毛烏素沙地飛播造林植被恢復(fù)過程土壤酶活性的變化

錢 洲, 俞元春, 俞小鵬, 高捍東, 呂 榮, 張文英

(1.南京林業(yè)大學 森林資源與環(huán)境學院, 南京 210037; 2.南京市水土保持管理中心, 南京 210008;3.鄂爾多斯市林業(yè)局, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000; 4.包頭市林業(yè)局林業(yè)工作站, 內(nèi)蒙古 包頭 014030)

毛烏素沙地飛播造林植被恢復(fù)過程土壤酶活性的變化

錢 洲1,2, 俞元春1, 俞小鵬1, 高捍東1, 呂 榮3, 張文英4

(1.南京林業(yè)大學 森林資源與環(huán)境學院, 南京 210037; 2.南京市水土保持管理中心, 南京 210008;3.鄂爾多斯市林業(yè)局, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000; 4.包頭市林業(yè)局林業(yè)工作站, 內(nèi)蒙古 包頭 014030)

以內(nèi)蒙古自治區(qū)毛烏素沙地飛播造林地為對象，研究了不同植被恢復(fù)年限樣地土壤酶活性的變化。結(jié)果表明：經(jīng)過17 a的植被恢復(fù)，土壤表層(0—10 cm)脲酶、蔗糖酶和磷酸酶顯著增加，土壤過氧化氫酶活性在植被恢復(fù)初期上升趨勢明顯；土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性與土壤養(yǎng)分之間有一定的正相關(guān)性，而這種相關(guān)性在土壤表層(0—10 cm)中要強于中下層(10—40 cm)；土壤表層(0—10 cm)土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶三種水解酶之間呈極顯著相關(guān)(p<0.01)。表明毛烏素沙地飛播造林植被恢復(fù)過程中土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性的增強和土壤養(yǎng)分的改善相互促進，土壤酶活性能在一定程度上能反映沙地植被恢復(fù)過程中土壤肥力水平，沙地表層土壤中氮素的轉(zhuǎn)化、多糖的轉(zhuǎn)化和有機磷的轉(zhuǎn)化之間關(guān)系密切并且相互影響。

毛烏素沙地; 飛播造林; 植被恢復(fù); 土壤養(yǎng)分; 土壤酶活性

土壤酶是土壤的重要活性組成成分，參與土壤許多重要的生物化學反應(yīng)，對土壤肥力具有重要影響，與植被生長有密切聯(lián)系[1]。在沙地植被恢復(fù)過程中，土壤酶與沙丘結(jié)皮的形成、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、沙丘的土壤化、成土的發(fā)育以及促進沙丘的固定和評價沙地土壤的肥力等密切相關(guān)[2]。土壤酶是監(jiān)測流動人工恢復(fù)沙漠生態(tài)工程及土壤發(fā)育動態(tài)的一種重要指標，可以較好地反映土壤恢復(fù)過程的動態(tài)變化。

飛播造林作為沙漠化地區(qū)植被恢復(fù)的重要手段，在毛烏素沙地沙漠化治理工程中得到了廣泛運用。王博等[3]、李維等[4]對毛烏素沙地植被恢復(fù)過程中植被恢復(fù)效果做了相關(guān)研究，但關(guān)于毛烏素沙地植被恢復(fù)過程土壤性質(zhì)變化的相關(guān)研究卻極少。筆者通過對毛烏素沙地飛播造林植被恢復(fù)過程中土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、過氧化氫酶、pH以及養(yǎng)分的變化進行研究，探討沙地植被恢復(fù)對土壤酶活性的影響及土壤酶活性在反映土壤質(zhì)量變化演變過程中的作用。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗，是毛烏素沙地的腹地。該地區(qū)屬溫帶極端大陸性氣候，年平均氣溫7.4℃，極端最低氣溫-35.2℃，極端最高氣溫38.0℃，年降雨量350～400 mm，降雨季節(jié)性強，夏秋季雨水集中，冬春季降水稀少；土壤以風沙土分布最廣，約占全旗土地面積的78.3%，結(jié)構(gòu)松散，易就地起沙；植被以沙生植物為主，地帶性植被破壞殆盡。

