巖質(zhì)邊坡人工土壤酶活性與土壤營養(yǎng)元素關(guān)系研究

何玉玲，王瑞君，李林霞，辜 彬

(四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610064)

礦山邊坡多為巖質(zhì)邊坡，在礦山開采過程中對土壤造成了嚴(yán)重的污染與破壞，主要表現(xiàn)在重金屬毒害和完全喪失表層土壤兩個方面，從而直接導(dǎo)致植物無法在這些礦山邊坡上生長[1]。在這樣的邊坡上進(jìn)行植被恢復(fù)，一般采取小容重有機(jī)材料配合人工土壤的方法進(jìn)行土壤重建，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行植被重建[2]。目前國內(nèi)外對巖石邊坡植被恢復(fù)人工土壤的研究取得了不少成果，但大部分都集中在添加物的種類和配比，以及噴射工藝對其性能的影響方面[3-5]，而對巖石邊坡人工土壤重建后的跟蹤研究相對較少，對人工土壤的肥力狀況研究就更少。

土壤肥力作為土壤質(zhì)量的一部分，在過去的幾十年一直受到許多專家學(xué)者的關(guān)注。雖然土壤質(zhì)量評價體系沒有形成一個合適的標(biāo)準(zhǔn)，但是肥力因子指標(biāo)相對比較確定，有機(jī)質(zhì)(碳、微生物量、碳氮比)、速效氮、有效磷、速效鉀、全氮、全鉀和全磷是最常用的指標(biāo)[6]。在以往的土壤肥力研究中，土壤酶活性是否能作為土壤肥力指標(biāo)的爭論一直存在。周禮愷等[7]認(rèn)為，土壤酶與主要肥力因子有顯著相關(guān)關(guān)系，可作為土壤肥力指標(biāo)之一；而周瑞蓮等[8]的研究卻表明，土壤酶活性與土壤的營養(yǎng)水平間并不存在顯著相關(guān)關(guān)系，不能作為土壤肥力指標(biāo)；隋躍宇等[9]認(rèn)為農(nóng)田土壤肥力評價體系中應(yīng)包括土壤營養(yǎng)(化學(xué))指標(biāo)、土壤物理性狀指標(biāo)和生物學(xué)指標(biāo)，將土壤酶活性作為生物學(xué)指標(biāo)之一；邱莉萍等[10]認(rèn)為土壤脲酶和堿性磷酸酶活性也可以作為土壤肥力的指標(biāo)。不管是自然土壤還是人工土壤，土壤酶能夠促進(jìn)土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量交換是不爭的事實。然而關(guān)于礦山邊坡上人工土壤酶活性和肥力指標(biāo)之間的關(guān)系研究還未見報道。

本研究通過系統(tǒng)研究巖質(zhì)邊坡恢復(fù)后人工土壤的肥力狀況，探索人工土壤營養(yǎng)元素和酶活性的關(guān)系，以期為評價人工土壤肥力和設(shè)計人工土壤配比、植物配置提供依據(jù)，這對恢復(fù)后期的植被維護(hù)有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

舟山市屬北亞熱帶南緣季風(fēng)海洋性氣候，季風(fēng)顯著，冬暖夏涼，溫和濕潤，年平均氣溫17.1～17.5 ℃，年平均日照時數(shù)1 941～2 257 h，年平均降水量927～1 620 mm。舟山市陸域地貌結(jié)構(gòu)單一，多為浙東侵蝕丘陵與低山，丘陵以200 m以下的低丘為主，基巖為凝灰?guī)r、花崗巖，巖性堅硬，少裂隙。

慶豐采石場位于舟山市區(qū)東南部火龍崗山之西麓，屬海島丘陵地貌。采石場關(guān)閉于2001年，形成的人工邊坡坡度為40°～70°，局部直立或倒坡[11]。2006年開始邊坡的綜合治理和植被恢復(fù)，前期進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害治理，后期應(yīng)用邊坡生態(tài)工程方案進(jìn)行修復(fù)。經(jīng)過幾年的生態(tài)恢復(fù)，現(xiàn)在坡面植物生長繁茂，初步形成了喬、灌、草的植被生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 樣品采集

