海州露天礦排土場(chǎng)不同復(fù)墾模式下土壤酶與土壤肥力典型相關(guān)分析

劉寶勇,趙 凱,宋子嶺,李巖巖

(遼寧工程技術(shù)大學(xué),123000,遼寧阜新)

土壤酶對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量流動(dòng)以及土壤肥力的形成起著至關(guān)重要的作用,土壤中幾乎所有的生物和化學(xué)物質(zhì)都依賴(lài)于酶的催化[1-2],且與土壤理化性質(zhì)和環(huán)境狀況關(guān)系密切,是土壤生物指標(biāo)研究中優(yōu)先考慮的指標(biāo)之一[34],由于土壤酶的敏感性,已經(jīng)成為了解土壤狀況的指示性指標(biāo)之一[56]。周禮愷[7]和方瑛等[8]就不同樣地土壤酶活性與土壤肥力的關(guān)系進(jìn)行了研究,并認(rèn)為土壤酶可以作為評(píng)價(jià)土壤肥力的指標(biāo)。

國(guó)外的復(fù)墾工作研究比國(guó)內(nèi)早,并且主要的研究?jī)?nèi)容集中在土壤重構(gòu)和基本特性方面[910]。而我國(guó)初步建立了礦區(qū)塌陷區(qū)、露天礦排土場(chǎng)等廢棄地復(fù)墾土壤的原理和方法,并對(duì)水土流失做了研究[1114]。土壤酶活性與土壤肥力因子的關(guān)系研究多以糧油作物田地土壤為研究對(duì)象,以排土場(chǎng)復(fù)墾土壤為研究對(duì)象較少,而且多應(yīng)用相關(guān)分析和通徑分析研究土壤酶活性與土壤性質(zhì)的關(guān)系[1516]。對(duì)露天礦排土場(chǎng)復(fù)墾土壤的研究主要集中在復(fù)墾模式對(duì)土壤酶活性[17]、土壤理化性質(zhì)、微生物群落及土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)體系的建立[1819]等方面。上述研究對(duì)解釋海州露天礦排土場(chǎng)土壤生物活性及養(yǎng)分狀況提供了依據(jù),鮮有對(duì)排土場(chǎng)復(fù)墾土壤酶與土壤肥力相關(guān)性方面進(jìn)行研究,閆晗等[17]研究了海州露天礦排土場(chǎng)6種土地利用方式對(duì)土壤養(yǎng)分及土壤酶活性的影響,發(fā)現(xiàn)人工修復(fù)地和天然草地可以顯著提高土壤養(yǎng)分和土壤酶活性。之前研究大都討論單因子間的相關(guān)性,本研究以典型相關(guān)分析為主,研究2組變量之間相關(guān)性,揭示2組變量之間的線性相關(guān)關(guān)系[2022],典型相關(guān)分析比一般相關(guān)分析更加全面地反映變量之間的內(nèi)在聯(lián)系[23]。

為了進(jìn)一步改善排土場(chǎng)的水土流失狀況,筆者選擇排土場(chǎng)中的刺槐(Robinia pseudoacacia L.)林地、白榆(Ulmus pumila L.)林地以及草地3種復(fù)墾模式為研究對(duì)象,以未復(fù)墾的荒裸地作為對(duì)照,探究復(fù)墾后的土壤酶活性(堿性磷酸酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶、蛋白酶、脫氫酶以及脲酶)以及土壤肥力因子(有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效鉀)和pH值等土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性,對(duì)排土場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù)及重建具有指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為遼寧省阜新市海州露天礦排土場(chǎng),該地區(qū)年平均降水量539 mm,降水集中于7—9月,年平均蒸發(fā)量達(dá)1 800 mm,年平均氣溫7.3℃,晝夜溫差大,相對(duì)濕度50% ～60%,是典型的北溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。試驗(yàn)樣地為復(fù)墾年限20年的西排土場(chǎng),其土質(zhì)是由露天礦排出的頁(yè)巖、砂巖構(gòu)成[18]。

