大青山不同林齡榆樹林的土壤酶和養分特征

關鍵詞：榆樹；土壤養分；酶活性；主成分分析

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0737

中圖分類號：S152.7 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2023）12016809

大青山位于內蒙古自治區中部陰山山脈中段，地處干旱半干旱地區，屬于典型的大陸性半干旱季風氣候，全年光照充足，熱量資源較豐富[1]，在我國生物多樣性保護方面占有重要地位。然而，目前大青山生態環境日益脆弱，改善土壤、提高肥力已成為生態修復和建設的重要內容[2]。

土壤養分是林木生長發育的物質基礎，影響植物一系列生命活動的運轉，是土壤肥力的重要標志[34]。土壤酶是土壤產生的生物催化劑，可直接反映土壤中物質轉化狀況，土壤酶活性的高低也是評價土壤肥力的重要參數[5]。目前，已有不少學者圍繞林地和濕地土壤探討不同林齡土壤養分和酶活性變化，并研究二者之間的關系[6-8]。涂程偉等[6]研究表明，杉木林氧化還原酶在不同林齡土壤中差異顯著，且與土壤pH顯著相關；羅亞進[7]研究認為，不同林齡桉樹土壤酶活性與養分因子之間存在較強的相關性，且土壤營養元素與土壤酶活性指標呈現明顯的垂直變化趨勢，隨著土壤土層深度的增加而降低；嚴紹裕[8]研究發現，濕地松在林齡較低階段土壤養分較為充足，隨著林齡的增加，土壤肥力逐漸下降。

榆樹（Ulmus pumila L.）又名春榆、白榆等，為榆科落葉喬木。榆樹為陽性樹種，其根系發達， 耐干旱、耐貧瘠，對土壤的適應能力強，在保護環境、涵養水源、防風固沙等方面發揮著重要作用，是干旱半干旱沙區造林的理想樹種[9]。但是，隨著榆樹生長年限的延長，榆樹林地力和林分生產力會出現明顯的下降趨勢，不利于其保護功效的長期發揮。目前，榆樹林的研究主要集中在土壤養分與榆樹空間位置及土壤養分含量與榆樹密度關系的探討上[10-12]，對于不同林齡榆樹林土壤養分及土壤酶活性的研究鮮有報道。因此，本研究以大青山自然保護區3種樹齡榆樹林為研究對象，采集不同土層土壤探究不同林齡土壤養分及酶活性變化特征及其隨樹齡的變化趨勢，以期為該地區榆樹林的養分管理、提質增效及近自然的改造提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣區概況

采樣地點位于內蒙古呼和浩特大青山（40°34′—41°18′N、109°46′—113°04′E），大青山山體呈東西方向延伸，山地南北的地貌不對稱，屬溫帶大陸性氣候，四季差異明顯。東西最大長度240 km，南北寬度10～30 km，總面積約88 577 hm²。年均降水量400 mm左右，夏季降水量占全年降水量的80%，年均蒸發量1 800 mm。無霜期90～180 d，全年日照數3 056.3 h。海拔1 500～2 100 m。土壤類型主要為淋溶灰褐土、粗骨灰、灰褐土和草灌灰褐土。

1.2 樣品采集與處理

2021年8月（植物生長旺盛期間），在大青山選擇營林措施、海拔、坡向、坡度、土壤母質等立地條件基本一致的3個林齡（10、25、40 a）榆樹林為研究對象，每個林齡分別設置3塊20 m×20 m的樣地，詳見表1。在樣方內尋找長勢較一致的5株榆樹為采樣點，作深度為40 cm土層的土壤剖面，依次采取0—10、10—20、20—30、30—40 cm土層土壤樣品，編號裝入自封袋。土樣過篩后，用于土壤理化性質和酶活性的測定。

1.3 樣品的測定

土壤pH 采用電位法測定；土壤速效氮（available nitrogen，AN）采用堿解氮擴散法測定；土壤速效磷（available phosphorus， AP）采用鉬焍抗比色法測定；速效鉀（available potassium， AK）采用火焰光度計法測定；土壤有機質（soil organicmatter， SOM）含量采用滴定法測定[13]。土壤過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定，土壤脲酶活性用苯酚鈉次氯酸鈉比色法測定，土壤蔗糖酶活性用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，土壤酶活性的測定依據《土壤酶及其研究法》進行[14]。

1.4 數據分析

使用Excel 2015整理數據。運用雙因素方差分析法分析林齡、土壤及其交互作用對相關指標的影響，用單因素方差法分析同一土層不同林齡對其相關指標的影響，采用獨立樣本t 檢驗分析同一林齡不同土層對相關指標的影響；對林齡與土壤養分進行回歸分析；土壤養分和酶活性進行相關性分析；采用主成分分析對土壤肥力進行綜合評價。

