科尔沁沙地油松人工林林龄对土壤酶活性及化学性质的影响.pdf
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1、Vol.44 No.2Feb.2024第 44 卷 第 2 期2024 年 2 月中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 Journal of Central South University of Forestry&Technologyhttp:/收稿日期:2023-04-19基金项目:内蒙古自治区科技计划项目(2021GG0360);内蒙古自治区林业和草原局科研能力提升项目。第一作者:高海燕(),助理研究员,硕士。通信作者:闫德仁(),研究员,博士。引文格式:高海燕,杨制国,张胜男,等.科尔沁沙地油松人工林林龄对土壤酶活性及化学性质的影响 J.中南林业科技大学学报,2024,44(2):1
2、08-117.GAO H Y,YANG Z G,ZHANG S N,et al.Effects of stand age on soil enzyme activity and chemical properties of Pinus tabulaeformis plantation in Horqin sandy landJ.Journal of Central South University of Forestry&Technology,2024,44(2):108-117.科尔沁沙地油松人工林林龄对 土壤酶活性及化学性质的影响高海燕1,2,杨制国1,2,张胜男1,黄海广1,2,闫德仁1
3、(1.内蒙古自治区林业科学研究院 a.内蒙古自治区沙地(沙漠)生态系统与生态工程重点实验室;b.沙地生物资源保护与培育国家林业局重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010010;2.内蒙古多伦浑善达克沙地生态系统国家定位观测研究站,内蒙古 锡林郭勒盟 027300)摘 要:【目的】研究科尔沁沙地不同林龄油松人工林地土壤养分变化及酶活性变化过程,为该地区植被恢复提供参考依据。【方法】以流动沙地为对照(0 a),选择固沙 18、34、48、56 a 油松人工林地为研究对象,进行土壤样品分层采集,用于土壤化学性质及酶活性的测定;采用冗余分析方法,探究不同林龄土壤酶活性变化过程及其与土壤理化性质之间的关系。
4、【结果】与对照相比,有机质、全氮、全磷、速效钾含量随林龄增加而显著增加,但全钾、速效氮则无明显变化。不同林龄 0 2 cm 土层过氧化氢酶、脱氢酶、脲酶、中性磷酸酶、中性蛋白酶活性随林龄增加均显著高于对照并具有明显表聚现象,蔗糖酶活性在 18 a 时活性最高,随后下降。林龄、土层及其交互作用均显著影响土壤酶活性。冗余分析结果表明土壤全氮、全钾、速效磷、速效钾与土壤脲酶、脱氢酶、过氧化氢酶均呈极显著正相关关系;7 种化学性质在前两轴累积解释土壤酶活性的 76.06%,对土壤酶活性影响重要性排序为全氮速效磷全钾有机质全磷速效钾速效氮,全氮是影响土壤酶活性差异的关键因子。【结论】油松人工林能有效改善
5、沙地土壤肥力,提高土壤酶活性,并随林龄增加改善作用增强;同时人工造林 56 a 时,油松人工林地未出现衰退现象。关键词:科尔沁沙地;油松人工林;土壤酶活性;土壤化学性质中图分类号:S714.5 文献标志码:A 文章编号:1673-923X(2024)02-0108-10Effects of stand age on soil enzyme activity and chemical properties of Pinus tabulaeformis plantation in Horqin sandy landGAO Haiyan1,2,YANG Zhiguo1,2,ZHANG Shengna
6、n1,HUANG Haiguang1,2,YAN Deren1(1.a.Key Laboratory for Sandy Land and Desert Ecosystem and Ecological Engineering of Inner Mongolia Autonomous Region;b.Key Laboratory of State Forestry Administration on Sandy Land Biological Resources Conservation and Cultivation,Inner Mongolia Academy of Forestry,H
7、ohhot 010010,Inner Mongolia,China;2.Inner Mongolia Duolun Hunshandake Sand Ecosystem Research Station,Xilin Gol League 027300,Inner Mongolia,China)Abstract:【Objective】To study the change process of soil nutrients and enzyme activities in different forest ages of Pinus tabulaeformis in Horqin sandy l
8、and,so as to provide a reference for vegetation restoration in this area.【Method】Taking the shifting sandy land as the control(0 a),the sand-fixing 18,34,48,56 a Chinese pine plantation land was selected as the research objects,and the soil samples were collected in layers for the determination of s
