程 曼,成 毅,安韶山,2

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,陜西楊陵712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,陜西楊陵 712100）

“退耕還林還草”工程作為“西部大開發(fā)”中生態(tài)環(huán)境建設(shè)的關(guān)鍵和切入點,經(jīng)過近十多年的實踐,不僅改變了西部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境面貌,有利于我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展,而且對于人類應(yīng)對生態(tài)環(huán)境危機的大業(yè)具有積極意義[1]。但是對于土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響如何則需要進一步探究。在土壤生態(tài)系統(tǒng)中,土壤微生物作為土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分(N,P,S等)轉(zhuǎn)化及循環(huán)的動力,參與有機質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和循環(huán)等生化過程,在土壤生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中起著重要作用[2]。而土壤中各種生化反應(yīng)除受到微生物本身活動的影響外,實際上是在各種相應(yīng)的酶參與下完成的[3]。微生物和酶都是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分,是土壤生物活性的綜合表現(xiàn)[4]。退耕地植被恢復(fù)對遏制水土流失、提高土壤質(zhì)量和改善生態(tài)環(huán)境有著極其重要的作用[5]。本研究通過對農(nóng)田以及退耕后不同植被恢復(fù)下土壤的微生物生物量碳、氮、磷、轉(zhuǎn)化酶活性、堿性磷酸酶活性、過氧化氫酶活性和脲酶活性的變化特征進行研究,從土壤微生物學(xué)角度探討退耕還林還草對于土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響,對退耕還林還草的生態(tài)效益評估提供土壤微生物學(xué)方面的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及樣地設(shè)置

研究區(qū)位于黃土丘陵區(qū)寧夏固原市東部的河川鄉(xiāng),屬涇河水系支流小川河的中游,地處106°26′-106°30′E,35°59′-36°3′N,海拔 1 534 ～1 822 m,年均降水量420 mm,年均氣溫7℃,干燥度1.55～2.0,屬半干旱中溫帶向暖溫帶過渡季風(fēng)氣候區(qū)。研究區(qū)由小川河分為兩部分,東部為梁狀丘陵,地形起伏較大;西部自東向西依次為臺、坪、梁地形。試驗區(qū)溝坡地占90%,平緩臺地僅占8%,且51%的土地坡度為15°～ 20°,總土地面積 716 km2。土壤類型主要是黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土。

根據(jù)黃土高原不同土地利用方式分布情況確定采樣地,所調(diào)查樣地的植被類型包括天然草地(N.G)、農(nóng)地(Cro.)、苜蓿(Alf.)和檸條林地(CK)。調(diào)查樣地概況見表1。

1.2 土壤樣品采集與分析

在每個樣地中采取S型路線多點采樣,各采樣地均按0-5 cm、5-20 cm、20-40 cm分別多點采集混合樣品(分別采集21個樣點混合)。樣品經(jīng)風(fēng)干去除根系、石塊,研磨過篩分裝備用,各分析項目重復(fù)3次,采樣時間為2007年7月。

表1 試驗樣地概況

土壤微生物生物量碳、氮含量采用氯仿熏蒸浸提法[6-7]測定。微生物量碳和氮在水土比 1∶4的K2SO4浸提液中提取30 min,提取液中土壤可溶性有機碳用總有機碳分析儀(Phoenix 8000)測定,可溶性全氮(TSN)采用堿性過硫酸鉀氧化法[8]測定,土壤可溶性有機氮(SON)=TSN-無機氮。土壤微生物生物量磷的測定參照Brookes[9]等的方法,用 0.5 mol/L的NaHCO3(pH8.5)作浸提劑,在1∶20的土水比中提取30 min,提取液中P的測定用鉬銻抗顯色法測定[10]。土壤微生物生物量碳(mg/kg),Cmic=EC/0.45,土壤微生物生物量氮(mg/kg),Nmic=EN/0.45,土壤微生物生物量磷(mg/kg),Pmic=EP/0.4,其中0.45為土壤微生物生物量碳和氮的系數(shù),EC和EN分別為熏蒸和未熏蒸土壤K2SO4浸提液有機碳和全氮含量的差值,EP為熏蒸和未熏蒸NaHCO3浸提液微生物量磷的差值,0.4為土壤微生物生物量磷的系數(shù)[9]。其他化學(xué)性質(zhì)均參照文獻[10]進行分析。土壤脲酶活性用靛酚比色法測定,土壤堿性磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測定,轉(zhuǎn)化酶用Na2S2O3滴定法,過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定法。所得數(shù)據(jù)用DPS和Excel進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分對植被恢復(fù)的響應(yīng)

