伊犁河谷不同造林模式土壤養分與酶活性的關系

桑巴葉, 朱玉偉, 陳啟民, 王永紅, 褚奮飛

(新疆林科院 造林治沙研究所， 新疆 烏魯木齊 830063)

森林是陸地生態系統的重要組成部分，是地球上最為寶貴的自然資源，一個獨特的人類和多種生物賴以生存和發展的生態系統[1]。在森林生態系統中，土壤與植被密不可分，構成一個復雜的功能體系。土壤為森林植物及土壤生物提供生長定居的機械支持和物質基礎。森林植物在生長過程中所需養分極大部分通過植物本身新陳代謝過程中或自然條件調節所形成的凋落物、動物殘體在土壤中經過分解成小分子化合物，供給森林植物生命所需[2-3]。不同的森林類型提供的物質基礎的差異，影響微生物種群數量變化的同時亦影響土壤物理化學性質和養分數量[4-5]，造成森林土壤生產力的差異。

土壤酶主要指土壤中的聚積酶，包括游離酶、胞內酶和胞外酶，來源于土壤微生物的活動、植物根系分泌物和動植物殘體腐解過程中釋放的酶。土壤酶參與土壤中的一切生物化學過程，催化了土壤中眾多生化反應[6-7]。由于土壤酶活性與土壤理化性質、土壤生物數量和生物多樣性等密切相關，因此可以作為土壤質量的生物活性指標[8]。研究不同林分類型對土壤酶活性的影響將對林區生態學與土壤學的研究起到積極推動作用，因此土壤酶活性已然成為目前森林生態系統研究中必不可少的內容。

伊犁河谷位于新疆西天山地區,是新疆及天山氣候最濕潤、降水最豐沛、植被土壤發育最良好的地區，森林覆蓋率為7.9%，林、草植被覆蓋率高達67.7%，被喻為新疆干旱區的一塊“濕島”。對伊犁河谷土壤的研究，將會更加充分地理解植被狀況對土壤質量和環境的潛在影響，最終為森林土壤質量的評價提供依據。

近年來，國內外學者從不同角度對土壤類型、土壤理化性質、土壤酶活性等方面進行了廣泛研究。對于森林土壤養分的研究已有大量的研究報道，研究內容涉及養分時間動態變化、土壤養分儲量、土壤養分的空間動態變化等方面[9]。關于林分類型對土壤理化性質的影響，已經取得了重要的研究成果[10]。土壤酶作為土壤質量的生物活性指標，自20 世紀 80 年代以來已經被大量研究[11]。目前廣大學者對土壤生態因子和林分類型與土壤酶之間的相互關系十分關注，并做了相應的研究與報道[12]。關于伊犁河谷森林土壤養分與酶活性方面研究僅局限于單一林分[13]、單一酶活性[14]或養分[13]、不同土地利用方式下土壤養分和酶活性研究[15]等方面，其它相關研究報道極少。伊犁河谷造林模式多樣，存在著長期選擇和演替的規律性變化，故對不同造林模式下土壤養分和酶活性特征的研究十分必要。因此，本研究擬以伊犁河谷地區為研究區域，選擇當地典型的5種造林模式為研究對象，分析土壤養分和土壤酶的變化狀況。通過研究不同造林模式下土壤養分和酶活性變化規律，以期為伊犁河谷地區造林樹種的搭配和布局提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

伊犁河谷位于中國天山山脈西部，準噶爾盆地西南緣，屬南天山、北天山分隔而成的由斷陷盆地與山間河谷間布的中亞內陸河流域。地理位置為東經80°09′42″—84°56′50″，北緯42°14′16″—44°53′30″。三面環山，流域地跨中溫帶大陸性氣候和高山氣候類型，氣候溫和濕潤，晝夜溫差大。年均降水量200～800 mm，降水隨高程上升增多明顯。平均海拔高度為477～1 701 m，氣候溫和濕潤，降水量充足，是中國唯一的溫帶大陸性氣候地區，部分地區屬于高山氣候。伊犁河谷地域遼闊，資源豐富，素有“塞外江南”的美稱。土壤類型多樣，包括潮土、灌耕土、草甸土、黑鈣土、栗鈣土、灰鈣土、沼澤土等。

1.2 研究方法

1.2.1 造林模式的選擇 選取伊犁河谷5種典型生態造林模式，即楊樹用材林、沙棗防護林、楊樹防護林、榆樹防護林和林草間作用材林。均為成熟林。不同造林模式樣地基本情況見表1。

表1 不同造林模式樣地基本情況

1.2.2 土壤樣品的采集 在對研究區實際調查的基礎上，在5種造林模式中各設置3個標準樣地，樣地規格為林帶寬×50 m，按“S”型隨機采取5個樣點的土樣，在每個樣點取0—20和20—40 cm土層土樣，將相同土層的樣品混合，去除石塊、根系和土壤動物等，經實驗室風干、過篩后貯存備用。

