不同先锋种和外来种对退化土壤变化的影响

土地退化是由威胁到自然资源执行其生态功能的能力的自然和人为过程造成的¹．土壤退化与依赖土壤的多种生态系统服务的下降有关，这是土壤的生物、化学、物理和水文特性发生不利变化的结果²，影响土壤执行一系列生态功能的能力^3.．

在Murge高原的西北部，意大利南部阿普利亚地区的内陆部分(图。1)，土地退化的主要原因是自罗马时代开始的密集森林砍伐，大量木材被砍伐，而这些木材是建造军舰所必需的⁴．穆尔热高原西北部的原始植物区系组成以Quercusdalechampii十个而且Quercusvirgiliana十个，with the contribution of species belonging to theQuercetaliapubescenti-petraeae秩序。的StipoBromoidis-QuercetumDalechampii植物共生由大针bromoidesl，Crataeguslaevigata(Poir)。直流。金银花etrusca桑蒂，苔属植物hallerana艾莎，而且虹膜科利纳n Terracc。由于砍伐林木和放牧绵羊和山羊的过度开发，古老的森林如今已沦为残片⁵．没有树木保护的牧场受到强烈的侵蚀，“演变”成退化的牧场，土壤较浅，甚至露出岩石⁶．

为了解决这种严峻的情况，随着时间的推移，利用先锋物种实现了几次再造林，例如松果体halepensisl松果体pineal .,Cupressusspp。固氮刺槐(洋槐pseudoacaciaL.)，因为它们能够在浅层和侵蚀的土壤上生长。虽然由于其侵略性，刺槐作为一种森林树木的声誉并不好^7，8在美国，它已被广泛用于植树造林。这些先锋树通过覆盖土壤来防止侵蚀，减少暴雨侵蚀的影响，并随着时间的推移产生凋落物和根系分泌物，增加土壤的深度和有机质含量，并可以改变氮和c的生物地球化学循环。这些环境恢复了土壤生态功能，重建了当地林业物种，如几种橡树、核桃、椴树等，与先锋林业物种相比，它们需要更高水平的土壤质量。

由于重新造林不是以同一种方式进行的，在Murge高原，人们可以发现重新造林所使用的人工林和先锋树的年龄不同。因此，我们选择了两个在上述特征上存在差异的位点，并研究了它们对生物地球化学养分循环中涉及的土壤化学、微生物和酶性质的影响，如微生物生物量、有机质、土壤酶活性和土壤微生物熵，这些都是最著名的土壤质量指标^9，10．

现场描述和样品采集

穆尔吉亚高原的海拔从平均海拔680米下降到亚得里亚海，其特点是年降雨量约650毫米¹¹这里的雨水主要集中在秋季和冬季，雨水通过几个喀斯特山谷入海，这些山谷在当地被称为“lame”，只有在暴雨期间，这些山谷才会成为短暂的溪流¹²．从2004年起，该地区属于“阿尔塔穆尔贾国家公园”。

第一个采样点为Lama Giulia(40°57′12.21”N;东经16°20′14.75”)，属于普利亚的格拉维纳市，其特征是钙质Haploxeralf细壤土混合热土¹³．它被重新造林了Cupressusarizonica格林(CYG)在1976-1980年(土壤采样时约40年的重新造林)，并与洋槐pseudoacacial．(ROG)，其种植可追溯至1990年代末至2000年代初(在土壤采样时，重新造林约17年)。¹⁴．Cupressusarizonica格林是一种针叶树，属于柏科，原产于亚利桑那州和新墨西哥州。它也被用作观赏树，木材和防风林¹⁵．洋槐pseudoacaciaL.是一种阔叶树，属于豆科，原产于北美。是短轮作林下生物量生产的一种有前途的速生树种¹⁶．它也被用作观赏树木和防风林，并用于蜂蜜生产⁸．以CYG和ROG附近退化但未重新造林的牧场为对照(COG)，检验重新造林的效果。它主要由灌木和草本植物组成，属于四个植被类，如Artemisietea寻常的，Lygeo-Stipetea，Festuco-Brometea,StellarieteaMediae¹⁷．这个地点靠近一个用干石墙建造的废弃围场，过去通常用来庇护绵羊和山羊。

另一个采样点位于Locone湖附近(41°04′52.88”N;16°00′54.45”E)，属于Minervino Murge市，以典型的钙化砂质混合热土为特征¹³．它主要是重新造林洋槐pseudoacacial．(ROM)于1985年(土壤取样时约30年的重新造林)¹⁸．根据喇嘛朱利亚的说法，ROM附近的牧场被认为是对照(COM)。目前以干旱的地中海草甸为特征，包括Brachipodiumresutum(per)。P.Beauv。BrachipodiumramosumRoem。& Schult。Trachyniadistachya(l)P.Beauv。叶片madritensisL。,Lagurusovatusl¹⁹．即使在过去，这个地方也没有农业的迹象，所以放牧可能只是野生食草动物的行为。

