不同林齡濕地松林土壤酶活性與土壤養(yǎng)分特征

嚴紹裕

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 福建 南平 353000)

土壤為植物生長提供必須的營養(yǎng)元素，包括大量元素、其他中量元素和少量的微量元素，這些土壤營養(yǎng)元素來源于土壤礦物質(zhì)和有機質(zhì)[1]。土壤酶是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程中最活躍的生物活性物質(zhì)，由微生物活動、植物根系分泌和動植物殘體腐解產(chǎn)生[2-4]，其參與了土壤各種生物化學(xué)過程以及物質(zhì)循環(huán)[5]，并與微生物共同催化有機物轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分礦質(zhì)化及同質(zhì)化[6-8]，在一定程度上反映了土壤養(yǎng)分的循環(huán)代謝動態(tài)，可直接反映土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化狀況，評價土壤質(zhì)量。對于土壤酶與土壤養(yǎng)分關(guān)系，諸多學(xué)者從林型差異、林下植被、不同土壤類型的物理化學(xué)特性展開了相關(guān)研究，就林型差異而言，現(xiàn)有研究多以杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.]林、杉木-馬尾松(PinusmassonianaLamb.)混交林、木麻黃(CasuarinaequisetifoliaJ.R. Forst. & G. Forst.)-厚莢相思(AcaciacrassicarpaBenth.)混交林等林型為主[1,9-12]。對于不同林齡人工林土壤酶活性及其對土壤養(yǎng)分影響的報道較少，宮歡歡等[13]研究了不同林齡木麻黃林土壤酶活性及土壤養(yǎng)分狀況。為了更好地了解不同林型對土壤質(zhì)量的影響，本研究以福建濱海沙地外來引種樹種濕地松(PinuselliottiiEngelm.)為研究對象，研究不同林齡濕地松林土壤酶活性與土壤養(yǎng)分變化特征及其相互關(guān)系，揭示濕地松林及其土壤互作效應(yīng)，探究濕地松林土壤肥力隨林齡的變化趨勢，為維系濱海沙地濕地松林地土壤肥力、改善林地生產(chǎn)力以及濱海沙地防護林可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與試驗方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省長樂市大鶴國有防護林場(25°40′～26°04′N, 119°23′～119°59′E)，年均氣溫19.3～15.6 ℃，年均降水量1 382.3 mm，降雨量多集中在5—9月，為典型的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。該區(qū)地勢較為平坦，土壤為濱海潮積沙土、風(fēng)積沙土，土壤肥力低，保水性能差，區(qū)域內(nèi)生態(tài)公益林301 hm2，常見樹種有木麻黃、濕地松等，林下天然植被稀少。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣地選擇及設(shè)置 依據(jù)濕地松林不同生長發(fā)育階段，本研究以15、23和34 a濕地松林為研究對象，每一林齡具有代表性的地段設(shè)置3個20 m × 20 m樣方，共9個樣方，林分基本概況見表1。

1.2.2 土壤樣品采集 在每個樣方內(nèi)按“Z”字形路線尋找長勢較為一致的3株濕地松為采樣點，使用采樣鏟剔除土壤表面凋落物、石粒，作深度為40 cm的土壤剖面，依次采取0～10、10～20、20～30和30～40 cm層土壤樣品[13]，標(biāo)記后密封于自封袋中，帶回實驗室，置于4 ℃冰箱。將同一標(biāo)記的土壤樣品充分混合，分為兩份，一份在去除砂石、凋落物后，過1 mm篩，置于4 ℃冰箱，一周內(nèi)完成土壤脲酶、多酚氧化酶酶活性測定；一份自然風(fēng)干后，去除雜物，研磨過0.149 mm篩，密封保存，用于土壤養(yǎng)分含量和蔗糖酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶酶活性測定。

表 1 不同林齡濕地松林基本概況Table 1 Basic conditions in P. elliottii stands at different ages

1.2.3 測定項目與方法 土壤酶活性測定參照文獻[2]進行，采用靛酚藍比色法測定土壤脲酶；3,5-二硝基水楊酸比色法測定蔗糖酶；磷酸苯二鈉比色法測定酸性磷酸酶；高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶；鄰苯三酚比色法測定多酚氧化酶，每種指標(biāo)做無土壤及無酶進行對照，重復(fù)3次。土壤養(yǎng)分含量測定參照文獻[14]進行，加入無二氧化碳的水使用pH計測定土壤pH值，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機質(zhì)，堿解擴散法測定水解氮、鹽酸和硫酸溶液浸提法測定土壤有效磷，火焰光度計測定速效鉀。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理與分析，SPSS18.0軟件進行雙因素方差分析、多重比較和相關(guān)性分析，差異顯著性水平定義為0.05，試驗數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡濕地松林土壤養(yǎng)分特征

