顏歡歡 吳承禎,2,3 洪 偉,2 林勇明,2 洪 滔,2 林 晗,2 李 鍵,2 陳 燦,2

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2. 福建省高校森林生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程與經(jīng)營(yíng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002；3. 武夷學(xué)院,福建 武夷山 354300)

據(jù)FAO完成的2010年全球森林資源評(píng)估，我國(guó)森林總面積為 20 686.1 萬(wàn)hm2，其中天然林面積 12 970.3 萬(wàn)hm2，人工林面積 7 715.7 萬(wàn)hm2[1]。近年來(lái)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展對(duì)木材的需求量越來(lái)越大，我國(guó)人工林面積增長(zhǎng)迅速。但是人工純林的大面積種植也帶來(lái)了樹種單一、生物多樣性減少、病蟲害增加和地力衰退等問(wèn)題[2]。德國(guó)林學(xué)家早在19世紀(jì)末期就對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了探索[3]，并于20世紀(jì)20年代提出了完整的理論和技術(shù)體系，即近自然經(jīng)營(yíng)模式[4]。我國(guó)于20世紀(jì)末引入該經(jīng)營(yíng)模式[5]，并得到廣泛應(yīng)用。

千年桐(AleuritesmontanaLour.)是世界著名、我國(guó)特有的油料樹種[6]，廣泛分布在我國(guó)東南沿海各省份。其果實(shí)可用來(lái)生產(chǎn)生物質(zhì)柴油及其他工業(yè)原料，木材也是良好的用材原料。由于千年桐自我更新能力強(qiáng)、維護(hù)地力效果好，作為生態(tài)公益林的更新補(bǔ)植樹種效果良好[7]，目前已在我國(guó)南方林區(qū)大力推廣。然而，千年桐種植主要依靠營(yíng)造人工林，人為干擾較大，人力成本與撫育成本隨物價(jià)上漲不斷增加，近自然模式的人力成本與撫育成本低于常規(guī)經(jīng)營(yíng)，在營(yíng)林過(guò)程中可節(jié)省開支，但目前千年桐近自然林營(yíng)造面積極少，且對(duì)林地的維持效益尚不明了。

土壤酶作為土壤組分中的重要組成成分[8]，幾乎參與了土壤中所有的生物化學(xué)過(guò)程。因此，土壤酶可以作為反映土壤質(zhì)量的綜合度量指標(biāo)[9-12]。為評(píng)價(jià)近自然經(jīng)營(yíng)和常規(guī)經(jīng)營(yíng)的千年桐土壤質(zhì)量差異性，本項(xiàng)試驗(yàn)以建陽(yáng)市不同經(jīng)營(yíng)方式的千年桐生態(tài)林為研究對(duì)象，探討不同經(jīng)營(yíng)方式對(duì)土壤酶活性的影響，以期為進(jìn)一步推廣千年桐近自然經(jīng)營(yíng)模式提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)及試驗(yàn)林概況

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)楦＝ń?yáng)市，位于福建省北部，武夷山南麓，地處北緯27°16′～27°43′，東經(jīng)117°31′～118°38′。屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，四季分明，夏長(zhǎng)秋短，秋冬多霧。年平均溫度18.1 ℃，最低溫1月均溫為3.0 ℃，最高溫7月均溫為27.6 ℃；絕對(duì)最低氣溫為-8.7 ℃[13]。

1.2 試驗(yàn)林概況

試驗(yàn)林地位于建陽(yáng)市小湖綜合林場(chǎng)(北緯27°20′，東經(jīng)117°53′)和書坊綜合林場(chǎng)(北緯27°18′，東經(jīng)117°49′),兩地相距約6.13 km，自然條件相似，土壤類型一致(表1)。造林前均為皆伐后的山地，采伐跡地均是10年生馬尾松(Pinusmassoniana)人工林，并在2處林地內(nèi)取土樣測(cè)定土壤基本性質(zhì)(包括酶活性)。2處林地內(nèi)的酶活性見表2，且酶活性差異不顯著。小湖林場(chǎng)按照近自然森林經(jīng)營(yíng)技術(shù)對(duì)所造千年桐林進(jìn)行經(jīng)營(yíng)管理。采用實(shí)生苗栽種，造林密度 2 000 株/hm2，具體技術(shù)措施為：一是經(jīng)營(yíng)及作業(yè)設(shè)計(jì)調(diào)查，調(diào)查千年桐林地各個(gè)立地因子(表1)，林分內(nèi)優(yōu)勢(shì)樹種為千年桐，次生樹種為馬尾松，林下主要灌木為苦竹(Bitterbamboo)，主要草本為黑莎草(Gahniatristis)；二是群落生境調(diào)查制圖與經(jīng)營(yíng)規(guī)劃，由于造林時(shí)間較短，千年桐林分的群落生境圖與經(jīng)營(yíng)規(guī)劃尚在制備階段；三是目標(biāo)樹單株經(jīng)營(yíng)技術(shù)，千年桐為林分中的目標(biāo)樹，對(duì)其進(jìn)行單株木撫育管理。書坊林場(chǎng)按照傳統(tǒng)經(jīng)營(yíng)技術(shù)對(duì)所造千年桐林進(jìn)行經(jīng)營(yíng)管理。采用實(shí)生苗栽種，造林密度為 1 500 株/hm2，所造林分為千年桐純林，造林后定期進(jìn)行人工撫育管理，包括修剪側(cè)枝、清除地上灌木草本及擴(kuò)穴。