在2017年春季，使用螺旋钻对每个地点进行采样，去除凋落物和草本层，并在土壤中取心，直到根器深度丰富(约20-25厘米)。具体来说，从CYG, ROG, COG, ROM, COM取芯，风干，轻轻粉碎，通过2mm筛网，三个复合样品(每个样品由五个子样品组成)。

土壤物理和化学分析

土壤样品按照标准方法进行分析^20.．采用Walkley-Black法测定土壤有机碳(SOC)含量，以复林土壤有机碳含量与相应对照土壤(牧场)有机碳含量之差计算土壤有机碳富集量。总氮(TKN)采用凯氏定氮法测定，TKN的富集量按SOC富集量计算。有效磷(P_艾娃)采用紫外-可见分光光度法按奥尔森法测定。用BaCl萃取可交换性Ca和K₂和三乙醇胺溶液在pH值8.2缓冲，并使用电感耦合等离子体光学发射光谱仪(ICP-OES) iCAP 6300(热电子)进行测定。采用二乙三胺五乙酸(DTPA)萃取铁、锌、铜、锰、钼有效组分，ICP-OES进行定量。

通过移液管法确定粒度分布，使用美国农业部土壤质地分类系统确定土壤质地¹³．

以土水比为1:10的水浸提液为样品，分析了土壤中可溶性有机碳(DOC)、可溶性碳水化合物和酚类化合物的含量。DOC用Shimadzu TOC-VCSH分析仪(日本京都)测定。采用蒽酮法分光光度法测定可溶性碳水化合物²¹并以葡萄糖C当量(mg C kg)表示^－1)．酚类化合物采用Lowry等方法测定。²²以福林- ciocalteu试剂为基础，表示为对香豆酸当量(mg kg^－1)．

土壤生化分析

脱氢酶活性测定为2-还原p-iodophenyl-3 -p-硝基苯-5-苯基四唑氯化物(INT)→碘硝基苯-甲醛(INTF)²³表示为每克土壤(干质量)每小时产生的INTF (μg INTF g)⁻¹h⁻¹)．采用无乙醇CHCl熏蒸法测定土壤样品微生物量C (MBC)含量_3.用0.5 M K2SO4萃取，参照Vance等方法。²⁴由Gregorich等人修改。²⁵，用岛津TOC-VCSH分析仪(日本京都)测量，以每土壤千克毫克C表示。

碱性磷酸酶活性按照Nannipieri等的方法测定。²⁶,使用p-硝基苯磷酸二钠(pNPP, 0.115 M)作为酶的底物。本方法是基于释放和检测p-硝基苯酚(pNP)分光光度法测定。采用塔巴塔巴法测定β-葡萄糖苷酶活性²⁷，使用对硝基苯β-d-吡喃葡萄糖苷(pNG, 0.05 M)作为酶的底物。磷酸酶和β-葡萄糖苷酶活性以每土壤克(干重)/ h产生的微摩尔对硝基酚(pNP) (μmol pNP g)表示⁻¹h⁻¹)．

在pH为7的0.1 M磷酸盐缓冲液中测定脲酶和蛋白酶的活性;1 M尿素和0.03 MN分别以-α-苯甲酰精氨酸酰胺(BAA)为底物。将2 mL缓冲液和0.5 mL底物加入0.5 g土壤样品中，在30℃(脲酶)或39℃(蛋白酶)下孵育90 min。两种酶活性均由NH的量决定₄⁺发布²⁶，单位为每克土壤(干质量)每小时产生的氨氮微摩尔(μmol NH)₄⁺- n g⁻¹h⁻¹)．

统计分析

所有实验数据采用RStudio软件进行变量正态分布检验(Shapiro-Wilk检验)和方差齐性检验(Bartlett’s检验)。对正态分布且方差齐的变量进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和HSD检验，对非正态分布的变量进行Levene检验，检验方差齐性:方差异质的数据进行非参数Friedman检验。

采用主成分分析(PCA)比较了两个位点具有不同的化学、微生物、酶学和植物学特征。它是使用XLSTAT软件实现的，并显示为得分(站点)和负载(变量)的双线图。

回归分析采用RStudio软件进行，拟合优度采用R²．

Lama Giulia区土壤呈粉砂质壤土结构，砂、粉土和粘土的平均成分分别为22.23%、54.04和23.73%，而Locone湖区土壤呈砂质结构，其中砂的平均成分为84%，粉土的平均成分为9.1%，粘土的平均成分为6.8%。

