冰雪灾害对粤北杉木林土壤养分状况和酶活性的影响

李　洁　周彤彤　侯晓丽　薛　立

（华南农业大学林学院与风景园林学院，广东广州510642）

冰雪灾害对粤北杉木林土壤养分状况和酶活性的影响

李洁周彤彤侯晓丽薛立

（华南农业大学林学院与风景园林学院，广东广州510642）

2008年1—2月，雨雪冰冻天气袭击广东粤北地区，造成大面积的杉木林被破坏。为了给杉木林的恢复提供科学依据，研究了冰雪灾害对杉木林地土壤特性的影响。结果表明：2008—2011年，受灾杉木林地上层土壤有机质、全氮、碱解N，上、下层土壤速效磷随时间推移均呈现上升-下降-上升的变化趋势；上、下层土壤全磷则为先升后降；下层土壤有机质、全氮，上、下层土壤全钾和速效钾为先降后升；下层土壤碱解N持续上升。上、下层土壤脲酶和过氧化氢酶活性为先降后升，上、下层土壤磷酸酶活性为先降后升，然后小幅变化。总体来说冰雪灾害对土壤养分状况和酶活性产生了显著影响。

冰雪灾害；杉木；土壤养分；酶活性

冰雪灾害是一种重要的自然干扰因子，严重破坏森林［1］。我国冰雪灾害多发生在东北、西北地区，而在2008年1—2月，我国南方地区却暴发了长时间和大范围的冰雪灾害，19个省区的森林受灾，面积达1 860万hm2，占全国森林总面积的1/10［2］。国内外众多学者从多方面研究了冰雪灾害对森林的影响，包括冰雪灾害对不同森林的损害程度［3-7］，冰雪灾害引起的林冠残体和土壤的变化［8-12］，以及森林生物群落［13-15］等方面。

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我国特有的速生优良用材树种，在我国木材生产中占有举足轻重的地位［16-17］，广泛分布于我国南方17个省区。广东省粤北的杉木林在此次冰雪灾害中许多林木折干，林内积蓄了大量林冠残体，造成林下光照、温度、湿度的剧烈变化，直接影响林下的土壤理化性质和酶活性。进行冰雪灾害对杉木林土壤影响的研究，可以为杉木林生态系统的恢复提供参考。

1　研究区概况

研究区地处广东省最北部的乐昌市乐昌林场，属中亚热带季风气候区，年平均降水量2 522.3 mm，年平均蒸发量1 417.9 mm，年平均温度19.6℃，7月平均气温28.2℃，1月平均气温9.3℃，土壤为花岗岩发育而成的中厚腐殖质层厚土层山地黄红壤。

试验林地处西南坡，坡度约30°，海拔约为700 m。林下植被主要为楼梯草 （Elatostema involucratum）和狗脊 （Cibotium barometz），盖度分别占林地面积的15%～20%和10%～15%。杉木人工林全部折干，残干的平均胸径为17.99 cm，平均树高为12.69 m，密度1 667株/hm2。

2　研究方法

2008年3月在冰雪灾害后的杉木林内建立3个面积为20 m×20 m的固定标准地。2008—2011年的每年3月，于标准地内采用5点取样法按上、下2层（0～20 cm和20～40 cm）分别取土样，混合成上、下层样品，带回实验室进行土壤化学性质和土壤酶活性分析。

将水土以2.5∶1.0混合后用电位法测定土壤PH，用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质，半微量凯氏法测定全N。用氢氧化钠碱熔法将土壤样品溶融后提取待测液，用钼蓝比色法测定全P，火焰光度计法测定全K。用碱解-扩散法对碱解N、碳酸氢钠法对速效P以及乙酸铵-火焰光度法对速效K进行测定［18］。脲酶采用比色法测定，酶活性以37℃下培养24 h后1 kg土释放的NH3-N的质量表示；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，酶活性以37℃下培养2 h后100 g土消耗P2O5的质量表示；过氧化氢酶活性采用 0.1 mo1/L KMnO4滴定法测定，酶活性以常温条件培养1 h后1 g土消耗0.1 mo1/L KMnO4的体积表示［19］。每个样品做3次重复测定，结果取重复测定的算术平均值。

