何玉玲，王瑞君，李林霞，辜 彬

(四川大學 生命科學學院，四川 成都 610064)

礦山邊坡多為巖質邊坡，在礦山開采過程中對土壤造成了嚴重的污染與破壞，主要表現在重金屬毒害和完全喪失表層土壤兩個方面，從而直接導致植物無法在這些礦山邊坡上生長[1]。在這樣的邊坡上進行植被恢復，一般采取小容重有機材料配合人工土壤的方法進行土壤重建，在此基礎上再進行植被重建[2]。目前國內外對巖石邊坡植被恢復人工土壤的研究取得了不少成果，但大部分都集中在添加物的種類和配比，以及噴射工藝對其性能的影響方面[3-5]，而對巖石邊坡人工土壤重建后的跟蹤研究相對較少，對人工土壤的肥力狀況研究就更少。

土壤肥力作為土壤質量的一部分，在過去的幾十年一直受到許多專家學者的關注。雖然土壤質量評價體系沒有形成一個合適的標準，但是肥力因子指標相對比較確定，有機質(碳、微生物量、碳氮比)、速效氮、有效磷、速效鉀、全氮、全鉀和全磷是最常用的指標[6]。在以往的土壤肥力研究中，土壤酶活性是否能作為土壤肥力指標的爭論一直存在。周禮愷等[7]認為，土壤酶與主要肥力因子有顯著相關關系，可作為土壤肥力指標之一；而周瑞蓮等[8]的研究卻表明，土壤酶活性與土壤的營養(yǎng)水平間并不存在顯著相關關系，不能作為土壤肥力指標；隋躍宇等[9]認為農田土壤肥力評價體系中應包括土壤營養(yǎng)(化學)指標、土壤物理性狀指標和生物學指標，將土壤酶活性作為生物學指標之一；邱莉萍等[10]認為土壤脲酶和堿性磷酸酶活性也可以作為土壤肥力的指標。不管是自然土壤還是人工土壤，土壤酶能夠促進土壤中物質轉化與能量交換是不爭的事實。然而關于礦山邊坡上人工土壤酶活性和肥力指標之間的關系研究還未見報道。

本研究通過系統(tǒng)研究巖質邊坡恢復后人工土壤的肥力狀況，探索人工土壤營養(yǎng)元素和酶活性的關系，以期為評價人工土壤肥力和設計人工土壤配比、植物配置提供依據，這對恢復后期的植被維護有重要的指導意義。

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

舟山市屬北亞熱帶南緣季風海洋性氣候，季風顯著，冬暖夏涼，溫和濕潤，年平均氣溫17.1～17.5 ℃，年平均日照時數1 941～2 257 h，年平均降水量927～1 620 mm。舟山市陸域地貌結構單一，多為浙東侵蝕丘陵與低山，丘陵以200 m以下的低丘為主，基巖為凝灰?guī)r、花崗巖，巖性堅硬，少裂隙。

慶豐采石場位于舟山市區(qū)東南部火龍崗山之西麓，屬海島丘陵地貌。采石場關閉于2001年，形成的人工邊坡坡度為40°～70°，局部直立或倒坡[11]。2006年開始邊坡的綜合治理和植被恢復，前期進行地質災害治理，后期應用邊坡生態(tài)工程方案進行修復。經過幾年的生態(tài)恢復，現在坡面植物生長繁茂，初步形成了喬、灌、草的植被生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 樣品采集

在整個邊坡上按坡上、坡中、坡下3個坡位進行取樣布點，每個坡位取3個樣方。邊坡恢復初期為了滿足植物生長需要，整個坡面上削有許多平臺，在坡上、坡中、坡下的平臺上各設1個樣方。為了能夠了解人工土壤的肥力與自然土壤的差異，在周圍自然邊坡的坡上、坡中、坡下設3個樣方作為對照。

在每個樣方內選取樣點，用環(huán)刀在每個樣點分層取土(由于礦山邊坡土層較薄，故只分0—10 cm 和大于10 cm 兩層取土)，然后將每個樣點所取的表層土樣裝袋。土樣經風干粉碎后混合均勻，用四分法使每個樣地內取土量在1 kg左右，用于測定土壤理化性質和酶活性。

