朱莎　王娟娟　靳士科　高強　張琪　由文輝

摘要：以上海市內(nèi)懸鈴木、香樟和水杉所構(gòu)成的5種植物群落為研究對象，分析并比較5種植物群落的土壤理化性質(zhì)和酶活性（蔗糖酶、脲酶和磷酸酶）季節(jié)動態(tài)的相關(guān)性。結(jié)果表明，①總體上，闊葉林土壤理化指標(biāo)及土壤酶活性大于針葉林，同時，混交林土壤理化指標(biāo)及土壤酶活性大于單種林；②各植物群落土壤理化指標(biāo)及土壤蔗糖酶活性在秋季、冬季較高，而脲酶和磷酸酶活性在春季較高；③植物群落類型與季節(jié)交互作用對土壤理化性質(zhì)無顯著影響，但對土壤酶活性影響顯著；④不同土壤酶之間、土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)之間均存在著不同程度的相關(guān)性。研究結(jié)果表明，混交復(fù)合群落應(yīng)該成為今后城市綠地建設(shè)中主要的植物群落類型，同時，在城市綠地養(yǎng)護(hù)過程中應(yīng)依據(jù)不同時期的土壤營養(yǎng)狀況進(jìn)行針對性管理。

關(guān)鍵詞：城市綠地；植物群落；季節(jié)動態(tài)；土壤酶活性；土壤理化性質(zhì)；相關(guān)性

0.引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能及可持續(xù)發(fā)展能力受到越來越多的關(guān)注。城市綠地作為城市生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的組成部分，對整個城市生態(tài)系統(tǒng)及自然環(huán)境起著至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用。在自然條件下，土壤是地上植被營養(yǎng)物質(zhì)的主要來源，為地上植被的生長發(fā)育提供營養(yǎng)物質(zhì)基礎(chǔ)。受人為因素影響較大的城市綠地一直存在土壤營養(yǎng)狀況低、自我循環(huán)及系統(tǒng)修復(fù)能力差等特點。城市綠地的土壤特性與植被狀況特點及相關(guān)性不僅可以反映植被對土壤養(yǎng)分的影響狀況，同時可為城市綠地生態(tài)環(huán)境評價提供依據(jù)。

系統(tǒng)性的土壤質(zhì)量評價現(xiàn)主要涉及土壤物理、化學(xué)和生物指標(biāo)所組成的指標(biāo)體系，其中生物指標(biāo)在土壤質(zhì)量評價過程中的作用越來越受到重視。土壤酶是土壤生物化學(xué)過程的積極參與者，在森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程中扮演著重要角色。土壤酶參與土壤中各種物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，其活性變化是一種較理化性質(zhì)更敏感的反應(yīng)土壤變化的指標(biāo)。因此土壤酶活性的變化情況在一定程度上既可以反映植被生長發(fā)育過程中的某些特性，還能表征土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速率及土壤質(zhì)量。

目前，有關(guān)土壤酶活性的研究主要在自然林地、農(nóng)田果園及人工模擬條件下土壤生態(tài)系統(tǒng)開展，僅有少數(shù)研究探討了城市綠地土壤酶活性特點及其與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性，而其中涉及城市綠地營養(yǎng)成分及酶活性情況季節(jié)變化的研究更少。上海作為高度城市化的代表，是城市相關(guān)研究的主要關(guān)注區(qū)域，前人已對上海綠地不同森林類型土壤理化性質(zhì)、土壤有機碳分布以及土壤酶活性等都進(jìn)行了單獨研究，但關(guān)于上海綠地植物群落土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性的研究還未見報道。本研究在建成時間較長的上海動物園選取立地條件相似、密度相同、林齡相近的懸鈴木、香樟、水杉及香樟懸鈴木、香樟水杉5種植物群落作為研究對象，比較不同樹種對土壤狀況的影響程度，探究不同植物群落土壤酶活性季節(jié)變化及其與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性，可為城市森林綠化設(shè)計及管理提供科學(xué)依據(jù)。

1.研究區(qū)與研究方法

1.1研究地區(qū)概況及樣品采集

上海市位于31°14′N，121°29′E，平均海拔高度4 m左右，屬北亞熱帶季風(fēng)性氣候，溫和濕潤，四季分明，日照充分，雨水充沛。上海市城市森林土壤密度為1.44-1.60 g·cm-3，30 cm以上的土壤有機質(zhì)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.52 g·kg-1，屬于低等水平；總氮和總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.78和1.13 g·kg-1。在5種植物群落內(nèi)，分別設(shè)置20 mx20 m的樣地進(jìn)行調(diào)查。于2014年4月、7月、10月和2015年1月在各研究樣地內(nèi)沿樣方對角線采集土樣，設(shè)置3個重復(fù)，采樣深度為0-20 am。采集土樣時去除地表植被覆蓋物，多點混合并利用四分法獲取足量樣品，帶回實驗室進(jìn)行土壤理化性質(zhì)及土壤酶活性的測定。

