子午嶺退化植被恢復過程中土壤生物學特性的動態(tài)研究

1、賈國梅等：子午嶺植被演替過程中土壤生物學特性的動態(tài) 1469子午嶺植被演替過程中土壤生物學特性的動態(tài)賈國梅1, 2*，王 剛2，陳芳清11. 三峽大學化學與生命科學學院, 湖北 宜昌 443002; 2. 蘭州大學干旱與草地生態(tài)教育部重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000摘要：土壤生物學特性在土壤有機質的形成和降解、營養(yǎng)循環(huán)等方面起重要作用。植被的恢復演替顯著影響土壤生物學特性，尤其影響土壤酶活性。植被演替過程中土壤酶活性的研究結果表明，隨著植被恢復年限的延長，土壤脲酶和轉化酶的活性逐漸提高，17 a達到最大值，隨后有所降低。土壤酶活性和土壤化學特性和微生物量的相關性分析表明，土壤轉化酶和脲酶

2、不僅互相之間具有顯著的相關性，而且它們與土壤有機碳、全氮、微生物碳氮之間都具有顯著的正相關性，說明土壤酶活性與土壤有機質緊密相關，與微生物的大小緊密相關，所以土壤酶活性可以表征土壤生物學肥力。關鍵詞：植被恢復；脲酶；轉化酶；生物學肥力中圖分類號：S154 文獻標識碼：A 文章編號：1672-2175（2007）05-1466-04植被是陸地生態(tài)系統的重要組成部分，使生態(tài)系統中物質循環(huán)和能量流動的中樞，所以植被的恢復演替是退化生態(tài)系統恢復和重建的首要工作。黃土高原由于植被覆蓋度低而稀少水土流失比較嚴重，而植被的恢復演替能有效控制水土流失和防止土地退化1。植被通過凋落物和根系分必物影響土壤有機質的

3、積累和分布，改變土壤微生物群落結構和活性。表1 試驗地概況Table 1 Status of experimental plots植被海拔/m北緯/(°)東經/(°)坡向/(°)主要植物物種1 a棄耕植樹地(SF1)145736°0636108°2338.7南偏東25°人工林：油松，刺槐和沙棘；雜草：老鸛草，二裂萎菱菜，甘草等2 a荒地植樹地(SF2)129536°0503.3108°3304.6北偏西30°人工林：油松，刺槐和沙棘；雜草：主要有各種蒿子等9 a次生林地(SF9)139836°0

4、615.5108°2331.6北偏西20°以油松為主，零星分布遼東櫟、茶條槭和繡線菊等17 a次生林地(SF17)123136°0456.7108°3108.3北偏西30°以油松、遼東櫟、白樺、茶條槭和榆樹等24 a次生林地(SF24)133036°0525.7108°3107.5北偏西18°沙棘、丁香、山楊、遼東櫟、油松、鐵線蓮、胡頹子和苔草36 a次生林地（SF36）160536°0152.8108°2207.5南偏東15°以油松為主, 零星分布遼東櫟、白樺、茶條槭和繡線菊等,草本

5、植物主要有苔草土壤酶催化生物化學反應，參與包括土壤中的生物化學過程在內的自然界物質循環(huán),綜合了土壤物理化學和生物特性，所以土壤酶活性是土壤微生物活性的指標2-3，與營養(yǎng)循環(huán)和轉化緊密相關，因此也是土壤質量的主要測度4；對自然的和人為的干擾引起的土壤變化比較敏感5。土壤酶主要來源于土壤微生物和植物根系的分泌物及動植物殘體分解釋放的酶,它作為土壤的組成成分之一，其活性反映了土壤中進行的各種生物化學過程的動向和強度，對土壤肥力的形成和提高以及對土壤生態(tài)系統的物質循環(huán)具有重要意義，可成為生態(tài)脅迫或恢復的早期和敏感的指標6-7。大量的研究表明，土壤酶活性對耕作8, 種植制度9和土地使用10引起的土壤變化

6、比較敏感，而對植被恢復演替后土壤酶活性的研究較少，所以本研究的目的是研究植被演替過程中土壤酶活性的變化動態(tài)。1 材料和方法1.1 研究區(qū)的概況研究區(qū)位于子午嶺北部甘肅合水連家砭林場，地理位置位于北緯35°0336°37，東經108°10109°08，屬于典型的黃土丘陵溝壑地形，海拔1500 m，年平均氣溫7.4 ，年平均降水量587.6 mm，干燥度0.97。土壤以石灰性褐土為主，皆發(fā)育于原生（山坡）或次生（溝谷）黃土，黃土厚度一般50100 m，其下為厚80100 m的紅土。1.2 研究方法采取植被演替空間排列順序推斷時間演替順序方法，選取一個1 a退

7、耕還林地，一個2 a荒山植樹地和4個次生林樣地共6個典型樣地，樣地情況如表1。2003年7月在每個樣地打3個10 m×10 m的樣方，每個樣方內按對角線取020 cm的土樣5個，共15個土樣充分混勻，一部分土樣迅速揀去枯枝落葉、根系分別過2 mm篩，調節(jié)其含水量達田間持水量的50%，置于塑料桶中在黑暗中預先培養(yǎng)兩周用于微生物量分析。另一部分土樣風干用于土壤有機碳、全氮、脲酶和蔗糖酶測定。有機碳采用外加熱重鉻酸鉀氧化法,全氮用半微量凱氏法,土壤微生物碳氮采用熏蒸浸提法測定，脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定，蔗糖酶活性采用二硝基水楊酸比色法測定 11。數據用SPSS處理，主要采用單因

8、素方差分析和相關性分析。2 結果與討論隨著植被恢復時間的延長，土壤有機碳、全氮、微生物碳氮含量之間提高，17 a達到最大值，隨后有所降低（表2）12。表2 供試土壤化學和微生物特性Table 2 The chemical and microbial properties in soil for testing different age of forest樣地w(有機碳)/ (g. kg-1)w(全氮)/ (g. kg-1)w(微生物碳)/ (mg. kg-1)w(微生物氮)/ (mg. kg-1)F17.210.75107.0222.68F211.180.91272.0424.88F917.

