鳳陽山典型林分土壤酶活性的變化

鳳陽山典型林分土壤酶活性的變化

土壤酶是指土壤中的聚積酶，包括游離酶、內酶和外酶，主要來源于土壤微生物的活動、植物根系分泌物和動植物殘留物的分解過程中釋放的酶。其活動規(guī)律和生態(tài)因素相互作用的關系引起了許多科學家的關注。這不僅是評價土壤結構質量的重要手段之一，也是評價土壤自凈能力的重要指標之一。作為一類具有專性催化作用的蛋白質,酵幾乎參與了土壤中所有生物化學過程。由于土壤酶對環(huán)境和管理因素導致的變化具有較強的敏感性,同時具有測定方法相對簡單、可操作性強的特點,因此,一直被看作是比較敏感的反映土壤質量的綜合度量指標。為了及時了解森林土壤質量的變化趨勢,土壤酶似乎已成為必不可少的研究內容之一。我國直到20世紀60年代初才開始有少量關于土壤酶與微生物關系的報告,80年代以來,土壤酶活性的研究得到進一步發(fā)展,研究內容不僅涉及土壤酶與土壤微生物的關系,而且還包括了土壤酶與其它肥力因子的關系,植物多樣性對土壤酶活性的影響,森林不同演替階段土壤酶活性的變化和不同林分密度土壤酶活性的研究。鳳陽山自然保護區(qū)是中國中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)保存較好的代表,該區(qū)光、熱、水差異性明顯,植物資源豐富。本研究選擇該保護區(qū)6個典型林分類型作為對象,測定了5種土壤酶活性,試圖了解鳳陽山不同林分類型土壤酶活性的差異,進一步加強對鳳陽山生態(tài)系統(tǒng)的研究,同時研究結果對該區(qū)域的生物多樣性保護和可持續(xù)發(fā)展起到一定的指導作用,也可為浙江省乃至中國亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的研究提供一些參考。1材料和方法1.1研究區(qū)自然概況和樣地選擇鳳陽山自然保護區(qū)是浙江省鳳陽山—百山祖國家級自然保護區(qū)的一部分,位于浙江省龍泉市南部,屬洞宮山系,由福建省武夷山脈向東伸展而成。保護區(qū)現(xiàn)有面積15171.4hm2,森林覆蓋率為90.8%,是以保護典型中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)類型為主的保護區(qū)。保護區(qū)地形復雜多變,氣候資源豐富,鳳陽山的光、溫、水資源存在較大差異,造就了物種類型多樣,主要植被類型以天然分布的針闊混交林、常綠闊葉林、毛竹林為主,生長較好,覆蓋度大,并且是《中國生物多樣性保護行動計劃》實施的重點區(qū)域之一。所選研究樣地位于鳳陽山自然保護區(qū)內,地理坐標介于東經(jīng)119″06′—119″15′、北緯27″49′—27″52′,海拔1300~1550m。鳳陽山天然分布的木本植物主要有:木荷(SchimasuperbaGardn.etchamp),馬尾松(PinusmassonianaLamb.),杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb)Hook],柳杉(Cryptomeriafortunei),交讓木(Daphniphyllummacropodummiq.),光皮樺(BetulaluminiferaH.Winkl),黃山松(PinustaiwanensisHayata),多脈青岡(CyclobalanopsismultinervisW.L.Cheng.),雷公鵝耳櫪(CarpinusvimineaWall.)等。1.2調查樣地的設置外業(yè)調查在2010年7月中旬進行,在海拔相近,立地條件基本一致的森林地帶,選擇6個典型林分類型,即常綠闊葉林、針葉林、針闊混交林、杉木林、毛竹林以及柳杉林作為供試樣地,在每個供試樣地內,設置20m×20m的調查樣地。樣地基本情況詳見表1。1.3測定項目和方法除去土壤表層的凋落物,同一樣地用土壤取樣器隨機多點(8~10個樣點)分別采集0—10cm,10—20cm,20—30cm土層土壤樣品,構成相應的混合土壤樣品。采樣時間為2012年7月(本研究數(shù)據(jù)均為研究區(qū)7月份數(shù)據(jù),并不代表全年數(shù)據(jù))。樣品帶回實驗室風干后過篩,用于測定土壤酶活性及土壤理化性質。土壤容重采用環(huán)刀法測定;土壤的總有機碳和全氮用VARIOEL元素分析儀測定;全磷采用硫酸—高氯酸消煮法;全鉀采用火焰光度法;有效磷采用雙酸浸提鉬銻抗比色法;速效鉀采用NH4Ac浸提火焰光度法;土壤pH值采用德國(Sartorius)PB-10標準型pH計測定(土∶水=1∶2.5),有機質質量分數(shù)采用重鉻酸鉀法(國家標準方法GB7857287)。