全 文 ：植物生态学报 2011, 35 (10): 1050–1060 doi: 10.3724/SP.J.1258.2011.01050
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2011-02-21 接受日期Accepted: 2011-04-16
* 通讯作者Author for correspondence (E-mail: jhxue@njfu.com.cn)
喀斯特石漠化山地不同类型人工林土壤的基本性
质和综合评价
刘成刚 薛建辉*
南京林业大学江苏省林业生态工程重点实验室, 南京 210037
摘 要 以贵州喀斯特石漠化山地退耕还林工程区的刺槐(Robinia pseudoacacia)人工林(RP)、千香柏(Cupressus duclouxiana)
人工林(CD)、刺槐千香柏混交林(RD)及未造林地(CK)为研究对象, 探讨了土壤物理、化学性质和土壤酶活性的动态变化, 并
对不同恢复类型的土壤质量进行了综合评价。结果显示: 1)各类型人工林的土壤物理特性明显优于未造林地。2)在RP、CD、
RD及CK下, 土壤养分和pH值存在显著差异, 且速效养分在不同月份差异明显(p < 0.01)。3) RP、CD、RD及CK下的土壤脲酶
的最大活性出现在9月, 最小活性出现于1月; 不同类型的人工林及CK下土壤蔗糖酶的活性存在显著差异(p < 0.01); 土壤过
氧化氢酶的活性在一年的测定期内的变化趋势一致, 呈单峰型分布, 而碱性磷酸酶的活性却出现了两次峰值和一次谷值; 土
壤多酚氧化酶的最小活性均出现在1月, RP在整个研究期间多酚氧化酶的活性最小。RP、CD、RD及CK下, 土壤脲酶、蔗糖
酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶和多酚氧化酶5种酶的活性在整个研究期间的平均值排序不同。4)土壤质量综合评价的结果表
明, 土壤质量综合评价指数值(SQI)的大小排序为: RP (0.748) ＞ RD (0.590) ＞ CD (0.406) ＞ CK (0.315)。结果表明, 退耕
还林后土壤质量得到较明显的改善, 其中刺槐纯林和混交林的效果较好。
关键词 综合评价, 喀斯特, 人工林, 石漠化山地, 土壤酶活性
Basic soil properties and comprehensive evaluation in different plantations in rocky desertifi-
cation sites of the karst region of Guizhou Province, China
LIU Cheng-Gang and XUE Jian-Hui*
Jiangsu Key Laboratory of Forestry Ecological Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China
Abstract
Aims Soil quality plays an essential role in vegetation restoration in the karst soil ecosystem. Many studies have
reported soil quality of different plantations and vegetation successional stages in karst regions, but few have
focused on the seasonal dynamics of basic soil properties. Our objectives were to investigate annual dynamics of
basic soil properties of different types of plantations and evaluate soil integrated quality index (SQI).
Methods We analyzed the dynamics of soil physical and chemical properties and soil enzyme activities for four
sites in Puding County, Guizhou Province, China: Robinia pseudoacacia plantation (RP), Cupressus duclouxiana
plantation (CD), R. pseudoacacia-C. duclouxiana mixed plantation (RD) and a non-plantation area (CK). Soil
samples were collected in alternate months from September 2009 to September 2010. Soil factors were measured
using general methods, and data were analyzed using SPSS 13.0 software.
Important findings Soil physical properties of all three plantations had an advantage over the non-plantation
area and were slightly improved within one year. There were significant differences in soil nutrients and soil pH
among the four sites (p < 0.01). Soil urease activity in all sites was highest in September and lowest in January.
Soil invertase activities were remarkably different among the four sites (p < 0.01). Soil catalase activity exhibited
a unimodal peak, and alkaline phosphatase activity had a bimodal peak. Soil polyphenoloxidase activity was
lowest in January and very low in RP throughout the study. Moreover, the rank of means of five soil enzyme
activities was different among the four sites. The SQI of RP, CD, RD and CK was 0.748, 0.406, 0.590 and 0.315,
respectively. In general, all three types of plantations, but especially RP and RD, could improve soil quality after
conversion of farmland to forest.
Key words comprehensive evaluation, karst region, plantation, rocky desertification site, soil enzyme activity
刘成刚等: 喀斯特石漠化山地不同类型人工林土壤的基本性质和综合评价 1051

