衡陽紫色土丘陵坡地恢復過程中土壤性質的變化及其關系

摘要[目的]為了探討衡陽紫色土丘陵坡地恢復過程中土壤性質的變化規律。[方法]采用時空互代法，研究衡陽紫色土丘陵坡地不同恢復階段0～40 cm土層的土壤性質變化及其關系。[結果]土壤性質存在明顯差別，從裸地階段（Ⅰ）、草本群落階段（Ⅱ）、灌木群落階段（Ⅲ）至喬木群落階段（Ⅳ）土壤有機碳（SOC）、全氮（TN）、堿解氮（AN）和陽離子交換量（CEC）顯著增加（P<0.05），容重（BD）與pH顯著減小（P<0.05）。微生物總數顯著增加（P<0.05），其中細菌數量顯著增加（P<0.05），真菌數量與放線菌數量顯著減?。≒<0.05）； 相關分析表明，土壤細菌數量與SOC、TN與AN呈極顯著正相關（P<0.01），與CEC呈顯著正相關（P<0.05）；真菌數量與SOC與TN呈顯著正相關（P<0.05），與BD呈顯著負相關（P<0.05）；放線菌數量與BD呈顯著負相關（P<0.05）。URE、INV、APE酶活性顯著增強（P<0.05）， CAT活性顯著減弱（P<0.05）；相關分析表明，URE、INV、APE活性與SOC、TN、AN、CEC顯著或極顯著正相關（P<0.05或P<0.01），與BD與呈顯著負相關（P<0.05）；CAT與BD呈顯著正相關（P<0.05），與SOC呈顯著負相關（P<0.05）。[結論]研究結果可以豐富該區域恢復生態學的內容，為衡陽紫色土丘陵坡地生態系統的植被恢復與重建提供一定的理論依據。

關鍵詞植被恢復；土壤性狀；微生物數量；酶活性；紫色土；衡陽

中圖分類號S154.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）01-00091-03

基金項目湖南省重點項目（62020608001）；湖南省科技廳項目（S2006N332）；湖南環境生物職業技術學院院長科研基金青年資助項目（Z0901）。

作者簡介陳孫華（1972-），男，湖南茶陵人，講師，從事林業技術教育與園林的教學與研究工作，Email：chensunhua1@sina.com。

收稿日期20131202衡陽紫色土丘陵坡地是湖南省生態環境最惡劣的地區之一，也是我國南方極具代表性的生態災難區，面積達1.625×105 hm2。紫色土發育期短，常處于幼年階段，因此地力差，極易水蝕，加上其顏色深、吸熱性強，夏季地面溫度極高（最高可達72.9 ℃），蒸發量大，又因區域性的不利環境影響和不合理的開發，致使該區域長期以來植被稀疏，水土流失嚴重[1-5]。植被恢復是治理該區域水土流失的關鍵措施。在恢復過程中，土壤性質（包括土壤理化性質、微生物數量以及酶活性）發生相應的變化，但以往的研究與評價多集中于減少徑流與養分的流失[6-7]，而對土壤微生物數量及代謝影響的研究相對薄弱。筆者采用時空互代法[8-10]，研究不同恢復階段土壤性質與土壤微生物多樣性，并且以測定脲酶（Urease， URE）、蔗糖酶（Invertase， INV）、堿性磷酸酶（Alkphosphatase， APE）與過氧化氫酶（Catalase， CAT）為切入點分析其代謝活性，揭示在植被恢復過程中土壤性質的變化機制，為該區域紫色土的質量管理及恢復與重建提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究區概況衡陽紫色土丘陵坡地（110°32′16″～113°16′32″ E，26°7′5″～27°28′24″ N）地處湖南省中南部，湘江中游，東起衡東縣的霞流鎮與大浦鎮，西至祁東縣的過水坪鎮，北至衡陽縣的演陂鎮與渣江鎮，南達常寧市的官嶺鎮與東山瑤族鄉和耒陽市的遙田鎮與市爐鎮一帶，以衡南與衡陽兩縣面積最大，地貌類型以丘崗為主，呈網狀集中分布于該區域中部海拔60～200 m的地帶。該區域屬亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫18 ℃，極端最高氣溫40.5 ℃，極端最低氣溫-7.9 ℃，年平均降雨量1 325 mm，年平均蒸發量1 426.5 mm。平均相對濕度80%，全年無霜期286 d。

