劉寶勇,趙 凱,宋子嶺,李巖巖

(遼寧工程技術(shù)大學(xué),123000,遼寧阜新)

土壤酶對生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量流動以及土壤肥力的形成起著至關(guān)重要的作用,土壤中幾乎所有的生物和化學(xué)物質(zhì)都依賴于酶的催化[1-2],且與土壤理化性質(zhì)和環(huán)境狀況關(guān)系密切,是土壤生物指標(biāo)研究中優(yōu)先考慮的指標(biāo)之一[34],由于土壤酶的敏感性,已經(jīng)成為了解土壤狀況的指示性指標(biāo)之一[56]。周禮愷[7]和方瑛等[8]就不同樣地土壤酶活性與土壤肥力的關(guān)系進行了研究,并認為土壤酶可以作為評價土壤肥力的指標(biāo)。

國外的復(fù)墾工作研究比國內(nèi)早,并且主要的研究內(nèi)容集中在土壤重構(gòu)和基本特性方面[910]。而我國初步建立了礦區(qū)塌陷區(qū)、露天礦排土場等廢棄地復(fù)墾土壤的原理和方法,并對水土流失做了研究[1114]。土壤酶活性與土壤肥力因子的關(guān)系研究多以糧油作物田地土壤為研究對象,以排土場復(fù)墾土壤為研究對象較少,而且多應(yīng)用相關(guān)分析和通徑分析研究土壤酶活性與土壤性質(zhì)的關(guān)系[1516]。對露天礦排土場復(fù)墾土壤的研究主要集中在復(fù)墾模式對土壤酶活性[17]、土壤理化性質(zhì)、微生物群落及土壤養(yǎng)分評價體系的建立[1819]等方面。上述研究對解釋海州露天礦排土場土壤生物活性及養(yǎng)分狀況提供了依據(jù),鮮有對排土場復(fù)墾土壤酶與土壤肥力相關(guān)性方面進行研究,閆晗等[17]研究了海州露天礦排土場6種土地利用方式對土壤養(yǎng)分及土壤酶活性的影響,發(fā)現(xiàn)人工修復(fù)地和天然草地可以顯著提高土壤養(yǎng)分和土壤酶活性。之前研究大都討論單因子間的相關(guān)性,本研究以典型相關(guān)分析為主,研究2組變量之間相關(guān)性,揭示2組變量之間的線性相關(guān)關(guān)系[2022],典型相關(guān)分析比一般相關(guān)分析更加全面地反映變量之間的內(nèi)在聯(lián)系[23]。

為了進一步改善排土場的水土流失狀況,筆者選擇排土場中的刺槐(Robinia pseudoacacia L.)林地、白榆(Ulmus pumila L.)林地以及草地3種復(fù)墾模式為研究對象,以未復(fù)墾的荒裸地作為對照,探究復(fù)墾后的土壤酶活性(堿性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、蛋白酶、脫氫酶以及脲酶)以及土壤肥力因子(有機質(zhì)、全氮、全磷、速效鉀)和pH值等土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性,對排土場的生態(tài)恢復(fù)及重建具有指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為遼寧省阜新市海州露天礦排土場,該地區(qū)年平均降水量539 mm,降水集中于7—9月,年平均蒸發(fā)量達1 800 mm,年平均氣溫7.3℃,晝夜溫差大,相對濕度50% ～60%,是典型的北溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。試驗樣地為復(fù)墾年限20年的西排土場,其土質(zhì)是由露天礦排出的頁巖、砂巖構(gòu)成[18]。

圖1 不同復(fù)墾模式土壤酶活性Fig.1 Soil enzyme activities in different reclamation modes

2 研究方法

按照混合法采集0～30 cm深的土壤,分0～5、5～10、10～20和20～30 cm 4層。每1層任意取4個樣點,同層混合。其中在刺槐林地和白榆林地劃出10 m×10 m的標(biāo)準(zhǔn)地,在標(biāo)準(zhǔn)地中通過測量胸徑選擇標(biāo)準(zhǔn)木,在距離標(biāo)準(zhǔn)木根部0.75 m的圓周上平均分布4點進行采樣,同層均勻混合。而荒草地和荒裸地(對照)則劃出一塊長勢較為平均的10 m×10 m的樣方,在樣方內(nèi)采用“S”法進行采樣。