doi: 10.3724/SP.J.1258.2011.01050
近年来, 由于人类不合理的资源利用方式和生
态系统自身的脆弱性, 造成森林植被破坏十分严
重, 导致喀斯特地区石漠化面积的扩展速度惊人。
据中国工程院测算, 石漠化的面积在近25年内翻了
一番(孟天友等, 2005)。在我国石漠化现象最严重的
黔、滇、桂西南三省区, 石漠化总面积约为33.6万
km2, 其中仅贵州就有13万km2 (陈祖拥等, 2009),
若不及时治理, 百年之内将有1/2土地面积石漠化
(孟天友等, 2005)。严重的石漠化导致岩溶石山地区
土壤肥力下降, 可耕地面积减少, 涵养水源能力减
弱, 引起生态环境条件恶化及植物多样性减少。贵
州省国民经济和社会发展“十二五规划”中指出, 要
“按照先急后缓、分期实施、重点突破的原则, 全面
推进石漠化综合治理”。植被恢复可有效地遏制喀
斯特地区石漠化趋势, 从根本上扭转生态环境恶化
的局面。因此, 加快喀斯特石漠化地区森林植被恢
复, 成为改善其土壤质量的有效途径(罗海波等 ,
2004; 曾馥平等, 2007)。
森林土壤理化因子和土壤酶是土壤生态系统
的重要组成部分。土壤物理性质的变化可以改变其
通气性与透水性。土壤养分的富集、空间分布和再
分配可直接影响植被生长、发育和演替等过程。土
壤酶类作为土壤中的生物活性物质, 能够促进或直
接参与土壤中一系列生化反应, 在土壤生态系统的
物质循环和能量转化中具有重要作用, 能较客观地
反映土壤质量的变化状况(Fu et al., 2004; 董莉丽和
郑粉莉, 2008; 焦燕等, 2009)。近年来, 许多学者分
别对草原、红树林、次生群落及人工林等的土壤理
化性质及酶活性动态变化进行了相关研究, 并取得
了较多成果(张银龙和林鹏, 1999; 胡延杰等, 2001;
何斌等, 2004; 岳中辉等, 2008; 范阿南等, 2009)。贵
州省作为我国石漠化最严重的地区之一, 退耕还林
已成为改善其土壤质量的主要途径之一。目前, 针
对喀斯特石漠化地区土壤质量的研究主要集中在
不同植被恢复模式及不同自然演替阶段下土壤特
性的差异分析(何跃军等, 2005; 龙健等, 2005, 2006;
吴海勇等, 2008; 周玮和周运超, 2010), 而对该地区
土壤特性的动态变化研究相对较少。本文以贵州省
普定县典型的退耕还林地不同类型人工林为研究
对象, 以退耕后未造林地作为对照, 对人工林地的
土壤理化性质及酶活性的动态变化进行了研究, 并
对其土壤质量进行了综合评价, 旨在为喀斯特石漠
化地区实施退耕还林工程中树种的选择提供理论
依据。
1 材料和方法
1.1 研究区概况
试验地位于贵州省普定县白岩镇的退耕还林
工程区。该区地理坐标为 105°27′–105°58′ E,
26°9′–26°31′ N, 海拔1 044–1 846 m, 属于亚热带季
风湿润气候。年平均气温15.1 ℃, 年平均降水量为
1 378.2 mm, 降水集中在5–9月, 占全年降水量的
75%以上, 无霜期为289天, 相对湿度79%, 适合多
种林木生长。土壤类型属于典型的石灰(岩)土, 土层
平均厚度为25 cm。2003年初退耕后, 人工栽植刺槐
(Robinia pseudoacacia)林 , 千香柏 (Cupressus du-
clouxiana)林和刺槐千香柏混交林3种人工林分类
型, 均采用1年生实生苗造林。造林后3个林分的管
理措施一致。
1.2 研究方法
(1)试验设置: 于2009年9月初, 在造林区内选
取位置相互毗邻的刺槐人工林(RP), 千香柏人工林
(CD)和刺槐千香柏混交林(RD) 3种人工林分类型,
并以未造林地作为对照(CK)。在每种类型的林地中
各设置3个15 m × 15 m的样地, 样地基本概况见表
1。在每个样地内分别进行每木检尺, 选择15株平均
样木, 以备采集土样时使用。
(2)土样采集: 在每个样地内, 分别以15株样木
为1 m × 1 m小样方的中心, 在其45°方向的4个点上
用内径5 cm的不锈钢土钻采集0–15 cm深的土壤样
品, 将其混合作为一个土样。每个样地采集15个土
样。考虑到喀斯特山地土壤异质性带来的取样误差,
将15个土样去除石块、根系和土壤动物等后充分混
匀。采样时间为2009年9月至2010年9月, 每隔1个月
采样一次。每个混合土样经自然风干、研磨后, 分
别过0.25和2.00 mm筛后供土壤化学性质测定, 过1
mm筛以供土壤酶活性测定。每个样品重复3次。同
时利用100 cm3环刀取样进行土壤物理性质测定,
取样时间为2009年9月和2010年9月。
1.3 测定方法
土壤物理性质测定: 容重采用环刀法测定; 孔
隙度及田间持水量采用环刀浸水法测定(鲁如坤,
2000)。
土壤化学性质测定: pH值测定采用水土比为
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表1 样地基本概况
Table 1 Basic situation of sampling plots
项目 Item RP CD RD CK
经度 Longitude 105°50′ E 105°48′ E 105°51′ E 105°51′ E
纬度 Latitude 26°16′ N 26°15′ N 26°17′ N 26°16′ N
海拔 Altitude (m) 1 470 1 410 1 480 1 470
坡向 Slope aspect SE SE SE SE
坡度 Slope (°) 10 18 12 13
平均树高 Average tree height (m) 3.5 2.1 6.2x/4.8y –
平均地径 Average ground diameter (cm) 4.8 2.7 8.0 x/6.4y –
林分密度 Stand density (stems·hm–2) 1 822 2 088 2 000 –
林下植被 Floor vegetation PP, CH, DA, AH, VP,
AC, PA
PP, CH, DA, AH,
VP
CA, CH, DA, UM,
AH, VP, AT, CJ, PA
PP, DA, UM, AH,
VP, LS
AC, 茵陈蒿; AH, 荩草; AT, 紫菀; CA, 积雪草; CD, 千香柏人工林; CH, 平枝栒子; CJ, 刺蓟; CK, 未造林地; DA, 野青茅: LS, 补血草; PA,
车前; PP, 草地早熟禾; RD, 刺槐千香柏混交林; RP, 刺槐人工林; UM, 滇藏荨麻; VP, 紫花地丁; x, 刺槐; y, 千香柏; –, 无数据。
AC, Artemisia capillarie; AH, Arthraxon hispidus; AT, Aster tonpolensis; CA, Centella asiatica; CD, Cupressus duclouxiana plantation; CH,
Cotoneaster horizontalis; CJ, Cirsium japonicum; CK, non-plantation area; DA, Deyeuxia arundinacea; LS, Limonium sinense; PA, Plantago asi-
atica; PP, Poa pratensis; RD, Robinia pseudoacacia-C. duclouxiana mixed plantation; RP, R. pseudoacacia plantation; UM, Urtica mairei var.
mairei; VP, Viola philippica; x, R. pseudoacacia; y, Cupressus duclouxiana; –, no data.