表1 樣地基本情況

表2 造林前林地酶活性

2 研究方法

2.1 樣地選擇與設(shè)置

在2個(gè)林場(chǎng)分別選擇適合的研究樣地。于小湖綜合林場(chǎng)選取3塊樣地，記為A、B、C，每塊樣地大小設(shè)置為20 m×20 m;在書坊綜合林場(chǎng)設(shè)置3塊20 m×20 m的樣地，記為D、E、F。用木樁、玻璃繩和羅盤儀對(duì)樣地進(jìn)行定位和定界，并在每塊樣地內(nèi)選取3株成正三角分布的千年桐代表樹，用噴漆作好標(biāo)記。

2.2 土壤樣品的采集與處理

在每塊樣地的3株代表樹下，距離樹根約30 cm處取相對(duì)稱的2個(gè)土壤剖面，并用環(huán)刀對(duì)剖面進(jìn)行分層取樣，分別取0～10、10～20、20～30、30～40 cm處4層土樣，去除須根后分別裝入標(biāo)記好的自封袋并放入4 ℃冷藏箱中，帶回實(shí)驗(yàn)室以便分析。

2.3 測(cè)定方法

在土壤酶活性的測(cè)定中，脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測(cè)定，酶活性以1 g土壤在37 ℃下培養(yǎng)24 h后所含的NH3-N的毫克數(shù)表示；蔗糖酶采用3，5二硝基水楊酸比色法測(cè)定，酶活性以1 g土壤在37 ℃下培養(yǎng)24 h后所生成的葡萄糖毫克數(shù)表示；酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定，酶活性以1 g土壤在37 ℃下培養(yǎng)12 h后所含的酚毫克數(shù)表示；多酚氧化酶采用鄰苯三酚比色法測(cè)定，酶活性以1 g土壤在30 ℃下培養(yǎng)2 h后所含紫色沒(méi)食子素的毫克數(shù)表示；過(guò)氧化氫酶采用容量法測(cè)定，酶活性以1 g土壤在常溫培養(yǎng)20 min后消耗0.1 mol/L高錳酸鉀的毫升數(shù)表示[14]。

2.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Excel軟件和SPSS軟件進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 近自然經(jīng)營(yíng)對(duì)土壤脲酶的影響

脲酶廣泛存在于土壤中，是研究得比較深入的一種酶[15]。土壤脲酶作為一種酰胺酶，可水解尿素為氨和二氧化碳，是氮素轉(zhuǎn)化的重要酶類[16]。分別取近自然經(jīng)營(yíng)的A、B、C樣地及常規(guī)經(jīng)營(yíng)的D、E、F樣地各層土壤脲酶活性平均值，結(jié)果見圖1。

從圖1可看出：與常規(guī)經(jīng)營(yíng)的樣地相比，近自然經(jīng)營(yíng)的樣地0～10、10～20、20～30、30～40 cm土層脲酶活性分別增加了46.37%、53.4%、46.15%和17.9%，其中0～10、10～20 cm與20～30 cm土層差異顯著(P<0.05)。造成近自然經(jīng)營(yíng)中土壤脲酶活性上升的原因是近自然林土壤有機(jī)碳含量升高(表3)，土壤微生物可以得到足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)進(jìn)行生長(zhǎng)代謝，從而使土壤微生物的代謝活性上升，導(dǎo)致土壤脲酶活性升高[17]。此外，無(wú)論是近自然經(jīng)營(yíng)的A、B、C樣地，還是常規(guī)經(jīng)營(yíng)的D、E、F樣地，都呈現(xiàn)出脲酶活性隨著土壤深度的增加而降低的規(guī)律，這是由于隨深度增加，土壤中養(yǎng)分減少，土壤微生物活動(dòng)減少所致[18]。