飛播造林區(qū)位于烏審旗境內(nèi)(38°19′52.6″—38°51′50.5″N，108°26′29.4″—108°59′31.0″E)，海拔最高1 393 m，最低1 217 m，使用楊柴(Astragalusmongolicum)、檸條(Caraganakorshinskii)、籽蒿(Artemisiasphaerocephalakrasch)、油蒿(Artemisiaordosica)、沙打旺(AstragalusadsurgensPall)、沙米(AgriophyllumsquarrosumMoq)等植物的丸?；N子從1995年開始陸續(xù)飛播在規(guī)定區(qū)域內(nèi)，多年施行封育、補植等措施。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

采用空間代替時間的方法，選擇飛播造林植被恢復(fù)不同年限(5 a，7 a，9 a，11 a和17 a)飛播區(qū)設(shè)立調(diào)查樣地，樣地規(guī)格為20 m×20 m，重復(fù)3次，在每塊樣地中，隨機選取2 m×2 m的樣方，以未飛播區(qū)作為對照，進行植被、土壤調(diào)查和樣品采集，重復(fù)3次。樣地概況見表1。

表1 樣地概況

2.2 樣方調(diào)查和樣品采集

在選取的植被調(diào)查樣方內(nèi)，按照0—10 cm，10—20 cm和20—40 cm分層多點采集土壤混合樣品，用于土壤pH值、有機質(zhì)、全氮、全磷、水解氮、有效磷、速效鉀和土壤酶活性的測定。

2.3 土壤測定方法

土壤pH值用電位法、有機質(zhì)用重鉻酸鉀—外加熱法、全氮用半微量凱氏定氮法水解性氮用堿解擴散法、有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法、速效鉀用醋酸銨浸提—火焰光度法測定[5]。

土壤脲酶活性測定采用苯酚次氯酸鈉比色法，以尿素溶液和甲苯做培養(yǎng)液，用pH值6.7的檸檬酸鹽作緩沖液，于37℃恒溫箱中培養(yǎng)24 h后，用1 g土壤中NH3-N毫克數(shù)表示；蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法，結(jié)果以37℃恒溫培養(yǎng)24 h后，1 g土壤中葡萄糖毫克數(shù)表示；磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法，結(jié)果以37℃恒溫培養(yǎng)2 h后每100 g土樣生成的P2O5的毫克數(shù)表示；過氧化氫酶采用0.1 mol/L的KMnO4滴定法，單位用1 g土樣20 min所消耗的0.1 mol/L的KMnO4毫升數(shù)表示[6]。

2.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2007和SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進行方差分析、差異顯著性和相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 飛播造林植被恢復(fù)過程中土壤pH值和養(yǎng)分變化

相關(guān)研究表明，隨著沙漠化逆轉(zhuǎn)時間的增加，土壤受到的擾動減少，地表植被種類和數(shù)量增加，輸入到土壤中的有機物質(zhì)增多，導(dǎo)致土壤有機碳積累增多[7-8]。同時，土壤全氮、水解氮、有效磷和有效鉀也會在沙漠化逆轉(zhuǎn)過程中顯著增加[9-11]。

由表2可以看出，隨著植被恢復(fù)年限的增加，毛烏素沙地的土壤養(yǎng)分也發(fā)生著相應(yīng)變化，尤其是0—10 cm層土壤，變化最為明顯。與植被恢復(fù)初期比較，經(jīng)過17 a植被恢復(fù)的樣地0—10 cm層土壤有機質(zhì)、全氮、水解氮、有效磷和速效鉀分別增加了700.54%，254.55%，248.33%，234.84%和203.30%。其中，0—10 cm層土壤有機質(zhì)和水解氮含量在6種不同年限樣地的差異性達到了顯著水平(p<0.05)。相比于0—10 cm層土壤，10—20 cm與20—40 cm層土壤養(yǎng)分變化幅度相對較小，20—40 cm層土壤，除了全氮和有效鉀經(jīng)過17 a植被恢復(fù)后增長了100.00%和46.34%，有機質(zhì)、水解氮和有效磷的變化不明顯，這說明植被恢復(fù)給土壤帶來的改良效應(yīng)在土壤表層表現(xiàn)最為明顯。隨著植被恢復(fù)年限的增加，土壤pH值變化趨勢不明顯，這與相關(guān)研究有所不同[12-13]。