2.5:1.0, 酸度计测定; 有机质测定采用重铬酸钾氧
化-外加热法; 全氮测定采用半微量凯氏法; 碱解氮
测定采用碱解-扩散法; 全磷测定采用氢氧化钠碱
熔-钼锑抗比色法; 有效磷测定采用碳酸氢钠浸提-
钼锑抗比色法; 全钾测定采用氢氧化钠碱溶-火焰
光度法; 速效钾测定采用乙酸铵浸提-火焰光度法
(鲁如坤, 2000)。
土壤酶活性测定: 脲酶(urease)测定采用苯酚
钠比色法; 蔗糖酶(invertase)测定采用3, 5-二硝基水
杨酸比色法; 多酚氧化酶(polyphenoloxidase)测定
采用邻苯三酚比色法; 过氧化氢酶(catalase)测定采
用0.1 mol·L–1 KMnO4滴定法; 碱性磷酸酶(alkaline
phosphatase)测定采用磷酸苯二钠比色法(关松荫,
1986; 李振高等, 2008)。
1.4 数据处理
首先采用SPSS 13.0 统计软件对数据进行残差
正态性和方差齐性检验, 满足条件后, 再对不同类
型的人工林进行Duncan多重比较分析, 然后进行t
检验(p < 0.01)。
2 结果和分析
2.1 土壤物理性质变化
不同类型的人工林对土壤物理性质产生了一
定的影响。由表2可知, 造林7年后, 林地土壤容重、
孔隙度及田间持水量均得到改善, 尤其是人工刺槐
林(RP)的土壤容重较未造林地下降了35.6%, 土壤
总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、非毛管孔
隙度/毛管孔隙度(NCP/CP)及田间持水量分别提高
了19.2%、5.2%、14.8%、75.0%和20.8%。人工千香
柏林(CD)与刺槐千香柏混交林(RD)的土壤物理性
质也得到了较好的改良, 但总体上以RP的效果较
优。一年时间内土壤物理性质也发生了细微的变
化。2010年9月与2009年9月相比, RP、CD、RD及
CK的土壤容重分别降低了0.05、0.05、0.24和0.06
g·cm–3, 总孔隙度分别提高了0.7%、2.2%、10.0%和
2.8%, 除RD的NCP/CP增加了1.9倍外, 其余类型及
CK的变化幅度较小, 田间持水量分别提高了3.8%、
2.6%、3.0%和4.2%。测定结果表明, 退耕还林后, 随
着植物根系在土壤中的延伸与扩展, 土壤结构有了
一定程度的疏松。另外, 植物根系的生理代谢活动
可增加土壤养分, 尤其是氮素的吸收, 促进土壤微
生物的活动, 从而对土壤微结构起到改善作用。
2.2 土壤化学性质的动态变化
分别于2009年9月和2010年9月对土壤全氮、全
磷及全钾进行了测定。结果表明, RP、CD、RD及
CK的全氮变幅分别为: 3.17–2.51、4.14–4.82、
3.95–4.00和2.46–4.23 g·kg–1; 全磷变幅分别为:
0.67–2.25、1.39–1.80、0.61–1.94和0.62–0.66 g·kg–1;
全钾变幅分别为: 7.06–7.04、7.96–7.98、5.74–5.80
和6.56–7.12 g·kg–1。采用平均值作图可知(图1), 土
壤pH值的变化范围为7.59–8.41, 与喀斯特森林演
替过程中pH呈现的中性偏向微碱性相似(陈祖拥等,
刘成刚等: 喀斯特石漠化山地不同类型人工林土壤的基本性质和综合评价 1053

doi: 10.3724/SP.J.1258.2011.01050
表2 不同类型人工林的土壤物理性质
Table 2 Soil physical properties of different types of plantations
CD, 千香柏人工林; CK, 未造林地; RD, 刺槐千香柏混交林; RP, 刺槐人工林。
CD, Cupressus duclouxiana plantation; CK, non-plantation area; RD, Robinia pseudoacacia-Cupressus duclouxiana mixed plantation; RP, Robinia
pseudoacacia plantation.