認識土壤養(yǎng)分對于植被恢復(fù)的響應(yīng)能夠更加科學(xué)地進行植被恢復(fù)規(guī)劃,進而提高生態(tài)恢復(fù)的生態(tài)效益。由表2可知,農(nóng)田退耕后不同植被恢復(fù)下,表層(0-5 cm土層)土壤有機質(zhì)、堿解氮、全氮含量均為天然草地最高,苜蓿、檸條次之,農(nóng)地最低;速效鉀含量為除苜蓿外,其他植被恢復(fù)土地均高于農(nóng)地;速效磷含量為苜蓿最高,農(nóng)地次之,農(nóng)地比檸條高出0.6%,比天然草地高出14.2%。由此不難看出,本研究中農(nóng)田退耕后通過三種不同的植被恢復(fù)措施,表層土壤的養(yǎng)分,除速效磷以外,有機質(zhì)、堿解氮、全氮、速效鉀含量都有所提升。

2.2 農(nóng)田退耕后不同植被恢復(fù)對微生物生物量的影響

2.2.1 農(nóng)田退耕后不同植被恢復(fù)對微生物生物量碳的影響 由圖1可以看出,農(nóng)田退耕后,不同的植被恢復(fù)措施下,表層0-5 cm和5-20 cm土層土壤微生物生物量碳含量均為天然草地＞檸條林地＞苜蓿＞農(nóng)地,20-40 cm土層則為檸條最高,天然草地和苜蓿居中,農(nóng)地最低。其中,表層土壤微生物生物量碳含量天然草地、檸條、苜蓿地分別是農(nóng)地的3.12倍、2.58倍、1.59倍;5-20 cm土層土壤天然草地、檸條、苜蓿地分別是農(nóng)地的1.73倍、1.63倍、1.05倍;20-40 cm土層檸條、天然草地、苜蓿地分別是農(nóng)地的2.21倍、1.05倍、1.04倍。通過顯著性分析發(fā)現(xiàn),表層(0-5 cm土層)土壤農(nóng)地和其他3種植被恢復(fù)下微生物量生物量碳含量差異顯著(P＜0.05,n=3);5-20 cm土層除苜蓿,農(nóng)地和其他植被下微生物生物量碳含量差異顯著(P＜0.05,n=3);20-40 cm土層農(nóng)地與三種植被恢復(fù)下微生物量生物量碳含量都無顯著性差異(P＜0.05,n=3)。

表2 不同植被恢復(fù)措施下不同土層土壤養(yǎng)分狀況

圖1 不同土地利用方式土壤微生物碳

2.2.2 農(nóng)田退耕后不同植被恢復(fù)對微生物生物量氮的影響 由圖2可知,農(nóng)田退耕后土壤微生物生物量氮含量在表層0-5 cm從農(nóng)地、苜蓿、檸條、天然草地依次遞增,5-20 cm土層為隨苜蓿、農(nóng)地、天然草地、檸條依次遞減,20-40 cm土層則以農(nóng)地含量最高,苜蓿地、檸條林地居中,天然草地最低。其中,農(nóng)田退耕后通過不同的植被恢復(fù)措施,表層0-5 cm土壤的微生物生物量氮含量是農(nóng)地的1.21～1.41倍。顯著性分析表明,農(nóng)地和退耕后不同植被恢復(fù)土地土壤的微生物生物量氮含量差異性表現(xiàn)為:表層和 5-20 cm無顯著性差異(P＜0.05,n=3),20-40 cm土層則存在顯著差異(P＜0.05,n=3)。