1.2.3 測定指標及測定方法 ①土壤化學性質測定[16]：土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定；土壤全磷采用氫氧化鈉熔融、鉬銻鈧比色法測定；土壤全鉀采用氫氧化鈉堿熔、火焰光度計法測定；土壤水解氮采用堿解擴散法(樣品正在分析中)；速效磷用鉬銻抗比色法，速效鉀用醋酸銨浸提—火焰光度計法測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法。②土壤酶活性測定[17]。土壤過氧化氫酶和脲酶采用《土壤酶及其研究法》進行測定。

1.3 統計分析

試驗數據采用Excel 2007和SPSS 19.0 軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 土壤養分特征

樹種影響著水分、土壤、植物和微生物之間的相互作用，各模式中的樹種不同，土壤養分就會呈現出不同的差異。由表2可知，0—20 cm土層林草間作用材林的有機質含量最高，次之為楊樹防護林，均與其他模式之間差異顯著(p<0.05),楊樹用材林、沙棗防護林和榆樹防護林之間差異不顯著(p>0.05)。林草間作用材林和沙棗防護林20—40 cm土層有機質含量分別為最高和最低，含量最低值僅為最高值的24.82%。各模式土壤有機質平均含量高低順序為：林草間作用材林>楊樹防護林>榆樹防護林>楊樹用材林>沙棗防護林。除榆樹防護林外，其余模式均隨土層深度增加，土壤有機質含量下降，其中楊樹防護林降幅最大，楊樹用材林最小。

土壤全氮在2個土層之間表現出了相似的規律，林草間作用材林全氮含量最高并與其他模式之間差異顯著，沙棗防護林最低，林草間作用材林全氮含量為沙棗防護林含量的3.46倍。各模式土壤全氮均值：林草間作用材林>榆樹防護林>楊樹防護林>楊樹用材林>沙棗防護林。堿解氮0—20 cm土層榆樹防護林堿解氮含量最高，林草間作用材林次之，兩者之間沒有顯著差異，但均與其他模式之間有顯著差異，2個土層堿解氮高低順序一致，均為榆樹防護林>林草間作用材林>楊樹用材林>沙棗防護林>楊樹防護林。

表2 伊犁河谷不同造林模式土壤化學性質

由表2可以看出各模式林分土壤全磷含量總體較低，范圍在0.31～0.50 g/kg，各模式之間相關不大。0—20 cm土層榆樹防護林全磷含量最高，最底為楊樹用材林，20—40 cm土層全磷含量最高則為林草間作用材林。各模式林分土壤全磷均值表現為林草間作用材林〉榆樹防護林〉沙棗防護林〉楊樹防護林〉楊樹用材林。各模式間土壤速效磷含量相差較大，2個層次的含量在3.97～43.5 mg/kg之間，速效磷含量最高值為最低值的11倍。0—20 cm土層含量最高的榆樹防護林為最低的沙棗防護林的9.67倍，20—40 cm土層相同情況，最高為最低的4.79倍。隨土壤深度增加，有效磷含量急劇降低，其中楊樹防護林和榆樹防護林降幅最大。榆樹防護林與其他模式之間差異顯著，其他各模式之間差異不顯著。有效磷均值高低順序為：榆樹防護林>楊樹防護林>楊樹用材林>林草間作用材林>沙棗防護林。

5種模式2個層次土壤全鉀的含量為18.12～26.84 g/kg，速效鉀含量為121.33～384.33 mg/kg，均屬于較高水平。5種模式的2個層次之間全鉀含量變化幅度小。在0—20 cm土層沙棗防護林含量最高，20—40 cm則為楊樹用材林。各林分土壤全鉀均值排序：楊樹用材林>沙棗防護林>榆樹防護林>楊樹防護林>林草間作用材林。沙棗防護林速效鉀含量在2個土層中最高。0—20 cm土層中林草間作用材林速效鉀含量最低，僅為含量最高的沙棗防護林的37.47%。20—40 cm最低的林草間作用材林僅為含量最高的沙棗防護林的32.29%。沙棗防護林、榆樹防護林和楊樹防護林2個土層中的速效鉀含量均屬很高水平，與其他2個模式之間差異顯著。各模式林分土壤速效鉀均值表現為：沙棗防護林>榆樹防護林>楊樹防護林>楊樹用材林>林草間作用材林。