2009), 这反映了喀斯特石灰(岩)土壤的典型性。土
壤全氮(TN)的平均值从高到低依次为: CD > RD >
CK > RP, 全钾(TK)的最大平均值出现于CD。3种人
工林类型的全磷(TP)的平均值从高到低依次为: CD
> RP > RD, 分别是CK的2.5倍、2.3倍和2.0倍。因为
磷素在贵州喀斯特石漠化山地比较缺乏, 加之造林
一定年限后林地内的TP和有效磷含量呈先增后降
的趋势(周玮和周运超, 2010; 赵雪梅等, 2010), 所
以未造林地的磷素含量最低。
土壤有机质及速效养分对喀斯特人工林生态
系统的功能维护具有十分重要的作用, 它们不仅与
土壤的物理性质有关, 而且影响着土壤酶与土壤微
生物的活性。Duncan多重比较分析结果表明, RP、
CD、RD及CK的土壤有机质、碱解氮、有效磷及速
效钾之间存在显著差异(p < 0.01) (表3)。RP与RD的
土壤有机质呈相似的变化规律, 最大值都出现在
2009年9月; CD和CK却在2010年5月达到最大值。另
外, 4个样地的土壤碱解氮的变化规律与有机质相
同, 但RP与RD的最小值却出现在2010年1月, 分别
为205和85 mg·kg–1; CD的碱解氮的最大值是最小值
的1.41倍。而有效磷的极值却分别出现在2009年11
月和2010年7月, 速效钾的含量呈现出先降后升的
趋势, 并在2010年3月和5月时达到最小值。有机质、
碱解氮、有效磷与速效钾的年平均含量的最小值均
出现在CD中, 这说明针叶林相对于阔叶林、针阔混
交林及草本群落对土壤养分的归还速率较慢(代力
民等, 2001; 赵谷风等, 2006)。



图1 不同类型人工林土壤全量养分及pH值的变化(平均值
±标准误差, n = 3)。CD, 千香柏人工林; CK, 未造林地; RD,
刺槐千香柏混交林; RP, 刺槐人工林。
Fig. 1 Changes of soil total nutrient contents and pH value in
different types of plantations (mean ± SE, n = 3). CD, Cupres-
sus duclouxiana plantation; CK, non-plantation area; RD,
Robinia pseudoacacia-C. duclouxiana mixed plantation; RP, R.
pseudoacacia plantation. TK, total potassium; TN, total nitro-
gen; TP, total phosphorus.

2.3 土壤酶活性的动态变化
RP、CD、RD及CK的土壤脲酶活性在不同月份
之间存在显著差异(p < 0.01) (图2A)。RP的土壤脲酶
活性在整个研究期逐渐提高, 在2010年9月达到最
大值, 为2.09 mg NH3-N·g–1·d–1。 CD与RD的土壤脲
酶活性呈现出先降后升的趋势, 在2010年1月降到
最小值, 分别为0.30和0.41 mg NH3-N·g–1·d–1, 而对
照CK的土壤脲酶活性却表现为先升后降, 最后显

时间
Time
样地
Plot
容重
Bulk density
(g·cm–3)
总孔隙度
Total porosity
(%)
毛管孔隙度
Capillary porosity
(CP) (%)
非毛管孔隙度
Non-capillary
porosity (NCP) (%)
NCP/CP 田间持水量
Field moisture
capacity (%)
RP 0.74 64.84 35.27 29.57 0.84 47.66
CD 1.00 57.79 26.53 31.25 1.18 26.50
RD 1.13 53.08 31.38 21.70 0.69 27.86
2009年9月
Sept. 2009
CK 1.15 45.65 30.90 14.75 0.48 26.90
RP 0.69 65.50 35.88 29.62 0.83 51.50
CD 0.95 59.97 27.53 32.44 1.18 29.10
RD 0.89 63.11 27.45 35.66 1.30 30.82
2010年9月
Sept. 2010
CK 1.09 48.43 33.79 14.64 0.43 31.11
1054 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2011, 35 (10): 1050–1060

