不同林齡桉樹人工林的土壤理化性質及脲酶活性

梁卿雅 王旭 劉文杰 鄒耀進 王鑫瑤 李超 唐鵬 程毅康

摘 要 為探明桉樹林地土壤理化因子和土壤脲酶活性隨林齡的動態變化規律，以及脲酶活性與土壤主要理化因子之間的深層關系，采用時空互代法和通徑分析方法對海南儋州地區不同林齡桉樹林土壤主要理化因子和脲酶活性進行了研究。結果表明：隨林齡的增加，桉樹林下土壤理化因子及脲酶活性大致呈現遞減趨勢且存在顯著差異，其中2年生林地脲酶活性最高為0.901 mg/g，4年生和6年生林地土壤脲酶活性分別為0.533 mg/g和0.499 mg/g。通過進一步的相關分析和通徑分析發現，土壤各因子對脲酶活性影響（按絕對值大小）的大小順序為：全磷（0.719）>水溶性有機氮（0.519）>全氮（0.508）>土壤含水量（0.463）>總有機碳（0.170）>土壤容重（0.154）>水溶性有機碳（0.143）。綜合各因子的直接作用和間接作用得出，土壤全氮以及水溶性有機氮（WSON）是制約脲酶活性的直接相關因子，而水溶性有機碳（WSOC）通過強烈的間接效應也對脲酶活性產生重要影響。

關鍵詞 桉樹林土壤；脲酶活性；相關分析；通徑分析

中圖分類號 S714.2 文獻標識碼 A

Abstract In order to explore the dynamic change regularity of eucalyptus forest soil physical， chemical factors and urease activity along with forest age， and the deep relationship between urease activity， soil physical and chemical factors， spatial-temporal substitution method and path analysis were applied to eucalyptus trees of different ages in Danzhou. Results showed that soil physical， chemical factors and soil urease activity varied significantly， but all decreased with the increase of stand age. The highest urease activity was appeared 0.901 mg/g in 2-year-old forest land， 0.533 mg/g， 0.499 mg/g in 4-year and 6-year-old forestland respectively. Considering correlation and path analysis， effects of soil factors on urease activity（in absolute value）was in the order of total phosphorus（0.719）> water-soluble organic nitrogen（0.519）> total nitrogen（0.508）> Water content（0.463）> Total organic carbon（0.170）> Bulk density（0.154）> water-soluble organic carbon（0.143）. By integrating the direct and indirect effects of each factor we could get the conclusions that total nitrogen and water-soluble organic nitrogen were the direct correlators that constrain urease activity， WSOC was a strong indirect correlators that exerted significant influence on urease activity also.

Key words eucalyptus forest soil； urease activity； correlation analysis； path analysis

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.03.011

土壤酶作為土壤中生物學活性的重要組成部分是參與土壤中各種生物化學反應的重要催化劑，其不僅能反映土壤中各類生化過程的動向和強度，其活性還能夠在一定程度上表征土壤中微生物的狀況、土壤理化性質及肥力狀況[1-4]。土壤酶活性與土壤理化性質及肥力狀況的關系一直為各國學者研究的熱點，但多見于用簡單相關和多元回歸的方法進行分析。通徑分析能夠將因變量與自變量之間的簡單相關系數分解為直接通徑系數和間接通徑系數，從而全面考察變量之間的相互關系，揭示各因素對結果的相對重要性[5-6]。桉樹（Eucalyptus）作為中國速生豐產林的代表，在給社會帶來可觀的經濟效益的同時也引發了一系列土壤問題，如地力衰竭、過度消耗土壤水分和養分，導致土壤性狀惡化，林木生長減緩[7-9]。目前對于桉樹林的研究主要集中于生物多樣性[10]、生物量和生產力[11]、土壤養分變化[12]等方面，而鮮見關于海南地區桉樹林土壤脲酶與土壤主要理化因子之間相互關系的研究。本研究應用時空互代法以及相關分析和通徑分析等手段對海南儋州地區桉樹人工林地土壤脲酶活性與土壤理化性質的關系做出定量分析，旨在了解不同種植年限下土壤理化性質、土壤脲酶的變化趨勢及兩者之間的內在關系，為篩選桉樹人工林土壤質量評價指標和酶學診斷的可行性提供基礎數據；同時為桉樹人工林的可持續經營和生產實踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于海南省儋州市東城鎮，東經108°56′～109°46′，北緯19°11′～19°52′，地形為平原，海拔40～50 m。為典型熱帶島嶼季風氣候，太陽輻射強，全年基本無霜，四季不分明。全年平均日照時數在2 000 h 以上，年均氣溫23.5 ℃，年均降雨量1 704.7 mm，干濕季節明顯。土壤類型為砂質磚紅壤，該類型土壤土層淺薄，底土石礫多，保肥供肥能力較弱[8]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置 采用時空互代法，以2年生、4年生和6年生的林齡桉樹為研究對象（桉樹林輪伐期為5～7年），于2016年7月在儋州市東城鎮儋州林場選擇營林、管理方法、海拔、坡向、坡度、土壤母質等立地條件基本一致或相近的林地，每個林齡樣地分別設置3塊20 m×40 m的標準樣地。研究區域地勢平坦，群落結構簡單，草本灌木極少，為單一的人工群落，研究區內每年施肥（氮磷鉀復合肥60 kg/hm2）、除草（除草劑）一次。