9、201.34334.2957.81F1722.261.97527.9773.84F2414.831.0379.6029.58F3615.081.09344.5058.48由于土壤水解酶與碳、氮、磷等營養(yǎng)元素的礦化有關，所以它們的測定可以指示土壤肥力的變化13。研究表明植被的類型影響土壤水解酶的活性14。隨著植被的退化，酶活性也隨之降低15-16。隨著植被的覆蓋，土壤酶活性提高17。脲酶是一種促氮有機物的水解酶,能專一性的水解尿素,同時釋放氨和二氧化碳。在脲酶作用下,尿素被分解為植物可利用的物質，從而提高土壤肥力。施用有機肥提高土壤脲酶活性18，耕作降低土壤脲酶活性19。本研究中，與有機碳、全氮

10、、微生物碳單相似，隨著植被恢復時間的延長，土壤脲酶活性逐漸提高，17 a林地達到最大值，隨后有所降低（圖1），這說明當植被恢復到17 a時，由于植物物種相對比較豐富，土壤生物化學反應處于相對比較活躍的狀態(tài)，有利于土壤氮素的營養(yǎng)循環(huán)。后期如24 a林地由于植被郁閉度較大，林地光照弱，冠層下草本植被和灌木較少12，酶活性相對于17年林地而言有所降低，36 a林地的冠層下只有苔草一種草本植物，凋落物歸還林地的養(yǎng)分較少，加之受到坡向的影響12，土壤酶活性比較低。但是與1 a的林地相比，所有林地的土壤脲酶活性都比較高，這說明植被恢復演替有利于土壤脲酶活性的提高，Saviozzi et al.19研究鄰近

11、的耕地、林地和天然草地的土壤質量的結果也表明，長期的耕作降低土壤脲酶的活性。Izquierdo et al.20研究的表明重建植被的土壤的脲酶活性比裸露的土壤的高。土壤轉化酶參與土壤有機碳循環(huán)，其活性的高低反應了土壤中有機碳的轉化和呼吸強度。一般而言，土壤肥力越高， 此酶的活性越強，它不僅能夠表征土壤微生物學活性強度，而且也可以作為評價土壤熟化程度和土壤肥力水平的一個指標。本研究中，隨著植被的恢復演替，土壤轉化酶的變化趨勢與土壤脲酶的轉化趨勢相似，也是逐漸提高，17 a達到最大值，隨后有所降低（圖1）。這說明土壤中酶活性的變化趨勢是相似的，當植被恢復演替到17 a，土壤微生物活性和生物化學過程

12、都處于相對比較旺盛的狀態(tài)，土壤肥力相對比較高。土壤轉化酶/(mg·g-1)土壤脲酶/(g·g-1·h-1) 圖1 植被恢復過程中土壤酶活性的動態(tài)Fig. 1 The dynamics of soil enzyme activities during vegetation restoration相關性分析表明，土壤轉化酶土壤脲酶和有機碳（P<0.01）、全氮（P<0.01）和微生物碳（P<0.01）氮（P<0.05）之間都有顯著的相關性（表3），土壤酶活性隨著土壤有機質含量的提高而提高，由此說明土壤酶活性與土壤肥力緊密相關，酶活性可以作為土壤

13、肥力的評價指標。但是脲酶活性與植被恢復演替的時間沒有顯著的相關性，這說明脲酶活性與植被恢復演替的年限無直接關系，也許與植物物種數量相關，因為植物物種數目多的17 a林地的脲酶活性最高。Palma and Conti21研究表明植被類型和有機物質的數量影響脲酶的活性。Arunachalam et al.22和Xue et al23研究表明土壤脲酶與土壤有機碳之間沒有顯著的相關性。Arunachalam et al. 22認為脲酶是變化最大的土壤參數。Xue et al.23認為與單一酶相比，多酶聚合體與土壤肥力相關性比較強24。表3 土壤酶活性和土壤化學微生物特性之間的相關性Table 3 Pe

14、arsons correlation coefficients between soil enzyme activities and chemical and microbial properties時間有機碳全氮微生物碳微生物氮轉化酶轉化酶0.530*0.839*0.690*0.890*0.531*脲酶0.2660.736*0.626*0.673*0.480*0.637*相關性在0.01水平上顯著，*相關性在0.05水平上顯著3 結論子午嶺植被恢復演替能夠增強土壤轉化酶和脲酶的活性，有利于土壤有機碳和有機氮的礦化，有利于微生物活性的增強，能夠有效地提高土壤生物學肥力。土壤轉化酶和土壤脲酶都與

15、土壤有機質和微生物量具有顯著的相關性，說明土壤酶活性可以作為子午嶺植被恢復演替過程中土壤肥力的評價指標。參考文獻:1 MORGAN R P C. Soil Erosion and Conservation M. London: Longman Scientific & Technical, 1986.2 FRANKENBERGER W T Jr, DICK W A. Relationships between enzyme activities and microbial growth and activity indices in soil J. Soil Science Socie

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