華北石質(zhì)山區(qū)不同土地利用方式對土壤生物理化性質(zhì)的影響

潘名好， 朱慶征， 鞏閃閃， 張志華， 雷 浪， 孔玉華

(河南農(nóng)業(yè)大學林學院，450002，鄭州)

土壤微生物生物量是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，參與土壤有機質(zhì)的分解、土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與循環(huán)、腐殖質(zhì)的形成等過程，是土壤活性養(yǎng)分儲備庫[1]。土壤微生物量碳、氮是環(huán)境變化最為敏感的生命指標[2]，可以直接和水溶性有機碳、氮相互作用并參與土壤生物化學轉(zhuǎn)化過程[3]。土壤酶主要來源于土壤微生物，其活性代表了土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度，很大程度上可以反映土壤微生物的活性，是土壤肥力的重要指標[4]。土壤微生物生物量與酶活性能靈敏地響應(yīng)環(huán)境因子、土地利用方式的變化[5-6]，因此，土壤微生物生物量和酶活性可用于評判土壤質(zhì)量的變化，并作為反映生態(tài)系統(tǒng)功能轉(zhuǎn)變的重要生物指標來指導土壤生態(tài)系統(tǒng)的管理[7-9]。

土地利用和覆蓋方式的改變在全球、區(qū)域及地方范圍的氣候變化中發(fā)揮著重要作用。土地利用方式的改變可以通過改變土地覆蓋[10]或者農(nóng)業(yè)活動，進而對土壤的物理、化學和生物學特性產(chǎn)生顯著且持久的影響[11]。目前，國內(nèi)外圍繞土地利用方式對土壤有機碳、土壤養(yǎng)分和土壤理化特性的影響等開展了大量研究[12-13]，而關(guān)于其對土壤微生物特性和酶活性的研究報道較少[7-9]。表層土壤微生物對土地利用方式的改變有強烈的響應(yīng)，深層土壤其生物量和活性則逐漸降低[8]。據(jù)報道，大部分微生物的活動集中在0～30 cm土層，在相似的土壤條件下深層土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)和功能趨于相似[9]。土壤微生物特性和酶活性對不同土地利用方式的響應(yīng)不盡相同，選擇合理的土地利用方式是實現(xiàn)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

華北石質(zhì)山區(qū)地處華北平原西側(cè)，是華北平原重要的生態(tài)屏障。該地區(qū)土壤貧瘠、干旱缺水、水土流失嚴重，具有眾多未造林或造林地差的石灰?guī)r丘陵山地。當前，對該區(qū)的研究報道主要集中在不同人工林類型對土壤理化性質(zhì)影響等方面[14-16]，關(guān)于土地利用方式對土壤微生物量碳氮及碳氮循環(huán)關(guān)鍵酶活性的影響鮮有報道；因此，筆者以華北石質(zhì)山區(qū)3種土地利用方式：農(nóng)田、撂荒地和人工林(刺槐(Robiniapseudoacacia)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)和側(cè)柏(Platycladusorientalis))為研究對象，采集0～10、10～20和20～30 cm土層土壤，測定分析土壤微生物量碳、氮含量以及土壤脲酶、過氧化氫酶、β-葡萄糖苷酶和蛋白酶活性等因子，探討不同土地利用方式對土壤微生物量碳、氮含量以及酶活性的影響，從而為該地區(qū)土壤質(zhì)量提高和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省濟源市境內(nèi)，隸屬于中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)(Chinese Forest Ecosystem Research Network,CFERN)的黃河小浪底森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(E 112°28′，N 35°01′)，平均海拔為410 m。該地區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫14.1 ℃，全年日照時間>2 300 h，無霜期220～230 d，年均降水量641.7 mm。土壤類型主要為棕壤和花崗片麻巖等土壤母質(zhì)發(fā)育而來的山地褐土，土壤厚度薄且保肥保水能力差。該地區(qū)代表性土地利用方式有農(nóng)田、撂荒地和人工林3種。農(nóng)田耕作方式主要以油菜-玉米輪作為主。人工林代表性樹種有栓皮櫟、刺槐和側(cè)柏。林下主要植被有荊條(Vitexnegundo)、鐵線蓮(Clematisflorida)、扁擔桿(Grewiabiloba)和酸棗(Ziziphusjujube)等。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇

2019年10月在研究區(qū)內(nèi)選擇坡向坡位、海拔基本一致的3種典型土地利用方式：農(nóng)田、撂荒地和人工林(刺槐、栓皮櫟和側(cè)柏)，共5塊樣地，樣地基本概況見表1。