1.2研究方法

1.2.1樣地設置。在2011年7～8月，在該研究區的典型區域中選擇坡度、坡向和海拔等生態因子基本一致的中下坡沿等高線的樣地，代表不同的植被恢復階段。它們分別為裸地階段（Ⅰ）、草本群落階段（Ⅱ）、灌木群落階段（Ⅲ）和喬木群落階段（Ⅳ）。每個樣地面積>1 hm2，在演替初始條件均為撂荒地。裸地階段（Ⅰ）的樣地坡度為30°，坡向西南，海拔130 m， 僅有極少數陽性先鋒幼苗，如野桐（Mallotus tenuifolius）、鹽膚木（Rhus chinensis），近無草本植物。草本群落階段（Ⅱ）的樣地坡度為25°，坡向西南，海拔120 m， 草本植物主要有狗尾草（Setaria viridis）、須芒草（Miscanthus sinensis）與夏枯草（Prunella vulgaris）等；木本植物主要有野桐、火棘（Pyracantha fortuneana）與構樹（Broussonetia papyrifera）等。灌木群落階段（Ⅲ）的樣地坡度為35°，坡向西南，海拔125 m， 灌木層主要有牡荊（Vitex negundo var. cannabifolia）、紫薇（Agrmonia pilosa）、圓葉烏桕（Sapium rotundifolium）、重陽木（Bischofia polycarpa）、女貞（Ligustrum luciduum）、六月雪（Serissa foetida）、山楊（Populus davidiana）與馬桑（Coriaria nepalensis）等。喬木群落階段（Ⅳ） 的樣地坡度為25°，坡向西南，海拔135 m， 喬木層主要有楓香（Liquidambar formosana）、圓葉烏桕、樸樹（Celtis sinensis）、重陽木與山楊等；灌木層有紫薇、女貞、六月雪、矮地茶（Ardisia japonica）等。在每個樣地內分別設置5塊個樣方間距>20 m 的20 m×20 m樣方，在每個樣方內按S型、線型或梅花型多點采集混合樣，取0～40 cm的土樣，分為兩部分，一部分土樣保保藏于0～4 ℃的冰箱中，并在30 d內完成微生物計數；另一部分土樣風干，混勻、磨細、過0.25 mm篩供土壤理化性質的測定（表1）。

1.2.2測定項目與方法。土壤容重（Bulk density，BD）測定采用環刀法；SOC（Soil organic carbon， SOC）測定采用H2SO4-K2Cr2O7外加熱法；全氮（Total nitrogen， TN）測定采用凱氏法；堿解氮（Available nitrogen， AN）測定采用擴散吸收法；pH測定采用電極電位法；陽離子交換量（Cation exchange capacity， CEC）測定采用乙酸銨交換法[11]。土壤中的細菌、真菌和放線菌的分離和數量測定采用稀釋平板法。三大類菌培養基分別為牛肉膏蛋白胨瓊脂、馬丁氏（Martin）培養基和高氏1號培養基[12]。土壤URE、INV、APE和CAT活性分別采用苯酚-次氯酸鈉比色法、3，5二硝基水楊酸比色法、對硝基苯磷酸二鈉比色法測定和KMnO4滴定法測定[13]。

1.2.3數據統計與分析。 所有數據均采用SPSS13.0軟件進行處理。用單因素方差分析法（oneway ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較不同數據間的差異。用Pearson分析法分析不同因子間的相關系數。所有數據均為3次重復的平均值。