1.3 樣品分析及數據處理

有機質采用重鉻酸鉀氧化-稀釋熱法測定，全氮采用半微量開氏法測定，速效氮采用氯化鉀浸提-蒸餾法測定，全磷采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測定，有效磷采用雙酸浸提-鉬銻抗比色法測定，全鉀采用氫氧化鈉堿熔-火焰光度法測定，速效鉀采用中性乙酸銨溶液浸提-火焰光度法測定，脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定，蔗糖酶用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定，蛋白酶采用茚三酮比色法測定。

數據處理采用Excel和SPSS13.0數據處理軟件進行。

2 結果與分析

本研究中所測人工土壤肥力指標按隋躍宇等[9]的《論農田黑土肥力評價體系》進行分類，并對土壤營養(yǎng)(化學)指標和生物學指標的關系進行研究。

2.1 簡單相關性分析

對人工土壤營養(yǎng)指標和土壤酶活性進行簡單相關性分析，結果見表1。

表1 人工土壤肥力因子之間的相關系數

從表1中可以看出，不管是各個營養(yǎng)指標之間、生物學指標之間還是營養(yǎng)指標和生物學指標之間都有一定的相關關系。在以往關于土壤肥力的研究中，無論是關于農業(yè)土壤還是森林土壤的研究[12-13]，都表明土壤肥力生物學指標和營養(yǎng)指標之間有良好的相關性。表1中人工土壤生物學指標和營養(yǎng)指標之間的相關關系如下：脲酶活性與全氮、全磷及速效鉀含量呈顯著正相關，與速效氮含量呈顯著負相關。脲酶能促進尿素的水解，所產生的氨是高等植物的直接氮源，因此脲酶的活性同人工土壤中氮、鉀的轉化有關。蔗糖酶對增加土壤中易溶物質有重要作用，本研究結果表明蔗糖酶活性與全氮、速效鉀及有機質含量呈極顯著或顯著正相關，說明蔗糖酶活性與土壤中氮、鉀含量有著密不可分的關系。此外，蛋白酶活性與全磷含量呈正相關；酸性磷酸酶活性與全磷、有效磷及全鉀含量呈極顯著或顯著負相關，與速效氮含量呈顯著正相關。

2.2 多元回歸分析

兩個變量間的簡單相關系數，往往不能準確地說明這兩個變量之間的真正關系，因為在多個變量的系統(tǒng)中，任意兩個變量的線性關系都可能會受到其他變量的影響[14]。因此，要想真實探求兩個變量之間的線性相關關系，就必須對其做多元回歸分析。

以Y1—Y4分別表示脲酶、蔗糖酶、蛋白酶和酸性磷酸酶的活性，以X1—X7分別表示有機質、全氮、速效氮、全磷、有效磷、全鉀和速效鉀含量，建立回歸方程并對其進行標準化，建立回歸模型(結果見表2)，以解釋各自變量在因變量中的相對貢獻率(所求變量貢獻率=所求變量的系數的絕對值/所有變量系數絕對值的總和)。

表2 人工土壤生物學指標與營養(yǎng)指標之間的回歸分析

從表2中可以看出，脲酶活性與營養(yǎng)指標之間建立的方程顯著性強，全氮、有效磷和全鉀含量與脲酶活性之間為正向變化，其余幾個營養(yǎng)指標含量與脲酶活性之間均為負向變化。在影響脲酶活性正向變化的變量中，全氮的貢獻率最大，經計算為25.13%，有效磷次之，為24.06%。蔗糖酶活性與營養(yǎng)指標之間的回歸方程顯著性極強，有機質和全磷含量與蔗糖酶活性之間為負向變化。在影響蔗糖酶活性正向變化的變量中，全氮含量的貢獻率最大，為15.57%，有效磷和全鉀的貢獻率次之，分別為2.38%和2.13%，速效鉀貢獻率最小，為0.21%。蛋白酶活性受到全氮、速效氮、全磷和速效鉀含量的正向影響，其中全氮含量的貢獻率最大，為27.69%，速效氮含量和全磷含量的貢獻率次之，分別為15.26%和14.77%，速效鉀含量貢獻率最小，為8.41%。酸性磷酸酶活性受到有機質和全鉀含量的正向影響，貢獻率分別為16.16%和11.71%。上述結果表明，選取的營養(yǎng)指標中全氮、全鉀、有效磷和速效鉀含量對所測生物學指標的正向影響較大。

