不同恢復(fù)年限紫花苜蓿土壤養(yǎng)分及酶活性研究
——以黃土丘陵區(qū)神木縣為例

雷 瓊

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

退耕還林的目的是使該地區(qū)植被得到恢復(fù)，土壤質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境得到改善。紫花苜蓿是我國(guó)種植面積最大的人工草地，因其具有很強(qiáng)的保持水土和土壤養(yǎng)分的能力[1, 2]，因此也成為黃土高原地區(qū)重要的人工草地恢復(fù)類型之一。

土壤養(yǎng)分與植物的生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)系密切。土壤養(yǎng)分的數(shù)量和供應(yīng)對(duì)全球生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義[3, 4]。土壤酶對(duì)土壤中的生化過(guò)程具有重要的作用，同時(shí)會(huì)加速土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)，可以反映土壤中生物的代謝和物質(zhì)的轉(zhuǎn)化情況[5]。土壤養(yǎng)分含量與土壤酶活性關(guān)系密切[6]，并可將土壤酶活性與土壤養(yǎng)分作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量、土壤肥力的高低和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)[7, 8]。

恢復(fù)年限對(duì)紫花苜蓿地土壤的養(yǎng)分、質(zhì)量和土壤的酶活性具有重要的影響。前人通過(guò)對(duì)干旱和半干旱地區(qū)草地進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)的過(guò)程中，植物與土壤的關(guān)系會(huì)發(fā)生不斷的變化，植物與土壤關(guān)系的變化又反過(guò)來(lái)對(duì)土壤養(yǎng)分、土壤質(zhì)量和土壤酶產(chǎn)生影響[9]。筆者研究中選取黃土高原不同恢復(fù)年限的紫花苜蓿地為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究不同恢復(fù)年限的土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性變化特征及相關(guān)關(guān)系，旨在揭示植被恢復(fù)后不同恢復(fù)年限的土壤的營(yíng)養(yǎng)狀況和微生物活性，為黃土高原植被恢復(fù)的質(zhì)量評(píng)價(jià)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

我們選擇陜西省神木縣為我們的研究區(qū)域(圖1)，該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂颍昃鶞?.9℃，年降水量422.7 mm，該地區(qū)地貌復(fù)雜，土壤類型以風(fēng)砂土為主，這種土壤特點(diǎn)是土壤養(yǎng)分含量較低，易發(fā)生土壤侵蝕。

圖1 研究區(qū)地理位置示意

1.2 土壤樣品的采集

2018年6月，我們?cè)谏衲究h選取不同恢復(fù)年限(0 a，5 a，10 a，15 a，25 a和30 a)的紫花苜蓿地為研究區(qū)域。6個(gè)恢復(fù)年限共選擇18個(gè)樣地，54個(gè)樣方。在每個(gè)恢復(fù)年限的紫花苜蓿地選擇3個(gè)樣地，每個(gè)樣地選取3個(gè)樣方。在每個(gè)樣方按“S”型取樣法采集土壤樣品，每個(gè)樣方采集9個(gè)土壤樣品(0～20 cm土壤深度)，然后將同一個(gè)樣方的土壤樣品混合，帶回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室將土壤樣品分成兩部分，一部分自然風(fēng)干，主要測(cè)定土壤養(yǎng)分含量，另一部分存儲(chǔ)于-80℃冰箱中，主要測(cè)定土壤酶活性。

1.3 土壤樣品的測(cè)定

土壤pH：pH計(jì)測(cè)定法[10]。

土壤有機(jī)質(zhì)：重鉻酸鉀外加熱法[10]。

土壤全氮：凱氏定氮法[10]。

土壤全磷：鉬銻抗比色法[10]。

土壤速效磷：鉬銻抗比色法測(cè)定[10]。

土壤速效鉀：乙酸銨提取-火焰光度法[10]。

土壤堿解氮：康維皿堿解擴(kuò)散法[10]。

土壤酶活性參考前人文獻(xiàn)進(jìn)行[11]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013和SPSS 21.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan法進(jìn)行土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性在不同恢復(fù)年限的差異顯著性檢驗(yàn)(p<0.05)。采用SPSS 21.0采用pearson相關(guān)分析法進(jìn)行各指標(biāo)間的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫花苜蓿土壤養(yǎng)分含量和pH隨恢復(fù)年限變化特征

圖2表明，恢復(fù)年限對(duì)紫花苜蓿土壤養(yǎng)分含量和pH的影響在p<0.05水平上有較顯著差異。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量在紫花苜蓿地恢復(fù)的初期顯著增加，5 a后無(wú)明顯變化，其中有機(jī)質(zhì)含量在10 a時(shí)達(dá)到最大，占0 a的406.96%，全氮含量在15 a達(dá)到最大，占0 a的498.37%(圖2a, b)；土壤全磷含量在恢復(fù)初期逐漸增加(0～10 a)，之后有降低的趨勢(shì)(10～25 a)，在30 a顯著增加，其中30 a的全磷含量占0 a的393.52%(圖2c)；土壤速效磷含量隨恢復(fù)年限無(wú)明顯趨勢(shì)變化(圖2d)；土壤堿解氮含量恢復(fù)初期逐漸增加(0～10 a)，10 a后顯著降低，15 a后趨于穩(wěn)定(圖2e)，在10 a時(shí)達(dá)到最大，占0 a的324.44%。土壤速效鉀含量隨恢復(fù)年限先增加后趨于穩(wěn)定，在30 a顯著降低(圖2f)，其中有機(jī)質(zhì)在10 a時(shí)達(dá)到最大，占0年的232.72%。