圖1 不同復(fù)墾模式土壤酶活性Fig.1 Soil enzyme activities in different reclamation modes

2 研究方法

按照混合法采集0～30 cm深的土壤,分0～5、5～10、10～20和20～30 cm 4層。每1層任意取4個(gè)樣點(diǎn),同層混合。其中在刺槐林地和白榆林地劃出10 m×10 m的標(biāo)準(zhǔn)地,在標(biāo)準(zhǔn)地中通過(guò)測(cè)量胸徑選擇標(biāo)準(zhǔn)木,在距離標(biāo)準(zhǔn)木根部0.75 m的圓周上平均分布4點(diǎn)進(jìn)行采樣,同層均勻混合。而荒草地和荒裸地(對(duì)照)則劃出一塊長(zhǎng)勢(shì)較為平均的10 m×10 m的樣方,在樣方內(nèi)采用“S”法進(jìn)行采樣。

過(guò)氧化氫酶活性采用容量法測(cè)定[24],脲酶活性采用次氯酸鈉比色法測(cè)定[24],脫氫酶活性采用TTC比色法測(cè)定[24],蛋白酶活性采用茚三酮比色法測(cè)定[24],蔗糖酶活性采用二硝基水楊酸比色法測(cè)定[24],堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定[24],全氮采用全自動(dòng)凱氏定氮法測(cè)定,全磷采用NaOH 熔融 鉬銻抗比色法,速效鉀采用火焰分光光度計(jì)法,有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化 外加熱法測(cè)定,土壤pH值采用pH計(jì)測(cè)定[25](水土比2.5：1),具體操作方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[25]。

用Excel 2007進(jìn)行做圖分析以及SPSS16.0軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)及典型相關(guān)分析[26]。

3 結(jié)果分析

3.1 不同復(fù)墾模式下土壤酶活性及土壤肥力分析

3.1.1 土壤酶活性分析 由圖1可見(jiàn),不同樣地土壤酶活性表現(xiàn)出顯著的差異性(P＜0.05),刺槐林地、白榆林地和草地土壤酶的活性均顯著高于荒裸地。從圖1(a)可知：過(guò)氧化氫酶促進(jìn)過(guò)氧化氫的分解有利于防止其對(duì)生物體的毒害作用,過(guò)氧化氫酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)[27],在垂直方向上,刺槐林地過(guò)氧化氫酶活性在20～30 cm土層最高,是表層土壤的1.16倍,這與該層土壤有機(jī)質(zhì)含量高有關(guān);白榆林地與草地均為表層過(guò)氧化氫酶活性最高,活性脫氫酶是土壤生物細(xì)胞的一部分[28],因此測(cè)量脫氫酶活性實(shí)際上是代表土壤微生物的瞬時(shí)代謝活動(dòng)[29]。從圖1(b)可知：0～5和5～10 cm土層脫氫酶變化規(guī)律幾乎一致,均為刺槐林地酶活性最高,其他樣地?zé)o顯著性差異;草地在總體上土壤酶活性高于白榆林地,尤其在20～30 cm土層,草地脫氫酶活性是白榆林地的2倍。從圖1(c)可知：蛋白酶參與土壤中氨基酸、蛋白質(zhì)以及其他含蛋白質(zhì)氮的有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化,它們的水解產(chǎn)物是高等植物的氮源之一,蛋白酶活性均呈現(xiàn)出隨著剖面深度而減弱的趨勢(shì),白榆林地蛋白酶活性最高,因?yàn)榘子転楣痰獦?shù)種;除了0～5 cm土層蛋白酶活性草地＞荒裸地,其他土層差異性不顯著,可能因?yàn)楸韺油寥啦莸馗捣植济芗?受到動(dòng)物或微生物活動(dòng)的影響。從圖1(d)可知：堿性磷酸酶活性在5～30 cm土層均為白榆林地活性最高,0～5 cm草地酶活性最高,刺槐、白榆、草地酶活性相差無(wú)幾,荒裸地表層土壤酶活性最高,并隨著土層加深,酶活性遞減。從圖1(e)可知：蔗糖酶的變化規(guī)律與蛋白酶十分類(lèi)似,這是因?yàn)橥寥榔拭嬷姓崽敲傅姆植家?guī)律與蛋白酶類(lèi)似。各個(gè)樣地蔗糖酶活性均為表層酶活性最高,隨著土層深度的加深,酶活性遞減,其中白榆林地酶活性最高。從圖1(f)可知：尿素水解后的某些酶統(tǒng)稱(chēng)為脲酶,其酶促反應(yīng)的主要產(chǎn)物是氨氣,因此脲酶與土壤中的氮關(guān)系密切,在0～5 cm土層,除了荒裸地外的各個(gè)樣地脲酶活性顯著高于其他土層,可能因?yàn)橥寥辣韺痈采w枯枝落葉,微生物活性較高,酶促底物較荒裸地多;5～10 cm草地土壤受到根系影響,所以脲酶含量最高。

