伊犁河谷沙棗等4種林分類型土壤養分和酶活性特征

桑巴葉，朱玉偉，陳啟民，王永紅，褚奮飛

(新疆林科院造林治沙研究所，新疆 烏魯木齊 830063)

土壤是森林生態系統的重要組成部分，土壤與植被密不可分，構成一個復雜的功能體系。土壤為森林植物及生物提供生長定居的機械支持和物質基礎。森林植物在生長過程中所需養分極大部分通過植物本身新陳代謝過程中或自然條件調節所形成的凋落物、動物殘體在土壤中經過分解成小分子化合物，供給森林植物生命所需[1,2]。土壤酶也同樣發揮著重要作用，土壤酶參與土壤中的一切生物化學過程，催化了土壤中眾多生化反應[3,4]。由于土壤酶活性與土壤理化性質、土壤生物數量和生物多樣性等密切相關，因此可以作為評價森林生態系統土壤肥力和熟化程度的重要指標[5]。不同的森林類型提供的物質基礎的差異，影響微生物種群數量變化的同時亦影響土壤物理化學性質和養分數量[6,7]，造成森林土壤生產力的差異。

近年來，國內外學者從不同角度對土壤類型、土壤理化性質、土壤酶活性等方面進行了廣泛研究。土壤養分研究內容涉及養分時間動態變化、土壤養分儲量、土壤養分的空間動態變化等方面[8]。關于林分類型對土壤理化性質的影響，已經取得了重要的研究成果[9]。土壤酶作為土壤質量的生物活性指標，自20 世紀 80 年代以來已經被大量研究[10]。對土壤生態因子和林分類型與土壤酶之間的相互關系十分關注，并做了相應的研究與報道[11]。關于伊犁河谷森林土壤養分與酶活性方面研究僅局限于單一林分、單一酶活性或養分[12，13]、不同土地利用方式下土壤養分和酶活性研究[14]等方面，其他相關研究報道極少。伊犁河谷位于新疆西天山地區,是新疆及天山氣候最濕潤、降水最豐沛、植被土壤發育最良好的地區，森林覆蓋率為7.9%，林、草植被覆蓋率高達67.7%，被喻為新疆干旱區的一塊“濕島”。伊犁河谷林分多樣，存在著長期選擇和演替的規律性變化，故對不同林分下土壤養分和酶活性特征的研究十分必要，將會更加充分地理解植被狀況對土壤質量和環境的潛在影響，最終為森林土壤質量的評價提供依據。因此，本研究以伊犁河谷地區為研究區域，選擇當地典型的4種林分為研究對象，分析土壤養分和土壤酶的變化狀況。通過研究不同林分土壤養分和酶活性變化規律，為伊犁河谷地區造林適地適樹、合理配置提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

伊犁河谷位于中國天山山脈西部，準噶爾盆地西南緣，屬南天山、北天山分隔而成的由斷陷盆地與山間河谷間布的中亞內陸河流域。地理位置80°09′42″—84°56′50″ E，42°14′16″—44°53′30″ N。三面環山，流域地跨中溫帶大陸性氣候和高山氣候類型，氣候溫和濕潤，晝夜溫差大。年均降水量200～800 mm，降水隨高程上升明顯增多。平均海拔高度為477～1 701 m，氣候溫和濕潤，降水量充足，是中國唯一的溫帶大陸性氣候地區，部分地區屬于高山氣候。伊犁河谷地域遼闊，資源豐富，素有“塞外江南”的美稱。土壤類型多樣，包括潮土、灌耕土、草甸土、黑鈣土、栗鈣土、灰鈣土、沼澤土等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與土壤采集 選取沙棗、新疆楊、加小楊×俄羅斯楊、白榆4種林分為研究對象，均為成熟林，在每個林分的典型地段各設置標準樣地，樣地規格為林帶寬×50m，進行林地狀況調查,每塊樣地設3 個重復(表1)。土壤采集方法按照多點混合采樣法，按“S”形隨機采取5個樣點的土樣，在每個樣點取0～20 cm和20～40 cm土層土樣，將相同土層的樣品混合，去除石塊、根系和土壤動物等，經實驗室風干、過篩后貯存備用。

