撫育間伐對(duì)遼東山區(qū)紅松人工林土壤酶活性的影響

劉晴 徐陽 張妍 丁琳琳 潘丕克

摘 要：土壤酶活性是土壤肥力的重要指標(biāo)之一，為探究撫育間伐對(duì)遼東山區(qū)紅松人工林林下不同土層酶活性的影響，采用紫外分光光度法、靛酚藍(lán)比色法、3，5- 二硝基水楊酸比色法和磷酸苯二鈉比色法分別測(cè)定不同間伐程度林地土壤表層（0～10 cm）和亞表層（≥10～20 cm）不同酶的活性。結(jié)果表明：林下土壤酶活性表現(xiàn)為表層大于亞表層;過氧化氫酶活性在弱度區(qū)和中度區(qū)的表層差異顯著，中度間伐酶活性較高，對(duì)酶活性影響最大;脲酶在弱度區(qū)差異顯著，弱度間伐對(duì)酶活性影響較大;酸性磷酸酶的活性在中度區(qū)變化較大且差異顯著;蔗糖酶在表層弱度和中度間伐差異顯著，且中度區(qū)相對(duì)其他間伐處理酶的活性較高。在遼東山區(qū)紅松人工林中，弱度間伐及中度間伐對(duì)林下土壤酶活性影響較大。

關(guān)鍵詞：紅松人工林;撫育間伐;脲酶;蔗糖酶;酸性磷酸酶;過氧化氫酶

中圖分類號(hào)：S718.5 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1006-8023（2021）03-0067-05

Abstract：Soil enzyme activity is one of the important indicators of soil fertility. In order to explore the effects of thinning on soil enzyme activities of Pinus koraiensis plantation in Liaodong mountain area in different soil layers under the forest， in this paper， the surface （0～10 cm） and subsurface （≥10～20 cm） soil enzyme activities of different thinning degrees were determined by UV spectrophotometry， indophenol blue colorimetry， 3，5dinitrosalicylic acid colorimetry and disodium phenylphosphate colorimetry. The results showed that： the soil enzyme activities in the surface layer were higher than that in the subsurface layer. The activity of catalase was significantly different in the surface layer between the weak area and the moderate area. The activity of catalase was higher in the moderate area， which had the greatest impact on the activity of catalase. Urease showed significant difference in weak degree area， and weak thinning had a greater impact on urease activity. Acid phosphatase showed a large and significant difference in enzyme activity in the moderate zone. Sucrase showed significant difference in surface weak degree and moderate thinning， and the enzyme activity in moderate area was higher than that in other thinning treatments. In Pinus koraiensis plantation in Liaodong mountain area， weak thinning and moderate thinning had a greater impact on soil enzyme activities.

Keywords：Pinus koraiensis plantation; thinning; urease; sucrase; acid phosphatase; catalase

0 引言

紅松作為我國東北東部山地地帶性植被的優(yōu)勢(shì)樹種，用途廣泛，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值。遼寧省森林經(jīng)營研究所實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)擁有自1949年?duì)I造的新中國第一處紅松人工林，到2020年林齡達(dá)71 a，是具有代表性的紅松人工林，對(duì)其研究具有重要意義。

土壤中的酶是林下土壤中最活躍的有機(jī)成分之一，參與土壤能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)，土壤中進(jìn)行的化學(xué)和生物反應(yīng)也是在酶的催化下進(jìn)行的，因此酶是生態(tài)系統(tǒng)代謝中重要驅(qū)動(dòng)力[1-2]。土壤酶活性變化作為檢測(cè)土壤質(zhì)量變化的指標(biāo)之一，反映了土壤生態(tài)系統(tǒng)中微生物參與物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量循環(huán)的能力，同時(shí)，酶活性的大小也是土壤肥力的重要標(biāo)志[3]。

研究表明，林下土壤酶的活性對(duì)不同的營林方式有不同的響應(yīng)，對(duì)林下土壤酶的活性研究可以揭示林地土壤的變化，進(jìn)而對(duì)營林措施加以評(píng)價(jià)，為森林經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)[4]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)基本情況