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表3 不同类型人工林土壤养分的动态变化
Table 3 Dynamics of soil nutrient of different types of plantations
项目
Item
样地
Plot
2009年9月
Sept. 2009
2009年11月
Nov. 2009
2010年1月
Jan. 2010
2010年3月
Mar. 2010
2010年5月
May 2010
2010年7月
July 2010
2010年9月
Sept. 2010
RP 90.5b 90.0b 84.9b 89.4b 88.0b 84.2b 89.1b
CD 82.7c 89.0b 78.2c 73.2d 93.6a 93.5a 88.4b
RD 101.2a 97.8a 91.2a 98.1a 91.5a 93.3a 97.4a
有机质
Organic mater
(g·kg–1)
CK 72.2d 71.2c 82.7b 82.5c 84.2c 82.9b 80.3c
RP 566a 306b 205b 218c 174c 281b 359a
CD 247c 293b 150c 193d 321a 218c 209b
RD 449b 349a 85d 321a 139d 427a 206b
碱解氮
Available
nitrogen
(mg·kg–1)
CK 228c 195c 242a 244b 289b 269b 207b
RP 9a 3a 6b 8a 6c 6c 9ab
CD 5b 2b 2c 1c 7b 10b 10a
RD 10a 2b 7a 4b 7b 10b 7c
有效磷
Available
phosphorus
(mg·kg–1)
CK 2c 1c 6b 4b 8a 13a 8b
RP 218b 87d 96c 77c 88c 110b 177a
CD 132d 110c 96c 64d 80d 119a 138c
RD 198c 151a 112b 96b 105a 120a 164b
速效钾
Available
potassium
(mg·kg–1)
CK 260a 132b 125a 112a 93b 120a 140c
CD, 千香柏人工林; CK, 未造林地; RD, 刺槐千香柏混交林; RP, 刺槐人工林。所有数值均为平均值(n = 3)。每列数据后不同字母表示p < 0.01
下差异显著(Duncan’s检验)。
CD, Cupressus duclouxiana plantation; CK, non-plantation area; RD, Robinia pseudoacacia-C. duclouxiana mixed plantation; RP, R. pseudoacacia
plantation. All values are means (n = 3). Different letters within each column are significantly different at p < 0.01 according to Duncan’s test.


著增大, 在2010年9月达到2.26 mg NH3-N·g–1·d–1。
对研究期间的平均值进行比较, 不同类型土壤脲酶
的活性大小顺序为: CK > RP > CD ≈ RD。
RP、CD、RD及CK之间的土壤蔗糖酶活性存在
显著差异(p < 0.01), 不同月份之间的差异也较显著
(p < 0.01) (图2B)。RP的蔗糖酶活性在2010年3月达
到最大值, 为60.80 mg glucose·g–1·d–1。土壤蔗糖酶
在CD与RD中呈现相同的变化趋势, 最大值与最小
值分别出现在2010年7月和9月。对照CK的蔗糖酶活
性在2010年5月前逐渐升高, 随后在2010年7月降到
最小值, 在2010年9月升到最大值。RP、CD、RD及
CK的蔗糖酶活性的年平均值分别为: 39.81、30.95、
28.15和37.07 mg glucose·g–1·d–1。
由图2C可知, RP、CD、RD及CK的土壤过氧化
氢酶活性在整个研究期间的变化趋势一致, 呈单峰
型分布, 峰值出现于2010年3月, 分别为0.21、0.20、
0.25和0.22 mL·g–1。而最小值却在CD与CK下出现于
2009年9月, 在RP与RD中出现于2010年7月。其研究
期间的平均值从大到小依次为: RD > RP = CK > CD。
由图2D可知, RP、CD、RD及CK的土壤多酚氧
化酶活性在不同月份之间存在显著差异(p < 0.01)。
在RP、CD、RD及CK中, 多酚氧化酶活性的最小值
均出现于2010年1月, 分别为0.17、0.13、0.11和0.12
mg pyrogallol·g–1, 而最大值在CD与RD中出现于
2009年9月, 在RP及CK下出现于2010年9月。除2010
年1月与9月外, RP在整个研究期间多酚氧化酶活性
基本上最小。在研究期间土壤多酚氧化酶活性的平
均值从大到小依次为: CD > CK > RD > RP。
根据土壤pH值, 可将土壤磷酸酶分为酸性磷
酸酶(acid phosphatase)、碱性磷酸酶(alkaline phos-
phatase)和中性磷酸酶(neutral phosphatase) (关松荫,
1986)。由图1可知, 研究地土壤的pH呈微碱性, 因
此本文主要研究碱性磷酸酶。在测定期间, 碱性磷
酸酶活性出现了两次峰值和一次谷值, 分别在2009
年11月、2010年7月和2010年3月, 其年平均值之间
存在显著差异(p < 0.01), 按大小顺序依次为: RD
(209.06) > RP (192.33) > CK (174.05) > CD (159.24)
μg phenol·g–1。
2.4 土壤质量的综合评价
2.4.1 指标权重的确定
利用SPSS 13.0统计软件, 计算土壤容重、总孔
隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、NCP/CP、田
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图2 不同类型人工林的土壤酶活性变化(平均值±标准误差, n = 3)。 A, 脲酶活性。B, 蔗糖酶活性。C, 过氧化氢酶活性。
D, 多酚氧化酶活性。E, 碱性磷酸酶活性。CD, 千香柏人工林; CK, 未造林地; RD, 刺槐千香柏混交林; RP, 刺槐人工林。
Fig. 2 Variations of soil enzyme activities in different types of plantations (mean ± SE, n = 3). A, Urease activity. B, Invertase ac-
tivity. C, Catalase activity. D, Polyphenoloxidase activity. E, Alkaline phosphatase activity. CD, Cupressus duclouxiana plantation;
CK, non-plantation area; RD, Robinia pseudoacacia-C. duclouxiana mixed plantation; RP, R. pseudoacacia plantation.