過氧化氫酶活性采用容量法測定[24],脲酶活性采用次氯酸鈉比色法測定[24],脫氫酶活性采用TTC比色法測定[24],蛋白酶活性采用茚三酮比色法測定[24],蔗糖酶活性采用二硝基水楊酸比色法測定[24],堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定[24],全氮采用全自動凱氏定氮法測定,全磷采用NaOH 熔融 鉬銻抗比色法,速效鉀采用火焰分光光度計法,有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化 外加熱法測定,土壤pH值采用pH計測定[25](水土比2.5：1),具體操作方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[25]。

用Excel 2007進行做圖分析以及SPSS16.0軟件對所得數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(One-way ANOVA)及典型相關(guān)分析[26]。

3 結(jié)果分析

3.1 不同復(fù)墾模式下土壤酶活性及土壤肥力分析

3.1.1 土壤酶活性分析 由圖1可見,不同樣地土壤酶活性表現(xiàn)出顯著的差異性(P＜0.05),刺槐林地、白榆林地和草地土壤酶的活性均顯著高于荒裸地。從圖1(a)可知：過氧化氫酶促進過氧化氫的分解有利于防止其對生物體的毒害作用,過氧化氫酶活性與土壤有機質(zhì)含量有關(guān)[27],在垂直方向上,刺槐林地過氧化氫酶活性在20～30 cm土層最高,是表層土壤的1.16倍,這與該層土壤有機質(zhì)含量高有關(guān);白榆林地與草地均為表層過氧化氫酶活性最高,活性脫氫酶是土壤生物細胞的一部分[28],因此測量脫氫酶活性實際上是代表土壤微生物的瞬時代謝活動[29]。從圖1(b)可知：0～5和5～10 cm土層脫氫酶變化規(guī)律幾乎一致,均為刺槐林地酶活性最高,其他樣地?zé)o顯著性差異;草地在總體上土壤酶活性高于白榆林地,尤其在20～30 cm土層,草地脫氫酶活性是白榆林地的2倍。從圖1(c)可知：蛋白酶參與土壤中氨基酸、蛋白質(zhì)以及其他含蛋白質(zhì)氮的有機化合物的轉(zhuǎn)化,它們的水解產(chǎn)物是高等植物的氮源之一,蛋白酶活性均呈現(xiàn)出隨著剖面深度而減弱的趨勢,白榆林地蛋白酶活性最高,因為白榆為固氮樹種;除了0～5 cm土層蛋白酶活性草地＞荒裸地,其他土層差異性不顯著,可能因為表層土壤草地根系分布密集,受到動物或微生物活動的影響。從圖1(d)可知：堿性磷酸酶活性在5～30 cm土層均為白榆林地活性最高,0～5 cm草地酶活性最高,刺槐、白榆、草地酶活性相差無幾,荒裸地表層土壤酶活性最高,并隨著土層加深,酶活性遞減。從圖1(e)可知：蔗糖酶的變化規(guī)律與蛋白酶十分類似,這是因為土壤剖面中蔗糖酶的分布規(guī)律與蛋白酶類似。各個樣地蔗糖酶活性均為表層酶活性最高,隨著土層深度的加深,酶活性遞減,其中白榆林地酶活性最高。從圖1(f)可知：尿素水解后的某些酶統(tǒng)稱為脲酶,其酶促反應(yīng)的主要產(chǎn)物是氨氣,因此脲酶與土壤中的氮關(guān)系密切,在0～5 cm土層,除了荒裸地外的各個樣地脲酶活性顯著高于其他土層,可能因為土壤表層覆蓋枯枝落葉,微生物活性較高,酶促底物較荒裸地多;5～10 cm草地土壤受到根系影響,所以脲酶含量最高。

