秦岭西部中幼龄华北落叶松林地土壤养分与酶活性特征研究

王伟东， 王渭玲*， 徐福利， 于钦民， 马惠玲

(1西北农林科技大学生命科学学院，陕西杨凌 712100； 2西北农林科技大学资环学院， 陕西杨凌 712100；3中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

秦岭西部中幼龄华北落叶松林地土壤养分与酶活性特征研究

王伟东1， 王渭玲1*， 徐福利2, 3， 于钦民2， 马惠玲1

(1西北农林科技大学生命科学学院，陕西杨凌 712100； 2西北农林科技大学资环学院， 陕西杨凌 712100；3中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

华北落叶松； 林龄； 土壤养分； 土壤酶活性

土壤养分和土壤酶在森林生态系统的物质循环和能量流动方面发挥着关键的作用，土壤养分含量直接影响着林木的生长，土壤酶参与土壤中生物化学过程和物质循环，对土壤有机质的转化起着重要的作用，是反映森林土壤质量高低的重要生物学指标[12-13]。土壤养分与土壤酶活性相结合可以全面地反映土壤生态系统退化的早期主要预警指标[14-15]。本文以秦岭华北落叶松中幼龄人工林为研究对象，通过分析中幼龄华北落叶松林地土壤养分和土壤酶活性的变化规律，探讨在一定立地条件下不同中幼龄华北落叶松人工林土壤养分和土壤酶活性的特征，以期为分析和探讨华北落叶松幼龄期人工林的合理经营、中幼龄华北落叶松林地土壤生态系统结构、功能及其可持续性利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置 采用空间序列代替时间的方法，在2012年3月全面实地调查并分析林分状况的基础上，分别在林龄为幼龄5年(5 a)、10年(10 a)和中龄20年(20 a)的华北落叶松林中，选择海拔、坡向、坡位等立地条件基本相同，长势良好且较一致的林分，分别选定3个20 m×20 m的有代表性的样地。对样地乔木每木检尺，并调查样地基本因子，结果见表1。

表1 华北落叶松人工林样地基本因子Table 1 General condition of Larix principis-rupprechtii sample plantation

1.2.2 土样采集 在试验地20 m×20 m的样方内按W型选取5个小区域， 在每个小区域内用1 m土钻分别采集0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm土样，重复取3次，将所采集的3个重复土样按不同土层充分混匀，再利用四分法取1 kg左右，最终每个林龄样地每个土层取得5个土壤样品，3层共15个土壤样品带回实验室风干、磨细，分别过1 mm和0.25 mm筛，保存于密封袋中备用。

1.2.3 测定项目与方法 土壤有机质用重铬酸钾氧化—外加热法；全氮用硒粉—硫酸铜—硫酸消化法测定；铵态氮、硝态氮用AA3型连续流动分析仪测定；有效磷用钼锑抗比色法测定；土壤pH用电位法测定。蔗糖酶活性测定用3,5-二硝基水杨酸比色法，以1 g土在37℃培养24 h分解蔗糖产生的葡萄糖的毫克数表示；脲酶活性的测定用靛酚比色法，以1 g土在37℃培养24 h后土壤中NH3-N的毫克数表示；磷酸酶活性的测定用磷酸苯二钠比色法，以1 g土在37℃培养2 h后土壤中释放的酚的毫克数表示；过氧化氢酶活性的测定用KMnO4滴定法，以1 g土壤20 min后消耗的0.01 mol/L的KMnO4的体积表示[16]。

试验数据应用Excel 2010和SPSS20.0软件进行分析，单因素方差 (one-way ANOVA)检验处理之间的差异，进行Person相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同林龄华北落叶松人工林土壤pH、有机质和氮、磷养分的变化特征

由表2可知，20 a林龄土壤pH显著低于5 a和10 a林龄，表现出随着林龄的增加土壤pH呈降低的趋势。0—20 cm土层土壤中有机质和氮、磷养分含量均高于20—40 cm和40—60 cm土层，表现出土壤有机质和养分含量随土层深度的增加而降低的趋势。方差分析结果显示，3种不同林龄间表层(0—20 cm)土壤有机质有极显著差异且为20 a> 10 a> 5 a；5 a和10 a林龄20—40 cm土层土壤的有机质含量显著高于20 a，而5 a比10 a林龄的土

表2 不同林龄华北落叶松林地土壤pH、有机质和养分分布的变化Table 2 Distribution and changes of soil pH，organic matter and nutrients at different ages Larix principis-rupprechtii

注(Note): 同行数据后不同小写字母表示同一土层不同林龄间差异达5%显著水平Values followed by different lowercase letters within the same row are significant for the same soil depth among different age at the 5% level; 同列数据后不同大写字母表示同一林龄不同土层间的差异达5%显著水平Values followed by different capital letters in same column are significant for the same age among different soil depths at the 5% level. *—P<0.05； **—P<0.01.