测定数据用Microsoft Exce1 2003作图，采用SAS 8.1软件进行多重比较。

3　结果与分析

3.1不同土层土壤化学性质

不同土层土壤化学性质测定结果见图1。由图1可知，2008—2011年测得上层土壤PH为4.54～4.98，下层土壤PH为4.53～4.88，均属强酸性土壤，且随时间推移土壤PH呈现先下降后升高（P＜0.05）的趋势。上层土壤有机质含量随时间推移呈现升-降-升的趋势，下层土壤则为先升后降。上下层土壤全N含量与上层土壤有机质的变化趋势相同。2008—2011年上下层土壤全P含量均为先升高后降低。上下层土壤全K含量为先降后升。上层土壤碱解N含量呈现升-降-升的趋势，下层土壤碱解N含量持续升高。上下层土壤速效P含量呈现升-降-升的趋势，各年度下层土壤速效P含量均低于上层。上下层土壤速效K含量均为先降后升，各年下层土壤PH、有机质、全N、全P、全K、碱解N、速效P和速效K均低于上层。

3.2不同土层土壤微酶活性

不同土层土壤微酶活性测定结果见图2。由图2可知，2008—2011年上下层土壤脲酶活性均为先降后升，上层土壤磷酸酶活性呈现降-升-稳定的趋势，下层土壤磷酸酶活性呈现降-升-降的趋势，上下层土壤过氧化氢酶活性则均为先降后升，各年份下层土壤脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性均低于上层。

图1　2008—2011年不同土层土壤化学性质Fig.1　Soi1 chemica1 ProPerties of different soi1 horizons from 2008 to 2011

图2　2008—2011年不同土层土壤微酶活性Fig.2　Soi1 enzyme activities of different soi1 1ayers from 2008 to 2011

4　讨　论

4.1土壤化学性质的变化

本研究中，土壤PH随时间推移表现为先降后升，2009年杉木林地上层土壤PH较2008年无显著变化，而下层土壤酸性则有所增强。这是因为杉木受害后整个林分的郁闭度减小，从而使林地的光照增加，水、热、气等条件发生变化，地表温度升高，凋落物及一些非正常凋落物加速分解，从而产生大量的酸性物质，使得土壤PH降低，酸性增强。另一方面，随着大量杂草的侵入，灰分元素不断增加，使上层的酸度降低，土壤PH有所回升，直至恢复到冰雪灾害初期的状态［20］。另外，土壤上层的PH高于下层，原因是华南地区多雨，雨水淋洗会造成氢离子向下层迁移，可能导致其PH的降低。2010年与2009年相比，上下层酸度均有所增强。这是由于杉木林下灌草层物种增多，使得地表层凋落物储量增多，而阳光辐射会通过改变微生物群落组成、细胞外发酵活动和凋落物的性状来影响凋落物的分解［21］，从而导致产生的酸性物质增多，土壤PH降低，酸性进一步增强。2011年与2010年相比，上下层酸度均有所降低，可能是由于折干残体的数量降低，而新增加的凋落物数量有限，产生的酸性物质比2010年有所下降造成的。

2008—2009年，上层土壤有机质含量有所增加，而下层则有所下降，主要由于杉木林受灾后的恢复期内，水、热条件都有利于凋落物层和大量非凋落物的分解及有机质的矿化作用，使得上层的有机质含量表现为显著增加［22］。2009—2010年，上下层土壤的有机质含量都表现为下降，2011年又表现为增加，这是因为林下灌草层物种增多，对有机质含量的需求增大，后来又形成了凋落物归还土壤，造成有机质含量先降后升。

2008—2009年，不同土层土壤全氮变化和有机质含量变化的规律相似，因为几乎所有的土壤氮都储存于有机质中［23］，这与 Xue et a1.［24］的研究结果相同。2009年上层土壤的碱解氮含量为2008年的2.1倍。这是因为雪灾后林冠减少增强了光照，林冠残体有利于储存水分，改善了土壤的水、热条件，有利于土壤微生物的活动，提高了土壤和凋落物层中有机质的矿化能力，使得表层土壤的碱解氮含量显著升高。另外，由于雨水的作用，氮由表层向下层迁移，导致下层碱解氮含量逐年增加。

2009年不同土层土壤全P和速效P含量均有所增加，说明凋落物释放出的P对土壤P含量的增加有重要作用。另一方面，枯落叶尤其是因冰雪灾害凋落的鲜叶分解速度快于正常凋落叶，加快了P转移到土壤的速度［25］，这也是冰雪灾害后导致土壤P有效性增加的原因。之后上、下层土壤的全P、速效P有所减少，这可能是由于2009年林下植物生长加速和微生物增加等消耗了大量的P所致。

