分析不同林齡馬尾松人工林土壤酶變化的相關(guān)特性論文
土壤酶是一類具有蛋白質(zhì)性質(zhì)的生物催化劑,是土壤生物活動的產(chǎn)物[1]。森林土壤酶在森林生態(tài)系統(tǒng)中具有重要作用,參與了土壤中許多重要生物化學(xué)過程和物質(zhì)循環(huán),是表征森林土壤肥力的重要參數(shù),在植被恢復(fù)過程中常被用來反應(yīng)土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警和敏感指標(biāo)[2-3]。紅壤丘陵區(qū)是我國侵蝕較嚴(yán)重地區(qū),生態(tài)環(huán)境極其脆弱[4]。
馬尾松以其抗旱、耐瘠薄、生態(tài)適應(yīng)強及防風(fēng)固沙等特點,在亞熱帶紅壤丘陵地區(qū)大量引種、種植,是我國南方的主要造林樹種[3]。目前,針對馬尾松的研究大多集中在生態(tài)系統(tǒng)碳儲量[5]、凋落物動態(tài)[6]和林地土壤性質(zhì)[7]等方面,而對于在植被恢復(fù)過程中土壤酶活性隨林齡變化的研究鮮見報道。
現(xiàn)以不同林齡馬尾松人工林為研究對象,分析土壤酶活性隨著林齡演變的規(guī)律,探討土壤酶活性對于馬尾松造林過程的意義,以期為紅壤丘陵區(qū)的生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于江西省鷹潭市余江縣(東經(jīng)116°55′,北緯28°15′)。該區(qū)屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),年均降水量1 794 mm,年均蒸發(fā)量為1 318 mm,降水主要集中在4—6月,雨量分配極不均勻,干濕交替明顯,平均海拔1 100 m。年平均溫17.6 ℃,年平均日照時數(shù)1 809 h,≥10 ℃有效積溫為5 528 ℃,年均無霜期262 d。該區(qū)地形以崗地為主,海拔在35~60 m,坡度為5°~8°,土壤類型以第四紀(jì)紅黏土發(fā)育而成的典型紅壤為主。本研究以馬尾松(Pinus massoniana)林為研究對象,林下植被主要有芒(Dicranopteris dichotoma)、白茅草(Imperata cylindrica)和野谷草(Arundinella hirta)等。
1.2 研究方法
1.2.1 土樣采集。2012年4月,在野外詳細調(diào)查的基礎(chǔ)上,采用空間代替時間法,選擇營林、管理方法及坡位、坡向和土壤母質(zhì)一致的6年(PM6)、12年(PM12)、16年(PM16)、20年(PM20)、25年(PM32)、30年(PM30)和45年(PM45)馬尾松人工林為研究對象,選取裸地(CK1)和天然次生林(CK2)為對照樣地(表1)。在20 m×20 m不同林齡馬尾松樣地內(nèi)用“S”形采樣法選取5點,利用土鉆取0~20 cm厚的土樣,每個土樣3次重復(fù)。將每個土樣去掉石礫、動植物殘體及雜質(zhì)后,混勻,四分法留取約500 g土樣,將土樣分成2份裝入塑封袋內(nèi)帶回實驗室。一份存于4 ℃冰箱內(nèi)用于土壤酶活性測定分析,另一份自然風(fēng)干,研磨,分別過1.00、0.25 mm篩,用于土壤理化性質(zhì)分析。
1.2.2 樣品測定。土壤pH值、有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀含量采用《中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法》測定[8]。蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶和多酚氧化酶活性具體測定方法參照《土壤酶及其研究法》[9]:蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定,以24 h后1 g土壤中含有的葡萄糖量(mg)表示;脲酶活性采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測定,以24 h后1 g土壤中NH4+-N量(mg)表示;酸性磷酸酶采用Hoffman法測定,以12 h后1 g土壤所消耗酚量(mg)測定;過氧化氫酶采用滴定法測定,以 1 g土壤20 min后消耗0.1 moL/L KMnO4量(mL)表示;多酚氧化酶活性采用典量滴定法測定,以1 g土壤濾液的0.01 moL/L I2體積(mL)數(shù)來表示。