研究地點(diǎn)位于遼寧省本溪市本溪滿族自治縣草河口鎮(zhèn)（40°53′N，123°51′E），屬于大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔約645 m，氣溫低，年均氣溫6.5 ℃，年均降水量926.3 mm，土壤為山地棕色森林土， pH為 5.3～6.3，保水性差。植被以紅松人工林為主，其下植物稀疏，僅有少量鐵線蓮（Clematis florida Thunb）、大葉樟（Cinnamomum parthenoxylon（Jack） Nees）、天南星（Arisaema erubescens （Wall） Schott）等[5]。

撫育間伐強(qiáng)度以保留株數(shù)為指標(biāo)劃分了弱度區(qū)A、中度區(qū)B、強(qiáng)度區(qū)C、極強(qiáng)度區(qū)D及對(duì)照CK（不間伐）5個(gè)處理，各處理面積均為0.1 hm2，分別在1959年、1967年、1987年、1994年、2005年、2012年進(jìn)行了6次撫育間伐。經(jīng)2019年調(diào)查平均胸徑，采樣地基本特征見表1。

1.2 采樣方法

采集時(shí)間為2020年10月初。取4塊面積為0.1 hm2不同間伐強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)林標(biāo)準(zhǔn)地，自然生長(zhǎng)地區(qū)作為對(duì)照組。每塊標(biāo)準(zhǔn)地采取五點(diǎn)取樣法分別選取表層（0～10 cm）和亞表層（≥10～20 cm）的土樣，混合均勻，風(fēng)干， 過100目篩， 放入冰箱4 ℃保存待用。

1.3 酶活性測(cè)定

利用紫外分光光度法測(cè)定土壤過氧化氫酶活性[6]。單位的定義：

（1）每天每克風(fēng)干土樣催化1 mmol H2O2降解定義為一個(gè)酶活力單位;利用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定脲酶水解尿素產(chǎn)生的NH3-N[7]。

（2）每天每克土樣中產(chǎn)生1 μgNH3-N定義為一個(gè)酶活力單位;蔗糖酶3，5- 二硝基水楊酸比色法測(cè)定，可以將蔗糖水解成還原性糖后與3，5-二硝基水楊酸形成棕紅色氨基化合物，用分光光度法測(cè)定蔗糖酶活性[8]。

（3）在37 ℃條件下，每天每克土樣中產(chǎn)生催化1 mg還原性糖定義為一個(gè)酶活力單位;酸性磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定[9]。

（4）37 ℃中每克土樣每天釋放1μmol酚為一個(gè)酶活力單位。

以上酶活性測(cè)定均采用北京索萊寶科技有限公司土壤酶活試劑盒。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，t檢驗(yàn)比較各處理的差異顯著性，P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 撫育間伐對(duì)過氧化氫酶活性的影響

由表2可知，撫育間伐后，處理組表層過氧化氫酶活性較對(duì)照組23.84 nmol/g均有所上升，隨著間伐強(qiáng)度的上升，酶活性分別上升了39.72%、15.45%、4.22%、0.35%，其中弱度區(qū)和中度區(qū)差異性顯著（P<0.05）;處理組亞表層過氧化氫酶活性弱度區(qū)和極強(qiáng)度區(qū)較對(duì)照組20.56 nmol/g有所下降，分別下降了32.52%、6.55%;處理組表層中度區(qū)和強(qiáng)度區(qū)較對(duì)照組有所上升，分別上升了14.00%、13.88%。

2.2 撫育間伐對(duì)脲酶活性的影響

由表3可知，對(duì)照組自然生長(zhǎng)區(qū)林下土壤脲酶表層活性為2.46 μg/g，亞表層脲酶活性為1.99 μg/g;撫育間伐處理組脲酶活性均高于對(duì)照組;表層酶活性隨著間伐強(qiáng)度的上升，分別上升了50.16%、14.24%、1.37%、26.66%，亞表層酶活性隨間伐強(qiáng)度的上升，分別上升了37.98%、36.49%、21.19%、9.47%;弱度區(qū)均為顯著性差異（P<0.05）。

2.3 撫育間伐對(duì)酸性磷酸酶活性的影響

由表4可知，對(duì)照組自然生長(zhǎng)區(qū)林下土壤酸性磷酸酶表層活性為15.55 μmol/g，亞表層脲酶活性為14.88 μmol/g，撫育間伐處理組酸性磷酸酶活性均低于對(duì)照組;表層酶活性隨著間伐強(qiáng)度的上升，分別下降了10.71%、17.64%、7.14%、4.22%;亞表層酶活性隨著間伐強(qiáng)度的上升，分別下降了12.18%、20.97%、12.21%、12.75%;中度區(qū)均為顯著性差異（P<0.05）。