土壤pH及土壤溫度利用IQ150土壤pH原位計進(jìn)行現(xiàn)場測定。土壤容重采用環(huán)刀法測定，土壤含水率采用烘干法測定，土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀硫酸法測定，土壤總氮（總N）、總磷（總P）利用SKALA San++連續(xù)流動分析儀進(jìn)行測定。土壤酶活性測定方法主要參照《土壤酶及其研究法》，利用紫外分光光度計測定。

1.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計

利用Excel 2007進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的整理及圖表生成。運用SPSS 19.0數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的方差檢驗，并利用單因素方差分析及多重比較，分析不同植物群落不同指標(biāo)之間的差異性，方差的顯著性水平為a=0.05。

2.結(jié)果與分析

2.1土壤理化性質(zhì)

不同植物群落土壤理化性質(zhì)方差分析結(jié)果（見表1）表明，水杉群落下土壤含水率顯著（p<0.05）低于其他群落，而土壤容重、土壤溫度在各群落之間差異不顯著（p>0.05）。懸鈴木群落土壤pH顯著（p<0.05）高于香樟群落，香樟懸鈴木群落pH值顯著（p<0.05）高于香樟水杉群落，而水杉群落土壤pH較其它群落顯著（p<0.05）偏低。

由表1可知，土壤有機質(zhì)年平均含量為25.23 g·kg-1，其中，香樟懸鈴木植物群落有機質(zhì)含量顯著（p<0.05）高于其他植物群落，分別比懸鈴木群落、水杉群落、香樟水杉群落和香樟群落提高了52.33%、76.93%、61.46%和59.26%。不同植物群落土壤總N年平均含量介于1.15～1.85 mg·g-1之間，香樟-懸鈴木群落總N含量顯著（p<0.05）高于其他群落，分別比懸鈴木群落、水杉群落、香樟-水杉群落和香樟群落提高60.87%、50.41%、45.67%和36.03%。與總N類似，除香樟群落外，香樟懸鈴木群落總P含量也顯著（p<0.05）高于其他群落。

2.2土壤理化性質(zhì)季節(jié)動態(tài)

方差結(jié)果顯示，各植物群落土壤有機質(zhì)與總P含量季節(jié)動態(tài)大體一致（見圖1），均為秋、冬季顯著（p<0.05）高于春、夏季。但水杉植物群落總P含量積極變化略有不同，表現(xiàn)為4月>次年1月>10月>7月。不同植物群落總N含量在不同季節(jié)沒有顯著（p>0.05）差異。

由圖1可知，不同植物群落春、夏季的土壤有機質(zhì)、總N、總磷含量都有顯著差異，秋、冬季均無顯著差異。其中，春季香樟懸鈴木群落的土壤有機質(zhì)含量顯著高于其他群落，香樟懸鈴木植物群落的總N含量顯著高于懸鈴木植物群落，懸鈴木群落總P含量顯著低于香樟懸鈴木和水杉群落。在夏季，僅懸鈴木群落總N顯著低于香樟懸鈴木和香樟群落，懸鈴木群落總P含量顯著低于其他植物群落，且香樟懸鈴木群落總P含量顯著高于水杉群落。方差分析表明，植物群落類型與季節(jié)因素的交互作用對于土壤有機質(zhì)、總N、總P的影響不顯著（p>0.05）。

2.3土壤酶活性特征

由表2可知，5種植物群落土壤蔗糖酶、磷酸酶活性年平均值分別為10.65和6.72 mg·g-1，土壤蔗糖酶、磷酸酶活性在不同植物群落無顯著差異（p>0.05）。脲酶活性含量較低，介于0.17-0.41 mg·g-1之間，但不同植物群落之間脲酶活性差異顯著，其中香樟群落脲酶活性顯著（p<0.05）低于香樟-懸鈴木植物群落、香樟-水杉植物群落和懸鈴木植物群落，同時香樟-懸鈴木植物群落脲酶活性顯著（p<0.05）高于懸鈴木植物群落及水杉群落，兩種混交林較懸鈴木群落、水杉群落及香樟群落脲酶活性有所升高。

2.4土壤酶活性季節(jié)動態(tài)

各植物群落蔗糖酶活性整體表現(xiàn)為秋、冬季顯著（p<0.05）高于春、夏季，夏季最低。與蔗糖酶不同，春季脲酶活性顯著（p<0.05）高于其他各季度（見圖2）。除水杉群落外，不同群落脲酶活性均于冬季最低，水杉群落和懸鈴木群落脲酶活性季節(jié)差異不顯著（p>0.05）。與脲酶季節(jié)變化一致，磷酸酶活性也在春季達(dá)到最大，秋季最低，且四季度磷酸酶活性均有顯著差異。其中水杉、香樟及香樟水杉群落春季磷酸酶活性顯著（p<0.05）高于秋、冬兩季。