圖2 不同土地利用方式土壤微生物氮

2.2.3 農(nóng)田退耕后不同植被恢復(fù)對微生物生物量磷的影響 由圖3可知,農(nóng)田退耕后不同植被恢復(fù)下,表層0-5 cm和5-20 cm土層土壤微生物生物量磷含量隨農(nóng)地、苜蓿、天然草地、檸條呈現(xiàn)依次遞增的趨勢,20-40 cm土層則為從苜蓿、天然草地、農(nóng)地、檸條依次遞增。其中,退耕后種植檸條以后,土壤微生物生物量磷含量高出19%～80%。顯著性分析可知:農(nóng)田退耕后,通過不同的植被恢復(fù)措施,表層0-5 cm、5-20 cm土層和20-40 cm土層土壤的微生物生物量磷含量都無顯著差異(P＜0.05,n=3)?？梢钥闯?土壤微生物生物量磷對于植被恢復(fù)措施的響應(yīng)不夠敏感。

圖3 不同土地利用方式土壤微生物磷

2.3 農(nóng)田退耕后植被恢復(fù)對土壤酶活性的影響

2.3.1 農(nóng)田退耕后植被恢復(fù)對土壤轉(zhuǎn)化酶活性的影響 由圖4可見,農(nóng)田退耕后不同植被恢復(fù)下,土壤轉(zhuǎn)化酶的活性有所增強,主要表現(xiàn)在表層0-5 cm和5-20 cm土層。表層和5-20 cm土層天然草地、檸條、苜蓿土壤轉(zhuǎn)化酶活性比農(nóng)地高出1%～41%,20-40 cm土層則不同,檸條林地最高,為農(nóng)地的1.49倍,農(nóng)地高于其他的植被恢復(fù)措施。幾種植被恢復(fù)下,表層0-5 cm除天然草地外,其他植被恢復(fù)措施同農(nóng)地的土壤轉(zhuǎn)化酶活性之間無顯著差異(P＜0.05,n=3);5-20 cm土層苜蓿和農(nóng)地的土壤轉(zhuǎn)化酶活性差異不顯著(P＜0.05,n=3);20-40 cm土層為除檸條外,其他植被恢復(fù)措施同農(nóng)地之間都無顯著差異(P＜0.05,n=3)。

圖4 不同土地利用方式土壤轉(zhuǎn)化酶活性

2.3.2 農(nóng)田退耕后植被恢復(fù)對土壤堿性磷酸酶活性的影響 如圖5,同轉(zhuǎn)化酶一樣,農(nóng)田退耕后不同植被恢復(fù)下,土壤堿性磷酸酶活性有所增強,表現(xiàn)在表層和5-20 cm土層,比農(nóng)地高出1%～89%,20-40 cm土層的堿性磷酸酶活性隨檸條、天然草地、農(nóng)地、苜蓿呈依次降低的趨勢。由顯著性分析可以發(fā)現(xiàn),農(nóng)田退耕后不同植被恢復(fù)下,表層0-5 cm和5-20 cm土層土壤的堿性磷酸酶活性均為天然草地、檸條同農(nóng)地呈顯著性差異(P＜0.05,n=3),苜蓿同農(nóng)地之間差異不顯著(P＜0.05,n=3);20-40 cm土層則為檸條、天然草地同農(nóng)地之間差異顯著(P＜0.05,n=3),苜蓿同農(nóng)地之間差異不顯著(P＜0.05,n=3)。

圖5 不同土地利用方式土壤堿性磷酸酶活性

圖6 不同土地利用方式土壤過氧化氫酶活性

2.3.3 農(nóng)田退耕后植被恢復(fù)對土壤過氧化氫酶活性的影響 由圖6可知,農(nóng)田退耕后通過不同植被恢復(fù)措施,表層土壤過氧化氫酶活性稍微有所增強,天然草地、苜蓿、檸條林地分別是農(nóng)地的 1.01倍、1.08倍、1.03倍;5-20 cm土層土壤過氧化氫酶活性隨苜蓿、農(nóng)地、檸條、天然草地呈降低趨勢;20-40 cm土層土壤過氧化氫酶活性隨苜蓿、農(nóng)地、檸條、天然草地呈降低趨勢。顯著性分析發(fā)現(xiàn):表層土壤天然草地、苜蓿、檸條和農(nóng)地的過氧化氫酶活性之間均無顯著差異(P＜0.05,n=3);苜蓿和農(nóng)地的過氧化氫酶活性之間5-20 cm土層、20-40 cm土層都存在顯著差異(P＜0.05,n=3)。