圖2 不同復(fù)墾模式土壤肥力Fig.2 Soil fertility of different reclamation modes

3.1.2 土壤肥力分析 從圖2看出：本研究所選取的4種樣地土壤pH值均＞7,偏堿性,全氮、全磷、速效鉀、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)以及pH值之間具有顯著性差異。如圖2(a)所示：氮素是影響土壤肥力的重要指標(biāo),不同復(fù)墾模式土壤氮素含量不同,白榆林地全氮質(zhì)量分數(shù)顯著高于其他樣地,隨著土層的加深,土壤全氮質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)出不同程度的遞減趨勢。如圖2(b)所示：刺槐林地、草地及荒裸地全磷質(zhì)量分數(shù)隨著土層深度增加,質(zhì)量分數(shù)呈遞減趨勢;而白榆林地則出現(xiàn)先減后增再減的情況;除了20～30 cm土層,刺槐、白榆和草地的全磷質(zhì)量分數(shù)均無顯著性差異。如圖2(c)所示：土壤pH值是土壤的重要化學(xué)性質(zhì),復(fù)墾地的pH值較未復(fù)墾地有所降低,使pH值大致為中性,并且隨著土層加深,pH值增加,但變化不顯著。如圖2(d)所示：在各個土層中,刺槐林地速效鉀質(zhì)量分數(shù)顯著高于其他樣地;刺槐林地較白榆林地、草地和荒裸地速效鉀質(zhì)量分數(shù)分別提高了283.9%、428.8%和503.1%。如圖2(e)所示：白榆林地和荒裸地的有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較高,因為蔗糖酶活性與堿性磷酸酶活性有助于提高有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)[12];并且隨著土層深度的增加,土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)呈遞增的趨勢,但變化不顯著。荒裸地隨著土層深度的加深,土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)呈逐漸遞減。土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)依次為白榆林地＞荒裸地＞刺槐林地＞草地。

3.2 土壤酶活性與土壤肥力的典型相關(guān)分析

按照典型相關(guān)分析原理,土壤養(yǎng)分因子數(shù)據(jù)是X(5×16),土壤酶活性因子數(shù)據(jù)應(yīng)為Y(6×16)。在分析過程中,層面縮減度分析1TO5、2TO5和3TO5的典型相關(guān)系數(shù)＜0.05,達到顯著水平,故選取3組變量(U為土壤肥力因子,V為土壤酶活性)來表示X組和Y組之間的相關(guān)關(guān)系。由表1可見：典型向量1、2、3的典型相關(guān)系數(shù)具有統(tǒng)計學(xué)意義,說明土壤酶活性及土壤肥力可以由前3對典型變量進行描述。并且本實驗中各個變量的單位不統(tǒng)一,需要對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,所以選用因變量的標(biāo)準(zhǔn)化典型加權(quán)系數(shù)。

第1組典型變量為：

式中：X1為全氮質(zhì)量分數(shù),g/kg;X2為全磷質(zhì)量分數(shù)。g/kg;X3為速效鉀質(zhì)量分數(shù),mg/kg;X4為有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù),g/kg;X5為pH值。Y1為過氧化氫酶,mL/g;Y2脫氫酶,μL/g;Y3堿性磷酸酶,mg/(g·d);Y4為蔗糖酶,mg/(g·d);Y5為蛋白酶,μg/(g·d);Y6為脲酶,mg/(g·d)。

由表2可見,X的變異被U1(自身典型變量)解釋的比例是35.29%,Y的變異被V1(自身典型變量)解釋的比例是49.25%,說明X、Y的信息主要集中在第1對典型變量上。酶活性指標(biāo)Y的變異被U1解釋的比例是49.57%,X的變異被V1解釋的比例是35.06%。X的變異被 U2解釋的比例是40.77%,Y的變異被V2解釋的比例是10.93%;X的變異被V2解釋的比例是39.61%,Y的變異被U2解釋的比例是11.25%,說明第2對典型變量受土壤肥力指標(biāo)X的影響較大。綜合第3對典型變量,土壤酶活性指標(biāo)影響大于土壤肥力指標(biāo)。

