不同林齡油茶林土壤酶活性及養(yǎng)分特征

郭春蘭，張 露，雷 蕾，吳南生，胡冬南，郭曉燕

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045)

土壤養(yǎng)分和土壤酶在森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)方面發(fā)揮著重要作用，土壤養(yǎng)分含量直接影響林木的生長，而土壤酶參與土壤中的生物化學(xué)過程和物質(zhì)循環(huán)，對土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化起著重要作用，是反映森林土壤質(zhì)量高低的重要生物學(xué)指標(biāo)[1-3]。土壤養(yǎng)分結(jié)合土壤酶活性能較全面地反映土壤環(huán)境質(zhì)量和肥力變化，且土壤酶是判別脅迫環(huán)境下土壤生態(tài)系統(tǒng)退化的早期主要預(yù)警指標(biāo)之一[4-5]。多數(shù)研究表明，土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量有密切的相關(guān)性，并用土壤養(yǎng)分和酶活性來衡量土壤肥力高低[6-8]。目前對油茶(Camelliaoleifera)林土壤養(yǎng)分及土壤酶關(guān)系的研究較少[9-12]，本研究通過分析江西不同林齡油茶林土壤酶活性與土壤肥力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，探討在一定立地條件下不同林齡油茶林土壤養(yǎng)分及土壤酶的關(guān)系，以期為分析和探討油茶林的種植、管理、油茶林土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及其可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)域概況 試驗(yàn)地為江西省新余市渝水區(qū)羅坊鎮(zhèn)章塘村，地理位置為115°03′～115°04′ E，27°33′～27°35′ N，坡度小于5°，海拔59～62 m，屬亞熱帶濕潤氣候。年平均氣溫為17.7 ℃，極端最高溫度39 ℃，極端最低溫度-8.3 ℃，年平均地溫20.1 ℃，無霜期281 d；年平均降水量為1 599.4 mm，年蒸發(fā)量1 497.8 mm，年均相對濕度80%，年平均日照1 656 h，為油茶適生栽培區(qū)[9]。

設(shè)置7種處理，分別為無林地對照(A)、1(年)齡撫育油茶林(B-1yr)、6(年)齡撫育油茶林(C-6yr)、10(年)齡撫育油茶林(D-10yr，進(jìn)行周期性施肥、除草、灌溉等撫育措施)、10(年)齡未撫育油茶林(E-10yr)、30(年)齡油茶林(F-30yr，前期撫育和后期未撫育)、50(年)齡油茶林(G-50yr，前期撫育和后期未撫育)。30(年)齡和50(年)齡油茶林由于缺乏長期管護(hù)，目前林分生長狀況一般。 每林分設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地，共21塊樣地，每樣地測定樹高、胸徑、冠幅等因子并進(jìn)行土壤樣品取樣(表1)。

1.2研究方法 在標(biāo)準(zhǔn)地分別按0～20和20～40cm兩個(gè)層次，用直徑為 7.5 cm 的土鉆在每個(gè)樣方分別采集5個(gè)土壤混合作為一個(gè)樣品，同一層次的土樣混合后立即轉(zhuǎn)入塑料袋中帶回實(shí)驗(yàn)室分析。采集時(shí)間分別在2011年的夏季(7月)和秋季(10月)。采集后自然風(fēng)干土樣過0.15、1.00和2.00 mm土篩后進(jìn)行土壤養(yǎng)分及土壤酶活性的分析。

表1 樣地基本情況 Table 1 Basic situation of plots

土壤酶活性測定[13]：過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定法(以20 min后1 g土壤的0.1 mol·L-1KMnO4的毫升數(shù)表示)，過氧化物酶采用鄰苯三酚-比色法(以2 h后1 g土壤生成的紫色沒食子素毫克數(shù)表示)，蔗糖酶活性的測定采用硫代硫酸鈉滴定法(以培養(yǎng)24 h后1 g風(fēng)干土壤滴定所需0.05 mol·L-1Na2S2O3的毫升數(shù)來表示)。

土壤養(yǎng)分測定[14]：有機(jī)質(zhì)采用硫酸-重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；全氮采用全自動(dòng)凱氏定氮法測定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定；全磷采用堿熔-鉬銻抗比色法測定；有效磷采用鹽酸-硫酸浸提-鉬銻抗比色法測定；全鉀采用堿熔定容-火焰光度計(jì)法測定；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測定。

1.3數(shù)據(jù)處理 用Excel和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1不同林齡油茶林土壤養(yǎng)分分析 0～20 cm土層土壤全氮含量D-10yr 最高，為0.88 g·kg-1；堿解氮含量E-10yr 最高，為96.55 mg·kg-1；全磷的含量G-50yr最高，為0.64 g·kg-1；有效磷的含量D-10yr最高，為9.31 mg·kg-1；全鉀的含量B-1yr最高，為10.39 g·kg-1；速效鉀含量D-10yr最高，為242.56 mg·kg-1。除與F-30yr、G-50yr差異不顯著(P>0.05)外，D-10yr與無林地及其他3種林齡的全氮含量差異顯著(P<0.05)； 除E-10yr外，G-50yr與無林地及其他4種林齡的堿解氮含量差異顯著；G-50yr與無林地及其他5種林齡全磷、土壤容重均差異顯著；D-10yr與無林地及其他5種林齡有效磷、速效鉀含量均差異顯著；C-6yr除與A差異不顯著外，與其他5種林齡的土壤含水量差異顯著；D-10yr與C-6yr、E-10yr、F-30yr的pH值差異顯著(表2)。

