粤北杉木林林禽模式对土壤酶活性的影响研究

向前胜,肖正中,张登山,蔡展辉,林楚钧,刘素闲

(1.韶关学院,广东 韶关 512005;2.青海大学农林科学院,青海 西宁 810016)

土壤是陆地生态系统的重要组成部分,在物质循环和能量流动过程中发挥着重要作用。在土壤系统中,土壤酶是最活跃的角色之一[1],是土壤中各种生物生化反应的催化剂,主要参与各种生物化学过程的物质循环,与土壤养分的有效化过程及有效化程度密切相关[2],直接影响着土壤肥力[3-5]。因此,土壤酶活性既可全面地反映土壤的肥力状况[6],又可作为判断胁迫环境下土壤生态环境是否退化的预警指标之一[7]。土壤酶种类繁多,其中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶常被作为评价土壤肥力状况的重要指标[8]。

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)是我国特有的用材树种,在我国林业生产中占有重要地位[9]。其具有生长快、病害少、材质轻、纹理美、抗蛀耐腐等特点[10]。广东省现有杉木栽培面积8.33×105hm2,储量达4.95×107m3,其中粤北的杉木林种植面积为2.68×105hm2。人工林多为单树种的同龄林林分,经过多代连栽后,林地呈现出地力衰退、生产力下降、稳定性差和抵抗力弱的特点,继而引发较突出的生态环境问题[11],有规划的发展林下经济既能提高杉木林复合经营的价值,还能改善由单一人工林引发的生态问题,更能维护林业生态保护和林业产业发展之间的平衡[12]。林下养殖家禽作为一种典型的林下经济模式,既能有效改良土壤的养分结构还能提高土壤的有机质含量,为土壤中的动物活动提供了更多的能量物质来源[13]。

国内外许多学者对林下经济模式的发展开展了相关研究,并取得了较多成果。但是对于粤北杉木林林下经济模式的研究报道较为少见,尤其是对粤北杉木林下林禽模式对土壤酶活性的研究成果还鲜见报道。基于此,本文以粤北放养家禽的林下经济模式为研究对象,通过研究林禽模式对林下土壤酶活性的影响来评价土壤的环境质量和肥力状况,为推动粤北林下经济的发展提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究以广东省韶关市曲江区石洞周边的杉木林为研究区域。该地区的地质构造复杂,火成岩分布广泛,岩溶地貌种类多,有效土层厚度大约为0～60 cm;年降雨量为1 300～2 400 mm,属于亚热带季风气候区。选择了地理位置相邻、树龄相近、生长环境条件基本一致的林下经济模式进行研究,采样点信息详见表1。

1.2 试验设计

本试验分别以杉木纯林(CL)、林禽模式下的杉木林(LQ)和人为干扰的杉木林(RWL)作为研究对象。各采样点除去表面的枯枝落叶层后分别按照0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm土层深度进行土壤样品采集。共15处理,每个采样点内进行三次重复。采样点信息及试验设计如表1。

1.3 试验样品收集

土壤样品的收集:于2022年12月在韶关市曲江区石洞周边进行采样,在不同类型林地位置分别设置10 m×10 m样地,运用S形取样法进行取样,样品采集后用密封袋封装,并标注好采样信息,带回实验室后去除石粒进行保存,一份放于室内通风处风干保存,另一份放于冰箱的0～4 ℃进行保存,待测。

1.4 试验方法

本试验采用苯酚钠-次氯酸钠比色法、磷酸苯二钠比色法、3,5-二硝基水杨酸比色法和高锰酸钾滴定法分别测定蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性指标分别经处理后,试验过程均采用培养24 h后测定其活性。

1.5 数据整理与分析

试验数据采用SPSS 21.0软件进行多重比较分析,运用Excel 2019进行数据分析与图表制作。

2 结果与分析

2.1 同一林下经济模式下不同土层的土壤酶活性差异

由表2可知,纯林(CL)模式下,四种土壤酶活性均随着土层增厚呈现出先增加后降低的趋势。处理CL2的蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性均最高,分别为5.510 mg/g、1.590 mg/g、9.400 mg/g和0.140 mL/g,且除了过氧化氢酶外,其余酶的活性均与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。其次是处理CL1,其蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性分别为3.820 mg/g、1.330 mg/g、6.590 mg/g、0.130 mL/g,且蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶除了和处理CL3相比差异不显著外,和其它处理相比差异均极显著(P<0.01)。处理CL5的蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性均最低,分别为1.760 mg/g、0.510 mg/g、1.980 mg/g、0.070 mL/g,脲酶、碱性磷酸酶活性与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。