1.3 土壤酶指數(shù)(Soil enzymes index,SEI)計算方法及相關(guān)數(shù)據(jù)分析
為了全面揭示不同林齡馬尾松人工林土壤酶活性的變化規(guī)律,進一步采用土壤酶指數(shù)(SEI)說明土壤酶活性在植被恢復(fù)過程中的演變特征[1]。土壤酶計算公式[2]如下:
SEI=■wi×SEI(xi)(1)
wi=Ci/C(2)
SEI(xi)=(xi-ximin)/(ximax-ximin)(3)
SEI(xj)=(xjmax-xj)/(xjmax-xjmin)(4)
式(1)~(4)中,wi為土壤酶(i)的權(quán)重,Ci為公因子方差,C為公因子方差之和;SEI(xi)為升型酶(i)的隸屬度值,SEI(xj)為降型酶(j)的隸屬度值;(xi)表示土壤酶(i)的活性值,(xj)表示土壤酶(j)的活性值。ximax和ximin分別表示土壤酶(i)活性的最大值和最小值。xjmax和xjmin分別表示土壤酶(j)活性的最大值和最小值。多酚氧化酶采用降型分布函數(shù)對土壤酶指數(shù)進行計算,其他酶采用升型分布函數(shù)對土壤酶指數(shù)進行計算。相關(guān)性分析及差異性比較采用SPSS13.0(SPSS Inc.,USA)軟件進行分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同林齡馬尾松人工林地土壤酶活性變化特征
不同林齡馬尾松林地土壤養(yǎng)分特征見表2。研究結(jié)果表明,裸地在種植馬尾松6年后,土壤中蔗糖酶含量顯著增加,在種植12~20年時土壤中蔗糖酶活性呈相對穩(wěn)定趨勢,25年后開始穩(wěn)定增加,到45年達到最大,是CK1的2.55倍,但仍低于天然次生林土壤蔗糖酶活性(表3)。
裸地種植馬尾松后,土壤酸性磷酸酶活性顯著增加,隨林齡增加呈上升趨勢,到45年達到最大,是CK1的5.76倍,為天然次生林(CK2)的92.3%(表3)。
土壤過氧化氫酶的變化趨勢和酸性磷酸酶類似,裸地種植馬尾松后土壤過氧化氫酶活性顯著增大,在種植6~25年時,保持相對穩(wěn)定,32年后逐漸增加,到45年達到最大,但仍低于天然次生林(CK2)的(3.38±0.12)mL/g(表3)。栽植馬尾松后,土壤脲酶活性增幅達到顯著水平,隨著植被種植年限的增加,土壤脲酶活性呈上升趨勢,到45年達到最大,是CK1的3.88倍,仍低于天然次生林,但二者之間差異并不顯著(表3)。
過氧化氫酶活性變化趨勢與蔗糖酶相似,與CK1相比,不同林齡過氧化氫酶活性均顯著增加,且隨著林齡的增加呈上升趨勢。多酚氧化酶隨著馬尾松種植年限的增加呈現(xiàn)遞減趨勢,到45年時達到最低值,僅占CK1的41.9%,但仍然高于天然次生林(CK2)(表3)。
2.2 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析
土壤酶活性與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析表明(表4),蔗糖酶與有機碳、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀呈極顯著正相關(guān)(p<0.01),而與全磷呈顯著正相關(guān)(p<0.05);酸性磷酸酶與有機碳、全磷、堿解氮和速效鉀呈極顯著正相關(guān)(p<0.01),而與全氮和有效磷呈顯著正相關(guān)(p<0.05);過氧化氫酶與全磷呈顯著正相關(guān)(p<0.05),而與其他土壤養(yǎng)分因子呈極顯著正相關(guān)(p<0.01);脲酶與所有養(yǎng)分因子呈極顯著正相關(guān)(p<0.01);而多酚氧化酶與其他各個指標(biāo)均呈極顯著負相關(guān)(p<0.01)。
2.3 土壤酶指數(shù)(SEI)
由前面對土壤酶活性隨林齡變化的分析可知,馬尾松林齡對土壤酶活性的'影響隨土壤酶類型的不同而有一定的差異。為了克服單一土壤酶指標(biāo)反映土壤性質(zhì)變化的缺點,引入土壤酶指數(shù)作為各酶因子的綜合作用的反映,從而能更加客觀、全面地反映土壤酶活性在整個植被恢復(fù)過程中的變化。研究結(jié)果表明(圖1),裸地種植馬尾松6年后,SEI呈顯著升高趨勢,在種植12~20年時保持相對穩(wěn)定,在種植25年后又開始穩(wěn)定升高,到45年達到最大,是CK1的2.64倍,但低于天然次生林(CK2)。
