劉云，李傳榮?，許景偉，邴貝貝，呂蒙蒙，程玲

(1.泰山森林生態(tài)站，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)境重點實驗室，271018，山東泰安;2.山東省林業(yè)科學(xué)研究院，251014，濟(jì)南)

土壤酶是土壤中具有生物活性的蛋白質(zhì)，可以作為評價土壤肥力的指標(biāo)［1］，它不僅是外源有機(jī)物質(zhì)腐解轉(zhuǎn)化的驅(qū)動力，而且是土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化、土壤結(jié)構(gòu)及物理性狀演變與保持的驅(qū)動力，在碳、氮、磷、硫等的生物循環(huán)中起重要作用［2］。土壤脲酶是一種酰胺酶［3］，主要來源于土壤微生物的活動及植物根系的分泌物和動植物殘體腐解過程中釋放的酶［4］，在土壤有機(jī)物中碳-氮鍵的水解作用中具有重要作用，其活性的提高能促進(jìn)土壤有機(jī)氮向有效氮的轉(zhuǎn)化［5］，可以用于表示土壤的氮素供應(yīng)狀況。許多研究資料表明，脲酶活性與土壤肥力指標(biāo)有很好的相關(guān)性，如關(guān)松蔭［6］在研究茶園土壤和森林對土壤脲酶活性時指出，土壤脲酶可以作為評價土壤肥力的指標(biāo)之一。刺槐(Robinia pseudoacacia)是黃河三角洲鹽堿地改良土壤的優(yōu)良樹種。目前的研究大多集中在刺槐的生理機(jī)能和土壤水分方面［7-8］，對營造刺槐林的改良土壤效果也給予了廣泛的重視［9］，但是刺槐混交林土壤酶活性的影響尚未引起充分的重視。筆者以黃河三角洲鹽堿地防護(hù)林為研究對象，通過分析脲酶與刺槐林地土壤養(yǎng)分、土壤微生物、土壤水文特性和蓄水性能的關(guān)系，研究不同類型刺槐混交林地的土壤脲酶活性，并通過主成分分析法找出影響刺槐林地土壤脲酶活性的土壤因子，以期為黃河三角洲鹽堿地土壤質(zhì)量評價和土壤肥力的維持與改善提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

研究地點位于山東省東營市河口區(qū)，屬暖溫帶半濕潤區(qū)大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫12.1℃，無霜期201 d，≥10℃的積溫約4 200℃，年均降水量500～600 mm，7—8月降水量約占全年降水量的50%，且多暴雨，易形成旱澇災(zāi)害，年均蒸發(fā)量為1 962.1 mm。土壤為沖積性黃土母質(zhì)在海浸母質(zhì)上沉淀而成，機(jī)械組成以粉沙為主，沙黏相間，層次變化復(fù)雜。

天然植被以鹽生、濕生的禾本科植物茅草(Imperata cylindrica)、蘆葦(Phragmites communis)為主。主要造林樹種有刺槐、楊樹(Populus euramericana)、白蠟(Fraxinus chinensis)、檉柳(Tamarix chinensis)等。

2 研究方法

2.1 調(diào)查與采樣

于2011年4和8月開展調(diào)查，分別代表旱季和雨季。在試驗區(qū)選擇刺槐+白榆(Ulmus pumila)混交林、刺槐 +臭椿(Ailanthus altissima)混交林、刺槐+白蠟混交林為研究對象，林齡均為26年，分別設(shè)置20 m×20 m樣地(表1)。以刺槐純林和無林地作對照。在選擇的樣地內(nèi)根區(qū)，采用環(huán)刀法測定土壤的水文指標(biāo)，采用十分法分別取0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm 3層的土壤樣品，每個樣地3次重復(fù)，裝入無菌袋中帶回實驗室。其中一部分用于土壤微生物的培養(yǎng)，另一部分風(fēng)干，去除雜質(zhì)過篩后，保存于冰箱中，用于測定土壤養(yǎng)分和土壤脲酶。在樹木20 cm范圍內(nèi)挖取20 cm×20 cm×40 cm的土柱，分0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm 3層取根系，每個林分重復(fù)3次。

表1 樣地概況Tab．1 Survey of plot

2.2 測定方法

1)土壤脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定。脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)用靛酚比色法測定，活性以24 h后1 g土壤中NH3-N 的質(zhì)量(mg)表示［6］。

2)土壤水文物理特性和蓄水性能的測定。采用烘干法測定土壤含水量，環(huán)刀法測定土壤密度、總孔隙度等，并由公式計算一定土層深度內(nèi)的毛管蓄水量和飽和蓄水量［10］。其中土壤涵蓄降水量的計算公式為