在整個邊坡上按坡上、坡中、坡下3個坡位進(jìn)行取樣布點，每個坡位取3個樣方。邊坡恢復(fù)初期為了滿足植物生長需要，整個坡面上削有許多平臺，在坡上、坡中、坡下的平臺上各設(shè)1個樣方。為了能夠了解人工土壤的肥力與自然土壤的差異，在周圍自然邊坡的坡上、坡中、坡下設(shè)3個樣方作為對照。

在每個樣方內(nèi)選取樣點，用環(huán)刀在每個樣點分層取土(由于礦山邊坡土層較薄，故只分0—10 cm 和大于10 cm 兩層取土)，然后將每個樣點所取的表層土樣裝袋。土樣經(jīng)風(fēng)干粉碎后混合均勻，用四分法使每個樣地內(nèi)取土量在1 kg左右，用于測定土壤理化性質(zhì)和酶活性。

1.3 樣品分析及數(shù)據(jù)處理

有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-稀釋熱法測定，全氮采用半微量開氏法測定，速效氮采用氯化鉀浸提-蒸餾法測定，全磷采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測定，有效磷采用雙酸浸提-鉬銻抗比色法測定，全鉀采用氫氧化鈉堿熔-火焰光度法測定，速效鉀采用中性乙酸銨溶液浸提-火焰光度法測定，脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定，蔗糖酶用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定，蛋白酶采用茚三酮比色法測定。

數(shù)據(jù)處理采用Excel和SPSS13.0數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

本研究中所測人工土壤肥力指標(biāo)按隋躍宇等[9]的《論農(nóng)田黑土肥力評價體系》進(jìn)行分類，并對土壤營養(yǎng)(化學(xué))指標(biāo)和生物學(xué)指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行研究。

2.1 簡單相關(guān)性分析

對人工土壤營養(yǎng)指標(biāo)和土壤酶活性進(jìn)行簡單相關(guān)性分析，結(jié)果見表1。

表1 人工土壤肥力因子之間的相關(guān)系數(shù)

從表1中可以看出，不管是各個營養(yǎng)指標(biāo)之間、生物學(xué)指標(biāo)之間還是營養(yǎng)指標(biāo)和生物學(xué)指標(biāo)之間都有一定的相關(guān)關(guān)系。在以往關(guān)于土壤肥力的研究中，無論是關(guān)于農(nóng)業(yè)土壤還是森林土壤的研究[12-13]，都表明土壤肥力生物學(xué)指標(biāo)和營養(yǎng)指標(biāo)之間有良好的相關(guān)性。表1中人工土壤生物學(xué)指標(biāo)和營養(yǎng)指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系如下：脲酶活性與全氮、全磷及速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，與速效氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)。脲酶能促進(jìn)尿素的水解，所產(chǎn)生的氨是高等植物的直接氮源，因此脲酶的活性同人工土壤中氮、鉀的轉(zhuǎn)化有關(guān)。蔗糖酶對增加土壤中易溶物質(zhì)有重要作用，本研究結(jié)果表明蔗糖酶活性與全氮、速效鉀及有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著或顯著正相關(guān)，說明蔗糖酶活性與土壤中氮、鉀含量有著密不可分的關(guān)系。此外，蛋白酶活性與全磷含量呈正相關(guān)；酸性磷酸酶活性與全磷、有效磷及全鉀含量呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)，與速效氮含量呈顯著正相關(guān)。

2.2 多元回歸分析

兩個變量間的簡單相關(guān)系數(shù)，往往不能準(zhǔn)確地說明這兩個變量之間的真正關(guān)系，因為在多個變量的系統(tǒng)中，任意兩個變量的線性關(guān)系都可能會受到其他變量的影響[14]。因此，要想真實探求兩個變量之間的線性相關(guān)關(guān)系，就必須對其做多元回歸分析。

