姬秀云，李玉華

(寧夏云霧山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局, 寧夏 固原 756000)

土壤酶是土壤系統(tǒng)中的生物催化劑，促進(jìn)土壤中元素循環(huán)，也是土壤有機(jī)質(zhì)分解的重要驅(qū)動(dòng)力和植物營(yíng)養(yǎng)元素吸收的活性庫(kù)，能夠?yàn)橹参锖臀⑸锏纳L(zhǎng)提供養(yǎng)分[1-3]。土壤酶活性能夠反映土壤物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的強(qiáng)度和方向，也能夠敏感地反映外界環(huán)境的變化，常常被用來(lái)當(dāng)做評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[4]。與此同時(shí)，土壤酶活性可作為土壤生物功能多樣性的指標(biāo)[5]，也是反映土壤生產(chǎn)力和微生物活性潛力的指標(biāo)[6]，能夠敏感地反映土地利用/變化的變化[7]。因此，研究土壤酶活性的變化，將有助于了解土壤肥力狀況及其演變特征[8]。在黃土高原，大量的研究表明植被恢復(fù)顯著提高了土壤質(zhì)量，相應(yīng)地，植被恢復(fù)有效地促進(jìn)土壤酶活性的增加，從而改善了土壤質(zhì)量[9-10]，因此土壤酶活性能夠有效地評(píng)價(jià)黃土高原植被恢復(fù)對(duì)土壤質(zhì)量的效益。

寧南山區(qū)位于黃土高原的西部，隨著近年來(lái)的植被恢復(fù)等生態(tài)工程的構(gòu)建，植被恢復(fù)得到了較大的提高，形成了林地、草地、農(nóng)地等多樣的恢復(fù)方式。大量的研究表明該區(qū)植被恢復(fù)明顯改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高了土壤質(zhì)量，而關(guān)于該區(qū)植被恢復(fù)下土壤團(tuán)聚體中酶活性的研究還尚不多見(jiàn)。有鑒于此，本文擬通過(guò)對(duì)寧南山區(qū)不同植被恢復(fù)方式下不同粒徑團(tuán)聚體中土壤酶活性(土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶)進(jìn)行研究，明晰土壤酶活性在反映土壤質(zhì)量變化中的指示作用及不同植被恢復(fù)方式對(duì)土壤質(zhì)量的改善作用，以期為黃土高原植被恢復(fù)和管理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況及樣地設(shè)置

研究區(qū)位于寧夏固原市東部的河川鄉(xiāng)上黃村，屬?zèng)芎铀抵Я餍〈ê拥闹杏?。地理位?5°59′—36°3′ N，106°26′—106°30′ E，海拔1534～1822 m，年均降水量420 mm，大部分降雨主要集中在7—9月，年均氣溫7 ℃，干燥度1.5～2.0，屬半干旱中溫帶向暖溫帶過(guò)渡季風(fēng)氣候。該區(qū)域90%地形為溝坡地，平緩臺(tái)地僅占8%，坡度在15°～20°之間，總土地面積7.6 km2[11]。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(tái)、坪、梁地形，較為開(kāi)闊。研究區(qū)的土壤類型主要是黃土母質(zhì)上發(fā)育的淡黑壚土和黃綿土。根據(jù)研究區(qū)不同的植被恢復(fù)情況，選取4種植被恢復(fù)方式：天然草地(naturalgrassland, NaG)，主要優(yōu)勢(shì)植物為長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)，伴生鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、百里香(Thymusmongolicus)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)等；栽植15 a檸條(Caraganakorshinskii)、栽植25 a檸條以及坡耕地，坡耕地主要種植玉米。

