趙海燕，徐福利,,*，王渭玲，王偉東，陳欽程，趙亞芳，馬亞娟

1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100 2 中國(guó)科學(xué)院，水利部水土保持研究所，楊凌 712100 3 西北農(nóng)林科技大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，楊凌 712100

秦嶺地區(qū)華北落葉松人工林地土壤養(yǎng)分和酶活性變化

趙海燕1，徐福利1,2,*，王渭玲3，王偉東3，陳欽程1，趙亞芳2，馬亞娟3

1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100 2 中國(guó)科學(xué)院，水利部水土保持研究所，楊凌 712100 3 西北農(nóng)林科技大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，楊凌 712100

以秦嶺地區(qū)不同林齡(5年生、10年生、20年生、30年生和40年生)華北落葉松人工林為研究對(duì)象，采用野外調(diào)查采樣和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，研究了不同林齡華北落葉松人工林地土壤剖面pH值、有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分和酶活性的變化。結(jié)果表明：土壤pH值隨著林齡有降低趨勢(shì)，隨著土層深度的增加有升高趨勢(shì)。土壤有機(jī)質(zhì)和土壤速效氮、速效磷和速效鉀在近熟齡期顯著高于幼齡期。土壤中的磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性隨著林齡都呈“高—低—高”的趨勢(shì)，幼齡期的土壤蔗糖酶活性顯著高于近熟齡的，而磷酸酶、脲酶和過(guò)氧化氫酶活性是近熟齡期的顯著高于中幼齡。土壤速效養(yǎng)分和酶活性都隨著土層深度的增加有顯著的降低。相關(guān)分析表明磷酸酶活性與有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀和脲酶活性呈極顯著的正相關(guān)性(P<0.01)，脲酶與有機(jī)質(zhì)、速效氮和速效鉀呈極顯著正相關(guān)。蔗糖酶與過(guò)氧化氫酶活性顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與pH值有一定的正相關(guān)性。秦嶺地區(qū)華北落葉松人工林進(jìn)入近熟林之后土壤肥力有一定的恢復(fù)，而在中幼齡階段土壤養(yǎng)分比較缺乏，尤其是氮磷。

秦嶺地區(qū)；華北落葉松；速效養(yǎng)分；酶活性

華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)為速生針葉樹種之一，是華北亞高山地區(qū)的主要造林樹種[1]。陜西引種華北落葉松已有50多年的歷史，到2008年華北落葉松人工林面積已達(dá)8700hm2，秦嶺區(qū)就有7900hm2，占陜西華北落葉松人工林總面積的90%[2]。在20世紀(jì)90年代很多學(xué)者通過(guò)研究相似立地條件下落葉松一代與二代、與對(duì)照林相比較的土壤養(yǎng)分指標(biāo)，結(jié)果表明落葉松人工林地地力的退化比較嚴(yán)重[3- 4]。劉勇和張漢春等認(rèn)為隨著華北落葉松的生長(zhǎng)，林地土壤肥力呈下降趨勢(shì)[5]。但是隨著林齡(從幼齡期到成熟期)的增加，秦嶺地區(qū)華北落葉松人工純林的一些土壤狀況是否也一直呈退化的趨勢(shì)，這方面的研究報(bào)道較少。

土壤養(yǎng)分是土壤提供的植物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)元素，包括氮(N)、磷(P)、鉀(K)和其他一些中量元素和微量元素。主要來(lái)自土壤的礦物質(zhì)和土壤有機(jī)質(zhì)，根據(jù)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素吸收利用的難易程度，分為速效養(yǎng)分和緩效養(yǎng)分，一般來(lái)說(shuō)，速效養(yǎng)分僅占很少部分，不足全量的1%[6]。土壤酶是土壤中的活性蛋白質(zhì)，主要來(lái)源于植物根系和微生物的活動(dòng)，參與土壤中復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程，與微生物一起催化有機(jī)物的轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分礦質(zhì)化及同質(zhì)化，也是土壤生物活性較為穩(wěn)定和靈敏的一個(gè)指標(biāo)，在一定程度上反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)情況。通常肥力較高的土壤的生化活性較強(qiáng)，某些過(guò)程的強(qiáng)度與參與這一過(guò)程的酶活性相關(guān)，所以可以利用酶活性來(lái)評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量[7- 9]。

