林区不同土地利用模式对土壤理化性质与酶学特性的影响

李 聪，孙正峰，曹 宇，闫绍鹏

(东北林业大学生命科学学院，哈尔滨 150040)

森林是陆地上最大的碳储存库，对全球的碳循 环起着重要作用，而森林土壤在调节地球气候和物质循环方面起着重要作用，所以对森林生态系统中的土壤亚系统的研究就显得尤为重要［1］。但是由于人为的因素，不当的土地利用形式 (如林区居住用地、农业耕地、毁林开荒)会对土壤产生不利的影响，土壤的质量会产生较大波动，土壤肥力的指标也会发生变化，栖息地上原著植被可能会被其他物种所取代，生态系统中的物种种类随之发生变异。

为了维护土壤的肥力与质量，需要对森林的经营和管理模式进行监督，对不当的土地利用方式对土壤质量的影响进行分析。在检测土壤质量变化时，不仅要测定土壤理化性质的变化，而且也可以用土壤酶作为指示剂，对人为干扰因素的程度进行测评。

本研究对黑龙江省尚志市东北林业大学帽儿山实验林场的4种不同土地利用和经营模式 (森林土壤、农田土壤、林场场部用地和森林迹地)下的土壤理化性质、土壤酶活性进行测定与分析，评价不同程度人为干扰对土壤理化性质与酶活性的影响，为今后森林土壤生态资源的利用、管理与保护提供积极参考。

1 试验材料与方法

1.1 实验地区地理与自然环境

本研究地点为黑龙江省尚志市境内东北林业大学帽儿山实验林场，地理坐标为 N 45°10'～45°35'，E 127°20' ～ 127°45'，区 域 面 积 为264.99 km2［2］;属长白山系张广才岭支脉西部小岭余脉，以低山丘陵为主要地形地貌特征，平均海拔381 m;四季较分明，年平均温度2.8℃，年降水量723.8 mm，无霜期120～140 d，属温带大陆性气候;该地区土壤类型以暗棕壤为主，有机质含量较高，土壤营养丰富。帽儿山林场的植被属于长白植物区系，由于历史上遭受了3次人为高强度破坏，原始地带性植被红松阔叶林发生逆向演替形成了以杨桦林为代表的沟塘次生林和以柞桦林为天然次生林为主，珍贵阔叶人工林和优质针叶人工林镶嵌分布的森林景观［3］。

1.2 采样点的选取

龚文峰等参照Costanza对生态系统的划分，并结合帽儿山林场土地利用现状和资源分布特点，将该地区土地类型分为有林地、灌丛、农耕地、水域、迹地、荒山荒地、林场场部用地和未利用地［2］。本研究用土壤根据不同土地利用方式分为4种土壤类型:森林土壤 (No.1、No.2、No.3)、农耕土壤(No.4、No.5)、林场 场 部 用 地 (No.6、No.7、No.8)、森林迹地 (No.9、No.10)(见表1)。

表1 帽儿山林场土壤样品采集地的地理位置和描述Tab.1 The Maoer Moutain Forest Farm soil sample collection location and description

2 材料与方法

2.1 土样采集及预处理

每个样地选择3个50m×50m样方，每个样方采用5点法收集土样，混合均匀，作为1个混合样，将混合土样风干和研磨过筛处理［4］。每种土样设3次重复。

2.2 土壤理化性质检测方法

土壤相对含水量 (RWC)测定采用称重法，土壤pH测定采用电位法，土壤盐浓度 (EC)测定采用电导法。土壤全氮 (TN)与可溶性全氮(DTN)含量、土壤全碳 (TC)和总有机碳(TOC)、土壤可溶性全碳 (DTC)、可溶性有机碳(DOC)、可溶性无机碳 (DIC)含量均采用德国multi N/C 3100分析仪测定，方法参照李振高等编著的《土壤与环境微生物研究法》［5］。

2.3 土壤酶活性测定方法

过氧化氢酶活性测定采用滴定法，即定量滴定酶促反应后剩余的过氧化氢量来表示酶活性。过氧化物酶活性测定利用邻苯三酚比色法，即利用多酚氧化物 (邻苯三酚、二酚等)作为氧的受体，在过氧化物酶的参与下，通过过氧化物中氧的作用，多酚被氧化为着色的醌类化合物。其颜色深度与醌类化合物相关，据此用以表示酶活性。多酚氧化酶测定利用土壤中基质邻苯三酚，经多酚氧化酶的酶促作用生成红紫棓，用乙醚萃取，萃取液经紫外光谱比色，测得红紫棓精的量，即可表示多酚氧化酶的活性。以上3种酶活性测定方法参照李振高等编著的《土壤与环境微生物研究法》［5］。

