秦嶺西部中幼齡華北落葉松林地土壤養(yǎng)分與酶活性特征研究

王偉東， 王渭玲*， 徐福利， 于欽民， 馬惠玲

(1西北農(nóng)林科技大學生命科學學院，陜西楊凌 712100； 2西北農(nóng)林科技大學資環(huán)學院， 陜西楊凌 712100；3中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

秦嶺西部中幼齡華北落葉松林地土壤養(yǎng)分與酶活性特征研究

王偉東1， 王渭玲1*， 徐福利2, 3， 于欽民2， 馬惠玲1

(1西北農(nóng)林科技大學生命科學學院，陜西楊凌 712100； 2西北農(nóng)林科技大學資環(huán)學院， 陜西楊凌 712100；3中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

華北落葉松； 林齡； 土壤養(yǎng)分； 土壤酶活性

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)和能量流動方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，土壤養(yǎng)分含量直接影響著林木的生長，土壤酶參與土壤中生物化學過程和物質(zhì)循環(huán)，對土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化起著重要的作用，是反映森林土壤質(zhì)量高低的重要生物學指標[12-13]。土壤養(yǎng)分與土壤酶活性相結(jié)合可以全面地反映土壤生態(tài)系統(tǒng)退化的早期主要預警指標[14-15]。本文以秦嶺華北落葉松中幼齡人工林為研究對象，通過分析中幼齡華北落葉松林地土壤養(yǎng)分和土壤酶活性的變化規(guī)律，探討在一定立地條件下不同中幼齡華北落葉松人工林土壤養(yǎng)分和土壤酶活性的特征，以期為分析和探討華北落葉松幼齡期人工林的合理經(jīng)營、中幼齡華北落葉松林地土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及其可持續(xù)性利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 采用空間序列代替時間的方法，在2012年3月全面實地調(diào)查并分析林分狀況的基礎(chǔ)上，分別在林齡為幼齡5年(5 a)、10年(10 a)和中齡20年(20 a)的華北落葉松林中，選擇海拔、坡向、坡位等立地條件基本相同，長勢良好且較一致的林分，分別選定3個20 m×20 m的有代表性的樣地。對樣地喬木每木檢尺，并調(diào)查樣地基本因子，結(jié)果見表1。

表1 華北落葉松人工林樣地基本因子Table 1 General condition of Larix principis-rupprechtii sample plantation

1.2.2 土樣采集 在試驗地20 m×20 m的樣方內(nèi)按W型選取5個小區(qū)域， 在每個小區(qū)域內(nèi)用1 m土鉆分別采集0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm土樣，重復取3次，將所采集的3個重復土樣按不同土層充分混勻，再利用四分法取1 kg左右，最終每個林齡樣地每個土層取得5個土壤樣品，3層共15個土壤樣品帶回實驗室風干、磨細，分別過1 mm和0.25 mm篩，保存于密封袋中備用。

1.2.3 測定項目與方法 土壤有機質(zhì)用重鉻酸鉀氧化—外加熱法；全氮用硒粉—硫酸銅—硫酸消化法測定；銨態(tài)氮、硝態(tài)氮用AA3型連續(xù)流動分析儀測定；有效磷用鉬銻抗比色法測定；土壤pH用電位法測定。蔗糖酶活性測定用3,5-二硝基水楊酸比色法，以1 g土在37℃培養(yǎng)24 h分解蔗糖產(chǎn)生的葡萄糖的毫克數(shù)表示；脲酶活性的測定用靛酚比色法，以1 g土在37℃培養(yǎng)24 h后土壤中NH3-N的毫克數(shù)表示；磷酸酶活性的測定用磷酸苯二鈉比色法，以1 g土在37℃培養(yǎng)2 h后土壤中釋放的酚的毫克數(shù)表示；過氧化氫酶活性的測定用KMnO4滴定法，以1 g土壤20 min后消耗的0.01 mol/L的KMnO4的體積表示[16]。

試驗數(shù)據(jù)應用Excel 2010和SPSS20.0軟件進行分析，單因素方差 (one-way ANOVA)檢驗處理之間的差異，進行Person相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡華北落葉松人工林土壤pH、有機質(zhì)和氮、磷養(yǎng)分的變化特征

由表2可知，20 a林齡土壤pH顯著低于5 a和10 a林齡，表現(xiàn)出隨著林齡的增加土壤pH呈降低的趨勢。0—20 cm土層土壤中有機質(zhì)和氮、磷養(yǎng)分含量均高于20—40 cm和40—60 cm土層，表現(xiàn)出土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量隨土層深度的增加而降低的趨勢。方差分析結(jié)果顯示，3種不同林齡間表層(0—20 cm)土壤有機質(zhì)有極顯著差異且為20 a> 10 a> 5 a；5 a和10 a林齡20—40 cm土層土壤的有機質(zhì)含量顯著高于20 a，而5 a比10 a林齡的土

表2 不同林齡華北落葉松林地土壤pH、有機質(zhì)和養(yǎng)分分布的變化Table 2 Distribution and changes of soil pH，organic matter and nutrients at different ages Larix principis-rupprechtii

注(Note): 同行數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一土層不同林齡間差異達5%顯著水平Values followed by different lowercase letters within the same row are significant for the same soil depth among different age at the 5% level; 同列數(shù)據(jù)后不同大寫字母表示同一林齡不同土層間的差異達5%顯著水平Values followed by different capital letters in same column are significant for the same age among different soil depths at the 5% level. *—P<0.05； **—P<0.01.

