廬山自然保護區不同植被類型下土壤酶活性與土壤肥力相關性分析

于法展，尤海梅，馬曉冬，王凈

（江蘇師范大學城市與環境學院，江蘇徐州221116）

廬山自然保護區不同植被類型下土壤酶活性與土壤肥力相關性分析

于法展，尤海梅，馬曉冬，王凈

（江蘇師范大學城市與環境學院，江蘇徐州221116）

土壤酶活性是反映土壤肥力最為重要的生物學指標之一。以廬山自然保護區內6種不同植被類型下土壤為研究對象，通過對不同植被下0~20 cm土層的土壤酶活性及其與土壤肥力狀況的相關性進行分析。結果表明，6種不同植被類型下土壤酶活性有一定的區別，其中草叢地除過氧化氫酶和磷酸酶外，土壤酶活性屬最高水平，而針闊混交林和針葉林地土壤酶活性均處最低水平；不同植被類型下土壤肥力狀況有明顯的差異，草叢地的土壤肥力狀況最好，針葉林地土壤肥力較差。SPSS軟件相關分析表明：脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶與土壤肥力指標的相關性較好，多酚氧化酶和過氧化物酶與土壤肥力狀況的相關性較差。

植被類型；土壤酶活性；土壤肥力；廬山自然保護區

土壤猶如生命的有機體，其生物活性最本質的指標是土壤酶活性，它是表征土壤肥力的有效生物指標，是土壤重要的組成部分，直接參與土壤中各種生物化學反應[1]。土壤酶來自土壤中微生物和高等植物，也來自土壤動物和進入土壤的有機物質，在土壤生態系統的物質循環和能量流動方面扮演著重要角色[2]。近年來，國內外土壤學家對土壤酶的研究非常重視，主要集中于農業土壤的不同土類和不同肥力水平土壤的酶活性、施用有機肥和無機肥對酶活性的影響等方面[3-6]。土壤酶活性對森林生態系統的物質轉化、土壤肥力形成和能量流動起著重要作用，且與土壤理化性質和環境條件密切相關，已成為土壤健康生物指標研究中優先考慮的指標之一，并得到了廣泛的應用[7-9]。許多學者對不同土地利用方式下或長期施肥條件下的紅壤、黑土、黑壚土、褐潮土、棕色石灰土、沖積土等研究表明：土壤蛋白酶、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性與土壤有機質、氮、磷等土壤肥力呈顯著或極顯著相關，土壤酶活性可以作為衡量土壤肥力的指標[8]。我國對森林土壤酶活性的研究較少，且主要集中在人工林，嚴重滯后于農田土壤中有關土壤酶作為土壤健康的生物活性指標的研究，不能滿足當代森林土壤及森林經營管理實踐的需要[10-11]。筆者以廬山自然保護區內6種不同植被類型下土壤為研究對象，通過對土壤酶活性與植被類型及土壤肥力之間的關系進行分析，旨在深入認識土壤酶作為監測森林土壤健康生物學指標的研究提供科學參考。

1 研究區自然概況

廬山自然保護區位于江西省北部，距九江市約13 km，其地理坐標115°50′～116°10′E，29°28′～30°53′N，總面積30 493 hm2，主峰大漢陽峰海拔1 474 m。廬山地處亞熱帶東部季風區域，具有鮮明的季風氣候特征；而且廬山是一座中山，面江臨湖，山高谷深，與周圍平原地區相比較，具有鮮明的山地氣候特征。年平均溫度11.4℃，1月均溫-0.3℃，7月均溫22.5℃，極端低溫-16.8℃，極端高溫32.8℃，年平均降水量1 929 mm。廬山系塊壘式山地，在新構造運動的影響下，仍在繼續抬升，地層較復雜。該保護區森林植被在海拔700 m以下主要為常綠闊葉林帶，海拔700～1 000 m之間為常綠—落葉闊葉混交林帶，海拔1 000 m以上為落葉闊葉林帶，較高海拔（1 300～1 474 m）分布有高山灌叢等植被類型。該區域物種豐富，森林覆蓋率達76．6%，主要的植被類型有闊葉林、針葉林、竹林、針闊混交林、灌叢、草叢（草甸）等。其保護區發育的土壤從山麓到山頂依次分布著紅壤和黃壤、山地黃壤、山地黃棕壤、山地棕壤。

2 土樣采集與測定方法

2012年8～9月在研究區內代表性地段選擇6種不同植被類型，即在針葉林、闊葉林、針闊混交林、竹林、灌叢、草叢下設立標準樣地，并對其環境因子進行隨機采樣調查（表1）。6塊測試樣地（20 m×20 m）均設3次重復，按混合法采集0～20 cm的土壤樣本。土樣經實驗室風干后進行測定，土壤酶分析指標與測定方法：纖維素酶采用葡萄糖氧化法；脲酶采用氨釋放量蒸餾滴定法；磷酸酶用對硝基苯磷酸鹽法；過氧化氫酶用高錳酸鉀滴定法；多酚氧化酶和過氧化物酶采用鄰苯三酚比色法。土壤肥力的測定指標包括土壤容重、粘粒組成、pH、有機質、全氮、堿解氮、全磷、有效磷和速效鉀，具體分析方法參照《土壤農業化學分析方法》[12]。樣點布局空間數據與實驗數據的統計輸入該自然保護區林地土壤資源動態數據庫，采用SPSS軟件對所獲得數據進行差異性檢驗和相關分析。