為了探索秦嶺地區(qū)華北落葉松人工林地土壤肥力隨林齡的變化趨勢(shì)，揭示華北落葉松林地土壤肥力變化的內(nèi)在機(jī)制，在該地選取了5個(gè)不同年齡的華北落葉松人工林地為研究對(duì)象，采集土壤剖面樣品，分析土壤中有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀和磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性等變化，以期進(jìn)一步探討華北落葉松林木-土壤的相互作用過(guò)程，為華北落葉松人工林的合理經(jīng)營(yíng)與營(yíng)養(yǎng)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在陜西省太白林業(yè)局的南灘苗圃和寧陜縣西北農(nóng)林科技大學(xué)火地塘試驗(yàn)林場(chǎng)，試驗(yàn)地自然條件具有代表性，試驗(yàn)地的土壤條件基本一致。

火地塘試驗(yàn)林場(chǎng)，地處秦嶺南坡中段，東經(jīng)108°27 ′、北緯33°26 ′,年降雨量1000 mm，最高溫度28.6 ℃，最低溫度-9.5 ℃，年均氣溫12.7 ℃，無(wú)霜期182 d，冬季多雪寒冷，夏季多雨涼爽。土壤類型主要為山地棕壤土，暗棕壤和山地草甸土。主要地被物有莎草科(Cyperusmicroiria)、禾本科(Gramineae)、菊科(Asteraceae)、苔蘚(Bryophyta)、蕨類(Pteridophyta)等，30 a和40 a的華北落葉松人工林地的樣地設(shè)在該研究區(qū)。

南灘苗圃位于太白縣城東南4 km的秦嶺西主峰鰲山腳下，東經(jīng)107°32 ′、北緯34°07′,年降雨量600—1000mm，年均氣溫7.7 ℃，無(wú)霜期158 d。屬秦嶺谷地小氣候地帶，草本植物有披針苔草(Arthraxonhispisdus)、大油芒(Sponiopogonsibiricus)、黃精屬(Polygonatum)、菊科(Compositae)等多種植物。適宜秦嶺南北坡的各類植物的培育和栽植。5、10 a和20 a的樣地設(shè)在該地。表1為樣地的基本狀況。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic status of sampling plots

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與制備

本試驗(yàn)選取立地條件基本一致的5、10、20、30、40 a的華北落葉松人工林地為研究對(duì)象，每個(gè)樣地設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地3塊，用土鉆法在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地沿“S”型采集5個(gè)點(diǎn)的土壤，然后用四分法取土裝袋，每個(gè)點(diǎn)采0—20 cm、20—40 cm和40—60 cm的新鮮土樣，取土前先除去土壤表面的植被層，鏟除表面1 cm左右的表土。將樣品分帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干過(guò)篩裝袋，用于土壤指標(biāo)的測(cè)定。

1.2.2 測(cè)定方法

土壤養(yǎng)分測(cè)定方法：pH值：DELTA- 320 pH計(jì)，有機(jī)質(zhì)：重鉻酸鉀容量法，速效氮：1 mol/L KCl浸提，AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀，速效磷：0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法，速效鉀：1 mol/L醋酸銨浸提一火焰光度計(jì)法[10]。

土壤酶活性測(cè)定方法：過(guò)氧化氫酶：容量法，活性以1 g土消耗0.1 mol/L KMnO4的毫升數(shù)表示(mL/g)；脲酶：比色法，其活性用24 h后1 g土壤銨態(tài)氮毫克數(shù)表示(ml/g)；蔗糖酶：比色法，其活性用24 h后1 g土壤葡萄糖毫克數(shù)表示(mg/g)；磷酸酶：比色法，2 h后100 g土壤五氧化二磷毫克數(shù)表示(mg/100g)[11]。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 2003和SPSS 17.0對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡落葉松林地土壤因子的變化

