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长沙市城郊森林土壤酶活性及其与土壤理化性质的相关性

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第38卷第3期 2010年3月 东北林业大学学报 Vo1.38 No.3 JOURNAL OF NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITY Mar.20l0 长沙市城郊森林土壤酶活性及其与土壤理化性质的相关性 吴际友 叶道碧 (中南林业科技大学,长沙,410004) 王旭军 (湖南省林业科学院) 摘要为了解长沙市城郊森林土壤肥力的总体状况,以期为长沙市城郊森林土壤的利用、维护和改良提供理论依 据,研究了长沙市城郊地区马尾松( ,脚印 L ̄mb)混交林、杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)ttook)混交 林、香樟(Cinnarr ̄mum camphora(L.)Pres1.)纯林、枫香(Liquidand ̄arformosa ̄Hance)纯林和湿地松(Pin淞eUiottii)纯林 5种典型林分土壤的脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶、纤维素分解酶及其与土壤理化性质的关系。结果表明:各林分土壤 密度偏高,但土壤通气性能良好,并且各林分除有机质含量中等外,其他养分指标均为低或很低水平,肥力水平低下;杉 阔混交林的脲酶、过氧化氢酶、酸挂磷酸酶和纤维素分解酶的活性最强,而枫香纯林的酶活性最弱。相关分析表明:4种 酶与pH值均呈不同程度的负相关,且与土壤纤维素酶活性达显著负相关,但4种酶与土壤肥力状况呈显著或极显著正 相关关系,影响土壤肥力的大小。综合运用4种土壤酶能更好地代表土壤肥力状况,是较理想的土壤质量指标。 关键词城郊森林;土壤酶;土壤理化性质;相关性;长沙市 分类号¥714.2 Soil Enzyme Aetivity and Its Correlation with Soil Physical and Chemical Properties in Suburban Forests in Changsha City/Wu Jiyou,Ye Daobi(Centrla South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,P.R.China);Wang Xuitin(Hnna/l Academy ofForesty)//Jourrnal ofNortheast Forestry University.一2010,38(3).一97~99 Investigations were car“ed out oll activities of soil urease,catalase,acid phosphatase,and cellulolytie enzyme in soils under five diierentf forest stands in suburban forests in Changsha City,i.e.mixed forest of Pinus massoniana,mixed forest of Cunninghamia lanceolata.and three pure forests of Cinnamomum camphora,Liquidandm 删0,m Hanee,and Pinus elliotti.and their relationslifps wi幽soll physical and chemical properties.Resu]ls showed that the bulk density of alJ the stands was on the high side.wliile their soi1 aeration was good.Except for soil organic matter at moderate level,the other soil chemical indices were all at low or very low leve1.The activities of soil urease,catalase,acid phosphatase。