脲酶测定根据酶促尿素分解成氨、二氧化碳和水，测定产生的NH3或CO2的量，以表示脲酶的活性。转化酶活性测定方法为3，5－二硝基水杨酸比色法，该方法以蔗糖为基质，根据葡萄糖与3，5－二硝基水杨酸反应生成的黄色产物，来确定土壤蔗糖酶活性，以上2种酶活性测定方法参照姚槐应等编著的《土壤微生物生态学及其实验技术》［6］。

2.4 数据统计与分析的方法

采用Excel作图，DPS软件处理试验数据。单因素方差分析，并通过最小显著差异法 (LSD)进行多重比较;处理间各性状相关性分析采用Excel软件。

3 结果与分析

3.1 土壤理化性质分析

不同的土地利用方式对土壤产生的影响是不同的，其中最为重要的莫过于土壤结构与质地的变化。这些变化会直接或间接的影响土壤的理化与生物学指标，影响土壤的肥沃程度。不当的利用会导致土壤水分及养分的流失［7］。

3.1.1 不同土壤类型间土壤含水量、酸碱度和电导率的变化

土壤相对含水量 (RWC):不同土地利用方式会因其地表植被覆盖差异造成土壤水分时空差异［8］。方差分析表明4种土壤类型10个地点间的土壤含水量差异达到了极显著水平(如图1所示)，F值为186.42(p＜0.01)。

图1 不同生境类型下土壤含水量，酸碱度，盐浓度的变化Fig.1 The change of moisture，pH and salt concentration in different habitat types of soil

三种森林土壤 (No.1、No.2、No.3)因为受人为因素干扰极小，植被丰富，涵养水分的能力强，所以土壤水分含量最多，含水量在41%～45%;森林砍伐迹地 (No.9)和火烧迹地(No.10)地理位置处于低洼山地，水分含量适中，但由于植被缺乏，加之蒸发作用较强，水分易于散失，含水量在35% ～37%;林场绿化带 (No.7)、居民区 (No.6)和场部的车库废墟 (No.8)因为植被多为灌木、草本和空地，人为干扰因素多，所以涵养水分能力较差，土壤水分含量较少低，含水量在18% ～29%;农田土壤 (No.4、No.5)因为作物吸水作用和蒸腾作用，加之地势开阔，不易涵养水分，所以土壤水分含量最低，其中，玉米地仅为17%。

土壤酸碱性 (pH):土壤pH值直接影响土壤养分存在状态、转化和有效性［9］。方差分析表明4种土壤类型10个地点间的土壤酸碱度差异达到了极显著水平，F值为721.1(p＜0.01)。

农田土壤 (No.3、No.4)因施肥因素影响，导致土壤酸性增强，pH值稳定在4.8左右。森林土壤 (No.1、No.2、No.3)pH值稳定在5.3左右。原因是森林生态系统中，土壤中含有大量动植物遗体成分，微生物的分解作用导致土壤酸性增强。该数据与历史数据相吻合，说明森林土壤基本没有受到人为干扰。森林砍伐迹地 (No.9)pH值稳定在5.3左右，因测定样品为当年春天新采伐地，不会对土壤酸碱性产生较大影响。森林火烧迹地 (No.10)pH为6左右，介于林场绿化带和森林土壤之间。森林火烧迹地不同于森林砍伐迹地，火烧后产生余烬多为植物体中的矿物质 (如钙镁钾)，而这些元素呈碱性，会增加土壤的碱性。居民区 (No.6)、林场场部绿化带 (No.7)和场部的车库废墟 (No.8)pH值稳定在6.7～7.5之间，其中车库废墟pH值最大，达到7.5，因为居民区和车库废墟受人为影响因素较大 (比如洗涤用化学品等)，所以土壤呈弱碱性。

