不同林齡桉樹人工林的土壤理化性質(zhì)及脲酶活性

梁卿雅 王旭 劉文杰 鄒耀進(jìn) 王鑫瑤 李超 唐鵬 程毅康

摘 要 為探明桉樹林地土壤理化因子和土壤脲酶活性隨林齡的動態(tài)變化規(guī)律，以及脲酶活性與土壤主要理化因子之間的深層關(guān)系，采用時空互代法和通徑分析方法對海南儋州地區(qū)不同林齡桉樹林土壤主要理化因子和脲酶活性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：隨林齡的增加，桉樹林下土壤理化因子及脲酶活性大致呈現(xiàn)遞減趨勢且存在顯著差異，其中2年生林地脲酶活性最高為0.901 mg/g，4年生和6年生林地土壤脲酶活性分別為0.533 mg/g和0.499 mg/g。通過進(jìn)一步的相關(guān)分析和通徑分析發(fā)現(xiàn)，土壤各因子對脲酶活性影響（按絕對值大?。┑拇笮№樞?yàn)椋喝祝?.719）>水溶性有機(jī)氮（0.519）>全氮（0.508）>土壤含水量（0.463）>總有機(jī)碳（0.170）>土壤容重（0.154）>水溶性有機(jī)碳（0.143）。綜合各因子的直接作用和間接作用得出，土壤全氮以及水溶性有機(jī)氮（WSON）是制約脲酶活性的直接相關(guān)因子，而水溶性有機(jī)碳（WSOC）通過強(qiáng)烈的間接效應(yīng)也對脲酶活性產(chǎn)生重要影響。

關(guān)鍵詞 桉樹林土壤；脲酶活性；相關(guān)分析；通徑分析

中圖分類號 S714.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

Abstract In order to explore the dynamic change regularity of eucalyptus forest soil physical， chemical factors and urease activity along with forest age， and the deep relationship between urease activity， soil physical and chemical factors， spatial-temporal substitution method and path analysis were applied to eucalyptus trees of different ages in Danzhou. Results showed that soil physical， chemical factors and soil urease activity varied significantly， but all decreased with the increase of stand age. The highest urease activity was appeared 0.901 mg/g in 2-year-old forest land， 0.533 mg/g， 0.499 mg/g in 4-year and 6-year-old forestland respectively. Considering correlation and path analysis， effects of soil factors on urease activity（in absolute value）was in the order of total phosphorus（0.719）> water-soluble organic nitrogen（0.519）> total nitrogen（0.508）> Water content（0.463）> Total organic carbon（0.170）> Bulk density（0.154）> water-soluble organic carbon（0.143）. By integrating the direct and indirect effects of each factor we could get the conclusions that total nitrogen and water-soluble organic nitrogen were the direct correlators that constrain urease activity， WSOC was a strong indirect correlators that exerted significant influence on urease activity also.

Key words eucalyptus forest soil； urease activity； correlation analysis； path analysis