從表1和表2的簡單相關分析和多元回歸分析中可以看出，人工土壤肥力因子之間存在著一定的相關性，兩種分析方法得到了一致的結果：土壤營養(yǎng)元素中氮、磷、鉀的含量對人工土壤酶活性有著不同程度的影響。其中速效氮含量與脲酶和酸性磷酸酶活性有著密切的關系，速效氮含量的提高能促進酸性磷酸酶的活性，說明酸性磷酸酶對氮素轉化有重要作用，這個結果和王笛等[15]的研究結果一致。蔗糖酶活性與全氮和速效鉀含量呈極顯著正相關，說明人工土壤中多糖物質的轉化和土壤中氮、鉀含量有密切關系，結果與安韶山等[16]的研究結果一致。蔗糖酶和酸性磷酸酶與有機質含量呈顯著相關，說明人工土壤中有機質不僅是土壤養(yǎng)分的重要來源和儲藏場所，也是土壤酶的來源和儲藏場所。蛋白酶活性受到全氮和速效氮含量的影響最大，蛋白酶可促進蛋白質水解，其水解產物氨基酸是高等植物的氮源之一，蛋白質的分解是土壤氮素循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，蛋白酶與氮含量的相關性正好驗證了這一點[17]。酸性磷酸酶與蛋白酶呈極顯著相關，說明人工土壤中磷化合物的轉化和多糖轉化、蛋白質轉化的關系非常密切，與陳少杰等[18]的研究結果一致。

上述結果表明人工土壤營養(yǎng)指標與酶活性的關系同農田、人工林和自然林地的土壤均有相似的規(guī)律。當然也存在一些差異，劉成剛等[19]的研究指出，人工純林土壤中有效磷與5種酶類的相關性均較差，但與酸性磷酸酶相關性較強，這可能和人工土壤的配比有關。人工土壤中除了含有當地自然土壤外，還有特制綠化劑(保水劑和高分子凝結劑)、綠化專用肥和植物纖維等，在綠化專用肥中為了保證木本植物能快速生長，配料比中含磷量遠大于氮和鉀，而綠化專用肥中的磷要被植物吸收必須經過酸性磷酸酶轉化為有效磷，因此可能會使有效磷含量與酶活性的相關性與其他研究不一致。

2.3 典型相關分析

從多元回歸分析可以看出土壤營養(yǎng)指標和土壤酶之間關系復雜，為了更加簡單和直觀地找出土壤營養(yǎng)指標和土壤酶之間的相關關系，可對數據進行典型相關分析，尋找一個或幾個綜合變量對來替代原變量，即可將土壤營養(yǎng)指標和土壤酶活性的關系集中到少數幾對綜合變量的關系上。

典型相關分析是一種研究兩組變量之間相關關系的多元分析方法，用來找出土壤營養(yǎng)元素的p個線性組合函數和土壤酶的q個線性組合函數之間的相關關系[16]，表達式為

U=a1X1+a2X2+…+apXp

(1)

V=b1Y1+b2Y2+…+bqYq

(2)

式中：a1,a2,…,ap和b1,b2,…,bq是待定系數，使得U和V之間具有最大的相關系數，這個相關系數就是“典型相關系數”，用來度量兩個線性函數之間的聯系強度。

按照典型相關分析的方法，選取2個變量U(土壤營養(yǎng)指標典型變量)和V(土壤生物學指標典型變量)來描述變量X和Y之間的關系。經過SPSS軟件計算，得到了第1、2、3、4土壤肥力典型變量和第1、2、3、4土壤酶活性典型變量的系數，即它們的第1、2、3、4特征向量，見表3。由表3可得“綜合土壤營養(yǎng)元素”和“綜合土壤酶”4對典型變量，由表4的結果可以看出第1、2對典型變量在P=0.05水平上顯著相關，因此可以寫出兩對典型變量(X和Y代表的意義與多元回歸分析一致)。

