衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地恢復(fù)過(guò)程中土壤性質(zhì)的變化及其關(guān)系

摘要[目的]為了探討衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地恢復(fù)過(guò)程中土壤性質(zhì)的變化規(guī)律。[方法]采用時(shí)空互代法，研究衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地不同恢復(fù)階段0～40 cm土層的土壤性質(zhì)變化及其關(guān)系。[結(jié)果]土壤性質(zhì)存在明顯差別，從裸地階段（Ⅰ）、草本群落階段（Ⅱ）、灌木群落階段（Ⅲ）至喬木群落階段（Ⅳ）土壤有機(jī)碳（SOC）、全氮（TN）、堿解氮（AN）和陽(yáng)離子交換量（CEC）顯著增加（P<0.05），容重（BD）與pH顯著減小（P<0.05）。微生物總數(shù)顯著增加（P<0.05），其中細(xì)菌數(shù)量顯著增加（P<0.05），真菌數(shù)量與放線菌數(shù)量顯著減?。≒<0.05）； 相關(guān)分析表明，土壤細(xì)菌數(shù)量與SOC、TN與AN呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與CEC呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；真菌數(shù)量與SOC與TN呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與BD呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）；放線菌數(shù)量與BD呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。URE、INV、APE酶活性顯著增強(qiáng)（P<0.05）， CAT活性顯著減弱（P<0.05）；相關(guān)分析表明，URE、INV、APE活性與SOC、TN、AN、CEC顯著或極顯著正相關(guān)（P<0.05或P<0.01），與BD與呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）；CAT與BD呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與SOC呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。[結(jié)論]研究結(jié)果可以豐富該區(qū)域恢復(fù)生態(tài)學(xué)的內(nèi)容，為衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復(fù)與重建提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞植被恢復(fù)；土壤性狀；微生物數(shù)量；酶活性；紫色土；衡陽(yáng)

中圖分類號(hào)S154.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）01-00091-03

基金項(xiàng)目湖南省重點(diǎn)項(xiàng)目（62020608001）；湖南省科技廳項(xiàng)目（S2006N332）；湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)科研基金青年資助項(xiàng)目（Z0901）。

作者簡(jiǎn)介陳孫華（1972-），男，湖南茶陵人，講師，從事林業(yè)技術(shù)教育與園林的教學(xué)與研究工作，Email：chensunhua1@sina.com。

收稿日期20131202衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地是湖南省生態(tài)環(huán)境最惡劣的地區(qū)之一，也是我國(guó)南方極具代表性的生態(tài)災(zāi)難區(qū)，面積達(dá)1.625×105 hm2。紫色土發(fā)育期短，常處于幼年階段，因此地力差，極易水蝕，加上其顏色深、吸熱性強(qiáng)，夏季地面溫度極高（最高可達(dá)72.9 ℃），蒸發(fā)量大，又因區(qū)域性的不利環(huán)境影響和不合理的開(kāi)發(fā)，致使該區(qū)域長(zhǎng)期以來(lái)植被稀疏，水土流失嚴(yán)重[1-5]。植被恢復(fù)是治理該區(qū)域水土流失的關(guān)鍵措施。在恢復(fù)過(guò)程中，土壤性質(zhì)（包括土壤理化性質(zhì)、微生物數(shù)量以及酶活性）發(fā)生相應(yīng)的變化，但以往的研究與評(píng)價(jià)多集中于減少?gòu)搅髋c養(yǎng)分的流失[6-7]，而對(duì)土壤微生物數(shù)量及代謝影響的研究相對(duì)薄弱。筆者采用時(shí)空互代法[8-10]，研究不同恢復(fù)階段土壤性質(zhì)與土壤微生物多樣性，并且以測(cè)定脲酶（Urease， URE）、蔗糖酶（Invertase， INV）、堿性磷酸酶（Alkphosphatase， APE）與過(guò)氧化氫酶（Catalase， CAT）為切入點(diǎn)分析其代謝活性，揭示在植被恢復(fù)過(guò)程中土壤性質(zhì)的變化機(jī)制，為該區(qū)域紫色土的質(zhì)量管理及恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地（110°32′16″～113°16′32″ E，26°7′5″～27°28′24″ N）地處湖南省中南部，湘江中游，東起衡東縣的霞流鎮(zhèn)與大浦鎮(zhèn)，西至祁東縣的過(guò)水坪鎮(zhèn)，北至衡陽(yáng)縣的演陂鎮(zhèn)與渣江鎮(zhèn)，南達(dá)常寧市的官嶺鎮(zhèn)與東山瑤族鄉(xiāng)和耒陽(yáng)市的遙田鎮(zhèn)與市爐鎮(zhèn)一帶，以衡南與衡陽(yáng)兩縣面積最大，地貌類型以丘崗為主，呈網(wǎng)狀集中分布于該區(qū)域中部海拔60～200 m的地帶。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫18 ℃，極端最高氣溫40.5 ℃，極端最低氣溫-7.9 ℃，年平均降雨量1 325 mm，年平均蒸發(fā)量1 426.5 mm。平均相對(duì)濕度80%，全年無(wú)霜期286 d。