0～10 cm土層中，濕地松林地土壤pH值在15 a時最大，為4.73(表2)。隨著林齡的增加，林地土壤pH值先顯著降低(P<0.05)后增加，23年較15年生林地土壤pH值降低了3.7%。10～20 cm土層土壤pH值表現(xiàn)為34 a>15 a>23 a。20～30 cm土層土壤中，15年生濕地松林地pH值高于23和34年生。土壤pH值隨著土層深度的增加而增加；在所有林齡中，15年生濕地松林不同土層深度的pH值最大。

如表2所示，0～10 cm土層土壤的有機質(zhì)隨著濕地松林齡的增長呈現(xiàn)先增加后降低的特征，34 a土壤有機質(zhì)含量顯著低于15和23 a(P<0.05)，變化區(qū)間在1.75～2.43 g·kg-1。23年生濕地松林地有機質(zhì)比15和34 a分別高出4.8%和38.5%。土壤有機質(zhì)在各層土壤中，均隨林齡的增加呈現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，分別為1.59～1.67、 1.06～1.39、 0.96～1.11 g·kg-1。各林齡濕地松土壤有機質(zhì)含量隨土層的加深而降低，15年與23年生濕地松林有機質(zhì)含量在各層均存在顯著差異(P<0.05)。

土壤水解氮，能在較短時間內(nèi)為植物所吸收利用，可直接影響植物生長與植物氮素的積累。從表2可以看出，0～10 cm土層土壤水解氮含量在4.81～5.81 mg·kg-1，34年生濕地松林地水解氮含量最低，隨著林齡的增長呈顯著(P<0.05)減低的趨勢。濕地松林地10～20 cm土層土壤水解氮含量為23 a>15 a>34 a，34 a林地水解氮顯著低于15和23 a，變化范圍在3.09～3.31 mg·kg-1。濕地松林地20～30 cm土層水解氮在23 a時達到最大值，為1.71 mg·kg-1。濕地松林地30～40 cm土層水解氮含量在1.14～1.33 mg·kg-1之間，并與林地0～10 cm土層之間存在一致的顯著變化趨勢(P<0.05)。同一林齡中，隨著土層加深，水解氮含量為顯著降低的變化趨勢(P<0.05)。

土壤有效磷主要以無機態(tài)存在，能被植物直接吸收利用。濕地松林地土壤有效磷含量較低，最大值僅為2.21 mg·kg-1。濕地松林0～10 cm土層有效磷含量區(qū)間為1.72～2.21 mg·kg-1，15年生林分最高，隨著林齡的上升，有效磷含量顯著降低(P<0.05)。有效磷含量隨著土層的加深均表現(xiàn)出同0～10 cm土層相似的變化趨勢，但僅30～40 cm存在顯著降低的變化趨勢(P<0.05)。不同林齡土壤有效磷含量在垂直分布上都表現(xiàn)為0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm>30～40 cm的顯著變化趨勢(P<0.05)。

土壤速效鉀包括了水溶性鉀和交換性鉀，從表2可以看出，0～10 cm土層速效鉀含量顯著高于其他土層(P<0.05)，變化范圍在40.27～42.02 mg·kg-1。隨著土層的加深，僅有10～20 cm土層呈現(xiàn)23 a>15 a>34 a的顯著(P<0.05)變化趨勢，其余均同0～10 cm林地土層變化趨勢，不同土層速效鉀含量變化分別為35.32～38.21、 33.35～37.43和31.28～33.39 mg·kg-1。

表 2 不同林齡濕地松林土壤養(yǎng)分變化Table 2 Change of soil nutrient content in P. elliottii stands with different ages

2.2 不同林齡濕地松林土壤酶活性

土壤脲酶作為一種酰胺酶，酶促有機物分子里肽鍵的水解，而水解的最終產(chǎn)物是碳酸與胺，用以表示土壤有機態(tài)氮的轉(zhuǎn)化狀態(tài)。從圖1(a)可以看出，脲酶活性在0～10 cm土層的變化浮動較大，變化范圍在0.033～0.042 μmol·d-1·mg-1，不同林齡之間土壤脲酶活性均存在顯著差異性(P<0.05)，15年生濕地松土壤脲酶活性最高。不同土層土壤脲酶活性均隨林齡的增加而降低，變化范圍分別為0.022～0.037(10～20 cm)、 0.019～0.027(20～30 cm)和0.015～0.023 μmol·d-1·mg-1(30～40 cm)，且不同土層之間土壤脲酶活性均存在顯著差異性(P<0.05)。