表3 土壤營養(yǎng)指標與土壤生物學指標的典型變量

第1對典型變量為

U1=0.438X1-1.119X2+0.11X3+0.098X4-

0.155X5-0.258X6+0.068X7

V1=0.126Y1-1.179Y2+0.193Y3+0.046Y4

第2對典型變量為

U2= -1.136X1+0.856X2+0.743X3+0.976X4+

0.249X5-0.611X6+0.573X7

V2=0.466Y1-0.973Y2+0.773Y3-0.677Y4

表4 典型變量的顯著性檢驗

由表3可知，第1對典型變量的相關系數為0.999，表4的卡方檢驗結果表明第1對典型變量顯著相關(P=0.000<0.05)。也就是說土壤營養(yǎng)元素第1典型變量U1對土壤酶第1典型變量V1關系密切，而第1土壤營養(yǎng)元素綜合因子中起主要作用的是X2因素，即全氮含量；第1土壤酶活性綜合因子中起主要作用的是Y2因素，即蔗糖酶活性。由此可以得出結論：在所分析的幾種酶中，土壤蔗糖酶與土壤全氮含量關系最密切，即它們之間的線性關系最強。

同樣，第2對典型變量的相關系數為0.993，卡方檢驗的結果也表明了第2對典型變量顯著相關(P=0.005<0.05)。第2土壤營養(yǎng)元素綜合因子中起主要作用的是X1、X3和X4因素，即有機質、速效氮和全磷含量；第2對土壤酶活性綜合因子中起主要作用的是Y3和Y4因素，即蛋白酶和酸性磷酸酶活性。由此可得出結論：蛋白酶和酸性磷酸酶活性與土壤有機質、速效氮和全磷含量關系密切。

從典型相關分析結果來看，土壤脲酶活性在第1對和第2對典型變量中與土壤營養(yǎng)元素的相關性均不顯著。相關性分析結果中，脲酶活性與全氮、速效氮、全磷和速效鉀含量相關性顯著，但均未達到極顯著的程度。而多元回歸分析的結果表明，脲酶活性與營養(yǎng)元素的回歸方程的復相關系數(0.958)相對其他復相關系數(0.998、0.976、0.976)較小，說明在所分析的人工土壤營養(yǎng)元素中，營養(yǎng)元素的含量對脲酶活性的影響弱于對其他幾種酶活性的影響。結合3種分析的結果可以得出，人工土壤中營養(yǎng)元素含量對脲酶活性影響最小。此結果與安韶山等[16]對寧南寬谷丘陵地區(qū)土壤酶活性與肥力因子的關系研究一致，而與李躍林等[17]對桉樹人工林土壤酶活性和營養(yǎng)元素的關系研究不一致。這可能和本研究地種植了大量的豆科植物有關。研究地邊坡上種植了豆科的紫花苜蓿、決明、胡枝子、馬棘、刺槐和紫穗槐等植物，這些植物大部分根部都含有根瘤菌，植物體可以利用這些菌類來吸收大氣中游離的氮素，通過固氮作用，將這些游離的氮素轉化為自身所需的營養(yǎng)物質，從而可能造成土壤中營養(yǎng)元素的含量對脲酶活性的影響較小。當然，其原因還需要進一步研究才能確定。

3 結 語

本研究對礦山裸巖邊坡生態(tài)恢復后人工土壤的肥力現狀進行了分析，從結果中可以看出，雖然人工土壤中的營養(yǎng)元素含量對脲酶活性影響最小，但人工土壤酶活性與土壤營養(yǎng)元素含量存在一定的相關關系，營養(yǎng)指標中全氮、全鉀、有效磷和速效鉀含量對所測生物學指標的影響較大，表明人工土壤營養(yǎng)指標和生物學指標之間存在著密切的關系，該結果與以往很多關于土壤肥力的研究[20-21]相似。

土壤酶主要來源于土壤微生物，是土壤的重要組分之一，既是土壤中的生物催化劑，又是土壤新陳代謝的重要因素。在現階段，人工土壤中的微生物主要是通過人工土壤配比中的自然土壤引入的。所以，在以后進行客土配比時，可以考慮使用微生物菌劑調節(jié)生物酶的活性來改善人工土壤的肥力狀況。在邊坡的后期人工維護中施用營養(yǎng)元素時，應當考慮營養(yǎng)指標對生物酶活性的影響，適當增加和減少使用量，一方面可增加肥料的利用率，節(jié)約資源，另一方面又能使投入的資源得到最大的收益。

[參考文獻]

[1] Wang Zhong-qiang,Wu Liang-huan,Liu Ting-ting.Revegetation of steep rocky slopes:Planting climbing vegetation species in artificially drilled holes[J].Ecological Engineering,2009,35(7):1079-1084.

