王丽洁，冯 钰，周雯星，张晓曦,2
(1.延安大学生命科学学院，陕西 延安716000；
2.延安大学陕西省红枣重点实验室，陕西 延安716000)
土壤腐殖质占土壤有机质总质量的50%～75%，其胶结能力和化学反应活性使其在改善土壤结构、维持土壤供肥和保肥能力、增加土壤对环境变化和各种污染的缓冲能力等方面均发挥重要作用[1-2]。此外，土壤腐殖质可促进植物根系的吸收作用和叶片的光合作用，因此，它对增加植物生产力也具有重要意义[3]。因此，增加土壤腐殖质含量并促进其形成良好的结构，对改善和维持土壤生态功能，特别是在城市环境中土壤经常受扰动、表土损失严重的情况下尤为重要。
研究表明，除通过混施无机-有机肥料或者添加有机残体补充土壤腐殖质外[4-5]，通过栽植植物也可以利用其凋落物和根系分泌物等的微生物转化形成和积累腐殖质[2,6]。然而，受到不同植物自身生物学特性差异的影响，其归还土壤的有机质的数量和类型，以及其对生长区域微生物种类和群落结构的影响存在明显不同，对土壤酸碱性和养分状况的影响也有显著差异[7]。植物自身的生物学特性差异直接影响了土壤腐殖质的物质来源和转化过程，不同植物长期栽植后，土壤腐殖质经常发生含量和结构上的明显分异[6]，影响绿化植物改良城市土壤的实际效果。更重要的是，对于园林绿化植物而言，其栽植管理方式(路面硬化、修剪和清扫工作等)在一定程度上控制了有机残体的产生量和形式(凋落物量及其叶、根和枝条占比)，以及凋落物实际归还土壤的比例。特定植物在其常用的绿化应用形式(栽植和管理方式)下，将造成土壤腐殖质性质的何种分异、其潜在机制为何？上述问题尚少研究。鉴于此，选择我国北方地区栽植较为广泛的25种绿化植物(均以其主要的绿化应用形式为代表)，以其栽植区土壤为研究对象，研究土壤腐殖质含量、结构特征的差异以及腐殖质特性与土壤化学和生物学性质的关系，以期明确25种绿化植物在具体绿化应用方式下，其生长区域土壤腐殖质特征并分析其形成原因。研究结果可为选择栽培适宜的绿化植物，改善城市土壤的腐殖质含量及其品质提供科学依据。
研究区限制在延安大学杨家岭校区北区(36°37′42″N，109°27′22″E，总面积约0.21 km2)内，以避免研究区域过大导致土壤初始性状差异过大。该地所处的延安市宝塔区位于黄土高原丘陵沟壑区，海拔860～1 525 m;属大陆性季风气候，平均年日照时间2 418 h，年平均降水量550 mm，且多集中于夏季，年平均温度9.7 ℃，无霜期约152 d。土壤类型为黄绵土，裸地有机质含量8.74 g·kg-1，碱解氮含量4.98 mg·kg-1，有效磷含量3.66 mg·kg-1，速效钾含量106.93 mg·kg-1，pH值7.68。
土壤采样选用的地块均经过调查筛选，筛选标准为：具有相似的绿化年限、光照和灌溉条件，中途未经过植物种添加或替换，在栽植管理过程中未进行客土置换、施肥处理或其他可能显著影响土壤背景的操作，木本植物生长区域的草本植物相对稀疏或不存在，广场、道路之间的人流量和车流量近似。所有样品均获取3个重复，但由于绿化植物相对固定的应用形式，不同生长区土壤重复样品的获取方式有所差异(图1)。其中，同种树种丛植、绿篱或草坪区域均在校内随机选择3个地块，每个地块获取1个土样作为重复；
行道树树种选择3条道路，每条道路获取1个土样作为重复；
孤散植树种随机选择3个树池，每个树池获取1个土样作为重复。在每个地块内随机设置3个1 m×1 m的小样方，取3个小样方内土样的等比例混合物作为第一类植物的土样；
在每条道路旁随机选择3个树池内土样的等比例混合物作为行道树植物的土样。在样方或树池内采样时，均采用5点采样法收集其0～20 cm土层土壤，充分混合并过1 mm筛，去除植物根系等杂物。