and eellu 1olytic enzyme of the mixed forest of C lanceolata were the stro ̄I st,while the enzyme activity of pure forest of厶fo.no— Sgln ̄was the lowest.Correlation analysis indicated that four soil enzymes had negative correlations with pH to different ex. tents.and there was a significant negative relationship between cellulolytic enzyme and pH.However,four enzvnles had signiifcant or highly signiifcant correlations 1 tl1 other chemicaI properties.Therefore.the four soil enzymes are the perfect indicators for soil quality assessment. Keywords Suburban forests:Soil enzymes:Soil physical and chemical properties;Correlations:Changsha 城郊森林是城市森林的重要组成部分,是现代化城市生态 系统建设和可持续发展的基础 j,在维护和改善城市空气质 量、降低环境污染、调节城市小气候、促进森林游憩等方面具有 重要的作用。但长期以来,以森林植被为主的城市生态建设重 点是放在建成区的绿化美化方面,比较注重视觉效果。而且,林 业生态建设的重点基本上在山区,城市及其周边地区则很少顾 及。因此,目前关于城郊森林及其土壤特性的专题研究较为少 见。土壤酶是土壤重要组成成分之一,虽然数量少但作用 大 ,在土壤营养物质循环和能量转化过程中起着重要作 用,其活性可反映土壤生物化学过程的强度和方向,同时,酶活 性具有相对稳定性,是灵敏、可靠的土壤肥力指标之一,反映了 土壤对植物根系供应养分的潜在能力[2,4 3。因此,笔者以长沙 市城郊森林为研究对象,探讨不同林分类型下土壤酶活性特征 及其与土壤理化特性的相关关系,借以了解长沙市城郊森林土 壤肥力的总体状况,为长沙市城郊森林土壤的利用、维护和改 良提供理论依据,为城市的可持续发展和建设生态城市服务。 岗地地貌,地势平缓,海拔60~100 nl。气候属于大陆性湿润 季风气候,四季分明,年平均气温17.5℃。雨量充沛,年平均 降水量1 380 mm左右,多集中在4—9月份,占全年降水量的 60%一80%。年平均相对湿度8l%,全年无霜期275 d。土壤 为第四纪红壤或砂岩红壤,土层厚度达80 em以上。区域地 带性植被为常绿阔叶林,但区内原生植被很少,现状植被主要 为人工针阔混交林和人工针、阔叶纯林,主要针叶树种有马尾 松(Pinus ma3soniana Lamb)、杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.)Hook)、湿地松(Pitms elliottii)等,主要阔叶树种有 枫香(Liquidambar加m 椰0№Hance)、香樟(Cinnamomum∞肚 phora(L.)Pres1.)、油茶(Camellia oleifera Abe1)、板栗(Caata. nea rnoll ̄sima Blume)、木荷(Schima superba Gardn et Chmnp)等 树种,林下主要有白横木(Loropetalum chinense(R.Br)Oliv.)