經(jīng)分析得出,第1組典型變量的相關(guān)系數(shù)為0.997(表2),經(jīng)檢驗相關(guān)變量呈極顯著相關(guān)關(guān)系。綜合土壤肥力因子系數(shù)較高載荷較大的是全氮(X1)和速效鉀(X3),其次是全磷(X2);綜合土壤酶活性因子載荷大的是蛋白酶(Y5)。土壤蛋白酶活性與肥力指標(biāo)全氮、全磷和速效鉀質(zhì)量分數(shù)關(guān)系密切。第2組典型變量相關(guān)系數(shù)為0.986(表2),經(jīng)檢驗相關(guān)變量呈顯著相關(guān)關(guān)系。綜合土壤肥力因子載荷最大的是有機質(zhì)(X4),其次是全氮(X1)、全磷(X2)、和pH值(X5);綜合土壤酶活性因子載荷較大的是蔗糖酶(Y4)和蛋白酶(Y5)。蔗糖酶及蛋白酶活性與全氮、全磷、有機質(zhì)和pH值關(guān)系密切。第3組典型變量相關(guān)系數(shù)為0.871(表2),經(jīng)檢驗典型變量呈相關(guān)關(guān)系,綜合土壤肥力因子載荷最大的是土壤pH值;綜合土壤酶活性因子載荷最大的是蔗糖酶(Y4),其次是蛋白酶(Y5)和脲酶(Y6)。蔗糖酶活性、蛋白酶活性、脲酶活性與pH值的關(guān)系密切。

4 結(jié)論與討論

4.1 不同復(fù)墾模式比較

不同復(fù)墾模式下土壤酶活性以及土壤肥力均存在一定差異性。結(jié)果表明,白榆林地除了速效鉀與脫氫酶,土壤酶活性與土壤肥力的各項指標(biāo)均較高,且較其他復(fù)墾模式差異性顯著。在各個土層中,白榆林地蔗糖酶活性與蛋白酶活性顯著高于其他樣地(P＜0.05)。在0～5 cm土層中,草地土壤過氧化氫酶活性、堿性磷酸酶活性和脲酶活性均優(yōu)于刺槐,這是因為表層土壤各種草根系密集,受根系分泌物影響,各種酶活性指標(biāo)良好。在各層土壤中,刺槐和白榆林地蔗糖酶活性提升最為顯著,分別較荒裸地提升了24.8倍和77.8倍。而在20～30 cm土層中,刺槐林地土壤酶活性則優(yōu)于草地,這是因為草根系分布銳減,而刺槐毛根根系的分布則會增加。草地則對脲酶活性提升較為顯著,提升了28.1倍,這與閆晗等[17]的研究結(jié)果相一致,這是因為白榆為固氮樹種,根系有較強的固氮作用,白榆林地土壤中全氮和有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)都相對較高。有所差異的是人工種植的白榆在提高土壤蛋白酶的能力要高于刺槐,土壤蛋白酶活性、蔗糖酶活性和脫氫酶活性隨著土層的加深,酶活性有遞減的趨勢,表層土壤的酶活性最高,這與枯落物有關(guān)[30],土壤酶可以促進枯落物分解,促進地表微生物的活性,提高了土壤酶活性。土壤過氧化氫酶活性、堿性磷酸酶活性和脲酶活性未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性,甚至在20～30 cm土層部分土壤酶的活性會出現(xiàn)躍升,而李智蘭[31]的研究卻發(fā)現(xiàn)隨著土層加深,土壤脫氫酶活性、堿性磷酸酶活性以及脲酶活性總體呈遞減的趨勢,造成這種差異可能是由于排土場深層土壤粉砂巖、礫巖以及煤質(zhì)巖含量的陡然增加,從而間接地影響了土壤酶活性。刺槐林地0～5 cm土層脫氫酶活性顯著高于其他林地,可能是由于受到外界因素的干擾,如放牧或礦質(zhì)殘渣等原因[32],長期使用糞肥和礦肥能夠顯著提高土壤酶活性[33]。各個土層白榆林地土壤全氮和有機質(zhì)顯著高于其他樣地(P＜0.05)。全氮能夠促進植物根際微生物生長,有利于植物養(yǎng)分吸收以及土壤酶合成[34]。除了pH值外,土壤肥力因子隨著土層深度的增加,土壤肥力有所減少,表現(xiàn)出了“表聚效應(yīng)”,這與張麗娟等[11]研究成果一致,這與表層土壤的枯落物和植物根系分布有相關(guān)性。復(fù)墾地土壤pH值低于未復(fù)墾地,復(fù)墾地土壤pH更接近于中性,并且隨著土層深度的增加pH值有所升高,但變化不顯著,并且刺槐穩(wěn)定土壤pH效果更好,與王翔等[27]的研究結(jié)果一致。pH值不僅影響有機大分子分解與礦化、微生物種類及活性等,而且影響土壤酶酶促反應(yīng)速率。綜上所述,白榆林地的復(fù)墾效果好于其他林地。