9、oil chemical properties and enzyme activities.The redundancy analysis method was used to explore the change process of soil enzyme activity at different forest ages and its relationship with soil physical and chemical properties.【Result】Compared with the control,the contents of organic matter,total
10、nitrogen,total phosphorus and available potassium increased significantly with the increase of stand age,but total potassium and available nitrogen had no obvious changes.The activities of catalase,dehydrogenase,urease,neutral phosphatase and neutral protease in the 0-2 cm soil layer under different
11、 forest ages were significantly higher than that of the control with obvious superficial polymerization,sucrase activity was the highest at 18 a and then decreased.Stand age,soil layer and their interaction significantly affected soil enzyme activity.Redundancy analysis showed that soil total nitrog
12、en,total potassium,available phosphorus,available potassium and soil urease,dehydrogenase,and catalase all had extremely significant positive correlations.The accumulation of 7 chemical properties in the first two axes explained 76.06%of soil Doi:10.14067/ki.1673-923x.2024.02.012109中 南 林 业 科 技 大 学 学
13、 报第 44 卷科尔沁沙地是我国北方生态修复的重要区域之一1,采用植物措施,建立稳定的人工植被,促进天然植被恢复是该区域生态恢复的重要手段之一2。近年来,科尔沁沙地在流沙固定方面取得了明显成效,人工治理措施可促进植被恢复,对土壤的改良有较强作用3。油松 Pinus tabuliformis是科尔沁沙地的重要乡土树种,是我国北方重要的造林树种且被广泛应用,自身具备较强生理适应性和抗旱、抗寒、繁殖能力强等特性,在调节气候、水土保持、改变自然面貌和促进沙地治理等方面发挥了重要的作用4-5。长期以来,土壤酶活性和理化性质是土壤领域研究的重点,土壤酶活性及理化性质不仅能够作为评价土壤生态功能的重要因子,
14、同时可作为评估生态恢复的重要指标 6。土壤理化性质用来衡量土壤养分特性,为酶促反应提供了底物,直接影响酶活性的大小7。土壤酶活性用来反映催化物质转化的能力,是土壤生态系统的活性库,通过驱动土壤中各类元素的合成、转化、循环,从而释放养分提升土壤质量,能够有效反映土壤中进行的一系列生物化学过程的强度与方向8,二者具有密切关系。对不同区域油松林进行研究发现,油松林对土壤具有一定改善作用,杨洋9对晋西黄土区油松人工林的研究发现随林龄增加土壤养分含量呈上升趋势;唐学君10对内蒙古东部区域油松人工林的研究发现随林龄增加土壤碳储量均逐渐增加;梁洋等11对太岳山油松人工林的研究发现林龄增加使土壤理化性质和微生
15、物量碳氮质量分数得到了提高,土壤综合质量也得到了提升;李国雷等12对北京市油松林的研究发现,油松林在生长 29 a 时土壤物理性质下降,生长 36 a 时土壤全氮、速效磷、有机质含量急剧减少。科尔沁沙地地处西辽河平原,是我国最大的沙地,该地堆积了大约 200 m 厚的沙质沉积物,生态环境十分脆弱,植被恢复困难,土壤酶活性不仅可以催化土壤发育,而且能够灵敏地指示土壤生境变化并且与土壤理化性质关系密切。关于科尔沁沙地固沙林的研究多集中于樟子松林13、榆树疏林14、杨树人工林15等,并且以土壤单一的酶活性或土壤养分对固沙林的响应为主,科尔沁沙地油松林作为重要的固沙树种,却鲜有报道。林龄是固沙林建设中
16、能够人为控制的因子,时间尺度上的变化可有效揭示油松在科尔沁沙地上的生长过程及固沙过程中土壤养分和酶活性的变化过程。为此,本研究以科尔沁沙地 5 种林龄油松人工林地为对象,测定不同林龄及土层土壤酶活性及土壤化学指标,采用冗余分析方法,对不同林龄土壤酶活性及土壤化学性质之间的关系进行探讨,以揭示不同林龄土壤酶活性差异的驱动因子,以期更加准确地评估土壤肥力,对揭示沙化恢复地区土壤养分供给能力具有指示作用。1 材料与方法1.1 研究区概况与样地设置研究区位于科尔沁沙地东南缘辽宁省固沙造林研究所章古台试验基地(4263 4274N,12247 12258E),属于温带大陆性季风气候,年均降水量约 450
17、 mm,多集中于 79 月,蒸发量约 1 700 mm,年平均气温 6.2,极端最高气温 35.2,极端最低气温-29.5,无霜期154 d。研究区天然植物种主要有披碱草 Elymus dahuricus、虎尾草 Chloris virgata、无芒隐子草Cleistogenes songorica、马唐Digitaria sanguinalis等。2020 年 8 月进行实地调查,以流动沙地为对照,选择固沙林龄为 18、34、43、56 a 的油松人工林为研究对象,在各油松人工林地设置 3 块 20 m20 m 的标准样地,测量树高、胸径和郁闭度等指标。同时布设 1 m1 m 的样方进行草本
