不同恢复年限紫花苜蓿土壤养分及酶活性研究——以黄土丘陵区神木县为例

雷 琼

(杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100)

退耕还林的目的是使该地区植被得到恢复，土壤质量和生态环境得到改善。紫花苜蓿是我国种植面积最大的人工草地，因其具有很强的保持水土和土壤养分的能力[1, 2]，因此也成为黄土高原地区重要的人工草地恢复类型之一。

土壤养分与植物的生长发育关系密切。土壤养分的数量和供应对全球生物地球化学循环具有重要意义[3, 4]。土壤酶对土壤中的生化过程具有重要的作用，同时会加速土壤中营养元素的循环，可以反映土壤中生物的代谢和物质的转化情况[5]。土壤养分含量与土壤酶活性关系密切[6]，并可将土壤酶活性与土壤养分作为评价土壤质量、土壤肥力的高低和生态环境质量的重要指标[7, 8]。

恢复年限对紫花苜蓿地土壤的养分、质量和土壤的酶活性具有重要的影响。前人通过对干旱和半干旱地区草地进行研究发现植被恢复的过程中，植物与土壤的关系会发生不断的变化，植物与土壤关系的变化又反过来对土壤养分、土壤质量和土壤酶产生影响[9]。笔者研究中选取黄土高原不同恢复年限的紫花苜蓿地为研究对象，重点研究不同恢复年限的土壤养分含量和土壤酶活性变化特征及相关关系，旨在揭示植被恢复后不同恢复年限的土壤的营养状况和微生物活性，为黄土高原植被恢复的质量评价提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

我们选择陕西省神木县为我们的研究区域(图1)，该区域属于温带大陆性气候，年均温8.9℃，年降水量422.7 mm，该地区地貌复杂，土壤类型以风砂土为主，这种土壤特点是土壤养分含量较低，易发生土壤侵蚀。

图1 研究区地理位置示意

1.2 土壤样品的采集

2018年6月，我们在神木县选取不同恢复年限(0 a，5 a，10 a，15 a，25 a和30 a)的紫花苜蓿地为研究区域。6个恢复年限共选择18个样地，54个样方。在每个恢复年限的紫花苜蓿地选择3个样地，每个样地选取3个样方。在每个样方按“S”型取样法采集土壤样品，每个样方采集9个土壤样品(0～20 cm土壤深度)，然后将同一个样方的土壤样品混合，带回实验室。在实验室将土壤样品分成两部分，一部分自然风干，主要测定土壤养分含量，另一部分存储于-80℃冰箱中，主要测定土壤酶活性。

1.3 土壤样品的测定

土壤pH：pH计测定法[10]。

土壤有机质：重铬酸钾外加热法[10]。

土壤全氮：凯氏定氮法[10]。

土壤全磷：钼锑抗比色法[10]。

土壤速效磷：钼锑抗比色法测定[10]。

土壤速效钾：乙酸铵提取-火焰光度法[10]。

土壤碱解氮：康维皿碱解扩散法[10]。

土壤酶活性参考前人文献进行[11]。

1.4 数据处理

采用Excel 2013和SPSS 21.0对数据进行统计分析，采用Duncan法进行土壤养分含量和土壤酶活性在不同恢复年限的差异显著性检验(p<0.05)。采用SPSS 21.0采用pearson相关分析法进行各指标间的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 紫花苜蓿土壤养分含量和pH随恢复年限变化特征

图2表明，恢复年限对紫花苜蓿土壤养分含量和pH的影响在p<0.05水平上有较显著差异。土壤有机质和全氮含量在紫花苜蓿地恢复的初期显著增加，5 a后无明显变化，其中有机质含量在10 a时达到最大，占0 a的406.96%，全氮含量在15 a达到最大，占0 a的498.37%(图2a, b)；土壤全磷含量在恢复初期逐渐增加(0～10 a)，之后有降低的趋势(10～25 a)，在30 a显著增加，其中30 a的全磷含量占0 a的393.52%(图2c)；土壤速效磷含量随恢复年限无明显趋势变化(图2d)；土壤碱解氮含量恢复初期逐渐增加(0～10 a)，10 a后显著降低，15 a后趋于稳定(图2e)，在10 a时达到最大，占0 a的324.44%。土壤速效钾含量随恢复年限先增加后趋于稳定，在30 a显著降低(图2f)，其中有机质在10 a时达到最大，占0年的232.72%。