以Y1—Y4分別表示脲酶、蔗糖酶、蛋白酶和酸性磷酸酶的活性，以X1—X7分別表示有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、全磷、有效磷、全鉀和速效鉀含量，建立回歸方程并對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，建立回歸模型(結(jié)果見表2)，以解釋各自變量在因變量中的相對貢獻(xiàn)率(所求變量貢獻(xiàn)率=所求變量的系數(shù)的絕對值/所有變量系數(shù)絕對值的總和)。

表2 人工土壤生物學(xué)指標(biāo)與營養(yǎng)指標(biāo)之間的回歸分析

從表2中可以看出，脲酶活性與營養(yǎng)指標(biāo)之間建立的方程顯著性強(qiáng)，全氮、有效磷和全鉀含量與脲酶活性之間為正向變化，其余幾個營養(yǎng)指標(biāo)含量與脲酶活性之間均為負(fù)向變化。在影響脲酶活性正向變化的變量中，全氮的貢獻(xiàn)率最大，經(jīng)計算為25.13%，有效磷次之，為24.06%。蔗糖酶活性與營養(yǎng)指標(biāo)之間的回歸方程顯著性極強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)和全磷含量與蔗糖酶活性之間為負(fù)向變化。在影響蔗糖酶活性正向變化的變量中，全氮含量的貢獻(xiàn)率最大，為15.57%，有效磷和全鉀的貢獻(xiàn)率次之，分別為2.38%和2.13%，速效鉀貢獻(xiàn)率最小，為0.21%。蛋白酶活性受到全氮、速效氮、全磷和速效鉀含量的正向影響，其中全氮含量的貢獻(xiàn)率最大，為27.69%，速效氮含量和全磷含量的貢獻(xiàn)率次之，分別為15.26%和14.77%，速效鉀含量貢獻(xiàn)率最小，為8.41%。酸性磷酸酶活性受到有機(jī)質(zhì)和全鉀含量的正向影響，貢獻(xiàn)率分別為16.16%和11.71%。上述結(jié)果表明，選取的營養(yǎng)指標(biāo)中全氮、全鉀、有效磷和速效鉀含量對所測生物學(xué)指標(biāo)的正向影響較大。

從表1和表2的簡單相關(guān)分析和多元回歸分析中可以看出，人工土壤肥力因子之間存在著一定的相關(guān)性，兩種分析方法得到了一致的結(jié)果：土壤營養(yǎng)元素中氮、磷、鉀的含量對人工土壤酶活性有著不同程度的影響。其中速效氮含量與脲酶和酸性磷酸酶活性有著密切的關(guān)系，速效氮含量的提高能促進(jìn)酸性磷酸酶的活性，說明酸性磷酸酶對氮素轉(zhuǎn)化有重要作用，這個結(jié)果和王笛等[15]的研究結(jié)果一致。蔗糖酶活性與全氮和速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，說明人工土壤中多糖物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和土壤中氮、鉀含量有密切關(guān)系，結(jié)果與安韶山等[16]的研究結(jié)果一致。蔗糖酶和酸性磷酸酶與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著相關(guān)，說明人工土壤中有機(jī)質(zhì)不僅是土壤養(yǎng)分的重要來源和儲藏場所，也是土壤酶的來源和儲藏場所。蛋白酶活性受到全氮和速效氮含量的影響最大，蛋白酶可促進(jìn)蛋白質(zhì)水解，其水解產(chǎn)物氨基酸是高等植物的氮源之一，蛋白質(zhì)的分解是土壤氮素循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，蛋白酶與氮含量的相關(guān)性正好驗證了這一點[17]。酸性磷酸酶與蛋白酶呈極顯著相關(guān)，說明人工土壤中磷化合物的轉(zhuǎn)化和多糖轉(zhuǎn)化、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化的關(guān)系非常密切，與陳少杰等[18]的研究結(jié)果一致。

