黄土沟壑区植被恢复中土壤生物学特性的响应及其评价

中国农学通报2010,26(15):323-327ChineseAgriculturalScienceBulletin0引言黄土高原是中国严重的水土流失地区之一，也是退耕还林还草工程建设的重点区域。植被恢复重建是该区水土保持和生态环境建设的重要措施。植被恢复能有效保持水土、减少土壤侵蚀，改善生态环境，通过植被与土壤双重生态系统的交互作用，可改善土壤生基金项目：国家自然科学基金（30971695）；农业部作物需水与调控重点开放实验室开放课题资助（CWRR200906）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（0032010043）。第一作者简介：张笑培，女，1978年出生，河北藁城人，助理研究员，博士，主要从事资源与环境生态研究。E-mail:[e-mail]。通讯作者：杨改河，男，1957年出生，教授，陕西耀县人，主要从事资源与环境生态研究。E-mail:[e-mail]。收稿日期：2010-01-18，修回日期：2010-04-09。黄土沟壑区植被恢复中土壤生物学特性的响应及其评价张笑培1，杨改河2,3，王和洲1，宗洁1，杨慎骄1（1中国农科院农田灌溉研究所，河南新乡453003；2西北农林科技大学农学院，陕西杨凌712100；3陕西省循环农业工程技术中心，陕西杨凌712100）摘要：为了解不同植被恢复类型对土壤生物学特性的影响，以农地为对照，通过对侧柏天然次生林、不同林龄刺槐人工林、荆条灌丛和苜蓿草地6种不同植被恢复类型土壤生物学特性的探索研究。结果表明，与对照相比，不同的植被恢复类型土壤生物学特性均有明显增强，土壤微生物量及土壤酶活性显著提高。采用土壤微生物量碳、氮、磷和尿酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶7项指标计算该区域土壤生物学特性，进行土壤生物学特性等量评价。不同植被恢复模式土壤生物学特性的大小顺序为：30年刺槐、20年刺槐、侧柏、荆条、5年刺槐、苜蓿、农地。该区采用刺槐恢复模式效果较优于苜蓿及荆条、侧柏模式。关键词：黄土沟壑区；土壤生物学性质；植被恢复；评价中图分类号：S154.2文献标志码：A论文编号：2010-0181SoilBiologicalCharacterandAssessmentofDifferentVegetationRestorationintheGullyRegionofLoessPlateauZhangXiaopei1,YangGaihe2,3,WangHezhou1,ZongJie1,YangShenjiao1（1FarmlandIrrigationResearchInstitute,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,XinxiangHenan453003;2CollegeofAgronomy,NorthwestSci-TechUniversityofAgricultureandForestry;YanglingShaanxi712100;3TheResearchCenterofRecycleAgriculturalEngineeringandTechnologyofShaanxiProvince,YanglingShaanxi712100)Abstract:Thefarmlandwastakenascontrol,thesoilbiologicalcharacterofsixvegetationrestorationtypessuchasPlatycladusorientalis(B),Vitexnegundo(J),30-yearRobiniapseudoacacia(C30),20-yearRobiniapseudoacacia(C20),5-yearRobiniapseudoacacia(C5),MedicagosativaL(M)werestudied.Theresultsshowedthatthesoilbiologicalcharacterwasimprovedobviouslycomparedtofarmland.Themicrobialbiomassandenzymeactivitiesincreasedapparentlycomparedwiththefarmland.ThesoilmicrobialbiomassC,N,P,andtheactivityofsoilcatalase,alkalinephosphatase,ureasesandinvertasewereusedtoevaluatethesoilmicrobialcharactersquantitatively.Theorderofsoilmicrobialcharacterswithdifferentvegetationrestorationmodelswas:30-yearRobiniapseudoacacia,Platycladusorientalis,20-yearRobiniapseudoacacia,Vitexnegundovar.heterophylla,5-yearRobiniapseudoacacia,MedicagosativaL.Inaword,thesoilmicrobialcharacterofRobiniapseudoacaciaisbetterthanothervegetationrestorationinLoesshillyarea,andwiththetimelonger,thesoilmicrobialcharacterisbetter.Keywords:thegullyregionofLoessPlateau;soilbiologicalcharacter;vegetationrestoration;assessment中国农学通报物学特性，提高土壤质量。