土壤电导率 (EC):电导率用于衡量土壤溶出液的含盐量。方差分析表明4种土壤类型10个地点的土壤盐浓度差异达到了极显著水平，F值为891.78(p＜0.01)。

场部绿化带 (No.7)的盐浓度最低，其次是森林土壤和农田土壤No.5的电导率相对较低，而森林迹地和林场场部用地相对较高，因为林场场部用地 (No.6、No.8)受人为因素影响较大所以盐浓度较高，而火烧迹地 (No.10)由于林木燃烧，矿物质回归土壤，导致土壤盐含量升高。

3.1.2 不同土壤类型间土壤全氮 (TN)与可溶性全氮 (DTN)含量的差异

土壤全氮 (TN)含量:土壤全氮指的是所有的氮储存量，但不是所有氮素都是可以被利用的，其中小部分是土壤可溶性氮，这种氮是可以被植物直接利用的。土壤全氮的测定结果可以用来估计土壤有机质含量的近似值［4］。方差分析表明4种土壤生境10个采样点间土壤全氮含量差异达到了极显著水平(如图2所示)，F值为166.5(p＜0.01)。

森林土壤是高级而复杂的生态系统，表层土壤有大量的动植物遗体，所以在10个土样中，森林土壤的全氮指标最高，在0.76～0.81 g/kg。森林迹地 (No.9、No.10)全氮含量较森林土壤少，其中，火烧迹地显著减少，因为燃烧留下的余烬中的氮素会随雨水流失，而且一部分氮素会随焚烧而变成气态形式回归大气，砍伐迹地虽然植被减少，但土壤中的腐殖质含量基本不会受到影响。林场场部用地 (No.8、No.6、No.7)鲜有植被，而且保水能力较差，加之人为清理因素使得氮素不易积累，因此总氮量较少。农田土壤 (No.4、No.5)总氮量最少，在0.26～0.28 g/kg，即使肥料会对土壤的含氮量进行补充，但是因为大豆和玉米对氮素的吸收作用很强，所以氮含量最少。

土壤可溶性全氮 (DTN)含量:方差分析表明4种土壤类型10个采样点间土壤可溶性全氮含量差异达到了极显著水平，F值为23.89(p＜0.01)。

森林迹地DTN含量最高达30.24～36.35 mg/kg。主要因为迹地植被缺乏，氮素利用能力有限。另外，森林迹地土壤透气性较强，有利于土壤微生物分解腐殖质。森林土壤和农田土壤都较低，原因可能是因为森林植被丰厚，氮素利用能力较强。农用土壤肥料中的氮素基本与农作物所需持平，所以DTN也较低。林场场部用地土壤可溶性全氮最低，其中绿化带土壤可溶性全氮不到火烧迹地的1/5，这可能是因为场部用地土壤相对贫瘠，植物只能利用一些固有的养分，从而更降低了土壤的可溶性全氮含量。

图2 不同生境类型下土壤全氮和可溶性全氮变化Fig.2 The change of TN and DTN in different habitat types soil

3.1.3 不同土壤类型间土壤全碳 (TC)和总有机碳 (TOC)含量的变化

土壤碳素状况可作为土壤生态功能的标志或控制器［10］。方差分析表明4种生境土壤10个采样点间总碳和总有机碳含量差异达到了极显著水平(如图3所示)，F值分别为48.91(p＜0.01)和36.84(p＜0.01)。并且，TC与TOC有很强相关性 (0.97)(见表1)，也说明在土壤全碳量中有机碳占很大部分，同时也意味着如果一个地区的土壤有机碳的总量很高，那其总碳量亦会很高，反之亦然。

森林土壤总碳量最高 (55～59 g/kg)，由于微生物的分解作用，碳素回归土壤，在所有土壤样品中森林土壤的有机碳含量也最高 (37～48 g/kg)。农田土壤因农作物大豆和玉米对碳素的吸收作用，所以含量较低。林场场部用地 (No.6、No.7、No.8)因植被少，所以总碳量与有机碳量都较少。森林火烧迹地的总碳含量最低，有机碳含量最少，这是因为森林经过焚烧，大部分碳素会以二氧化碳的形式回归大气，这也是TC和TN的不同之处。

图3 不同生境类型下土壤全碳和有机碳的变化Fig.3 The change of total carbon and organic carbon in different habitat types of soil