20～40 cm土層土壤全氮含量以G-50yr最高，為0.70 g·kg-1，堿解氮含量以E-10yr 最高，為102.63 mg·kg-1；全磷含量以G-50yr 最高，為0.55 g·kg-1；有效磷含量C-6yr最高，為9.69 mg·kg-1。全鉀含量D-10yr最高，為14.40 g·kg-1；速效鉀含量D-10yr 最高，為139.22 mg·kg-1；除與G-50yr差異不顯著外(P>0.05)，D-10yr與無林地及其他4種林齡的全氮含量差異顯著(P<0.05)；E-10yr 與無林地及其他5種林齡堿解氮含量差異顯著；D-10yr、F-30yr、G-50yr之間的全磷含量差異顯著，C-6yr、D-10yr、E-10yr之間的有效磷含量差異顯著，除與E-10yr差異不顯著外，D-10yr與無林地及其他4種林齡的全鉀含量差異顯著；D-10yr與無林地及其他5種林齡的速效鉀含量差異顯著； G-50yr與無林地及其他5種林齡的土壤容重差異顯著；6種林齡及無林地的土壤pH值和含水量差異不大，但分別以D-10yr和G-50yr最高(表2)。

土壤養(yǎng)分含量基本上表現(xiàn)為0～20 cm土層高于20～40 cm土層，這可能是肥料主要分布在表層的結(jié)果。隨著林齡的不斷增加，0～20 cm土層，有效磷和速效鉀含量是先增加后減少，其他養(yǎng)分因子呈遞增的趨勢；20～40 cm土層，堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀的含量是先增加后減少，其他養(yǎng)分因子呈遞增的趨勢(表2)。

2.2不同林齡油茶林土壤有機(jī)質(zhì)季節(jié)變化 0～20 cm土層，夏季有機(jī)質(zhì)含量G-50yr最高,為3.89%,秋季的有機(jī)質(zhì)含量D-10yr最高，為2.25%；20～40 cm土層，夏季、秋季有機(jī)質(zhì)含量均以G-50yr最高，分別為1.97%和1.31%(圖1)。隨著林齡的不斷增加，0～20 cm土層，夏季有機(jī)質(zhì)含量總體呈逐漸升高趨勢，秋季有機(jī)質(zhì)含量呈先升高后降低再升高變化；20～40 cm土層，夏季、秋季有機(jī)質(zhì)含量總體呈先降低后漸增趨勢。這可能是由于隨著林齡的增長，每年有大量的枯枝落葉歸還土壤，使油茶林土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯增加，且0～20 cm和20～40 cm土層的夏季有機(jī)質(zhì)含量基本都高于秋季有機(jī)質(zhì)含量(圖1)。這是由于夏季是一切生物生長的旺盛季節(jié)，也正值施肥的最佳時(shí)期，故有機(jī)質(zhì)含量高。

表2 樣地土壤基本理化性質(zhì)Table 2 Soil chemical properties of plots

2.3油茶林不同林齡土壤酶活性季節(jié)變化 夏季0～20 cm和20～40 cm過氧化氫酶活性最高均為G-50yr，分別為2.12 和1.50 mL·g-1，秋季最高也均為G-50yr，分別為1.61 和0.95 mL·g-1(圖2)。0～20 cm和20～40 cm 土層過氧化氫酶活性的變化規(guī)律一致，隨著林齡的不斷增加，夏季、秋季過氧化氫酶活性總體呈先降低后漸增趨勢，這主要是因?yàn)榱窒挛锓N相對多，增加了植物根系生物量，而枯枝落葉的增加也為土壤微生物提供了充足的營養(yǎng)來源，過氧化氫酶活性隨之增強(qiáng)。

0～20 cm土層夏季過氧化物酶活性C-6yr最高，為2.45 U·g-1,秋季過氧化物酶活性A最高，為1.17 U·g-1(圖3)；20～40cm土層夏季過氧化物酶活性A最高，為3.55 U·g-1，秋季過氧化物酶活性C-6yr最高，為2.22 U·g-1。隨著林齡的不斷增加，0～20 cm夏季過氧化物酶活性先增加后減少，秋季過氧化物酶活性總體呈增加趨勢；20～40 cm夏季過氧化物酶活性呈先增強(qiáng)后減弱，秋季過氧化物酶活性呈“M”型變化趨勢(圖3)。

圖1 土壤有機(jī)質(zhì)季節(jié)變化Fig.1 Seasonal variation of soil organic matter

圖2 土壤過氧化氫酶活性季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variation of soil hydrogen peroxide enzyme activity