上述結(jié)果表明人工土壤營養(yǎng)指標(biāo)與酶活性的關(guān)系同農(nóng)田、人工林和自然林地的土壤均有相似的規(guī)律。當(dāng)然也存在一些差異，劉成剛等[19]的研究指出，人工純林土壤中有效磷與5種酶類的相關(guān)性均較差，但與酸性磷酸酶相關(guān)性較強(qiáng)，這可能和人工土壤的配比有關(guān)。人工土壤中除了含有當(dāng)?shù)刈匀煌寥劳猓€有特制綠化劑(保水劑和高分子凝結(jié)劑)、綠化專用肥和植物纖維等，在綠化專用肥中為了保證木本植物能快速生長，配料比中含磷量遠(yuǎn)大于氮和鉀，而綠化專用肥中的磷要被植物吸收必須經(jīng)過酸性磷酸酶轉(zhuǎn)化為有效磷，因此可能會使有效磷含量與酶活性的相關(guān)性與其他研究不一致。

2.3 典型相關(guān)分析

從多元回歸分析可以看出土壤營養(yǎng)指標(biāo)和土壤酶之間關(guān)系復(fù)雜，為了更加簡單和直觀地找出土壤營養(yǎng)指標(biāo)和土壤酶之間的相關(guān)關(guān)系，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行典型相關(guān)分析，尋找一個或幾個綜合變量對來替代原變量，即可將土壤營養(yǎng)指標(biāo)和土壤酶活性的關(guān)系集中到少數(shù)幾對綜合變量的關(guān)系上。

典型相關(guān)分析是一種研究兩組變量之間相關(guān)關(guān)系的多元分析方法，用來找出土壤營養(yǎng)元素的p個線性組合函數(shù)和土壤酶的q個線性組合函數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系[16]，表達(dá)式為

U=a1X1+a2X2+…+apXp

(1)

V=b1Y1+b2Y2+…+bqYq

(2)

式中：a1,a2,…,ap和b1,b2,…,bq是待定系數(shù)，使得U和V之間具有最大的相關(guān)系數(shù)，這個相關(guān)系數(shù)就是“典型相關(guān)系數(shù)”，用來度量兩個線性函數(shù)之間的聯(lián)系強(qiáng)度。

按照典型相關(guān)分析的方法，選取2個變量U(土壤營養(yǎng)指標(biāo)典型變量)和V(土壤生物學(xué)指標(biāo)典型變量)來描述變量X和Y之間的關(guān)系。經(jīng)過SPSS軟件計算，得到了第1、2、3、4土壤肥力典型變量和第1、2、3、4土壤酶活性典型變量的系數(shù)，即它們的第1、2、3、4特征向量，見表3。由表3可得“綜合土壤營養(yǎng)元素”和“綜合土壤酶”4對典型變量，由表4的結(jié)果可以看出第1、2對典型變量在P=0.05水平上顯著相關(guān)，因此可以寫出兩對典型變量(X和Y代表的意義與多元回歸分析一致)。

表3 土壤營養(yǎng)指標(biāo)與土壤生物學(xué)指標(biāo)的典型變量

第1對典型變量為

U1=0.438X1-1.119X2+0.11X3+0.098X4-

0.155X5-0.258X6+0.068X7

V1=0.126Y1-1.179Y2+0.193Y3+0.046Y4

第2對典型變量為

U2= -1.136X1+0.856X2+0.743X3+0.976X4+

0.249X5-0.611X6+0.573X7

V2=0.466Y1-0.973Y2+0.773Y3-0.677Y4

表4 典型變量的顯著性檢驗

由表3可知，第1對典型變量的相關(guān)系數(shù)為0.999，表4的卡方檢驗結(jié)果表明第1對典型變量顯著相關(guān)(P=0.000<0.05)。也就是說土壤營養(yǎng)元素第1典型變量U1對土壤酶第1典型變量V1關(guān)系密切，而第1土壤營養(yǎng)元素綜合因子中起主要作用的是X2因素，即全氮含量；第1土壤酶活性綜合因子中起主要作用的是Y2因素，即蔗糖酶活性。由此可以得出結(jié)論：在所分析的幾種酶中，土壤蔗糖酶與土壤全氮含量關(guān)系最密切，即它們之間的線性關(guān)系最強(qiáng)。