2.3.4 農(nóng)田退耕后植被恢復(fù)對土壤脲酶活性的影響圖7表明,農(nóng)田退耕后不同植被恢復(fù)下,0-5 cm土層土壤脲酶活性有所增強,天然草地、檸條、苜蓿分別是農(nóng)地的 2.70倍、1.83倍、1.18倍,5-20 cm 土層土壤脲酶活性隨天然草地、檸條、農(nóng)地、苜蓿呈降低趨勢,20-40 cm土層土壤脲酶活性隨檸條、天然草地、農(nóng)地、苜蓿依次降低。由顯著性分析可知,農(nóng)田退耕后通過不同的植被恢復(fù)措施,表層、5-20 cm土層、20-40 cm土層土壤脲酶活性差異性相同:苜蓿和農(nóng)地之間無顯著差異(P＜0.05,n=3),檸條、天然草地和農(nóng)地之間存在顯著差異(P＜0.05,n=3)。

圖7 不同土地利用方式土壤脲酶活性

2.4 土壤微生物生物量、酶活性及養(yǎng)分的相關(guān)分析

由表3可知,土壤微生物生物量碳同土壤有機質(zhì)、堿解氮、全氮、速效鉀呈極顯著相關(guān),而同土壤速效磷不具有顯著相關(guān)性;微生物生物量氮同有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀、速效磷具有極顯著相關(guān)性,與全氮具有顯著相關(guān)性;微生物生物量磷同有機質(zhì)、堿解氮具有極顯著相關(guān)性,與速效鉀具有顯著相關(guān)性;微生物生物量碳、氮、磷含量兩兩之間有極顯著相關(guān)性或顯著相關(guān)性。這進一步肯定了已有研究中的結(jié)論:土壤微生物生物量碳、氮、磷在作為評價土壤質(zhì)量的生物學(xué)指標(biāo)時具有可行性和協(xié)同性[11]。土壤酶活性與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性分析可知:土壤轉(zhuǎn)化酶同速效鉀、速效磷具有顯著相關(guān)性;堿性磷酸酶同有機質(zhì)、速效鉀、速效磷具有極顯著相關(guān)性;土壤過氧化氫酶同有機質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷具有極顯著相關(guān)性,與堿解氮具有顯著相關(guān)性;土壤脲酶同土壤速效鉀具有極顯著相關(guān)性;除脲酶和過氧化氫酶之間無相關(guān)性以外,轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶、過氧化氫酶、脲酶兩兩之間具有顯著相關(guān)性或極顯著相關(guān)性。

