田麗青，王風芹，付晨青，宋安東，張勁松，高 俊，桑玉強

(1.河南農業(yè)大學生命科學學院，農業(yè)部農業(yè)微生物酶工程重點實驗室，河南鄭州450002;2.中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所，國家林業(yè)局林木培育重點實驗室，北京100091;3.河南農業(yè)大學林學院，河南 鄭州450002)

土壤酶主要來源于土壤中植物根系及其殘體、土壤動物及其遺骸與微生物［1］，土壤酶活性與土壤中潛在養(yǎng)分和土壤膠體吸附性離子的有效程度高度相關，而后者又與土壤的供肥能力息息相關［2］。有研究表明［3-6］，不同的植被恢復模式均可顯著或極顯著提高土壤酶活性，因此土壤酶可作為評判不同植被對土壤生物活性恢復效果的重要依據。

太行山南段作為中國林業(yè)生態(tài)建設的重點區(qū)域，因強烈的人為干擾，嚴重的水土流失，致使該區(qū)生態(tài)環(huán)境日趨惡劣，裸山現(xiàn)象十分嚴重，加上該區(qū)是石質山區(qū)，土壤肥力不佳，故而人地矛盾尖銳、土地退化嚴重，已成為困擾該區(qū)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。據統(tǒng)計，該區(qū)主要的退耕還林樹種是刺槐，栓皮櫟和構樹等其它樹種，有研究表明［7-8］，在眾多的植被恢復模式中，以刺槐林的生態(tài)效應最為明顯，因而它對土壤的改良效果將直接影響該區(qū)生態(tài)建設的好壞。此外，由于植物的季節(jié)性生長以及大量枯枝落葉等物質的季節(jié)性回歸，使得土壤酶活性的變化規(guī)律也存在著較大的季節(jié)性差異［9］。本研究以農田為對照，研究了太行山南段退耕還林刺槐林地土壤酶活性的季節(jié)變化規(guī)律及其影響因素，以期揭示該區(qū)退耕還林刺槐林地生態(tài)恢復的生物學機制，并為該區(qū)退耕還林工程順利實施提供重要的建設依據。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于黃河小浪底森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(35°01'N，112°28'E)內。該站隸屬于中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網絡(CFERN)，地處河南省濟源市境內的太行山南段與黃河流域的交接處，定位站中心地區(qū)海拔410 m。屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫12.4 ～14.3 ℃，年日照時數2 367.7 h，年均降水量641.7 mm，年平均蒸發(fā)量為1 611.2 mm，無霜期歷年平均213.2 d，試驗區(qū)林分以人工林為主，刺槐為代表性樹種之一。本研究選取的樣地均為半陽坡中部的退耕還林地，土壤以石灰?guī)r風化母質淋溶性褐土為主，土層厚度為50～80 cm，因原是農田，石礫含量很少，樣地基本情況見表1。其中，農田四季輪作作物為小麥-綠豆;刺槐樹齡分別是10 a和43 a。

1.2 土樣采集

分別從農田(Farm Land，F(xiàn)L)，10 a刺槐(R.pseudoacacia 10 a，RP10)和43 a刺槐(R.pseudoacacia 43 a，RP43)3種樣地取樣，每種樣地設置3個樣方作為重復，每個樣方面積為100 m2。每個樣方按S型布設9個樣點，使所選樣點具有典型性、代表性和一致性。每個樣點挖取土壤剖面0～5 cm土層，自上而下分別取等量的土壤混合均勻，剔除石礫，植物殘根等，迅速帶回實驗室過孔徑為2 mm篩后4℃冰箱保存?zhèn)溆?。?012年的春(3月)、夏(7月)、秋(10月)、冬(12月)四季取樣，共4次。取樣時天氣晴朗，取樣前幾天也均無雨或雪。

1.3 土壤酶活性測定

1.3.1 纖維素酶 纖維素酶活性的測定采用硝基水楊酸比色法，以10 g土樣在37℃和pH值5.5條件下，4 d水解羧甲基纖維素產生1 mg葡萄糖為1 個酶活力單位，用 mg·g-1·d-1表示［10］。