式中:Mh為土壤涵蓄降水量，mm;Mb為飽和蓄水量，mm;Mw為土壤含水量，mm。

3)土壤化學(xué)性質(zhì)的測定。pH值采用電位法測定;含鹽量采用質(zhì)量法測定;全磷采用碳酸鈉熔融-鉬銻抗比色法測定;全N采用半微量凱氏法測定;速效鉀采用乙酸銨提取-火焰光度法測定;堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定;有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定［11］。

4)土壤微生物的培養(yǎng)。采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)菌，高氏一號培養(yǎng)基培養(yǎng)放線菌，馬丁氏培養(yǎng)基培養(yǎng)真菌，Ashby無氮培養(yǎng)基培養(yǎng)自生固氮菌［12］。

5)根系的質(zhì)量。根系在烘箱中65°下烘干8 h，稱量質(zhì)量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0和Excel軟件進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分類型的土壤脲酶活性

不同刺槐林地中，不同土層深度的土壤脲酶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見圖1。由圖1(a)可知，與CK相比，8月份造林地脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加(P＜0.05)，其中RP、RU、RA和 RF的脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是 CK的4.02、4.74、5.01和 5.08 倍，而與 RP 相比，RU、RA和RF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了17.86%、24.62%和26.41%。在不同土層深度上，刺槐混交林地的土壤脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于刺槐純林地，其中0～10 cm和20～40 cm土層的脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到顯著水平(P＜0.05)，10～20 cm差異不顯著(P＞0.05)。在同一林分中，土壤脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢是0～10 cm＞10～20 cm＞20～40 cm，層次之間變化較明顯。

4月份脲酶活性的變化規(guī)律和8月份大體相同(圖1(b))，但是脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于8月份，其中CK、RP、RU、RA和 RF分別降低了 18.95%、25.88%、27.83%、32.44%和32.24%。

同一林地中，土壤脲酶活性隨土層的加深而降低，這與一些研究結(jié)果一致［13-15］?；旖涣州^純林提供了較多的枯枝落葉和營養(yǎng)元素等物質(zhì)，改善了土壤理化性質(zhì)，并且為微生物提供了充足的碳源，加之刺槐的固氮作用［16］，促進(jìn)了微生物的生理代謝活動［17］，增加了微生物的數(shù)量，從而使混交林的土壤脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)較純林高。造林后枯枝落葉及腐殖質(zhì)主要積累于土壤表層，上層有機(jī)物含量較高，進(jìn)而導(dǎo)致微生物數(shù)量較下層多，加之表層水熱條件和通氣狀況好，因微生物生長旺盛、代謝活躍、呼吸強(qiáng)度加大而使表層的土壤脲酶活性較高。隨土層的加深，土壤密度増大，孔隙度減小，有機(jī)質(zhì)也隨著土層的加深而急劇下降，土壤微生物的活動會減弱，限制了生物代謝的強(qiáng)度，生物產(chǎn)酶能力隨之下降［18］。由于純林和混交林樹種組成不同，土壤脲酶活性也會產(chǎn)生一定的差異。總體來看，造林顯著增加了土壤脲酶的活性，而且混交林又優(yōu)于純林。

圖1 不同林地土壤脲酶的活性Fig．1 Soil urease activity in different stands

3.2 不同林分類型土壤脲酶活性與土壤因子的關(guān)系

3.2.1 土壤水文物理特性和蓄水性能 由圖2(a)可知，土壤密度隨土層加深而增大，林地間差異不顯著(P＞0.05)，與無林地差異顯著(P＜0.05)，表現(xiàn)為無林地＞刺槐純林＞刺槐混交林。由表2可知，4月份各林地的總孔隙度均隨土層的加深而減小，且各土層上均表現(xiàn)為刺槐混交林＞刺槐純林＞無林地。這與林地枯落物分解后腐殖質(zhì)含量增加，有利于表層土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成有關(guān)。各林地的孔隙比分別比 CK增加了 23.1%(RP)、33.1%(RA)、27.1%(RU)和36.8%(RF)。土壤涵蓄降水量為RF(94.63 mm)＞RA(90.91 mm)＞RU(89.41 mm)＞RP(79.84 mm)＞CK(53.94 mm)，有效涵蓄量與其大體一致。從空間變化來看，土壤飽和蓄水量、涵蓄降水量和有效涵蓄量均隨土層的增加而減小。

8月份(圖2(b)和表2)林分的水分物理特性和蓄水性能和4月份的大體規(guī)律相同，但各林分均優(yōu)于4月份，表現(xiàn)為土壤密度減小、總孔隙度增加和涵蓄降水量增加等。