2.2 不同恢复年限紫花苜蓿土壤pH变化

恢复年限对紫花苜蓿土壤pH的影响有较显著差异(p<0.05)(图3)。结果表明：土壤pH随恢复年限整体呈降低趋势，且植被恢复的0～15 a存在较大的波动，在植被恢复15～25 a间土壤pH无显著差异。

图2 土壤养分含量随恢复年限的变化

图3 土壤pH随退耕年限的变化

2.3 不同恢复年限紫花苜蓿土壤酶活性变化

图4表明，恢复年限对紫花苜蓿土壤酶活性的影响在p<0.05水平上有较显著差异。土壤过氧化氢酶、磷酸酶和蔗糖酶活性在紫花苜蓿地恢复的25 a前逐渐增加，在25 a后有降低的趋势，且均在25 a时达到最大，分别占0 a土壤过氧化氢酶活性、土壤磷酸酶活性和土壤蔗糖酶活性的843.15%、785.12%和1028.68%(图4a，c，e)；土壤多酚氧化酶活性随恢复年限先降低后增加，但各恢复年限酶活性均低于0 a，且在10 a达到最低值，占0 a的44.38%(图4b)；土壤脲酶活性随恢复年限先增加后降低再增加，在15 a后趋于稳定，且在15 a达到最大，占0 a土壤脲酶活性的467.76%(图4d)。

图4 土壤酶活性随恢复年限的变化

2.4 土壤养分含量、pH与土壤酶活性相关性分析

对紫花苜蓿地各土壤养分指标、pH与土壤酶活性进行相关性分析，用于研究不同的土壤养分含量、pH与土壤酶活性的关系。表2表明：土壤有机质、土壤全氮含量、土壤碱解氮含量、土壤速效钾含量与土壤过氧化氢酶活性和土壤蔗糖酶活性呈显著正相关，而与土壤多酚氧化酶活性显著负相关；土壤pH与土壤多酚氧化酶活性显著正相关，与土壤过氧化氢酶活性显著负相关。

表1 土壤养分含量、pH与土壤酶活性相关性分析

注：**：p<0.01；*：p<0.05

3 讨论与结论

笔者研究发现土壤养分含量除土壤速效磷外随恢复年限整体呈增加的趋势，说明植被恢复后紫花苜蓿土壤养分的富集作用逐渐增强，土壤质量得到改善，与前人研究结果相似[12, 13]。首先，植被恢复后紫花苜蓿植物生物量、植被盖度和植物多样性逐渐增加[14]。其次，植被恢复改善了土壤结构，土壤侵蚀减弱[15]，从而导致土壤养分流失减少。第三，已有研究表明植被恢复后随恢复年限的增加土壤微生物量和活性逐渐增强[16]，从而有利于土壤养分的形成与转化。我们还发现，在紫花苜蓿恢复后期土壤养分含量有降低的趋势。可能原因是在紫花苜蓿恢复25 a后，进入衰败期，植物生长停止，根系退化，根系分泌物减少，植物盖度和生物量开始降低，不利于土壤养分的形成。笔者研究发现土壤酶活性除土壤多酚氧化酶外，其他四种酶活性随恢复年限增加整体增加，与前人研究结果相同[17]。原因是随恢复年限的增加，紫花苜蓿地表枯落物逐渐增加，植物生长需要更多的养分含量，从而使得土壤中微生物的数量和种类不断的增加，进而分泌的酶也逐渐增加。同时，土壤酶活性的提高说明紫花苜蓿地的碳素、氮素和磷素分解能力逐渐增强[18]。土壤多酚氧化酶的主要功能是转化土壤中芳香族化合物，植被恢复积累的酚类物质会抑制水解酶活性[19]，植被恢复后多酚氧化酶活性的降低可能增加该区域土壤中水解酶的活性。我们还发现，土壤中酶活性与不同的土壤养分含量存在一定的关系，在我们的研究中，酶活性除了多酚氧化酶外整体均与土壤的养分含量呈现正相关关系。一般认为，土壤的养分含量越高，土壤中转化酶的活性就越强。

综上所述，土壤养分含量除土壤速效磷外和土壤酶活性除土壤多酚氧化酶活性外随恢复年限增加整体增加，但在25 a后整体存在降低的现象。我们还发现土壤酶活性(除多酚氧化酶外)整体与土壤的养分含量存在正相关关系。