表1 樣地基本情況Table 1 The basic status of measured plots

1.3.2 蔗糖酶 蔗糖酶活性的測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法，以1 g土樣在37℃和pH值5.5條件下，24 h水解蔗糖產生1 mg葡萄糖為1個酶活力單位，用 mg·g-1·d-1表示［10］。

1.3.3 脲酶 脲酶活性的測定采用苯酚-次氯酸鈉比色法，以1 g土樣在37℃和pH值6.7條件下，24 h水解尿素產生1 μg NH3-N為1個酶活力單位，用 μg·g-1·d-1表示［10］。

1.3.4 磷酸酶 磷酸酶活性的測定采用磷酸苯二鈉比色法，以1 g土樣在28℃和pH值10.0條件下，3 h水解磷酸苯二鈉產生1 μg酚為1個酶活力單位，用 μg·g-1·h-1表示［10］。

1.3.5 過氧化氫酶 過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定法，以1 g土樣消耗0.02 mol·L-1KMnO4毫升數為1個酶活力單位，用mL·g-1·h-1表示［2］。

1.4 土壤化學性質的測定

土壤化學性質的測定采用常規(guī)化學分析方法測定［11］。

1.5 土壤酶指數

本研究采用加權和法計算出土壤酶指數。由于土壤因子變化具有連續(xù)性，故各酶活性指標采用具有連續(xù)性質的隸屬度函數，并從主成分因子負荷量值的正負性確定隸屬度函數分布的升降性，本研究全部采用升型分布函數。

土壤酶評價指數計算公式:

式中:SEI(xi)表示土壤酶隸屬度值，wi表示土壤酶(i)的權重。

升型分布函數計算公式:

式中:xij表示土壤酶活性值，ximax和ximin分別表示各樣品所測酶(i)活性的最大值和最小值。

由于土壤質量的各個因子的狀況與重要性通常不同，所以通常用權重系數來表示各個因子的重要性程度。本研究土壤酶權重計算公式如下:

式中:Ci為公因子方差，C為公因子方差之和。

1.6 數據統(tǒng)計分析

數據用WPS2013和DPS7.05統(tǒng)計軟件進行處理和分析，采用LSD法進行不同處理間差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 土壤酶活性季節(jié)變化特征

2.1.1 纖維素酶 纖維素酶可將土壤中復雜的纖維素大分子分解成動植物和微生物易于吸收利用的小分子葡萄糖，它與土壤中有機質的分解、腐殖質的形成和碳素的營養(yǎng)釋放密切相關［12-14］。農田和10 a刺槐纖維素酶酶活性在春季達到高峰，然后緩慢下降，而43 a刺槐纖維素酶酶活性在夏季達到酶活性高峰期，3者纖維素酶酶活性四季增幅變化分別為 0.006 ～0.096、0.059 ～0.184 和 0.083 ～0.442 mg·g-1·d-1。10 a和43 a刺槐四季平均纖維素酶酶活性分別是農田的2.09和3.58倍;43 a刺槐的酶活性是10 a刺槐的1.72倍(圖1)。

圖1 不同林齡刺槐和農田土壤纖維素酶活性季節(jié)演變特征Fig.1 Seasonal dynamic changes of soil cellulase activity in Robinia pseudoacacia forest’s land with different tree-age and farmland

2.1.2 蔗糖酶 蔗糖酶在碳素轉化過程中起重要作用，其活性高低可引起根圈微生物種群、土壤呼吸速率等生物或非生物化學活性的變化［15-16］，常用來表征土壤熟化程度和肥力水平的高低［17］。農田、10 a和43 a刺槐蔗糖酶酶活性分別在秋季、冬季和夏季達到高峰，四季增幅變化分別為1.28～2.80、1.41 ～ 2.10 和 2.02 ～ 3.28 mg·g-1·d-1。10 a和43 a刺槐四季平均蔗糖酶酶活性分別是農田的0.94和1.52倍;43 a刺槐的酶活性是10 a刺槐的1.62 倍(圖2)。

