不同林龄湿地松林土壤酶活性与土壤养分特征

严绍裕

(福建林业职业技术学院， 福建 南平 353000)

土壤为植物生长提供必须的营养元素，包括大量元素、其他中量元素和少量的微量元素，这些土壤营养元素来源于土壤矿物质和有机质[1]。土壤酶是生态系统物质循环和能量流动过程中最活跃的生物活性物质，由微生物活动、植物根系分泌和动植物残体腐解产生[2-4]，其参与了土壤各种生物化学过程以及物质循环[5]，并与微生物共同催化有机物转化、养分矿质化及同质化[6-8]，在一定程度上反映了土壤养分的循环代谢动态，可直接反映土壤中物质转化状况，评价土壤质量。对于土壤酶与土壤养分关系，诸多学者从林型差异、林下植被、不同土壤类型的物理化学特性展开了相关研究，就林型差异而言，现有研究多以杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.]林、杉木-马尾松(PinusmassonianaLamb.)混交林、木麻黄(CasuarinaequisetifoliaJ.R. Forst. & G. Forst.)-厚荚相思(AcaciacrassicarpaBenth.)混交林等林型为主[1,9-12]。对于不同林龄人工林土壤酶活性及其对土壤养分影响的报道较少，宫欢欢等[13]研究了不同林龄木麻黄林土壤酶活性及土壤养分状况。为了更好地了解不同林型对土壤质量的影响，本研究以福建滨海沙地外来引种树种湿地松(PinuselliottiiEngelm.)为研究对象，研究不同林龄湿地松林土壤酶活性与土壤养分变化特征及其相互关系，揭示湿地松林及其土壤互作效应，探究湿地松林土壤肥力随林龄的变化趋势，为维系滨海沙地湿地松林地土壤肥力、改善林地生产力以及滨海沙地防护林可持续发展提供理论依据。

1 研究区概况与试验方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省长乐市大鹤国有防护林场(25°40′～26°04′N, 119°23′～119°59′E)，年均气温19.3～15.6 ℃，年均降水量1 382.3 mm，降雨量多集中在5—9月，为典型的亚热带海洋性季风气候。该区地势较为平坦，土壤为滨海潮积沙土、风积沙土，土壤肥力低，保水性能差，区域内生态公益林301 hm2，常见树种有木麻黄、湿地松等，林下天然植被稀少。

1.2 试验方法

1.2.1 样地选择及设置 依据湿地松林不同生长发育阶段，本研究以15、23和34 a湿地松林为研究对象，每一林龄具有代表性的地段设置3个20 m × 20 m样方，共9个样方，林分基本概况见表1。

1.2.2 土壤样品采集 在每个样方内按“Z”字形路线寻找长势较为一致的3株湿地松为采样点，使用采样铲剔除土壤表面凋落物、石粒，作深度为40 cm的土壤剖面，依次采取0～10、10～20、20～30和30～40 cm层土壤样品[13]，标记后密封于自封袋中，带回实验室，置于4 ℃冰箱。将同一标记的土壤样品充分混合，分为两份，一份在去除砂石、凋落物后，过1 mm筛，置于4 ℃冰箱，一周内完成土壤脲酶、多酚氧化酶酶活性测定；一份自然风干后，去除杂物，研磨过0.149 mm筛，密封保存，用于土壤养分含量和蔗糖酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶酶活性测定。

表 1 不同林龄湿地松林基本概况Table 1 Basic conditions in P. elliottii stands at different ages

1.2.3 测定项目与方法 土壤酶活性测定参照文献[2]进行，采用靛酚蓝比色法测定土壤脲酶；3,5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶；磷酸苯二钠比色法测定酸性磷酸酶；高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶；邻苯三酚比色法测定多酚氧化酶，每种指标做无土壤及无酶进行对照，重复3次。土壤养分含量测定参照文献[14]进行，加入无二氧化碳的水使用pH计测定土壤pH值，采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质，碱解扩散法测定水解氮、盐酸和硫酸溶液浸提法测定土壤有效磷，火焰光度计测定速效钾。

1.3 数据处理

采用Excel 2010进行数据整理与分析，SPSS18.0软件进行双因素方差分析、多重比较和相关性分析，差异显著性水平定义为0.05，试验数据以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 不同林龄湿地松林土壤养分特征