土壤酸堿性是土壤的一個(gè)重要屬性，也是影響土壤養(yǎng)分有效性的一個(gè)重要因素[12]。從圖1可以看出，在0—20 cm土層中，林地pH值在10 a達(dá)到最高，pH為6.75，10 a之后，pH值隨著林齡的增加有顯著降低的趨勢(shì)，40 a較10 a降低了14.78%。20—40 cm土壤的pH值表現(xiàn)為5 a>10 a>30 a>20 a>40 a年，其中20 a和30 a之間差異不顯著，其余每?jī)蓚€(gè)林齡間的pH值差異都達(dá)到顯著水平。在40—60 cm土壤中，5 a和10 a林地的pH值較高，40 a的最低，與5 a、10 a、20 a、30 a都有顯著差異。10 a和20 a林地的pH值在0—20 cm土壤中最大，20—40 cm最小，而5 a、30 a、40 a林地的pH值都隨著深度的增加而降低。

土壤有機(jī)質(zhì)既是土壤的重要組成部分，又是土壤養(yǎng)分的貯存庫(kù)和土壤微生物活動(dòng)的能量來(lái)源，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定性具有重要作用[13]。如圖1所示，0—20cm土壤的有機(jī)質(zhì)隨林齡的增加而增加，變化區(qū)間在18.20—39.67 g/kg，5 a和10 a之間差異不大，其他每?jī)蓚€(gè)林齡間土壤有機(jī)質(zhì)含量的差異都達(dá)到了顯著水平。30 a林地的比5 a、10 a和20 a的分別高出117.7%、117.7%和69.4%。20—40 cm和40—60 cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)隨林齡表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，呈“V”型變化，變化范圍分別為5.41—22.98 g/kg和4.17—18.88 g/kg。各個(gè)林齡土壤的有機(jī)質(zhì)垂直分布都是0—20 cm>20—40 cm>40—60 cm，而且變化趨勢(shì)明顯。

圖1 不同林齡林地土壤的pH和有機(jī)質(zhì)的變化Fig.1 Soil pH and organic carbon stands varing with the age of stand中層大寫字母表示同一層次條件下不同林齡間的差異，小寫字母表示同一林齡下不同層次間的差異，差異顯著水平為0.05

土壤速效氮主要包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，還有少量的亞硝態(tài)氮和水溶有機(jī)氮，是土壤中最容易被植物吸收利用的氮素，它直接影響著植物的生長(zhǎng)和氮素的累積。從圖2可以看出，0—20 cm土壤的速效氮含量變化區(qū)間為27.82—147.82 mg/kg，10a林地的速效氮含量最低，之后隨著林齡呈顯著上升的趨勢(shì)，40、30 a和20 a林地分別比10 a林地高5.1、3.35和2.1倍。20—40 cm和下層土壤的速效氮含量為40 a>30 a>5 a>10 a>20 a，隨著林齡先降低后升高，0—20 cm的變化范圍大約在10.71—58.45 mg/kg，40—60cm在8.15—23.45 mg/kg。

土壤中磷大部分以有機(jī)磷的形式存在，容易被土壤膠體表面的鐵離子和鋁離子固定，移動(dòng)速率很小。土壤速效磷是指能被植物當(dāng)季吸收利用的磷量，大多是水溶性的無(wú)機(jī)態(tài)，所以土壤中的磷素從固相轉(zhuǎn)化成液相的速率也比較低。如圖2所示，該地區(qū)華北落葉松林地的土壤速效磷水平整體較低，最大值為3.38 mg/kg。華北落葉松林地0—20 cm的速效磷含量區(qū)間為1.91—3.38 mg/kg，10 a為最低，之后隨時(shí)間有上升的趨勢(shì)；而速效磷在20—40 cm表現(xiàn)為20 a>30 a>40 a>5 a>10 a，隨著林齡先增加后下降；40—60 cm土壤的速效磷變化區(qū)間大約為1.25—1.94 mg/kg，在20 a時(shí)最大。不同林齡土壤速效磷含量在垂直分布上都表現(xiàn)為0—20 cm>20—40 cm>40—60 cm。

土壤中的速效鉀包括水溶性鉀和交換性鉀，從圖2可以看出，林地0—20 cm的速效鉀含量比較高，變化范圍在104.33—264.67 mg/kg，近熟齡林地(30 a和40 a)顯著高于中幼齡林地(5、10 a和20 a)，20 a林地的速效鉀含量最低，只達(dá)到30 a的39%。20—40 cm和40—60 cm土壤的速效鉀含量變化幅度不大，維持在86.67—121.33 mg/kg。各個(gè)林齡期的落葉松0—20 cm土壤的速效鉀含量都顯著高于20—40 cm和40—60 cm土壤，而下面兩層之間沒(méi)有顯著差異。

