黃河三角洲不同退化程度人工刺槐林土壤酶活性_養(yǎng)分和微生物相關(guān)

1、中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報 2012年11月 第20卷 第11期Chinese Journal of Eco-Agriculture, Nov. 2012, 20(11: 14781483* 國家自然科學(xué)基金項目(30970499資助黃河三角洲不同退化程度人工刺槐林土壤 酶活性、養(yǎng)分和微生物相關(guān)性研究*白世紅1,2 馬風(fēng)云1,2* 李樹生3 姚秀粉1,2(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院 泰安 271018; 2. 農(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)境重點實驗室 泰安 271018;3. 三明學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)系 三明 365000摘 要 由人為及自然多種因素的影響造成很多地區(qū)人工林地出現(xiàn)衰退現(xiàn)象。本研究選擇黃河三角洲不同退化程度

2、的刺槐人工林, 對林地土壤酶、養(yǎng)分和微生物及其相關(guān)性進(jìn)行了研究, 探討人工刺槐林退化的原因。結(jié)果表明: 隨著人工刺槐林退化程度加重, 土壤脲酶、多酚氧化酶和過氧化物酶活性下降; 過氧化氫酶活性則先上升, 重度退化林地下降。脲酶與多酚氧化酶和過氧化物酶活性顯著相關(guān), 過氧化物酶與多酚氧化酶活性顯著相關(guān), 其他酶之間相關(guān)性不顯著。土壤養(yǎng)分與土壤酶的變化趨勢基本一致, 隨著林分退化程度加重, 有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷含量均呈下降趨勢; 土壤pH 、含鹽量隨著林分退化程度加重與土壤深度增加而上升, 與土壤酶活性的變化趨勢相反。土壤酶特別是脲酶活性與土壤養(yǎng)分顯著正相關(guān)性, 與土壤pH 和含鹽量呈顯著

3、負(fù)相關(guān)。不同退化程度的人工刺槐林地土壤細(xì)菌數(shù)量最多; 真菌和放線菌與細(xì)菌變化趨勢各不相同, 隨著退化程度的增加, 細(xì)菌平均數(shù)量表現(xiàn)為未退化輕度退化中度退化重度退化, 真菌數(shù)量為輕度退化未退化中度退化重度退化, 放線菌數(shù)量為中度退化輕度退化未退化重度退化。脲酶與細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量顯著相關(guān), 細(xì)菌與除過氧化氫酶外的土壤酶活性顯著相關(guān), 其他酶活性與各類微生物數(shù)量相關(guān)性不顯著。 關(guān)鍵詞 黃河三角洲 刺槐人工林 退化 土壤酶 土壤養(yǎng)分 土壤微生物 相關(guān)性分析 中圖分類號: S714.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1671-3990(201211-1478-06Relational analys

4、is of soil enzyme activities, nutrients and microbes inRobinia pseudoacacia plantations in the Yellow River Dalta withdifferent degradation degreesBAI Shi-Hong 1,2, MA Feng-Yun 1,2, LI Shu-Sheng 3, YAO Xiu-Fen 1,2(1. College of Forestry, Shandong Agricultural University, Taian 271018, China; 2. Key

5、Laboratory for Agricultural Ecology and Environment, Taian 271018, China; 3. Department of Mathematics and Computer Sciences, Sanming University, Sanming 365000, ChinaAbstract A great deal of degradation of plantations across the globe are caused by natural and artificial factors. The Yellow River D

6、elta (YRD is one of Chinas three estuarine deltas where plenty protection forests were established in the 1980s to improve local ecological environment. Among the forest plants is Robinia pseudoacacia , covering the largest area as main sand/windbreaker in this region. In recent years, however, much

7、 of the R. pseudoacacia plantation has dry-tops and some even wither to death . This has caused significant loss to shelter forest construction and management of salinization in the region. In this paper, R. pseudoacacia plantations with different degradation degrees in the YRD were selected for rel

8、ational analysis of soil enzymes, nutrients, microbes as a means of exploring the causes of degradation of the plants. The results showed soil urease, polyphenol oxidase and peroxidase activities decreased with the aggravation of R. pseudoacacia plantations degradation. However, hydrogen peroxidase

