子午嶺植被演替過程中土壤生物學(xué)特性的動態(tài)

1、賈國梅等：子午嶺植被演替過程中土壤生物學(xué)特性的動態(tài) 1469子午嶺植被演替過程中土壤生物學(xué)特性的動態(tài)賈國梅1, 2*，王 剛2，陳芳清11. 三峽大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院, 湖北 宜昌 443002; 2. 蘭州大學(xué)干旱與草地生態(tài)教育部重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000摘要：土壤生物學(xué)特性在土壤有機(jī)質(zhì)的形成和降解、營養(yǎng)循環(huán)等方面起重要作用。植被的恢復(fù)演替顯著影響土壤生物學(xué)特性，尤其影響土壤酶活性。植被演替過程中土壤酶活性的研究結(jié)果表明，隨著植被恢復(fù)年限的延長，土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶的活性逐漸提高，17 a達(dá)到最大值，隨后有所降低。土壤酶活性和土壤化學(xué)特性和微生物量的相關(guān)性分析表明，土壤轉(zhuǎn)化酶和脲酶

2、不僅互相之間具有顯著的相關(guān)性，而且它們與土壤有機(jī)碳、全氮、微生物碳氮之間都具有顯著的正相關(guān)性，說明土壤酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)緊密相關(guān)，與微生物的大小緊密相關(guān)，所以土壤酶活性可以表征土壤生物學(xué)肥力。關(guān)鍵詞：植被恢復(fù)；脲酶；轉(zhuǎn)化酶；生物學(xué)肥力中圖分類號：s154 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：1672-2175（2007）05-1466-04植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，使生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動的中樞，所以植被的恢復(fù)演替是退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建的首要工作。黃土高原由于植被覆蓋度低而稀少水土流失比較嚴(yán)重，而植被的恢復(fù)演替能有效控制水土流失和防止土地退化1。植被通過凋落物和根系分必物影響土壤有機(jī)質(zhì)的

3、積累和分布，改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和活性。表1 試驗地概況table 1 status of experimental plots植被海拔/m北緯/()東經(jīng)/()坡向/()主要植物物種1 a棄耕植樹地(sf1)14573606361082338.7南偏東25人工林：油松，刺槐和沙棘；雜草：老鸛草，二裂萎菱菜，甘草等2 a荒地植樹地(sf2)1295360503.31083304.6北偏西30人工林：油松，刺槐和沙棘；雜草：主要有各種蒿子等9 a次生林地(sf9)1398360615.51082331.6北偏西20以油松為主，零星分布遼東櫟、茶條槭和繡線菊等17 a次生林地(sf17)12313

4、60456.71083108.3北偏西30以油松、遼東櫟、白樺、茶條槭和榆樹等24 a次生林地(sf24)1330360525.71083107.5北偏西18沙棘、丁香、山楊、遼東櫟、油松、鐵線蓮、胡頹子和苔草36 a次生林地（sf36）1605360152.81082207.5南偏東15以油松為主, 零星分布遼東櫟、白樺、茶條槭和繡線菊等,草本植物主要有苔草土壤酶催化生物化學(xué)反應(yīng)，參與包括土壤中的生物化學(xué)過程在內(nèi)的自然界物質(zhì)循環(huán),綜合了土壤物理化學(xué)和生物特性，所以土壤酶活性是土壤微生物活性的指標(biāo)2-3，與營養(yǎng)循環(huán)和轉(zhuǎn)化緊密相關(guān)，因此也是土壤質(zhì)量的主要測度4；對自然的和人為的干擾引起的土壤變化

5、比較敏感5。土壤酶主要來源于土壤微生物和植物根系的分泌物及動植物殘體分解釋放的酶,它作為土壤的組成成分之一，其活性反映了土壤中進(jìn)行的各種生物化學(xué)過程的動向和強(qiáng)度，對土壤肥力的形成和提高以及對土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)具有重要意義，可成為生態(tài)脅迫或恢復(fù)的早期和敏感的指標(biāo)6-7。大量的研究表明，土壤酶活性對耕作8, 種植制度9和土地使用10引起的土壤變化比較敏感，而對植被恢復(fù)演替后土壤酶活性的研究較少，所以本研究的目的是研究植被演替過程中土壤酶活性的變化動態(tài)。1 材料和方法1.1 研究區(qū)的概況研究區(qū)位于子午嶺北部甘肅合水連家砭林場，地理位置位于北緯35033637，東經(jīng)1081010908，屬于典型的