圖2 圖2 不同林分的土壤密度Fig．2 Soil density in different stands

3.2.2 土壤化學(xué)性質(zhì) 4和8月份(表2、圖3)各林地土壤養(yǎng)分與土壤脲酶的變化趨勢大體一致。全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均是隨土層的增加而降低，且刺槐混交林＞刺槐純林＞無林地;與無林地相比較，林地的pH值在0～20 cm土層均有一定程度的降低;4月份，林地10～20 cm含鹽量高于其他層次(圖3(a))，原因是林地降低了土壤蒸發(fā)量，減弱了鹽分向表層的聚集，而無林地由于蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致鹽分表聚性明顯;8月份，林地0～10 cm含鹽量較低(圖3(b))，這與鹽分隨降雨向下淋洗有關(guān)，且為CK ＞ RF＞RP ＞RA ＞RU(10～20 cm，RP ＞RF)。

3.2.3 土壤微生物和根系質(zhì)量 由表2可以看出，8月份，刺槐混交林地土壤細(xì)菌個數(shù)＞放線菌個數(shù)＞真菌個數(shù)，這與大多數(shù)的研究結(jié)果相同［19］。其中細(xì)菌和固氮菌的數(shù)量均表現(xiàn)出隨土層的加深而減少的趨勢，而放線菌和真菌的數(shù)量主要集中分布在0～20 cm土層范圍內(nèi)，沒有明顯的規(guī)律性。這是因為細(xì)菌和放線菌適宜在中性或微堿性的環(huán)境中生活，而真菌一般生長在酸性土壤中。微生物總量方面，3種混交林地為無林地的2.4～2.8倍，刺槐純林地為無林地的2.2倍，刺槐混交林地明顯大于刺槐純林地。由表2還可以看出，4月，土壤微生物數(shù)量略低于8月，變化規(guī)律與8月基本一致。

由于試驗林均為26年生，其根系質(zhì)量在一年內(nèi)變化較小，故僅分析8月份根系。由表2可知，各樣地林分根系分布差異顯著(P＜0.05)，無林地草本豐富，根系集中于表層，而刺槐林地中根系大多集中于10～20 cm土層，40 cm以下土層出現(xiàn)土壤板結(jié)現(xiàn)象，根系較少。

3.2.4 土壤脲酶活性與土壤化學(xué)性質(zhì)和土壤微生物數(shù)量的相關(guān)性分析 脲酶與土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系(表3)表明:4月，刺槐混交林地脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與含鹽量負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，與全P、速效鉀和pH值相關(guān)性不顯著。8月與4月大體相同，不同點為與含鹽量呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)。

4和8月，刺槐混交林地脲酶活性和微生物的相關(guān)性基本相似(表3)。脲酶與固氮菌、細(xì)菌顯著正相關(guān)，與放線菌正相關(guān)，與真菌相關(guān)性不明顯，同時，脲酶與根量的相關(guān)性不顯著。

表2 不同林分的土壤理化性質(zhì)、微生物和根量Tab．2 Soil physic-chemical properties，microbes and root weight in different stands

3.3 土壤脲酶活性各影響因子的主成分分析

對研究區(qū)的土壤微生物、土壤化學(xué)性質(zhì)、土壤水文物理特性和蓄水性能等共16個指標(biāo)(土壤密度、總孔隙度、飽和蓄水量、涵蓄降水量、細(xì)菌個數(shù)、放線菌個數(shù)、真菌個數(shù)、固氮菌個數(shù)、根量、pH值、含鹽量、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù))進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表4。可知，僅需要4個主成分就可解釋超過85%的信息。第1主成分中，總孔隙度、細(xì)菌、固氮菌、全N、堿解氮和有機(jī)質(zhì)的系數(shù)值較大，方差貢獻(xiàn)率達(dá)52.325%，說明土壤的通透性以及氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脲酶的活性有較大的影響;第2主成分主要解釋了土壤蓄水性能，如飽和蓄水量和涵蓄降水量，方差貢獻(xiàn)率達(dá)到14.533%;第3主成分主要是pH值的信息，方差貢獻(xiàn)率達(dá)到13.250%，說明pH值通過對元素以及微生物的影響間接影響脲酶的活性;第4主成分是全P的信息，方差貢獻(xiàn)率為6.804%。從評價脲酶活性的角度看，可知總孔隙度、細(xì)菌個數(shù)、固氮菌個數(shù)、全N質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以作為主要指標(biāo)。

圖3 不同林分的含鹽量和pH值Fig．3 Salt content and pH value in different stands

表3 土壤脲酶活性與土壤化學(xué)性質(zhì)和土壤微生物數(shù)量的相關(guān)性分析結(jié)果Tab．3 Correlation analysis among urease activity，soil chemical properties and microbes quantity

表4 土壤脲酶活性影響因子的主成分分析及結(jié)果Tab．4 Principal component analysis and results of influencing factors on soil urease activity