不同林分基本概況見表1。

表1 不同林分樣地基本概況

1.2.2 測定指標及測定方法 土壤化學性質測定[15]：土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定；土壤全磷采用氫氧化鈉熔融、鉬銻鈧比色法測定。土壤全鉀采用氫氧化鈉堿熔、火焰光度計法測定。土壤水解氮采用堿解擴散法。速效磷用鉬銻抗比色法，速效鉀用醋酸銨浸提、火焰光度計法測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法--外加熱法。

土壤酶活性測定[16]：土壤過氧化氫酶和脲酶采用《土壤酶及其研究法》進行測定。

1.3 統計分析

試驗數據采用Excel2007和SPSS 19.0 軟件進行統計分析。

2結果與分析

2.1 土壤養分特征

表2 不同林分樣地土壤化學性質

注：數值為平均值±標準差，小寫字母表示土壤同層不同模式之間存在顯著性差異(P<0.05)

樹種影響著環境中水分、土壤、植物和微生物之間的相互作用，樹種不同，土壤養分就會呈現出不同的差異。由表2可知，不同林分樣地土壤養分之間差異較明顯。土壤有機質能改變土壤物理結構、通氣性及透氣性，是微生物、土壤酶和礦物質的有機載體。0～20 cm土層新疆楊林分的有機質含量最高，與其他模式之間差異顯著(P<0.05),加小×俄、沙棗和白榆林分之間差異不顯著(P>0.05)。白榆林和沙棗林20～40 cm土層有機質含量分別為最高和最低。各林分土壤有機質平均含量高低順序為：新疆楊林>白榆林>加小×俄林>沙棗林。除白榆林外，其余林分均隨土層深度增加，土壤有機質含量下降，其中新疆楊林降幅最大。

土壤全氮在2個土層之間表現出了相似的規律，各林分間全氮含量差異不大，各林分土壤全氮均值：白榆林>新疆楊林>加小×俄林>沙棗林。白榆林0～20 cm土層堿解氮含量最高，與其他模式之間有顯著差異，2個土層堿解氮高低順序一致，均為白榆林>加小×俄林>沙棗林>新疆楊林。

從表2可以看出，各林分土壤全磷含量總體較低，范圍在0.31～0.46 gkg-1間。2個土層中白榆林全磷含量最高，最低為加小×俄林。各模式林分土壤全磷均值表現為白榆林>沙棗林>新疆楊林>加小×俄林。各林分間土壤速效磷含量相差較大，2個層次的含量在3.97～43.5 mgkg-1之間，速效磷含量最高值為最低值的11倍。0～20 cm土層含量最高的白榆林為最低的沙棗林的9.67倍，20～40 cm土層相同情況，最高為最低的4.79倍。隨土壤深度增加，有效磷含量急劇降低，其中新疆楊林和白榆林降幅最大。白榆林與其他模式之間差異顯著，其他各模式之間差異不顯著。有效磷均值高低順序為：白榆林>新疆楊林>加小×俄林>沙棗林。

4種林分2個層次土壤全鉀的含量在24.68～26.84 gkg-1之間，速效鉀含量在113.33～451.00 mgkg-1之間，均屬于較高水平。各林分及2個層次之間全鉀含量變化幅度小。各林分土壤全鉀均值排序：加小×俄林>沙棗林>白榆林>新疆楊林。沙棗林速效鉀含量在2個土層中最高，加小×俄林含量最低。2個土層中新疆楊林、沙棗林和白榆林速效鉀含量均屬很高水平，均與加小×俄林之間差異顯著。各林分土壤速效鉀均值表現為沙棗林>白榆林>新疆楊林>加小×俄林。