2.1.3 脲酶 脲酶的產物氨是林木生長氮素營養(yǎng)的直接來源，它對提高氮素的利用率和促進土壤氮素循環(huán)具有重要意義［18］。農田脲酶活性四季變化不明顯，而10和43 a刺槐脲酶活性在夏季達到酶活性最高值，3者的四季增幅變化分別為17.35～25.81、4.85 ～27.90 和 13.01 ～71.95 μg·g-1·d-1。10 a和43 a刺槐四季平均脲酶酶活性分別是農田的0.72和2.08倍;43 a刺槐的酶活性是10 a刺槐酶活性的2.88倍(圖3)。

圖2 不同林齡刺槐和農田土壤蔗糖酶活性季節(jié)演變特征Fig.2 Seasonal dynamic changes of soil invertase activity in Robinia pseudoacacia forest’s land with different tree-age and farmland

圖3 不同林齡刺槐和農田土壤脲酶活性季節(jié)演變特征Fig.3 Seasonal dynamic changes of soilurease activity in Robinia pseudoacacia forest’s land with different tree-age and farmland

2.1.4 磷酸酶 磷酸酶能夠加速有機磷的解磷速度，提高土壤磷素的有效性［12］。農田磷酸酶在秋季達到酶活性最高值，而10 a和43 a刺槐磷酸酶酶活性在夏季達到酶活性最高值，四季增幅變化分別為1.56 ～3.74、2.33 ～4.74 和 4.7 ～7.35 μg·g-1·h-1。10 a和43 a刺槐四季平均磷酸酶酶活性分別是農田的1.27和1.83倍;43 a刺槐的酶活性是10 a刺槐酶活性的1.44倍(圖4)。

2.1.5 過氧化氫酶 過氧化氫酶在微生物呼吸和有機質轉化過程中形成，它能合成腐殖質并能減輕或解除過氧化氫對生物體的毒害，其強度可表征土壤腐殖化強度大小和有機質積累程度的高低［19-20］。農田、10 a和43 a刺槐過氧化氫酶酶活性四季變化呈“V”字形趨勢，均于冬季達到酶活性高峰期，四季增幅變化分別為 1.82 ～2.34、1.88 ～2.54 和2.04 ～2.68 mL·g-1·h-1。10 a和 43 a刺槐四季平均過氧化氫酶酶活性分別是農田的1.05和1.10倍;43 a刺槐的酶活性是10 a刺槐酶活性的1.04倍(圖5)。

圖4 不同林齡刺槐和農田土壤磷酸酶活性季節(jié)演變特征Fig.4 Seasonal dynamic changes of soil phosphatase activity in Robinia pseudoacacia forest’s land with different tree-age and farmland

圖5 不同林齡刺槐和農田土壤過氧化氫酶活性季節(jié)演變特征Fig.5 Seasonal dynamic changes of soil catalase activity in Robinia pseudoacacia forest’s land with different tree-age and farmland

2.2 不同林齡刺槐和農田土壤酶指數

土壤酶種類繁多，作用各異，有的酶相互之間信息重疊，為了克服單一酶指標在反映土壤性質方面的局限，本研究采用土壤酶指數(Soil enzymes index，SEI)反映各酶因子的綜合作用，從而更加全面、客觀地揭示不同林齡刺槐土壤酶活性的變化規(guī)律［21］。由圖6可知，與農田相比，10 a和43 a刺槐土壤酶指數季節(jié)均值分別提高75.37%和127.80%，其中，43 a刺槐比10 a刺槐四季土壤酶指數均值提高了29.90%。

圖6 不同林齡刺槐和農田的土壤酶指數季節(jié)變化均值Fig.6 Seasonal mean soil enzyme index in Robinia pseudoacacia forest’s land with different tree-age and farmland