表1 研究區(qū)5個樣地基本概況

2.2 樣品采集與處理

于2019年10月中旬無雨天氣進行土壤樣品的采集。在每個樣地按“S”形設(shè)置3個采樣點，去除地表可見凋落物后挖取0～30 cm土壤剖面，分3個土層(0～10、10～20和20～30 cm)采集約500 g土樣，設(shè)置3個重復，同時采集環(huán)刀樣品以用于土壤密度、含水率和孔隙度等物理指標的測定。土樣過2 mm土壤篩后等量分成2份，1份新鮮土樣置于4 ℃冰箱中暫時保存，用于土壤微生物量碳(microbial biomass carbon,MBC)、微生物量氮(microbial biomass nitrogen,MBN)、溶解性有機碳(dissolved organic carbon,DOC)、溶解性氮(dissolved nitrogen,DN)含量和脲酶、過氧化氫酶、β-葡萄糖苷酶、蛋白酶活性的測定；另1份土樣自然風干后用于土壤pH、速效磷(available phosphorus,AP)、速效鉀(available potassium,AK)、堿解氮(available nitrogen,AN)、全氮(total nitrogen,TN)和全碳(total carbon,TC)等指標的測定。

2.3 土壤指標的測定

土壤MBC、MBN含量采用氯仿熏蒸提取法測定[17]；土壤DOC、DN含量分別采用TOC分析儀(TOC-5000，日本)和肼還原法測定；土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定；土壤β-葡萄糖苷酶活性采用硝基酚比色法測定；土壤脲酶活性測定采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法；土壤蛋白酶活性測定采用Folin-Ciocalteu比色法；土壤TC和TN含量采用自動元素分析儀測定(EURO EA 3000，意大利)；土壤AN、AP和AK含量分別采用堿解擴散法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法和醋酸銨浸提-火焰光度計法測定；土壤pH采用浸提酸度計(Hanna-HI98 128，日本)測定；土壤含水率采用烘干法測定；土壤密度與土壤孔隙度通過環(huán)刀法與土壤三相儀(Daiki-1130，日本)相結(jié)合測定。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用多因素方差分析法分析土地利用方式和土層深度對土壤微生物量碳、氮及酶活性的影響，顯著性水平P為0.05；Pearson法對各土壤因子進行相關(guān)性分析。所有統(tǒng)計分析均采用SPSS 20.0軟件(IBM，紐約，美國)進行，用Microsoft Excel 2010進行圖表繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤微生物量碳氮含量的變化

不同土地利用方式下土壤MBC和MBN含量(0～30 cm)變化顯著(P<0.05)(表2)。土壤MBC含量變化范圍為10.97～343.29 g/ha，其總儲量(0～30 cm)呈現(xiàn)NT>CB>SPL>LHD>CH的規(guī)律(圖1a)；土壤MBN含量變化范圍為1.76～68.36 g/hm2，其總儲量(0～30 cm)呈現(xiàn)CB>NT>SPL>CH>LHD的規(guī)律(圖1b)；其中NT土壤中MBC總儲量分別比LHD、CH和SPL高752%、927%和537%，MBN總儲量分別高332%、227%和79%(P<0.05)；在3種人工林中，CB土壤MBC和MBN含量(0～30 cm)均最高(P<0.05)，而SPL和CH之間差異不顯著。土層深度對MBN變化有顯著影響(P<0.05)(表2)。NT在10～20 cm土壤MBC和MBN含量最高，但3個土層含量之間差異不顯著(P>0.05)。LHD土壤在10～20 cm中MBC和MBN含量顯著低于其他土層。3種人工林土壤0～10 cm中MBN含量顯著高于20～30 cm。

表2 土地利用方式與土層深度對土壤MBC、MBN含量和4種酶活性及其他土壤性質(zhì)影響的方差分析

不同小寫字母代表同一土層不同樣地之間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母代表同一樣地不同土層之間差異顯著(P<0.05)。Total表示0～30 cm土層的總儲量。誤差線為標準偏差(SD)。下同。Different lowercase letters indicate that different plots are significantly different in the same soil layer (P<0.05),and different capital letters indicate that different soil layers are significantly different in the same plot (P<0.05). NT,LHD,CH,SPL and CB refer to farmland,abandoned land, Robinia pseudoacacia artificial forest, Quercus variabilis artificial forest,and Platycladus orientalis artificial forest respectively. Total refers to the total storage of the index among 0-30 cm soil layer. Error bar is standard deviation (SD). The same below.圖1 不同土地利用方式下土壤MBC、MBN含量的變化Fig.1 Variations of soil MBC and MBN contents under different land-use types

Average為在0～30 cm土層的平均值。Average refers to the average value of 0-30 cm soil layer.圖2 不同土地利用方式下土壤酶活性的變化Fig.2 Variations of soil enzyme activity under different land use types