9、activity pre-sented first increasing and then decreasing tendency. Urease was significantly positively correlated with polyphenol oxidase and peroxidase. Peroxidase was also significantly positively correlated with polyphenol oxidase, but not with the other enzymes. Soil nutrients such as organic ma

10、tter, total nitrogen, available nitrogen and available phosphorus decreased with increasing degradation degree of R. pseudoacacia plantations. The reverse was the case for soil pH and soil salts. Soil enzymes, especially urease, were significantly positively correlated with soil nutrients and negati

11、vely correlated with soil pH and soil salts. Bacteria count was highest in R. pseudoacacia plantation soils with different degradation degrees. With increasing degradation degree of R. pseudoacacia plantation, average soil bacteria count was in the following order: no degradation slight degradation

12、moderate degradation severe degradation. The order for average fungi count was as follows: slight degradation no degradation moderate degradation 土壤儀器網(wǎng)基層農(nóng)技服務(wù)第11期白世紅等: 黃河三角洲不同退化程度人工刺槐林土壤酶活性、養(yǎng)分和微生物相關(guān)性研究 1479 severe degradation. Then that for actinomycetes was: moderate degradation slight degradation n

13、o degradation severe degradation. Urease was highly positively correlated with bacteria and actinomycetes. Bacteria count was highly positively correlated with enzymes, except hydrogen peroxidase. The other enzymes showed no significant correlations with microbial count.Key words Yellow River Delta,

14、 Robinia pseudoacacia plantation, Degradation, Soil enzyme, Soil nutrient, Soil microbe, Relational analysis(Received May 31, 2012; accepted Aug. 15, 2012森林是構(gòu)成陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體, 在維持地球生態(tài)系統(tǒng)平衡方面發(fā)揮著重要的作用。然而隨著人類社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展, 由人為及自然多種因素的影響很多地區(qū)森林出現(xiàn)衰退現(xiàn)象, 由此引發(fā)的各種環(huán)境危機已成為困擾各國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要因子1。在大力發(fā)展森林植被以改善生態(tài)環(huán)境的過程中, 人工純林由于造林技術(shù)

15、簡單, 經(jīng)營管理方便而被大量應(yīng)用于商業(yè)用材林和生態(tài)防護(hù)林的營林建設(shè)中。但是, 隨著人工純林面積的不斷擴大和人工純林生長發(fā)育過程的進(jìn)行, 人們注意到許多人工純林出現(xiàn)生長發(fā)育不良和土壤退化的現(xiàn)象。根據(jù)目前對人工純林的大量研究表明, 由于人工純林土壤性質(zhì)極化導(dǎo)致的土壤退化包括物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)惡化3種類型2。有學(xué)者認(rèn)為人工純林中樹種生物生態(tài)學(xué)特性的單一性、對養(yǎng)分吸收利用的選擇性和對環(huán)境效應(yīng)的特殊性, 土壤性質(zhì)往往呈現(xiàn)偏離原平衡態(tài)并朝某個方向非平衡或極端化發(fā)展的趨勢是導(dǎo)致土壤退化的根本原因之一3。顏景紅4對人工林土壤退化的原因進(jìn)行了分析, 認(rèn)為群落結(jié)構(gòu)簡單、土壤肥力下降、林地清理措施、采伐利用方式

16、等因素是造成人工林土壤退化的重要原因。黃河三角洲是我國三大河口三角洲之一, 20世紀(jì)80年代營造了大量的防護(hù)林, 其中尤以刺槐防護(hù)林的面積較大。這些刺槐林已成為勝利油田和山東省東營市防風(fēng)固沙的重要屏障, 是改善該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要生態(tài)工程。但近些年刺槐人工林出現(xiàn)了大面積枯梢, 甚至成片死亡的現(xiàn)象, 對黃河三角洲地區(qū)的防護(hù)林建設(shè)及鹽堿化的治理造成了很大損失和影響。引起刺槐林退化的原因是多方面的, 為了探討刺槐林退化的原因, 本研究選擇退化程度不同的刺槐林進(jìn)行調(diào)查, 以未退化的刺槐林作為對照, 通過對退化程度不同的刺槐林土壤對比分析, 探討了不同退化程度的刺槐林地土壤酶與土壤養(yǎng)分、土壤微生物之間的