2.2 土壤中酶活性的變化

土壤中的磷酸酶參與有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化過(guò)程，加速有機(jī)磷的釋放，增加磷的有效性，累積的磷酸酶活性對(duì)磷的有效性具有重要的作用。從圖3可以看到，在0—20 cm土層，磷酸酶活性在中幼齡期變化幅度不大，保持在28.06—31.98 mg/100g，到近熟林期，該酶活性大幅度增加，最高在30 a時(shí)達(dá)到53.93 mg/100g。20—40 cm和40—60 cm土層的磷酸酶活性表現(xiàn)為40 a>30 a>10 a>5 a>20 a，變化區(qū)間分別為13.70—25.57 mg/100g和17.02—8.71 mg/kg，變化幅度沒(méi)有0—20 cm的大。在各個(gè)林齡期，磷酸酶的活性都隨著土層深度的增加而顯著的降低。

脲酶是一種酰胺酶，可以酶促有機(jī)物分子中酞鍵的水解，水解的最終產(chǎn)物是氨和碳酸，可以用來(lái)表征土壤中有機(jī)態(tài)氮的轉(zhuǎn)化狀態(tài)。從圖3中可以看出，脲酶活性在0—20 cm的變化浮動(dòng)較大，變化區(qū)間在0.32—0.65 mg/g，每?jī)蓚€(gè)林齡間都有顯著的差異，30 a和40 a的更是高于其他林齡的。20—40 cm和40—60 cm土壤的脲酶活性都隨著林齡的增加而降低，變化范圍分別為0.11—0.16 mg/g和0.030—0.071 mg/g，而且都顯著低于上層土壤。

圖2 不同林齡林地土壤的速效氮、磷、鉀的變化Fig.2 Soil available N P and K stands varing with the age of stand

土壤中的蔗糖酶可加速蔗糖的分解，可以有效地增加土壤中易溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，受到底物的誘導(dǎo)作用[14]。一般情況下土壤肥力越高，蔗糖酶活性也越高，它可以表征土壤生物活性強(qiáng)度，也可以評(píng)價(jià)土壤熟化程度和土壤肥力水平。如圖3所示，落葉松林地的蔗糖酶活性與其他酶存在很大的差異，0—20 cm土層中，5 a林地的蔗糖酶活性最大，達(dá)到68.42 mg/g，之后劇減，在20 a時(shí)僅為5 a的8.9%，到30 a和40 a又有所回升。20—40 cm和40—60 cm土壤蔗糖酶活性隨林齡的變化趨勢(shì)與0—20 cm是一樣的，只是顯著地低于0—20 cm土壤的，20—40 cm的變化范圍為4.77—24.39 mg/g，40—60 cm為3.02—14.12 mg/g。

過(guò)氧化氫酶在土壤中和生物體內(nèi)廣泛存在，它能促進(jìn)過(guò)氧化氫的分解，防止過(guò)氧化氫的毒害作用，可以表征土壤腐殖質(zhì)化強(qiáng)度和有機(jī)質(zhì)積累情況，與有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，所以人們很早就建議用過(guò)氧化氫酶活性來(lái)作為土壤肥力的指標(biāo)[11]。在0—20 cm土壤中，過(guò)氧化氫酶活性在5 a和10 a時(shí)較低，分別為0.47、0.29 mL，20 a林地的最高，達(dá)到0.92 mL/g，之后微降。20—40 cm的過(guò)氧化氫酶活性表現(xiàn)為30 a>20 a>40 a>5 a>10 a，變化區(qū)間在0.27—0.73 mL/g，40—60 cm土壤該酶活性表現(xiàn)為40 a>30 a>20 a>5 a>10 a，變化區(qū)間為0.27—0.69 mL/g。隨土層的深度的增加，5 a林地的過(guò)氧化氫酶活性微降，其他年份都顯著地降低了。