3.2 土壤酶活性的變化

不同土地利用方式下4種土壤酶活性(0～30 cm)變化顯著(P<0.05)(表2)，其中土壤過氧化氫酶、β-葡萄糖苷酶和蛋白酶活性均表現(xiàn)為SPL最低，脲酶活性表現(xiàn)為CH最低(圖2)。土壤過氧化氫酶活性變化范圍為0.52～1.19 mL/(g·h)，其均值呈CH>NT≈CB>LHD>SPL的規(guī)律，CH、NT和CB分別比SPL高90%、75%和75%(P<0.05)(圖2a)。土壤脲酶活性變化范圍為0.06～0.87 mg/(g·h)，其均值呈LHD>NT>CB>SPL>CH的規(guī)律,LHD、NT、CB和SPL分別比CH高562%、536%、514%和302%(P<0.05)(圖2b)。土壤β-葡萄糖苷酶活性變化范圍為0.13～1.51 mg/(g·h)，其均值呈NT>CB>LHD>CH>SPL的規(guī)律，NT、CB和LHD分別比CH和SPL高95%、91%和62%,403%、391%和318%(P<0.05)，CH與SPL之間也差異顯著(圖2c)。土壤蛋白酶活性變化范圍為7.44～78.97 μg/(g·h)，其均值呈CB>CH>NT>LHD>SPL的規(guī)律，其中CB、CH、NT和LHD分別比SPL高442%、388%、315%和234%(P<0.05)(圖2d)。

所有土地利用方式下4種酶活性均隨土層深度的增加而降低，呈表層富集現(xiàn)象(P<0.05)(表2)。5個樣地0～10 cm土層土壤過氧化氫酶活性是20～30 cm土層的1.16～1.65倍(P<0.05)；土壤β-葡萄糖苷酶活性為1.37～3.60倍(P<0.05)；土壤脲酶活性為1.25～2.78倍(P<0.05)；土壤蛋白酶活性為1.06～1.54倍(P<0.05)。

3.3 土壤理化性質(zhì)的變化

0～30 cm土層土壤DOC和DN總儲量均呈CB>LHD>NT>CH>SPL；土壤TC和TN總儲量均呈CB>NT>LHD>SPL>CH；土壤AN、AK和AP總儲量均呈NT顯著高于LHD、CH、SPL和CB；土壤pH呈NT>CB>CH>LHD>SPL；土壤含水率、密度等物理性質(zhì)無明顯規(guī)律(表3)。

表3 不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)特征

3.4 土壤微生物量碳氮及4種酶活性與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

土壤MBC、MBN均與土壤DN、DOC、AN、TC、TN和pH呈顯著或極顯著正相關(guān)，土壤MBN與土壤密度顯著負相關(guān)。土壤MBC/MBN與土壤DN、AK、AP和AN呈顯著或極顯著正相關(guān)。土壤過氧化氫酶活性與土壤AK、TN、pH、孔隙度和含水率呈顯著或極顯著正相關(guān)；土壤β-葡糖苷酶活性與其他土壤因子均極顯著正相關(guān)(P<0.01)；土壤脲酶活性與土壤DN、AP和TN含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤AK、AN和TC含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；除土壤AP和AN含量外，土壤蛋白酶活性均與其他土壤因子極顯著相關(guān)(P<0.01)；除土壤脲酶活性外，其他3種酶活性均與土壤密度極顯著負相關(guān)(P<0.01)(表4)。

表4 土壤MBC、MBN含量及4種酶活性與土壤理化性質(zhì)間的Pearson相關(guān)系數(shù)

4 討論

土壤微生物生物量與酶活性是影響土壤質(zhì)量的重要生物指標，受土壤理化性質(zhì)、根系、植被類型、凋落物量、化肥施用水平、土地耕作模式以及土壤水熱條件等的影響[4,5,18]。本研究結(jié)果表明土地利用方式對土壤MBC和MBN有顯著影響(圖1，表3)，除側(cè)柏人工表現(xiàn)出較高的土壤MBC和MBN含量外，農(nóng)田土壤MBC和MBN含量顯著高于刺槐和栓皮櫟人工林，這與Fang等[19]和趙妮等[20]的研究結(jié)果不一致?？赡苁怯捎谑┓屎颓锸蘸罅粼谕寥乐械挠衩赘缦蜣r(nóng)田土壤中輸入大量的養(yǎng)分和豐富的底物，促進土壤微生物的繁殖，進而提高了土壤MBC和MBN含量[4,21]。與農(nóng)田相比，撂荒地土壤MBC與MBN含量顯著下降(圖1)，這與大部分研究結(jié)果相一致[20,22]。不同人工林類型土壤微生物生物量主要受到凋落物量、細根生物量、林內(nèi)氣候類型等影響[15,23]。本研究中側(cè)柏人工林土壤MBC和MBN含量(0～30 cm)顯著高于刺槐和栓皮櫟人工林(P<0.05)，這主要是由于側(cè)柏根系發(fā)達，具有較高的細根生物量[16]、年均凋落物量[15]及良好的土壤養(yǎng)分條件(表2)，從而促進了土壤微生物的活性，顯著提高了土壤微生物生物量。土壤微生物量碳氮比是反映土壤氮素供應(yīng)能力的重要指標，可影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和組成[6]。本研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)田、撂荒地和側(cè)柏人工林土壤MBC/MBN均高于刺槐人工林和栓皮櫟人工林，說明農(nóng)田、撂荒地、側(cè)柏人工林的土壤微生物群落組成結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，更有利于養(yǎng)分的積累。