3 結(jié)論與討論
3.1 土壤酶活性
土壤酶能催化土壤中的生物化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)循環(huán),其活性的高低可以反應(yīng)土壤的肥力狀況[10]。林齡主要是通過對土壤理化性質(zhì)、生物區(qū)系和土壤水熱狀況的改變,從而間接影響土壤酶活性[3]。張 超等[1]對黃土高原丘陵區(qū)植被恢復(fù)過程中土壤酶活性的研究表明,植被恢復(fù)過程中土壤中脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、纖維素酶活性顯著增加,但仍然低于天然側(cè)柏林,而多酚氧化酶的活性隨著馬尾松林齡的增加而降低。
本研究結(jié)果表明,土壤多酚氧化酶活性也隨林齡的增加而降低,與葛曉改等[3]、譚芳林等[11]的研究結(jié)果一致;其他酶活性隨林齡的增加而呈總體上升趨勢,與張 超等[1]的研究結(jié)果類似。土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶和纖維素酶活性隨馬尾松種植年限增加而增加,這可能是因為紅壤丘陵區(qū)低質(zhì)土壤在種植馬尾松后,根系能夠固定土壤,減少水土流失,同時大量的枯枝落葉返回土壤,增加土壤中的有機質(zhì)和營養(yǎng)元素含量[1];同時,隨植被恢復(fù)年限的增加,林下植被種類增多,能為土壤微生物提供更多的營養(yǎng)物質(zhì),土壤酶活性因而得到提高[12]。土壤多酚氧化酶隨著馬尾松林齡的增加反而降低,這可能是因為土壤無機氮利用率的提高,改變了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu),導(dǎo)致了土壤多酚氧化酶活性的降低[13-14]。
3.2 土壤酶活性與養(yǎng)分相關(guān)性
在植被恢復(fù)過程中,土壤酶在改善土壤質(zhì)量中扮演著極其重要的角色,它們能直接影響土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和代謝過程,可以作為土壤肥力的評價指標(biāo)[1-2]。Duran et al[15]認為,纖維素酶和土壤中有機質(zhì)和氮含量之間有著密切的關(guān)系,土壤有機質(zhì)性質(zhì)決定纖維素酶活性。葛曉改等[3]對紅壤丘陵區(qū)不同林齡馬尾松林土壤養(yǎng)分和酶活性關(guān)系研究表明,馬尾松土壤養(yǎng)分與土壤酶活性關(guān)系密切,土壤有機質(zhì)含量越高,轉(zhuǎn)化酶活性越高。張 超等[1]對黃土丘陵區(qū)不同林齡人工林刺槐林土壤酶演變特征研究表明,土壤酶與土壤養(yǎng)分因子相關(guān)性較強。
本研究結(jié)果也表明,土壤酶與土壤養(yǎng)分因子之間存在密切關(guān)系。因此,土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、纖維素酶和多酚氧化酶可以作為土壤肥力和質(zhì)量的生物學(xué)評價指標(biāo)[16-17]。
3.3 土壤酶指數(shù)
土壤酶是較為理想的土壤質(zhì)量指標(biāo),在進行土壤肥力評價時,可以作為土壤肥力狀況的評價指標(biāo)。但利用單一酶類反映土壤酶活性變化,這存在很大的片面性和局限性,土壤酶指數(shù)(SEI)可以克服這一缺點,能更加客觀、全面地反映土壤酶活性隨植被恢復(fù)的演變特征。張 超等[8]在對黃土高原丘陵區(qū)植被恢復(fù)的研究表明,土壤酶指數(shù)隨植被種植年限的增加而增加,結(jié)果認為土壤酶指數(shù)可以作為一種土壤肥力評價指標(biāo)。
本研究表明,在植被恢復(fù)過程中,土壤酶指數(shù)隨馬尾松林齡的增加呈上升趨勢,45年齡的為裸地上的2.64倍,但仍低于天然次生林的土壤酶指數(shù)。
4 參考文獻
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