各樣地不同層土壤縱向?qū)Ρ?，除了植被恢?fù)初期樣地，各樣地0—10 cm土壤有機質(zhì)、全氮、水解氮、有效磷和速效鉀含量均高于10—20 cm，20—40 cm層土壤，經(jīng)過9 a植被恢復(fù)的樣地0—10 cm土壤有機質(zhì)、全氮、水解氮、有效磷和速效鉀含量顯著高于10—20 cm和20—40 cm。不同土層深度之間pH值的變化不明顯。

表2 飛播造林植被恢復(fù)過程中土壤pH值和養(yǎng)分變化

注：表中數(shù)字為平均值±標準差，同行不同字母表示不同植被恢復(fù)年限樣地同一層次土壤的顯著性差異(p<0.05)。

3.2 飛播造林植被恢復(fù)過程中土壤酶活性變化

3.2.1 脲酶 土壤脲酶對提高土壤氮素的利用率和促進土壤氮素循環(huán)具有重要意義[14]。隨著植被恢復(fù)年限的增加，0—10 cm土壤的脲酶活性呈上升趨勢，并在植被恢復(fù)到達7 a后快速上升，17 a后脲酶活性已為最初的3.05倍，而中下層土壤脲酶活性變化趨勢不明顯；土壤縱向剖面對比，0—10 cm土壤脲酶活性始終大于10—20 cm，20—40 cm土壤，在植被恢復(fù)年限達到17 a時，土壤縱向剖面酶活性差異達到最大，0—10 cm土壤脲酶活性是10—20 cm土壤的2.62倍，是20—40 cm土壤的2.98倍(圖1a)。這可能是由于隨著植被恢復(fù)年限的增加，土壤表層的植物枯落物以及含氮有機體分解的中間產(chǎn)物開始增加，土壤表層良好的通風狀況又提高了土壤肥力的利用率，使得表層土壤脲酶活性在植被恢復(fù)7 a后保持穩(wěn)固快速上升。

3.2.2 蔗糖酶 蔗糖酶能催化多種低聚糖的水解，在土壤碳循環(huán)中起著重要作用，它比其他酶類更能反映土壤肥力水平和生物學活性強度[15]。隨著植被恢復(fù)年限的增加，0—10 cm，10—20 cm土壤蔗糖酶活性穩(wěn)步上升，其中不同年限樣地0—10 cm土壤蔗糖酶活性呈顯著差異(p<0.05)，經(jīng)過17 a植被恢復(fù)后蔗糖酶活性為最初的105.57倍，10—20 cm土壤蔗糖酶活性在植被恢復(fù)11 a后增長明顯加快，經(jīng)過17 a植被恢復(fù)后蔗糖酶活性為最初的18.57倍，增長幅度很大；土壤縱向剖面對比，0—10 cm土壤蔗糖酶活性始終大于10—20 cm，20—40 cm土壤，在植被恢復(fù)年限達到17 a時，0—10 cm土壤蔗糖酶活性是10—20 cm土壤的5.74倍，是20—40 cm土壤的21.67倍(圖1b)。這可能是由于隨著植被恢復(fù)年限的增加，土壤表層枯落物的增加促進了土壤蔗糖酶活性的增強，并逐步影響到中下層土壤。

圖1 飛播造林植被恢復(fù)過程中土壤酶活性變化

3.2.3 磷酸酶 磷酸酶是土壤中廣泛分布的一種水解酶，能夠催化磷酸酯的水解反應(yīng)，其活性的高低直接影響著土壤中有機磷的生物轉(zhuǎn)化方向和有效性。隨著植被恢復(fù)年限的增加，0—10 cm，10—20 cm土壤磷酸酶活性總體呈上升趨勢，在17 a時達到最大，分別為最初的12.65倍和4.73倍；土壤縱向剖面對比，0—10 cm土壤磷酸酶活性始終大于10—20 cm，20—40 cm土壤，在植被恢復(fù)年限達到17 a時，0—10 cm土壤蔗糖酶活性是10—20 cm土壤的2.88倍，是20—40 cm土壤的5.05倍(圖1c)。表層土壤磷酸酶活性在植被恢復(fù)7 a后快速增長，具備了一定有機磷生物轉(zhuǎn)化的條件。