6、黃土丘陵溝壑地形，海拔1500 m，年平均氣溫7.4 ，年平均降水量587.6 mm，干燥度0.97。土壤以石灰性褐土為主，皆發(fā)育于原生（山坡）或次生（溝谷）黃土，黃土厚度一般50100 m，其下為厚80100 m的紅土。1.2 研究方法采取植被演替空間排列順序推斷時間演替順序方法，選取一個1 a退耕還林地，一個2 a荒山植樹地和4個次生林樣地共6個典型樣地，樣地情況如表1。2003年7月在每個樣地打3個10 m10 m的樣方，每個樣方內(nèi)按對角線取020 cm的土樣5個，共15個土樣充分混勻，一部分土樣迅速揀去枯枝落葉、根系分別過2 mm篩，調(diào)節(jié)其含水量達(dá)田間持水量的50%，置于塑料桶中在黑暗

7、中預(yù)先培養(yǎng)兩周用于微生物量分析。另一部分土樣風(fēng)干用于土壤有機(jī)碳、全氮、脲酶和蔗糖酶測定。有機(jī)碳采用外加熱重鉻酸鉀氧化法,全氮用半微量凱氏法,土壤微生物碳氮采用熏蒸浸提法測定，脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定，蔗糖酶活性采用二硝基水楊酸比色法測定 11。數(shù)據(jù)用spss處理，主要采用單因素方差分析和相關(guān)性分析。2 結(jié)果與討論隨著植被恢復(fù)時間的延長，土壤有機(jī)碳、全氮、微生物碳氮含量之間提高，17 a達(dá)到最大值，隨后有所降低（表2）12。表2 供試土壤化學(xué)和微生物特性table 2 the chemical and microbial properties in soil for testing

8、different age of forest樣地w(有機(jī)碳)/ (g. kg-1)w(全氮)/ (g. kg-1)w(微生物碳)/ (mg. kg-1)w(微生物氮)/ (mg. kg-1)f17.210.75107.0222.68f211.180.91272.0424.88f917.201.34334.2957.81f1722.261.97527.9773.84f2414.831.0379.6029.58f3615.081.09344.5058.48由于土壤水解酶與碳、氮、磷等營養(yǎng)元素的礦化有關(guān)，所以它們的測定可以指示土壤肥力的變化13。研究表明植被的類型影響土壤水解酶的活性14。隨著植被

9、的退化，酶活性也隨之降低15-16。隨著植被的覆蓋，土壤酶活性提高17。脲酶是一種促氮有機(jī)物的水解酶,能專一性的水解尿素,同時釋放氨和二氧化碳。在脲酶作用下,尿素被分解為植物可利用的物質(zhì)，從而提高土壤肥力。施用有機(jī)肥提高土壤脲酶活性18，耕作降低土壤脲酶活性19。本研究中，與有機(jī)碳、全氮、微生物碳單相似，隨著植被恢復(fù)時間的延長，土壤脲酶活性逐漸提高，17 a林地達(dá)到最大值，隨后有所降低（圖1），這說明當(dāng)植被恢復(fù)到17 a時，由于植物物種相對比較豐富，土壤生物化學(xué)反應(yīng)處于相對比較活躍的狀態(tài)，有利于土壤氮素的營養(yǎng)循環(huán)。后期如24 a林地由于植被郁閉度較大，林地光照弱，冠層下草本植被和灌木較少12，