2.3 土壤酶活性與土壤化學成分的相關性分析

由相關性分析可知(表2)，纖維素酶與全氮、速效鉀、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶均為顯著或極顯著正相關;蔗糖酶與硝態(tài)氮、全氮、有機質、速效鉀、脲酶和磷酸酶均為顯著或極顯著正相關;脲酶與速效磷和磷酸酶均為顯著或極顯著正相關;磷酸酶與速效鉀為顯著正相關;過氧化氫酶與有機質為顯著正相關。為了更好地說明土壤酶活性與各化學性質之間的關系，本研究采用逐步回歸法擬合土壤酶活性與土壤化學性質的數學模型，如下:

土壤纖維素酶活性的回歸方程:

式中:Y1為纖維素酶，A1為速效鉀。速效鉀對纖維素酶的偏相關系數為0.871 4＊＊，達到了極顯著水平，說明速效鉀是影響纖維素酶活性的主要因子。

土壤蔗糖酶活性的回歸方程:

式中:Y2為蔗糖酶，B1為硝態(tài)氮，B2為銨態(tài)氮，B3為全氮，B4為有機質，B5為速效磷，B6為速效鉀。速效鉀、速效磷、硝態(tài)氮、有機質、銨態(tài)氮和全氮對磷酸酶的偏相關系數分別為 0.993 4＊＊，0.981 3＊＊，-0.978 2＊＊，0.966 9＊＊，0.946 2＊＊，-0.936 8＊＊，絕對值依次遞減，與速效鉀含量有關的偏相關系數最大，而與全氮有關的回歸系數是回歸模型中的最大值，說明土壤中速效鉀和全氮的含量均是影響蔗糖酶活性的第一位重要因子。

表2 春季土壤酶與土壤化學性質的相關性分析Table 2 Correlation analysis between chemical properties and soil enzymes in spring

土壤脲酶活性的回歸方程:

式中:Y3為脲酶，C1為速效磷。速效磷對脲酶的偏相關系數分別為0.737 6*，說明速效磷的含量是影響脲酶活性的第一位重要因子。

土壤磷酸酶活性的回歸方程:

式中:Y4為磷酸酶，D1為硝態(tài)氮，D2為銨態(tài)氮，D3為速效鉀。速效鉀、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮對磷酸酶的偏相關系數分別為 0.947 1＊＊，0.923 9＊＊和 -0.906 0＊＊，絕對值依次遞減，銨態(tài)氮的回歸系數最大，但其偏相關系數僅略小于速效鉀而位居第二，說明銨態(tài)氮和速效鉀同是影響磷酸酶活性的主要因子。

土壤過氧化氫酶活性的回歸方程:

式中:Y5為過氧化氫酶，E1為硝態(tài)氮，E2為有機質。有機質和硝態(tài)氮對過氧化氫酶的偏相關系數分別為0.877 8＊＊和 -0.835 1＊＊，硝態(tài)氮的回歸系數最大，有機質的偏相關系數最大，說明硝態(tài)氮和有機質同是影響過氧化氫酶活性的主要因子。

總體而言，纖維素酶和脲酶的主要化學影響因子分別是速效鉀和速效磷，蔗糖酶的主要化學影響因子是速效鉀和全氮，磷酸酶的主要化學影響因子是速效鉀和銨態(tài)氮，而過氧化氫酶的主要化學影響因子則是硝態(tài)氮和有機質。

3 結論與討論

退耕還林種植刺槐后土壤中纖維素酶、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶等的活性顯著高于農田，但10 a刺槐的蔗糖酶和脲酶活性除外，其四季均值均略低于農田。各樣地季節(jié)動態(tài)變化差異顯著，10 a和43 a刺槐林地的四季土壤酶指數均值較農田分別提高了75.37%和127.80%，43 a刺槐林地四季土壤酶指數均值較10 a刺槐林地提高了29.90%。表明退耕還林種植刺槐能夠顯著提高土壤的生物活性，且植被恢復時間越長，效果越顯著。逐步回歸分析表明，纖維素酶和脲酶的主要化學影響因子分別是速效鉀和速效磷，蔗糖酶的主要化學影響因子是速效鉀和全氮，磷酸酶的主要化學影響因子是速效鉀和銨態(tài)氮，過氧化氫酶的主要化學影響因子是硝態(tài)氮和有機質。