3.2.4 過氧化氫酶 過氧化氫酶活性高低可以反映分解土壤呼吸過程中產(chǎn)生的過氧化氫的能力，在一定程度上反映了土壤微生物學過程的強度。隨著植被恢復(fù)年限的增加，0—10 cm土壤過氧化氫酶活性總體呈上升趨勢，前5 a增加幅度明顯，在5 a是達到最初的1.61倍，在17 a時達到最大值，為最初的1.91倍，而10—20 cm土壤和20—40 cm土壤變化趨勢均為先上升后下降；土壤縱向剖面對比，除恢復(fù)年限為9 a的樣地，其余樣地0—10 cm土壤過氧化氫酶活性均大于10—20 cm，20—40 cm土壤，在植被恢復(fù)年限達到17 a時，0—10 cm土壤蔗糖酶活性是10—20 cm土壤的3.66倍，是20—40 cm土壤的5.66倍(圖1 d)。土壤過氧化氫酶活性在植被恢復(fù)初期上升趨勢明顯，9 a后中下層土壤過氧化氫酶活性呈下降趨勢，原因有待進一步探究。

3.3 土壤酶活性與土壤pH值及養(yǎng)分的相關(guān)性

相關(guān)分析表明，土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、過氧化氫酶與土壤養(yǎng)分有密切的關(guān)系：0—10 cm土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶分別與土壤有機質(zhì)、全氮、水解氮、有效磷、速效鉀呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，土壤過氧化氫酶與土壤pH值、有機質(zhì)、全氮、水解氮呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；10—20 cm土壤脲酶與土壤有機質(zhì)、有效磷呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，土壤蔗糖酶與土壤全氮、水解氮、有效磷、速效鉀呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，土壤磷酸酶與土壤有機質(zhì)、全氮、水解氮、有效磷、速效鉀呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；20—40 cm土壤脲酶與土壤水解氮、有效磷呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，土壤蔗糖酶、磷酸酶分別與土壤全氮、水解氮、有效磷、速效鉀呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，土壤過氧化氫酶與土壤pH值呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)。(表3)

總體看來，在沙地植被恢復(fù)過程中，土壤酶活性與土壤養(yǎng)分相關(guān)性明顯，說明土壤酶活性是評價土壤生物活性較為穩(wěn)定和靈敏的一個指標，能在一定程度上能反映沙地植被恢復(fù)過程中土壤肥力水平，這與一些相關(guān)研究結(jié)論吻合[16-17]；土壤酶活性與土壤養(yǎng)分在土壤表層的相關(guān)性強于中下層土壤，這說明在沙地植被恢復(fù)過程中，參與土壤的復(fù)雜生物化學過程，包括植被枯落物的分解、腐殖質(zhì)及各種有機物的合成、土壤碳、氮、磷的固定和釋放，較集中的土壤表層；相對于土壤脲酶和過氧化氫酶，土壤蔗糖酶和土壤磷酸酶與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性更強。

表3 土壤酶活性與土壤pH值及養(yǎng)分的相關(guān)系數(shù)

注:自由度n=18；*表示顯著相關(guān)(p<0.05)，**表示極顯著相關(guān)(p<0.01)。

3.4 土壤酶活性之間的相關(guān)性

從表4可以看出，0—10 cm土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶三種水解酶之間呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，表明表層土壤中氮素的轉(zhuǎn)化、多糖的轉(zhuǎn)化和有機磷的轉(zhuǎn)化之間關(guān)系密切并且相互影響，表層土壤酶活性之間的相關(guān)性強于中下層土壤；0—10 cm，10—20 cm和20—40 cm土壤蔗糖酶與磷酸酶均呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，這說明了沙地植被恢復(fù)過程中，土壤蔗糖酶與磷酸酶在進行不同的酶促反應(yīng)時，不僅具有自身的專一特性，同時也存在著一些共性，這與相關(guān)研究相似[18]。