蔗糖酶加速了蔗糖分解，能有效增加土壤易溶性營養(yǎng)物質(zhì)。濕地松林地蔗糖酶與其他酶活性存在很大差異[圖1(b)]，0～10 cm土層中，15年生濕地松林地的蔗糖酶活性最強，為1.39 μmol·d-1·mg-1，隨著林齡的增長，土壤蔗糖酶活性顯著降低(P<0.05)。10～20、20～30和30～40cm土層土壤蔗糖酶活性隨林齡的變化趨勢與0～10 cm土層趨勢一致，分別為0.64～0.94、 0.48～0.62和0.22～0.46 μmol·d-1·mg-1，除15年與23年生濕地松 20～30 cm土層外，同一土層不同林齡間均存在顯著差異性(P<0.05)。土壤蔗糖酶活性在10～40 cm各土層顯著低于0～10 cm 土層(P<0.05)。

廣泛存在于土壤和生物體的過氧化氫酶，能促進過氧化氫的分解。在0～10 cm土層土壤中[圖1(c)]，過氧化氫酶活性在23和34年生濕地松土壤較低，分別為2.25和1.90 μmol·d-1·mg-1，15年生濕地松林地的過氧化氫酶活性最高，為2.84 μmol·d-1·mg-1，不同林齡間存在顯著差異性(P<0.05)。隨著土層的加深，過氧化氫酶活性在10～20和20～30 cm土層均表現(xiàn)為15 a>23 a>34 a的顯著變化趨勢(P<0.05)，變化區(qū)間分別為2.24～2.69和2.16～2.73 μmol·d-1·mg-1；而在30～40 cm土層，則表現(xiàn)為15 a>34 a>23 a的變化趨勢，變化范圍為2.46～3.14 μmol·d-1·mg-1，但僅有15年生濕地松土壤過氧化氫酶活性顯著(P<0.05)高于其他兩個林齡土壤。隨著土層深度的增加，不同林齡的過氧化氫酶活性總體上均表現(xiàn)為增強的變化趨勢，除23年生濕地松外，均在30～40 cm土層達到顯著最高(P<0.05)。

多酚氧化酶是土壤中主要的木質(zhì)素降解酶，其活性與土壤腐殖化程度相關(guān)。在0～10 cm土層中，多酚氧化酶活性表現(xiàn)為23 a>15 a>34 a，23與34年生濕地松土壤多酚氧化酶存在顯著差異性(P<0.05)[圖1(d)]。10～20 cm土層多酚氧化酶活性表現(xiàn)出同0～10 cm土層一致的變化趨勢，但不同林齡間均存在顯著差異性(P<0.05)；20～30和30～40 cm土層的多酚氧化酶活性均表現(xiàn)為15 a>23 a>34 a的顯著變化趨勢(P<0.05)。隨著土層的加深，15年和 23年生濕地松土壤多酚氧化酶活性均表現(xiàn)為顯著增強(P<0.05)，34年生林分土壤多酚氧化酶活性除20～30與30～40 cm土層外，其余土層均表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。

酸性磷酸酶參與了有機磷的轉(zhuǎn)化，可加速土壤有機磷的釋放，增強土壤有效磷。從圖1(e)可以看出，隨著土層的加深，不同林齡濕地松土壤酸性磷酸酶活性均表現(xiàn)為顯著降低(P<0.05)的趨勢。在0～10 cm土層土壤中，15年和23年生林分土壤酸性磷酸酶活性顯著高于34 a(P<0.05)，變化范圍在0.73～0.94 μmol·d-1·mg-1間；隨著土層的加深，同一土層不同林齡間均存在顯著差異性(P<0.05)，在10～20和20～30 cm土層均表現(xiàn)為23 a>15 a>34 a，變化范圍在0.57～0.63和0.40～0.60 μmol·d-1·mg-1，而在30～40 cm土層，則表現(xiàn)為34 a>15 a>23 a，其變化范圍為0.21～0.33 μmol·d-1·mg-1。

圖 1 不同林齡濕地松林土壤酶活性變化Figure 1 Change of soil enzyme activities in P. elliottii stands with different ages

2.3 土壤因子與酶活性的相關(guān)性分析

對濕地松林土壤養(yǎng)分及酶活性進行相關(guān)性分析(表3)，土壤脲酶與蔗糖酶、酸性磷酸酶、有機質(zhì)、水解氮、有效磷和速效鉀均存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與多酚氧化酶存在顯著負相關(guān)(P<0.05)；蔗糖酶與酸性磷酸酶、有機質(zhì)、水解氮、有效磷和速效鉀均存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)；酸性磷酸酶與有機質(zhì)、水解氮、有效磷和速效鉀均存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與多酚氧化酶存在極顯著負相關(guān)(P<0.01)；過氧化氫酶僅與多酚氧化酶存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)；多酚氧化酶與有機質(zhì)、水解氮、有效磷和速效鉀存在極顯著負相關(guān)(P<0.01)，各土壤養(yǎng)分之間均存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表 3 濕地松純林土壤因子與酶活性的相關(guān)系數(shù)Figure 3 Correlation coefficient between soil enzyme activities and nutrient content in P. elliottii stands with different ages