0～10 cm土层中，湿地松林地土壤pH值在15 a时最大，为4.73(表2)。随着林龄的增加，林地土壤pH值先显著降低(P<0.05)后增加，23年较15年生林地土壤pH值降低了3.7%。10～20 cm土层土壤pH值表现为34 a>15 a>23 a。20～30 cm土层土壤中，15年生湿地松林地pH值高于23和34年生。土壤pH值随着土层深度的增加而增加；在所有林龄中，15年生湿地松林不同土层深度的pH值最大。

如表2所示，0～10 cm土层土壤的有机质随着湿地松林龄的增长呈现先增加后降低的特征，34 a土壤有机质含量显著低于15和23 a(P<0.05)，变化区间在1.75～2.43 g·kg-1。23年生湿地松林地有机质比15和34 a分别高出4.8%和38.5%。土壤有机质在各层土壤中，均随林龄的增加呈现为先增加后降低的趋势，分别为1.59～1.67、 1.06～1.39、 0.96～1.11 g·kg-1。各林龄湿地松土壤有机质含量随土层的加深而降低，15年与23年生湿地松林有机质含量在各层均存在显著差异(P<0.05)。

土壤水解氮，能在较短时间内为植物所吸收利用，可直接影响植物生长与植物氮素的积累。从表2可以看出，0～10 cm土层土壤水解氮含量在4.81～5.81 mg·kg-1，34年生湿地松林地水解氮含量最低，随着林龄的增长呈显著(P<0.05)减低的趋势。湿地松林地10～20 cm土层土壤水解氮含量为23 a>15 a>34 a，34 a林地水解氮显著低于15和23 a，变化范围在3.09～3.31 mg·kg-1。湿地松林地20～30 cm土层水解氮在23 a时达到最大值，为1.71 mg·kg-1。湿地松林地30～40 cm土层水解氮含量在1.14～1.33 mg·kg-1之间，并与林地0～10 cm土层之间存在一致的显著变化趋势(P<0.05)。同一林龄中，随着土层加深，水解氮含量为显著降低的变化趋势(P<0.05)。

土壤有效磷主要以无机态存在，能被植物直接吸收利用。湿地松林地土壤有效磷含量较低，最大值仅为2.21 mg·kg-1。湿地松林0～10 cm土层有效磷含量区间为1.72～2.21 mg·kg-1，15年生林分最高，随着林龄的上升，有效磷含量显著降低(P<0.05)。有效磷含量随着土层的加深均表现出同0～10 cm土层相似的变化趋势，但仅30～40 cm存在显著降低的变化趋势(P<0.05)。不同林龄土壤有效磷含量在垂直分布上都表现为0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm>30～40 cm的显著变化趋势(P<0.05)。

土壤速效钾包括了水溶性钾和交换性钾，从表2可以看出，0～10 cm土层速效钾含量显著高于其他土层(P<0.05)，变化范围在40.27～42.02 mg·kg-1。随着土层的加深，仅有10～20 cm土层呈现23 a>15 a>34 a的显著(P<0.05)变化趋势，其余均同0～10 cm林地土层变化趋势，不同土层速效钾含量变化分别为35.32～38.21、 33.35～37.43和31.28～33.39 mg·kg-1。

表 2 不同林龄湿地松林土壤养分变化Table 2 Change of soil nutrient content in P. elliottii stands with different ages

2.2 不同林龄湿地松林土壤酶活性

土壤脲酶作为一种酰胺酶，酶促有机物分子里肽键的水解，而水解的最终产物是碳酸与胺，用以表示土壤有机态氮的转化状态。从图1(a)可以看出，脲酶活性在0～10 cm土层的变化浮动较大，变化范围在0.033～0.042 μmol·d-1·mg-1，不同林龄之间土壤脲酶活性均存在显著差异性(P<0.05)，15年生湿地松土壤脲酶活性最高。不同土层土壤脲酶活性均随林龄的增加而降低，变化范围分别为0.022～0.037(10～20 cm)、 0.019～0.027(20～30 cm)和0.015～0.023 μmol·d-1·mg-1(30～40 cm)，且不同土层之间土壤脲酶活性均存在显著差异性(P<0.05)。