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.03.011

土壤酶作為土壤中生物學(xué)活性的重要組成部分是參與土壤中各種生物化學(xué)反應(yīng)的重要催化劑，其不僅能反映土壤中各類生化過程的動向和強(qiáng)度，其活性還能夠在一定程度上表征土壤中微生物的狀況、土壤理化性質(zhì)及肥力狀況[1-4]。土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)及肥力狀況的關(guān)系一直為各國學(xué)者研究的熱點(diǎn)，但多見于用簡單相關(guān)和多元回歸的方法進(jìn)行分析。通徑分析能夠?qū)⒁蜃兞颗c自變量之間的簡單相關(guān)系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)，從而全面考察變量之間的相互關(guān)系，揭示各因素對結(jié)果的相對重要性[5-6]。桉樹（Eucalyptus）作為中國速生豐產(chǎn)林的代表，在給社會帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益的同時也引發(fā)了一系列土壤問題，如地力衰竭、過度消耗土壤水分和養(yǎng)分，導(dǎo)致土壤性狀惡化，林木生長減緩[7-9]。目前對于桉樹林的研究主要集中于生物多樣性[10]、生物量和生產(chǎn)力[11]、土壤養(yǎng)分變化[12]等方面，而鮮見關(guān)于海南地區(qū)桉樹林土壤脲酶與土壤主要理化因子之間相互關(guān)系的研究。本研究應(yīng)用時空互代法以及相關(guān)分析和通徑分析等手段對海南儋州地區(qū)桉樹人工林地土壤脲酶活性與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系做出定量分析，旨在了解不同種植年限下土壤理化性質(zhì)、土壤脲酶的變化趨勢及兩者之間的內(nèi)在關(guān)系，為篩選桉樹人工林土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)和酶學(xué)診斷的可行性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；同時為桉樹人工林的可持續(xù)經(jīng)營和生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南省儋州市東城鎮(zhèn)，東經(jīng)108°56′～109°46′，北緯19°11′～19°52′，地形為平原，海拔40～50 m。為典型熱帶島嶼季風(fēng)氣候，太陽輻射強(qiáng)，全年基本無霜，四季不分明。全年平均日照時數(shù)在2 000 h 以上，年均氣溫23.5 ℃，年均降雨量1 704.7 mm，干濕季節(jié)明顯。土壤類型為砂質(zhì)磚紅壤，該類型土壤土層淺薄，底土石礫多，保肥供肥能力較弱[8]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 采用時空互代法，以2年生、4年生和6年生的林齡桉樹為研究對象（桉樹林輪伐期為5～7年），于2016年7月在儋州市東城鎮(zhèn)儋州林場選擇營林、管理方法、海拔、坡向、坡度、土壤母質(zhì)等立地條件基本一致或相近的林地，每個林齡樣地分別設(shè)置3塊20 m×40 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地。研究區(qū)域地勢平坦，群落結(jié)構(gòu)簡單，草本灌木極少，為單一的人工群落，研究區(qū)內(nèi)每年施肥（氮磷鉀復(fù)合肥60 kg/hm2）、除草（除草劑）一次。

1.2.2 土壤樣品采集 在每個標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)，挖取長寬深均1 m的正規(guī)剖面一個，將剖面分為0～10、10～20、20～30、30～50、50～100 cm 5個土層，用環(huán)刀法采集土壤原狀土，用于測定土壤含水量和容重等物理性質(zhì)；另采用土鉆法，在每個標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)按照“S”取樣法，選取4個代表性的樣點(diǎn)，去除地表凋落物，用內(nèi)徑為5.0 cm的土鉆按上述土壤分層方法采集土壤樣品，重復(fù)5次，等層次混勻?yàn)?個混合樣后帶回實(shí)驗(yàn)室，將一部分鮮土去雜質(zhì)，過2 mm篩后貯藏于4 ℃冰箱內(nèi)用于測定土壤脲酶；將另一部分風(fēng)干、去雜質(zhì)、過1 mm篩后用于測定土壤化學(xué)性質(zhì)。采樣日之前至少3 d沒有≥5 mm降水。

1.2.3 測定方法 土壤物理性質(zhì)的測定采用中國科學(xué)院南京土壤所編寫的《土壤理化分析》中的測定方法[13]。土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉顯色法測定，酶活性以1 g土在37 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h所釋放的NH4+-N的毫克數(shù)表示[14]。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，全氮采用半微量凱氏定氮法，全磷采用鉬銻抗比色法[15]；土壤水溶性有機(jī)碳/氮（WSOC/WSON）采用Curtin等[16]的方法，用熱水浸提后，將浸提液置于Multi C/N3100 TOC/TN測定儀上（德國耶拿公司）測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)的整理、統(tǒng)計(jì)計(jì)算以及圖表制作采用Microsoft Excel 2010軟件處理，處理后數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、通徑分析。處理間差異顯著性的比較采用單因素方差分析，用Duncan法進(jìn)行多重比較；變量間的相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限桉樹林土壤理化性質(zhì)動態(tài)變化

由表1可知，不同林齡桉樹人工林各理化因子之間表現(xiàn)出明顯不同的變化趨勢。與2年生桉樹人工林相比，4年生和6年生的桉樹林的土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、水溶性有機(jī)碳/氮以及土壤含水量均有不同程度的降低，其中土壤水溶性有機(jī)氮隨林齡的降幅相對較大，與2年生相比，4年生和6年生桉樹林土壤水溶性有機(jī)氮分別減少了59.14%和77.17%，差異極顯著（p≤0.01）。