表3 土壤微生物生物量、酶活性及其養(yǎng)分之間的相關(guān)性分析

3 討論

土壤微生物直接參與養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和循環(huán),土壤微生物生物量的大小和轉(zhuǎn)化能力直接影響植物對養(yǎng)分的吸收[12],同時,植物的生長也對土壤微生物群落產(chǎn)生很大影響,而植被類型、多樣性和蓋度的差異都會對土壤微生物產(chǎn)生不同影響[13-15]。土壤中微生物生物量越高,微生物群落活躍程度越高,在一定程度上反映土壤生態(tài)系統(tǒng)具有越強的物質(zhì)循環(huán)能力。土地利用是人類干預(yù)土壤質(zhì)量最重要、最直接的活動,通過對不同物質(zhì)的時空配置和循環(huán),干擾和調(diào)整土壤生物地質(zhì)循環(huán)過程,從而使土壤肥力發(fā)生變化,并且導(dǎo)致土壤生物學(xué)質(zhì)量的改變[16]。本研究將農(nóng)田以及退耕后不同植被恢復(fù)下的土壤微生物生物量相比較,討論農(nóng)田退耕后不同植被恢復(fù)對于土壤微生物活性的影響。由以上分析可知,農(nóng)田退耕后不同植被恢復(fù)下表層、5-20 cm土層、20-40 cm土層土壤微生物生物量碳含量是農(nóng)地的1.04～3.12倍,說明農(nóng)田退耕有利于土壤微生物生物量碳含量的積累。這與前人的研究報道大概一致。Jenkinson和 Powlson對林地、草地、耕地表層土壤微生物生物量C的測定結(jié)果表明,草地和林地土壤微生物生物量C為耕地土壤的2～4倍[7]。其中天然草地和檸條的微生物生物量碳含量提升的幅度很大,這也與已有報道相一致[11]。天然草地相對人工植被恢復(fù)而言,存在更加豐富的植物多樣性,另外草本植物不僅地上部分生長量大,為土壤微生物提供大量凋落物,而且根系發(fā)達,密集于表層,根系的分泌物和衰亡的根更是微生物豐富的能源物質(zhì)[17]。對于土壤微生物生物量氮含量而言,本研究中農(nóng)田退耕后通過不同植被恢復(fù)措施,表層稍微有所提升,從相關(guān)性分析來看,微生物生物量氮和微生物量碳、微生物生物量磷都有顯著相關(guān),這可能是其他養(yǎng)分的協(xié)同作用而導(dǎo)致的;5-20 cm土層和20-40 cm土層微生物生物量氮含量為農(nóng)地偏高,這可能與農(nóng)田利用過程中有機無機肥料的施用有關(guān),外源物質(zhì)的加入為土壤微生物提供了碳源,使得土壤中微生物活動變得更加頻繁,相應(yīng)地引起土壤微生物生物量氮含量的增多。和微生物生物量碳、氮相比,微生物生物量磷含量對于不同植被恢復(fù)措施的響應(yīng)比較小,差異性比較均無顯著差異就說明微生物生物量磷含量比較穩(wěn)定。

土壤酶活性是土壤生物活性的總體表現(xiàn),反映了土壤的綜合肥力特征及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化進程,它可以作為衡量土壤肥力水平高低的較好指標(biāo)[18]。由酶活性的數(shù)據(jù)分析可以看出,農(nóng)田退耕后通過不同植被恢復(fù)措施,表層土壤的轉(zhuǎn)化酶活性、堿性磷酸酶活性、過氧化氫酶活性以及脲酶活性均有所提高,其中脲酶活性提高的幅度最大,為農(nóng)地的1.95倍,堿性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶次之,過氧化氫酶活性變化的幅度最小;5-20 cm土層的土壤轉(zhuǎn)化酶活性、堿性磷酸酶活性也有一定幅度的提高,但是幅度比較小。植物根系分泌物、殘體(含凋落物和根系脫落物)在土壤分解過程中刺激了微生物活動,從而增加了土壤酶活性[19]。農(nóng)田退耕后,實施不同的植被恢復(fù)措施,進入土壤中的植物凋謝相對農(nóng)田較多,歸還給土壤的物質(zhì)多并且豐富,相應(yīng)地引起土壤中微生物數(shù)量的增多,這就使得植物-土壤之間的互動機制得到充分發(fā)揮。天然草地可明顯提高土壤的轉(zhuǎn)化酶活性和堿性磷酸酶活性,這與已有報道結(jié)論相一致[20]。天然草地、檸條可明顯提高土壤的堿性磷酸酶活性和脲酶,有研究已明確指出堿性磷酸酶和脲酶可以作為評價土壤肥力的指標(biāo)[18],這說明天然草地、檸條可以在一定程度上提高土壤肥力。

4 結(jié)論

農(nóng)田退耕后通過天然草地、苜蓿、檸條三種植被恢復(fù)措施,表層(0-5 cm土層)土壤的養(yǎng)分,除速效磷以外,有機質(zhì)、堿解氮、全氮、速效鉀含量都有所提升;土壤微生物生物量碳含量提高幅度比較大,微生物生物量氮含量為農(nóng)田較高,微生物生物量磷則相對穩(wěn)定;表層(0-5 cm土層)土壤的脲酶活性提高幅度最大,堿性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶次之,過氧化氫酶活性變化的幅度最小?？梢?從微生物生物量和酶活性變化特征來看,農(nóng)田退耕后,通過不同的植被恢復(fù)措施,使土壤生態(tài)系統(tǒng)由以輸出為主的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘敕忾]的人工生態(tài)系統(tǒng),土壤的生物肥力有所提高。

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