本研究中土地利用方式對土壤4種酶活性均有顯著影響(表3)，較3種人工林，農(nóng)田和撂荒地均表現(xiàn)出較高的酶活性，這與喬趙崇等[5]、Silva等[7]研究結(jié)果并不一致，除氣候類型和土壤條件差異外，其主要原因是土壤施肥和有機物料的補充[4,21,24]。農(nóng)田施肥和玉米根茬留田提高了土壤養(yǎng)分含量(表2)，增加了作物根系生物量和根系分泌物，從而提高土壤酶的活性[4,21]。撂荒地土壤酶活性較高可能是少量的小麥秸稈殘留在土壤中，秸稈的分解作用促使微生物向土壤中釋放大量養(yǎng)分和酶類等活性物質(zhì)[24]。側(cè)柏人工林4種土壤酶活性均比較高，這與諸多研究結(jié)果相一致[16,25]，其主要原因是側(cè)柏是常綠針葉林，具有較高的年均凋落物量[15]，土壤密度偏小(表2)，土質(zhì)疏松，土壤養(yǎng)分狀況較好[18]，從而提高了土壤酶活性。栓皮櫟人工林4種土壤酶活性均較低，主要是由于其凋落物數(shù)量少且保水性差，有機質(zhì)歸還量較少，且由于其深根性的特征，導致土壤微生物活動減弱[14]。刺槐人工林土壤MBC和MBN含量以及β-葡萄糖苷酶、脲酶活性均表現(xiàn)出較低水平，說明刺槐人工林的種植對改善土壤質(zhì)量表現(xiàn)不佳，這與薛萐等[26]研究結(jié)果一致。

筆者發(fā)現(xiàn)3種人工林土壤MBN含量及4種酶活性均呈表層(0～10 cm)顯著高于深層(20～30 cm)的現(xiàn)象，這主要是枯落物在表層土壤累積，土壤有機質(zhì)含量高，且表層土壤密度小(表2)，水熱和通氣條件良好；而隨著土層深度的增加，通氣條件變差，土壤養(yǎng)分減少，微生物活動也逐漸減弱[9]。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)土壤MBC、MBN及酶活性與土壤化學性質(zhì)或物理性質(zhì)呈顯著相關(guān)性(表4)，表明土壤物理、化學、生物性質(zhì)之間緊密相關(guān)。土壤MBC和MBN含量與4種土壤酶活性兩兩之間亦存在顯著正相關(guān)或負相關(guān)關(guān)系，這與諸多研究結(jié)果一致[5,16,25]。土壤MBC、MBN含量和4種土壤酶活性與其他土壤養(yǎng)分因子聯(lián)系緊密，可作為反應(yīng)該區(qū)域不同土地利用方式下土壤質(zhì)量變化的重要指示性指標。

5 結(jié)論

華北石質(zhì)山區(qū)不同土地利用方式對土壤微生物量碳、氮含量及過氧化氫酶、蛋白酶、β-葡萄糖苷酶和脲酶活性均有極顯著影響(P<0.01)，其中農(nóng)田耕作和側(cè)柏人工林的種植表現(xiàn)出較高的微生物生物量和酶活性。農(nóng)田撂荒后土壤微生物量碳、氮含量顯著下降(P<0.05)，但其土壤酶活性下降較緩慢。3種人工林中，側(cè)柏林下土壤微生物量碳、氮含量顯著高于刺槐和栓皮櫟(P<0.05)，其酶活性顯著高于栓皮櫟(P<0.05)。農(nóng)田耕作和側(cè)柏人工林的種植有利于改善土壤理化及生物學性質(zhì)，提高土壤肥力，是華北石質(zhì)山區(qū)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展合理的土地利用方式。