间持水量、pH、有机质、TN、TK、TP、碱解氮、
有效磷、速效钾、脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、多
酚氧化酶和碱性磷酸酶各指标的累计贡献率和主
成分的贡献率(表4)。由表4可知, 前两个主成分的贡
献率分别为45.48%和31.73%, 累计贡献率达到
77.21%, 可以充分代表原指标的信息。因此, 用前
两主成分的因子负荷量计算各指标在土壤质量评
价中的作用, 并确定其权重大小(表5)。由表5可知,
各指标的权重大小在两个主成分之间所占的比重
存在差异, 且同一主成分下各指标的权重大小分布
无规律。这说明, 土壤质量受土壤物理化学特性与
酶活性的综合影响, 仅考虑单一特性无法准确地判
断土壤质量的变化特征。
2.4.2 指标隶属度值的确定
采用具有连续性质的隶属度函数, 并根据主成
分因子负荷量值的正负性确定隶属度函数分布的
类型(升型或降型分布函数)进行各指标隶属度值的
计算, 结果见表6。由表6可知, 隶属度的最大值和
1056 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2011, 35 (10): 1050–1060

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表4 土壤质量指标的主成分分析
Table 4 Principal component analysis on soil quality indexes



表5 土壤质量指标的负荷量和权重
Table 5 Values of component capacity and weights of soil quality indexes
A1, 第一主成分的因子负荷量; A2, 第二主成分的因子负荷量; B1, 以第一主成分的因子负荷量所计算的权重; B2, 以第二主成分的因子负荷
量所计算的权重。x1–x19分别为容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、非毛管孔隙度/毛管孔隙度、田间持水量、pH、有机质、全
氮、全钾、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾, 以及脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶和碱性磷酸酶活性。
A1, factor capacity of the first principal component; A2, factor capacity of the second principal component; B1, weight that was calculated by factor
capacity of the first principal component; B2, weight that was calculated by factor capacity of the second principal component. x1–x19 was bulk den-
sity, total porosity, capillary porosity (CP), non-capillary porosity (NCP), NCP/CP, field moisture capacity, pH, organic matter, total nitrogen, total
potassium, total phosphorus, available nitrogen, available phosphorus, available potassium, urease activity, invertase activity, catalase activity, poly-
phenoloxidase activity and alkaline phosphatase activity, respectively.


最小值在RP和CD中出现的概率较高。
2.4.3 土壤质量综合评价指数的计算
为定量描述不同样地土壤的综合质量, 采用土
壤综合评价指数值 (soil integrated quality index;
SQI)分析不同类型人工林的土壤质量状况(Fu et al.,
2004; 黄宇等, 2004; 巩杰等, 2004; 龙健等, 2006),
SQI的计算公式如下:
( )
1
n
i i
i
SQI W F x
=
= ×∑

式中, Wi为各土壤指标的权重向量, 各指标权重通
过PCA方法确定, F(xi)为各土壤指标的隶属度值。由
图3可知, 土壤综合质量由高到低依次为: RP > RD
> CD > CK, 其SQI值分别为0.748、0.590、0.406和
0.315。
3 讨论
土壤物理性质除受自然成土因素影响外, 造
林活动也会对其产生较大影响(罗海波等, 2004)。
与退耕后的未造林地相比, CD、RD和RP 3种造林方
式通过根系的水平扩散(罗东辉等, 2010)和穿插分
割作用, 以及根系死亡后所形成的生物性大孔, 改
善了土壤有效孔隙数量(勃海锋等, 2007), 从而均降
低了土壤容重, 增加了土壤总孔隙度、毛管孔隙度、
非毛管孔隙度、NCP/CP及田间持水量。从时间上
来看, 2010年9月与2009年9月相比, 各类型人工林
及未造林地的土壤物理特性变化表现为: 土壤容重
降低, 总孔隙度和田间持水量提高, 其余指标变化
较小, 这表明退耕还林对土壤的改善作用是个较为
漫长的累积过程。罗海波等(2004)对贵州喀斯特山
区石漠化治理过程中4年前后土壤物理性质的研究
也表明, 虽然最初造林地的状况有所不同, 但随着
造林时间的增加, 土壤容重和孔隙度均得到不同程
度的改善。采样时间间隔的比较分析结果表明, 随
着恢复年限的递增, 林木根系生物量增加(罗东辉
等, 2010), 尤其在表层土壤(容丽和熊康宁, 2007),
从而使土壤物理特性发生改变。