2.2 不同種植年限土壤脲酶活性特征

在整個土壤生態(tài)系統(tǒng)中，土壤酶在促進(jìn)物質(zhì)循環(huán)和能量流動中起著重要的作用。脲酶作為水解酶類能夠催化土壤生態(tài)系統(tǒng)中高分子化合物的降解，轉(zhuǎn)化為生物可利用養(yǎng)分，從而促進(jìn)植物生長[17]。隨著種植年限的增加土壤中脲酶活性逐漸降低（p≤0.01），2年生、4年生、6年生桉樹林土壤脲酶活性分別為0.901、0.533、0.499 mg/g（取1 m深土壤脲酶活性平均值）。由圖1可知，2年生、4年生、6年生桉樹林土壤脲酶活性在1 m深土層中也呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，表現(xiàn)為上層明顯高于下層。其中各林齡均為表層（0～10 cm）土壤脲酶活性較高，且與其他土層存在顯著差異，其中，與2年生桉樹林相比，4年生和6年生桉樹林10～50 cm土層脲酶活性降幅更大。

2.3 土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析

土壤中各理化因子對土壤脲酶活性具有一定的影響，其中土壤全氮含量、土壤水溶性有機(jī)碳和水溶性有機(jī)氮對脲酶活性存在明顯影響。相關(guān)分析結(jié)果表明（表2），除土壤容重與土壤脲酶活性顯示負(fù)相關(guān)外，其它理化因子均與土壤脲酶活性呈正相關(guān)關(guān)系，其中土壤全氮含量、水溶性有機(jī)碳和水溶性有機(jī)氮與脲酶活性均存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。

2.4 土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)的通徑分析

由于受到其他變量的影響，簡單相關(guān)系數(shù)不能夠真正反映一個變量與另一個變量的真實(shí)關(guān)系，往往需要進(jìn)一步進(jìn)行多元回歸分析以及通徑分析來獲取變量之間更多的真實(shí)信息[18]。

多元回歸方程能夠描述隨機(jī)變量在多個回歸因子中的平均變化規(guī)律，能夠在一定程度上消除變量之間的影響，從而使自變量與因變量的關(guān)系更加確實(shí)。通徑分析不僅能夠測定兩變量的相互關(guān)系，還能夠?qū)⑾嚓P(guān)系數(shù)分解為直接作用和間接作用，從而能夠更為真實(shí)地反映變量之間的相互關(guān)系[19-20]。

將所測的桉樹林土壤脲酶活性與土壤理化因子的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到下列標(biāo)準(zhǔn)化多元回歸方程：

U′=0.519X1′-0.719X2′+0.508X3′+0.463X4′-0.154X5′+0.143X6′-0.17X7′

式中：U′為標(biāo)準(zhǔn)化脲酶活性，X1為土壤水溶性有機(jī)氮，X2為土壤全磷，X3為土壤全氮，X4為土壤含水量，X5為土壤容重，X6為土壤水溶性有機(jī)碳，X7為土壤總有機(jī)碳，Xi′（i=1～7）為標(biāo)準(zhǔn)化的理化性質(zhì)。

將方程中的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)（即直接通徑系數(shù)）乘以各理化因子間的相關(guān)系數(shù)即得到間接通徑系數(shù)（表3）。

從表3可以看出，土壤水溶性有機(jī)碳對脲酶活性直接通徑系數(shù)較小，但在相關(guān)性上則表現(xiàn)出極顯著相關(guān)（p≤0.01），因其通過其它因子對脲酶的間接通徑系數(shù)之和較大，因此該因子對桉樹林下土壤脲酶活性的直接效應(yīng)雖然很小，但通過全氮、全磷和水溶性有機(jī)氮等的間接作用發(fā)揮重要的正效應(yīng)。土壤全磷對脲酶活性的通徑系數(shù)最大，說明其對脲酶活性具有較為明顯的直接負(fù)效益，然而它對土壤脲酶的直接效應(yīng)被通過其他因子對脲酶活性產(chǎn)生的反向間接效益所抵消，因此從表面上看，土壤全磷與脲酶活性的相關(guān)性較小，不是影響土壤脲酶活性的主要因子。全氮和水溶性有機(jī)氮對土壤脲酶的通徑系數(shù)相對較大，且在表觀上顯示出與脲酶活性呈極顯著相關(guān)，而通過其他因子對脲酶活性產(chǎn)生影響的間接通徑系數(shù)之和較小，說明土壤全氮和水溶性有機(jī)氮對脲酶活性有強(qiáng)烈的直接正效應(yīng)，是影響土壤脲酶活性的主要因素。土壤總有機(jī)碳和容重對脲酶活性的直接通徑系數(shù)很小，通過其他因子對脲酶活性產(chǎn)生影響的間接通徑系數(shù)之和相對較大，雖不是制約土壤脲酶活性的關(guān)鍵因子，但也對其活性產(chǎn)生了一定影響。雖然土壤含水量對脲酶活性的直接正效應(yīng)較大，但其通過土壤全磷對脲酶活性產(chǎn)生了相對較大的負(fù)效應(yīng)（間接相關(guān)系數(shù)為-0.549），因此從表面上看兩者相關(guān)性并不大。

