關(guān)性都很強(qiáng)，說明這四種酶對促進(jìn)磷的吸收利用方面影響較小，但對氮素循環(huán)的影響較大。