同樣，第2對典型變量的相關(guān)系數(shù)為0.993，卡方檢驗的結(jié)果也表明了第2對典型變量顯著相關(guān)(P=0.005<0.05)。第2土壤營養(yǎng)元素綜合因子中起主要作用的是X1、X3和X4因素，即有機(jī)質(zhì)、速效氮和全磷含量；第2對土壤酶活性綜合因子中起主要作用的是Y3和Y4因素，即蛋白酶和酸性磷酸酶活性。由此可得出結(jié)論：蛋白酶和酸性磷酸酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮和全磷含量關(guān)系密切。

從典型相關(guān)分析結(jié)果來看，土壤脲酶活性在第1對和第2對典型變量中與土壤營養(yǎng)元素的相關(guān)性均不顯著。相關(guān)性分析結(jié)果中，脲酶活性與全氮、速效氮、全磷和速效鉀含量相關(guān)性顯著，但均未達(dá)到極顯著的程度。而多元回歸分析的結(jié)果表明，脲酶活性與營養(yǎng)元素的回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)(0.958)相對其他復(fù)相關(guān)系數(shù)(0.998、0.976、0.976)較小，說明在所分析的人工土壤營養(yǎng)元素中，營養(yǎng)元素的含量對脲酶活性的影響弱于對其他幾種酶活性的影響。結(jié)合3種分析的結(jié)果可以得出，人工土壤中營養(yǎng)元素含量對脲酶活性影響最小。此結(jié)果與安韶山等[16]對寧南寬谷丘陵地區(qū)土壤酶活性與肥力因子的關(guān)系研究一致，而與李躍林等[17]對桉樹人工林土壤酶活性和營養(yǎng)元素的關(guān)系研究不一致。這可能和本研究地種植了大量的豆科植物有關(guān)。研究地邊坡上種植了豆科的紫花苜蓿、決明、胡枝子、馬棘、刺槐和紫穗槐等植物，這些植物大部分根部都含有根瘤菌，植物體可以利用這些菌類來吸收大氣中游離的氮素，通過固氮作用，將這些游離的氮素轉(zhuǎn)化為自身所需的營養(yǎng)物質(zhì)，從而可能造成土壤中營養(yǎng)元素的含量對脲酶活性的影響較小。當(dāng)然，其原因還需要進(jìn)一步研究才能確定。

3 結(jié) 語

本研究對礦山裸巖邊坡生態(tài)恢復(fù)后人工土壤的肥力現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，從結(jié)果中可以看出，雖然人工土壤中的營養(yǎng)元素含量對脲酶活性影響最小，但人工土壤酶活性與土壤營養(yǎng)元素含量存在一定的相關(guān)關(guān)系，營養(yǎng)指標(biāo)中全氮、全鉀、有效磷和速效鉀含量對所測生物學(xué)指標(biāo)的影響較大，表明人工土壤營養(yǎng)指標(biāo)和生物學(xué)指標(biāo)之間存在著密切的關(guān)系，該結(jié)果與以往很多關(guān)于土壤肥力的研究[20-21]相似。

土壤酶主要來源于土壤微生物，是土壤的重要組分之一，既是土壤中的生物催化劑，又是土壤新陳代謝的重要因素。在現(xiàn)階段，人工土壤中的微生物主要是通過人工土壤配比中的自然土壤引入的。所以，在以后進(jìn)行客土配比時，可以考慮使用微生物菌劑調(diào)節(jié)生物酶的活性來改善人工土壤的肥力狀況。在邊坡的后期人工維護(hù)中施用營養(yǎng)元素時，應(yīng)當(dāng)考慮營養(yǎng)指標(biāo)對生物酶活性的影響，適當(dāng)增加和減少使用量，一方面可增加肥料的利用率，節(jié)約資源，另一方面又能使投入的資源得到最大的收益。

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