圖3 不同林齡林地土壤酶活性變化Fig.3 Soil enzyme activities stands varing with the age of stand

2.3 土壤因子與酶活性的相關(guān)性分析

從表2可以看出，pH值與土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、過(guò)氧化氫酶活性都存在顯著的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.540、-0.597、-0.568、-0.656。有機(jī)質(zhì)與速效氮和速效鉀呈極顯著的正相關(guān)性，與速效磷顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.924，0882，0.552。速效氮與速效鉀和速效磷極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.673、0.709。

表2 土壤各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients among the soil properties

*顯著相關(guān)(P<0.05)； **極顯著相關(guān)(P<0.01)

磷酸酶活性與有機(jī)質(zhì)、3種速效養(yǎng)分和脲酶活性呈極顯著的正相關(guān)性，脲酶與有機(jī)質(zhì)和速效氮和速效鉀呈極顯著正相關(guān)。蔗糖酶與過(guò)氧化氫酶活性顯著負(fù)相關(guān)，與pH值有一定的正相關(guān)性。

3 討論

秦嶺地區(qū)華北落葉松林地的pH值呈微酸性，并且酸度隨著華北落葉松林齡的增大有所增加。這與陳琦[15]等的研究結(jié)果一致。其原因與根系分泌物和根系對(duì)土壤陰陽(yáng)離子吸收不平衡而產(chǎn)生的酸堿差異等有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，針葉樹喜銨態(tài)氮、闊葉樹喜硝態(tài)氮[16]，隨著林齡的增加，樹種對(duì)根際土壤的這種作用明顯增強(qiáng)，結(jié)果造成根際土壤陽(yáng)離子吸收總量超過(guò)陰離子總量，為滿足植物體內(nèi)的電荷平衡，根系釋放出H+，是導(dǎo)致落葉松根際pH值降低的主要原因[9]。再者落葉松針葉凋落物中含有較多不易分解的樹脂、木質(zhì)素等，分解產(chǎn)生的富里酸水溶液呈強(qiáng)酸性，因此上層酸性更強(qiáng)，并且隨著林齡的增加，林地土壤酸性物質(zhì)的富集必然導(dǎo)致土壤pH值呈下降趨勢(shì)[12]。張彥東[17]等研究表明華北落葉松人工林中，林木主根主要分布在0—20 cm的土層內(nèi)，華北落葉松人工林中，60%—90%的細(xì)根和毛根分布在0—30 cm深的土層內(nèi)，因此在上層根系的這種效果更為明顯。

林地土壤有機(jī)質(zhì)隨著林齡的增加有升高的趨勢(shì)，這與以前的研究結(jié)果一致，苗娟等[18]對(duì)19、28 a和35 a的云南松林及吳明[19]等對(duì)第1代10、20 a和30 a杉木純林的研究均表明0—60 cm深的土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著林齡的增大而增加。中幼齡(5、10、20 a)落葉松的凋落物少，分解成有機(jī)質(zhì)的速率慢，導(dǎo)致林地的有機(jī)質(zhì)含量少，到了近熟齡，凋落物的積累逐漸增加，分解的量也提高，因此林地的有機(jī)質(zhì)也相應(yīng)的增多。華北落葉松在中幼齡期，生長(zhǎng)速率較快，需要較多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致更多的有機(jī)物轉(zhuǎn)換成落葉松可吸收利用的物質(zhì)。王洪巖[20]認(rèn)為，隨著林木的生長(zhǎng)，土壤表層的有機(jī)碳有累積的趨勢(shì)，在森林恢復(fù)過(guò)程中退化的土壤很有可能是一個(gè)巨大的碳匯。胡嵩和葉功富等也認(rèn)為林木進(jìn)入恢復(fù)期，森林的碳匯潛力明顯，該階段土壤有機(jī)碳的積累過(guò)程較強(qiáng)，水解酶活性也較高[21- 22]。

