衡阳紫色土丘陵坡地恢复过程中土壤性质的变化及其关系

摘要[目的]为了探讨衡阳紫色土丘陵坡地恢复过程中土壤性质的变化规律。[方法]采用时空互代法，研究衡阳紫色土丘陵坡地不同恢复阶段0～40 cm土层的土壤性质变化及其关系。[结果]土壤性质存在明显差别，从裸地阶段（Ⅰ）、草本群落阶段（Ⅱ）、灌木群落阶段（Ⅲ）至乔木群落阶段（Ⅳ）土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、碱解氮（AN）和阳离子交换量（CEC）显著增加（P<0.05），容重（BD）与pH显著减小（P<0.05）。微生物总数显著增加（P<0.05），其中细菌数量显著增加（P<0.05），真菌数量与放线菌数量显著减小（P<0.05）； 相关分析表明，土壤细菌数量与SOC、TN与AN呈极显著正相关（P<0.01），与CEC呈显著正相关（P<0.05）；真菌数量与SOC与TN呈显著正相关（P<0.05），与BD呈显著负相关（P<0.05）；放线菌数量与BD呈显著负相关（P<0.05）。URE、INV、APE酶活性显著增强（P<0.05）， CAT活性显著减弱（P<0.05）；相关分析表明，URE、INV、APE活性与SOC、TN、AN、CEC显著或极显著正相关（P<0.05或P<0.01），与BD与呈显著负相关（P<0.05）；CAT与BD呈显著正相关（P<0.05），与SOC呈显著负相关（P<0.05）。[结论]研究结果可以丰富该区域恢复生态学的内容，为衡阳紫色土丘陵坡地生态系统的植被恢复与重建提供一定的理论依据。

关键词植被恢复；土壤性状；微生物数量；酶活性；紫色土；衡阳

中图分类号S154.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）01-00091-03

基金项目湖南省重点项目（62020608001）；湖南省科技厅项目（S2006N332）；湖南环境生物职业技术学院院长科研基金青年资助项目（Z0901）。

作者简介陈孙华（1972-），男，湖南茶陵人，讲师，从事林业技术教育与园林的教学与研究工作，Email：chensunhua1@sina.com。

收稿日期20131202衡阳紫色土丘陵坡地是湖南省生态环境最恶劣的地区之一，也是我国南方极具代表性的生态灾难区，面积达1.625×105 hm2。紫色土发育期短，常处于幼年阶段，因此地力差，极易水蚀，加上其颜色深、吸热性强，夏季地面温度极高（最高可达72.9 ℃），蒸发量大，又因区域性的不利环境影响和不合理的开发，致使该区域长期以来植被稀疏，水土流失严重[1-5]。植被恢复是治理该区域水土流失的关键措施。在恢复过程中，土壤性质（包括土壤理化性质、微生物数量以及酶活性）发生相应的变化，但以往的研究与评价多集中于减少径流与养分的流失[6-7]，而对土壤微生物数量及代谢影响的研究相对薄弱。笔者采用时空互代法[8-10]，研究不同恢复阶段土壤性质与土壤微生物多样性，并且以测定脲酶（Urease， URE）、蔗糖酶（Invertase， INV）、碱性磷酸酶（Alkphosphatase， APE）与过氧化氢酶（Catalase， CAT）为切入点分析其代谢活性，揭示在植被恢复过程中土壤性质的变化机制，为该区域紫色土的质量管理及恢复与重建提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况衡阳紫色土丘陵坡地（110°32′16″～113°16′32″ E，26°7′5″～27°28′24″ N）地处湖南省中南部，湘江中游，东起衡东县的霞流镇与大浦镇，西至祁东县的过水坪镇，北至衡阳县的演陂镇与渣江镇，南达常宁市的官岭镇与东山瑶族乡和耒阳市的遥田镇与市炉镇一带，以衡南与衡阳两县面积最大，地貌类型以丘岗为主，呈网状集中分布于该区域中部海拔60～200 m的地带。该区域属亚热带季风湿润气候，年平均气温18 ℃，极端最高气温40.5 ℃，极端最低气温-7.9 ℃，年平均降雨量1 325 mm，年平均蒸发量1 426.5 mm。平均相对湿度80%，全年无霜期286 d。

1.2研究方法

1.2.1样地设置。在2011年7～8月，在该研究区的典型区域中选择坡度、坡向和海拔等生态因子基本一致的中下坡沿等高线的样地，代表不同的植被恢复阶段。它们分别为裸地阶段（Ⅰ）、草本群落阶段（Ⅱ）、灌木群落阶段（Ⅲ）和乔木群落阶段（Ⅳ）。每个样地面积>1 hm2，在演替初始条件均为撂荒地。裸地阶段（Ⅰ）的样地坡度为30°，坡向西南，海拔130 m， 仅有极少数阳性先锋幼苗，如野桐（Mallotus tenuifolius）、盐肤木（Rhus chinensis），近无草本植物。草本群落阶段（Ⅱ）的样地坡度为25°，坡向西南，海拔120 m， 草本植物主要有狗尾草（Setaria viridis）、须芒草（Miscanthus sinensis）与夏枯草（Prunella vulgaris）等；木本植物主要有野桐、火棘（Pyracantha fortuneana）与构树（Broussonetia papyrifera）等。灌木群落阶段（Ⅲ）的样地坡度为35°，坡向西南，海拔125 m， 灌木层主要有牡荆（Vitex negundo var. cannabifolia）、紫薇（Agrmonia pilosa）、圆叶乌桕（Sapium rotundifolium）、重阳木（Bischofia polycarpa）、女贞（Ligustrum luciduum）、六月雪（Serissa foetida）、山杨（Populus davidiana）与马桑（Coriaria nepalensis）等。乔木群落阶段（Ⅳ） 的样地坡度为25°，坡向西南，海拔135 m， 乔木层主要有枫香（Liquidambar formosana）、圆叶乌桕、朴树（Celtis sinensis）、重阳木与山杨等；灌木层有紫薇、女贞、六月雪、矮地茶（Ardisia japonica）等。在每个样地内分别设置5块个样方间距>20 m 的20 m×20 m样方，在每个样方内按S型、线型或梅花型多点采集混合样，取0～40 cm的土样，分为两部分，一部分土样保保藏于0～4 ℃的冰箱中，并在30 d内完成微生物计数；另一部分土样风干，混匀、磨细、过0.25 mm筛供土壤理化性质的测定（表1）。