表格1为Lama Giulia土壤样品主要化学参数的平均值。值得注意的是，土壤有机碳含量在柏树土壤样品中最高(p = 0.0003)，平均值为94.3 g kg⁻¹，然后是洋槐pseudoacaciaL. (58.0 g kg⁻¹)和牧草土(45.1 g kg⁻¹)．各复林土壤有机碳富集量与复林年限呈线性相关(图2)。2)．TKN与SOC趋势相似，在柏树土壤样品(7.0 g kg)中记录到显著(p = 0.005)较高的值⁻¹)，分别为4.9 g TKN kg和3.9 g TKN kg⁻¹,分别。从SOC来看，各造林年限与各造林土壤中TKN含量的线性相关关系表明，树种间TKN含量的差异随造林时间呈高度依赖关系(图2)。2)．相比之下，P_艾娃刺槐土壤样品(390.33 mg kg⁻¹)，而在柏树和牧草土壤中分别为14.1和32.66 mg kg⁻¹,分别。黑槐土的交换性Zn和Cu含量在数值上显著高于其他两种土壤(p = 0.03)。

表中报告了Locone湖土壤的主要化学特征2．复林土壤有机碳(SOC)含量(p = 0.012)和TKN含量(p = 0.006)均显著高于牧草，其他参数均无显著差异。

表格3.报告了拉马朱利亚土壤的微生物和酶特性。柏树土壤的MBC (p = 0.0001)和DOC (p = 0.003)含量显著高于刺槐和对照土壤。此外，柏木土壤的MBC/SOC比值也显著高于其他两种土壤(p = 0.011)。再造林土壤蛋白酶活性显著高于草地土壤(p = 0.02)。

Locone湖土壤的微生物和酶特性见表4．刺槐土壤磷酸酶(p = 0.016)、蛋白酶(p = 0.048)和脲酶(p = 0.03)活性显著高于牧草，DOC (p = 0.0074)和酚类化合物(p = 0.043)含量显著高于牧草。相比之下，再造林土壤的MBC/SOC显著低于草地土壤(p = 0.0061)。

主成分分析分离出五个主成分，但只考虑前两个，因为它们解释了74.2%的变异性(图2)。3.)．沿着第一主成分F1，在属于Lama Giulia的点(右边)和属于Locone湖的点(左边)之间有一个明显的分离(图。3.a).该结果解释了50.15%的变异性，主要由SOC(负荷0.940)、TKN(负荷0.952)、可溶性碳水化合物(负荷0.813)、酚类化合物(负荷0.783)和DOC(负荷0.771)含量、pH值(pH负荷−0.928和−0.909)支持_水和pH值_氯化钾和磷酸酶活性(负载0.886)，在较小程度上受Ca、Fe、Zn、Cu和Mn含量的影响(图2)。3.b;表格5)．沿着第二主成分F2，来自Lama Giulia (ROG)的黑色位点与另一地点的黑蝗(ROM)和同一地点的柏树(CYG)明显分离(图2)。3.a).该结果解释了20.06%的变化率，主要由K含量(负荷−0.740)和葡萄糖苷酶(负荷0.722)、脲酶(负荷0.701)和脱氢酶(负荷0.768)活性支持(表2)5)．

根据土壤有机碳含量划分，Lama Giulia土壤的有机碳含量普遍高于Locone湖土壤。相对于Locone湖和Lama Giulia遗址的黑蝗凋落物沉积约30年和17年，柏树土壤的有机碳含量高于黑蝗土壤的有机碳含量。此外，由于凋落物的贡献与植物类型有关，植物残体的质量也可能在C的封存中发挥作用²⁸其中，刺槐凋落物脂肪族碳的输入相对较高，而针叶树凋落物成分芳香性较强，分解速度较慢²⁹．

喇嘛朱利亚遗址与洛肯湖遗址在TKN内容上也有所不同。由于生物固氮作用(BNF)，刺槐土壤中TKN含量较高，而柏树土壤中TKN含量最高，主要与凋落物随时间的沉积有关，因为90-95%的土壤氮是有机的。当然，柏树也与根际有益微生物建立了关系，而BNF会受到环境条件的影响。Wei等人。^30.报道称,R。pseudoacaciaL.与许多不同的细菌种类形成结节，这可以解释黑刺槐在环境中的成功，但Schulze等人。³¹和Zahran³²共生关系和BNF对土壤水分有效性和干旱胁迫敏感。比如Veste和Kriebitzsch³³表明，在长期干旱胁迫下，由于极端干旱对BNF的负面影响，刺槐叶片N含量降低。尽管洋槐pseudoacaciaL.可以生长在半干旱的环境中，如阿普利亚地区的，它起源于年降雨量为1020至1830毫米的气候地区³⁴．因此，由于在阿普利亚，春末和夏季降雨量和蒸散量之间的平衡经常为负，干旱可能已经影响了BNF。