2.4 撫育間伐對(duì)蔗糖酶活性的影響

表5可知，撫育間伐后，處理組表層蔗糖酶活性較對(duì)照組27.03 mg/g均有所下降，隨著間伐強(qiáng)度的上升，酶活性分別下降了63.65%、35.88%、29.81%、19.65%，其中弱度區(qū)和中度區(qū)為顯著性差異（P<0.05）;處理組亞表層蔗糖酶活性較對(duì)照組8.17mg/g均有所上升，隨著間伐強(qiáng)度的上升，酶活性分別上升了了81.24%、1.21%、55.91%、7.16%，其中弱度區(qū)為顯著性差異（P<0.05）。

3 結(jié)論與討論

本研究中土壤酶隨著土層的加深而降低，弱度間伐及中度間伐對(duì)林下土壤酶活性影響較大，可見間伐影響著土壤及土壤酶的活性。林業(yè)經(jīng)營的基礎(chǔ)是森林，遼東地區(qū)紅松人工林是遼東地區(qū)森林的重要組成，撫育間伐又是人工林培育的重要措施之一，進(jìn)而研究撫育間伐對(duì)人工林土壤酶的影響是探究撫育間伐對(duì)土壤的重要措施。王琪瑤等[10]研究表明隨著間伐強(qiáng)度的降低，土壤總有機(jī)碳含量和碳密度均呈先減小后增大的趨勢(shì)，王杰等[11]證明合理適當(dāng)?shù)拈g伐強(qiáng)度有利于保護(hù)土地肥力，同時(shí)撫育間伐也可改變林分結(jié)構(gòu)，使林下溫度、光照、植被、水分和土壤溫度等發(fā)生改變，進(jìn)而影響林下土壤表層凋落物變化和土壤有機(jī)質(zhì)的分解等[12]。

土壤過氧化氫酶是生物呼吸代謝過程，以及土壤動(dòng)植物根系分泌及殘?bào)w分解中的重要酶類，與土壤性質(zhì)關(guān)系密切，是較好的土壤微生態(tài)環(huán)境指示因子[13-15]，象征著土壤有機(jī)質(zhì)積累和土壤腐殖化強(qiáng)度，土壤肥力狀況和總生物學(xué)活性可以通過過氧化氫酶反映[16]。土壤蔗糖酶可水解蔗糖，反映土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化能力[17]，與土壤中微生物數(shù)量、有機(jī)質(zhì)、氮、磷及土壤呼吸強(qiáng)度有關(guān)，其酶促作用產(chǎn)物直接關(guān)系到植物的生長(zhǎng)[18]。土壤中的磷酸酶可將有機(jī)磷化合物分解[19]，參與磷循環(huán)，催化磷酸酯類或磷酸酐的水解，其活性高低直接影響著土壤有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性[20]。土壤脲酶是一種蛋白質(zhì)構(gòu)成的催化劑，可由土壤中的微生物產(chǎn)生，具有氨化作用，可將尿素分解為一類水解酶[21]，同時(shí)，土壤中氮素的供應(yīng)可以用脲酶活性的強(qiáng)度來表示，其動(dòng)態(tài)表征著氮素養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)[22-23]。

本研究中，土壤酶活呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而降低的趨勢(shì)，這與漆良華等[24]、陳軍軍[25]研究結(jié)果相似。過氧化氫酶活性在弱度區(qū)和中度區(qū)的表層顯著性差異，中度間伐酶活性較高，對(duì)酶活性影響最大。脲酶表現(xiàn)為在弱度區(qū)顯著性差異，弱度間伐對(duì)酶活性影響較大。酸性磷酸酶表現(xiàn)為中度區(qū)顯著性差異且中度區(qū)酶活性變化較大。蔗糖酶表現(xiàn)為表層弱度和中度間伐顯著性差異，且中度區(qū)相對(duì)其他間伐處理酶的活性較高。因此，在遼東山區(qū)紅松人工林中弱度間伐及中度間伐的撫育措施對(duì)林下土壤酶活性影響較大。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]GARCìA-GIL J C， PLAZA C， SOLER-ROVIRA P， et al. Longterm effects of municipal solid waste compost application on soil enzyme activities and microbial biomass[J]. Soil Biology and Biochemistry， 2000， 32（13）： 1907-1913.