蔗糖酶加速了蔗糖分解，能有效增加土壤易溶性营养物质。湿地松林地蔗糖酶与其他酶活性存在很大差异[图1(b)]，0～10 cm土层中，15年生湿地松林地的蔗糖酶活性最强，为1.39 μmol·d-1·mg-1，随着林龄的增长，土壤蔗糖酶活性显著降低(P<0.05)。10～20、20～30和30～40cm土层土壤蔗糖酶活性随林龄的变化趋势与0～10 cm土层趋势一致，分别为0.64～0.94、 0.48～0.62和0.22～0.46 μmol·d-1·mg-1，除15年与23年生湿地松 20～30 cm土层外，同一土层不同林龄间均存在显著差异性(P<0.05)。土壤蔗糖酶活性在10～40 cm各土层显著低于0～10 cm 土层(P<0.05)。

广泛存在于土壤和生物体的过氧化氢酶，能促进过氧化氢的分解。在0～10 cm土层土壤中[图1(c)]，过氧化氢酶活性在23和34年生湿地松土壤较低，分别为2.25和1.90 μmol·d-1·mg-1，15年生湿地松林地的过氧化氢酶活性最高，为2.84 μmol·d-1·mg-1，不同林龄间存在显著差异性(P<0.05)。随着土层的加深，过氧化氢酶活性在10～20和20～30 cm土层均表现为15 a>23 a>34 a的显著变化趋势(P<0.05)，变化区间分别为2.24～2.69和2.16～2.73 μmol·d-1·mg-1；而在30～40 cm土层，则表现为15 a>34 a>23 a的变化趋势，变化范围为2.46～3.14 μmol·d-1·mg-1，但仅有15年生湿地松土壤过氧化氢酶活性显著(P<0.05)高于其他两个林龄土壤。随着土层深度的增加，不同林龄的过氧化氢酶活性总体上均表现为增强的变化趋势，除23年生湿地松外，均在30～40 cm土层达到显著最高(P<0.05)。

多酚氧化酶是土壤中主要的木质素降解酶，其活性与土壤腐殖化程度相关。在0～10 cm土层中，多酚氧化酶活性表现为23 a>15 a>34 a，23与34年生湿地松土壤多酚氧化酶存在显著差异性(P<0.05)[图1(d)]。10～20 cm土层多酚氧化酶活性表现出同0～10 cm土层一致的变化趋势，但不同林龄间均存在显著差异性(P<0.05)；20～30和30～40 cm土层的多酚氧化酶活性均表现为15 a>23 a>34 a的显著变化趋势(P<0.05)。随着土层的加深，15年和 23年生湿地松土壤多酚氧化酶活性均表现为显著增强(P<0.05)，34年生林分土壤多酚氧化酶活性除20～30与30～40 cm土层外，其余土层均表现出显著差异(P<0.05)。

酸性磷酸酶参与了有机磷的转化，可加速土壤有机磷的释放，增强土壤有效磷。从图1(e)可以看出，随着土层的加深，不同林龄湿地松土壤酸性磷酸酶活性均表现为显著降低(P<0.05)的趋势。在0～10 cm土层土壤中，15年和23年生林分土壤酸性磷酸酶活性显著高于34 a(P<0.05)，变化范围在0.73～0.94 μmol·d-1·mg-1间；随着土层的加深，同一土层不同林龄间均存在显著差异性(P<0.05)，在10～20和20～30 cm土层均表现为23 a>15 a>34 a，变化范围在0.57～0.63和0.40～0.60 μmol·d-1·mg-1，而在30～40 cm土层，则表现为34 a>15 a>23 a，其变化范围为0.21～0.33 μmol·d-1·mg-1。

图 1 不同林龄湿地松林土壤酶活性变化Figure 1 Change of soil enzyme activities in P. elliottii stands with different ages

2.3 土壤因子与酶活性的相关性分析

对湿地松林土壤养分及酶活性进行相关性分析(表3)，土壤脲酶与蔗糖酶、酸性磷酸酶、有机质、水解氮、有效磷和速效钾均存在极显著正相关(P<0.01)，与多酚氧化酶存在显著负相关(P<0.05)；蔗糖酶与酸性磷酸酶、有机质、水解氮、有效磷和速效钾均存在极显著正相关(P<0.01)；酸性磷酸酶与有机质、水解氮、有效磷和速效钾均存在极显著正相关(P<0.01)，与多酚氧化酶存在极显著负相关(P<0.01)；过氧化氢酶仅与多酚氧化酶存在极显著正相关(P<0.01)；多酚氧化酶与有机质、水解氮、有效磷和速效钾存在极显著负相关(P<0.01)，各土壤养分之间均存在极显著正相关(P<0.01)。