表1 典型變量的顯著性檢驗Tab.1 Significance test of canonical variables(n=16)

表2 變量的變異能由典型變量解釋的比例Tab.2 Proportion of variation in variables that can be explained by canonical variables(n=16)

4.2 蔗糖酶、蛋白酶和脲酶與土壤肥力相關(guān)性顯著

通過典型相關(guān)分析研究發(fā)現(xiàn)：綜合土壤酶活性因子中其主要作用的是蛋白酶、蔗糖酶和脲酶;綜合土壤肥力因子中所有因子都參與其中,說明蛋白酶、蔗糖酶和脲酶參與了土壤C、N、P的轉(zhuǎn)化以及對土壤pH值的調(diào)控也起到一定的作用,與安韶山等[26]研究丘陵區(qū)土壤發(fā)現(xiàn)蔗糖酶活性與土壤肥力因子有顯著的相關(guān)性的結(jié)果相一致。蔗糖酶是評價土壤恢復(fù)過程中的重要指標(biāo),并且有機質(zhì)的分解深刻地影響著土壤酶的活性[35]。并且K.Ciarkowska等[36]通過研究鉛鋅礦土壤修復(fù)過程中酶活性發(fā)現(xiàn)土壤樣品中的有機質(zhì)和氮的高可變性反映在脲酶和蔗糖酶的變化上。K.Ciarkowska等[36]還發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)和蔗糖酶活性可以作為評價復(fù)墾工程的間接指標(biāo)。過氧化氫酶、脫氫酶和堿性磷酸酶與土壤肥力的關(guān)系均不顯著,這與李躍林等[20]在桉樹人工林地中研究發(fā)現(xiàn)土壤過氧化氫酶活性、脲酶活性和蛋白酶活性與土壤肥力因子有顯著相關(guān)性的結(jié)果有所差異。本研究中未見過氧化氫酶與土壤肥力有顯著的相關(guān)性,這是因為試驗地常年受到放牧等人為因素的干擾[37],土壤肥力因子影響分泌土壤酶的土壤微生物和植物根系的活動[38]。

以上分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)露天礦排土場由于其特殊的立地條件,與其他研究區(qū)域不同,其土壤酶與土壤肥力因子有獨特的相關(guān)性。因為蔗糖酶、蛋白酶和脲酶與土壤肥力因子有顯著的相關(guān)性,所以在實際工作中,可以通過測定蔗糖酶和蛋白酶的活性快速評價露天礦排土場土壤肥力狀況。