[2]BURGER M， JACKSON L E. Microbial immobilization of ammonium and nitrate in relation to ammonification and nitrification rates in organic and conventional cropping systems[J]. Soil Biology and Biochemistry， 2003， 35（1）： 29-36.

[3]BASTIDA F， KANDELER E， MORENO J L， et al. Application of fresh and composted organic wastes modifies structure， size and activity of soil microbial community under semiarid climate[J]. Applied Soil Ecology， 2008， 40（2）： 318-329.

[4]祁金虎，楊會(huì)俠，丁國泉，等.撫育間伐對(duì)遼東山區(qū)人工紅松林土壤物理性質(zhì)及持水特性的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，44（5）：48-51.

QI J H， YANG H X， DING G Q， et al. Effect of thinning on soil physical properties and water-holding capacity of Pinus koraiensis plantation in Liaodong mountain area[J]. Journal of Northeast Forestry University， 2016， 44（5）： 48-51.

[5]張猛，張健.林地土壤微生物、酶活性研究進(jìn)展[J].四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，21（4）：347-351.

ZHANG M， ZHANG J. Advance in research on microbe and enzyme activity in forest soil[J]. Journal of Sichuan Agricultural University， 2003， 21（4）： 347-351.

[6]楊蘭芳，曾巧，李海波，等.紫外分光光度法測(cè)定土壤過氧化氫酶活性[J].土壤通報(bào)，2011，42（1）：207-210.

YANG L F， ZENG Q， LI H B， et al. Measurement of catalase activity in soil by ultraviolet spectrophotometry[J]. Chinese Journal of Soil Science， 2011， 42（1）： 207-210.

[7]GUO H， YAO J， CAI M M， et al. Effects of petroleum contamination on soil microbial numbers， metabolic activity and urease activity[J]. Chemosphere， 2012， 87（11）： 1273-1280.

[8]GAO M L， SONG W H， ZHOU Q， et al. Interactive effect of oxytetracycline and lead on soil enzymatic activity and microbial biomass[J]. Environmental Toxicology and Pharmacology， 2013， 36（2）： 667-674.

[9]關(guān)松蔭.土壤酶及其研究法[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1986.

GUAN S Y. Soil enzymes and its methodlog[M]. Beijing： Agricultural Press， 1986.

[10]王琪瑤，李云紅，劉延坤，等.不同間伐強(qiáng)度下長(zhǎng)白落葉松人工林土壤總有機(jī)碳特征及其影響因素[J].森林工程，2018，34（1）：1-5.

WANG Q Y， LI Y H， LIU Y K， et al. The characteristics and impact factors of different thinning intensity on soil total organic in the Larix olgensis plantation[J]. Forest Engineering， 2018， 34（1）：1-5.

[11]王杰，顧鳳歧.間伐強(qiáng)度對(duì)土地肥力影響的模糊綜合評(píng)判[J].森林工程，2020，36（1）：25-32.

WANG J， GU F Q. Fuzzy comprehensive evaluation of the influence of thinning intensity on soil fertility[J]. Forest Engineering， 2020， 36（1）：25-32.

[12]張景普，于立忠，劉利芳，等.不同作業(yè)方式對(duì)落葉松人工林土壤養(yǎng)分及酶活性的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2016，35（6）：1403-1410.

ZHANG J P， YU L Z， LIU L F， et al. Effects of different silvicultural ways on soil nutrients and enzyme activity in larch plantation[J]. Chinese Journal of Ecology， 2016， 35（6）： 1403-1410.

[13]劉昌玲，王國慶.細(xì)菌過氧化氫酶的分離、結(jié)晶及性質(zhì)[J].生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展，1990，17（5）：380-383.

LIU C L， WANG G Q. Isolation， crystallization and properties of bacterial catalase[J]. Progress in Biochemistry and Biophysics， 1990， 17（5）： 380-383.