表1 廬山自然保護區內各測試樣地調查概況

3 結果與分析

3.1 不同植被類型下土壤酶活性

土壤酶是土壤生物化學反應的催化劑，它參與土壤中物質的轉化過程與循環，促進有機質的分解，反映土壤生物活性的大小。林地土壤中一切復雜的生化過程都是在土壤酶的參與下進行的，土壤酶的活性與土壤肥力密切相關，是土壤肥力的重要指標之一[5，7]。不同植被類型下土壤酶活性的測試結果見表2。

表2 不同植被類型下土壤酶活性狀況（平均值±標準差）

纖維素酶是具有纖維素降解能力酶的總稱，它們協同作用分解纖維素，所有能利用晶體纖維素的微生物都能或多或少地分泌纖維素酶，這些酶具有不同的特異性和作用方式，對維持生態系統平衡穩定起了很重要的作用[7]。表2中不同植被類型下土壤纖維素酶活性的大小順序為草叢＞竹林＞針葉林＞針闊混交林＞闊葉林＞灌叢，這是因為草叢、竹林下的枯落物中的木質素含量較高，因而纖維素酶活躍。脲酶是土壤中常見的水解酶，能促進尿素的水解，使其轉化為氨為植物利用，用以表征土壤氮素供應狀況[3]。由表2可知，竹林、灌叢、草叢地土壤脲酶活性顯著高于闊葉林、針葉林、針闊混交林地，而針闊混交林地土壤脲酶活性最低（（4．56± 0．19）mg·kg-1），草叢地土壤脲酶活性最高（（23．60±2．71）mg·kg-1）。說明草叢地土壤有機氮的轉化過程明顯快于針闊混交林地。過氧化氫酶是衡量土壤氧化過程的方向和強度指標，通過酶可以促進過氧化氫的分解，防止其對生物體的毒害作用，其活性高低可以反映土壤解除呼吸過程中產生的過氧化氫的能力[10]。從表2比較得出，灌叢地過氧化氫酶活性（（31．05±4．76）mL·g-1）顯著高于其他植被類型；針闊混交林地、針葉林地的過氧化氫酶活性顯著低于闊葉林、竹林、灌叢、草叢地，這是由于針闊混交林和針葉純林的凋落物分解速度較慢，其林下土壤解除呼吸過程中產生的過氧化氫較少。多酚氧化酶可以把多酚類物質氧化分解成簡單化合物，再與含氮物質縮合，通常用以表征土壤腐殖化程度[10]。由表2可知，不同植被類型下土壤中多酚氧化酶活性有較明顯的差別，其中草叢地土壤的多酚氧化酶活性最高，達（0．95±0．21）mg·g-1，針闊混交林地多酚氧化酶活性最低，為（0．46±0．18）mg·g-1，這說明草叢地土壤腐殖化程度比較高。過氧化物酶不僅催化過氧化氫物質，而且也能氧化酚類、胺類物質為醌，加速土壤有機物的分解和腐殖質的合成[10]。從表2可見，草叢地土壤的過氧化物酶活性最高（（1．47±0．55）mg·g-1），明顯高于針闊混交林地和針葉林地。磷酸酶是土壤中廣泛存在的一種水解酶，能夠催化磷酸脂或磷酸酐的水解反應，其活性高低直接影響著土壤中有機磷的分解轉化及其生物有效性[11]。土壤磷酸酶的主要類型包括磷酸單脂酶、磷酸二脂酶、三磷酸單脂酶等，其中，磷酸單脂酶與有機磷的礦化及植物的磷素營養關系密切，是研究最多的磷酸酶。在研究中常基于酶促反應的最適pH，將磷酸單脂酶分為酸性磷酸酶（pH5～6）和堿性磷酸酶（pH8～10）兩種。由于廬山土壤表現為酸性，在pH＜7的土壤中酸性磷酸酶活性高。在該保護區內不同植被類型下土壤磷酸酶活性高低序列為竹林＞草叢＞灌叢＞闊葉林＞針闊混交林＞針葉林。