華北落葉松林地20—60 cm的土壤有機(jī)質(zhì)含量比較低，且隨著林齡先降低后增加，20 a時(shí)最低。因?yàn)樵谕寥乐兴苄曰钚杂袡C(jī)碳占活性有機(jī)碳比例較高，而隨著土層深度的增加，土壤的水溶性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例升高[23]，所以20—60 cm土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例高于0—20 cm土壤，華北落葉松生長(zhǎng)到20 a時(shí)，對(duì)表層土壤的養(yǎng)分消耗較多，需要根系從更深的土壤獲取養(yǎng)分，導(dǎo)致20 a林地的活性有機(jī)碳含量降低。而0—20 cm土壤中的有機(jī)碳可能主要以非活性為主。所以導(dǎo)致20—60 cm的有機(jī)質(zhì)在20 a林地達(dá)到最小。也可能與造林之前的土壤利用方式或植被有關(guān)[24]。

該研究區(qū)華北落葉松進(jìn)入中齡期到近熟期，林地的速效養(yǎng)分含量會(huì)有所回升，在生育初期，土壤速效養(yǎng)分含量都比較低，尤其是氮素和磷素。這也與有機(jī)物、微生物活性和落葉松根系的分布及活力有一定的關(guān)系。在幼齡時(shí)期，林地凋落物少，微生物量少，相應(yīng)地土壤中可礦化的有機(jī)氮和微生物的分解能力都處于低水平，加上植物處于幼齡期，由于生長(zhǎng)需要，吸收利用的速效氮也多，導(dǎo)致土壤中的速效養(yǎng)分含量低。進(jìn)入中齡期到近熟齡，林地累積的有機(jī)物質(zhì)增多，微生物活性也大幅度上升，使得有機(jī)氮的分解速度加快，土壤中的養(yǎng)分輸入增多。氮磷與有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化有顯著的依存關(guān)系[25- 26]。至于在中幼齡期植物需要滿足維持自身的生理活性和要完成的生長(zhǎng)量需要的速效氮多一些，還是近熟林只為滿足自身生命的需要量多還有待進(jìn)一步研究。目前林齡對(duì)林地土壤礦化還沒(méi)有定論，Bond-Lamberty[27]對(duì)黑云杉林做的研究發(fā)現(xiàn)氮的利用效率隨林齡的增大而增加，而Jussy[28]等發(fā)現(xiàn)道格拉斯冷杉林地土壤的礦化和硝化與林齡沒(méi)有相關(guān)性。研究[29]表明，落葉松根系能分泌一些以鏈狀脂肪酸為主的有機(jī)酸類，與磷酸根爭(zhēng)奪吸附位點(diǎn)的能力較強(qiáng)物質(zhì)，這些物質(zhì)的陰離子與磷酸根離子爭(zhēng)奪吸附位點(diǎn)，而導(dǎo)致減少土壤對(duì)磷的吸附，增加磷的活性。陳立新[12]認(rèn)為幼齡林和成熟林根際土壤中速效磷水平與交換性酸的升高存在顯著的線性相關(guān)，這主要是由于交換性氫或交換性鋁的提高造成的。研究區(qū)的土壤類型是黃棕壤，由于其母質(zhì)是為花崗巖、片麻巖、干枚巖和砂頁(yè)巖風(fēng)化物，粘土礦物為蛭石、綠泥石、水云母、高嶺石和蒙脫石，對(duì)鉀的固定能力較弱；再者土壤pH值呈微酸性，土壤膠體帶負(fù)電荷較少，陪伴離子以H+、Al3+為主，使膠體對(duì)鉀的結(jié)合能力較弱[6]。因?yàn)椴蓸訒r(shí)期在7月份，正是研究區(qū)的雨季，土壤水分較大，有利于鉀的釋放，并且上層土壤含水量高于中層和下層，所以導(dǎo)致上層土壤速效鉀含量較高。