壤有機質(zhì)含量高，但差異不顯著；10 a林齡40—60 cm土層土壤的有機質(zhì)顯著含量高于5 a，5 a則顯著高于20 a。隨著土壤深度的增加，土壤有機質(zhì)降低的幅度20 a林齡的最大，從0—20 cm的25.89 g/kg下降到40—60 cm的4.45 g/kg；10 a的最小，從0—20 m的20.36 g/kg下降到40—60 cm的10.90 g/kg。土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮隨土層深度的增加表現(xiàn)出降低的趨勢。在土壤表層(0—20 cm)全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均表現(xiàn)為隨林齡的增加而顯著增加；下層土壤(20—40 cm和40—60 cm)表現(xiàn)出隨林齡增加而維持穩(wěn)定不變甚至降低的趨勢。土壤有效磷隨土壤深度的增加而降低，不同林齡的土壤有效磷有降低的趨勢，與土壤pH的變化規(guī)律一致。

2.2 不同林齡華北落葉松林地土壤酶活性的變化特征

表3顯示，0—20 cm表層土壤的蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性均顯著高于20—40 cm和40—60 cm土層，表明蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性有隨土層深度的增加而呈降低的趨勢，其中，5 a林齡的0—20 cm土層土壤的蔗糖酶活性約是40—60 cm的5倍，脲酶酶活性0—20 cm是40—60 cm土層的5倍左右，磷酸酶活性0—20 cm是40—60 cm的4倍。這一變化趨勢與土壤有機質(zhì)及氮、磷養(yǎng)分含量的變化趨勢一致。而0—20 cm土層的過氧化氫酶活性比20—40 cm和40—60 cm土層中的低，表明過氧化氫酶的活性有隨土層深度的增加而增加的趨勢。

表3 不同林齡華北落葉松林地土壤酶活性特征Table 3 Distribution characteristics of soil enzymes in different ages of Larix principis-rupprechtii

注(Note): 同行數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一土層不同林齡間差異達5%顯著水平Values followed by different lowercase letters within the same row mean significant for the same soil depth among different age at the 5% level; 同列數(shù)據(jù)后不同大寫字母表示同一林齡不同土層間的差異達5%顯著水平Values followed by different capital letters in same column mean significant for the same age among different soil depth at the 5% level. *—P<0.05;**—P<0.01.

方差分析表明，不同林齡華北落葉松林地土壤酶活性在各林齡間有顯著差異。其中蔗糖酶和脲酶活性的變化規(guī)律基本一致，均為10 a> 5 a> 20 a。磷酸酶在0—20 cm表層土壤中表現(xiàn)隨林齡的增加而增加，在20—40 cm和40—60 cm土層磷酸酶活性的變化差異不明顯。過氧化氫酶活性的變化規(guī)律為20 a > 5 a >10 a。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同林齡對華北落葉松林地土壤pH、有機質(zhì)和氮、磷養(yǎng)分含量的影響

土壤酸堿性是衡量土壤性質(zhì)的重要指標之一，對土壤的性狀有較大的影響，也會影響林木的生長發(fā)育、微生物的活動、土壤營養(yǎng)元素的釋放轉(zhuǎn)化、有機質(zhì)的分解以及元素的遷移等[17]。本研究表明，隨著華北落葉松人工林林齡的增加，土壤有酸化的趨勢，其中下層土壤酸化的趨勢比較明顯，這一結(jié)果與劉勇對幼、中林齡華北落葉松林地土壤的研究[11]、盧鑫等對不同林齡紫穗槐研究的結(jié)果一致[18]。其原因是由于林地內(nèi)物種過于單一，土壤表層的枯枝落葉以針葉為主，這些凋落物在長期的分解過程中產(chǎn)生大量的單寧、有機酸等酸性物質(zhì)，從而導致林地土壤酸化。

華北落葉松人工林地林木生長主要靠土壤自然肥力。土壤為林木生長提供養(yǎng)分，相對應的林木在生長發(fā)育過程中通過凋落物和根系分泌物的形式補給并影響林地土壤的肥力[19]。本研究表明，土壤剖面有機質(zhì)、氮含量隨土壤深度的增加而降低，這一結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致[20]。這是由于落葉松凋落物主要堆積在表層土壤，有利于土壤肥力增加。