土壤微生物直接参与土壤养分循环及有机质分解等诸多生态过程，是生态系统物质和能量循环的驱动力，对外界的胁迫比动植物反映敏感[3]，不同土地利用方式会对土壤微生物群落的结构和功能产生显著影响[1]。土壤微生物量反映微生物群落的状态和功能，可作为生态学指标反映人类活动的影响[2]。土壤酶在土壤物质循环和能量转化过程中起着重要作用，反映土壤生产力、微生物活性的潜力和土壤营养循环过程的速率，能够预报土壤利用和生物变化[3-4]。土壤微生物量、酶活性被认为是土壤生物学特性的重要指标，反映植被恢复中土壤质量改善的效果[5-7]，而目前关于退耕还林还草工程对土壤生物学特性影响的研究相对较少。以退耕还林还草为背景，对黄土高原丘陵沟壑区小流域内不同植被恢复条件下土壤微生物量及酶活性进行系统研究，旨在揭示植被恢复与重建对改善土壤生态环境的作用机制，为黄土高原生态环境建设及科学评价退耕还林的生态效应提供理论依据。1试验设计与方法1.1试验区概况样地位于渭北黄土高原沟壑区千阳县冉家沟((34°37ˊN，107°04ˊE)，海拔710~1545.5m。年均气温10.8℃，≥10℃活动积温3477.9℃，年均日照时数2092.7h，多年平均无霜期197天，多年平均降水量653mm，降水大多集中在7~9月，占全年降水量54%。多年平均蒸发量为1203.4mm，相当于自然降水量的1.84倍。流域为典型的黄土高原丘陵沟壑地貌。主要植被类型天然林侧柏(Platycladusorientalis)、荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)、人工林草以刺槐林（Robiniapseudoacacia）、苜蓿(MedicagosativaL)为主，农地有玉米和小麦。为把造成土壤生物学特性空间异质性的因子最小化，样地均选择在同一沟道的阳坡上，样地的坡度坡位大致相似（10°~25°）。选择不同的植被恢复模式：天然次生林侧柏、荆条、30年刺槐、20年刺槐、5年刺槐，4年苜蓿，以农地玉米为对照。植被类型侧柏荆条30年刺槐20年刺槐5年刺槐苜蓿农地编号BJC30C20C5MF退耕年限/年－－3020540海拔94494611521005995960922坡度25°25°2815°15°15°10°乔灌木高度/m5.51.315.78.76.2－－郁闭度0.900.800.850.750.650.880.80表1样地基本特征1.2材料与方法2007年5月下旬，样地按S形多点取样，取样深度0~10cm，将土样混匀作为处理的代表性分析样品。采集后装入聚乙烯塑料袋，并迅速带回实验室于4℃保存，供土壤微生物量及酶活性测定。土壤微生物量用氯仿熏蒸法测定[8]。熏蒸后用硫酸钾浸提，用全自动有机碳分析仪测定微生物量碳（Cmic），用全自动定氮仪测定微生物量氮（Nmic），用钼锑抗比色法测定微生物量磷（Pmic）。脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶活性分别用苯酚钠比色法、高锰酸钾滴定法、硫代硫酸钠滴定法、对硝基苯磷酸钠法测定[9-11]。2结果与分析土壤生物学特性主要是指土壤中微生物及酶活性，是影响土壤质量的重要因子，由于其受到土壤、植被、人为等多个因素的共同影响，是一个十分复杂的问题。截止目前尚未见到普遍使用的评价指标体系的报道。植被恢复重建过程中，随着枯枝落叶及植物根系腐烂残体的增加，不断提高土壤中的有机质含量，同时也优化了土壤结构状况，土壤生物学特性也得到改善。2.1不同植被恢复类型土壤微生物量的影响生物学中将生活在土壤中体积小于5×103μm3、具有生命活性特征的有机物质总量统称为土壤微生物量，其影响土壤物质循环和能量流动，能够指示土壤微生物群落的大小，可以作为生态学指标反映人类活动对生态系统干扰的程度[12]。从图1可以看出，农地微生物量碳、氮、磷含量最低，分别为163.2mg/kg、23.36mg/kg、6.32mg/kg。不同植被恢复土壤微生物量均比对照农地显著增加，微生物量碳、氮、磷的增幅分别为254.78%~35.72%，112.67%~6.8%和115.03%~5.3%。不同植被恢复模式B、J、C30、C20、C5、M微生物量碳分别是对照农地的2.21··324张笑培等：黄土沟壑区植被恢复中土壤生物学特性的响应及其评价倍、2.09倍、3.55倍、3.57倍、1.85倍、1.36倍；微生物量氮分别是对照农地的1.18倍、1.58倍、2.13倍、2.14倍、1.49倍、1.18倍；微生物量磷分别是对照农地的1.10倍、0.95倍、2.15倍、2.17倍、1.28倍、1.16倍。土壤微生物是土壤中有生命的成分，对土壤中环境的各种变化极为敏感，能反映土壤生态环境的变化。黄土高原沟壑区农地由于耕作、施肥等人为措施影响，经营强度大，有机质矿化加剧，导致微生物量降低。退耕后植被得到恢复，有机物质输入增多，提供了微生物需要的C源、N源，因而微生物量增多。由于不同植被恢复模式输入的有机物质不同，造成不同植被恢复模式下土壤微生物种类和数量的差异，导致植被恢复重建过程中土壤生物学特性存在一定差异。2.2不同植被恢复类型土壤酶活性土壤酶是由活体或死亡的土壤微生物和植物根系产生的，对土壤物质转化和能量转化过程起主要作用。通过土壤酶对进入土壤的多种有机物质的转化，可使生态系统的各组分在功能上产生联系，最终保持土壤生物化学性质的相对稳定性[11]。尿酶活性代表土壤氮素情况，从图2可以看出，农地酶活性最低，尿酶活性为1.68mg/g，过氧化氢酶为5.48mL/g，碱性磷酸酶活性为113.92mg/g，蔗糖酶活性为1.76mL/g。采用植被恢复重建措施后，由于植被覆盖，根系、腐烂根系及枯枝落叶等的作用，土壤中有机质含量增加，土壤中的酶活性增强，不同植被恢复模式中B、J、C30、C20、C5、M的尿酶活性分别是对照农地的2.35倍、2.4倍、3.29倍、2.57倍、1.23倍、1.39倍；过氧化氢酶能破坏土壤生化反应中生成的过氧化氢，减轻对植物的危害。随着退耕年限的增加过氧化氢酶活性逐渐增强，不同植被恢复模式中B、J、C30、C20、C5、M过