表3 不同經(jīng)營(yíng)方式有機(jī)碳含量

3.2 近自然經(jīng)營(yíng)對(duì)土壤蔗糖酶的影響

土壤蔗糖酶又叫轉(zhuǎn)化酶，是土壤中的一個(gè)重要酶類[19]。蔗糖酶的酶促產(chǎn)物葡萄糖是植物微生物的營(yíng)養(yǎng)源，直接關(guān)系到植物的生長(zhǎng)，因此是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)[20]。分別取近自然經(jīng)營(yíng)的A、B、C樣地及常規(guī)經(jīng)營(yíng)的D、E、F樣地各層平均值與常規(guī)經(jīng)營(yíng)的樣地相比，近自然經(jīng)營(yíng)的樣地0～10 cm與10～20 cm土層蔗糖酶活性分別增加了45.47%和29.19%，其中0～10 cm層兩者差異顯著(P<0.05)，而20～30 cm和30～40 cm近自然經(jīng)營(yíng)比常規(guī)經(jīng)營(yíng)則降低了15.28%和11.94%，見圖2。

近自然經(jīng)營(yíng)的樣地表層土的蔗糖酶活性增加，深層土蔗糖酶活性降低。樣地現(xiàn)場(chǎng)勘查后發(fā)現(xiàn)，近自然經(jīng)營(yíng)的樣地中凋落物充足，而常規(guī)經(jīng)營(yíng)的林下凋落物稀少。再加上近自然經(jīng)營(yíng)的人為干擾措施小和常規(guī)經(jīng)營(yíng)定期清除林下灌木草本，所以導(dǎo)致近自然經(jīng)營(yíng)的林分凋落物豐富，并含有大量糖、氨基酸和脂肪酸等易被淋溶且極易分解的化合物，對(duì)土壤微生物的活動(dòng)和繁衍更有利[21]，也就造成了表層土蔗糖酶活性的增加[22]。常規(guī)經(jīng)營(yíng)的林地土壤時(shí)有翻墾，所以導(dǎo)致各土層蔗糖酶活性差異不大，且深層活性大于近自然林。

3.3 近自然經(jīng)營(yíng)對(duì)土壤磷酸酶的影響

磷酸酶對(duì)土壤磷素的有效性具有重要影響，其活性是評(píng)價(jià)土壤磷素生物轉(zhuǎn)化方向與強(qiáng)度的指標(biāo)[23]。根據(jù)酸堿性磷酸酶可分為酸性磷酸酶、中性磷酸酶和堿性磷酸酶，根據(jù)對(duì)研究區(qū)域土壤酸堿性的測(cè)定，研究區(qū)內(nèi)為酸性磷酸酶。分別取近自然經(jīng)營(yíng)的A、B、C樣地及常規(guī)經(jīng)營(yíng)的D、E、F樣地各層平均值與常規(guī)經(jīng)營(yíng)的樣地相比，近自然經(jīng)營(yíng)的樣地0～10、10～20、20～30 cm土層磷酸酶活性分別增加了11.46%、10.13%、7.16%，而30～40 cm土層則下降了0.6%，各層差異均不顯著(P>0.05)，見圖3。由結(jié)果可以看出，近自然經(jīng)營(yíng)對(duì)土壤磷酸酶活性影響并不顯著。

3.4 近自然經(jīng)營(yíng)對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶的影響

土壤過(guò)氧化氫酶對(duì)過(guò)氧化氫的分解，有利于防止其對(duì)生物體的毒害作用[24]。分別取近自然經(jīng)營(yíng)的A、B、C樣地及常規(guī)經(jīng)營(yíng)的D、E、F樣地各層平均值與常規(guī)經(jīng)營(yíng)的樣地比較，近自然經(jīng)營(yíng)的樣地0～10、10～20、20～30、30～40 cm土層過(guò)氧化氫酶活性分別增加了18.87%、19.72%、22.52%、27.38%，其中20～30 cm與30～40 cm土層差異顯著(P<0.05)，見圖4。可見近自然經(jīng)營(yíng)對(duì)土壤下層過(guò)氧化氫酶影響顯著，更有利千年桐抵抗過(guò)氧化氫的毒害。