1.2.2测定项目与方法。土壤容重（Bulk density，BD）测定采用环刀法；SOC（Soil organic carbon， SOC）测定采用H2SO4-K2Cr2O7外加热法；全氮（Total nitrogen， TN）测定采用凯氏法；碱解氮（Available nitrogen， AN）测定采用扩散吸收法；pH测定采用电极电位法；阳离子交换量（Cation exchange capacity， CEC）测定采用乙酸铵交换法[11]。土壤中的细菌、真菌和放线菌的分离和数量测定采用稀释平板法。三大类菌培养基分别为牛肉膏蛋白胨琼脂、马丁氏（Martin）培养基和高氏1号培养基[12]。土壤URE、INV、APE和CAT活性分别采用苯酚-次氯酸钠比色法、3，5二硝基水杨酸比色法、对硝基苯磷酸二钠比色法测定和KMnO4滴定法测定[13]。

1.2.3数据统计与分析。 所有数据均采用SPSS13.0软件进行处理。用单因素方差分析法（oneway ANOVA）和最小显著差异法（LSD）比较不同数据间的差异。用Pearson分析法分析不同因子间的相关系数。所有数据均为3次重复的平均值。

2结果与分析

2.1不同恢复阶段土壤微生物数量表2表明，从Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ至Ⅳ，细菌数量与微生物总数显著增加（P<0.05），其增加幅度分别为59.000%～394.895%与51.720%～360.009%；而真菌数量与放线菌数量显著减小（P<0.05），其减小幅度分别为25.593%～94.932%与67.523%～148.411%。在三大微生物中，细菌最多，占绝大多数 （85%以上），真菌最少（不足2%）。这与三大微生物的生态属性的差异有关，细菌个体小，繁殖简单，速度快，而且取样时间为7～8月，水热条件适宜，有利于细菌的发育，而真菌和放线菌发育缓慢，与细菌竞争处于弱势地位，细菌数量增加抑制真菌和放线菌的生长发育[1，5]；另外，研究区域的土壤呈弱碱性，适宜于细菌和放线菌的生长，而真菌该环境中生长较差[14-16]。该研究表明，植被恢复能够为土壤提供大量不同的凋落物与分泌物，为微生物的生长与发育提供不同的食物来源，导致三大微生物的数量与结构发生变化，表现出良好的生态功能。

2.2不同恢复阶段土壤酶活性表4表明，随着恢复的进行，0～40 cm土层酶活性的大小发生了变化。URE、INV、APE 3种水解活性随着恢复的进行而显著增加（P<0.05），增加幅度分别为1.136～1.558 μg/（g·d）、0.027～6.695 mg/（g·d）与0.183～0.558 μg/（g·d）；随着恢复的进行，SOC得以提高，高的SOC易使土壤环境的氧化性降低，不利于CAT活性的提高，因此CAT活性的变化规律则刚好相反。随着恢复的进行，CAT活性显著减小（P<0.05），减小幅度为8.972～24.224 μmol/（g·h）。在不同的恢复阶段，土壤酶活性的差异与恢复阶段的土壤性质演变以及土壤酶类型有关[17-18]。

3结论与讨论

土壤微生物作为土壤C循环中最活跃的参与者。SOC为其提供最重要的生命支持物质。微生物又通过自身的新陈代谢与生长发育等生理生化过程加快SOC的周转。研究中，土壤细菌数量与SOC、TN与AN呈极显著正相关（其相关系数分别为0.965**、0.900**与0.885**）。这可能与细菌多样化的代谢类型为关，从另一方面显示细菌在土壤C循环的重要作用；真菌数量与SOC、TN的相关系数分别为0.556*、0.576*，这是因为真菌是土壤中大分子有机物的主要降解者，较高的N素促进真菌的生长和功能的发挥，从而促进C循环。这与陈家瑞等[19-20]研究结果相似。

随着植被恢复的进行，SOC、TN、AN与CEC显著增加（P<0.05），BD显著减小（P<0.05），表明土壤的肥力、通气以及保肥性能得到优化，土壤的氧化性降低，从而引起URE、INV、APE 3种水解酶随着植被恢复的进行而显著增加（P<0.05），而氧化酶CAT则随着植被恢复的进行而显著减小（P<0.05）。因此，URE、INV与APE 3种水解酶与SOC、TN、AN与CEC达显著或极显著正相关水平（P<0.05或P<0.01），而与BD达显著负相关关系（P<0.05）；而氧化酶CAT的活性对植被恢复的响应基本相反，与SOC、BD的相关系数分别为-0.689*、0.668*。这与李为等[21]的研究结果相似，而与刘淑娟等[22]的研究结果不尽相同，其原因可能是研究的对象、研究对象所处的环境以及研究对象土壤中各种成分的相互作用等不同，造成各种成分之间的耦合变化也不同，从另一个侧面说明影响土壤性质改变的因素的复杂性[23-24]。

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