圖2 不同復(fù)墾模式土壤肥力Fig.2 Soil fertility of different reclamation modes

3.1.2 土壤肥力分析 從圖2看出：本研究所選取的4種樣地土壤pH值均＞7,偏堿性,全氮、全磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及pH值之間具有顯著性差異。如圖2(a)所示：氮素是影響土壤肥力的重要指標(biāo),不同復(fù)墾模式土壤氮素含量不同,白榆林地全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他樣地,隨著土層的加深,土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出不同程度的遞減趨勢(shì)。如圖2(b)所示：刺槐林地、草地及荒裸地全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著土層深度增加,質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈遞減趨勢(shì);而白榆林地則出現(xiàn)先減后增再減的情況;除了20～30 cm土層,刺槐、白榆和草地的全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均無(wú)顯著性差異。如圖2(c)所示：土壤pH值是土壤的重要化學(xué)性質(zhì),復(fù)墾地的pH值較未復(fù)墾地有所降低,使pH值大致為中性,并且隨著土層加深,pH值增加,但變化不顯著。如圖2(d)所示：在各個(gè)土層中,刺槐林地速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他樣地;刺槐林地較白榆林地、草地和荒裸地速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提高了283.9%、428.8%和503.1%。如圖2(e)所示：白榆林地和荒裸地的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,因?yàn)檎崽敲富钚耘c堿性磷酸酶活性有助于提高有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)[12];并且隨著土層深度的增加,土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈遞增的趨勢(shì),但變化不顯著。荒裸地隨著土層深度的加深,土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈逐漸遞減。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為白榆林地＞荒裸地＞刺槐林地＞草地。

3.2 土壤酶活性與土壤肥力的典型相關(guān)分析

按照典型相關(guān)分析原理,土壤養(yǎng)分因子數(shù)據(jù)是X(5×16),土壤酶活性因子數(shù)據(jù)應(yīng)為Y(6×16)。在分析過(guò)程中,層面縮減度分析1TO5、2TO5和3TO5的典型相關(guān)系數(shù)＜0.05,達(dá)到顯著水平,故選取3組變量(U為土壤肥力因子,V為土壤酶活性)來(lái)表示X組和Y組之間的相關(guān)關(guān)系。由表1可見(jiàn)：典型向量1、2、3的典型相關(guān)系數(shù)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,說(shuō)明土壤酶活性及土壤肥力可以由前3對(duì)典型變量進(jìn)行描述。并且本實(shí)驗(yàn)中各個(gè)變量的單位不統(tǒng)一,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,所以選用因變量的標(biāo)準(zhǔn)化典型加權(quán)系數(shù)。

第1組典型變量為：

式中：X1為全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),g/kg;X2為全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)。g/kg;X3為速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù),mg/kg;X4為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),g/kg;X5為pH值。Y1為過(guò)氧化氫酶,mL/g;Y2脫氫酶,μL/g;Y3堿性磷酸酶,mg/(g·d);Y4為蔗糖酶,mg/(g·d);Y5為蛋白酶,μg/(g·d);Y6為脲酶,mg/(g·d)。

由表2可見(jiàn),X的變異被U1(自身典型變量)解釋的比例是35.29%,Y的變異被V1(自身典型變量)解釋的比例是49.25%,說(shuō)明X、Y的信息主要集中在第1對(duì)典型變量上。酶活性指標(biāo)Y的變異被U1解釋的比例是49.57%,X的變異被V1解釋的比例是35.06%。X的變異被 U2解釋的比例是40.77%,Y的變異被V2解釋的比例是10.93%;X的變異被V2解釋的比例是39.61%,Y的變異被U2解釋的比例是11.25%,說(shuō)明第2對(duì)典型變量受土壤肥力指標(biāo)X的影響較大。綜合第3對(duì)典型變量,土壤酶活性指標(biāo)影響大于土壤肥力指標(biāo)。