2.2 土壤酶活性特征

圖1表明，不同林分土壤土層酶活性的變化趨勢基本一致，0～20 cm土層酶活性均高于20～40 cm土壤酶活性。

圖1 不同林分土壤酶活性

圖中線段為標準差，字母表示同一土層同一酶活性在不同林分中的差異性，字母不同表示顯著差異，P<0.05

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。脲酶參與有機態氮素的分解作用,專門水解有機氮轉化過程的中間產物尿素,使其轉化成氨為林木利用。新疆楊林0～20 cm土層土壤脲酶活性最高，為2.32 mgg-1，白榆林20～40 cm脲酶活性最高，為1.61 mgg-1。沙棗林脲酶活性最低，0～20 cm土層為0.86 mgg-1，20～40 cm僅為0.40 mgg-1。不同林分土壤脲酶活性高低排序為白榆林>新疆楊林>加小×俄林>沙棗林。

過氧化氫酶是土壤中一種重要的氧化還原酶，參與土壤物質和能量轉化過程，具有分解土壤中對植物有害的過氧化氫的作用。不同林分0～20 cm土層土壤過氧化氫酶活性變化范圍在0.80～1.57 mgg-1，20～40 cm土層在0.87～1.50 mgg-1。新疆楊林和沙棗林酶活性較高，與其他2個林分之間差異顯著，不同林分土壤過氧化氫酶的排列順序為新疆楊林>沙棗林>加小×俄林>白榆林。

2.3 土壤酶與土壤養分的相關性

土壤酶活性與土壤養分之間存在密切的相關關系[17，18]，土壤養分含量的高低制約著土壤酶活性的大小，反之，土壤酶活性的反饋作用使得土壤養分含量發生變化。為此，我們對土壤酶活性與土壤養分之間進行相關分析。結果表明(表3)，在表土層，脲酶和除全鉀外其他呈正相關，其中和速效磷呈顯著正相關(P<0.05)；過氧化氫酶和全鉀、速效鉀、有機質呈顯著正相關，和其他養分指標呈負相關，其中和速效磷、堿解氮關系最為密切，呈顯著負相關(P<0.05)。在底土層，脲酶和全鉀呈負相關，與其他養分指標呈正相關，其中和速效磷呈極顯著正相關(P<0.01)，和有機質呈顯著正相關(P<0.05)；過氧化氫酶和全磷、速效鉀呈正相關，和其他呈負相關，其中和堿解氮、速效磷呈顯著負相關(P<0.05)。

在整個土層中，脲酶和全鉀呈負相關，和其他養分指標呈正相關，其中和全磷、速效磷、有機質呈極顯著正相關(P<0.01),和全氮、堿解氮呈顯著相關(P<0.05)；過氧化氫酶和全鉀、速效鉀、有機質呈正相關，和其他養分指標負相關，其中和堿解氮、速效磷呈極顯著負相關(P<0.01)。因此，不同林分類型的土壤酶活性與土壤養分之間存在著相關關系，故土壤酶活性高低情況可作為評價土壤肥力的指標。

表3 土壤酶活性與土壤養分的相關分析

**.在0.01 水平(雙側)上顯著相關。*. 在0.05 水平(雙側)上顯著相關。n=24。

3 討論與結論

3.1 在同一林分內，土壤養分主要集中在表土層，不同林分土壤肥力狀況有明顯的差異，各林分土壤全氮和全鉀含量均在一個水平上，林分之間差異不大，沙棗林的速效鉀含量最高，新疆楊林和白榆林含量也較高，白榆林土壤堿解氮和有效磷含量最高，新疆楊林有機質含量最高。