1.2 土壤樣品的采集和分析

2015年6月，在每種植被恢復(fù)方式下，沿等高線在上坡、中坡、下坡建立3個(gè)10 m×10 m的樣地，在每個(gè)樣地內(nèi)，分別采集0—20 cm和20—40 cm兩個(gè)土層的土壤樣品。每種植被恢復(fù)方式設(shè)置野外重復(fù)3次。在每個(gè)樣地內(nèi)，用硬質(zhì)塑料飯盒采集原狀土壤樣品，在無(wú)擾動(dòng)的情況下帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行常溫風(fēng)干，用于土壤團(tuán)聚體的分析。原狀風(fēng)干土利用傳統(tǒng)的濕篩法測(cè)定不同粒徑的土壤團(tuán)聚體含量(>5，5～2，2～1，1～0.25，<0.25 mm)。土壤平均質(zhì)量直徑(MWD)計(jì)算公式為[12]：

土壤酶活性按照《土壤酶及其研究法》書(shū)中的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定[13]。土壤蔗糖酶活性采用Na2S2O3滴定法進(jìn)行測(cè)定，土壤蔗糖酶活性用24 h后1g土壤葡萄糖的毫克數(shù)表示；土壤脲酶活性采用靛酚比色法進(jìn)行測(cè)定，以24 h后1 g土中氨態(tài)氮(NH3-N)的毫克數(shù)表示；土壤堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法，以2 h后100 g土壤P2O5的毫克數(shù)表示。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 16.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，比較不同植被恢復(fù)方式下土壤團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑。圖形制作采用Excel 2013。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被恢復(fù)方式下土壤團(tuán)聚體變化

如表1所示，不同植被恢復(fù)方式下，土壤團(tuán)聚體粒徑分布依然呈現(xiàn)中間低兩邊高的趨勢(shì)，>5 mm和<0.25 mm為主要粒徑，二者之和占總體的65 %以上；5～2 mm和1～0.25 mm居中；2～1 mm這一粒徑的團(tuán)聚體含量最少，為9%以下。植被恢復(fù)后，天然草地、檸條25 a，檸條15 a在0—20 cm土層中>5 mm團(tuán)聚體百分含量分別是坡耕地的2.6，2.2，2.3倍，20—40cm土層的分別是坡耕地的2.9，2.8，2.4倍。這說(shuō)明灌木林地和天然草地對(duì)大團(tuán)聚體的含量有很好的改善作用，且天然草地更為有利。

坡耕地的MWD約為1.4，其他植被恢復(fù)方式下土壤的MWD在1.9～3.1之間，其中，在0—20 cm土層MWD值依次為：天然草地>檸條25 a>檸條15 a>坡耕地，天然草地、檸條地顯著高于坡耕地(p<0.05)；20—40 cm土層表現(xiàn)為與0—20 cm相似的變化趨勢(shì)：檸條25 a>天然草地>檸條15 a>坡耕地，天然草地、檸條地明顯高于坡耕地，由此表明坡耕地的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性較差，不利于土壤團(tuán)聚體的形成。

表1 黃土高原人工植被恢復(fù)下土壤團(tuán)聚體粒徑分布

注：Cr為坡耕地；NaG為天然草地；CK25為檸條25年； CK15為檸條15年； 不同小寫(xiě)字母表示0—20 cm土層不同植被恢復(fù)方式之間差異顯著(p<0.05)； 不同大寫(xiě)字母表示20—40 cm土層不同植被恢復(fù)方式之間差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2 不同植被恢復(fù)方式下土壤蔗糖酶活性隨粒徑變化特征

從圖1可以看出，不同的植被恢復(fù)方式土壤中，農(nóng)地在2個(gè)土層的蔗糖酶活性均最低，天然草地及15和25 a檸條林地活性相當(dāng)。在不同粒徑土壤團(tuán)聚體中，2個(gè)土層的15和25 a檸條林地土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，即活性隨粒徑的增大而增大，在1～2 mm，2～3 mm和3～5 mm土壤團(tuán)聚體中逐漸達(dá)到最大，之后又隨土壤團(tuán)聚體粒徑的增大而減小。天然草地的0—20 cm土層除2～3 mm蔗糖酶活性偏低之外，其他也有類似的變化趨勢(shì)。另外，從檸條林地的植被恢復(fù)年限來(lái)看，蔗糖酶活性隨著植被恢復(fù)年限的增加在0—20 cm土層沒(méi)有明顯的增大。20—40 cm土層有較為微弱的增大。