華北落葉松林地的土壤的磷酸酶、脲酶和過(guò)氧化氫酶活性都在20 a或30 a之后有很大地升高，而蔗糖酶活性在20 a時(shí)相對(duì)5 a和10 a有大幅度的降低，30 a和40 a又有所回升，酶活性與酶的底物有關(guān)，除了蔗糖酶，其他3種酶在30 a和40 a的活性都要高于5、10 a和20 a的，說(shuō)明華北落葉松的生長(zhǎng)對(duì)磷酸酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶活性的提高有促進(jìn)作用。到近熟齡期，累積的枯枝落葉分解成有機(jī)物的量增多，增加了各種酶的底物，誘導(dǎo)酶的活性也增強(qiáng)。另一方面，與微生物數(shù)量和活性有關(guān)，當(dāng)微生物受到外界刺激時(shí)，會(huì)向周圍介質(zhì)分泌酶[30]，也與林木根系有關(guān)，根系是活躍的吸收器官和合成器官，同時(shí)也會(huì)分泌一些酶，也會(huì)分泌有機(jī)物作為酶的底物和抑制酶活性的物質(zhì)[31]，所以有待進(jìn)一步從林木根系分泌物的成分和性質(zhì)去解釋說(shuō)明酶活性與根系分泌物的關(guān)系。隨著土層深度的增加，土壤水分和通氣狀況越來(lái)越差，微生物數(shù)量和種類也降低，所以上層的酶活性要明顯高于中層和下層土壤的。楊濤等對(duì)樟子松做的研究也有同樣的現(xiàn)象[32]。

馬瑞萍[13]等在黃土高原對(duì)不同植物群落土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳和酶活性做的研究發(fā)現(xiàn)蔗糖酶活性與各種形態(tài)的活性有機(jī)碳都有顯著地正相關(guān)性，而且酶活性與團(tuán)聚體粒徑的大小有關(guān)，微團(tuán)聚體中水解酶的活性較高。蔗糖酶將土壤中的蔗糖分解為較簡(jiǎn)單的單糖，可能在華北落葉松幼齡期蔗糖酶活性比較高，將土壤中本就不多的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化成能被植物吸收的活性有機(jī)碳，被植物吸收利用。也可能是多酚物質(zhì)的積累和土壤酸性增強(qiáng)，抑制水解酶的活性，進(jìn)而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的積累[33- 34]。

研究結(jié)果表明：土壤過(guò)氧化氫酶活性與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)性，土壤中的過(guò)氧化氫酶將土壤中的過(guò)氧化氫分解成水和H+，說(shuō)明林木的生長(zhǎng)促進(jìn)了過(guò)氧化氫酶的酶促作用，對(duì)土壤的酸度有一定的貢獻(xiàn)作用。磷酸酶和脲酶活性都與土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀都有極顯著的正相關(guān)性，說(shuō)明磷酸酶不僅可以促進(jìn)土壤中磷素分解的同時(shí)也能間接地釋放氮素和鉀素，脲酶活性也有同樣的作用，周瑋對(duì)北盤江喀斯特峽谷區(qū)不同植被類型的土壤酶活性研究也證明了磷酸酶活性與土壤中的速效氮都有極顯著的相關(guān)性[35]。在本研究區(qū)內(nèi)，磷酸酶和脲酶活性對(duì)土壤養(yǎng)分的影響比較大。隨著華北落葉松人工林的生長(zhǎng)，土壤中磷酸酶和脲酶活性先降低后升高，一定程度上影響了土壤中速效養(yǎng)分的含量，在10 a到20 a期間，限制了落葉松的生長(zhǎng)，隨著土壤有機(jī)質(zhì)的累積，酶活性提高，養(yǎng)分含量又有所回升。這與之前的一些研究結(jié)果不太一致，比如，可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)域不同，土壤狀況和氣候條件不一致，還有之前的試驗(yàn)大都以立地條件相似的對(duì)照林相比，也可能是前期研究的華北落葉松年齡還不大，沒(méi)有表現(xiàn)出進(jìn)入近熟期后的地力恢復(fù)趨勢(shì)。但是林木進(jìn)入成熟期繼續(xù)生長(zhǎng)成過(guò)熟林，林地土壤的養(yǎng)分肥力及生物學(xué)特性的變化還有待進(jìn)一步研究。

致謝：本研究得到西北農(nóng)林科技大學(xué)火地塘實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)和陜西省寶雞市太白縣太白林業(yè)局南灘苗圃的支持，特此致謝。

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Soil nutrients and enzyme activities inLarixprincipis-rupprechtiiplantations in the Qinling Mountains,China

ZHAO Haiyan1, XU Fuli1,2,*, WANG Weiling3, WANG Weidong3, CHEN Qincheng1, ZHAO Yafang2, MA Yajuan3

1CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestAgricultureandForestUniversity,Yangling,Shanxi712100,China2InstituteofSoilandWaterConservationofChineseAcademyofSciences,MinistryofWaterResources,Yangling,Shanxi712100,China3CollegeoflifeSciences,NorthwestAgricultureandForestUniversity,Yangling,Shanxi712100,China

Larixprincipis-rupprechtiiwas introduced in Shaanxi Province more than 50 years ago, and most of these trees were planted in the Qinling Mountains. In order to study the fertility of soil in different-agedLarixprincipis-rupprechtiiplantations in this area, we chose young- (5 and 10 years old), middle- (20 years old), and near-mature- (30 and 40 years old) agedLarixprincipis-rupprechtiiplantations in the Nantan Nursery Garden of Taibai and Huoditang of Ning-shan in Shannxi Province as the experimental sites, and established three 20 × 20-m plots in each age stand plantation in 2012. In each plot, soil samples were collected from three depths (0—20 cm, 20—40 cm, and 40—60 cm) at five randomly located points. Using these samples, we examined the soil chemical properties (pH, organic matter, available N, available P, and available K) and enzyme activities (phosphatase, urease, invertase, and catalase) in the different-aged plantations. Soil pH in the 0—20-cm layer decreased from 6.71 in the 10-year-old plantation to 5.72 in the 40-year-old plantation; however, with an increase in soil depth there was a slight increase in pH. Soil organic matter and available nutrients in near-mature plantations were significantly higher than those in the young plantations (P<0.05). The variation ranges of these soil properties in the 0—20cm layer were as follows: organic matter, 10.12—23.12 mg/kg; available N, 27.82—142.82 mg/kg; available P, 1.91—2.53 mg/kg; and available K, 104.33—264.67 mg/kg. There were significant reductions in soil organic matter and available nutrients as the soil depth increased (P<0.05). With an increase in plantation age, the activities of soil phosphatase, urease, invertase, and catalase showed a “high-low-high” tendency. In the 0—20cm soil layer, the variation ranges for these activities were as follows: phosphatase, 28.06—53.93 mg/100 g; urease, 0.31—0.65 mg/g; invertase, 6.04—68.42 mg/g; and catalase 1.39—4.61 ml. The activities of these four enzymes conspicuously decreased in the 20—60cm layer (P<0.05). The activity of invertase in young plantations was significantly higher than that in the near-mature plantations, whereas for the other three enzyme activities, the converse was true. Correlation analysis indicated that soil pH was significantly negatively related to soil organic matter, available N, available P, and catalase activity. This suggested that the efficacy of soil nutrients increased as soil pH decreased, and that catalase promoted this effect. Phosphatase activity was highly significantly positively related to soil organic carbon and available N, P, and K (P<0.01), indicating that soil phosphatase increased the contents of soil available N and K, whereas it accelerated the decomposition of organic P. There were highly significantly positive correlations between urease activity and organic matter and available N, P, and K. In this respect, urease had the same effect as phosphatase. This study indicated that because of the lack of soil available N and available P in this area and the rapid growth of plants, the fertility of plantations in the Qinling Mountains untilLarixprincipis-rupprechtiireaches an age of 20 years. With a further increase in plantation age, however, soil enzyme activities increased as organic matter, which provides zymolyte for soil enzymes, accumulated. This provided more available nutrients forLarixprincipis-rupprechtiiand improved soil fertility. Accordingly, on the basis of these findings, we suggest that fertilizer should be applied to soil untilLarixprincipis-rupprechtiiplantations reach 20 years of age in order to avoid nutrient limitation for plant growth.

Qinling Mountains;Larixprincipis-rupprechtii; available nutrition; enzyme activity

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)2012CB416902資助

2014- 04- 26;

2014- 12- 25

10.5846/stxb201404260830

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xfl- 163@163.com

趙海燕，徐福利，王渭玲，王偉東，陳欽程，趙亞芳，馬亞娟.秦嶺地區(qū)華北落葉松人工林地土壤養(yǎng)分和酶活性變化.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(4):1086- 1094.

Zhao H Y, Xu F L, Wang W L, Wang W D, Chen Q C, Zhao Y F, Ma Y J.Soil nutrients and enzyme activities inLarixprincipis-rupprechtiiplantations in the Qinling Mountains,China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(4):1086- 1094.