， ， ,3， *， ， ，

(1. 西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院， 陜西 楊凌 712100； 2. 陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術研究中心， 陜西 楊凌 712100； 3. 西北農(nóng)林科技大學林學院， 陜西 楊凌 712100)

檸條(Caraganakorshinskii)屬于豆科錦雞兒屬多年生落葉灌木，具有極強的適應能力，在黃土高原丘陵溝壑區(qū)的各個生境下都有廣泛分布，是黃土高原的優(yōu)勢灌木之一。因此掌握人工檸條林系統(tǒng)恢復過程與效應對于該區(qū)域的植被恢復和生態(tài)建設具有重要指導意義。目前關于檸條的研究主要集中于其遺傳適應性[1]；細根存量對土壤水分和溫度的響應[2]；檸條生長到一定樹齡后的養(yǎng)分虧缺[3]；檸條林下的土壤水分利用及平衡特征[4]等方面。關于檸條林酶活性研究也有了一定進展，如佘雕等[5]研究表明坡向、坡位、樹齡以及剖面深度對土壤酶活性的影響，但對于退耕后不同恢復年限檸條林土壤酶活性的演變與土壤養(yǎng)分之間的關系和轉化機制研究相對薄弱。

土壤酶是由微生物分泌的一類具有加速土壤生化反應速率功能的蛋白質(zhì)，它在土壤中可以催化復雜有機物的分解與轉化，從而促進養(yǎng)分的釋放、固定以及供應[6-8]。研究表明，土壤酶活性的高低能夠表征土壤微生物活動的大小程度，同時也能夠反映出土壤養(yǎng)分轉化及其轉運能力的強弱，是土壤綜合肥力特征的有效反映，可以作為指示外界環(huán)境變化的重要因子[9-11]。國內(nèi)外學者對于植被恢復中土壤酶活性的變化與土壤質(zhì)量間的關系已有一定認識[12-13]。研究表明，土壤脲酶、蔗糖酶及磷酸酶活性與土壤有效氮和有效磷含量具有顯著相關性，且隨著草地恢復年限的增加而增加[14]。何躍軍等[15]通過長期觀測石灰?guī)r退化生態(tài)系統(tǒng)不同恢復階段的酶活性變化指出，土壤全氮與土壤酶活性呈顯著或極顯著相關?？梢娡寥烂冈谏鷳B(tài)系統(tǒng)中占有重要地位，通過研究酶活性，可以幫助認知植被恢復過程中土壤質(zhì)量變化機制以及物質(zhì)轉化過程。

因此，本研究采用時空替代法，選擇恢復年限分別為15a，30a和40a的人工檸條林，從檸條林恢復時序過程研究土壤酶活性、土壤養(yǎng)分演變特征及二者互作關系，以期揭示退耕種植檸條林提升土壤肥力的效應與機制，并為深入認知黃土丘陵區(qū)人工植被恢復過程與機制提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)域位于陜西省延安市安塞縣五里灣流域(105°05′ E，36°30′ N)，屬于黃土丘陵區(qū)典型流域。該流域屬暖溫帶半干旱氣候，平均海拔約1 086～1 360 m，年均降水量535 mm，降雨主要集中在7—9月，年際間變化較大，年均溫度8.8℃。該流域以丘陵溝壑為主，土壤為黃綿土，抗蝕力差，屬最具代表性的黃土侵蝕區(qū)。退耕還林(草)工程實施以來，大部分坡耕地已退耕成林或撂荒，經(jīng)過幾十年的植被恢復，林地面積增加到40%[16],其中人工林以刺槐(RobiniaPseudoacacia)，小葉楊(PopulusSimonii) ，檸條(CaraganaKorshinskii)為主，荒坡主要由鐵桿蒿(ArtemisiaGmelinii)，茭蒿(ArtemisiaGiraldii)，長芒草(StipaBungeana)等組成的處于不同演替階段的草本植物群落[17]，并且該流域具有典型的檸條恢復年限序列，為本研究提供了良好的研究平臺。