17、關(guān)系, 旨在了解黃河三角洲地區(qū)刺槐林退化過程中土壤的變化, 為刺槐林管理提供依據(jù)。1研究區(qū)概況和研究方法1.1研究區(qū)概況研究區(qū)位于東營市河口區(qū)(N 36553810, E1180711910, 系山東省北部黃河三角洲地區(qū), 屬暖溫帶半濕潤地區(qū), 大陸性季風(fēng)氣候, 年均氣溫12.5 ,無霜期206 d,10 積溫4 300 ;年降水量550600 mm, 多集中在夏季, 78月降水量約占全年降水量的50%, 且多暴雨, 易形成旱、澇災(zāi)害。土壤pH(7.58.5和含鹽量(16 gkg1較高, 有機質(zhì)含量較低(3 21土樣采集: 在每種退化程度的人工刺槐林內(nèi)設(shè)置1塊標(biāo)準(zhǔn)地, 標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機布設(shè)3個采樣

18、點, 每個采樣點挖土壤剖面, 分020 cm、2040 cm、4060 cm 3層取混合土樣。一部分土樣風(fēng)干過篩, 用于土壤化學(xué)性質(zhì)與土壤酶活性的測定。一部分鮮土樣保鮮帶回實驗室, 冷藏用于測試土壤微生物。土壤化學(xué)性質(zhì)的測定: 有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法, 全氮采用凱氏蒸餾法, 速效鉀采用醋酸銨浸提火焰光度法, 速效磷采用Olsen法(恒溫水浴振蕩浸提, 堿解氮采用堿解擴散法, 土壤含鹽量用電導(dǎo)法, 土壤pH用電位法。土壤酶活性的測定: 脲酶活性采用比色法, 多酚氧化酶和過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法, 過氧化物酶活性采用鄰苯三酚比色法5。土壤微生物數(shù)量的測定: 微生物數(shù)量采用稀釋平板法測定。

19、細(xì)菌采用牛肉蛋白胨培養(yǎng)基, 接種時1480中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報 2012 第20卷采用105 gmL 1和106 gmL 1的土壤稀釋液; 真菌采用PDA 培養(yǎng)基, 接種時采用103 gmL 1和104 gmL 1的土壤稀釋液; 放線菌采用改良高氏一號培養(yǎng)基, 接種時采用104 gmL 1和105 gmL 1的土壤稀釋液。各微生物類群分析均采用表面接種法無菌超凈工作臺接種, 每處理設(shè)4個重復(fù)。接種后置28 溫箱內(nèi)培養(yǎng), 細(xì)菌、真菌和放線菌分別在1836 d 、35 d 及710 d 內(nèi)每天檢查統(tǒng)計微生物數(shù)量。采用Duncan 新復(fù)極差檢驗進(jìn)行不同處理間差異顯著性檢驗。2 結(jié)果與分析2.1 不同退化

20、程度刺槐林的土壤酶活性土壤酶在土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用, 土壤酶活性反映了土壤營養(yǎng)循環(huán)過程的速率, 也是土壤生產(chǎn)力和微生物活性潛力的指標(biāo)。不同退化程度的刺槐林土壤酶活性的測定結(jié)果見表2。從表2可以看出: 不同退化程度人工刺槐林土壤的脲酶、過氧化氫酶活性無顯著差異, 而多酚氧化酶、過氧化物酶活性差異顯著。隨著刺槐林退化程度加重, 脲酶活性逐漸降低, 表現(xiàn)為未退化林地輕度退化林地中度退化林地重度退化林地。多酚氧化酶活性和脲酶活性表現(xiàn)出相同的變化趨勢。隨著退化程度的增加, 過氧化物酶活性也出現(xiàn)遞減的趨勢。在退化程度不同的刺槐林分中, 過氧化氫酶活性表現(xiàn)為輕度退化中度退化未退化林重度退