土壤脲酶活性用苯酚鈉—次氯酸鈉顯色法測定,酶活性以24h內1g風干土中NH4+—N的毫克數(shù)表示(NH4+—Nmg/g);蔗糖酶活性用3,5—二硝基水楊酸顯色法測定,酶活性以24h內1g風干土中葡萄糖的毫克數(shù)表示(mg/g,37℃,24h);磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測定,酶活性以2h后1g風干土壤中釋放的酚的毫克數(shù)表示(酚mg/g);蛋白酶采用茚三酮比色法測定;過氧化氫酶活性用KMnO4滴定法測定,酶活性以每克土相當于0.1mol/LKMnO4的毫升數(shù)表示。數(shù)據(jù)處理采用Excel及SPSS16.0軟件進行數(shù)據(jù)分析,對6種林分土壤酶活性進行差異顯著性檢驗(LSD檢驗,p<0.05)及相關性分析。2結果與分析2.1土壤有機質、有效p、n、p指標變化不同林分類型土壤理化性質結果詳見表2。研究樣地內土壤容重變化范圍為0.69~1.41g/cm3,不同林分類型土壤容重的大小順序為:毛竹林(1.38g/cm3)>杉木林(1.27g/cm3)>針闊混交林(1.10g/cm3)>柳杉林(1.04g/cm3)>常綠闊葉林(0.87g/cm3)>針葉林(0.75g/cm3),針闊混交林與柳杉林林分間變幅不大,造成毛竹林容重最大的原因可能是由于毛竹林土壤根系濃密堅硬,且存在一定的人為踩踏。土壤pH值介于4.31~5.62之間,根據(jù)我國土壤的酸堿度分級標準,研究區(qū)林地土壤呈強酸性到酸性,各林分間pH值變幅不大,同一林分不同土壤層次間有一定變化。土壤有機質含量變幅為6.02~26.91g/kg,其中毛竹林(18.09g/kg)>常綠闊葉林(16.59g/kg)>柳杉林(14.74g/kg)>針闊混交林(13.44g/kg)>針葉林(12.27g/kg)>杉木林(11.63g/kg),根據(jù)全國第2次土壤普查土壤肥力狀況分級標準,各林分土壤有機質平均含量為中等水平。土壤全N變幅為3.04~6.19g/kg,其中常綠闊葉林(5.57g/kg)>毛竹林(5.44g/kg)>柳杉林(5.35g/kg)>針葉林(5.05g/kg)>針闊混交林(4.67g/kg)>杉木林(3.55g/kg),全N含量均較高。土壤全P變幅為0.49~0.91g/kg,其中常綠闊葉林(0.80g/kg)>毛竹林(0.78g/kg)>柳杉林(0.72g/kg)>針闊混交林(0.65g/kg)>針葉林(0.61g/kg)>杉木林(0.52g/kg),除針葉林與針闊混交林外其它林分全N和全P變化情況相同。有效P變幅為6.81~9.173mg/kg,其中常綠闊葉林(8.91mg/kg)>毛竹林(8.46mg/kg)>柳杉林(8.00mg/kg)>針闊混交林(7.71mg/kg)>針葉林(7.61mg/kg)>杉木林(7.11mg/kg)。土壤全K變幅為17.81~21.47g/kg,其中,常綠闊葉林(19.55g/kg)>毛竹林(19.43g/kg)>柳杉林(19.35g/kg)>針闊混交林(18.60g/kg)>針葉林(18.52g/kg)>杉木林(18.40g/kg)各林分間全K含量變幅不大。土壤速效K變幅為81~218mg/kg,其中毛竹林(199mg/kg)>常綠闊葉林(170mg/kg)>柳杉林(164mg/kg)>針闊混交林(150mg/kg)>針葉林(120mg/kg)>杉木林(101mg/kg)。綜合分析認為,鳳陽山不同植被類型的土壤肥力狀況有明顯的差異,各林分土壤呈酸性,土壤容重跨度較大,全N含量較高,P和K元素含量中等,有機質含量一般。2.2土壤酶活性的變化土壤酶是土壤生物化學反應的催化劑,其參與土壤中物質的轉化過程與循環(huán),反映土壤生物活性的大小,可以作為土壤肥力的標志之一。鳳陽山不同林分類型土壤酶活性的研究結果可以得出(圖1—5),不同林分類型下土壤酶活性大小有一定差異,其中常綠闊葉林土壤脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶均較高,由于土壤脲酶對促進土壤氮素循環(huán)和提高土壤氮素的利用率有重要意義,說明該地區(qū)常綠闊葉林對當?shù)赝寥赖氐睦寐士赡茌^高,在與其它林分類型作比較的結果中與白翠霞等研究的闊葉林林分土壤脲酶活性大于針葉林活性結果類似。