主成分 Principal component 1 2 3 4 5 …… 19
贡献率 Percentage of variance (%) 45.48 31.73 22.79 0.00 0.00 …… 0.00
累计贡献率 Cumulative percentage (%) 45.48 77.21 100.00 100.00 100.00 …… 100.00
土壤指标
Soil index x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9
A1 0.152 0.064 0.302 0.082 0.185 0.235 0.340 0.067 0.303 因子负荷量
Factor capacity A2 0.270 0.373 0.064 0.391 0.341 0.145 0.008 0.330 0.092
B1 0.038 0.016 0.075 0.020 0.046 0.058 0.084 0.017 0.075 权重
Weight B2 0.074 0.102 0.017 0.107 0.093 0.040 0.002 0.090 0.025
土壤指标
Soil index x10 x11 x12 x13 x14 x15 x16 x17 x18 x19
A1 0.206 0.095 0.276 0.312 0.215 0.207 0.189 0.331 0.229 0.249 因子负荷量
Factor capacity A2 0.019 0.372 0.238 0.114 0.217 0.250 0.147 0.092 0.041 0.162
B1 0.051 0.024 0.068 0.077 0.053 0.051 0.047 0.082 0.057 0.062 权重
Weight B2 0.005 0.101 0.065 0.031 0.059 0.068 0.040 0.025 0.011 0.044
刘成刚等: 喀斯特石漠化山地不同类型人工林土壤的基本性质和综合评价 1057

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表6 土壤质量指标平均值(A)及其隶属度值(B)
Table 6 Means and values of membership degree of soil quality indexes
RP CD RD CK 土壤指标
Soil index A B A B A B A B
差值
D-value
x1 0.72 1.000 0.98 0.356 1.01 0.281 1.12 0.000 0.40
x2 65.17 1.000 58.88 0.653 58.10 0.610 47.04 0.000 18.13
x3 35.58 1.000 27.03 0.000 29.42 0.279 32.35 0.622 8.54
x4 29.60 0.869 31.85 1.000 28.68 0.815 14.70 0.000 17.15
x5 0.83 0.521 1.18 1.000 1.00 0.747 0.46 0.000 0.72
x6 0.50 1.000 0.28 0.000 0.29 0.076 0.29 0.076 0.22
x7 7.59 0.000 8.41 1.000 7.83 0.293 7.86 0.329 0.82
x8 87.90 0.516 85.50 0.371 95.80 1.000 79.40 0.000 16.40
x9 2.84 0.000 4.48 1.000 3.98 0.696 3.34 0.306 1.64
x10 7.05 0.582 7.97 1.000 5.77 0.000 6.84 0.486 2.20
x11 1.46 0.863 1.59 1.000 1.27 0.663 0.64 0.000 0.95
x12 301.00 1.000 233.00 0.000 282.00 0.720 239.00 0.092 68.00
x13 7.00 1.000 5.00 0.000 7.00 1.000 6.00 0.500 2.00
x14 122.00 0.486 105.00 0.000 135.00 0.868 140.00 1.000 35.00
x15 1.00 0.872 0.71 0.015 0.70 0.000 1.04 1.000 0.34
x16 39.81 1.000 30.95 0.240 28.15 0.000 37.07 0.765 11.66
x17 0.53 1.000 1.00 0.000 0.66 0.723 0.78 0.461 0.47
x18 0.18 0.500 0.17 0.000 0.19 1.000 0.18 0.500 0.02
x19 192.33 0.664 159.24 0.000 209.06 1.000 174.04 0.297 49.82
CD, 千香柏人工林; CK, 未造林地; RD, 刺槐千香柏混交林; RP, 刺槐人工林。x1–x19分别为容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、
非毛管孔隙度/毛管孔隙度、田间持水量、pH、有机质、全氮、全钾、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾, 以及脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、
多酚氧化酶和碱性磷酸酶活性。A, 各土壤指标的平均值; B, 各指标隶属度值。
CD, Cupressus duclouxiana plantation; CK, non-plantation area; RD, Robinia pseudoacacia-C. duclouxiana mixed plantation; RP, R. pseudoacacia
plantation. x1–x19 was bulk density, total porosity, capillary porosity (CP), non-capillary porosity (NCP), NCP/CP, field moisture capacity, pH, or-
ganic matter, total nitrogen, total potassium, total phosphorus, available nitrogen, available phosphorus, available potassium, urease activity, invertase
activity, catalase activity, polyphenoloxidase activity and alkaline phosphatase activity, respectively. A, means of soil indexes; B, values of member-
ship degree of soil quality indexes.