表2 三种林下经济模式各土层土壤酶活性多重分析表

林禽模式(LQ)下,四种土壤酶活性总体上均随着土层增厚呈现出先增加后降低的趋势。处理LQ2的蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性均最高,分别为6.660 mg/g、2.210 mg/g、14.310 mg/g和0.250 mL/g,且除了蔗糖酶外,其余酶的活性均与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。其次是处理LQ1,其蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性分别为6.470 mg/g、1.620 mg/g、10.990 mg/g、0.220 mL/g。处理LQ5的蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性均最低,分别为4.690 mg/g、0.580 mg/g、7.470 mg/g、0.150 mL/g,其蔗糖酶、脲酶与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。

人为干扰林(RWL)模式下,四种土壤酶活性总体上均随着土层增厚呈现出先增加后降低的趋势。处理RWL2的蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性均最高,分别为5.700 mg/g、2.000 mg/g、9.860 mg/g和0.140 mL/g,且除了过氧化氢酶与处理RWL1相比差异不显著外,其余酶的活性均与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。其次是处理RWL1,其蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性分别为4.480 mg/g、1.510 mg/g、6.640 mg/g、0.130 mL/g,且蔗糖酶和其它处理存在极显著差异(P<0.01)。处理LQ5的蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性均最低,除了过氧化氢酶外,另外三种酶与其它处理相比差异极显著(P<0.01)。

2.2 同一土层不同林下经济模式的土壤酶活性差异

对同一土层下三种林下经济模式下四种土壤酶活性分别进行多重分析,得到结果如下图1:

图1 同一土层不同林下经济模式的土壤酶活性差异

由图1a可知,蔗糖酶活性在同一土层内均是林禽(LQ)模式下的酶活最高,且除了10～20 cm外,其余土层的林禽(LQ)模式处理均与其它处理相比差异显著。其次是人为干扰林(RWL)模式下蔗糖酶活性,相对较低的是纯林(CL)的酶活。

由图1b可知,林禽(LQ)模式下,0～10 cm、10～20 cm土层的脲酶活性均最大,且10～20 cm土层的林禽(LQ)模式处理与其它处理相比差异显著。在20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm的土层内人为干扰林(RWL)模式下酶活性最高。

由图1c可知,碱性磷酸酶活性在同一土层内均是林禽(LQ)模式下的酶活最高,且各土层的林禽(LQ)模式处理均与其它处理相比差异显著。而纯林(CL)和人为干扰林(RWL)模式下的各处理碱性磷酸酶活性相比差异不显著。

由图1d可知,不同土层过氧化氢酶活性最大的分别是LQ1、LQ2、LQ3、LQ4、LQ5。而纯林(CL)和人为干扰林(RWL)模式下的各处理碱性磷酸酶活性相比相差不大。

3 讨论与结论

3.1 讨论

土壤酶在土壤中的物质循环和生化过程中扮演了重要角色,其易受环境条件等因素的影响。在同一林下经济模式下不同土层的土壤酶活性呈现先上升后下降的趋势,造成这种情况的原因可能是与土壤表层具有丰富的有机质且结构疏松通气性良好,土壤好氧微生物的大量繁殖和代谢有关。相较于纯林与人为干扰林模式,林禽模式下的10～20 cm土层的土壤酶活性数值较高,造成这样的原因可能是由于杉木林下养殖家禽,家禽排泄物及杉木凋落物通过机械作用和微生物作用等方式进行降解,在降水淋溶作用下产生腐殖成分进入土壤,增加土壤中尤其是10～20 cm土层土壤养分的含量,有效改善了土壤肥力。

不同林下经济模式下的同一土层土壤酶活性不同,林禽模式下土壤的蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性均较高。林禽模式下,排泄在土壤表层的家禽粪肥中含有丰富的氮、磷等元素,能通过改善土壤中的养分来促进土壤微生物的生长与繁殖,进而提高土壤酶活性。林下养殖家禽过程中需注意鸡群密度的控制以及排泄物处理的时效性,以尽量减少环境问题的发生[14],避免家禽瘟疫情况的。本研究仅针对粤北纯林、林禽模式和人为干扰模式下的杉木林之间的土壤酶活性的差异进行了初探,而林下养殖家禽对土壤微生物的群落结构等其他方面影响的研究将作为今后进一步研究的方向。

3.2 结论

同一林下经济模式下,土壤酶活性随着土层加深而呈先上升后下降的趋势,在10～20 cm土层的数值最高,可以推测林禽模式能够增强0～20 cm土层的土壤酶活性。不同林下经济模式可能是导致同一土层各土壤酶活性存在差异的重要原因之一。因此,合理的林下经济模式能够有效促进粤北杉木林产业发展与杉木林生态环境之间的平衡关系。