2.2 土壤酶活性特征

圖1為不同造林模式下土壤酶活性差異。圖1表明，不同造林模式土壤土層酶活性的變化趨勢基本一致，0—20 cm土層酶活性均高于20—40 cm土壤酶活性。

注：不同字母表示同一土層同一酶活性在不同造林模式中差異顯著(p<0.05)。

脲酶參與有機態氮素的分解作用, 專門水解有機氮轉化過程的中間產物尿素, 使其轉化成為氨被林木利用, 其活性可以用來表示土壤氮素供應狀況。楊樹防護林0—20 cm脲酶活性最高，為2.32 mg/g，榆樹防護林20—40 cm脲酶活性最高，為1.61 mg/g。沙棗防護林脲酶活性最低，0—20 cm土層為0.86 mg/g，20—40 cm僅為0.40 mg/g。不同造林模式0—40 cm 土層土壤脲酶活性高低排序為：榆樹防護林>楊樹防護林>林草間作用材林>楊樹用材林>沙棗防護林。

過氧化氫酶是土壤中一種重要的氧化還原酶，參與土壤物質和能量轉化過程，具有分解土壤中對植物有害的過氧化氫的作用。研究表明，過氧化氫酶活性能夠反映土壤的呼吸強度[18]。不同造林模式0—20土層土壤過氧化氫酶活性變化范圍在0.20～1.57 mg/g，20—40 cm土層在0.18～1.50 mg/g。楊樹防護林酶活性為最高，比活性最小的林草間作用材林高8.1倍。不同林分土壤過氧化氫酶的排列順序為：楊樹防護林>沙棗防護林>楊樹用材林>榆樹防護林>林草間作用材林。

2.3 土壤酶活性與土壤養分的相關性分析

研究表明[19-22]，土壤酶活性與土壤養分互相作用，土壤養分含量的高低制約著土壤酶活性的大小，反之，土壤酶活性的反饋作用使土壤養分含量發生變化，二者之間存在著非常密切的相關關系。為此，我們對土壤酶活性與土壤養分之間進行相關分析。研究結果表明(表3)，在表土層，脲酶和除全鉀外其他呈正相關，其中和速效磷呈顯著正相關(p<0.05)；過氧化氫酶和全鉀、速效鉀呈顯著正相關(p<0.05)，和其他養分指標呈負相關，其中和全氮、堿解氮有關系最為密切，均達到極顯著負相關(p<0.01)，和有機質呈顯著負相關(p<0.05)。

在底土層，脲酶和全鉀呈負相關，與其他養分指標呈正相關，其中和速效磷、有機質呈顯著正相關(p<0.05)；過氧化氫酶和全氮、有機質呈極顯著負相關(p<0.01)，和全磷、堿解氮呈顯著負相關(p<0.05)，和全鉀、速效鉀呈顯著正相關(p<0.05)。

在整個土層中，脲酶和全鉀呈負相關，和其他養分指標呈正相關；過氧化氫酶和全鉀、速效鉀呈正相關，和其他養分指標負相關。因此，不同類型的土壤酶活性與土壤養分之間存在著相關關系，故土壤酶活性高低情況可作為評價土壤肥力的指標。

表3 伊犁河谷土壤酶活性與土壤養分的相關分析

3 結 論

(1) 在同一造林模式林分內，土壤養分含量主要分布在0—20，20—40 cm土層則較低。不同造林模式土壤肥力狀況有明顯的差異，楊樹用材林的全鉀含量最高，楊樹防護林的有效鉀含量較高，沙棗防護林土壤全鉀和有效鉀含量最高，榆樹防護林土壤堿解氮和有效磷含量最高，全鉀和有效鉀處于較高水平，林草間作用材林土壤全氮、全磷和有機質含量最高，堿解氮也處于較高水平。凋落物是森林生態系統的重要物質庫，通過植被枯落物的形式能不斷地給予土壤養分，使得土壤表層養分含量顯著增加，進而達到互利共贏。

(2) 土壤酶活性是森林生態系統的重要組成成分，對土壤養分的流動與轉化起著重要作用，可以客觀地反映土壤質量狀況。土壤酶活性不僅與土壤理化性質有關，而且與林分類型也密切相關。在土壤空間上，脲酶和過氧化氫酶活性隨土層的增而減小。在整個土層中土壤脲酶活性排序為：榆樹防護林>楊樹防護林>林草間作用材林>楊樹用材林>沙棗防護林；過氧化氫酶活性排序為：楊樹防護林>沙棗防護林>楊樹用材林>榆樹防護林>林草間作用材林。

(3) 土壤養分與土壤酶活性之間存在一定的相關性。在整個土層中，脲酶和全鉀呈負相關，和其他養分指標呈正相關，其中和全磷顯著正相關(p<0.05)，和堿解氮、速效磷、有機質極顯著正相關(p<0.01)；過氧化氫酶和全鉀、速效鉀呈極顯著正相關，和全氮、全磷、堿解氮、有機質呈極顯著負相關。本研究結果同李傳榮等[23]的研究結果一致，但與其他多數文獻結果不同，研究發現土壤中過氧化氫酶、脲酶活性與土壤主要養分因子間均存在極顯著或顯著的正相關關系[19-22]。這種存在不一致情況，需在今后的研究中進一步考證。