而對于過氧化氫酶活性的研究與陳彩虹研究中杉木林過氧化氫酶活性明顯大于楓香這一闊葉樹種土壤酶活性的研究結果存在一定差異;柳杉林分土壤蔗糖酶活性較高;而針葉林則表現(xiàn)出土壤蛋白酶活性較高;相比之下杉木林則表現(xiàn)出土壤脲酶、蔗糖酶活性較低,與田月亮的研究結果相同;柳杉林土壤酶活性表現(xiàn)為過氧化氫酶、酸性磷酸酶以及蛋白酶活性均較低,這可能是由于柳杉林及杉木林相對于其它幾種林分來說林分郁閉度過大,植被多樣性差,枯枝落葉雖較厚且分解率極低,加之處于陰面溫度相對較低,最終造成以上幾種酶活性較低。由圖1—5可知,研究區(qū)內所測土壤酶活性均隨土層深度的增加而呈現(xiàn)減弱趨勢,且剖面上部酶活性的遞減率高于下部,這與以往大多數(shù)研究結果相同,而過氧化氫酶活性并無以上特點,呈無規(guī)律變化特征,耿玉清等的研究也顯示出類似結果。其中不同林分森林上層土壤(0—10cm)脲酶活性是下層(20—30cm)的1.50~2.36倍,柳杉林、針葉林、針闊混交林均大于兩倍,常綠闊葉林較小為1.5倍,由此可知有針葉樹種的林分,上下層土壤間脲酶活性的差異會更大;在過氧化氫酶、蔗糖酶上也可得到相同結果。過氧化氫酶活性上層是下層的1.37~4.68倍;蔗糖酶活性上層是下層的1.8~5.19倍;酸性磷酸酶活性上層是下層的1.13~3.02倍;蛋白酶活性上層是下層的1.31~1.79倍,變化幅度較小,針闊混交林(1.79倍)最大,柳杉林(1.31倍)最小。本研究認為造成這種土壤酶活性上層高于下層的原因主要有兩方面,一方面是由于上層枯落物量高造成上層有機質含量明顯高于下層,而土壤酶主要以化學的或物理的形式與腐殖質絡合或吸附在土壤有機和無機顆粒上;另一方面,隨著土層深度的增加,土壤中水、氣、熱狀況越來越差,微生物種類及數(shù)量也會減少,可能導致土壤酶活性減弱。同時,說明了土壤酶活性與有機質含量及微生物狀況關系密切。2.3土壤酶活性物質與土壤理化性質的相關性土壤酶活性與土壤理化性質指標的相關分析詳見表3。由表3可以看出,土壤脲酶與過氧化氫酶、酸性磷酸酶、pH字值、有機質、全N、全K在α=0.01水平下呈顯著相關關系,與蛋白酶、容重、全P、有效P在α=0.05水平下呈顯著相關關系;土壤過氧化氫酶與酸性磷酸酶、蛋白酶、有機質在α=0.01水平下呈顯著相關關系,與pH值、全K呈顯著相關(α=0.05);土壤酸性磷酸酶與pH值、有效P在呈顯著相關關系(α=0.05),與蔗糖酶、蛋白酶、有機質、全N、全P呈顯著相關(α=0.05);土壤蔗糖酶與有機質、全K呈顯著相關關系(α=0.05),與pH值、全N、全P呈顯著相關(α=0.05);土壤蛋白酶與pH呈顯著相關關系(α=0.05),與容重、有機質呈顯著相關關系(α=0.05)。結果表明,在鳳陽山自然森林土壤中5種土壤酶活性自身之間相互影響,且與土壤理化性質呈一定相關關系,綜合運用5種酶能更好地代表該地區(qū)土壤肥力狀況以及土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,是較為理想的土壤質量指標。2.4土壤酶活性分析通過上述分析發(fā)現(xiàn),鳳陽山土壤酶活性與土壤理化性質尤其是化學性質有較高的相關性,用回歸方程完全有可能表示它們之間的關系,最終可以用易測土壤性質指標對各種土壤酶活性進行預測分析。采用逐步回歸法(若p≤0.05則引入,p>0.1則剔除),對其進行逐步回歸分析,鳳陽山亞熱帶森林土壤酶活性與化學性質的回歸方程詳見表4。表4中對土壤脲酶和酸性磷酸酶擬合的R2系數(shù)較之其它3種酶的擬合方程比較高,擬合效果較好,可以作為該地區(qū)這兩種土壤酶活性預測分析的通用方程。然而,森林土壤作為復雜的生態(tài)系統(tǒng),其生物特性可能受到水分、溫度、生物活動、病蟲害及各種養(yǎng)分含量等因素的影響,時空變異性比較大,在實踐中仍要綜合考慮以上各因子可能的影響。3不同林分類型土壤酶活性研究(1)鳳陽山地區(qū)常綠闊葉林土壤脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶活性較之其它林分最高;柳杉林土壤蔗糖酶活性最高;針葉林土壤蛋白酶活性最高;杉木林脲酶和蔗糖酶含量均最低;柳杉林過氧化氫酶、酸性磷酸酶、蛋白酶含量最低。6種林分類型下土壤酶活性在土壤剖面上均表現(xiàn)出自上而下逐漸減小的趨勢,但是變化趨勢在不同林分間有一定的差異。(2)相關分析結果表明,鳳陽山不同林分類型土壤酶活性與各土壤理化性質指標間存在較高的相關性,通過回歸方程甚至可以得出該地區(qū)土壤脲酶、酸性磷酸酶