、 杜鹃(Rlwdodendron simsii R.spp.)、大青(Clerodendron C ̄TtO— phfllum Turcz.)、盐肤木(肼113 ehinensis Mil1.)等灌木树种。 2材料与方法 2.1样地选择 在全面踏查的基础上,根据代表性和典型性原则,选取马 尾松阔叶树混交林(简称马阔混交林,含枫香、麻栎、樟树等, 且阏叶树占混交林分的树种组成的40%)、杉木阔I1- 树混交 林((简称杉阔混交林,含少量桤木和光皮桦)、樟尉纯林、枫 香纯林、湿地松纯林5种典型林分,各样地分别编号为I、Ⅱ、 Ⅱ!、Ⅳ、V。在典型地段设置规格为20 ex20 rnl的标准样地, 并记录各林分样地的坡度、坡向、坡位等,同时对标准地进行 1研究区概况 研究地区位于长沙市南郊湖南省林业科学院试验林场, 北纬28。O4 ~2S。05 ,东经¨2。58 ~112。59 。研究区属低山 1)困家“卜一五”科技支撑 题(2006BAD03A1704)。 第一作者简介:吴际友,男,1963年l1月生,q。i钌林业科控大学 在谈M士研究生,现工作于湖南省林业科学院.研究员。 收稿【Jj鼬:2009 1O月9日。 责任编辑:张建华。 98 东北林业大学学报 第38卷 每木检尺。各标准地具体情况见表1。 表1研究样地基本情况 隙中等,但是非毛管孑L隙高,因而土壤保水性一般而通气性 好;杉阔混交林地的土壤密度最大,毛管孔隙较小,非毛管孔 隙一般,故土壤保水性差,通气性一般;香樟林和枫香林地土 壤的密度、毛管孔隙及非毛管孔隙中等,因而其保水性能和通 气性能一般;湿地松林地土壤的密度最小,毛管孔隙大,非毛 管孔隙小,因而湿地松林土壤的保水性好而通气性差。 3.2土壤化学性质 2.2+-at样品采集和指标测定 在每个标准样地内按S型分别选取有代表性的3个采样 土壤中全氮、全磷、全钾质量分数主要决定于植物体养分 循环过程和土壤的成土母岩类型(主要是磷、钾),同时也受 人为施肥措施的影响。根据我国土壤的酸碱度分级标准 j, 点,分别挖掘土壤剖面,按0<h<20 cm、20 cm ̄h<40 cIll、40 cnl ≤ <6o em分3层从下到上采集土壤样品。将不同样点相同 土层土壤混合后,按四分法弃去多余土样,取1.0 kg左右样 品装入袋内,带回实验室,风干,过筛保存。 土壤物理性质测定:土壤含水率测定采用烘干法;土壤密 度和孔隙度用环刀法测定。 土壤养分含量测定:pH值用电位测定法;土壤有机质用 重铬酸钾氧化一外容量法测定;全氮和速效氮都采用半微量 凯氏法测定;土壤全磷用氢氧化钠碱熔法将土壤样品熔融后 提取待测液,用钼锑抗比色法测定;土壤速效磷采用NH4F- HCI提取土壤样品后,用钼锑抗比色法测定;土壤全钾用火焰 光度计法测定;土壤速效钾用中性醋酸钠提取土壤样品后,用 火焰光度计测定 J。 土壤酶活性测定:土壤酶活性参照文献[7]的方法分析。 过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定;脲酶采用氨释放量蒸 馏滴定法测定;土壤磷酸酶采用对硝基苯磷酸盐法测定;纤维 素酶采用葡萄糖氧化法测定。 3结果与分析 3.1土壤物理性质 不同林分土壤基本物理性质见表2。由表2可知,在各 林地中,土壤密度的大小顺序为:杉阔混交林>枫香林>樟树 林>马阔混交林>湿地松林,而土壤总孔隙度的大小顺序正好 相反,说明杉阔混交林地、枫香林地、樟树林地、马阔混交林 地、湿地松林地土壤依次趋于疏松,土壤容蓄能力依次增加。 表2各林分类型土壤物理性质 注:表中各数据均采用不同指标、不同土层的平均值。 土壤毛管孔隙多有利于水分保持。各林地土壤毛管孔隙 呈现:湿地松林>樟树林>枫香林>马阔混交林>杉阔混交林。 土壤非毛管孔隙可以反映土壤的通气状况。各林地非毛管孔 隙的大小顺序为:马阔混交林>樟树林>杉阔混交林>枫香林> 湿地松林。各林地中,除湿地松林的非毛管孔隙仅占总孔隙 的34%外,其余林地的非毛管孔隙都超过40%,马阔混交林 则高达55%以上。这也说明各林地土壤的通气性都比较好。 土壤自然含水量受土壤孔隙数量和组成的影响。