經(jīng)分析得出,第1組典型變量的相關(guān)系數(shù)為0.997(表2),經(jīng)檢驗(yàn)相關(guān)變量呈極顯著相關(guān)關(guān)系。綜合土壤肥力因子系數(shù)較高載荷較大的是全氮(X1)和速效鉀(X3),其次是全磷(X2);綜合土壤酶活性因子載荷大的是蛋白酶(Y5)。土壤蛋白酶活性與肥力指標(biāo)全氮、全磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系密切。第2組典型變量相關(guān)系數(shù)為0.986(表2),經(jīng)檢驗(yàn)相關(guān)變量呈顯著相關(guān)關(guān)系。綜合土壤肥力因子載荷最大的是有機(jī)質(zhì)(X4),其次是全氮(X1)、全磷(X2)、和pH值(X5);綜合土壤酶活性因子載荷較大的是蔗糖酶(Y4)和蛋白酶(Y5)。蔗糖酶及蛋白酶活性與全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)和pH值關(guān)系密切。第3組典型變量相關(guān)系數(shù)為0.871(表2),經(jīng)檢驗(yàn)典型變量呈相關(guān)關(guān)系,綜合土壤肥力因子載荷最大的是土壤pH值;綜合土壤酶活性因子載荷最大的是蔗糖酶(Y4),其次是蛋白酶(Y5)和脲酶(Y6)。蔗糖酶活性、蛋白酶活性、脲酶活性與pH值的關(guān)系密切。

4 結(jié)論與討論

4.1 不同復(fù)墾模式比較

不同復(fù)墾模式下土壤酶活性以及土壤肥力均存在一定差異性。結(jié)果表明,白榆林地除了速效鉀與脫氫酶,土壤酶活性與土壤肥力的各項(xiàng)指標(biāo)均較高,且較其他復(fù)墾模式差異性顯著。在各個(gè)土層中,白榆林地蔗糖酶活性與蛋白酶活性顯著高于其他樣地(P＜0.05)。在0～5 cm土層中,草地土壤過(guò)氧化氫酶活性、堿性磷酸酶活性和脲酶活性均優(yōu)于刺槐,這是因?yàn)楸韺油寥栏鞣N草根系密集,受根系分泌物影響,各種酶活性指標(biāo)良好。在各層土壤中,刺槐和白榆林地蔗糖酶活性提升最為顯著,分別較荒裸地提升了24.8倍和77.8倍。而在20～30 cm土層中,刺槐林地土壤酶活性則優(yōu)于草地,這是因?yàn)椴莞捣植间J減,而刺槐毛根根系的分布則會(huì)增加。草地則對(duì)脲酶活性提升較為顯著,提升了28.1倍,這與閆晗等[17]的研究結(jié)果相一致,這是因?yàn)榘子転楣痰獦?shù)種,根系有較強(qiáng)的固氮作用,白榆林地土壤中全氮和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)都相對(duì)較高。有所差異的是人工種植的白榆在提高土壤蛋白酶的能力要高于刺槐,土壤蛋白酶活性、蔗糖酶活性和脫氫酶活性隨著土層的加深,酶活性有遞減的趨勢(shì),表層土壤的酶活性最高,這與枯落物有關(guān)[30],土壤酶可以促進(jìn)枯落物分解,促進(jìn)地表微生物的活性,提高了土壤酶活性。土壤過(guò)氧化氫酶活性、堿性磷酸酶活性和脲酶活性未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性,甚至在20～30 cm土層部分土壤酶的活性會(huì)出現(xiàn)躍升,而李智蘭[31]的研究卻發(fā)現(xiàn)隨著土層加深,土壤脫氫酶活性、堿性磷酸酶活性以及脲酶活性總體呈遞減的趨勢(shì),造成這種差異可能是由于排土場(chǎng)深層土壤粉砂巖、礫巖以及煤質(zhì)巖含量的陡然增加,從而間接地影響了土壤酶活性。刺槐林地0～5 cm土層脫氫酶活性顯著高于其他林地,可能是由于受到外界因素的干擾,如放牧或礦質(zhì)殘?jiān)仍騕32],長(zhǎng)期使用糞肥和礦肥能夠顯著提高土壤酶活性[33]。各個(gè)土層白榆林地土壤全氮和有機(jī)質(zhì)顯著高于其他樣地(P＜0.05)。全氮能夠促進(jìn)植物根際微生物生長(zhǎng),有利于植物養(yǎng)分吸收以及土壤酶合成[34]。除了pH值外,土壤肥力因子隨著土層深度的增加,土壤肥力有所減少,表現(xiàn)出了“表聚效應(yīng)”,這與張麗娟等[11]研究成果一致,這與表層土壤的枯落物和植物根系分布有相關(guān)性。復(fù)墾地土壤pH值低于未復(fù)墾地,復(fù)墾地土壤pH更接近于中性,并且隨著土層深度的增加pH值有所升高,但變化不顯著,并且刺槐穩(wěn)定土壤pH效果更好,與王翔等[27]的研究結(jié)果一致。pH值不僅影響有機(jī)大分子分解與礦化、微生物種類(lèi)及活性等,而且影響土壤酶酶促反應(yīng)速率。綜上所述,白榆林地的復(fù)墾效果好于其他林地。