壤有机质含量高，但差异不显著；10 a林龄40—60 cm土层土壤的有机质显著含量高于5 a，5 a则显著高于20 a。随着土壤深度的增加，土壤有机质降低的幅度20 a林龄的最大，从0—20 cm的25.89 g/kg下降到40—60 cm的4.45 g/kg；10 a的最小，从0—20 m的20.36 g/kg下降到40—60 cm的10.90 g/kg。土壤全氮、铵态氮和硝态氮随土层深度的增加表现出降低的趋势。在土壤表层(0—20 cm)全氮、铵态氮和硝态氮均表现为随林龄的增加而显著增加；下层土壤(20—40 cm和40—60 cm)表现出随林龄增加而维持稳定不变甚至降低的趋势。土壤有效磷随土壤深度的增加而降低，不同林龄的土壤有效磷有降低的趋势，与土壤pH的变化规律一致。

2.2 不同林龄华北落叶松林地土壤酶活性的变化特征

表3显示，0—20 cm表层土壤的蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性均显著高于20—40 cm和40—60 cm土层，表明蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性有随土层深度的增加而呈降低的趋势，其中，5 a林龄的0—20 cm土层土壤的蔗糖酶活性约是40—60 cm的5倍，脲酶酶活性0—20 cm是40—60 cm土层的5倍左右，磷酸酶活性0—20 cm是40—60 cm的4倍。这一变化趋势与土壤有机质及氮、磷养分含量的变化趋势一致。而0—20 cm土层的过氧化氢酶活性比20—40 cm和40—60 cm土层中的低，表明过氧化氢酶的活性有随土层深度的增加而增加的趋势。

表3 不同林龄华北落叶松林地土壤酶活性特征Table 3 Distribution characteristics of soil enzymes in different ages of Larix principis-rupprechtii

注(Note): 同行数据后不同小写字母表示同一土层不同林龄间差异达5%显著水平Values followed by different lowercase letters within the same row mean significant for the same soil depth among different age at the 5% level; 同列数据后不同大写字母表示同一林龄不同土层间的差异达5%显著水平Values followed by different capital letters in same column mean significant for the same age among different soil depth at the 5% level. *—P<0.05;**—P<0.01.

方差分析表明，不同林龄华北落叶松林地土壤酶活性在各林龄间有显著差异。其中蔗糖酶和脲酶活性的变化规律基本一致，均为10 a> 5 a> 20 a。磷酸酶在0—20 cm表层土壤中表现随林龄的增加而增加，在20—40 cm和40—60 cm土层磷酸酶活性的变化差异不明显。过氧化氢酶活性的变化规律为20 a > 5 a >10 a。

3 讨论与结论

3.1 不同林龄对华北落叶松林地土壤pH、有机质和氮、磷养分含量的影响

土壤酸碱性是衡量土壤性质的重要指标之一，对土壤的性状有较大的影响，也会影响林木的生长发育、微生物的活动、土壤营养元素的释放转化、有机质的分解以及元素的迁移等[17]。本研究表明，随着华北落叶松人工林林龄的增加，土壤有酸化的趋势，其中下层土壤酸化的趋势比较明显，这一结果与刘勇对幼、中林龄华北落叶松林地土壤的研究[11]、卢鑫等对不同林龄紫穗槐研究的结果一致[18]。其原因是由于林地内物种过于单一，土壤表层的枯枝落叶以针叶为主，这些凋落物在长期的分解过程中产生大量的单宁、有机酸等酸性物质，从而导致林地土壤酸化。

华北落叶松人工林地林木生长主要靠土壤自然肥力。土壤为林木生长提供养分，相对应的林木在生长发育过程中通过凋落物和根系分泌物的形式补给并影响林地土壤的肥力[19]。本研究表明，土壤剖面有机质、氮含量随土壤深度的增加而降低，这一结果与前人的研究结果一致[20]。这是由于落叶松凋落物主要堆积在表层土壤，有利于土壤肥力增加。