各林地 自然含水量呈现:湿地松林>枫香林>樟树林、杉阔混交林>马 阔混交林。由于湿地松林土壤的毛管孔隙多,且湿地松针叶 枯落物不易分解,因而自然含水量高。 总的来说,马阔混交林林地的土壤密度较小,土壤毛管孔 5种林地均呈强酸性,其中马阔混交林和湿地松林地的酸性 最强,枫香林地的酸性较弱。马阔混交林地的土壤有机质质 量分数最高,达24.51 g/kg,杉阔混交林和香樟林地的土壤有 机质质量分数较高,枫香林和湿地松林地的土壤有机质质量 分数低,分别为马阔混交林地的59%、48%。马阔混交林和 杉阔混交林地的全氮和速效氮质量分数高,香樟林地的全氮 质量分数最低,但有效氮质量分数中等,而枫香林地的全氮质 量分数中等,但有效氮质量分数最低。马阔混交林和杉阔混交林 地的全磷质量分数高,分别为0.38、0.34 g/ks,湿地松林次之,香 樟林和枫香林地最低,相当于马阔混交林的290/0左右。速效磷 质量分数为:杉阔混交林地>马阔混交林地>枫香林地>湿地松林 地>香樟林地,但所有林分速效磷质量分数都较低,这主要是因为 这些林分土壤呈强酸性,游离态 、 ¨质量分数较高,易形成 磷酸铁、磷酸铝沉淀的缘故。马阔混交林地和杉阔混交林地全钾 和速效钾质量分数高;香樟林地全钾质量分数中等,速效钾质量 分数低;枫香林地和湿地松林地全钾和速效钾质量分数都较低。 整个林分速效钾质量分数低可能是因为南方雨水多,加之土壤通 气性良好,土壤中钾易被淋洗而流失。 表3各样地土壤化学性质 .… 有机质/全氮/速效氮/全磷/速效磷/全钾/速效钾/ 什 ‘ rag・ks一 g・ks一 rag・ks一 g・kg一 mg・ks一 g・kg rag・kg I 4.0o 24.51 0.48 8.47 0.38 14.57 0.55 42.61 Ⅱ4.26 l9.04 0.47 6.48 0.34 16.76 0.38 44.23 Ⅲ4.18 19.28 0.28 5.88 0.11 11.04 0.29 l8.58 1V 4.31 14.49 0.45 5.69 0.13 13.38 0.17 20.58 V 4.o7 l1.87 O.30 6.19 0.14 12.71 O.21 20.92 注:表中各数据均采用不同指标、不同土层的平均值。 根据全国第二次土壤普查土壤肥力状况分级标准 j,各 林分土壤有机质质量分数均达到3级(20—30 s/ks)和4级 (10~2O g/kg)水平,即中等水平。土壤全氮质量分数变幅为 0。28~0.48 g/kg,为6级(<O.5 g/kg)水平,质量分数极低;土 壤速效氮质量分数全部为6级(<30 mg/kg)水平,质量分数很 低;全磷质量分数变幅为0.11—0.38 g/kg,均为5级(0.2— 0.4 g/kg)和6级(<O.2 kg)水平,质量分数极低;土壤有效 磷质量分数全部为3级(1O~20 mg,/ks)水平,速效磷质量分 数中等;土壤全钾质量分数变幅为0.17—0.55 g/kg,全部为6 级(<5 g/kg)水平,质量分数很低;土壤速效钾质量分数均为 5级(3O一50 mekg)和6级(<30 mg/kg)水平,质量分数很 低。可见,研究区林地土壤呈强酸性,有机质和速效磷质量分 数中等,而全氮、有效氮、全磷、全钾及速效钾则分别处于低或 很低水平,土壤肥力水平低下。 3.3土壤酶活性 土壤酶催化土壤中的一切生物化学反应和物质循环,其活 性高低反映生物化学过程的强度和方向,与土壤肥力关系密切。 脲酶能促进有机分子中肽键的水解,其活性可以用于表示氮素供 应状况。各林地土壤脲酶的大小顺序为:杉阔混交林>马阔混交 林>樟树林>湿地松林>枫香林,杉闲混交林土壤脲酶活性是枫香 第3期 吴际友等:长沙市城郊森林土壤酶活性及其与土壤理化性质的相关性 林地土壤脲酶活性的2倍以上。脲酶活性与有机质和全氮质量 分数密切相关 “ 。杉阔混交林和马阔混交林地的有机质质量 分数和全氮质量分数高,因而脲酶活性也高,这有利于有机分子 显著或极显著相关关系,影响土壤肥力的大小;综合运用4种 酶能更好地代表土壤肥力状况,是较理想的土壤质量指标。 3.4.2土壤酶相互之间的相关分析 中肽键的水解,提高土壤速效氮的质量分数。 