[14]陳雪花，楊靜.祁連山東部不同退化草地土壤細(xì)菌群落與環(huán)境因子的關(guān)系研究[J].西部林業(yè)科學(xué)，2020，49（1）：1-8.

CHEN X H， YANG J. Environmental factors and soil bacterial communities in the degraded alpine grassland of eastern Qilian Mountains[J]. Journal of West China Forestry Science， 2020， 49（1）：1-8.

[15]黃永洪，花慧，沈國強(qiáng)，等.豬肝過氧化氫酶提取條件的研究[J].生物技術(shù)通訊，2005，16（1）：40-42.

HUANG Y H， HUA H， SHEN G Q， et al. Study on extraction of catalase from pig liver[J]. Letters in Biotechnology， 2005， 16（1）： 40-42.

[16]裴玲芳，范貴鵬，肖美玲，等.兩種方法測(cè)定土壤中過氧化氫酶比較[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（15）：145-146.

PEI L F， FAN G P， XIAO M L， et al. Comparison of two methods for determination of catalase in soil[J]. Technology Innovation and Application， 2019（15）： 145-146.

[17]曾巧云，莫測(cè)輝，蔡全英.農(nóng)業(yè)土壤中鄰苯二甲酸酯的污染現(xiàn)狀與危害[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，36（7）：90-92.

ZENG Q Y， MO C H， CAI Q Y. Current situation and harmfulness of phthalic acid esters in agricultural soil[J]. Guangdong Agricultural Sciences， 2009， 36（7）： 90-92.

[18]ZIMMERMANN S， FREY B. Soil respiration and microbial properties in an acid forest soil： effects of wood ash[J]. Soil Biology and Biochemistry， 2002， 34（11）： 1727-1737.

[19]王啟蘭，曹廣民，王長(zhǎng)庭.放牧對(duì)小嵩草草甸土壤酶活性及土壤環(huán)境因素的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2007， 13（5）： 856-864.

WANG Q L， CAO G M， WANG C T. The impact of grazing on the activities of soil enzymes and soil environmental factors in alpine Kobresia pygmaea meadow[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science， 2007， 13（5）： 856-864.

[20]牛小云，孫曉梅，陳東升，等.日本落葉松人工林枯落物土壤酶活性[J].林業(yè)科學(xué)，2015，51（4）：16-25.

NIU X Y， SUN X M， CHEN D S， et al. Soil enzyme activities of the litter in Larix kaempferi plantation[J]. Scientia Silvae Sinicae， 2015， 51（4）： 16-25.

[21]王天元，宋雅君，滕鵬起.土壤脲酶及脲酶抑制劑[J].化學(xué)工程師，2004，18（8）：22-24.

WANG T Y， SONG Y J， TENG P Q. The urease of the soil and the inhibitor of urease[J]. Chemical Engineer， 2004， 18（8）： 22-24.

[22]郭傳陽，林開敏，鄭鳴鳴，等. 間伐對(duì)杉木人工林土壤微生物生物量碳氮的短期影響[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2020， 44（5）： 125-131.

GUO C Y， LIN K M， ZHENG M M， et al. Short-term effects of thinning on soil microbial biomass carbon and nitrogen in a Cunninghamia lanceolata plantation[J].Journal of Nanjing Forestry University （Natural Science Edition）， 2020， 44（5）： 125-131

[23]SU Y Z， LI Y L， CUI J Y， et al. Influences of continuous grazing and livestock exclusion on soil properties in a degraded sandy grassland， Inner Mongolia， Northern China[J]. CATENA， 2005， 59（3）： 267-278.

[24]漆良華，張旭東，彭鎮(zhèn)華.湘西北小流域植被恢復(fù)區(qū)土壤酶活性及養(yǎng)分相關(guān)性[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39（3）：83-88.

QI L H， ZHANG X D， PENG Z H. Soil enzyme activities and their path analysis with soil nutrient properties under different vegetation restoration patterns in small watershed， northwest Hunan[J]. Journal of Northeast Forestry University， 2011， 39（3）： 83-88.

[25]陳軍軍.撫育間伐對(duì)松櫟混交林土壤微生物和酶活性的影響[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014.

CHEN J J. Effects of forest thinning on soil microbes and enzymes in pine-oak mixed forest[D]. Yangling： Northwest A & F University， 2014.