土壤有機質(zhì)，氮、磷養(yǎng)分受到土壤利用、森林管理、林地坡度、光照以及林下植被等多種因素的綜合影響[21]。本研究表明在林地0—20 cm土壤表層有機質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮均隨著林齡的增加而增加，這和張超等對不同林齡的刺槐的研究結(jié)果一致[22]，而在20—40 cm和40—60 cm下層土壤中有機質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮呈現(xiàn)不變甚至下降的趨勢。造成這種結(jié)果的原因有可能為：其一，在造林初期，土壤處于恢復期，樹木通過凋落物等形式返還的有機質(zhì)量少，因此有機質(zhì)含量較低，隨著林分的生長發(fā)育，植物殘余物量增加，土壤有機質(zhì)含量增加[23]；其二，落葉松在幼林期生長迅速，更多的是營養(yǎng)生長。隨著林齡的增大，20年生的華北落葉松的凋落物積累量遠遠大于5年生和10年生的積累量，這些凋落物補充了表層土壤的養(yǎng)分。華北落葉松生長過程中也會從20—60 cm土壤層以及更深的土層中吸收養(yǎng)分，而20—60 cm土層的被吸收的養(yǎng)分不能通過凋落物的形式得到及時的補充或者補充量很少，所以導致養(yǎng)分含量降低。

土壤中有效磷含量與有機質(zhì)和氮的變化不同[24]。速效磷含量從10 a開始到20 a顯著下降，這與周德明等對杉木的研究[4]及趙瓊等[25]對沙地樟子松人工林研究結(jié)果一致，原因是樹木所吸收的磷來自于根際，而凋落物回饋的磷多聚集在土壤表層，造成了根際土壤內(nèi)速效磷虧缺，隨著華北落葉松林齡的增加，根際土壤速效磷降低的趨勢。

3.2 不同林齡對華北落葉松林地土壤酶的影響

土壤酶主要來自土壤微生物、植物根系分泌物和動植物殘體的腐化[16]。土壤酶在土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化中起著非常重要的作用，是土壤質(zhì)量變化中比較敏感的一種生物學指標[26]。已有研究表明林齡對土壤表層的酶活性影響較為顯著[27-28]。本研究結(jié)果表明，在不同土壤剖面中土壤酶的變化趨勢為上層(0—20 cm)明顯高于下層(20—40 cm和40—60 cm)，并且隨著土層的加深而降低，層次之間變化明顯，這主要是由于土壤表層有機質(zhì)含量高，有充分的營養(yǎng)源以利于微生物的生長，加之表層水熱條件和通氣狀況良好，微生物生長旺盛，代謝活躍，呼吸強度加大而使表層的土壤酶活性較高。。

林齡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，間接地影響土壤酶活性[29]。對不同土壤剖面和不同林齡研究的結(jié)果分析，不同林齡的蔗糖酶和脲酶活性的變化趨勢是5 a到10 a升高，從10 a到20 a迅速的下降，這一結(jié)果與劉勇[11]在幼、中林齡的華北落葉松上的研究及呂春花等[30]的研究結(jié)果相一致； 磷酸酶在土壤表層是隨著林齡的增大而增大，這與張超等的研究結(jié)果一致[22]，在土壤深層，不同林齡的土壤磷酸酶變化差異不明顯，其原因可能是表層土壤的腐殖質(zhì)含量高影響土壤磷酸酶的活性。本研究中過氧化氫酶活性在不同林齡間的差異不明顯，與過氧化氫酶活性受影響的因素眾多有關(guān)。

土壤是林木生長的重要基質(zhì)，為林木的生長提供必需的養(yǎng)分，直接影響林木的生長發(fā)育。同時，凋落物作為森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過程中的一個重要物質(zhì)庫，儲存了大量的養(yǎng)分物質(zhì)，是森林土壤自然肥力的重要來源[31-32]。華北落葉松作為一種落葉喬木，在每年的生長末期通過落葉將大量的養(yǎng)分歸還到土壤之中，使得有限的養(yǎng)分元素不斷地被林木循環(huán)利用，既保持了土壤肥力，又維護了生態(tài)系統(tǒng)的平衡。由于林地淺層土壤更接近凋落物等形成腐殖質(zhì)層，所以林地淺層土壤的肥力比深層更豐富。試驗結(jié)果顯示，表層土壤(0—20 cm)的養(yǎng)分含量和土壤酶活性比下層土壤(20—40 cm和40—60 cm)更高。林木在整個生長發(fā)育過程中，也能通過根系分泌物等影響土壤的理化性質(zhì)，進而影響其生長發(fā)育[33-34]。林木初級生產(chǎn)量的變化和土壤表層土的再分配影響林地養(yǎng)分的變化[35]。所以隨著華北落葉松林木的生長發(fā)育，其土壤肥力受到影響。