表4各样地土壤酶活性 杉阔混交林地过氧化氢酶活性高,马阔混交林和香樟林 地次之,其它林地较低。过氧化氢酶活性与土壤的微生物数 量有关,也与植物根系有关,可以用来表征土壤腐殖质化强度 大小和有机质的积累程度。杉阔混交林地的过氧化氢酶活性 高,表明其水解过氧化氢的强度大、碳素循环快和土壤腐殖质 合成能力高,从而促进了土壤有机质的积累。 酸性磷酸酶活性为:马阔混交林、杉阔混交林>湿地松林 地>香樟林地>枫香林地。马阔混交林和杉阔混交林地的酸 性磷酸酶活性高,能加速有机磷的循环,提高磷的有效性。香 樟林地和枫香林地酸性磷酸酶活性低,不利于其土壤的有机 磷向无机磷转化。 杉阔混交林和马阔混交林地的纤维素分解酶活性最高, 湿地松林次之,而枫香林地最低。纤维素分解酶是表征土壤 碳素循环速度的重要指标。杉阔混交林和马阔混交林地的纤 维素分解酶活跃,表明其纤维素分解强度增强,碳素循环快。 杉阔混交林、马阔混交林和湿地松林地的土壤纤维素分解酶 活性相对较强,可能的原因是它们的枯枝落叶中木质素质量 分数大于阔叶树造成的。 3.4土壤酶活性的相关分析 3.4.1土壤化学性质与酶活性的相关分析 土壤4种酶与土壤化学性质的相关分析结果(表5)表 明:4种酶与pH值均呈不同程度的负相关,且与土壤纤维素 酶活性达显著负相关。这可能是因为林分土壤酸性太强,对 各种土壤酶活性有着不同程度的抑制作用。这也进一步说 明,土壤酶活性都有最适的pH值范围,而在pH值过高或过 低的环境中,酶活性会不可逆地失活。 表5 土壤酶活性与土壤化学性质指标的相关关系 注: 表不显著相关; 表示极显著正相关。 由表5还可看到:脲酶与有机质、速效氮、速效钾呈极显著 正相关,与全氮、全磷、速效磷和全钾呈显著正相关;过氧化氢 酶除与全氮未达显著相关外,与其他化学性质指标均在0.01 水平下呈极显著正相关;酸性磷酸酶与全氮呈显著正相关,而 与有机质、速效氮、全磷、速效磷、全钾及速效钾等呈极显著正 相关,纤维素分解酶与全氮无显著相关,与有机质显著相关,而 与速效氮、全磷、速效磷、全钾及速效钾极显著正相关。 上述结果表明:在自然土壤中4种酶与土壤肥力状况呈 通过相关性分析(表6)表明,长沙市城郊森林土壤4种 典型土壤酶活性之间存在一定线性相关关系,两两之间均达 极显著正相关(P<0.01),这更加说明脲酶、过氧化氢酶、酸性 磷酸酶和纤维素分解酶的活性能够较好地反映土壤营养状 况。由此也说明土壤酶在促进土壤有机物转化中不仅显示专 性特性,同时也存在共性关系。酶的专性作用反映了土壤中 与某类酶相关的有机化合物的转化过程,而有共性关系酶的 总体活性在一定程度上反映土壤的营养状况 ]。 表6各土壤酶之间的相关性 注:十表示显著相关; 表示极显著正相关。 4结论 一般而言,土壤密度在1.14~1.26 g/em 之间比较有利 于幼苗的出土和根系的正常生长;当土壤密度达1.50 g/em’ 时,植物根系已难伸入;当土壤密度达到1.60—1.70 g/cm , 已是根系穿插的临界点。长沙市城郊森林土壤密度的变幅为 1.258—1.551 g,/crn ,比较不利于植物根系生长,且容蓄能力 相对低下,但其土壤非毛管孔隙度高,土壤通透性好。 长沙市城郊森林林地土壤呈强酸性,有机质和速效磷质 量分数中等,而全氮、有效氮、全磷、全钾及速效钾则分别处于 低和很低水平,土壤肥力水平低下。 长沙市城郊不同林分土壤酶活性的平均值大小依次为: 脲酶和过氧化氢酶活性均为——杉阔混交林>马阔混交林> 香樟林>湿地松林>枫香林;酸性磷酸酶——马阔混交林>杉 阔混交林>湿地松林>香樟林>枫香林;纤维素分解酶——杉 阔混交林>马阔混交林>湿地松林>香樟林>枫香林。相关分 析表明:4种酶与土壤肥力状况呈显著或极显著相关关系,影 响土壤肥力的大小;综合运用4种酶能更好地代表土壤肥力 状况,是较理想的土壤质量指标。 参考文献 [1]龚峥,李召青,王明怀,等.论城市化进程中珠三角的城市森林 建设[J].广东林业科技,2006,22(4):116—120. 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