Lama Giulia土壤的pH值低于Locone湖土壤的pH值，且pH值与土壤SOC含量成反比，这是因为土壤有机质提供了大量的羧基形式的酸性质子，从而决定了pH值的降低³⁵．

根据PCA分析，Locone Lake位点的磷酸酶活性普遍低于Lama Giulia位点，而在各个位点内，Lama Giulia位点没有发现显著差异(表2)3.)，而Locone湖黑蝗的磷酸酶活性显著高于相应牧草(表24)．由于较高的土壤有机磷和全氮含量以及较低的pH值对磷酸酶活性的促进作用较大，因此结果与两地间和各地内的变化趋势基本一致。然而,警_艾娃是否已证明与磷酸酶活性无关³⁶．磷含量最高_艾娃在ROG中记录的几乎可以肯定与该地区存在的放牧牛有关，这些牛用它们的排泄物丰富了该地区，因为黑蝗也是牲畜和野生食草动物的食物来源。这一结果显然也得到了Lama Giulia遗址(ROG)黑刺槐土壤中Zn和Cu含量显著较高的证实，因为这些元素通常与动物粪便有关。

可溶性碳水化合物、酚类化合物和DOC是直接受地上和地下凋落物输入影响的土壤有机质的不稳定组分。总体而言，柏树凋落物中DOC含量最大，碳水化合物和酚类化合物含量数值较高，表明柏树凋落物质量较刺槐和牧草凋落物具有更好的维持土壤中活性有机C的作用，为土壤微生物活动提供能量来源。事实上，凋落物种类的化学成分，如木质素、多酚，以及c - n和木质素- n比值控制着凋落物分解和土壤微生物群的环境条件³⁷．事实上，大多数酶活性与土壤中有机碳和易降解有机化合物有关^38，39，刺激土壤微生物群落的生长。

主成分分析表明，CYG和ROM土壤的脱氢酶活性略高于ROG土壤，但幅度较小。脱氢酶活性是反映全球土壤微生物代谢活性和土壤生态系统健康状况的指标⁴⁰．脱氢酶是一种细胞内酶，只存在于活的微生物细胞中，因此是监测土壤代谢变化的可靠标记⁴¹．随着时间的推移，生态系统的代谢活动减少，并趋向于达到能量平衡^42，43结果表明，不同土壤表现出不同的环境条件，调节了土壤整体代谢的变化。胞外酶β-葡萄糖苷酶和尿素酶的活性也证实了这一结果，这两种酶分别参与有机质周转和土壤氮代谢⁴⁴．事实上，它们在ROG土壤中表现出较低的活性。

蛋白酶在每个地点的草地土壤上表现出明显的与树木相关的活性刺激(表3.而且4)，这是对土壤中TKN含量高于相应草场的反应，促进了土壤微生物群落对该酶的合成⁴⁵．

MBC是反映土壤-植被系统长期效应的土壤质量变化的可靠指标，与土壤有机碳含量(R²= 0.84)。即使没有将这两个地点分开，在Lama Giulia地区，由于长时间的凋落物投入增加了微生物的食物资源和土壤微生物的数量，在柏树土壤中MBC达到了显著的最高值。此外，De Marco等人。⁴⁶研究发现，由于刺槐凋落物提取物中存在4-羟基苯乙酚等抑制物质，影响了土壤微生物群落的丰度和活性以及微生物源性有机质的形成，导致刺槐土壤MBC和呼吸反应较低。

土壤微生物熵是土壤有机碳与MBC的比值，是衡量土壤有机碳质量及其周转率的敏感指标⁴⁷．它反映了土壤生态系统中活性有机碳的比例和土壤环境的变化⁴⁸．MBC一般占总SOC的1-4%⁴⁹．对比2个牧场，COM土壤微生物熵高于COG可能是由于前者土壤为沙质，这保证了更高的有机碳周转。同样的原因，ROM的MBC/SOC比ROG高。在Lama Giulia遗址，由于凋落物的沉积量和凋落物的质量，CYG土壤微生物熵略高但显著高。

的影响洋槐pseudocacia与相应草场相比，Locone湖上的L.显著提高了SOC和TKN含量。比较两个刺槐人工林，两个地点之间不同的土壤质地决定了Lama Giulia的这些参数值高于Locone湖，尽管后者比前者更早地重新造林。事实上，Locone湖的沙质土壤表现出更高的微生物熵和周转，特别是在未重新造林的土壤中，这表明其土壤状态不像Lama Giulia的粉质壤土那样保守。

在Lama Giulia遗址内，CYG土壤由于造林时间最长，某些化学和微生物参数值最高。相比之下，所研究的所有土壤参数在ROG和相应牧场之间几乎没有统计学差异，这表明约17年的黑刺槐造林显然不足以建立一般较好的土壤质量。