6種林齡及無林地對照中，0～20 cm土層，夏季蔗糖酶活性C-6yr最高，為3.43 mL·g-1，秋季蔗糖酶活性F-30yr最高，為2.40 mL·g-1(圖4)。20～40 cm土層，夏季蔗糖酶活性E-10yr最高，為2.83 mL·g-1，秋季蔗糖酶活性C-6yr最高，為1.33 mL·g-1(圖4)。隨著林齡的增加，0～20 cm土層，夏季蔗糖酶活性先增加后逐漸減少，秋季蔗糖酶活性總體呈漸增趨勢；20～40 cm土層，夏季1～10(年)齡穩(wěn)定，至30(年)齡急劇下降，50(年)齡又有上升趨勢，秋季蔗糖酶活性均呈遞減的趨勢(圖4)。過氧化氫酶、過氧化物酶和蔗糖酶這3種酶活性基本呈夏季高于秋季趨勢。

圖3 土壤過氧化物酶活性季節(jié)變化Fig.3 Seasonal variation of soil peroxidase enzyme activity

圖4 土壤蔗糖酶活季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variation of soil sucrose enzyme activity

2.4油茶林土壤養(yǎng)分及酶活性之間的相關(guān)性 為了探討不同林齡油茶林地土壤養(yǎng)分、土壤酶活性及油茶經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的關(guān)系，對測定的養(yǎng)分因子與酶活性進(jìn)行相關(guān)性分析。0～20 cm土層，夏、秋季過氧化氫酶活性均與全氮、堿解氮、全磷、土壤容重呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，均與全鉀呈顯著相關(guān)(P<0.05),與有效磷、速效鉀、pH值相關(guān)性弱；夏、秋季過氧化物酶活性均與全鉀呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，均與全氮、有效磷、速效鉀、pH值相關(guān)性弱；夏、秋季蔗糖酶活性與全磷、土壤容重呈顯著相關(guān)(P<0.05)，與堿解氮、速效鉀、pH值相關(guān)性弱(表3)。這說明夏、秋兩季節(jié)的土壤酶活性與代表土壤肥力的全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、容重、含水量等指標(biāo)存在較強(qiáng)的相關(guān)性。土壤酶與土壤中的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化有著密切的關(guān)系，利用這3種土壤酶活性能夠作為評價(jià)土壤肥力的參考指標(biāo)[15]。

20～40 cm土層，夏、秋季過氧化氫酶活性與有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、土壤容重呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與pH值呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與堿解氮、有效磷、速效鉀相關(guān)性弱；夏、秋季過氧化物酶活性與含水量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與pH值呈顯著相關(guān)(P<0.05)，與有機(jī)質(zhì)、速效鉀相關(guān)性弱；夏、秋季蔗糖酶活性與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與全鉀、速效鉀、pH值相關(guān)性弱(表3)。相關(guān)性分析表明，土壤肥力與酶活性呈顯著相關(guān)。因此，通過酶活性來間接反映或預(yù)測某些營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化情況以及土壤肥力的一般狀況具有可行性[16]。

表3 土壤養(yǎng)分與土壤酶活之間的相關(guān)性Table 3 Correlation of soil nutrient and soil enzyme

3 討論與結(jié)論

本研究表明，不同林齡油茶林土壤養(yǎng)分在各個(gè)季節(jié)及土層均有差異。隨著土層深入，土壤養(yǎng)分指標(biāo)逐漸降低，這與養(yǎng)分或肥料主要分布在土壤表層有關(guān)。油茶林土壤過氧化氫酶、過氧化物酶和蔗糖酶活性隨著土層的逐漸加深，其活性逐漸減弱。表層土壤肥力高，通氣良好，微生物較多，而深層土壤肥力低，枯落物量少，微生物活性小，所以表層土壤中的酶活性較深層的高。夏季土壤酶活性高于秋季土壤酶活性，主要因?yàn)橄募局参锷L相對旺盛，土壤微生物活動(dòng)較頻繁，在一定程度上促進(jìn)了土壤酶活性提高。除草和墾復(fù)等撫育措施促進(jìn)油茶林生長，并改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤養(yǎng)分和酶活性。土壤酶對改善土壤質(zhì)量具有重要作用，可以作為評價(jià)土壤肥力的指標(biāo)[17]。

土壤養(yǎng)分因子與土壤酶活性之間存在著一定的相關(guān)性[18-20]。本研究表明，土壤酶活性與代表土壤肥力的全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、容重、含水量等指標(biāo)存在較大的相關(guān)性，且土壤酶與土壤中的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化有著密切的關(guān)系。了解土壤酶活性的強(qiáng)弱，可以預(yù)測某些營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化情況以及土壤肥力的一般狀況，并可用其作為評斷土壤肥力的輔助指標(biāo)，對研究土壤肥力有重要意義[21]。特別需要加強(qiáng)油茶林根系分泌物-根際微生物-土壤養(yǎng)分有效性-根際微生態(tài)-地上部分之間協(xié)同作用機(jī)理研究，可為油茶林合理經(jīng)營管理提供有力科學(xué)依據(jù)。

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