表4 土壤酶活性之間的相關(guān)系數(shù)

注：自由度n=18；*表示顯著相關(guān)(p<0.05)，**表示極顯著相關(guān)(p<0.01)。

4 結(jié) 論

毛烏素沙地飛播造林植被恢復(fù)過程中不同土壤深度養(yǎng)分得到了不同程度改善，其中土壤表層最為明顯，經(jīng)過17 a的植被恢復(fù)，0—10 cm層土壤有機質(zhì)、全氮、水解氮、有效磷和速效鉀分別增加了700.54%，254.55%，248.33%，234.84%和203.30%；不同剖面酶活性也有了不同程度的增加，其中土壤表層增長幅度最為明顯，0—10 cm層土壤土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶分別增長為最初的3.05倍、105.57倍和12.65倍。

土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性與土壤養(yǎng)分之間呈一定正相關(guān)，表明土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性的增強和土壤養(yǎng)分的改善相互促進，土壤酶活性在一定程度上能反映沙地植被恢復(fù)過程中土壤肥力水平。而這種相關(guān)性在土壤表層中要強于中下層，這說明在沙地植被恢復(fù)過程中，參與土壤的復(fù)雜生物化學過程較集中的土壤表層，這很有可能和沙地植被的生長特性有關(guān)。相對于土壤脲酶和過氧化氫酶，土壤蔗糖酶和土壤磷酸酶與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性更強。

0—10 cm土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶三種水解酶之間呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，表明沙地表層土壤中氮素的轉(zhuǎn)化、多糖的轉(zhuǎn)化和有機磷的轉(zhuǎn)化之間關(guān)系密切并且相互影響；不同土層深度土壤蔗糖酶與磷酸酶均呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，說明沙地植被恢復(fù)過程中，土壤中多糖的轉(zhuǎn)化和有機磷的轉(zhuǎn)化之間存在著一定的相互促進機制。

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ChangesofSoilEnzymeActivitiesinMuUsSandyLandwithAerialSeedingAfforestation

QIAN Zhou1,2, YU Yuan-chun1, YU Xiao-peng1, GAO Han-dong1, Lü Rong3, ZHANG Wen-ying4

(1.CollegeofForestResourcesandEnvironment,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China; 2.SoilandWaterConservationManagementCenterofNanjing,Nanjing210008,China; 3.ForestryBureauofOrdos,Ordos,InnerMongolia017000,China; 4.ForestryWorkstationofBaotou,Baotou,InnerMongolia014030,China)

The soil enzyme activities in different vegetation restoration periods by aerial seeding afforestation in Mu Us sandy land of Inner Mongolia Autonomous Region were studied. The results revealed that soil urease, sucrase and phosphatase activities increased remarkably after 17 years of revegetation, and soil catalase activity increased at the early stage of vegetation restoration. At the same time, soil urease, sucrase and phosphatase enzyme activities showed stronger correlations with soil nutrients, while this correlation in the surface soil (0—10 cm) is stronger than in the lower layer (10—40 cm). In addition, there was a highly significant correlation among soil urease, soil invertase and soil phosphatase activities (p<0.01) of surface soil (0—10 cm). These indicated that in the process of vegetation restoration, soil urease, invertase, phosphatase activities and soil nutrient promoted each other due to afforestation in Mu Us Sand land by aerial seeding. This result showed soil enzyme activity could reflect soil nutrient in the process of vegetation restoration. Indeed, there was a close relationship between the transformation of nitrogen, polysaccharide and organic phosphorus in the surface soil.

Mu Us sandy land; aerial seeding; vegetation restoration; soil nutrient; soil enzyme activity

2013-12-03

：2014-01-27

國家林業(yè)局“948”引進項目(2008-4-22);內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)廳重點科研項目(2010-01);江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目(PAPD)

錢洲(1987—),男,江蘇江陰人,助理工程師,碩士,從事水土保持研究。E-mail:qianchao112233@163.com

俞元春(1961—),男,江蘇南京人,教授,博士生導(dǎo)師,從事森林土壤研究。E-mail:ycyu@njfu.com.cn

S156

：A

：1005-3409(2014)06-0095-06