供试植物共25种，分别为国槐(SophorajaponicaL., Sj)、旱柳(SalixmatsudanaKoidz., Sm)、桑树(MorusalbaL., Ma)、银杏(GinkgobilobaL., Gb)、核桃(JuglansregiaL., Jr)、龙爪槐(Sophorajaponicavar.pendulaLoud., Sjp)、桃树[Amygdalusdavidiana(Carr.) C. de Vos, Ad]、紫叶李[PrunuscerasiferaEhrhart f.atropurpurea(Jacq.) Rehd., Pc]、榆树(UlmuspumilaL., Up)、丁香(SyringaoblateLindl., So)、云杉(PiceaasperataMast., Pa)、油松(PinustabulaeformisCarr., Pt)、樟子松(PinussylvestrisL. var.mongolicaLitv, Ps)、侧柏[Platycladusorientalis(L.) Franco, Jo]、刺柏(JuniperusformosanaHayata, Jf)、榆叶梅[Amygdalustriloba(Lindl.) Ricker, At]、小叶黄杨[Buxussinica(Rehd. et Wils.) Cheng, Bs]、紫叶小檗(Berberisthunbergiivar.atropurpureaChenault, Bt)、木槿(HibiscussyriacusL., Hs)、月季(RosachinensisJacq., Rc)、连翘[Forsythiasuspense(Thunb.) Vahl, Fs]、金银木[Loniceramaackii(Rupr.) Maxim., Lm]、紫花地丁(ViolaphilippicaCav., Vp)、酢浆草(OxaliscorniculataL., Oc)、沿阶草(OphiopogonbodinieriLevl., Ob)，栽植利用形式、日常管护状态如表1所示。
(a)行道树Border tree(b)丛植Group planting(c)孤散植Solitary planting(d)草坪Lawn
表1 供试植物及其周边情况
待测土样悬浊液经70 ℃恒温振荡水浴1 h后离心、过滤。离心后的沉淀中加1.0 mol·L-1氢氧化钠和0.1 mol·L-1焦磷酸钠混合碱液，经前述相同步骤处理，上清液为可提取的土壤腐殖质，残渣洗净、低温烘干后过0.25 mm筛，得到胡敏素(humin，HM)。碱提取液用硫酸调节pH值为1.0～1.5，静置过夜后过滤、定容，获得富里酸(fulvic acid，FA)溶液。滤渣用0.025 mol·L-1硫酸洗涤后，经0.05 mol·L-1氢氧化钠溶解定容，获得胡敏酸(humic acid，HA)溶液。使用重铬酸钾容量法结合腐殖质组分间的差减关系测定胡敏素碳、富里酸碳和胡敏酸碳含量[8]。
采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法测定土壤铵态氮含量，氯化钾浸提-紫外分光光度计测定硝态氮含量，碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定有效磷含量，乙酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾含量[8]。采用玻璃电极法(m水∶m土=2.5∶1)测定土壤pH值[8]。分别采用靛酚蓝比色法、3,5-二硝基水杨酸比色法和磷酸苯二钠比色法测定土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性，结果以每克干土每小时催化产生的氨基氮、葡萄糖和酚的量表示。采用高锰酸钾滴定法测定鲜土的过氧化氢酶活性，结果以克干土(经鲜土含水率换算)每小时催化分解后残留的过氧化氢还原0.01 mol·L-1高锰酸钾溶液的体积表示[9]。
基于腐殖质各组分含量的测定结果计算腐殖化程度(humification degree，HD，即胡敏酸碳与腐殖质碳的质量比值)、胡富比(ratio of humic acid to fulvic acid，HA/FA，即胡敏酸碳与富里酸碳的质量比值)、胡敏酸碳与腐殖酸碳的质量比值(PQ值)，用以反映腐殖质的结构特征。
采用Microsoft Excel 2019软件对数据进行基本计算，采用DPS 18.0软件对不同处理下的土壤指标做单因素方差分析，多重比较采用最小显著差法，置信度为95%。采用SPSS 23.0软件对土壤腐殖质性质以及其他土壤化学和生物学性质分别做主成分分析，采用R 3.6.3软件对腐殖质指标及其他土壤生物学和化学指标做Pearson相关性分析。绘图采用Microsoft Excel 2019和R 3.6.3软件完成。