土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝的重要動力，與有機物質分解、能量轉移、營養(yǎng)物質循環(huán)、環(huán)境質量等密切相關［22］，其活性不僅能反映土壤各生化過程的強度和方向，而且能表征土壤綜合肥力特征和土壤養(yǎng)分轉化能力的強弱，可作為衡量生態(tài)系統(tǒng)中土壤質量變化的預警和敏感指標［20-23］。但由于不同林齡刺槐和農田下的枯枝落葉的種類、數量及根系分泌物不同，再加上林內小氣候的影響，致使5種酶活性季節(jié)變化各異，且酶活性峰值出現(xiàn)的時間也并不相同。農田各酶活性中除了蔗糖酶和脲酶活性略高于10 a刺槐外，其余酶活性均低于10 a和43 a刺槐，且43 a刺槐林地各酶活性均顯著高于10 a刺槐。纖維素酶和過氧化氫酶與腐殖質的形成密切相關［12，19］，刺槐林地中每年積累的枯枝落葉較為豐富，農田中的作物常年被人為挪出，故而刺槐林中纖維素酶和過氧化氫酶活性自然較農田高。蔗糖酶在碳素轉化過程中起重要作用［15-16］，脲酶的產物氨是植物氮素營養(yǎng)的直接來源［18］，因農田每年人為施加碳銨和尿素以增加土壤肥力，故而10 a刺槐的蔗糖酶和脲酶的活性略低于農田，而43 a刺槐卻比農田酶活高出許多，這更是說明了人工林對于改善土壤質量具有積極的正效應，但植被恢復是一個緩慢的過程，要想通過該法達到改良土壤的目的，就必須大面積、長時間地進行植樹造林。

土壤酶指數克服了單一酶指標反映土壤酶活性的片面性和局限性，能更加全面客觀地反映土壤酶活性隨植被恢復的演變特征。10 a和43 a刺槐的四季土壤酶指數均值比農田分別提高了75.37%和127.80%，43 a刺槐的四季土壤酶指數均值比10 a刺槐提高了29.90%。這些結果均表明退耕還林種植刺槐可顯著提高土壤酶活性，且植被恢復時間越長，土壤酶活性越高。

植被種類、水熱條件以及營養(yǎng)豐缺等都可能會對土壤酶活性產生各種影響，故而土壤酶與土壤養(yǎng)分因子的相關性都會存在一定的差異。有學者認為，土壤酶活性與土壤化學性質之間并不存在密切的相關性［24-26］。張笑培等［25］通過對黃土高原南部植被恢復情況進行研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)脲酶、過氧化氫酶和堿性磷酸酶與全磷、速效磷、速效氮、速效鉀均未達到顯著相關。高雪峰等［26］研究短花針茅草原土壤時也發(fā)現(xiàn)脲酶和蔗糖酶與土壤化學性質之間相關性并不顯著。但也有學者證實，土壤酶活性與土壤中的主要化學因子均有較好的相關性［7，12］，如陸梅等［27］研究表明土壤酶活性和土壤養(yǎng)分密切相關。本研究結果也表明，土壤化學性質和5種酶活性之間的相關性較好，其中纖維素酶與全氮和速效鉀均為顯著或極顯著正相關;蔗糖酶與硝態(tài)氮、全氮、有機質和速效鉀均為顯著或極顯著正相關;脲酶與速效磷，磷酸酶與速效鉀，過氧化氫酶與有機質均為顯著正相關，但各酶活性與銨態(tài)氮并未達顯著水平。這與前人研究結果基本一致，充分說明研究區(qū)域不同，研究對象不同，土壤中各種成分相互作用表現(xiàn)出的形式各異，故而各種成分之間的耦合關系也不盡相同，進而說明土壤酶與土壤化學性質之間的關系仍較為復雜，還需進一步研究。

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