1.2 樣地選擇與采樣

于2014年6月進行樣地背景調(diào)查，選擇立地條件相似的檸條林恢復15 a，30 a和40 a的樣地，并以坡耕地為對照。表1為樣地的基本情況。土壤樣品于2014年6月采集，在選擇的樣地中選擇3個20 m×20 m標準采樣區(qū)，每個采樣區(qū)按“五點法”取樣，去除表面枯落層后利用內(nèi)徑5 cm土鉆分0～10 cm，10～20 cm和20～30 cm土層采樣，相同土層混合。將野外采集的土壤樣品去除植物殘體和石塊后過2 mm孔篩分成2份，1份鮮土置4℃下保存用于酶活性和可溶性有機碳氮的測定。另1份置于陰涼通風干燥處風干，用于土壤有機碳(SOC)，全氮(TN)和全磷(TP)養(yǎng)分指標的測定。

1.3 指標測定

土壤酶活性測定[18]：脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，活性以24 h后1 g土壤中的NH3-N量(mg)表示；蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法，活性以24 h后1 g土壤中含有的葡萄糖量(mg)表示；過氧化氫酶采用0.1 mol·L-1KMnO4滴定法，以1 g土壤20 min后消耗0.1 mol·L-1的KMnO4量(mL)表示；堿性磷酸酶采用磷酸苯二納比色法，活性以1 g土壤中2 h后的苯酚量(mg)表示。

土壤理化性質(zhì)測定：土壤有機碳采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定；全氮采用凱氏消煮法；全磷采用硫酸一高氯酸消煮法；速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法[18]；可溶性有機碳的測定：稱相當于20 g干土的新鮮土壤放入盛有100 ml去離子水的三角瓶中, 常溫下震蕩浸提30 min后離心, 上清液過0.45 μm濾膜, 用島津TOC-VCPH儀測定有機碳濃度；可溶性有機氮的測定：采用土壤溶解性總氮和土壤溶解性無機總氮的差值計算，其中土壤溶解性總氮含量采用過硫酸鉀氧化—凱氏定氮法測定；土壤溶解性無機總氮為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之和[19]。

表1 研究樣地的基本特征Table 1 Basic characteristics of the study sites

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel和SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行整理和統(tǒng)計分析，對不同恢復年限檸條林下不同土層及同一土層的土壤養(yǎng)分及酶活性指標采用單因素方差分析，其差異性檢驗采用最小顯著差異法(LSD)，顯著性水平為P<0.05，利用Origin 9.2進行作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤酶活性變化

不同恢復年限檸條林下土壤蔗糖酶活性差異顯著(圖1 Ⅰ)。蔗糖酶活性含量變化區(qū)間范圍為0.65～11.40 mg·g-1，與CK相比，15 a，30 a，40 a檸條林0～10 cm土層蔗糖酶活性呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，增幅分別為532%，611%和858%。在10～20 cm以及20～30 cm土層則隨著年限的增加先增加后減少，10～20 cm層酶活性含量最高出現(xiàn)在15a，為3.99 mg·g-1，而在20～30 cm層酶活性含量最高出現(xiàn)在30 a，為1.40 mg·g-1。

隨著檸條恢復年限的增加，脲酶活性呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢(圖1 Ⅱ)，與CK相比，3種不同年限檸條林在對應土壤層次均有不同程度的增加，在0～10 cm土層，脲酶活性呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，增幅分別為40%，84%和109%，在10～20 cm土層變化趨勢與表層相似，增幅分別為72%，95%，130%，其中，脲酶活性在每一層的最大值分別達到0.54 mg·g-1，0.44 mg·g-1，0.28 mg·g-1。

土壤過氧化氫酶活性隨著恢復年限的提高整體變化不大(圖1 Ⅲ)，在0～10 cm土層中的變化范圍為1.17～1.61 mL·g-1，10～20 cm的變化范圍為1.14～1.39 mL·g-1，20～30 cm的變化范圍為1.13～1.26 mL·g-1，3種不同年限檸條林0～10 cm土層過氧化氫酶活性并無顯著差異，但均顯著高于CK，增幅平均為27.3%。

堿性磷酸酶活性(圖1 Ⅳ)在不同年限檸條林下波動較大，變化范圍為0.17～2.72 mg·g-1， 與CK相比，3種不同年限檸條林在對應土壤層次均有不同程度的增加。隨著恢復年限的提高，堿性磷酸酶活性變化在不同土壤層次均呈現(xiàn)出先增加然后降低再增加的波浪形趨勢。

圖1 不同恢復年限檸條林土壤酶活性變化Fig.1 Changes of soil enzyme activities of artificial caragana stands following restoration chronosequences注：不同大寫字母表示不同恢復年限間差異顯著，小寫字母表示不同土層間差異顯著(P<0.05)，下同Note: Different capital letters indicate significant differences among recovery years, and lowercase letters indicate significant differences among different soil layers (P <0.05). The same as below