圖1 黃土高原不同植被恢復(fù)方式下各層土壤蔗糖酶活性隨粒徑變化特征

2.3 不同植被恢復(fù)方式下土壤堿性磷酸酶活性隨粒徑變化特征

堿性磷酸酶活性在不同植被恢復(fù)方式中的變化可通過(guò)圖2看出，同蔗糖酶一樣，其含量在農(nóng)地中最低，且在不同粒徑的土壤團(tuán)聚體中也沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。在0—20 cm土層中，天然草地的堿性磷酸酶活性要較15和25 a檸條林地土壤的高。不同粒徑土壤團(tuán)聚體中，天然草地、15和25 a檸條林地表現(xiàn)出了明顯的活性隨粒徑的增大而增大，并在1～2，2～3和3～5 mm土壤團(tuán)聚體中逐漸達(dá)到最大，之后又隨土壤團(tuán)聚體粒徑的增大而減小的變化趨勢(shì)。25 a檸條林地20—40 cm土層中的不同粒徑土壤團(tuán)聚體堿性磷酸酶活性表現(xiàn)出和0—20 cm土層相似的變化趨勢(shì)，15 a檸條林地土壤的磷酸酶活性基本隨土壤團(tuán)聚體粒徑的增大而提高。天然草地在0.25～1和1～2 mm土壤團(tuán)聚體中明顯偏高，而在其他土壤團(tuán)聚體中基本隨土壤團(tuán)聚體粒徑的增大而減小。從檸條林地的恢復(fù)年限來(lái)看，隨著恢復(fù)年限的增加，0—20 cm土層沒(méi)有明顯的變化，20～40 cm土層則表現(xiàn)出了微弱的增大。

圖2 黃土高原不同植被恢復(fù)方式下各層土壤的堿性磷酸酶活性隨粒徑變化特征

2.4 不同植被恢復(fù)方式下土壤脲酶活性隨粒徑變化特征

從圖3可以看出，不同的植被恢復(fù)方式土壤中，農(nóng)地土壤的脲酶活性在2個(gè)土層中均最低。在0～20 cm土層中，農(nóng)地土壤的脲酶活性在不同粒徑土壤團(tuán)聚體中表現(xiàn)出隨土壤團(tuán)聚體粒徑的增大而增大的趨勢(shì)，天然草地土壤除1～2 mm土壤團(tuán)聚體中的脲酶活性偏低之外，其他粒徑土壤團(tuán)聚體中的脲酶活性基本隨土壤團(tuán)聚體粒徑的增大而減小，25 a檸條林地土壤表現(xiàn)出和天然草地相似的變化趨勢(shì)。15 a檸條林地土壤的脲酶活性除在0.25～1 mm土壤團(tuán)聚體中較高之外，其他粒徑土壤團(tuán)聚體中的脲酶活性隨土壤團(tuán)聚體粒徑的增大而增大。20—40 cm土層中，天然草地土壤的脲酶活性表現(xiàn)出了明顯的隨其粒徑的增大而增大，并在1～2，2～3和3～5 mm土壤團(tuán)聚體中逐漸達(dá)到最大，之后又隨土壤團(tuán)聚體粒徑的增大而減小的變化趨勢(shì)。

農(nóng)地也有相似的較為微弱的變化趨勢(shì)。15和25 a檸條林地則表現(xiàn)出隨粒徑的增大而減小的趨勢(shì)，其中，25 a檸條林地要比15 a檸條林地的變化趨勢(shì)較為明顯。從檸條林地的恢復(fù)年限來(lái)看，0—20 cm土層中，脲酶活性表現(xiàn)出隨恢復(fù)年限的增大而呈現(xiàn)一定的負(fù)增長(zhǎng)，20—40 cm土層則表現(xiàn)出隨恢復(fù)年限的增大而增大的變化趨勢(shì)。