土壤有机质，氮、磷养分受到土壤利用、森林管理、林地坡度、光照以及林下植被等多种因素的综合影响[21]。本研究表明在林地0—20 cm土壤表层有机质、全氮、铵态氮、硝态氮均随着林龄的增加而增加，这和张超等对不同林龄的刺槐的研究结果一致[22]，而在20—40 cm和40—60 cm下层土壤中有机质、全氮、铵态氮和硝态氮呈现不变甚至下降的趋势。造成这种结果的原因有可能为：其一，在造林初期，土壤处于恢复期，树木通过凋落物等形式返还的有机质量少，因此有机质含量较低，随着林分的生长发育，植物残余物量增加，土壤有机质含量增加[23]；其二，落叶松在幼林期生长迅速，更多的是营养生长。随着林龄的增大，20年生的华北落叶松的凋落物积累量远远大于5年生和10年生的积累量，这些凋落物补充了表层土壤的养分。华北落叶松生长过程中也会从20—60 cm土壤层以及更深的土层中吸收养分，而20—60 cm土层的被吸收的养分不能通过凋落物的形式得到及时的补充或者补充量很少，所以导致养分含量降低。

土壤中有效磷含量与有机质和氮的变化不同[24]。速效磷含量从10 a开始到20 a显著下降，这与周德明等对杉木的研究[4]及赵琼等[25]对沙地樟子松人工林研究结果一致，原因是树木所吸收的磷来自于根际，而凋落物回馈的磷多聚集在土壤表层，造成了根际土壤内速效磷亏缺，随着华北落叶松林龄的增加，根际土壤速效磷降低的趋势。

3.2 不同林龄对华北落叶松林地土壤酶的影响

土壤酶主要来自土壤微生物、植物根系分泌物和动植物残体的腐化[16]。土壤酶在土壤生态系统的物质循环和能量转化中起着非常重要的作用，是土壤质量变化中比较敏感的一种生物学指标[26]。已有研究表明林龄对土壤表层的酶活性影响较为显著[27-28]。本研究结果表明，在不同土壤剖面中土壤酶的变化趋势为上层(0—20 cm)明显高于下层(20—40 cm和40—60 cm)，并且随着土层的加深而降低，层次之间变化明显，这主要是由于土壤表层有机质含量高，有充分的营养源以利于微生物的生长，加之表层水热条件和通气状况良好，微生物生长旺盛，代谢活跃，呼吸强度加大而使表层的土壤酶活性较高。。

林龄通过对土壤理化性质、生物区系和土壤水热状况的改变，间接地影响土壤酶活性[29]。对不同土壤剖面和不同林龄研究的结果分析，不同林龄的蔗糖酶和脲酶活性的变化趋势是5 a到10 a升高，从10 a到20 a迅速的下降，这一结果与刘勇[11]在幼、中林龄的华北落叶松上的研究及吕春花等[30]的研究结果相一致； 磷酸酶在土壤表层是随着林龄的增大而增大，这与张超等的研究结果一致[22]，在土壤深层，不同林龄的土壤磷酸酶变化差异不明显，其原因可能是表层土壤的腐殖质含量高影响土壤磷酸酶的活性。本研究中过氧化氢酶活性在不同林龄间的差异不明显，与过氧化氢酶活性受影响的因素众多有关。

土壤是林木生长的重要基质，为林木的生长提供必需的养分，直接影响林木的生长发育。同时，凋落物作为森林生态系统物质循环过程中的一个重要物质库，储存了大量的养分物质，是森林土壤自然肥力的重要来源[31-32]。华北落叶松作为一种落叶乔木，在每年的生长末期通过落叶将大量的养分归还到土壤之中，使得有限的养分元素不断地被林木循环利用，既保持了土壤肥力，又维护了生态系统的平衡。由于林地浅层土壤更接近凋落物等形成腐殖质层，所以林地浅层土壤的肥力比深层更丰富。试验结果显示，表层土壤(0—20 cm)的养分含量和土壤酶活性比下层土壤(20—40 cm和40—60 cm)更高。林木在整个生长发育过程中，也能通过根系分泌物等影响土壤的理化性质，进而影响其生长发育[33-34]。林木初级生产量的变化和土壤表层土的再分配影响林地养分的变化[35]。所以随着华北落叶松林木的生长发育，其土壤肥力受到影响。