3.1.4 不同土壤类型间土壤可溶性碳素含量分析

可溶性总碳 (DTC)指的是土壤中可溶性碳的总量，可溶性有机碳 (DOC)是植物所能利用的碳素的形式［10］。方差分析表明4种土壤类型10个采样点的可溶性总碳和可溶性有机碳含量的差异达到了极显著水平 (如图4所示)，F值为9.83(p＜0.01)和10.01(p＜0.01)。而且，土壤样品间的DTC和DOC相关性很强 (r=0.98)。

森林土壤的DTC(354.67～364.67 mg/kg)和DOC(354.57～364.67 mg/kg)均为最高，而且在不同采样点间基本相同，之后从大到小分别为场部废弃车场，场部绿化带，森林迹地，居民区，最低为农田土壤。森林土壤有大量腐殖质，经过微生物分解，DTC和DOC含量很多。经过长期耕作，农田的可溶性碳含量会显著减少。居民区的DTC和DOC含量相对较多的原因可能是生活垃圾或牲畜的粪便造成的。

可溶性无机碳含量 (DIC)在人为干扰较严重的区域如场部用地 (No.6、No.7、No.8)和火烧迹地 (No.10)中很高，可能由于人为排放的废物以及林地火烧剩余物进入土壤造成的。

图4 不同生境类型下土壤DTC，DOC和DIC的变化Fig.4 The change of DTC，DOC and DIC in different habitat types of soil

3.2 土壤酶学特性分析

土壤酶活性相较于土壤理化性质，可以更好更敏感的体现土壤性质的变化［11］。森林土壤酶主要来源于土壤微生物的活动、以及植物根系的分泌物和动植物残体降解过程，由于土壤酶介导了各种各样的土壤反应，所以土壤酶活性是评测土壤质量的重要指标［12－14］。

3.2.1 不同土壤类型间土壤过氧化氢酶、多酚氧化酶和脲酶活性差异

过氧化氢酶:土壤过氧化氢酶的活性与土壤呼吸作用和微生物分解作用有关［15］。方差分析表明4种土壤类型的10个采样点间的土壤过氧化氢酶活性差异达到了极显著水平 (如图5所示)，F值为119.54(p＜0.01)。其中森林土壤 (No.1、No.2、No.3)酶活性最高，在0.287 3～0.290 8 mL/g;其次是森林迹地 (No.9、No.10)，在0.280 1～0.281 6 mL/g;其三是林场场部用地(No.6、No.7、No.8)，在 0.269 7～0.278 3 mL/g;最低的是农田耕地 (No.4、No.5)，在0.256 0～0.258 5 mL/g。原因可能是森林的腐殖质层很厚，迹地植被稍少，林场场部用地虽然动植物遗体少，但是人为遗弃物很多，而农田则因为土壤鲜有残枝断叶，所以过氧化氢酶含量最少。

多酚氧化酶:方差分析表明4种土壤类型的10个采样点间的土壤多酚氧化酶活性差异达到了极显著水平 (如图5所示)，F值为29.49(p＜0.01)。土壤的多酚氧化酶活性森林土壤最低(0.092 8～0.125 5 mg/g·h－1)，其次是农田土壤(0.118 7～0.151 1 mg/g·h－1)，再次是森林迹地(0.190 9～0.203 6 mg/g·h－1)，含量最多的是林场场部用地 (0.250 8～0.543 7 mg/g·h－1)。

脲酶:土壤脲酶可以将尿素进一步分解为土壤生物可利用的营养物质［16－18］，脲酶能促进土壤碳氮的转化，在土壤碳氮循环中起着重要作用。方差分析表明4种土壤类型的10个采样点间脲酶活性差异达到了极显著水平 (如图5所示)，F值为1 286.66(p＜0.01)。森林土壤脲酶活性最高，在0.584 3～0.646 3 mg/g;森林迹地次之，在0.514 0～0.535 1 mg/g;居民用地再次之，在0.267 3～0.407 4 mg/g;农耕土壤活性最低，在0.115 8～0.131 8 mg/g。原因是森林土壤的腐殖质层很丰厚，微生物快速繁殖，产生大量脲酶，加速碳氮循环。森林迹地因植被的减少，会对土壤腐殖质含量的积累有一定影响，而林场场部用地鲜有植被，枯枝落叶很少，不易于土壤微生物的繁殖，所以脲酶活性很低。而脲酶含量最低的农耕田，可能是因为农作物对土壤养分的吸收，土壤的有机质含量大量减少，不易于微生物的繁殖和脲酶的产生。