不同植物生长区土壤的腐殖质及其组分含量分别如图2和图3所示。25种植物生长区土壤的腐殖质含量介于8.48～23.75 g·kg-1之间，其中阔叶乔木和针叶灌木生长区土壤的腐殖质含量普遍显著高于其他类型植物，表明植物生长显著影响了土壤腐殖质的积累量，且这种影响在一定程度上受到植物生长型的控制。较之土壤总腐殖质含量，不同植物生长区土壤的3种土壤腐殖质组分的含量及相应的组成结构特征存在更为普遍的显著差异，其中富里酸碳含量呈现草本≈阔叶灌木>阔叶乔木≈针叶灌木>针叶乔木的趋势，胡敏酸碳含量呈现针叶灌木>阔叶乔木>针叶乔木>草本≈阔叶灌木的趋势，胡敏素碳含量则呈现其他类别>针叶乔木的趋势。上述结果表明，不同植物生长型对促进腐殖质不同组分的积累存在一定“偏好”，且其对腐殖质组成的影响强于其对腐殖质积累量的影响。
注：不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Note: different letters indicate significant differences among soil samples(P<0.05).
注：同色柱体内部不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Note: different letters in the bars with the same colour indicate significant differences among soil samples(P<0.05).
不同植物生长区土壤腐殖质的结构特征如图4所示，25种植物生长区土壤的HD、HA/FA和PQ值并未表现出显著的大小规律。
注：同色柱体上方不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Note: different letters above the bars with the same colour indicate significant differences among soil samples(P<0.05).
为综合评价25种植物生长区土壤的腐殖质性质，采用主成分分析法对供试土壤腐殖质含量和结构特征指标进行分析，结果如图5所示，第一主成分(PC1轴，反映HD、HA/FA和PQ值，均为正荷载；
FA含量为负荷载)和第二主成分(PC2轴，反映总腐殖质、特别是其中HA和HM的含量，均为正荷载)共解释了总变异的84%。据此分析，旱柳和刺柏生长区土壤除FA外的腐殖质含量以及月季生长区土壤的腐殖质组成结构明显优于其他土壤；
龙爪槐和金银木生长区土壤的FA含量明显优于其他土壤，但腐殖质结构总体偏差；
榆树和丁香生长区土壤的腐殖质含量和结构均偏差。因此，上述7种植物生长区土壤的的腐殖质含量和结构特征明显区别于腐殖质性质相对类似的其他土壤。
图5 不同植物生长区土壤腐殖质性质主成分分析
不同植物生长区土壤的化学性质和4种酶的活性分别如表2和表3所示。25种植物生长区土壤的速效养分含量、pH值和酶活性同样存在一定差异，但其中多数土样的铵态氮和有效磷含量、pH值以及4种酶(蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶)活性差异未达到显著水平。植物生长对土壤化学性质和酶活性的影响较为复杂，不存在显著规律性变化。大体而言，旱柳和金银木生长区土壤的铵态氮、有效磷和速效钾含量以及蔗糖酶活性总体较高，刺柏、木槿和侧柏生长区土壤的硝态氮、有效磷和速效钾含量以及蔗糖酶和脲酶活性总体较高而pH值偏低，月季、沿阶草和酢浆草生长区域的土壤养分含量和蔗糖酶活性总体偏低。
表2 不同植物生长区土壤的化学性质
表3 不同植物生长区土壤酶活性