3.5 近自然經(jīng)營(yíng)對(duì)土壤多酚氧化酶的影響

土壤多酚氧化酶主要來(lái)源于土壤微生物、植物根系分泌物及動(dòng)植物殘?bào)w分解釋放的酶，是一種復(fù)合性酶[16]。多酚氧化酶參與土壤有機(jī)組分中芳香族化合物的轉(zhuǎn)化作用，土壤中的酚類物質(zhì)在多酚氧化酶作用下氧化生成醌[25]，醌與土壤中各類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)反應(yīng)，完成土壤芳香族化合物循環(huán)。分別取近自然經(jīng)營(yíng)的A、B、C樣地及常規(guī)經(jīng)營(yíng)的D、E、F樣地各層平均值與常規(guī)經(jīng)營(yíng)的樣地相比，近自然經(jīng)營(yíng)的樣地0～10、10～20、20～30、30～40 cm土層多酚氧化酶活性分別增加了47.75%、25.76%、34.29%、37.14%，其中0～10 cm土層差異顯著(P<0.05)，見圖5。多酚氧化酶是腐殖化的一種媒介[26]，在近自然經(jīng)營(yíng)狀態(tài)下，多酚氧化酶活性提高對(duì)土壤環(huán)境修復(fù)和避免土壤和水體污染具有積極作用。

4 結(jié)論與討論

研究結(jié)果顯示，近自然經(jīng)營(yíng)對(duì)土壤酶活性有較大影響。千年桐生態(tài)林經(jīng)過(guò)近自然經(jīng)營(yíng)后，各種酶活性均有提高，其中，脲酶活性和多酚氧化酶活性有顯著提高，蔗糖酶活性只在表層土中提高明顯，酸性磷酸酶活性和過(guò)氧化氫酶活性略有提高。研究還發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是近自然經(jīng)營(yíng)的千年桐樣地還是常規(guī)經(jīng)營(yíng)的千年桐樣地，土壤5種酶活性都隨著土壤深度的增加而減少。熊浩仲等研究西亞高山冷杉(Abiesfabri)林和白樺(Betulaplatyphylla)林中6種土壤酶活性，結(jié)果表明，其活性隨著土層深度增加而降低[27]。秦國(guó)宣等針對(duì)湖南會(huì)同第2代杉木(Cunninghamialanceolata)人工林地土壤酶活性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在2個(gè)不同年齡的杉木人工林地中土層的酶活性，都隨著土層深度的增加而下降[28]，上述研究與本項(xiàng)研究的結(jié)果一致。過(guò)氧化氫酶活性的空間差異不明顯，與王海英等研究嘉陵江上游不同植被恢復(fù)模式土壤酶活性差異中，過(guò)氧化氫酶活性隨土層變化不顯著的結(jié)果[29]基本一致。

待測(cè)土壤樣品的處理有多種方法，包括原樣鮮土[30]、風(fēng)干土[28]、風(fēng)干土濕潤(rùn)培養(yǎng)[31-32]等。一般認(rèn)為，新鮮土樣的樣品更符合自然狀態(tài)，測(cè)出的結(jié)果更科學(xué)。但在實(shí)際研究和測(cè)定過(guò)程中，受地形地貌、取樣時(shí)間、取樣數(shù)量等因素的限制，短時(shí)間內(nèi)完成全部土壤鮮樣的檢測(cè)有困難，故常將新鮮土樣以冷藏和風(fēng)干2種形式處理和保存。有研究者直接采用風(fēng)干土樣進(jìn)行酶活性的測(cè)定，也有將新鮮土樣冷藏后進(jìn)行酶活性測(cè)定[33-34]。姜虹比較了在冷藏4 ℃和室溫條件下濕度和保存時(shí)間對(duì)云南瀾滄地區(qū)土壤酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)酸性磷酸酶活性在4 ℃恒溫下更加穩(wěn)定，而脲酶活性和蔗糖酶活性在室溫條件下更加穩(wěn)定，過(guò)氧化氫酶活性在2個(gè)保存條件下活性變化不明顯[35]。由此可見，不同的土壤酶在不同的保存溫度條件下，穩(wěn)定性也不相同。本試驗(yàn)采取將土樣取回后放入4 ℃恒溫冷藏下進(jìn)行測(cè)定。

土壤酶活性是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，本項(xiàng)研究的結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)近自然經(jīng)營(yíng)后的千年桐生態(tài)林土壤酶活性均有提高，說(shuō)明近自然經(jīng)營(yíng)有利于土壤質(zhì)量的提高。本研究的結(jié)果還顯示出：經(jīng)過(guò)近自然經(jīng)營(yíng)的千年桐生態(tài)林林分結(jié)構(gòu)更為完整，有完整的喬木層、灌木層和草本層，而豐富的林下植被對(duì)土壤的增肥作用顯著高于常規(guī)經(jīng)營(yíng)的單一的千年桐林。本試驗(yàn)僅對(duì)某一時(shí)段不同經(jīng)營(yíng)方式的千年桐土壤酶活性進(jìn)行研究，缺乏長(zhǎng)期性的觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此，應(yīng)在此基礎(chǔ)上對(duì)千年桐生態(tài)林酶活性變化進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，深入研究近自然經(jīng)營(yíng)對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，從而為近自然林業(yè)的發(fā)展提供更全面的依據(jù)。

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