表1 典型變量的顯著性檢驗(yàn)Tab.1 Significance test of canonical variables(n=16)

表2 變量的變異能由典型變量解釋的比例Tab.2 Proportion of variation in variables that can be explained by canonical variables(n=16)

4.2 蔗糖酶、蛋白酶和脲酶與土壤肥力相關(guān)性顯著

通過(guò)典型相關(guān)分析研究發(fā)現(xiàn)：綜合土壤酶活性因子中其主要作用的是蛋白酶、蔗糖酶和脲酶;綜合土壤肥力因子中所有因子都參與其中,說(shuō)明蛋白酶、蔗糖酶和脲酶參與了土壤C、N、P的轉(zhuǎn)化以及對(duì)土壤pH值的調(diào)控也起到一定的作用,與安韶山等[26]研究丘陵區(qū)土壤發(fā)現(xiàn)蔗糖酶活性與土壤肥力因子有顯著的相關(guān)性的結(jié)果相一致。蔗糖酶是評(píng)價(jià)土壤恢復(fù)過(guò)程中的重要指標(biāo),并且有機(jī)質(zhì)的分解深刻地影響著土壤酶的活性[35]。并且K.Ciarkowska等[36]通過(guò)研究鉛鋅礦土壤修復(fù)過(guò)程中酶活性發(fā)現(xiàn)土壤樣品中的有機(jī)質(zhì)和氮的高可變性反映在脲酶和蔗糖酶的變化上。K.Ciarkowska等[36]還發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)和蔗糖酶活性可以作為評(píng)價(jià)復(fù)墾工程的間接指標(biāo)。過(guò)氧化氫酶、脫氫酶和堿性磷酸酶與土壤肥力的關(guān)系均不顯著,這與李躍林等[20]在桉樹(shù)人工林地中研究發(fā)現(xiàn)土壤過(guò)氧化氫酶活性、脲酶活性和蛋白酶活性與土壤肥力因子有顯著相關(guān)性的結(jié)果有所差異。本研究中未見(jiàn)過(guò)氧化氫酶與土壤肥力有顯著的相關(guān)性,這是因?yàn)樵囼?yàn)地常年受到放牧等人為因素的干擾[37],土壤肥力因子影響分泌土壤酶的土壤微生物和植物根系的活動(dòng)[38]。

以上分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)露天礦排土場(chǎng)由于其特殊的立地條件,與其他研究區(qū)域不同,其土壤酶與土壤肥力因子有獨(dú)特的相關(guān)性。因?yàn)檎崽敲浮⒌鞍酌负碗迕概c土壤肥力因子有顯著的相關(guān)性,所以在實(shí)際工作中,可以通過(guò)測(cè)定蔗糖酶和蛋白酶的活性快速評(píng)價(jià)露天礦排土場(chǎng)土壤肥力狀況。