将不同植物生长区的土壤化学性质和酶活性与腐殖质特征的相关性进行分析，结果如图6所示。土壤总腐殖质碳含量(total content of humus carbon, HSC)和胡敏素碳含量(content of humin carbon, HMC)均与铵态氮(NH4-N)含量、有效磷(available phosphorus, AP)含量、有效钾(available potassium, AK)含量、蔗糖酶活性(sucrase activity, SUCA)以及过氧化氢酶活性(catalase activity, CATA)呈现显著的正相关关系(P<0.05)，与pH值呈现显著的负相关关系。此外，HMC与硝态氮含量(NO3-N)也呈现显著的正相关关系，富里酸碳含量(content of fulvic acid carbon, FAC)与AP含量呈现显著的正相关关系、与pH值呈现显著的负相关关系。HD与NH4-N含量、AP含量、AK含量和SUCA呈现显著的负相关关系。胡敏酸碳含量(content of humic acid carbon, HAC)、HA/FA以及PQ与土壤的其它生化性质无显著的相关性(P>0.05)。
上述结果表明，可以通过补充速效养分、调节相关酶活性和土壤酸碱度，促进腐殖质及其组分积累，但同时可能导致土壤腐殖质品质有所降低。
注：扇形面积和颜色代表相关系数数值，仅显示通过显著性检验的相关系数(P<0.05)。NO3-N为硝态氮含量、NH4-N为铵态氮含量、AP为有效磷含量、AK为有效钾含量，SUCA为蔗糖酶活性、UREA为脲酶活性、APA为碱性磷酸酶活性、CATA为过氧化氢酶活性，HSC为总腐殖质碳含量、FAC为富里酸碳含量、HAC为胡敏酸碳含量、HMC为胡敏素碳含量、HAcC为腐殖酸碳含量、HD为胡敏酸碳与腐殖质碳的质量比、HA/FA为胡敏酸碳/富里酸碳的质量比、PQ为胡敏酸碳与腐殖酸碳的质量比。Note: the area and color of the fans indicate the values of correlation coefficient. NO3-N is content of nitrate nitrogen, NH4-N is content of ammonium nitrogen, AP is content of available phosphorus, AK is content of Available potassium, SUCA is sucrase activity, UREA is urease activity, APA is alkaline phosphatase activity, CATA is catalase activity, HSC is total content of humus carbon, FAC is content of fulvic acid carbon, HAC is content of humic acid carbon, HMC is content of humin carbon, HAcC is total content of humic acid carbon, HD is ratio of humic acid carbon to humus carbon, HA/FA is ratio of HAC to FAC, PQ is ratio of HAC to HAcC.
不同植物长期生长区土壤的腐殖质含量差异明显(图2和图3)，这与前人的研究结果相似[10-12]。大体而言，其总腐殖质含量呈现一定的阔叶乔木≈针叶灌木>阔叶灌木>草本≈针叶乔木生长区的趋势，这一趋势在很大程度上是由不同类型植物在其特定的应用形式下，能够归还土壤的有机残体的数量和特性差异共同决定的[13-14]。就有机残体数量而言，部分阔叶乔木自身生物量较大，或生物量相对较小、但生长区距离硬化路面相对较远，能够保留部分凋落物。因此，前者可以通过大量的根系凋落物的分解转化提高土壤腐殖质含量，而后者除根系外，还可以通过较多的地上凋落物形成腐殖质。针叶灌木用于构建绿篱，其树体下方枯死部分和定期修剪产生的细碎残体少被清理，从而可为土壤提供更多木质残体。而对于阔叶灌木、草本植物(生物量最低)和针叶乔木(孤植，绝大部分凋落物被清理，且生长缓慢生物量低)，较阔叶乔木和针叶灌木均存在生物量低(如腐殖质含量最低的云杉、榆叶梅、酢浆草和沿阶草)或地上凋落物基本无法归还土壤的现象，因此其腐殖质积累量均偏低。同时，凋落物的化学组成也被认为对腐殖质的积累具有显著影响[6,13]。阔叶乔木的根凋落物，针叶灌木(如刺柏)的根凋落物、针叶和枝条均含有较多的木质素成分[15]，有利于腐殖质积累[16]。阔叶树种和草本植物的地上、地下部分凋落物通常含有更多的可溶性碳、较高的氮磷养分，导致其更倾向于快速、彻底的分解，使其在凋落物保留较多的条件下反而无法积累更多的腐殖质[6]。