3 討論

本研究結(jié)果表明，隨著生長時間的延長，不同林齡桉樹人工林土壤容重、含水量、水溶性有機(jī)碳氮、總有機(jī)碳、全氮、全磷和土壤脲酶的垂直分布格局及其在同一土層內(nèi)的分布均表現(xiàn)出差異性。2年生桉樹林土壤中有機(jī)組分及土壤含水量均高于其它2個林齡，其中土壤總有機(jī)碳、全氮、水溶性有機(jī)碳和水溶性有機(jī)氮表現(xiàn)為上層明顯高于下層，這與大多數(shù)研究結(jié)果相似[21-22]；2年生土壤含水量和全磷的變化趨勢不明顯。土壤脲酶能夠?qū)⑼寥乐械哪蛩厮鉃橹参锟衫玫挠行юB(yǎng)分，因此在促進(jìn)植株生長和土壤氮素循環(huán)上扮演著重要的角色。本研究結(jié)果顯示，土壤脲酶活性隨著林齡的增大而表現(xiàn)出遞減的趨勢，且在垂直剖面上脲酶活性大致呈現(xiàn)出表層活性大而深層活性小的趨勢，這與土壤有機(jī)組分的變化趨勢相似，說明土壤中水溶性有機(jī)碳氮、總有機(jī)碳和全氮等因子與土壤脲酶活性具有一定的相關(guān)關(guān)系，另有研究也表明土壤養(yǎng)分能夠通過影響土壤中微生物的變化從而影響土壤酶的活性[23-24]，而土壤酶活性的大小也在一定程度上影響土壤養(yǎng)分的有效性[25-27]。

相關(guān)分析進(jìn)一步證明土壤脲酶活性與土壤主要理化因子具有較高的相關(guān)性，可以作為表征土壤養(yǎng)分狀況的一個參考指標(biāo)。通徑分析量化分析了土壤各因子對土壤脲酶活性的影響程度，其大小（按絕對值大?。╉樞?yàn)椋喝祝?.719）>水溶性有機(jī)氮（0.519）>全氮（0.508）>土壤含水量（0.463）>總有機(jī)碳（0.170）>土壤容重（0.154）>水溶性有機(jī)碳（0.143）。全磷雖然對土壤脲酶活性有著極大的負(fù)效應(yīng)，但其通過其他因子所表現(xiàn)出的效應(yīng)之和抵消了其作用，因此從表面上看來其與脲酶活性的相關(guān)性最??；土壤總有機(jī)碳和水溶性有機(jī)碳雖然直接通徑系數(shù)最小，但其通過全氮、水溶性有機(jī)氮等因子表現(xiàn)出的間接效應(yīng)之和較大，因此對脲酶活性也具有較大影響。另外，分析結(jié)果表明土壤全氮和水溶性有機(jī)氮不論是直接通徑系數(shù)還是相關(guān)系數(shù)均較大，說明兩者對脲酶活性具有強(qiáng)烈的直接作用，是制約土壤脲酶活性的重要因子，而全磷、土壤含水量和容重對土壤脲酶活性的影響則較小。

4 結(jié)論

桉樹人工林土壤脲酶活性隨著林齡的增大而表現(xiàn)出遞減的趨勢，且在垂直剖面上土壤脲酶活性大致呈現(xiàn)出表層活性大而深層活性小的趨勢。土壤脲酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水溶性有機(jī)碳氮等因子密切相關(guān)，且與土壤全氮和水溶性有機(jī)碳氮呈極顯著相關(guān)。通徑分析結(jié)果表明，土壤全氮及水溶性有機(jī)氮對脲酶活性的直接通徑系數(shù)分別為0.508和0.519，說明這2種因子對土壤脲酶活性具有強(qiáng)烈的直接作用，是制約土壤脲酶活性的重要因子。相關(guān)分析和通徑分析的結(jié)果均說明土壤脲酶活性與土壤養(yǎng)分之間存在密切相互作用，可以作為表征桉樹林土壤肥力水平的參考指標(biāo)之一，用于反映土壤養(yǎng)分狀況。

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