10、酶活性相對于17年林地而言有所降低，36 a林地的冠層下只有苔草一種草本植物，凋落物歸還林地的養(yǎng)分較少，加之受到坡向的影響12，土壤酶活性比較低。但是與1 a的林地相比，所有林地的土壤脲酶活性都比較高，這說明植被恢復(fù)演替有利于土壤脲酶活性的提高，saviozzi et al.19研究鄰近的耕地、林地和天然草地的土壤質(zhì)量的結(jié)果也表明，長期的耕作降低土壤脲酶的活性。izquierdo et al.20研究的表明重建植被的土壤的脲酶活性比裸露的土壤的高。土壤轉(zhuǎn)化酶參與土壤有機(jī)碳循環(huán)，其活性的高低反應(yīng)了土壤中有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化和呼吸強(qiáng)度。一般而言，土壤肥力越高， 此酶的活性越強(qiáng)，它不僅能夠表征土壤微生物學(xué)活

11、性強(qiáng)度，而且也可以作為評價土壤熟化程度和土壤肥力水平的一個指標(biāo)。本研究中，隨著植被的恢復(fù)演替，土壤轉(zhuǎn)化酶的變化趨勢與土壤脲酶的轉(zhuǎn)化趨勢相似，也是逐漸提高，17 a達(dá)到最大值，隨后有所降低（圖1）。這說明土壤中酶活性的變化趨勢是相似的，當(dāng)植被恢復(fù)演替到17 a，土壤微生物活性和生物化學(xué)過程都處于相對比較旺盛的狀態(tài)，土壤肥力相對比較高。土壤轉(zhuǎn)化酶/(mgg-1)土壤脲酶/(gg-1h-1) 圖1 植被恢復(fù)過程中土壤酶活性的動態(tài)fig. 1 the dynamics of soil enzyme activities during vegetation restoration相關(guān)性分析表明，土壤轉(zhuǎn)化

12、酶土壤脲酶和有機(jī)碳（p0.01）、全氮（p0.01）和微生物碳（p0.01）氮（p0.05）之間都有顯著的相關(guān)性（表3），土壤酶活性隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高而提高，由此說明土壤酶活性與土壤肥力緊密相關(guān)，酶活性可以作為土壤肥力的評價指標(biāo)。但是脲酶活性與植被恢復(fù)演替的時間沒有顯著的相關(guān)性，這說明脲酶活性與植被恢復(fù)演替的年限無直接關(guān)系，也許與植物物種數(shù)量相關(guān)，因為植物物種數(shù)目多的17 a林地的脲酶活性最高。palma and conti21研究表明植被類型和有機(jī)物質(zhì)的數(shù)量影響脲酶的活性。arunachalam et al.22和xue et al23研究表明土壤脲酶與土壤有機(jī)碳之間沒有顯著的相關(guān)性。

13、arunachalam et al. 22認(rèn)為脲酶是變化最大的土壤參數(shù)。xue et al.23認(rèn)為與單一酶相比，多酶聚合體與土壤肥力相關(guān)性比較強(qiáng)24。表3 土壤酶活性和土壤化學(xué)微生物特性之間的相關(guān)性table 3 pearsons correlation coefficients between soil enzyme activities and chemical and microbial properties時間有機(jī)碳全氮微生物碳微生物氮轉(zhuǎn)化酶轉(zhuǎn)化酶0.530*0.839*0.690*0.890*0.531*脲酶0.2660.736*0.626*0.673*0.480*0.637*相關(guān)

14、性在0.01水平上顯著，*相關(guān)性在0.05水平上顯著3 結(jié)論子午嶺植被恢復(fù)演替能夠增強(qiáng)土壤轉(zhuǎn)化酶和脲酶的活性，有利于土壤有機(jī)碳和有機(jī)氮的礦化，有利于微生物活性的增強(qiáng)，能夠有效地提高土壤生物學(xué)肥力。土壤轉(zhuǎn)化酶和土壤脲酶都與土壤有機(jī)質(zhì)和微生物量具有顯著的相關(guān)性，說明土壤酶活性可以作為子午嶺植被恢復(fù)演替過程中土壤肥力的評價指標(biāo)。參考文獻(xiàn):1 morgan r p c. soil erosion and conservation m. london: longman scientific & technical, 1986.2 frankenberger w t jr, dick w a. relat

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