2.2 土壤養(yǎng)分變化

如圖2Ⅰ所示，與CK相比，恢復15 a、30 a、40 a的檸條林地土壤有機碳(SOC)含量均有顯著性的提高，在0～10 cm土層分別提高了119%，152%，160%，10～20 cm分別為156%，186%，181%，20～30 cm分別為173%，198%，336%，其含量在不同土壤深度的增幅均隨著林齡的增加而變大。土壤可溶性有機碳(DOC)含量變化范圍為79.86～209.06 mg·kg-1(圖2Ⅱ)，與CK相比，15 a，30 a，40 a在不同土壤深度都呈顯著增加的趨勢，其中0～10 cm增幅最顯著，分別為15%，83%，94%，并且隨著年限的增加，林地間的差異性在變小。

圖2 土壤有機碳和可溶性有機碳隨不同恢復年限和土層深度變化Fig.2 Soil organic carbon and dissolved organic carbon varied with different recovering ages and soil depths

如圖3Ⅰ所示，15 a，30 a，40 a檸條林下土壤全氮(TN)含量差異不明顯，但與CK相比均顯著增加，在0～10cm以及10～20 cm層次的增幅逐漸增加，分別為163%，165%，186%和93%，128%，143%，而在20～30 cm層次則呈遞減的趨勢，分別為164%，133%，103%。不同恢復年限檸條林下土壤可溶性有機氮(DON)含量差異顯著(P<0.05)(圖3 Ⅱ)，與CK相比，15 a，30 a，40 a在對應的土壤深度均顯著性增加。DON變化范圍為7.61～31.85 mg·kg-1，其中，最小值出現(xiàn)在CK的20～30 cm層次，最大值出現(xiàn)在30 a的0～10 cm層次。

圖3 土壤全氮和可溶性有機氮隨不同恢復年限和土層深度變化Fig.3 Soil total nitrogen and dissolved organic nitrogen varied with different recovering ages and soil depths

如圖4 Ⅰ所示，土壤全磷(TP)含量的高低整體表現(xiàn)為30 a> 40 a>15 a>CK，垂直分布為0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm，土壤速效磷(AP)含量變化不明顯(圖4Ⅱ)，其含量的高低整體表現(xiàn)為15 a>30 a>CK>40 a，數(shù)值變化范圍在4.15～7.07 mg·kg-1之間，最大值出現(xiàn)在15 a的0～10 cm層次，最小值出現(xiàn)在 40a的10～20 cm層次，AP含量最大值均出現(xiàn)在0～10 cm層次，但層次之間差異不明顯。

圖4 土壤全磷和速效磷隨不同恢復年限和土層深度變化Fig.4 Soil total phosphorus and available phosphorus varied with different recovering ages and soil depths

2.3 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分變化關系

相關性分析表明(圖5)，不同恢復年限檸條林下土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶與土壤可溶性有機碳、可溶性有機氮、有機碳、全氮、全磷之間具有顯著或極顯著的正相關(P<0.05，P<0.01)。蔗糖酶和脲酶與可溶性有機碳、全氮都具有很強的正相關性，回歸系數(shù)分別為0.6194，0.6448和0.7691，0.6773，過氧化氫酶與可溶性有機氮、有機碳、全氮、全磷相關性很強，回歸系數(shù)為0.5806，0.5242，0.5730，0.6708，堿性磷酸酶與有機碳、全氮、全磷具有顯著的正相關性，回歸系數(shù)達到0.5700，0.6889，0.5242。從結果中發(fā)現(xiàn)，四種酶活性與速效磷的相關性均相對較弱，而與全氮都具有很強的正相關性。

圖5 土壤酶活性和養(yǎng)分變化相關性Fig. 5 Pearson linear correlation coefficients between soil enzyme activities and nutrient properties注：**表示P<0.01,*表示P<0.05Note: Statistically significant values are indicated by symbols: **indicates difference at the 0.01 level; * indicates difference at the 0.05 level