21、化。4種酶活性中除過氧化氫酶外都隨著林分退化程度的加重活性降低, 但減低程度不同, 多酚氧化酶活性降低較為劇烈, 過氧化物酶活性降低較少。4種酶活性的垂直分布在不同退化程度刺槐林中呈相同趨勢, 即隨著土層深度增加活性降低。不同退化程度刺槐林土壤酶活性相關(guān)性分析(表3表明: 脲酶與多酚氧化酶呈極顯著正相關(guān)關(guān)系, 與過氧化物酶呈顯著相關(guān)關(guān)系, 說明土壤中氮素轉(zhuǎn)化與氧化還原過程是相互促進(jìn)的。多酚氧化酶與過表2 不同退化程度人工刺槐林的土壤酶活性Table 2 Soil enzymes activities in artificial R. pseudoacacia plantations with

22、different degrees of degradation退化程度 Degradation degree 土層 Soil layer (cm 脲酶 Ureasemg(NH 3+-Ng 1d 1多酚氧化酶 Polyphenol oxidase mL(0.1mol KMnO 4g 1過氧化氫酶 Hydrogen peroxidase mL(0.1mol KMnO 4g 1過氧化物酶 Peroxidase mg(gallnutg 10200.391.651.931.132040 0.27 1.58 1.96 0.92 4060 0.18 1.21 1.63 0.87 未退化 No degrad

23、ation平均Average0.280.10a 1.480.24a 1.840.18a 0.970.14a0200.381.362.260.872040 0.25 1.13 2.05 0.80 4060 0.11 0.88 2.25 0.98 輕度 Slight平均Average0.250.14a 1.120.24b 2.200.12a 0.880.09a0200.231.002.150.892040 0.15 0.63 2.15 0.78 4060 0.10 0.37 1.64 0.58 中度 Moderate平均Average0.160.07a 0.670.32c 1.980.29a 0.

24、750.16ab0200.190.661.960.662040 0.10 0.44 1.76 0.60 4060 0.08 0.210.940.62重度 Severe平均Average0.120.06a 0.440.23d 1.550.54a 0.630.03b不同小寫字母表示不同退化程度的平均值間差異顯著, 下同。Different small letters mean significant difference among averages of different degradation degrees. The same below.表3 不同退化程度刺槐林土壤不同酶活性間相關(guān)性Ta

25、ble 3 Correlation among soil enzymes activities of artificial R. pseudoacacia plantations with different degrees of degradation多酚氧化酶 Polyphenal oxidase 過氧化氫酶 Catalase 過氧化物酶Peroidase脲酶 Urease 0.87* 0.49 0.68* 多酚氧化酶 Polyphenal oxidase 0.51 0.85*過氧化氫酶 Catalase0.52*和*表示極顯著(P 0.1和顯著(P 輕度退化中度退化重度退化, 真菌數(shù)量為

26、輕度退化未退化中度退化重度退化, 放線菌數(shù)量為中度退化輕度退化未退化重度退化。3種類型微生物垂直分布的趨勢均是隨土層深度增加數(shù)量減少。不同退化程度的刺槐林土壤酶和土壤微生物之間的相關(guān)性分析結(jié)果見表7。從表7可以看出: 脲酶活性與細(xì)菌數(shù)量極顯著正相關(guān), 與真菌數(shù)量、放線菌數(shù)量和微生物總量呈顯著正相關(guān); 多酚氧化酶活性與細(xì)菌數(shù)量和微生物總量呈顯著正相關(guān), 與真菌和放線菌數(shù)量相關(guān)不顯著; 過氧化氫酶活性與放線菌數(shù)量呈顯著正相關(guān), 但與細(xì)菌、真菌數(shù)量和微生物總量相關(guān)性不顯著; 過氧化物酶活性與細(xì)菌數(shù)量和微生物總量呈顯著正相關(guān), 與真菌和放線菌數(shù)量相關(guān)不顯著。表6不同退化程度人工刺槐林的土壤微生物數(shù)量T