4 結(jié)論與討論

1)黃河三角洲鹽堿地地區(qū)植被恢復(fù)后，土壤中脲酶活性有較大的增加，且表現(xiàn)出混交林優(yōu)于純林的趨勢。

2)刺槐混交林地土壤脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)，與全P、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)及pH值相關(guān)性不顯著，與含鹽量負(fù)相關(guān)。表明土壤脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤養(yǎng)分具有一定的相關(guān)關(guān)系，可在一定程度上反映土壤的肥力水平。

研究土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性與林地土壤肥力的關(guān)系，能夠揭示林地土壤發(fā)育的現(xiàn)狀和趨勢，可用于評價林地土壤肥力以及各種林業(yè)技術(shù)措施的效果，為林業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)［20］。微生物數(shù)量越多，土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)換越強(qiáng)［19］。本研究刺槐混交林地脲酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤中主要微生物種類(細(xì)菌和放線菌)的相關(guān)性均較好，進(jìn)一步表明脲酶可以作為評價土壤肥力的指標(biāo)。

3)刺槐混交林地土壤養(yǎng)分、土壤微生物、土壤水文物理特型和蓄水性能對土壤脲酶的活性均有一定的影響，其中總孔隙度、細(xì)菌個數(shù)、固氮菌個數(shù)、全N質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較大，因此可作為評價土壤脲酶活性的主要指標(biāo)。

本實驗涉及的影響脲酶的因子較多，工作量較大，通過主成分分析方法，可以用較少的指標(biāo)代表大量指標(biāo)，既可以達(dá)到較準(zhǔn)確反映土壤脲酶活性的作用，又可以減少工作量。

［1］ 孫權(quán)，陳茹，宋乃平，等.寧南黃土丘陵區(qū)馬鈴薯連作土壤養(yǎng)分、酶活性和微生物區(qū)系的演變［J］.水土保持學(xué)報，2010，24(6):208-212

［2］ 孫波，趙其國，張?zhí)伊?，?土壤質(zhì)量與持續(xù)環(huán)境:Ⅲ.土壤質(zhì)量評價的生物學(xué)指標(biāo)［J］.土壤，1997(5):225-234

［3］ 董麗潔，陸兆華，賈瓊，等.造紙廢水灌溉對黃河三角洲鹽堿地土壤酶活性的影響［J］.生態(tài)學(xué)報，2010，30(24):6821-6827

［4］ 萬忠梅，吳景貴.土壤酶活性影響因子研究進(jìn)展［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005，33(6):87-92

［5］ 薛冬，姚槐應(yīng)，何振立，等.紅壤酶活性與肥力的關(guān)系［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2005，16(8):1455-1458

［6］ 關(guān)松蔭.土壤酶及其研究法［M］.北京:農(nóng)業(yè)出版社，1986:294-297

［7］ 于占輝，陳云明，杜盛.黃土高原半干旱區(qū)人工林刺槐展葉期樹干液流動態(tài)分析［J］.林業(yè)科學(xué)，2009，45(4):53-59

［8］ 李軍，王學(xué)春，邵明安.黃土高原不同密度刺槐林地水分生產(chǎn)力與土壤干旱化效應(yīng)模擬［J］.生態(tài)學(xué)報，2008，28(7):3125-3141

［9］ 郗金標(biāo)，邢尚軍，宋玉民，等.黃河三角洲不同造林模式下土壤鹽分和養(yǎng)分的變化特征［J］.林業(yè)科學(xué)，2007，43(增刊 1):33-38

［10］陳立新.土壤實驗實習(xí)教程［M］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社，2005:17-82

［11］魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)出版社，1999:147-211

［12］沈萍，范秀容，李廣武.微生物學(xué)實驗［M］.北京:高等教育出版社，2004:50-74

［13］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(tài)學(xué)報，2006，30(5):802-809

［14］王成秋，王樹良，楊劍虹，等.紫色土柑橘園土壤酶活性及其影響因素研究［J］.中國南方果樹，1999，28(5):7-10

［15］唐艷，楊林林，葉家穎.銀杏園土壤酶活性與土壤肥力的關(guān)系研究［J］.廣西植物，1999，19(3):277-281

［16］ Pastor J，Binkley D.Nitrogen fixation and the mass balances of carbon and nitrogen in ecosystems［J］.Bingeochemistry，1998，43(1):63-78

［17］張超，劉國彬，薛萐，等.黃土丘陵區(qū)不同林齡人工刺槐林土壤酶演變特征［J］.林業(yè)科學(xué)，2010，46(12):23-29

［18］安韶山，黃懿梅，鄭粉莉，等.黃土丘陵區(qū)草地土壤脲酶活性特征及其與土壤性質(zhì)的關(guān)系［J］.草地學(xué)報，2005，13(3):233-237

［19］周德慶.微生物學(xué)教程［M］.北京:高等教育出版社，2002:247-248

［20］張猛，張健.林地土壤微生物、酶活性研究進(jìn)展［J］.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，21(4):347-351