不同林龄桉树人工林的土壤理化性质及脲酶活性

梁卿雅 王旭 刘文杰 邹耀进 王鑫瑶 李超 唐鹏 程毅康

摘 要 为探明桉树林地土壤理化因子和土壤脲酶活性随林龄的动态变化规律，以及脲酶活性与土壤主要理化因子之间的深层关系，采用时空互代法和通径分析方法对海南儋州地区不同林龄桉树林土壤主要理化因子和脲酶活性进行了研究。结果表明：随林龄的增加，桉树林下土壤理化因子及脲酶活性大致呈现递减趋势且存在显著差异，其中2年生林地脲酶活性最高为0.901 mg/g，4年生和6年生林地土壤脲酶活性分别为0.533 mg/g和0.499 mg/g。通过进一步的相关分析和通径分析发现，土壤各因子对脲酶活性影响（按绝对值大小）的大小顺序为：全磷（0.719）>水溶性有机氮（0.519）>全氮（0.508）>土壤含水量（0.463）>总有机碳（0.170）>土壤容重（0.154）>水溶性有机碳（0.143）。综合各因子的直接作用和间接作用得出，土壤全氮以及水溶性有机氮（WSON）是制约脲酶活性的直接相关因子，而水溶性有机碳（WSOC）通过强烈的间接效应也对脲酶活性产生重要影响。

关键词 桉树林土壤；脲酶活性；相关分析；通径分析

中图分类号 S714.2 文献标识码 A

Abstract In order to explore the dynamic change regularity of eucalyptus forest soil physical， chemical factors and urease activity along with forest age， and the deep relationship between urease activity， soil physical and chemical factors， spatial-temporal substitution method and path analysis were applied to eucalyptus trees of different ages in Danzhou. Results showed that soil physical， chemical factors and soil urease activity varied significantly， but all decreased with the increase of stand age. The highest urease activity was appeared 0.901 mg/g in 2-year-old forest land， 0.533 mg/g， 0.499 mg/g in 4-year and 6-year-old forestland respectively. Considering correlation and path analysis， effects of soil factors on urease activity（in absolute value）was in the order of total phosphorus（0.719）> water-soluble organic nitrogen（0.519）> total nitrogen（0.508）> Water content（0.463）> Total organic carbon（0.170）> Bulk density（0.154）> water-soluble organic carbon（0.143）. By integrating the direct and indirect effects of each factor we could get the conclusions that total nitrogen and water-soluble organic nitrogen were the direct correlators that constrain urease activity， WSOC was a strong indirect correlators that exerted significant influence on urease activity also.

Key words eucalyptus forest soil； urease activity； correlation analysis； path analysis

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.03.011

土壤酶作為土壤中生物学活性的重要组成部分是参与土壤中各种生物化学反应的重要催化剂，其不仅能反映土壤中各类生化过程的动向和强度，其活性还能够在一定程度上表征土壤中微生物的状况、土壤理化性质及肥力状况[1-4]。土壤酶活性与土壤理化性质及肥力状况的关系一直为各国学者研究的热点，但多见于用简单相关和多元回归的方法进行分析。通径分析能够将因变量与自变量之间的简单相关系数分解为直接通径系数和间接通径系数，从而全面考察变量之间的相互关系，揭示各因素对结果的相对重要性[5-6]。桉树（Eucalyptus）作为中国速生丰产林的代表，在给社会带来可观的经济效益的同时也引发了一系列土壤问题，如地力衰竭、过度消耗土壤水分和养分，导致土壤性状恶化，林木生长减缓[7-9]。目前对于桉树林的研究主要集中于生物多样性[10]、生物量和生产力[11]、土壤养分变化[12]等方面，而鲜见关于海南地区桉树林土壤脲酶与土壤主要理化因子之间相互关系的研究。本研究应用时空互代法以及相关分析和通径分析等手段对海南儋州地区桉树人工林地土壤脲酶活性与土壤理化性质的关系做出定量分析，旨在了解不同种植年限下土壤理化性质、土壤脲酶的变化趋势及两者之间的内在关系，为筛选桉树人工林土壤质量评价指标和酶学诊断的可行性提供基础数据；同时为桉树人工林的可持续经营和生产实践提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于海南省儋州市东城镇，东经108°56′～109°46′，北纬19°11′～19°52′，地形为平原，海拔40～50 m。为典型热带岛屿季风气候，太阳辐射强，全年基本无霜，四季不分明。全年平均日照时数在2 000 h 以上，年均气温23.5 ℃，年均降雨量1 704.7 mm，干湿季节明显。土壤类型为砂质砖红壤，该类型土壤土层浅薄，底土石砾多，保肥供肥能力较弱[8]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置 采用时空互代法，以2年生、4年生和6年生的林龄桉树为研究对象（桉树林轮伐期为5～7年），于2016年7月在儋州市东城镇儋州林场选择营林、管理方法、海拔、坡向、坡度、土壤母质等立地条件基本一致或相近的林地，每个林龄样地分别设置3块20 m×40 m的标准样地。研究区域地势平坦，群落结构简单，草本灌木极少，为单一的人工群落，研究区内每年施肥（氮磷钾复合肥60 kg/hm2）、除草（除草剂）一次。