方差分析結(jié)果表明，不同植物群落土壤酶活性在不同季度具有差異性。在春季，除懸鈴木群落蔗糖酶活性顯著低于其他群落，香樟懸鈴木與香樟水杉群落脲酶活性顯著高于其他群落，且各春季磷酸酶活性在不同植物群落問并無顯著差異。在夏季，不同群落問蔗糖酶、脲酶活性不顯著，但懸鈴木群落磷酸酶活性顯著低于水杉、香樟及香樟水杉混交林，且香樟懸鈴木混交林顯著低于香樟群落。在秋季，香樟懸鈴木混交林蔗糖酶、磷酸酶活性顯著高于其他群落，而香樟群落脲酶活性顯著低于其他群落。在冬季，除香樟群落脲酶活性顯著低于其他群落外，其他酶活性在不同植物群落間的差異不顯著。方差分析結(jié)果表明，植物群落與季節(jié)的交互作用對3種土壤酶活性均具有顯著（p<0.05）影響。

2.5土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性相關(guān)性分析

總體而言，蔗糖酶與土壤有機質(zhì)、總N、總P含量、土壤容重以及溫度均為極顯著（p<0.01）相關(guān)關(guān)系，與土壤有機質(zhì)、總N和總P含量為正相關(guān)，與土壤容重和土壤溫度呈負(fù)相關(guān)（見表3）。脲酶、磷酸酶與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性較一致，均與土壤總N及土壤含水率呈顯著（p<0.05）正相關(guān)關(guān)系，其中磷酸酶活性與土壤含水率有極顯著相關(guān)性（p<0.01）。3種土壤酶之間僅在土壤脲酶與土壤磷酸酶之間存在極顯著（p<0.01）正相關(guān)關(guān)系，而與蔗糖酶的相關(guān)性不顯著（p>0.05）。

3.討論

3.1植物群落差異對土壤性質(zhì)的影響

土壤營養(yǎng)水平可以表征土壤狀況，而不同植被種類及植物群落類型對土壤理化性質(zhì)的改善程度不同。本研究中，不同植物群落土壤理化性質(zhì)狀況整體表現(xiàn)為闊葉林優(yōu)于針葉林，混交林優(yōu)于單種林。這可能是由于闊葉林、針葉林凋落物的成分、分解速度及養(yǎng)分歸還效率對闊葉、針葉林下土壤養(yǎng)分狀況產(chǎn)生的影響。其次，上海地處北亞熱帶北緣，植被自然分區(qū)特征表現(xiàn)為常綠闊葉林、落葉混交林的過渡性植被，區(qū)域性植被比移栽種針葉林植物群落更適應(yīng)該地區(qū)環(huán)境，這可能也是闊葉林優(yōu)于針葉林的原因之一。另外，對于混交林來講，樹種之間可能存在的相互作用或許可以提高土壤養(yǎng)分水平。例如，本研究中，香樟懸鈴木群落各項指標(biāo)均顯著高于其他群落，并且脲酶活性在不同植物群落的變化情況也印證了上述觀點。戴凌等在長沙市不同森林類型土壤養(yǎng)分含量與土壤酶活性的研究認(rèn)為，混交林的土壤有機質(zhì)和總N含量較高，從而提升了其脲酶的活性。同時，與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性也可能會影響脲酶活性的變化。混交林與純林相比，可以更好地利用空間資源，不同樹種之間的相互作用能進(jìn)一步豐富營養(yǎng)物質(zhì)的產(chǎn)生，因此，混交復(fù)合林型應(yīng)該成為今后城市綠地設(shè)計建設(shè)中主要的植物群落類型，而選種符合區(qū)域性氣候條件的樹種作為建群種對于城市綠地的整體營養(yǎng)水平也具有積極作用。

3.2季節(jié)變化對土壤理化性質(zhì)的影響

林下土壤營養(yǎng)水平具有季節(jié)變化的特點。本研究結(jié)果表明，不同植物群落土壤有機質(zhì)和總P含量整體呈現(xiàn)秋、冬季高于春、夏季的規(guī)律。這可能與城市綠地土壤本身營養(yǎng)程度低、環(huán)境條件差等因素有關(guān)。另外，從分析結(jié)果可知，植物群落類型與季節(jié)因素的交互作用對土壤有機質(zhì)、總N、總P含量并無顯著影響，且其受地上植被種類的影響程度要大于季節(jié)的影響作用。一般認(rèn)為，土壤養(yǎng)分主要來源于土壤礦化、植被凋落物分解、植被根系及土壤動物殘體作用和人工施肥等途徑，植被對土壤養(yǎng)分的變化產(chǎn)生直接影響。