1.2研究方法

1.2.1樣地設(shè)置。在2011年7～8月，在該研究區(qū)的典型區(qū)域中選擇坡度、坡向和海拔等生態(tài)因子基本一致的中下坡沿等高線的樣地，代表不同的植被恢復(fù)階段。它們分別為裸地階段（Ⅰ）、草本群落階段（Ⅱ）、灌木群落階段（Ⅲ）和喬木群落階段（Ⅳ）。每個(gè)樣地面積>1 hm2，在演替初始條件均為撂荒地。裸地階段（Ⅰ）的樣地坡度為30°，坡向西南，海拔130 m， 僅有極少數(shù)陽(yáng)性先鋒幼苗，如野桐（Mallotus tenuifolius）、鹽膚木（Rhus chinensis），近無(wú)草本植物。草本群落階段（Ⅱ）的樣地坡度為25°，坡向西南，海拔120 m， 草本植物主要有狗尾草（Setaria viridis）、須芒草（Miscanthus sinensis）與夏枯草（Prunella vulgaris）等；木本植物主要有野桐、火棘（Pyracantha fortuneana）與構(gòu)樹(shù)（Broussonetia papyrifera）等。灌木群落階段（Ⅲ）的樣地坡度為35°，坡向西南，海拔125 m， 灌木層主要有牡荊（Vitex negundo var. cannabifolia）、紫薇（Agrmonia pilosa）、圓葉烏桕（Sapium rotundifolium）、重陽(yáng)木（Bischofia polycarpa）、女貞（Ligustrum luciduum）、六月雪（Serissa foetida）、山楊（Populus davidiana）與馬桑（Coriaria nepalensis）等。喬木群落階段（Ⅳ） 的樣地坡度為25°，坡向西南，海拔135 m， 喬木層主要有楓香（Liquidambar formosana）、圓葉烏桕、樸樹(shù)（Celtis sinensis）、重陽(yáng)木與山楊等；灌木層有紫薇、女貞、六月雪、矮地茶（Ardisia japonica）等。在每個(gè)樣地內(nèi)分別設(shè)置5塊個(gè)樣方間距>20 m 的20 m×20 m樣方，在每個(gè)樣方內(nèi)按S型、線型或梅花型多點(diǎn)采集混合樣，取0～40 cm的土樣，分為兩部分，一部分土樣保保藏于0～4 ℃的冰箱中，并在30 d內(nèi)完成微生物計(jì)數(shù)；另一部分土樣風(fēng)干，混勻、磨細(xì)、過(guò)0.25 mm篩供土壤理化性質(zhì)的測(cè)定（表1）。

1.2.2測(cè)定項(xiàng)目與方法。土壤容重（Bulk density，BD）測(cè)定采用環(huán)刀法；SOC（Soil organic carbon， SOC）測(cè)定采用H2SO4-K2Cr2O7外加熱法；全氮（Total nitrogen， TN）測(cè)定采用凱氏法；堿解氮（Available nitrogen， AN）測(cè)定采用擴(kuò)散吸收法；pH測(cè)定采用電極電位法；陽(yáng)離子交換量（Cation exchange capacity， CEC）測(cè)定采用乙酸銨交換法[11]。土壤中的細(xì)菌、真菌和放線菌的分離和數(shù)量測(cè)定采用稀釋平板法。三大類菌培養(yǎng)基分別為牛肉膏蛋白胨瓊脂、馬丁氏（Martin）培養(yǎng)基和高氏1號(hào)培養(yǎng)基[12]。土壤URE、INV、APE和CAT活性分別采用苯酚-次氯酸鈉比色法、3，5二硝基水楊酸比色法、對(duì)硝基苯磷酸二鈉比色法測(cè)定和KMnO4滴定法測(cè)定[13]。

1.2.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。 所有數(shù)據(jù)均采用SPSS13.0軟件進(jìn)行處理。用單因素方差分析法（oneway ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較不同數(shù)據(jù)間的差異。用Pearson分析法分析不同因子間的相關(guān)系數(shù)。所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