1.2.2 土壤樣品采集 在每個標準樣地內，挖取長寬深均1 m的正規剖面一個，將剖面分為0～10、10～20、20～30、30～50、50～100 cm 5個土層，用環刀法采集土壤原狀土，用于測定土壤含水量和容重等物理性質；另采用土鉆法，在每個標準樣地內按照“S”取樣法，選取4個代表性的樣點，去除地表凋落物，用內徑為5.0 cm的土鉆按上述土壤分層方法采集土壤樣品，重復5次，等層次混勻為1個混合樣后帶回實驗室，將一部分鮮土去雜質，過2 mm篩后貯藏于4 ℃冰箱內用于測定土壤脲酶；將另一部分風干、去雜質、過1 mm篩后用于測定土壤化學性質。采樣日之前至少3 d沒有≥5 mm降水。

1.2.3 測定方法 土壤物理性質的測定采用中國科學院南京土壤所編寫的《土壤理化分析》中的測定方法[13]。土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉顯色法測定，酶活性以1 g土在37 ℃恒溫培養箱培養24 h所釋放的NH4+-N的毫克數表示[14]。土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，全氮采用半微量凱氏定氮法，全磷采用鉬銻抗比色法[15]；土壤水溶性有機碳/氮（WSOC/WSON）采用Curtin等[16]的方法，用熱水浸提后，將浸提液置于Multi C/N3100 TOC/TN測定儀上（德國耶拿公司）測定。

1.3 數據處理

原始數據的整理、統計計算以及圖表制作采用Microsoft Excel 2010軟件處理，處理后數據采用SPSS 19.0軟件進行相關性分析、通徑分析。處理間差異顯著性的比較采用單因素方差分析，用Duncan法進行多重比較；變量間的相關性分析采用Pearson相關統計方法。

2 結果與分析

2.1 不同種植年限桉樹林土壤理化性質動態變化

由表1可知，不同林齡桉樹人工林各理化因子之間表現出明顯不同的變化趨勢。與2年生桉樹人工林相比，4年生和6年生的桉樹林的土壤有機碳、全氮、全磷、水溶性有機碳/氮以及土壤含水量均有不同程度的降低，其中土壤水溶性有機氮隨林齡的降幅相對較大，與2年生相比，4年生和6年生桉樹林土壤水溶性有機氮分別減少了59.14%和77.17%，差異極顯著（p≤0.01）。

