華山松人工林土壤酶活性與理化因子的通徑分析1)

舒蛟靖 陳奇伯 王艷霞 趙吉霞 李元玖

(西南林業(yè)大學，昆明，650224)

土壤酶是陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎，在土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動方面扮演著重要角色，這些過程之所以能夠持續(xù)進行，得益于土壤中酶的作用。酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝的一類重要動力，土壤中所進行的一切生物學和化學過程都是有酶的催化作用才能完成[1]。目前，在幾乎所有的森林生態(tài)體系研究中，土壤酶活性的監(jiān)測似乎成為必不可少的研究內(nèi)容[2]，土壤酶活性可以作為評價土壤質量的生物指標[3]。土壤酶的研究，有利于更好地理解土壤酶與土壤有機體的關系，從而更好地了解土壤中能量和營養(yǎng)元素的流動規(guī)律[4]。因為酶活性與土壤理化特性密切相關，所以研究土壤酶活性與土壤其它性質的關系主要是研究他們的相關性[5]。簡單的相關系數(shù)并不反映一個變量對另一個變量的直接作用，因而由簡單相關系數(shù)分析常常會得出錯誤的結論[6]，通徑分析能全面考查變量間的相互關系，消除變量間的混淆，真實的表現(xiàn)出各個自變量和因變量之間的關系[7]。

華山松(Pinus armandii)屬松科(Pinaceae)松屬(Pinus)單維管束松亞屬五針松組常綠喬木，系我國特有種，要求比較濕潤的生長環(huán)境，中國產(chǎn)的五針松中以華山松的分布范圍最廣，位于北緯23°30'～36°30'、東經(jīng) 92°50'～113°。華山松林的生態(tài)功能較強，保持水土、涵養(yǎng)水源和凈化環(huán)境成效顯著。華山松為重要用材和荒山造林樹種，除經(jīng)濟用途外，還具有重要的觀賞價值[8]。目前我國的華山松林研究還僅限于華山松生長量的預測、華山松群落結構特征、單一華山松林分凋落物分解速率和華山松混交林土壤微生物與酶活性研究[8－11]，用通徑分析法分析幾種不同林齡的華山松林土壤酶活性與土壤理化性質還鮮有報道。因此，本研究以磨盤山國家森林公園內(nèi)的華山松人工林地為研究對象，運用通徑分析方法揭示不同林齡華山松林下土壤理化性質與酶活性之間的直接和間接相關性，為今后滇中地區(qū)華山松林地的管理和經(jīng)營提供一定的理論參考。

1 研究區(qū)概況

磨盤山國家森林公園地處云貴高原、橫斷山地和青藏高原南緣的地理結合部。地處東經(jīng)101°16'06″～101°16'12″，北緯 23°46'18″～23°54'34″，海拔1260.0～2614.4 m，磨盤山屬云嶺南延支脈，第四紀喜馬拉雅造山運動期間，由于地面抬升，河流下切，高差增大，而形成今天深度切刈的山地地貌。磨盤山國家森林公園地處低緯度高原，是云南亞熱帶北部與亞熱帶南部的氣候過渡地區(qū)，又有著典型的山地氣候特點。年平均氣溫15℃，年平均降水量為1050 mm。極端最高氣溫33.0℃，極端最低氣溫－2.2℃，全年日照時間2380 h。土壤以山地紅壤和玄武巖紅壤為主，高海拔地區(qū)有黃棕壤分布。樣地的基本情況見表1，主要的林下植被有滇潤楠(Machilus yunnanensis)、厚皮香(Ternstroemia gymnanthera)、棠梨(Pyrus pashia)、旱冬瓜(Alnus nepalensis)、銀木荷(Schima argentea)、楊梅(Myrica rubra)、菝葜(Smilax china)、粗葉懸鉤子(Rubus alceaefolius)、紫莖澤蘭(Ageratina adenophora)、沿階草(Ophiopogon japanicus)、邊果鱗毛蕨(Dryopteri daceae)、大葉懸鉤子(Rubus corchorifolius)、光葉泡花樹(Meliosma cuneifolia Franch)、矛葉藎草(Arthraxon lanceolatus)、云南崖爬藤(Tetrastigma yunnanense)等。