3.2 不同植被類型下土壤肥力狀況

6種不同植被類型下土壤肥力狀況的測試結果列于表3。土壤容重顯示土壤的疏松程度，可以說明土壤涵蓄水分以及供應樹木生長所需水分的能力[2]。由表3可知，針葉林地表層（0～20 cm）土壤容重最大（0．67 g·cm-3），草叢（山地草甸）地土壤容重最小（0．26 g·cm-3）。這是因為針葉林下凋落物分解緩慢，轉化成的土壤有機物質數量較少，土壤較緊實，而草叢地生物量組成及分布較合理，土壤腐殖質積累較多（粘粒組成含量最高），土壤處于相對較疏松狀態。粘粒含量則表現出相反規律，即草叢地的粘粒含量最高為125．0 g·kg-1，針葉林地的粘粒含量最低為71．0 g·kg-1。土壤pH值是表征土壤活性酸的重要指標，對養分的固定與釋放具有重要作用，從土壤pH數據來看，6種不同植被類型下土壤均呈酸性。土壤有機質是土壤養分的主要來源，它可以增強土壤的保肥和供肥能力，提高土壤養分的有效性[9]。由表3可知，草叢地的土壤有機質含量（58．78 g·kg-1）最高，針葉林地土壤有機質含量（14．38 g·kg-1）顯著低于其他植被類型。全氮量和堿解氮能較好地反映出近期內土壤氮素供應水平[7]。不同植被類型下土壤全氮量的變化規律為：草叢＞灌叢＞竹林＞闊葉林＞針葉林＞針闊混交林；堿解氮是衡量土壤有效氮量的指標，不同植被類型下土壤堿解氮含量的變化規律與全氮量的變化相似。從土壤有效磷和速效鉀指標來看，竹林地土壤顯著高于其他植被類型。總之，不同植被類型下土壤肥力狀況的差異表現為，草叢地的土壤肥力狀況最好，針葉林地土壤肥力較差，這與植被凋落物性質以及根系的作用有關。

表3 不同植被類型下土壤肥力狀況

3.3土壤酶活性與土壤肥力的相關性

采用SPSS軟件對所獲得數據進行土壤酶活性與土壤肥力狀況指標的相關分析列于表4。由表4結果可知，纖維素酶活性與全磷、速效鉀含量呈極顯著的正相關，與有效磷含量呈顯著相關，與全氮、堿解氮含量無顯著相關，即土壤纖維素酶活性高低對土壤速效養分含量有極大地影響；脲酶與容重、粘粒含量、有機質、全氮、堿解氮、全磷有顯著的相關性；磷酸酶與容重、粘粒含量、全氮、有效磷有顯著的相關性；過氧化氫酶與容重、粘粒含量、有機質、全氮、全磷的相關關系非常顯著，但與pH值、有效磷和速效鉀的相關性較差，表明土壤過氧化氫酶活性與土壤有機質和氮、磷素轉化的關系比較密切；多酚氧化酶和過氧化物酶活性與土壤肥力之間的相關性較差，因此，多酚氧化酶和過氧化物酶對土壤肥力變化的敏感性差，在用其作為土壤肥力的評價指標時應謹慎考慮。除過氧化物酶外，其他土壤酶與土壤pH的相關性未達到顯著水平，這可能與土壤酶活性都有最適的pH范圍有關。綜上所述，土壤肥力中可供植物利用的營養元素的多少與土壤酶活性的高低直接相關，在良好的有機養分狀況下，土壤酶活性較高，其對土壤中營養元素的礦質化作用強度愈大，愈有利于系統內的營養物質循環。

表4 土壤酶活性與土壤肥力指標的相關性

4 結語

不同植被類型下土壤酶活性有一定的區別，其中草叢地除過氧化氫酶和磷酸酶外，土壤酶活性屬最高水平，而針闊混交林和針葉林地土壤酶活性都在最低水平；不同植被類型下土壤肥力狀況有明顯的差異，草叢地的土壤肥力狀況最好，針葉林地土壤肥力較差。采用SPSS軟件對不同植被類型下土壤酶活性與土壤肥力指標的相關性比較可知，纖維素酶活性與土壤速效養分含量相關性顯著，脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶與土壤肥力指標的相關性較好，多酚氧化酶和過氧化物酶與土壤肥力狀況的相關性較差，多酚氧化酶活性較低，影響了腐殖質的形成。因此，脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶可以作為衡量土壤肥力水平的指標。

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Analysis of soil enzyme activity and its relations with the soil fertility under different forest vegetation in Lushan nature reserve

YU Fazhan，YOU Haimei，MA Xiaodong，WANG Jing
（College of Urban and Environmental Sciences，Jiangsu Normal University，Xuzhou 221116，China）

Soil enzyme activity is one of the most important indexes influencing soil fertility.We studied six types of forest vegetation in Lushan nature reserve and analyzed their soil enzyme activity and their relations with the soil fertility under 0～20 cm.The results show that their activity of soil enzymes is different.The activity of soil enzymes under the bushes is high except soil catalase and phosphate,whereas that under the theropencedrymion and coniferous forest is low.The soil fertility under different forest vegetation is also obviously different. The soil fertility under the bushes is high,but that under the coniferous forest is low.The relations between enzyme activity and soil fertility show that urease,phosphate and catalase correlate to soil fertility.Polyphenol oxidase and peroxidase are poorly related with soil fertility.

vegetation types；activity of soil enzyme；soil fertility；Lushan nature reserve

F114.63

A

1672－0687（2015）01－0059－05

責任編輯：謝金春

2013－12－16

國家自然科學基金資助項目（51174207）；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目（SZBF2011-6-B35）

于法展（1972-），男，江蘇豐縣人，副教授，博士研究生，研究方向：土地資源管理。