此外，上述规律并非绝对普遍，例如桃树和榆叶梅生长区土壤的腐殖质含量较低，而油松生长区土壤则相反。这表明除可归还有机残体的数量和质量外，其他因素同样在相当程度上影响了土壤腐殖质的积累。首先，凋落物中的锰和镁等其他元素，可通过影响凋落物的分解速率而影响腐殖质的形成和积累[13]。因此，凋落物的某些特殊化学特征可能使其腐殖质积累偏离前述趋势。其次，各种植物根系影响范围内的微生物类群对有机残体的利用倾向差异，如彻底分解或仅初步代谢并产生腐殖质的前体物质[17-18]，也可能是导致腐殖质含量分异的原因之一。
除腐殖质含量外，不同植物生长区土壤的腐殖质组成结构也差异明显，这与丛高等[19]的研究结果一致。其原因可能是，有机残体的化学性质差异导致其转化成的腐殖质组分不同，如阔叶树种和草本植物的凋落物通常含有较高的可溶性组分，因此更倾向于形成FA[20]，而针叶灌木和阔叶乔木相对较高的有机残体输入量及其更高的木质化程度[21]，则更有利于HA的积累。此外，不同植物生长区的微生物对HA和FA形成的偏好也对腐殖质品质的分化具有关键作用[22]。
需要特别指出的是，不同植物特殊的形态特征基本上已经决定了其在城市绿化工作中的主要应用形式，亦即同时控制了其周边地面硬化和人为干扰情况。因此，本研究在获取土样时，选择采集各种植物实际影响范围内的土壤，检测每种植物在其常用绿化应用形式下对土壤腐殖质的影响，将与植物应用形式相应的干扰因素视为城市背景下植物的一种“附带属性”进行讨论，而非单纯讨论植物自身生物学性状的作用，这使得本研究的结果在城市条件下更具有参考价值。
不同植物长期生长后土壤的生化性质往往出现明显分异[6]，其原因与物种对养分的吸收和归还特性、根系分泌物的特异性和凋落物对周边微生物组成结构的影响有关[23]。本研究中也发现了类似的现象，但不同类型植物生长区的土壤间的差异并无明显规律，且其分异程度(特别是土壤酶)较之腐殖质含量差异相对不明显，可能是土壤的生化性质受到土壤本底和气候条件控制的程度更高。与前人研究结果相似[6,13]，土壤生化性质与腐殖质含量及结构存在密切关系。其原因可能是较高的土壤养分含量为微生物提供了生长和生命活动所必须的氮源和磷源，从而促进了其对有机残体的分解、转化和再合成，提高了腐殖质含量[6]。同时，腐殖质含量与SUCA和CATA也存在显著的正相关关系，其原因可能是前者的催化产物参与了腐殖质的合成[18]。对于后者，可能是CAT的高活性降低了环境中的H2O2浓度，从而维持木质素降解酶系的活性[24]，为腐殖质的合成提供更多的前体物质。与养分含量和酶活性相反，土壤pH值与腐殖质含量呈显著的负相关关系。榆树(pH值=9.28)、榆叶梅(pH值=8.65)、紫叶李(pH值=8.57)和月季(pH值=8.54)长期生长区的土壤较强的碱性，可能是抑制其生长区土壤腐殖质积累的原因之一[25]。另外，与前人研究结果一致，土壤其他生化性质对腐殖质组成结构也存在显著影响[12]。例如本研究中，NH4-N、AP、AK含量以及SUCA对HAC的影响并不显著，而能有效地提高HSC(主要是HMC)，从而导致HD明显下降。当然，鉴于养分含量和酶活性与HA和FAC相关性不显著，而样品间HA和FA相关结构指标显著不同的现象，植物源腐殖质前体物质以及植物生长区间微生物的差异应是导致其组成结构差异的最主要原因。
25种绿化植物生长区土壤中，旱柳和刺柏生长区土壤具有较高的总腐殖质含量，且各组分含量均相对较高；
月季生长区土壤的腐殖质品质较高。在满足实际绿化工作需求的基础上，可考虑优先配置旱柳、刺柏和月季，以提高城市土壤腐殖质含量或改善其品质。土壤总腐殖质(特别是胡敏素)含量与NH4-N、AP和AK含量以及SUCA和CATA活性呈显著的正相关关系，与pH值呈显著的负相关关系。HD则与NH4-N、AP、AK含量和SUCA呈显著的负相关关系。在城市绿地管护过程中，可以通过适当施肥和调节土壤酸碱度等方式影响腐殖质形成与转化，改善不同园林植物生长区的土壤性状。