2 結果與分析

2.1 不同林齡榆樹林土壤養分差異分析

通過雙因素方差分析（表2）可知，林齡和土層以及二者交互作用顯著影響土壤速效氮、速效磷和有機質含量，林齡對速效鉀和pH有顯著影響（Plt;0.05）。由圖1可知，榆樹林土壤速效氮含量在65.21～127.25 mg·kg^-1，速效磷含量在5.98～12.62 mg·kg^-1； 土壤速效氮和速效磷含量隨林齡的增加先升高后降低，隨土層深度的加深土壤速效氮和速效磷含量顯著降低（Plt;0.05），且在4個土層中25 a林齡的速效氮和速效磷含量均顯著高于10 和40 a（Plt;0.05）。速效鉀含量在60.21～146.44 mg·kg^-1，隨林齡的增加顯著升高（Plt;0.05），在0—10、10—20 cm 土層中40 a 樹齡土壤速效鉀含量顯著高于10和25 a（Plt;0.05）。有機質含量在7.54～37.07 g·kg^-1，隨林齡增加逐漸升高，在4個土層中25 a樹齡土壤有機質含量均顯著高于10 和40 a（Plt;0.05）。榆樹林土壤pH 在5.84～7.38，隨林齡增加逐漸降低，0—10 cm 土層pH顯著高于其他3個土層（Plt;0.05）。

2.2 不同林齡榆樹林土壤酶活性差異

通過雙因素方差分析可知（表3），林齡、土層以及二者的交互作用對過氧化氫酶和脲酶活性有顯著影響，林齡對蔗糖酶活性有顯著影響（Plt;0.05）。不同酶活性隨林齡增加的變化趨勢不同（表4），蔗糖酶活性隨林齡的增加呈先增加后降低趨勢，25 a林齡的土壤蔗糖酶活性在4個土層中顯著高于10 a（Plt;0.05），隨著土層深度的加深，蔗糖酶活性顯著降低（Plt;0.05）；土壤過氧化氫酶活性在2.31～4.87 μmol·d^-1·mg^-1，隨著林齡的增加過氧化氫酶活性顯著降低（Plt;0.05），0—10 cm土層過氧化氫酶活性顯著高于其他土層（Plt;0.05）；脲酶活性隨林齡的增加先升高后降低，25 a林齡的土壤脲酶活性在4個土層中均最高，且0—10、10—20 cm 土層脲酶活性顯著高于20—30 和30—40 cm土層（Plt;0.05）。

2.3 土壤養分與酶活性相關性分析

土壤養分與酶活性之間存在著不同程度的相關性（表5）。pH與速效鉀和有機質含量存在極顯著負相關（Plt;0.01），與過氧化氫酶顯著正相關（Plt;0.05）；速效鉀和有機質含量存在極顯著正相關（Plt;0.01），與過氧化氫酶活性存在顯著負相關（Plt;0.05）；速效氮和速效磷含量、蔗糖酶活性、脲酶活性存在顯著正相關（Plt;0.05）；蔗糖酶與脲酶活性存在顯著正相關（Plt;0.05）。

2.4 不同樹齡榆樹林根際土壤的主成分分析

土壤指標之間存在著顯著（Plt;0.05）或極顯著（Plt;0.01）的關系（表5），因此選用8個指標進行主成分分析共提取到2個主成分因子。第1主成分和第2主成分對原始方差的貢獻率分別為61.24%和15.59%，二者的累積貢獻率達到76.83%（表6）。因此可以用2個因子代替8個原始因子來反映土壤的肥力水平。

由表7可知，第1主成分載荷較高的變量有pH、速效鉀、有機質、蔗糖酶、過氧化氫酶，第2主成分載荷較高的變量為速效磷、速效氮、脲酶。

計算不同樹齡不同土層土壤肥力的綜合得分，得分越高說明土壤肥力質量越高。由表8可知，土壤肥力從高到低依次為：25 a林齡0—10 cm土層、25 a林齡10—20 cm土層、40 a林齡0—10 cm土層、10 a 林齡0—10 cm 土層、40 a 林齡10—20 cm土層、25 a林齡20—30 cm土層。土壤肥力排名最高的是25 a林齡的0—10 cm土層，最低的是10 a林齡的30—40 cm土層。