2.2 不同恢復(fù)年限紫花苜蓿土壤pH變化

恢復(fù)年限對(duì)紫花苜蓿土壤pH的影響有較顯著差異(p<0.05)(圖3)。結(jié)果表明：土壤pH隨恢復(fù)年限整體呈降低趨勢(shì)，且植被恢復(fù)的0～15 a存在較大的波動(dòng)，在植被恢復(fù)15～25 a間土壤pH無(wú)顯著差異。

圖2 土壤養(yǎng)分含量隨恢復(fù)年限的變化

圖3 土壤pH隨退耕年限的變化

2.3 不同恢復(fù)年限紫花苜蓿土壤酶活性變化

圖4表明，恢復(fù)年限對(duì)紫花苜蓿土壤酶活性的影響在p<0.05水平上有較顯著差異。土壤過(guò)氧化氫酶、磷酸酶和蔗糖酶活性在紫花苜蓿地恢復(fù)的25 a前逐漸增加，在25 a后有降低的趨勢(shì)，且均在25 a時(shí)達(dá)到最大，分別占0 a土壤過(guò)氧化氫酶活性、土壤磷酸酶活性和土壤蔗糖酶活性的843.15%、785.12%和1028.68%(圖4a，c，e)；土壤多酚氧化酶活性隨恢復(fù)年限先降低后增加，但各恢復(fù)年限酶活性均低于0 a，且在10 a達(dá)到最低值，占0 a的44.38%(圖4b)；土壤脲酶活性隨恢復(fù)年限先增加后降低再增加，在15 a后趨于穩(wěn)定，且在15 a達(dá)到最大，占0 a土壤脲酶活性的467.76%(圖4d)。

圖4 土壤酶活性隨恢復(fù)年限的變化

2.4 土壤養(yǎng)分含量、pH與土壤酶活性相關(guān)性分析

對(duì)紫花苜蓿地各土壤養(yǎng)分指標(biāo)、pH與土壤酶活性進(jìn)行相關(guān)性分析，用于研究不同的土壤養(yǎng)分含量、pH與土壤酶活性的關(guān)系。表2表明：土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮含量、土壤堿解氮含量、土壤速效鉀含量與土壤過(guò)氧化氫酶活性和土壤蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)，而與土壤多酚氧化酶活性顯著負(fù)相關(guān)；土壤pH與土壤多酚氧化酶活性顯著正相關(guān)，與土壤過(guò)氧化氫酶活性顯著負(fù)相關(guān)。

表1 土壤養(yǎng)分含量、pH與土壤酶活性相關(guān)性分析

注：**：p<0.01；*：p<0.05

3 討論與結(jié)論

筆者研究發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分含量除土壤速效磷外隨恢復(fù)年限整體呈增加的趨勢(shì)，說(shuō)明植被恢復(fù)后紫花苜蓿土壤養(yǎng)分的富集作用逐漸增強(qiáng)，土壤質(zhì)量得到改善，與前人研究結(jié)果相似[12, 13]。首先，植被恢復(fù)后紫花苜蓿植物生物量、植被蓋度和植物多樣性逐漸增加[14]。其次，植被恢復(fù)改善了土壤結(jié)構(gòu)，土壤侵蝕減弱[15]，從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失減少。第三，已有研究表明植被恢復(fù)后隨恢復(fù)年限的增加土壤微生物量和活性逐漸增強(qiáng)[16]，從而有利于土壤養(yǎng)分的形成與轉(zhuǎn)化。我們還發(fā)現(xiàn)，在紫花苜蓿恢復(fù)后期土壤養(yǎng)分含量有降低的趨勢(shì)。可能原因是在紫花苜蓿恢復(fù)25 a后，進(jìn)入衰敗期，植物生長(zhǎng)停止，根系退化，根系分泌物減少，植物蓋度和生物量開(kāi)始降低，不利于土壤養(yǎng)分的形成。筆者研究發(fā)現(xiàn)土壤酶活性除土壤多酚氧化酶外，其他四種酶活性隨恢復(fù)年限增加整體增加，與前人研究結(jié)果相同[17]。原因是隨恢復(fù)年限的增加，紫花苜蓿地表枯落物逐漸增加，植物生長(zhǎng)需要更多的養(yǎng)分含量，從而使得土壤中微生物的數(shù)量和種類不斷的增加，進(jìn)而分泌的酶也逐漸增加。同時(shí)，土壤酶活性的提高說(shuō)明紫花苜蓿地的碳素、氮素和磷素分解能力逐漸增強(qiáng)[18]。土壤多酚氧化酶的主要功能是轉(zhuǎn)化土壤中芳香族化合物，植被恢復(fù)積累的酚類物質(zhì)會(huì)抑制水解酶活性[19]，植被恢復(fù)后多酚氧化酶活性的降低可能增加該區(qū)域土壤中水解酶的活性。我們還發(fā)現(xiàn)，土壤中酶活性與不同的土壤養(yǎng)分含量存在一定的關(guān)系，在我們的研究中，酶活性除了多酚氧化酶外整體均與土壤的養(yǎng)分含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。一般認(rèn)為，土壤的養(yǎng)分含量越高，土壤中轉(zhuǎn)化酶的活性就越強(qiáng)。

綜上所述，土壤養(yǎng)分含量除土壤速效磷外和土壤酶活性除土壤多酚氧化酶活性外隨恢復(fù)年限增加整體增加，但在25 a后整體存在降低的現(xiàn)象。我們還發(fā)現(xiàn)土壤酶活性(除多酚氧化酶外)整體與土壤的養(yǎng)分含量存在正相關(guān)關(guān)系。