3 討論

3.1 不同恢復年限檸條林地土壤酶活性變化

不同恢復年限檸條林土壤酶活性相比坡耕地均有不同程度的增加，說明退耕還林后，在植被的自然恢復狀態(tài)下，土壤酶活性得以改善，與已有的研究相一致[20]。但不同恢復年限下，隨著林齡的增加，土壤蔗糖酶和脲酶的敏感性要高于過氧化氫酶和堿性磷酸酶，過氧化氫酶活性變化相對平穩(wěn)，可能是其在植被恢復過程中是一個相對穩(wěn)定的因子。以往在黃土丘陵區(qū)的很多相關研究中都得到了類似的結果[21]。堿性磷酸酶活性顯著提高反映出林地中較強的磷素分解能力。在0～10 cm土層，土壤蔗糖酶和脲酶的酶活性均存在隨著檸條年限的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢，這主要是隨著檸條年限的增加，每年的凋落物數(shù)量累積增多，有機質(zhì)不斷增加，微生物活動增強，促使微生物的種類和數(shù)量增加，進而其分泌的分解酶也增多[5]；土壤酶活性隨著土層深度的增加均呈現(xiàn)降低的趨勢，并且0～10 cm與10～20 cm之間的差異明顯高于10～20和20～30 cm之間的。這主要是可能在淺層土壤中微生物活動頻繁，微生物分泌物在表層聚集較多，生化反應活躍[5]，而隨著土層的加深，土壤水分和通氣狀況變差，微生物數(shù)量和種類也降低，酶含量在土壤的轉移過程中降低[22]。

3.2 土壤酶活性與養(yǎng)分變化的關系

土壤酶活性的高低反映了土壤中不同生化過程的作用強度，而不同的生化反應過程也是土壤酶活性的直接響應[23]。本研究的相關分析表明過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶以及堿性磷酸酶與土壤養(yǎng)分因子間的相關性顯著，說明在本研究區(qū)域土壤酶活性與土壤養(yǎng)分循環(huán)和能量轉化關系密切，應該與土壤酶活性、土壤肥力、土壤微生物和植物群落間存在的相互協(xié)同、促進的現(xiàn)象有關[24]，并且養(yǎng)分含量高的土壤，一般其微生物數(shù)量越高，土壤酶活性也高[25]。蔗糖酶通過把土壤中的蔗糖分解為較簡單的單糖參與土壤有機質(zhì)的代謝過程，即將土壤中復雜有機質(zhì)轉化成易于被植物吸收利用的活性養(yǎng)分，其活性可以反映土壤有機碳累積和分解轉化的情況[26]。在李林海、呂春花等[27-28]的研究中也說明蔗糖酶在土壤碳、氮轉化過程中具有重要作用，可以作為表征土壤肥力的因子。土壤脲酶可以分解尿素，促其水解成氨和二氧化碳，是決定土壤中氮素轉化的關鍵[29]，隨著檸條恢復年限的增長，土壤脲酶的增加促進了土壤氮素的供給，再者檸條與固氮菌的相互作用，固定了更多空氣中的氮素，促進氮素的循環(huán)[30]。在安韶山等[31]研究中也認為植被恢復提高了脲酶活性，而脲酶又積極參與有機物質(zhì)的分解轉化，兩者相互促進，這也能解釋脲酶活性與土壤可溶性有機碳含量的極顯著正相關關系。過氧化氫酶和堿性磷酸酶都與土壤有機碳、全氮、全磷具有極顯著的正相關性，過氧化氫酶能夠水解過氧化氫并釋放出水和氧氣，從而解除了過氧化氫對植物的毒害作用[23]，促進土壤的生化活性；堿性磷酸酶可能在促進有機磷的釋放過程中間接影響了碳素和氮素的分解釋放。綜上分析，蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶和堿性磷酸酶四種酶可以作為表征黃土丘陵區(qū)人工檸條林恢復土壤肥力變化的重要指示因子。

4 結論

黃土丘陵區(qū)不同恢復年限人工檸條林下土壤酶活性差異很大，與耕地相比，隨著年限的增長，蔗糖酶和脲酶活性呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，而堿性磷酸酶和過氧化氫酶變化不明顯，說明前者在反映土壤變化的過程中較后者更敏感，另外，隨著土壤深度的增加，酶活性降低。

不同恢復年限檸條林下土壤酶活性與土壤養(yǎng)分之間具有顯著或極顯著的正相關關系，其中四種酶與速效磷之間的相關性相對較弱，而與全氮的相關性都很強，說明這四種酶對促進磷的吸收利用方面影響較小，但對氮素循環(huán)的影響較大。