27、able 6 Soil microbes amounts in artificial R. pseudoacacia plantations with different degrees of degradation退化程度Degradation degree 土層 Soil layer(cm細(xì)菌 Bacteria(105 CFUg1真菌 Fungi(105 CFUg1放線菌 Actinomycete(105 CFUg1微生物總量 Total microbe(105 CFUg1 020 360.8 3.1 8.7 372.62040 112.6 0.5 3.2 118.1 4060 32.3

28、0.4 0.8 33.5未退化No degradation平均Average 168.6171.3a 1.31.5a 4.24.1a 174.7176.5a 020 108.3 8.5 10.9 127.62040 52.4 0.6 3.1 56.14060 6.6 0.2 0.4 7.2輕度 Slight平均Average 55.850.9a 3.14.7a 4.85.5a 63.660.6a 020 22.3 0.9 14.7 37.82040 7.8 0.5 3.6 11.94060 1.8 0.3 0.4 2.5中度Moderate平均Average 10.610.5a 0.60.3a

29、 6.27.5a 17.418.3a 020 40.2 0.8 5.5 46.52040 6.4 0.2 0.8 7.44060 0.3 0.0 0.1 0.4重度 Severe平均Average 15.621.5a 0.30.4a 2.12.9a 18.124.8a表7不同退化程度刺槐林土壤酶活性與土壤微生物之間的相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlation coefficients between soil enzymes activities and soil microbes amounts of artificial R. pseudoacaciaplantations with

30、different degrees of degradation細(xì)菌 Bacteria 真菌 Fungi 放線菌Actinomycete 微生物總量 Total microbe 脲酶 Urease 0.80 0.74 0.71 0.83多酚氧化酶 Polyphenal oxidase 0.72* 0.47 0.47 0.74*過氧化氫酶 Catalase 0.18 0.38 0.52* 0.21 過氧化物酶 Peroidase 0.70* 0.32 0.44 0.71*3討論與結(jié)論土壤酶在土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用, 其活性反映了土壤營養(yǎng)循環(huán)過程的速率, 可作為土壤生物功能多樣性

31、的指標(biāo)7, 能夠較早地反映土壤利用和生物變化8, 也是反映土壤生產(chǎn)力和微生物活性潛力的指標(biāo)9。本研究發(fā)現(xiàn)隨人工刺槐林退化程度的加重, 土壤養(yǎng)分和酶活性呈下降趨勢, 土壤酶和養(yǎng)分呈顯著相關(guān), 與前人的研究結(jié)果一致。因此如果對退化刺槐林土壤肥力進(jìn)行評價, 選擇合適的土壤酶可以作為評價的指標(biāo)之一。大量研究表明, 人工純林除了有自肥效應(yīng)外, 還有自貧、自毒和自衰效應(yīng)2, 因此人工純林的退化可能與本身的自貧、自毒和和自衰效應(yīng)有關(guān)。本研究選擇林齡相近但退化程度不同的人工刺槐純林進(jìn)行對比分析, 發(fā)現(xiàn)該年齡段的人工刺槐林在該區(qū)域內(nèi)還有生長良好而沒有退化的林分, 表明自貧、自毒和自衰并不是造成該區(qū)域內(nèi)刺槐林衰退

32、的主要原因。根據(jù)該地區(qū)所處的立地條件推斷, 刺槐林的衰退可能與土壤鹽分含量有關(guān)。不同退化程度的人工刺槐林地土壤酶活性與土壤pH及土壤鹽分呈顯著負(fù)相關(guān), 較高的土壤pH和鹽分限制了土壤生物化學(xué)過程, 降低了土壤養(yǎng)分利用和酶活性, 從而引起土壤的退化, 進(jìn)而使刺槐林出現(xiàn)逐漸退化的現(xiàn)象, 土壤鹽分含量和pH越高, 刺槐林退化程度就越嚴(yán)重。土壤酶活性與土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量的關(guān)系比第 11 期 白世紅等: 黃河三角洲不同退化程度人工刺槐林土壤酶活性、養(yǎng)分和微生物相關(guān)性研究 1483 較復(fù)雜。很多研究都顯示土壤酶活性和有機質(zhì)含量 有很好的相關(guān)性 1012 2 劉增文, 段而軍, 付剛, 等. 一個新概念:

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