2.2 不同種植年限土壤脲酶活性特征

在整個土壤生態系統中，土壤酶在促進物質循環和能量流動中起著重要的作用。脲酶作為水解酶類能夠催化土壤生態系統中高分子化合物的降解，轉化為生物可利用養分，從而促進植物生長[17]。隨著種植年限的增加土壤中脲酶活性逐漸降低（p≤0.01），2年生、4年生、6年生桉樹林土壤脲酶活性分別為0.901、0.533、0.499 mg/g（取1 m深土壤脲酶活性平均值）。由圖1可知，2年生、4年生、6年生桉樹林土壤脲酶活性在1 m深土層中也呈現出一定的變化規律，表現為上層明顯高于下層。其中各林齡均為表層（0～10 cm）土壤脲酶活性較高，且與其他土層存在顯著差異，其中，與2年生桉樹林相比，4年生和6年生桉樹林10～50 cm土層脲酶活性降幅更大。

2.3 土壤酶活性與土壤理化性質的相關分析

土壤中各理化因子對土壤脲酶活性具有一定的影響，其中土壤全氮含量、土壤水溶性有機碳和水溶性有機氮對脲酶活性存在明顯影響。相關分析結果表明（表2），除土壤容重與土壤脲酶活性顯示負相關外，其它理化因子均與土壤脲酶活性呈正相關關系，其中土壤全氮含量、水溶性有機碳和水溶性有機氮與脲酶活性均存在極顯著的正相關關系。

2.4 土壤酶活性與土壤理化性質的通徑分析

由于受到其他變量的影響，簡單相關系數不能夠真正反映一個變量與另一個變量的真實關系，往往需要進一步進行多元回歸分析以及通徑分析來獲取變量之間更多的真實信息[18]。

多元回歸方程能夠描述隨機變量在多個回歸因子中的平均變化規律，能夠在一定程度上消除變量之間的影響，從而使自變量與因變量的關系更加確實。通徑分析不僅能夠測定兩變量的相互關系，還能夠將相關系數分解為直接作用和間接作用，從而能夠更為真實地反映變量之間的相互關系[19-20]。

將所測的桉樹林土壤脲酶活性與土壤理化因子的數據進行回歸分析，得到下列標準化多元回歸方程：

U′=0.519X1′-0.719X2′+0.508X3′+0.463X4′-0.154X5′+0.143X6′-0.17X7′

式中：U′為標準化脲酶活性，X1為土壤水溶性有機氮，X2為土壤全磷，X3為土壤全氮，X4為土壤含水量，X5為土壤容重，X6為土壤水溶性有機碳，X7為土壤總有機碳，Xi′（i=1～7）為標準化的理化性質。

將方程中的標準回歸系數（即直接通徑系數）乘以各理化因子間的相關系數即得到間接通徑系數（表3）。

從表3可以看出，土壤水溶性有機碳對脲酶活性直接通徑系數較小，但在相關性上則表現出極顯著相關（p≤0.01），因其通過其它因子對脲酶的間接通徑系數之和較大，因此該因子對桉樹林下土壤脲酶活性的直接效應雖然很小，但通過全氮、全磷和水溶性有機氮等的間接作用發揮重要的正效應。土壤全磷對脲酶活性的通徑系數最大，說明其對脲酶活性具有較為明顯的直接負效益，然而它對土壤脲酶的直接效應被通過其他因子對脲酶活性產生的反向間接效益所抵消，因此從表面上看，土壤全磷與脲酶活性的相關性較小，不是影響土壤脲酶活性的主要因子。全氮和水溶性有機氮對土壤脲酶的通徑系數相對較大，且在表觀上顯示出與脲酶活性呈極顯著相關，而通過其他因子對脲酶活性產生影響的間接通徑系數之和較小，說明土壤全氮和水溶性有機氮對脲酶活性有強烈的直接正效應，是影響土壤脲酶活性的主要因素。土壤總有機碳和容重對脲酶活性的直接通徑系數很小，通過其他因子對脲酶活性產生影響的間接通徑系數之和相對較大，雖不是制約土壤脲酶活性的關鍵因子，但也對其活性產生了一定影響。雖然土壤含水量對脲酶活性的直接正效應較大，但其通過土壤全磷對脲酶活性產生了相對較大的負效應（間接相關系數為-0.549），因此從表面上看兩者相關性并不大。