表 3 湿地松纯林土壤因子与酶活性的相关系数Figure 3 Correlation coefficient between soil enzyme activities and nutrient content in P. elliottii stands with different ages

3 讨论与结论

本研究中湿地松林土壤pH值呈酸性，且随着湿地松林林龄的增长,pH值呈先降低再增加的变化趋势，这与陈灿等[15]的研究结果相似。大多数研究也表明沙壤土pH值为酸性[16]，而本次实验样地各土层土壤pH值均呈酸性，这与湿地松林地的凋落物覆盖有关。已有研究证明，湿地松覆盖的土壤pH值降低，随着时间的增长，由于湿地松凋落物分解较为缓慢，对土壤酸碱度的影像逐渐变小[17]。湿地松凋落物灰分少，凋落物中的单宁和树脂分解产生酸水溶液使表层土壤pH值较低[18]，本研究中湿地松林土壤垂直方向pH值逐渐增大，酸性减弱，这与陈灿等[15]的研究结果一致，这表明湿地松根系不易受酸化土壤影响。

湿地松林土壤有机质随着林龄的增加先增加后降低，这与吴明等[19]的研究结果类似，揭示了林地土壤肥力质量可能有所下降。不同林龄林地土壤随土层加深土壤有机质逐渐降低，说明湿地松凋落物分解所积累的有机质位于表层土壤，而根系吸收深层土壤养分，消耗较多。

本研究中，湿地松林随着林龄的上升，林地速效养分均逐渐减少。张秀娟等[20]对不同林龄湿地松土壤养分的研究表明，随着林龄的增长，土壤速效氮呈增加趋势，有效磷则随林龄增加而降低，这与本研究结果不一致，可能与实验样地环境有关。研究区位于滨海沙地，土壤较为贫瘠，且湿地松林树种单一，林下植被稀疏，养分消耗大，养分归还效率低。因此，随着湿地松林林龄的增长，土壤养分含量逐渐降低。

随着林龄的增加，湿地松林土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶都有所降低，与宫欢欢等[13]对同一区域的木麻黄林土壤酶活性的研究存在一定差异。木麻黄林土壤酶活性为先增加后降低的趋势，而本研究中为逐渐降低，这可能与林型和林龄差异有关。研究地林下植被稀疏，凋落物回归较少，土壤微生物种类和数量低，致使湿地松林土壤酶活性较低，随着林龄的增长，林内郁闭度大，光照时间变短，林地内温度、湿度条件减弱，土壤微生物种类及数量再度降低，使得高龄林分土壤酶活性逐渐降低，与赵海燕等[1]对秦岭华北落叶松[Larixgmeliniivar.principis-rupprechtii(Mayr) Pilg.]研究以及宫欢欢等[13]对木麻黄林后期研究一致。随着土层深度的增加，湿地松土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶逐渐降低，过氧化氢酶和多酚氧化酶呈现增加的变化趋势。这可能与土壤表层凋落物较多，水热条件充足，微生物活动频繁有关。就垂直方向来看，湿地松林土壤酶活性变化状况与木麻黄林土壤酶活性相似[13]。

土壤酶参与土壤各种生物化学过程以及物质循环[5]，被视为土壤养分和养分循环的重要指标[21]，而土壤酶活性在反应土壤各种生物化学过程的强度与方向时，亦可作为评价土壤肥力状况的标准之一，同时还反映出土壤生态系统的可持续性[22]。本研究中，土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性都与土壤有机质、水解氮、有效磷和速效钾均有极显著正相关，说明酸性磷酸酶在促进土壤磷素分解的过程中间接的释放了氮素和钾素，而土壤脲酶、蔗糖酶在其中发挥了同样的作用，赵海燕等[1]对华北落叶松的研究也证实了土壤酸性磷酸酶与脲酶活性对土壤速效养分都有极显著相关性。土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性对土壤养分影响较大，随着湿地松的生长，3种土壤酶活性逐渐降低，在一定程度上影响了土壤速效养分的含量。随着林龄的增长，湿地松林地可持续性发展受到制约。关于湿地松林地长期生产力维护技术研究有待进一步探讨。