3 討論與結(jié)論

本研究中濕地松林土壤pH值呈酸性，且隨著濕地松林林齡的增長,pH值呈先降低再增加的變化趨勢，這與陳燦等[15]的研究結(jié)果相似。大多數(shù)研究也表明沙壤土pH值為酸性[16]，而本次實驗樣地各土層土壤pH值均呈酸性，這與濕地松林地的凋落物覆蓋有關(guān)。已有研究證明，濕地松覆蓋的土壤pH值降低，隨著時間的增長，由于濕地松凋落物分解較為緩慢，對土壤酸堿度的影像逐漸變小[17]。濕地松凋落物灰分少，凋落物中的單寧和樹脂分解產(chǎn)生酸水溶液使表層土壤pH值較低[18]，本研究中濕地松林土壤垂直方向pH值逐漸增大，酸性減弱，這與陳燦等[15]的研究結(jié)果一致，這表明濕地松根系不易受酸化土壤影響。

濕地松林土壤有機質(zhì)隨著林齡的增加先增加后降低，這與吳明等[19]的研究結(jié)果類似，揭示了林地土壤肥力質(zhì)量可能有所下降。不同林齡林地土壤隨土層加深土壤有機質(zhì)逐漸降低，說明濕地松凋落物分解所積累的有機質(zhì)位于表層土壤，而根系吸收深層土壤養(yǎng)分，消耗較多。

本研究中，濕地松林隨著林齡的上升，林地速效養(yǎng)分均逐漸減少。張秀娟等[20]對不同林齡濕地松土壤養(yǎng)分的研究表明，隨著林齡的增長，土壤速效氮呈增加趨勢，有效磷則隨林齡增加而降低，這與本研究結(jié)果不一致，可能與實驗樣地環(huán)境有關(guān)。研究區(qū)位于濱海沙地，土壤較為貧瘠，且濕地松林樹種單一，林下植被稀疏，養(yǎng)分消耗大，養(yǎng)分歸還效率低。因此，隨著濕地松林林齡的增長，土壤養(yǎng)分含量逐漸降低。

隨著林齡的增加，濕地松林土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶和多酚氧化酶都有所降低，與宮歡歡等[13]對同一區(qū)域的木麻黃林土壤酶活性的研究存在一定差異。木麻黃林土壤酶活性為先增加后降低的趨勢，而本研究中為逐漸降低，這可能與林型和林齡差異有關(guān)。研究地林下植被稀疏，凋落物回歸較少，土壤微生物種類和數(shù)量低，致使?jié)竦厮闪滞寥烂富钚暂^低，隨著林齡的增長，林內(nèi)郁閉度大，光照時間變短，林地內(nèi)溫度、濕度條件減弱，土壤微生物種類及數(shù)量再度降低，使得高齡林分土壤酶活性逐漸降低，與趙海燕等[1]對秦嶺華北落葉松[Larixgmeliniivar.principis-rupprechtii(Mayr) Pilg.]研究以及宮歡歡等[13]對木麻黃林后期研究一致。隨著土層深度的增加，濕地松土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶逐漸降低，過氧化氫酶和多酚氧化酶呈現(xiàn)增加的變化趨勢。這可能與土壤表層凋落物較多，水熱條件充足，微生物活動頻繁有關(guān)。就垂直方向來看，濕地松林土壤酶活性變化狀況與木麻黃林土壤酶活性相似[13]。

土壤酶參與土壤各種生物化學(xué)過程以及物質(zhì)循環(huán)[5]，被視為土壤養(yǎng)分和養(yǎng)分循環(huán)的重要指標(biāo)[21]，而土壤酶活性在反應(yīng)土壤各種生物化學(xué)過程的強度與方向時，亦可作為評價土壤肥力狀況的標(biāo)準(zhǔn)之一，同時還反映出土壤生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性[22]。本研究中，土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性都與土壤有機質(zhì)、水解氮、有效磷和速效鉀均有極顯著正相關(guān)，說明酸性磷酸酶在促進土壤磷素分解的過程中間接的釋放了氮素和鉀素，而土壤脲酶、蔗糖酶在其中發(fā)揮了同樣的作用，趙海燕等[1]對華北落葉松的研究也證實了土壤酸性磷酸酶與脲酶活性對土壤速效養(yǎng)分都有極顯著相關(guān)性。土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性對土壤養(yǎng)分影響較大，隨著濕地松的生長，3種土壤酶活性逐漸降低，在一定程度上影響了土壤速效養(yǎng)分的含量。隨著林齡的增長，濕地松林地可持續(xù)性發(fā)展受到制約。關(guān)于濕地松林地長期生產(chǎn)力維護技術(shù)研究有待進一步探討。