3 討論

本研究結果表明，隨著生長時間的延長，不同林齡桉樹人工林土壤容重、含水量、水溶性有機碳氮、總有機碳、全氮、全磷和土壤脲酶的垂直分布格局及其在同一土層內的分布均表現出差異性。2年生桉樹林土壤中有機組分及土壤含水量均高于其它2個林齡，其中土壤總有機碳、全氮、水溶性有機碳和水溶性有機氮表現為上層明顯高于下層，這與大多數研究結果相似[21-22]；2年生土壤含水量和全磷的變化趨勢不明顯。土壤脲酶能夠將土壤中的尿素水解為植物可利用的有效養分，因此在促進植株生長和土壤氮素循環上扮演著重要的角色。本研究結果顯示，土壤脲酶活性隨著林齡的增大而表現出遞減的趨勢，且在垂直剖面上脲酶活性大致呈現出表層活性大而深層活性小的趨勢，這與土壤有機組分的變化趨勢相似，說明土壤中水溶性有機碳氮、總有機碳和全氮等因子與土壤脲酶活性具有一定的相關關系，另有研究也表明土壤養分能夠通過影響土壤中微生物的變化從而影響土壤酶的活性[23-24]，而土壤酶活性的大小也在一定程度上影響土壤養分的有效性[25-27]。

相關分析進一步證明土壤脲酶活性與土壤主要理化因子具有較高的相關性，可以作為表征土壤養分狀況的一個參考指標。通徑分析量化分析了土壤各因子對土壤脲酶活性的影響程度，其大小（按絕對值大小）順序為：全磷（0.719）>水溶性有機氮（0.519）>全氮（0.508）>土壤含水量（0.463）>總有機碳（0.170）>土壤容重（0.154）>水溶性有機碳（0.143）。全磷雖然對土壤脲酶活性有著極大的負效應，但其通過其他因子所表現出的效應之和抵消了其作用，因此從表面上看來其與脲酶活性的相關性最小；土壤總有機碳和水溶性有機碳雖然直接通徑系數最小，但其通過全氮、水溶性有機氮等因子表現出的間接效應之和較大，因此對脲酶活性也具有較大影響。另外，分析結果表明土壤全氮和水溶性有機氮不論是直接通徑系數還是相關系數均較大，說明兩者對脲酶活性具有強烈的直接作用，是制約土壤脲酶活性的重要因子，而全磷、土壤含水量和容重對土壤脲酶活性的影響則較小。

4 結論

桉樹人工林土壤脲酶活性隨著林齡的增大而表現出遞減的趨勢，且在垂直剖面上土壤脲酶活性大致呈現出表層活性大而深層活性小的趨勢。土壤脲酶活性與土壤有機質、全氮、水溶性有機碳氮等因子密切相關，且與土壤全氮和水溶性有機碳氮呈極顯著相關。通徑分析結果表明，土壤全氮及水溶性有機氮對脲酶活性的直接通徑系數分別為0.508和0.519，說明這2種因子對土壤脲酶活性具有強烈的直接作用，是制約土壤脲酶活性的重要因子。相關分析和通徑分析的結果均說明土壤脲酶活性與土壤養分之間存在密切相互作用，可以作為表征桉樹林土壤肥力水平的參考指標之一，用于反映土壤養分狀況。

參考文獻

[1] B1ońska， Januszek E， Kazimierz. Usability of enzyme activity in estimation of forest soil quality[J]. Folia Forestalia Polonica， 2015， 55（1）： 18-26.

[2] Dick R P. Soil enzyme activities as indicators of soil quality[J]. Soil Science Society of America Journal， 1994， 58： 107-124.

[3] Kabiri V， Raiesi F， Ghazavi M A. Tillage effects on soil microbial biomass， SOM mineralization and enzyme activity in a semi-arid Calcixerepts[J]. Agriculture， Ecosystems & Environment， 2016， 232： 73-84.

[4] 王理德， 王方琳， 郭春秀， 等. 土壤酶學研究進展[J]. 土壤， 2016， 48（1）： 12-21.

[5] 宋小園， 朱仲元， 劉艷偉， 等. 通徑分析在SPSS逐步線性回歸中的實現[J]. 干旱區研究， 2016， 33（1）： 108-113.