全K、速效K含量均随时间推移先降低后升高，可能是凋落物分解初期的钾元素受淋溶流失的影响较强所致［26］。随着时间推移，凋落物和土壤释放的K与淋溶流失的钾数量达到平衡，全K和速效K含量趋于稳定。

2008—2010年，土壤上层的有机质、N、P和K含量均高于下层。冰雪灾害后森林土壤的表层温度增高，凋落物分解较快，有机质和养分积累于土壤表层［27］，并在雨水淋溶时向土壤下层迁移的过程中不断减少。另外表层土壤风化强度大，释放的速效养分较下层多。

4.2土壤酶活性的变化

土壤酶参与有机物质的分解和腐殖质的形成，它对土壤形成、土壤肥力状况起着重要作用，其活性是表征土壤生物学特性的重要指标之一，并随土壤环境的改变而变化［28］。一般认为，脲酶和磷酸酶的活性能够表征土壤碳、氮、磷等养分的循环状况［29］。脲酶是一种酰胺酶，能酶促酰胺态有机氮化物水解转化为植物可以直接吸收利用的无机氮化物［30］，在一定程度上反映了土壤的供氮能力［31］。磷酸酶可加速土壤有机磷的分解速度，提高土壤磷素的有效性［32-33］。因此，磷酸酶活性的高低直接影响着土壤有机磷的分解转化［34］，是土壤磷素生物转化方向的重要指标。过氧化氢酶的活性和土壤有机质的转化有关，有利于土壤肥力的提高。本研究中，杉木林地上下层土壤脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性均为先降后升，最后恢复到冰雪灾害初期的水平甚至更高，表明其有机N的分解活跃，供P能力强，碳素循环快和土壤腐殖质合成能力较高。土壤酶活性与土壤有机质含量和微生物数量密切相关，微生物数量减少造成了脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性下降［35］。林冠折损引起了林木光合作用下降，供给根系的有机物质减少，影响了其生长发育，同时林地光照增强，温度变化剧烈，不利于微生物的生存，造成2009年3种酶活性下降。此后酶活性趋于提高，可能与林冠逐渐郁闭、植物恢复生长加快而增加了根系分泌物及微生物的日趋活跃有关。由于土壤有机质和养分的变化滞后于土壤酶，其含量2010年才开始增加，此后将不断改善土壤肥力。

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（责任编辑赵粉侠）

ImPact of Ice-Snow Damage on Soi1 Nutrient and Enzyme in a Cunninghamia lanceolata Wood1and in Northern Guangdong Province，China

Li Jie，Zhou Tongtong，Hou Xiao1i，Xue Li

（Co11ege of Forestry and LandscaPe Architecture，South China Agricu1tura1 University，Guangzhou Guangdong 510642，China）

A severe ice storm damaged forests across northern area of Guangdong Province from January to February 2008，and resu1ted in extensive and severe damage of Cunninghamia lanceolata forests.This PaPer studied effect of ice-snow damage on soi1 characteristics in a C.lanceolata stand in the north of Guangdong Province，to Provide a scientific basis for recovery of C.lanceolata stands suffering from ice storm damage.From 2008 to 2011，the contents of organic matter，tota1 N and a1kahi-hydro1yzab1e N of the uPPer soi1 1ayer and avai1ab1e P of the uPPer and 1ower soi1 1ayers increased fo11owed by a decrease and then increased，whereas content of tota1 P of the two soi1 1ayers increased and then decreased.The contents of organic matter，tota1 N of 1ower soi1 1ayer and tota1 K and avai1ab1e K of the two soi1 1ayers decreased fo11owed by an increase，and a1kahi-hydro1yzab1e N of 1ower soi1 1ayer continuous1y increased.Activities of urease and cata1ase decreased，and then increased in uPPer and 1ower soi1 1ayers.PhosPhatase activity decreased fo11owed by an increase and then s1ight1y changed in the uPPer and 1ower soi1 1ayers.Our resu1ts suggest that ice storm can 1ead to significant changes in soi1 nutrient and enzyme activity.

ice-snow damage，Cunninghamia lanceolata，soi1 nutrient，enzyme activity

S714.5

A

2095-1914（2016）04-0036-06

10.11929/j.issn.2095-1914.2016.04.006

2015-12-30

中央财政林业科技推广示范项目（2015-GDTK-07）资助。
第1作者：李洁（1992—），女，硕士生。研究方向：风景园林和植物生理。Emai1：houis_56028923@qq.com。

薛立 （1958—），男，博士，教授。研究方向：森林培育和生态学。Emai1：forxue@scau.edu.cn。