图5 不同生境类型下土壤过氧化氢酶，多酚氧化酶和脲酶的变化Fig.5 The change of catalase，polyphenol oxidase and urease in different habitat types of soil

3.2.2 不同土壤类型间过氧化物酶和转化酶活性差异

本研究表明帽耳山林区的土壤过氧化物酶和转化酶活性远远高于土壤过氧化氢酶、多酚氧化酶和脲酶活性，而且转化酶活性是过氧化物酶活性的数倍 (如图6所示)。

土壤过氧化物酶:方差分析表明4种土壤类型的10个采样点的过氧化物酶活性差异达到了极显著水平，F值为16.97(p＜0.01)。其中场部居民用地和绿化带过氧化物酶活性最高，森林迹地最低，森林土壤居中，但大豆与玉米种植土壤的过氧化物酶活性存在较大差异，大豆地显著高于玉米地，可能的原因是大豆根系共生的固氮菌的生物代谢的结果。

土壤转化酶:转化酶能酶促蔗糖水解成植物和土壤微生物能利用的葡萄糖和果糖。土壤转化酶活性与微生物的数量及其活动呈正相关［5］。方差分析表明4种土壤类型的10个采样点的转化酶活性差异达到了极显著水平，F值为14.07(p＜0.01)。森林土壤、森林迹地、居民用地的转化酶活性显著高于农耕用地，由此可见，长期的农耕操作会一定程度改变土壤的质量和肥力。

图6 不同生境类型下土壤过氧化物酶和转化酶活性的变化Fig.6 The change of peroxidase and invertase in different habitat types of soil

3.3 土壤酶学性质与土壤理化性质的相关性

相关分析表明不同土壤类型地点间土壤含水量与土壤全氮和土壤碳含量各指标间，土壤全氮与土壤碳素含量各指标间、以及土壤碳素各指标间均存在显著和极显著正相关，相关系数在0.719～0.977，土壤可溶性无机碳含量除外。但土壤可溶性无机碳与土壤pH值间存在极显著的正相关 (见表1)。

由土壤酶与土壤理化指标的相关性分析可知(见表2):土壤脲酶和过氧化氢酶与土壤含水量、土壤全氮以及4种土壤碳素含量呈显著和极显著的正相关，相关系数在在0.68～0.99之间，这种相关关系可以明显的反映土壤质量;土壤的多酚氧化酶活性与土壤pH和土壤可溶性无机碳含量成显著正相关，相关系数均在0.9左右，也就是说土壤pH值和可溶性无机碳含量高，其多酚氧化酶活性高，该研究与参考文献 ［19］的研究结果相吻合，即土壤多酚氧化酶活性在相对高的土壤pH值时活性高。土壤转化酶活性与土壤可溶性碳素含量也存在明显的正相关，即土壤可溶性碳素含量对提高其转化酶活性有明显的促进作用;土壤过氧化物酶与与土壤可溶性全氮含量呈显著的负相关。

表1 不同土壤类型间土壤理化性质之间的相关性Tab.2 Correlation between soil physical and chemical properties of the different soil types

表2 土壤酶与土壤物理化性质之间的相关性Tab.2 Correlation between soil enzymes and soil physical and chemical properties

4 结论

土壤的不当利用会导致土壤结构的变化，使土壤失去保持水分和养分的能力。通过土壤理化性质10项数据相关性分析所得结果可以清晰看出不同土壤类型间土壤理化性质差异显著，从土壤理化性质角度来评价土壤质量从高到低依次为:森林土壤，迹地，林场场部用地，农田用地。

森林植被丰厚，保持水土的能力强，腐殖质层丰富，所以总氮总碳含量最高，可溶性C和N经过雨水淋刷进入土壤;森林迹地由于焚烧，总的C和N量相对减少，但可溶性C和N随余烬进入土壤;林场场部用地由于人为干扰严重，植被少，腐殖质层薄，锁水能力差，但可能因为家畜家禽的影响使得可溶性有机碳含量得到增加。农田虽然有肥料的补充，但是农作物对土壤肥力的消耗很大，经过几番耕作，土地肥力显著降低。综上所述，不同土地利用方式对土壤理化性质和土壤酶活性产生了显著影响。

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