1.2.2 土壤样品采集 在每个标准样地内，挖取长宽深均1 m的正规剖面一个，将剖面分为0～10、10～20、20～30、30～50、50～100 cm 5个土层，用环刀法采集土壤原状土，用于测定土壤含水量和容重等物理性质；另采用土钻法，在每个标准样地内按照“S”取样法，选取4个代表性的样点，去除地表凋落物，用内径为5.0 cm的土钻按上述土壤分层方法采集土壤样品，重复5次，等层次混匀为1个混合样后带回实验室，将一部分鲜土去杂质，过2 mm筛后贮藏于4 ℃冰箱内用于测定土壤脲酶；将另一部分风干、去杂质、过1 mm筛后用于测定土壤化学性质。采样日之前至少3 d没有≥5 mm降水。

1.2.3 测定方法 土壤物理性质的测定采用中国科学院南京土壤所编写的《土壤理化分析》中的测定方法[13]。土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠显色法测定，酶活性以1 g土在37 ℃恒温培养箱培养24 h所释放的NH4+-N的毫克数表示[14]。土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法，全氮采用半微量凯氏定氮法，全磷采用钼锑抗比色法[15]；土壤水溶性有机碳/氮（WSOC/WSON）采用Curtin等[16]的方法，用热水浸提后，将浸提液置于Multi C/N3100 TOC/TN测定仪上（德国耶拿公司）测定。

1.3 数据处理

原始数据的整理、统计计算以及图表制作采用Microsoft Excel 2010软件处理，处理后数据采用SPSS 19.0软件进行相关性分析、通径分析。处理间差异显著性的比较采用单因素方差分析，用Duncan法进行多重比较；变量间的相关性分析采用Pearson相关统计方法。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限桉树林土壤理化性质动态变化

由表1可知，不同林龄桉树人工林各理化因子之间表现出明显不同的变化趋势。与2年生桉树人工林相比，4年生和6年生的桉树林的土壤有机碳、全氮、全磷、水溶性有機碳/氮以及土壤含水量均有不同程度的降低，其中土壤水溶性有机氮随林龄的降幅相对较大，与2年生相比，4年生和6年生桉树林土壤水溶性有机氮分别减少了59.14%和77.17%，差异极显著（p≤0.01）。

2.2 不同种植年限土壤脲酶活性特征

在整个土壤生态系统中，土壤酶在促进物质循环和能量流动中起着重要的作用。脲酶作为水解酶类能够催化土壤生态系统中高分子化合物的降解，转化为生物可利用养分，从而促进植物生长[17]。随着种植年限的增加土壤中脲酶活性逐渐降低（p≤0.01），2年生、4年生、6年生桉树林土壤脲酶活性分别为0.901、0.533、0.499 mg/g（取1 m深土壤脲酶活性平均值）。由图1可知，2年生、4年生、6年生桉树林土壤脲酶活性在1 m深土层中也呈现出一定的变化规律，表现为上层明显高于下层。其中各林龄均为表层（0～10 cm）土壤脲酶活性较高，且与其他土层存在显著差异，其中，与2年生桉树林相比，4年生和6年生桉树林10～50 cm土层脲酶活性降幅更大。

2.3 土壤酶活性与土壤理化性质的相关分析

土壤中各理化因子对土壤脲酶活性具有一定的影响，其中土壤全氮含量、土壤水溶性有机碳和水溶性有机氮对脲酶活性存在明显影响。相关分析结果表明（表2），除土壤容重与土壤脲酶活性显示负相关外，其它理化因子均与土壤脲酶活性呈正相关关系，其中土壤全氮含量、水溶性有机碳和水溶性有机氮与脲酶活性均存在极显著的正相关关系。

2.4 土壤酶活性与土壤理化性质的通径分析

由于受到其他变量的影响，简单相关系数不能够真正反映一个变量与另一个变量的真实关系，往往需要进一步进行多元回归分析以及通径分析来获取变量之间更多的真实信息[18]。

多元回归方程能够描述随机变量在多个回归因子中的平均变化规律，能够在一定程度上消除变量之间的影响，从而使自变量与因变量的关系更加确实。通径分析不仅能够测定两变量的相互关系，还能够将相关系数分解为直接作用和间接作用，从而能够更为真实地反映变量之间的相互关系[19-20]。

将所测的桉树林土壤脲酶活性与土壤理化因子的数据进行回归分析，得到下列标准化多元回归方程：

U′=0.519X1′-0.719X2′+0.508X3′+0.463X4′-0.154X5′+0.143X6′-0.17X7′

式中：U′为标准化脲酶活性，X1为土壤水溶性有机氮，X2为土壤全磷，X3为土壤全氮，X4为土壤含水量，X5为土壤容重，X6为土壤水溶性有机碳，X7为土壤总有机碳，Xi′（i=1～7）为标准化的理化性质。