圖3 黃土高原不同植被恢復(fù)方式下各層土壤的脲酶活性隨粒徑變化特征

3 討 論

土壤酶主要來(lái)源于植物根系分泌物和微生物的殘留物，影響著土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)，其活性的高低不僅可以反映土壤生物化學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度和方向，而且還能指示土壤營(yíng)養(yǎng)元素等的動(dòng)態(tài)變化，是土壤中生物催化劑[14]。由于影響土壤酶活性的因素多種多樣，主要包括土壤母質(zhì)、水熱條件、植被覆蓋類型等。此外人為因素如土地利用類型、土壤耕作制度和管理方式等都將影響土壤酶活性[15]。自然環(huán)境中，土地利用變化是影響影響土壤酶活性的主要因素，合理的土地利用可改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤對(duì)外界環(huán)境變化的抵抗力，而不合理的土地利用會(huì)導(dǎo)致土壤肥力退化，造成土壤質(zhì)量下降，增強(qiáng)土壤侵蝕，降低生物多樣性。在本研究的不同植被恢復(fù)方式中，農(nóng)地土壤的蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶活性均表現(xiàn)最低，而天然草地、15和25 a檸條林地則較高。農(nóng)地由于其人為的翻耕等活動(dòng)較為頻繁，破壞了土壤結(jié)構(gòu)及作物根系，不利于土壤酶的積累及轉(zhuǎn)化，而天然草地和檸條林地的相反，除了枯枝落葉等回歸土壤補(bǔ)充了土壤微生物的碳氮源，根系分泌物也是土壤酶的重要來(lái)源。自然植被恢復(fù)則有利于土壤磷酸酶活性增加[16]。

土壤團(tuán)聚體是影響土壤酶活性分布的重要影響因素[17-19]。有研究[18]表明，大團(tuán)聚體不利于土壤酶活性的累積，這與本研究一致。本研究中不同植物恢復(fù)措施下，土壤酶活性先隨著土壤團(tuán)聚體的粒徑的增大而增大，然后再隨著土壤團(tuán)聚體粒徑的增大而減小的趨勢(shì)。團(tuán)聚體中酶活性的分布特征與土壤碳氮含量有關(guān)。Lagomarsino等[20]研究表明，高有機(jī)質(zhì)含量的土壤團(tuán)聚體中土壤酶活性較大。此外，Qin等[21]研究也發(fā)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，土壤酶活性與土壤有機(jī)碳含量呈顯著的正相關(guān)。從檸條林地的恢復(fù)年限來(lái)看，0—20 cm土層中，土壤酶活性表現(xiàn)出隨恢復(fù)年限的增大有所增加，主要是隨著恢復(fù)年限的增加土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加導(dǎo)致土壤酶活性的累積[22]。土壤有機(jī)質(zhì)是影響土壤酶活性分布的主要因素，隨著有機(jī)質(zhì)的增加，土壤酶活性也逐漸增加[23]。因此通過(guò)植被恢復(fù)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量是促進(jìn)土壤酶活性提高的主要措施。

4 結(jié) 論

(1) 在本研究中天然草地、15 a檸條和25 a檸條林地土壤酶活性較高，而農(nóng)地中較低，表明農(nóng)地不利于土壤酶的累積。植被恢復(fù)有助于土壤酶活性的提高，能夠有效地改善土壤質(zhì)量。

(2) 在不同粒徑土壤團(tuán)聚體中，土壤酶活性隨其粒徑的增大而增大，主要集中在1～2，2～3和3～5 mm土壤團(tuán)聚體中。大團(tuán)聚體(>5 mm)以及小團(tuán)聚體(<0.25，0.25～1 mm)中土壤酶活性較低。

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