3 討論

3.1 不同林齡榆樹土壤養分的變化

土壤養分變化是個長期復雜的過程，與植物生長協同發展，在不同地區不同種植環境下表現出不同的特性。本研究結果表明，榆樹林土壤養分特征因生長年限不同而產生一定的差異。土壤速效氮和速效磷含量隨著樹齡的增加先升高后降低，均在中齡林時達到峰值，這與孫鵬躍等[15]對落葉松的研究結果相反，其原因可能是氮和磷是榆樹直接消耗的養分元素，在中齡林之前，榆樹生長所消耗的氮和磷低于枯落物分解轉化積累的氮和磷養分歸還量，因而土壤養分含量持續提高。老齡林土壤氮和磷相較于中齡林分別呈穩定和下降趨勢，說明老齡林時榆樹生長對土壤氮、磷的消耗相對減少，枯枝落葉層向土壤轉化積累氮和磷養分的效率降低[16]。隨著生長年限的增加，速效鉀含量逐漸升高，但對于鉀含量隨林齡變化的趨勢并不一致，研究指出，隨著林齡的增加土壤鉀含量呈降低的趨勢[17]，而本研究中鉀含量隨林齡的增加呈升高趨勢，與張社奇等[18]對刺槐林的研究結果一致，說明營造榆樹林能提高土壤速效鉀含量。隨著樹齡的增加，土壤有機質含量呈增加的趨勢，這與張振國[19]等的研究結果一致。老齡時榆樹已近衰亡，這時凋落物量較大，而凋落物是土壤有機質的最主要來源，因此老齡榆樹林土壤的有機質含量較高[20]。隨著林齡的增加土壤有酸化的趨勢，這與崔莉娜等[21]對杉木人工林的研究結果相似，可能是隨著榆樹林齡的增加，榆樹土壤表層凋落物的長期堆積和腐蝕會產生大量酸性物質，加上根系分泌的酸性物質逐代積累， 導致榆樹林土壤pH下降。

在垂直方向上，隨著土壤深度的增加，土壤速效氮、速效磷、速效鉀、有機質含量呈降低的趨勢，均具有“表聚現象”，再隨著水分或其他介質逐漸向土壤深處擴散遷移[22]。隨著土層深度的增加，不同樹齡榆樹林土壤pH均增大，這與嚴紹裕[8]對濕地松的研究結果一致。其主要原因是山區降雨較少，凋落物分解產生的有機酸僅少量滲入土壤，使表層土壤堿性較弱，加之鹽基離子從上層淋溶，在下層土壤聚集，導致土壤含有較多的鹽分，對有機質分解過程中產生的酸性物質起到了一定的中和作用，抑制了土壤的酸性。

3.2 不同林齡榆樹土壤酶活性的變化

林齡可以改變土壤的理化性質、生物區系及土壤水熱狀況，進而影響土壤酶活性[3]。本研究中，蔗糖酶與脲酶活性隨林齡的增加呈先增高后降低的趨勢，與王偉東等[23]對中幼齡華北落葉松上的研究結果相同。過氧化氫酶活性隨林齡的增加逐漸降低，這與過氧化氫酶活性受諸多因素影響有關[24]。蔗糖酶通常與磷含量有關，可以作為評價土壤肥力水平的一個指標[25]，本研究中蔗糖酶活性與速效磷含量隨林齡變化趨勢相同。過氧化氫酶活性的降低會減緩土壤代謝過程中有害物質的分解，危害植物生長[26]，因此40 a林齡土壤過氧化氫酶活性較低的原因需要關注。脲酶催化枯枝落葉中尿素水解，對土壤速效氮有重要影響，其在林間變化規律與速效氮一致。隨著土層深度的增加，蔗糖酶、過氧化氫酶和脲酶活性都呈降低的變化趨勢。出現這一結果可能是由于土壤表層的動植物殘體和微生物數量最多、根系分布密集，而土壤酶的主要來源是微生物、動植物殘體及植物根系分泌物，因此在0—10 cm土壤層中，其分泌的酶多，酶的活性相應就高，這與宮歡歡等[27]對不同林齡木麻黃純林的研究結論相似。

3.3 不同林齡榆樹根際土壤主成分分析

土壤肥力綜合評價可以評判及鑒定土壤肥力質量高低，僅用土壤養分和酶活性等指標進行具有局限性，因此本研究采用主成分法對大青山不同樹齡榆樹林土壤肥力狀況進行綜合計算。榆樹林土壤肥力綜合評分隨林齡的增加先升高后降低，反映了多數土壤養分和酶活性的變化規律。榆樹從10 a 生長至25 a，林內環境逐漸改善，溫度、濕度變幅較小，微生物活性增強，土壤肥力得到改善[28]；其后隨著林齡的增加，林分郁閉，微生物的繁殖和生長受到限制，加上林木自身養分的吸收，導致土壤肥力降低，反映了榆樹林在經營過程中土壤質量的退化動態。

10 a林齡土壤綜合得分小于25和40 a，主要是由第2主成分得分所導致。第1主成分主要包含了pH、速效鉀、有機質、蔗糖酶、過氧化氫酶的信息；第2主成分包含了速效磷、速效氮和脲酶的信息，表明土壤養分和酶活性指標對土壤肥力的影響程度不同。本研究對養分和酶活性進行了降維處理和評價，但由于土壤肥力還包括物理、化學等性狀，因此還有待對更全面的指標進行分析評價。本研究結果為25 a林齡0—10 cm土層土壤肥力最高，10 a林齡時土壤肥力最低，可能是因為該林齡土壤微生物存在環境脅迫[29]，25 a到40 a樹齡土壤肥力質量下降幅度較大，榆樹林地力呈現衰退趨勢，因此在實際生產過程中，應在樹齡40 a左右適當補充土壤養分，同時調節土壤pH，從而為榆樹林的生長提供良好的土壤環境，進而維持地力和榆樹林的可持續發展。

（責任編輯：胡立霞）