[2] 錢華,柏明娥,劉本同,等.巖質邊坡綠化過程中人工土壤的重建[J].中國水土保持科學,2006,4(z1):83-86.

[3] 張俊云,周德培,李紹才.巖石邊坡生態(tài)護坡研究簡介[J].水土保持通報,2000,20(4):36-38.

[4] 李紹才,孫海龍.秸稈纖維、聚丙烯酰胺及高吸水樹脂在巖石邊坡植被護坡中的效應[J].巖石力學與工程學報,2006,16(2):257-267.

[5] Gao Gui-juan,Yuan Jian-gang,Han Rui-hong,et al.Characteristics of the optimum combination of synthetic soils by plant and soil properties used for rock slope restoration[J].Ecological Engineering,2007,30(4):303-311.

[6] 劉世梁,傅伯杰,劉國華,等.我國土壤質量及其評價研究的進展[J].土壤通報,2006,37(1):137-143.

[7] 周禮愷,張志明,曹承綿.土壤酶活性的總體在評價土壤肥力水平中的作用[J].土壤學報,1983,20(4):413-417.

[8] 周瑞蓮,張善金,徐長林,等.高寒山區(qū)火燒土壤對其養(yǎng)分含量和酶活性的影響及灰色關聯分析[J].土壤學報,1997,34(1):89-96.

[9] 隋躍宇,張興義,谷思玉,等.論農田黑土肥力評價體系[J].農業(yè)系統(tǒng)科學與綜合研究,2004,20(4):265-270.

[10] 邱莉萍,劉軍,王益權,等.土壤酶活性與土壤肥力的關系研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2004,10(3):277-280.

[11] 浙江省工程勘察院.舟山市慶豐采石場地質災害防治工程勘察報告[R].2002.

[12] 劉建新.不同農田土壤酶活性與土壤養(yǎng)分相關關系研究[J].土壤通報,2004,35(4):523-525.

[13] 陳彩虹,葉道碧.4種人工林土壤酶活性與養(yǎng)分的相關性研究[J].中南林業(yè)科技大學學報,2010,30(6):64-68.

[14] 周仁郁.SPSS13.0統(tǒng)計軟件[M].成都:西南交通大學出版社,2005.

[15] 王笛,馬風云,姚秀粉,等.黃河三角洲退化濕地土壤養(yǎng)分、微生物與土壤酶特性及其關系研究[J].中國水土保持科學,2012,10(5):94-98.

[16] 安韶山,黃懿梅,李壁成,等.用典范相關分析研究寧南寬谷丘陵區(qū)不同土地利用方式土壤酶活性與肥力因子的關系[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2005,11(5):704-709.

[17] 李躍林,彭少麟.桉樹人工林地土壤酶活性與營養(yǎng)元素含量關系研究[J].福建林業(yè)科學,2002,29(3):6-9.

[18] 陳少杰.鄧恩桉林地土壤酶活性與土壤養(yǎng)分關系研究[J].安徽農學通報,2009,15(5):171-172.

[19] 劉成剛,薛建輝.喀斯特地區(qū)4種人工純林土壤酶活性與養(yǎng)分的關系[C]//第七屆長三角科技論壇——環(huán)境保護與生態(tài)文明分論壇論文集.2011.

[20] Yang Kai,Zhu Jiao-jun,Yan Qiao-ling,et al.Soil enzyme activities as potential indicatorsof soluble organic nitrogen pools in forest ecosystems of Northeast China[J].Annals of Forest Science,2012,69(7):795-803.

[21] Kang H,Kang S,Lee D.Variations of soil enzyme activities in a temperate forest soil[J].Ecological Research,2009,24(5):1137-1143.