華北落葉松的生長對土壤pH、有機質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有效磷的變化產(chǎn)生了明顯影響，同時也影響了土壤酶活性。具體結(jié)果表現(xiàn)為：1)20 a華北落葉松林地土壤與5 a和10 a相比，有酸化的趨勢；2)土壤有機質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮含量在表層(0—20 cm)有升高的趨勢，但是在下層土壤中急劇下降，總體也呈下降趨勢；3)20 a林地土壤中有效磷含量、蔗糖酶、脲酶活性均顯著低于5 a和10 a；4)綜合土壤pH、養(yǎng)分含量和土壤酶活性，20 a華北落葉松林地力呈現(xiàn)衰退趨勢。針對這種現(xiàn)象，在華北落葉松人工林的經(jīng)營過程中，對于林地土壤衰退的現(xiàn)象可以通過營養(yǎng)調(diào)控措施(如施肥等)來改善。

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Characteristics of soil nutrients and enzyme activities in young and middle agedLarixprincipis-rupprechtiiplantation in western Qinling Mountains

WANG Wei-dong1, WANG Wei-ling1*, XU Fu-li2,3, YU Qin-min2, MA Hui-ling1

(1CollegeofLifeSciences,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100，China；3InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objectives】 As one of the most important fast-growing afforestation tree species,Larixprincipis-rupprechtiihas been introduced to Shaanxi Province fifty years ago. They grew well in early age, but with the age increased, the growth rate obviously slowed down.So, we studied the characteristics of soil nutrients and enzyme activities in young and middle agedLarixprincipis-rupprechtii plantation in western Qinling Mountains.【Methods】 We chose three different agedLarixprincipis-rupprechtii(5 a,10 a and 20 a) plantations in the Nantan Nursery Garden of Taibai in Shannxi Province as the experimental sites, and established 20 × 20 m plot in each age stand plantation in 2012. In each plot, soil samples were collected at three depths(0-20 cm, 20-40 cm, and 40-60 cm) in five randomly located points following “S”. Using these samples, we examined soil chemical properties (pH, organic matter, total N, ammonium N, nitrate N and available P) and enzyme activities (phosphatase, urease, invertase, and catalase) in the different age of plantations.【Results】 With the soil depth increased, the soil pH values are increased in 5 years' plantations, but decreased first and then significantly increased (P<0.05) in 10 and 20 years' plantations. The soil pH range from 6.09 to 6.71, in order of 10 a >5 a >20 a in 0-20 cm layer, and 5 a> 10 a> 20 a in 20-40 cm and 40-60 cm layers. The contents of soil organic matter in 0-20 cm layer range from 18.68 to 25.89 g/kg, significantly higher than in 20-40 cm and 40-60 cm layers, and keep constant as the planting age increased. There are significant reductions (P<0.05) in soil total N, ammonium N, nitrate N and available P nutrients as the soil depth increased. In 0-20 cm layer, the contents of soil total N, ammonium N and nitrate N in 20 years' plantations are significantly higher (P<0.05) than those in other-aged plantations. The soil available P in 10 years' plantations is highest. The activities of soil invertase, urease and phosphatase in 0-20 cm layer are significantly higher (P<0.05) than those in 20-40 cm and 40-60 cm layers, while the soil catalase activities show an opposite tendency. In the 0-20 cm soil layer, the activities of soil invertase and urease in different years' plantation show as 10 a > 5 a> 20 a, the activities of soil phosphatase and catalase in 20 a-aged plantations are the highest, the variation ranges for these activities are as follows: invertase, 25.93-71.07 Glucose mg/g; urease, 0.15-0.52 NH3-N mg/g; phosphatase, 0.28-0.41 Phenol mg/g and catalase 3.95-4.58 mL 0.01 mol/L KMnO4/g.【Conclusions】 The growth ofLarixpricipis-rupprechtiiaffects the physichemical and biological properties of soil. Because of the lack of soil available N and available P in this area and the rapid growth of plants, the fertility of plantations in the Qinling Mountains become worse whenLarixprincipis-rupprechtiigrow over 20 years. Accordingly, fertilizer should be applied in these plantations in order to avoid nutrient limitation for plant growth.

Larixprincipis-rupprechtii; stand age; soil nutrients; soil enzyme activity

2014-01-06 接受日期： 2014-05-18 網(wǎng)絡出版日期： 2015-05-06

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973計劃”(2012CB416902)項目資助。

王偉東(1988—)，男，甘肅天水人，碩士研究生，主要從事植物生理生態(tài)方面的研究。E-mail: 315051046@qq.com * 通信作者 E-mail: ylwwl@163.com

S724.5

A

1008-505X(2015)04-1032-08