2結果與分析

2.1不同恢復階段土壤微生物數量表2表明，從Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ至Ⅳ，細菌數量與微生物總數顯著增加（P<0.05），其增加幅度分別為59.000%～394.895%與51.720%～360.009%；而真菌數量與放線菌數量顯著減?。≒<0.05），其減小幅度分別為25.593%～94.932%與67.523%～148.411%。在三大微生物中，細菌最多，占絕大多數 （85%以上），真菌最少（不足2%）。這與三大微生物的生態屬性的差異有關，細菌個體小，繁殖簡單，速度快，而且取樣時間為7～8月，水熱條件適宜，有利于細菌的發育，而真菌和放線菌發育緩慢，與細菌競爭處于弱勢地位，細菌數量增加抑制真菌和放線菌的生長發育[1，5]；另外，研究區域的土壤呈弱堿性，適宜于細菌和放線菌的生長，而真菌該環境中生長較差[14-16]。該研究表明，植被恢復能夠為土壤提供大量不同的凋落物與分泌物，為微生物的生長與發育提供不同的食物來源，導致三大微生物的數量與結構發生變化，表現出良好的生態功能。

2.2不同恢復階段土壤酶活性表4表明，隨著恢復的進行，0～40 cm土層酶活性的大小發生了變化。URE、INV、APE 3種水解活性隨著恢復的進行而顯著增加（P<0.05），增加幅度分別為1.136～1.558 μg/（g·d）、0.027～6.695 mg/（g·d）與0.183～0.558 μg/（g·d）；隨著恢復的進行，SOC得以提高，高的SOC易使土壤環境的氧化性降低，不利于CAT活性的提高，因此CAT活性的變化規律則剛好相反。隨著恢復的進行，CAT活性顯著減?。≒<0.05），減小幅度為8.972～24.224 μmol/（g·h）。在不同的恢復階段，土壤酶活性的差異與恢復階段的土壤性質演變以及土壤酶類型有關[17-18]。

3結論與討論

土壤微生物作為土壤C循環中最活躍的參與者。SOC為其提供最重要的生命支持物質。微生物又通過自身的新陳代謝與生長發育等生理生化過程加快SOC的周轉。研究中，土壤細菌數量與SOC、TN與AN呈極顯著正相關（其相關系數分別為0.965**、0.900**與0.885**）。這可能與細菌多樣化的代謝類型為關，從另一方面顯示細菌在土壤C循環的重要作用；真菌數量與SOC、TN的相關系數分別為0.556*、0.576*，這是因為真菌是土壤中大分子有機物的主要降解者，較高的N素促進真菌的生長和功能的發揮，從而促進C循環。這與陳家瑞等[19-20]研究結果相似。

隨著植被恢復的進行，SOC、TN、AN與CEC顯著增加（P<0.05），BD顯著減?。≒<0.05），表明土壤的肥力、通氣以及保肥性能得到優化，土壤的氧化性降低，從而引起URE、INV、APE 3種水解酶隨著植被恢復的進行而顯著增加（P<0.05），而氧化酶CAT則隨著植被恢復的進行而顯著減?。≒<0.05）。因此，URE、INV與APE 3種水解酶與SOC、TN、AN與CEC達顯著或極顯著正相關水平（P<0.05或P<0.01），而與BD達顯著負相關關系（P<0.05）；而氧化酶CAT的活性對植被恢復的響應基本相反，與SOC、BD的相關系數分別為-0.689*、0.668*。這與李為等[21]的研究結果相似，而與劉淑娟等[22]的研究結果不盡相同，其原因可能是研究的對象、研究對象所處的環境以及研究對象土壤中各種成分的相互作用等不同，造成各種成分之間的耦合變化也不同，從另一個側面說明影響土壤性質改變的因素的復雜性[23-24]。

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