18、植被调查。不同林龄油松人工林地基本情况见表 1。1.2 样品采集与测定根据代表性、典型性、立地相同原则,在不同林龄样地内依据“S”形采样法选定 3 个土壤样 方,每个土壤样方内设定 3 个采样点,去除地表灌草和枯落物后采集 0 2、2 10 和 10 20 cm 土层样品,同一土壤样方内同一土层土壤混合均匀,去除石块根系装入自封袋做好标记,带回实验室风干,并将土壤样品研磨过 0.25 mm 孔径筛备用。enzyme activity,and the order of importance to soil enzyme activity was total nitrogen,available
19、phosphorus,total potassium,organic matter,total phosphorus,available potassium,and available nitrogen.Total nitrogen is the key factor affecting the difference of soil enzyme activity.【Conclusion】The Chinese pine plantation can effectively improve the sandy soil fertility and soil enzyme activity,an
20、d the improvement effect will increase with the increase of the forest age.Keywords:Horqin sandy land;Pinus tabuliformis plantation;soil enzymes activities;soil chemical properties高海燕,等:科尔沁沙地油松人工林林龄对土壤酶活性及化学性质的影响110第 2 期相关指标测定方法如下:脲酶含量测定采用靛酚蓝比色法;蔗糖酶含量测定采用 3,5-二硝基水杨酸比色法;中性磷酸酶含量测定采用对硝基酚磷酸钠比色法;过氧化氢酶含量测
21、定采用分光光度法;脱氢酶含量测定采用 TTC 比色法;中性蛋白酶含量测定采用加勒斯法;土壤有机质含量测定采用重铬酸钾容量法-外加热法;全氮含量测定采用凯氏定氮法;全磷含量测定采用 HClO4-H2SO4法;全钾测定采用氢氟酸-高氯酸消化法;速效氮采用碱解扩散法;速效磷采用 NaHCO3浸提-钼锑抗比色法;速效钾测定采用NH4OAc浸提-原子吸收法。测定时,每个样品、每项指标测定 3次重复。具体操作步骤参照章家恩16的研究方法。1.3 数据处理采用 Excel 2010 软件进行数据分析,采用Origin 2017 软件进行制图,采用 SAS 9.1 软件进行统计分析,对林龄及土层进行双因素方差
22、分析(ANOVA 过程)并检验 2 个因子的相互作用。当主因素或交互作用显著时,采用单因素方差分析(ANOVA 过程)分别进行不同土层、林龄的组间差异检验。采用 Canoco 5 软件对土壤酶活性与化学性质的对应关系进行冗余分析(Redundancy analysis,RDA)。2 结果与分析2.1 油松人工固沙林土壤化学性质变化特征由图 1 可知,研究区土壤养分含量较低,全钾、速效氮含量分别位于 17.56 23.46 gkg-1、5.26 15.97 mgkg-1,基 本 无 明 显 变 化。其 他指标在表层土壤(0 2 cm)中的含量随林龄增加变化幅度较大,随土层深度增加呈显著下降趋势。
23、表层土壤中,有机质和全氮含量均随林龄增加呈现先上升后下降的趋势,在固沙 43 a 时显著增加且达到峰值,分别为 26.98 gkg-1、1.20 gkg-1;全磷、速效钾含量在固沙 34 a 之后显著高于流沙且基本趋于稳定;速效磷含量在固沙18 a 时达到最高值 10.37 mgkg-1,随后下降且趋于稳定。随林龄增长,全氮、全磷、全钾、有机质的平均含量呈现逐渐累积-缓慢消耗的过程;速效氮、速效磷、速效钾平均含量变化波动较大,分别呈现消耗累积消耗、迅速累积迅速消耗趋于稳定和累积消耗累积的过程。2.2 松人工固沙林土壤酶活性变化研究区不同林龄油松人工林地土壤酶活性变化如图2所示,通过测定酶活性,
24、未检出纤维素酶,其他 7 种酶活性变化特征如下:相较于流沙(0.15 gg-1h-1),不同林龄油松林地表层(0 2 cm)土壤脱氢酶活性随固沙年限增加而增加,至固沙34 a后出现显著增加趋势,至固沙 56 a 时达到最高值 1.27 gg-1h-1;2 10 和 10 20 cm 深度的土壤脱氢酶活性在固沙 18 a 时显著高于流沙,并达到最大值。从土层深度来看,除固沙 18 a 外,其余年限的固沙林土壤脱氢酶活性均随土层深度增加而递减,且 2 10 和10 20 cm 土壤脱氢酶活性均显著低于 0 2 cm。表层土壤过氧化氢酶活性随固沙时间推移逐渐增强,至固沙 18 a 后呈显著增加趋势,
25、至固沙43 a 时达到最高值 1.53 mgg-1h-1,显著高于流沙(0.88 mgg-1h-1)。2 10 和 10 20 cm 土壤过氧化氢酶活性均在固沙 18 a 时显著提升且达到最高值,随后出现下降趋势,至固沙 56 a 时开始回升。从土层深度来看,除固沙 18 a 外,其余固沙表 1 样地基本信息Table 1 Basic information of the sampling site林龄Stand age/a地理坐标Geographical coordinates海拔Altitude/m树高Tree height/m平均胸径Average DBH/cm郁闭度Canopy den
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