2結(jié)果與分析

2.1不同恢復(fù)階段土壤微生物數(shù)量表2表明，從Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ至Ⅳ，細(xì)菌數(shù)量與微生物總數(shù)顯著增加（P<0.05），其增加幅度分別為59.000%～394.895%與51.720%～360.009%；而真菌數(shù)量與放線菌數(shù)量顯著減?。≒<0.05），其減小幅度分別為25.593%～94.932%與67.523%～148.411%。在三大微生物中，細(xì)菌最多，占絕大多數(shù) （85%以上），真菌最少（不足2%）。這與三大微生物的生態(tài)屬性的差異有關(guān)，細(xì)菌個(gè)體小，繁殖簡(jiǎn)單，速度快，而且取樣時(shí)間為7～8月，水熱條件適宜，有利于細(xì)菌的發(fā)育，而真菌和放線菌發(fā)育緩慢，與細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)處于弱勢(shì)地位，細(xì)菌數(shù)量增加抑制真菌和放線菌的生長(zhǎng)發(fā)育[1，5]；另外，研究區(qū)域的土壤呈弱堿性，適宜于細(xì)菌和放線菌的生長(zhǎng)，而真菌該環(huán)境中生長(zhǎng)較差[14-16]。該研究表明，植被恢復(fù)能夠?yàn)橥寥捞峁┐罅坎煌牡蚵湮锱c分泌物，為微生物的生長(zhǎng)與發(fā)育提供不同的食物來(lái)源，導(dǎo)致三大微生物的數(shù)量與結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表現(xiàn)出良好的生態(tài)功能。

2.2不同恢復(fù)階段土壤酶活性表4表明，隨著恢復(fù)的進(jìn)行，0～40 cm土層酶活性的大小發(fā)生了變化。URE、INV、APE 3種水解活性隨著恢復(fù)的進(jìn)行而顯著增加（P<0.05），增加幅度分別為1.136～1.558 μg/（g·d）、0.027～6.695 mg/（g·d）與0.183～0.558 μg/（g·d）；隨著恢復(fù)的進(jìn)行，SOC得以提高，高的SOC易使土壤環(huán)境的氧化性降低，不利于CAT活性的提高，因此CAT活性的變化規(guī)律則剛好相反。隨著恢復(fù)的進(jìn)行，CAT活性顯著減?。≒<0.05），減小幅度為8.972～24.224 μmol/（g·h）。在不同的恢復(fù)階段，土壤酶活性的差異與恢復(fù)階段的土壤性質(zhì)演變以及土壤酶類型有關(guān)[17-18]。

3結(jié)論與討論

土壤微生物作為土壤C循環(huán)中最活躍的參與者。SOC為其提供最重要的生命支持物質(zhì)。微生物又通過(guò)自身的新陳代謝與生長(zhǎng)發(fā)育等生理生化過(guò)程加快SOC的周轉(zhuǎn)。研究中，土壤細(xì)菌數(shù)量與SOC、TN與AN呈極顯著正相關(guān)（其相關(guān)系數(shù)分別為0.965**、0.900**與0.885**）。這可能與細(xì)菌多樣化的代謝類型為關(guān)，從另一方面顯示細(xì)菌在土壤C循環(huán)的重要作用；真菌數(shù)量與SOC、TN的相關(guān)系數(shù)分別為0.556*、0.576*，這是因?yàn)檎婢峭寥乐写蠓肿佑袡C(jī)物的主要降解者，較高的N素促進(jìn)真菌的生長(zhǎng)和功能的發(fā)揮，從而促進(jìn)C循環(huán)。這與陳家瑞等[19-20]研究結(jié)果相似。

隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，SOC、TN、AN與CEC顯著增加（P<0.05），BD顯著減?。≒<0.05），表明土壤的肥力、通氣以及保肥性能得到優(yōu)化，土壤的氧化性降低，從而引起URE、INV、APE 3種水解酶隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行而顯著增加（P<0.05），而氧化酶CAT則隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行而顯著減小（P<0.05）。因此，URE、INV與APE 3種水解酶與SOC、TN、AN與CEC達(dá)顯著或極顯著正相關(guān)水平（P<0.05或P<0.01），而與BD達(dá)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05）；而氧化酶CAT的活性對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)基本相反，與SOC、BD的相關(guān)系數(shù)分別為-0.689*、0.668*。這與李為等[21]的研究結(jié)果相似，而與劉淑娟等[22]的研究結(jié)果不盡相同，其原因可能是研究的對(duì)象、研究對(duì)象所處的環(huán)境以及研究對(duì)象土壤中各種成分的相互作用等不同，造成各種成分之間的耦合變化也不同，從另一個(gè)側(cè)面說(shuō)明影響土壤性質(zhì)改變的因素的復(fù)雜性[23-24]。

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