华北落叶松的生长对土壤pH、有机质、全氮、硝态氮、铵态氮和有效磷的变化产生了明显影响，同时也影响了土壤酶活性。具体结果表现为：1)20 a华北落叶松林地土壤与5 a和10 a相比，有酸化的趋势；2)土壤有机质、全氮、硝态氮含量在表层(0—20 cm)有升高的趋势，但是在下层土壤中急剧下降，总体也呈下降趋势；3)20 a林地土壤中有效磷含量、蔗糖酶、脲酶活性均显著低于5 a和10 a；4)综合土壤pH、养分含量和土壤酶活性，20 a华北落叶松林地力呈现衰退趋势。针对这种现象，在华北落叶松人工林的经营过程中，对于林地土壤衰退的现象可以通过营养调控措施(如施肥等)来改善。

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Characteristics of soil nutrients and enzyme activities in young and middle agedLarixprincipis-rupprechtiiplantation in western Qinling Mountains

WANG Wei-dong1, WANG Wei-ling1*, XU Fu-li2,3, YU Qin-min2, MA Hui-ling1

(1CollegeofLifeSciences,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100，China；3InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objectives】 As one of the most important fast-growing afforestation tree species,Larixprincipis-rupprechtiihas been introduced to Shaanxi Province fifty years ago. They grew well in early age, but with the age increased, the growth rate obviously slowed down.So, we studied the characteristics of soil nutrients and enzyme activities in young and middle agedLarixprincipis-rupprechtii plantation in western Qinling Mountains.【Methods】 We chose three different agedLarixprincipis-rupprechtii(5 a,10 a and 20 a) plantations in the Nantan Nursery Garden of Taibai in Shannxi Province as the experimental sites, and established 20 × 20 m plot in each age stand plantation in 2012. In each plot, soil samples were collected at three depths(0-20 cm, 20-40 cm, and 40-60 cm) in five randomly located points following “S”. Using these samples, we examined soil chemical properties (pH, organic matter, total N, ammonium N, nitrate N and available P) and enzyme activities (phosphatase, urease, invertase, and catalase) in the different age of plantations.【Results】 With the soil depth increased, the soil pH values are increased in 5 years' plantations, but decreased first and then significantly increased (P<0.05) in 10 and 20 years' plantations. The soil pH range from 6.09 to 6.71, in order of 10 a >5 a >20 a in 0-20 cm layer, and 5 a> 10 a> 20 a in 20-40 cm and 40-60 cm layers. The contents of soil organic matter in 0-20 cm layer range from 18.68 to 25.89 g/kg, significantly higher than in 20-40 cm and 40-60 cm layers, and keep constant as the planting age increased. There are significant reductions (P<0.05) in soil total N, ammonium N, nitrate N and available P nutrients as the soil depth increased. In 0-20 cm layer, the contents of soil total N, ammonium N and nitrate N in 20 years' plantations are significantly higher (P<0.05) than those in other-aged plantations. The soil available P in 10 years' plantations is highest. The activities of soil invertase, urease and phosphatase in 0-20 cm layer are significantly higher (P<0.05) than those in 20-40 cm and 40-60 cm layers, while the soil catalase activities show an opposite tendency. In the 0-20 cm soil layer, the activities of soil invertase and urease in different years' plantation show as 10 a > 5 a> 20 a, the activities of soil phosphatase and catalase in 20 a-aged plantations are the highest, the variation ranges for these activities are as follows: invertase, 25.93-71.07 Glucose mg/g; urease, 0.15-0.52 NH3-N mg/g; phosphatase, 0.28-0.41 Phenol mg/g and catalase 3.95-4.58 mL 0.01 mol/L KMnO4/g.【Conclusions】 The growth ofLarixpricipis-rupprechtiiaffects the physichemical and biological properties of soil. Because of the lack of soil available N and available P in this area and the rapid growth of plants, the fertility of plantations in the Qinling Mountains become worse whenLarixprincipis-rupprechtiigrow over 20 years. Accordingly, fertilizer should be applied in these plantations in order to avoid nutrient limitation for plant growth.

Larixprincipis-rupprechtii; stand age; soil nutrients; soil enzyme activity

2014-01-06 接受日期： 2014-05-18 网络出版日期： 2015-05-06

国家重点基础研究发展计划“973计划”(2012CB416902)项目资助。

王伟东(1988—)，男，甘肃天水人，硕士研究生，主要从事植物生理生态方面的研究。E-mail: 315051046@qq.com * 通信作者 E-mail: ylwwl@163.com

S724.5

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1008-505X(2015)04-1032-08