3.2 土壤酶活性對土壤養分的流動與轉化起著重要作用，可以客觀地反映土壤質量狀況。土壤酶活性不僅與土壤理化性質有關，而且與林分類型也密切相關。在土壤中，脲酶和過氧化氫酶活性隨土層的增加而減小。在整個土層中土壤脲酶活性排序為白榆林>新疆楊林>加小×俄林>沙棗林；過氧化氫酶活性排序為新疆楊林>沙棗林>加小×俄林>白榆林。

3.3 土壤養分與土壤酶活性之間存在一定的相關性。在整個土層中，脲酶和全鉀呈負相關，和其他養分指標呈正相關；過氧化氫酶和全鉀、速效鉀、有機質呈正相關，和其他養分指標負相關。本研究結果同李傳榮[19]的研究結果一致，但與其他多數文獻結果不同。研究發現土壤中過氧化氫酶、脲酶活性與土壤主要養分因子間均存在極顯著或顯著的正相關關系[17]。這種結論不一致的原因，需在今后的研究中進一步探討。

參考文獻：

[1] 陳立新,陳祥偉,段文標.落葉松人工林凋落物與土壤肥力變化的研究[J].應用生態學報,1998,9(6):581-586

[2] 胡承彪,韋源連,梁宏溫,等.兩種森林凋落物分解及其土壤效應的研究[J].廣西農業大學學報,1992,11(4):47-52

[3] 張成娥,陳小麗.植被破壞前后土壤微生物分布與肥力的關系[J]. 土壤侵蝕與水土保持學報,1996,2(4):77-83

[4] 邊雪廉,岳中輝,焦浩,等.土壤酶對土壤環境質量指示作用的研究進展[J].土壤,2015,47(4):634-640

[5] 戴偉,白紅英.土壤過氧化氫酶活性及其動力學特征與土壤性質的關系[J].北京林業大學學報,1995,16(1):37-40

[6] 王大珍.微生物生態學的發展及應用[J].科學前沿，1998(1):23-25

[7] 中國科學院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上海科學技術出版社,1978：60-126

[8] 陳金林,俞元春,羅汝英,等.杉木、馬尾松、甜櫧等林分下土壤養分狀況研究[J].林業科學研究,1998(6):586-591

[9] 王凱博,時偉宇,上官周平.黃土丘陵區天然和人工植被類型對土壤理化性質的影響[J]. 農業工程學報,2012(15):80-86

[10] Singh KP,Mandal TN,Tripathi SK.Patterns of restoration of soil physicochemical properties and microbial biomass in different landslide sites in the salt forest ecosystem of Nepal Himalaya[J]. Ecological Engineering,2001(17):385-401

[11] 許景偉,王衛東,李成.不同類型黑松混交林土壤微生物土壤酶和土壤養分含量的研究[J].山東林業科技,2000(2):1-6

[12] 李有民,周華榮,侯海生.新疆伊犁皮里其河流域表層土壤養分特征[J].干旱區研究.2010,27(2):290-296

[13] 范燕敏,朱進忠,武紅旗,等.伊犁絹蒿荒漠退化草地土壤微生物和酶活性的研究[J].新疆農業科學.2009,46(6):1288-1293

[14] 崔東,鄧霞,閆俊杰,等.伊犁河谷不同土地利用方式對土壤養分與酶活性的影響[J].江蘇農業科學.2016,44(2):371-374

[15] 中華人民共和國國家標準—森林土壤的研究方法[S].1992

[16] 關松蔭. 土壤酶及其研究方法[M]. 北京: 農業出版社,1986: 294-297

[17] 劉成剛,吳永波,薛建輝,等. 刺槐滇柏混交林及純林土壤酶與養分相關性研究[J].土壤通報,2012(6) :1427-1431

[18] 徐恒,廖超英,李曉明,等. 榆林沙區人工固沙林土壤養分、微生物數量和酶活性研究[J].西北林學院學報,2008,23(3):12-15

[19] 李傳榮,許景偉,宋海燕,等. 黃河三角洲灘地不同造林模式的土壤酶活性[J].植物生態學報,2006,30(5):802-809