蔗糖酶活性從春季到冬季呈現(xiàn)先下降再升高再下降的變化過程。蔗糖酶與土壤有機質(zhì)、總N和總P含量均具有顯著（p<0.05）正相關(guān)關(guān)系。這是因為，秋季大量凋落物的積累以及冬季較低的生物活性和新陳代謝速率導(dǎo)致物質(zhì)消耗速率減緩，導(dǎo)致蔗糖酶活性此時可能顯著上升。相關(guān)的研究表明，大多數(shù)土壤酶活性的最低值均出現(xiàn)在冬季，春、夏季酶活性較高，而本文研究結(jié)果顯示蔗糖酶活性在春夏季較低，其季節(jié)變化情況與土壤有機質(zhì)一致，這一結(jié)果可能與城市森林環(huán)境特征有關(guān)。城市綠地土壤本身具有養(yǎng)分含量低、生物活性差等特點。在自然環(huán)境中，在不同季節(jié)的水溫條件以及植物、動物、微生物活性等影響下，土壤酶活性呈現(xiàn)夏季高于冬季的規(guī)律。但城市生態(tài)系統(tǒng)本來就較為匱乏的土壤養(yǎng)分會隨著春夏季土壤系統(tǒng)中新陳代謝的增加迅速消耗，而秋冬季凋落物的補充以及較低的新陳代謝過程在一定程度上會使各營養(yǎng)成分有所積累，與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性較強的土壤酶活性也會在一定程度上增強。

與蔗糖酶活性季節(jié)變化不同，脲酶活性總體上是在春季達(dá)到高峰。不同植物群落脲酶活性表明，植物群落各春季脲酶活性雖然高于其他季節(jié)，但不同植物群落土壤脲酶季節(jié)變化并不統(tǒng)一。脲酶是較為專一的土壤酶，其與林下固氮微生物的種類及數(shù)量有緊密聯(lián)系，春季微生物逐漸活躍使得該時期脲酶活性較高。此外，各植物群落脲酶、磷酸酶活性均在秋季處于較低水平，且不同植物群落磷酸酶活性與脲酶、土壤總N含量均顯著（p<0.05）相關(guān)，這與曾曙才等對深圳筆架山公園土壤性狀的分析結(jié)果一致。因此，秋、冬季可能會成為脲酶、磷酸酶活性的限制時期。

3.3植物群落類型與季節(jié)動態(tài)對土壤性質(zhì)的交互作用

植物群落類型與季節(jié)動態(tài)的交互作用顯著（p<0.05）影響土壤酶活性大小，但對土壤有機質(zhì)、總N和總P含量的影響不顯著。不同植被種類對酶活性的影響在很大程度上是通過改變土壤理化性質(zhì)而產(chǎn)生的間接作用。相關(guān)性分析結(jié)果表明，本研究中土壤有機質(zhì)、總N和總P含量與土壤蔗糖酶活性的相關(guān)性最為顯著，土壤總N與土壤脲酶、磷酸酶也有顯著相關(guān)性，可以說明，土壤酶活性在一定程度上可以反應(yīng)土壤的營養(yǎng)水平。除此之外，土壤酶也受到土壤動植物及微生物等活性物質(zhì)的影響，對季節(jié)變化引起的環(huán)境條件改變的響應(yīng)更為及時。土壤理化性質(zhì)的改變是外界輸出與內(nèi)部作用長時間積累的結(jié)果，土壤酶活性對于季節(jié)變化與植物群落差異均具有較為敏感的響應(yīng)，這在一定程度上可以說明，相較于土壤理化性質(zhì)，土壤酶活性在反映環(huán)境變化上更為靈敏。

4.結(jié)論

綜上所述，不同植物群落的土壤理化性質(zhì)表現(xiàn)出闊葉林優(yōu)于針葉林，混交林優(yōu)于單種林，并且春、夏季都是城市綠地土壤營養(yǎng)程度較低的時期。因此，在今后設(shè)計和構(gòu)建城市綠地時，應(yīng)更多地考慮植被樹種及群落優(yōu)勢種的選取的合理性、復(fù)合型植物群落構(gòu)建的重要性以及城市綠地土壤的特點。同時，由于冬季土壤氮、磷元素的匱乏通?？赡艹蔀槌鞘芯G地發(fā)展的限制因素，應(yīng)在春、夏季加強土壤營養(yǎng)的補充與維護(hù)，在不同時期根據(jù)城市土壤的不同營養(yǎng)水平，合理的進(jìn)行營養(yǎng)元素補充與控制將有利于城市綠地的發(fā)展及植被的生長，同時對城市綠地元素污染的防治也具有重要意義。