[6] 趙維娜， 王艷霞， 陳奇伯， 等. 天然常綠闊葉林土壤酶活性受土壤理化性質、微生物數量影響的通徑分析[J]. 東北林業大學學報， 2016， 44（1）： 75-80.

[7] 張 凱， 鄭 華， 陳法霖， 等. 桉樹取代馬尾松對土壤養分和酶活性的影響[J]. 土壤學報， 2015， （3）： 646-653.

[8] 李東海， 楊小波， 鄧運武， 等. 桉樹人工林林下植被、地面覆蓋物與土壤物理性質的關系[J]. 生態學雜志， 2006， 25（6）： 607-611.

[9] 韋東艷. 不同經營措施下桉樹人工林林分特性與立地土壤狀況研究[D]. 北京： 中國林業科學研究院， 2011.

[10] 劉 平， 秦 晶， 劉建昌， 等. 桉樹人工林物種多樣性變化特征[J]. 生態學報， 2011， 31（8）： 2 227-2 235.

[11] 向仰州. 海南桉樹人工林生態系統生物量和碳儲量時空格局[D]. 北京： 中國林業科學研究院， 2012.

[12] 王吉秀， 劉孝文， 吳 炯， 等. 不同種植年限桉樹林土壤養分的變化趨勢研究[J]. 云南農業大學學報： 自然科學版， 2016， 31（5）： 917-922.

[13] 中科院南京土壤研究所. 土壤理化分析[M]. 上海： 上海科學技術出版， 1978： 30-33..

[14] 關松蔭. 土壤酶及其研究法[M]. 北京： 農業出版社， 1986：296-339.

[15] 鮑士旦. 土壤農化分析（第三版）[M]. 北京： 中國農業出版社， 2000： 25-200.

[16] Curtin D， Wright C E， Beare M H， et al. Hot water-extractable nitrogen as an indicator of soil nitrogen availability[J]. Soil Science Society of America Journal， 2006， 70（5）： 1 512-1 521.

[17] Zantua M I， Dumenil L C， Bremner J M. Relationships between soil urease activity and other soil properties1[J]. Soil Science Society of America Journal， 1977， 41（2）： 350-352.

[18] 楊敬天， 蘇智先， 胡進耀， 等. 珙桐林土壤有機質與酶活性的通徑分析[J]. 應用與環境生物學報， 2010， 16（2）： 164-167.

[19] 劉廣深， 徐冬梅， 許中堅， 等. 用通徑分析法研究土壤水解酶活性與土壤性質的關系[J]. 土壤學報， 2003， 40（5）： 756-762.

[20] 王 靜， 呼麗萍， 李 昶， 等. 種植年限對櫻桃園土壤養分和酶活性的影響[J]. 水土保持通報， 2013， 33（4）： 155-158.

[21] 劉立龍， 楊彩玲， 蔣代華， 等. 連栽桉樹人工林不同代次土壤養分與酶活性的分析[J]. 熱帶作物學報， 2013， 34（11）： 2 117-2 121.

[22] 王紀杰， 鮑 爽， 梁關峰， 等. 不同林齡桉樹人工林土壤有機碳的變化[J]. 四川林業科技， 2015， 36（4）： 92-95.

[23] 虎德鈺， 毛桂蓮， 許 興. 不同草田輪作方式對土壤微生物和土壤酶活性的影響[J]. 西北農業學報， 2014， 23（9）： 106-113.

[24] 羅亞進. 不同林齡桉樹人工林土壤微生物及土壤酶活性的研究[D]. 桂林： 廣西師范大學， 2014.

[25] 舒媛媛， 黃俊勝， 趙高卷， 等. 青藏高原東緣不同樹種人工林對土壤酶活性及養分的影響[J]. 生態學報， 2016， 36（2）： 394-402.

[26] 孫亞男， 李 茜， 李以康， 等. 氮、 磷養分添加對高寒草甸土壤酶活性的影響[J]. 草業學報， 2016， 25（2）： 18-26.

[27] 楊 瑞， 劉 帥， 王紫泉， 等. 秦嶺山脈典型林分土壤酶活性與土壤養分關系的探討[J]. 土壤學報， 2016， 53（4）： 1 037-1 046.