将方程中的标准回归系数（即直接通径系数）乘以各理化因子间的相关系数即得到间接通径系数（表3）。

从表3可以看出，土壤水溶性有机碳对脲酶活性直接通径系数较小，但在相关性上则表现出极显著相关（p≤0.01），因其通过其它因子对脲酶的间接通径系数之和较大，因此该因子对桉树林下土壤脲酶活性的直接效应虽然很小，但通过全氮、全磷和水溶性有机氮等的间接作用发挥重要的正效应。土壤全磷对脲酶活性的通径系数最大，说明其对脲酶活性具有较为明显的直接负效益，然而它对土壤脲酶的直接效应被通过其他因子对脲酶活性产生的反向间接效益所抵消，因此从表面上看，土壤全磷与脲酶活性的相关性较小，不是影响土壤脲酶活性的主要因子。全氮和水溶性有机氮对土壤脲酶的通径系数相对较大，且在表观上显示出与脲酶活性呈极显著相关，而通过其他因子对脲酶活性产生影响的间接通径系数之和较小，说明土壤全氮和水溶性有机氮对脲酶活性有强烈的直接正效应，是影响土壤脲酶活性的主要因素。土壤总有机碳和容重对脲酶活性的直接通径系数很小，通过其他因子对脲酶活性产生影响的间接通径系数之和相对较大，虽不是制约土壤脲酶活性的关键因子，但也对其活性产生了一定影响。虽然土壤含水量对脲酶活性的直接正效应较大，但其通过土壤全磷对脲酶活性产生了相对较大的负效应（间接相关系数为-0.549），因此从表面上看两者相关性并不大。

3 讨论

本研究结果表明，随着生长时间的延长，不同林龄桉树人工林土壤容重、含水量、水溶性有机碳氮、总有机碳、全氮、全磷和土壤脲酶的垂直分布格局及其在同一土层内的分布均表现出差异性。2年生桉树林土壤中有机组分及土壤含水量均高于其它2个林龄，其中土壤总有机碳、全氮、水溶性有机碳和水溶性有机氮表现为上层明显高于下层，这与大多数研究结果相似[21-22]；2年生土壤含水量和全磷的变化趋势不明显。土壤脲酶能够将土壤中的尿素水解为植物可利用的有效养分，因此在促进植株生长和土壤氮素循环上扮演着重要的角色。本研究结果显示，土壤脲酶活性随着林龄的增大而表现出递减的趋势，且在垂直剖面上脲酶活性大致呈现出表层活性大而深层活性小的趋势，这与土壤有机组分的变化趋势相似，说明土壤中水溶性有机碳氮、总有机碳和全氮等因子与土壤脲酶活性具有一定的相关关系，另有研究也表明土壤养分能够通过影响土壤中微生物的变化从而影响土壤酶的活性[23-24]，而土壤酶活性的大小也在一定程度上影响土壤养分的有效性[25-27]。

相关分析进一步证明土壤脲酶活性与土壤主要理化因子具有较高的相关性，可以作为表征土壤养分状况的一个参考指标。通径分析量化分析了土壤各因子对土壤脲酶活性的影响程度，其大小（按绝对值大小）顺序为：全磷（0.719）>水溶性有机氮（0.519）>全氮（0.508）>土壤含水量（0.463）>总有机碳（0.170）>土壤容重（0.154）>水溶性有机碳（0.143）。全磷虽然对土壤脲酶活性有着极大的负效应，但其通过其他因子所表现出的效应之和抵消了其作用，因此从表面上看来其与脲酶活性的相关性最小；土壤总有机碳和水溶性有机碳虽然直接通径系数最小，但其通过全氮、水溶性有机氮等因子表现出的间接效应之和较大，因此对脲酶活性也具有较大影响。另外，分析结果表明土壤全氮和水溶性有机氮不论是直接通径系数还是相关系数均较大，说明两者对脲酶活性具有强烈的直接作用，是制约土壤脲酶活性的重要因子，而全磷、土壤含水量和容重对土壤脲酶活性的影响则较小。

4 结论

桉树人工林土壤脲酶活性随着林龄的增大而表现出递减的趋势，且在垂直剖面上土壤脲酶活性大致呈现出表层活性大而深层活性小的趋势。土壤脲酶活性与土壤有机质、全氮、水溶性有机碳氮等因子密切相关，且与土壤全氮和水溶性有机碳氮呈极显著相关。通径分析结果表明，土壤全氮及水溶性有机氮对脲酶活性的直接通径系数分别为0.508和0.519，说明这2种因子对土壤脲酶活性具有强烈的直接作用，是制约土壤脲酶活性的重要因子。相关分析和通径分析的结果均说明土壤脲酶活性与土壤养分之间存在密切相互作用，可以作为表征桉树林土壤肥力水平的参考指标之一，用于反映土壤养分状况。

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