图3 不同类型人工林的土壤质量综合评价指数值。CD, 千
香柏人工林; CK, 未造林地; RD, 刺槐千香柏混交林; RP,
刺槐人工林。
Fig. 3 Soil integrated quality index (SQI) of different types of
plantations. CD, Cupressus duclouxiana plantation; CK,
non-plantation area; RD, Robinia pseudoacacia-C. duclouxiana
mixed plantation; RP, R. pseudoacacia plantation.
研究期间不同类型人工林和未造林地的土壤
pH均呈微碱性, TN、TP及TK含量变幅存在差异, 这
与对不同放牧强度下荒漠草原的研究结果相类似
(高雪峰等, 2007), 这表明, 短期内的人为干扰活动
(退耕还林等)对土壤全量养分及pH的影响较小, 而
速效养分之间的差异较为显著(p < 0.01)。土壤有机
质与碱解氮的变化规律相似, 都呈现出先降后升的
趋势, 但最小值分别出现在2010年5月和1月。有效
磷的极值(极大值/极小值)变异幅度较大, 分别为RP
(2.8)、CD (11.4)、RD (3.0)和CK (20.9)。速效钾呈
现出先降后升的趋势, 并在2010年3月和5月时达到
最小值。然而, 广西肉桂(Cinamomum cassia)人工林
的土壤速效N、P、K含量在生长初期(3月中旬)最高,
生长末期(12月中旬)最低(何斌等, 2004)。这表明,
土壤速效养分不仅与植物群落类型有关(Cao et al.,
2008), 而且在较大程度上受不同造林区域的影响。
影响喀斯特山地土壤酶活性的主要因素有土
1058 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2011, 35 (10): 1050–1060

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壤生态条件、土壤类型、植被恢复阶段(陈祖拥等,
2009; 兰雪等, 2009)、微生物、管理措施、土壤肥
力及土壤耕作方式等(Allison & Vitousek, 2004; 杨
万勤和王开运, 2004; 李丹等, 2008)。脲酶的反应底
物是含氮的有机化合物, 温度较高时其分解速率较
快, 可增强脲酶活性。RP和CK的土壤脲酶最大活性
出现在9月, CD与RD的土壤脲酶的最小活性出现在
1月。这与此时土壤温度和有机质含量较适中密切
相关(李丹等, 2008)。多酚氧化酶可以促进酚类物质
降解, 对植物生长产生不利影响(侯本栋和马风云,
2007), 所以在1月温度较低时, RP、CD、RD及CK
下的多酚氧化酶活性最小, 以抵御不良环境对植物
群落造成的损害。邹军等(2010)对喀斯特退化植被
恢复过程中不同恢复阶段的土壤脲酶和多酚氧化
酶季节动态的测定结果证实, 研究期内两种酶的总
体变化为春夏季高, 冬季低。以上结果表明, 土壤
温度直接影响着释放酶类的微生物种群及数量, 在
一定范围内, 随着温度升高, 土壤酶活性不断增强
(关松荫, 1986; 李丹等, 2008; 李振高等, 2008)。
CD、RD及CK的蔗糖酶最大活性也出现在温度较高
的7月和9月, 但RP的最大值却出现于3月, 这说明
蔗糖酶出现在温度较高的季节并不适用于所有的
造林类型(范阿南等, 2009)。过氧化氢酶活性的年变
化呈“单峰型”, 峰值出现于2010年3月, 因为此时土
壤含水量处于最低值(RP、CD、RD及CK分别为
20.1%、13.0%、16.8%和15.3%)对腐殖质层具有一
定的保护作用。CK下的碱性磷酸酶活性的年平均值
显著低于其余3种造林方式(p < 0.01), 但其最小值
均出现在1月, 这与何斌等(2004)的研究结果一致,
说明温度对碱性磷酸酶活性的影响也较大。然而,
由于研究地的不同, 本文结论与部分相关研究结果
的差异较大(Burger & Kelting, 1999; Criquet et al.,
2000)。
土壤质量综合评价指标的选择一直是土壤生
态学研究的热点, 从单一的物理特性指标到物理化
学特性复合指标, 再到结合土壤生物学特性的综合
指标, 使得对土壤质量的评价越来越准确(张猛和
张建, 2003)。土壤质量的高低主要取决于凋落物的
质量、数量及分解速率。对红松(Pinus koraiensis)
针叶凋落物及分解速率的研究证实, 红松针叶一般
可存活3–4年, 4年后其干重保持率为16.6%, 分解速
率较慢(代力民等, 2001)。而阔叶林凋落物养分归还
速率相对较快(赵谷风等, 2006)。这为今后适时适地
地退耕还林提供了依据。本研究对不同类型人工林
的土壤质量综合评价的结果表明, 人工刺槐林对土
壤的改善作用最佳, 其次为刺槐千香柏混交林和人
工千香柏林, 而未造林地最差。张庆费等(1999)、王
健和刘作新(2004)、黄宇等(2004)的研究结果也表
明, 针阔混交林和阔叶林对林地质量的改善能力优
于其他类型的林地, 说明不同研究地虽然土壤特性
存在差异, 但经综合分析处理后, 各种植被类型土
壤质量之间仍具有一定的可比性。由于土样保存问
题, 本文并未测定土壤微生物对土壤质量的贡献。
因此, 如果后续研究能够引入土壤微生物指标, 那
么将会更精确地表征出喀斯特山地退耕还林后土
壤质量的变化情况。
致谢 林业公益性行业科研专项“生境胁迫立地植
被恢复与重建技术研究” (201104002)资助。感谢普
定县林业局在野外调查中给予的帮助。
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