表1 磨盤山國家森林公園華山松人工林樣地基本概況

2 研究方法

2.1 樣品采集

于2013年4月末對磨盤山國家森林公園進行全面踏查，分別選擇現(xiàn)存的16、23、43年生的華山松林林地土壤作為研究對象，在各樣地設置3個20 m×20 m的標準地，在標準地內(nèi)調查華山松的樹齡、樹高、胸徑以及各種伴生植物。標準地內(nèi)設立3個典型地段作為采樣點，每個采樣點去除表層枯枝落葉，挖掘土壤剖面，分別在 0～20、≥20～40、≥40～60 cm土層采集3個環(huán)刀和3個鋁盒，并將3個樣點相同土層土樣等比例混勻，除去石塊和殘根，用四分法取土500 g左右分層裝袋密封，帶回實驗室，一部分鮮土放在冰箱內(nèi)4℃保存，用于分析土壤酶活性，其余部分經(jīng)過陰干，研磨，分別過 1.00、0.25 mm 篩，裝袋待測。

2.2 測定項目及方法

環(huán)刀法測定土壤密度。擴散法測定全氮。堿解—擴散法測定堿解氮。氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法測定全磷。氫氧化鈉堿熔—火焰光度法測定全鉀。3，5－二硝基水楊酸比色法測定土壤轉換酶，以24 h后1 g土壤中葡萄糖的質量表示轉換酶活性。比色法測定脲酶，以24 h后1 g土壤中NH3—N的質量表示脲酶活性。高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶，以 20 min 后 1 g 土壤的 0.1 mol·L－1高錳酸鉀的毫升數(shù)表示[12－13]，[14]239－254。

2.3 數(shù)據(jù)的處理

采用Excel對數(shù)據(jù)進行整理，運用Spss11.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行LSD多重比較法檢驗土壤理化性質差異顯著性。

3 結果與分析

3.1 土壤理化性質

不同林齡華山松林地土壤理化性質見表2。由表2可見，3個華山松林地土壤均呈微酸性。從3個不同林地的理化因子來看，在中齡林—近熟林—成熟林的發(fā)育進程中，土壤表層的各物質含量有一個明顯的先上升后下降的趨勢。而在≥20～40、≥40～60 cm土層中，各物質質量分數(shù)基本趨于穩(wěn)定。

3.2 土壤酶活性特征

隨著華山松林的生長發(fā)育，不同類別的土壤酶活性呈現(xiàn)出不同的動態(tài)變化特征。如表3所示，過氧化氫酶活性在華山松中齡林表現(xiàn)為隨土層增加而逐漸降低，進入到近熟林和成熟林階段后，各土層的酶活性趨于一致，酶活性在≥20～40、≥40～60 cm土層中有一個顯著地提高。土壤脲酶活性隨華山松林的生長發(fā)育未表現(xiàn)出較大的浮動，而土壤轉換酶從近熟林到成熟林階段有一個較大幅度的下降。土壤轉換酶與脲酶酶活性在華山松的3個不同發(fā)育階段均為土壤表層高于深層。

3.3 土壤酶活性與土壤理化性質的通徑分析

3.3.1 土壤理化性質與土壤酶活性的相關分析

相關分析表明，土壤理化因子與土壤脲酶、過氧化氫酶、轉化酶活性存在著極為密切的關系。土壤脲酶活性和過氧化氫酶活性與全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有機質和密度呈極顯著相關，其中全鉀與二者酶活性為極顯著負相關。pH值則與過氧化氫酶和脲酶活性相關性不顯著。轉化酶活性與全氮、全磷、堿解氮、有機質和pH有極顯著關系。土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有機質和密度之間相關性較高，均達到極顯著水平(表4)。

表2 磨盤山國家森林公園華山松人工林土壤理化因子

表3 磨盤山國家森林公園華山松人工林土壤酶活性

表4 磨盤山國家森林公園華山松人工林土壤理化性質與土壤酶活性的相關系數(shù)

3.3.2 土壤理化性質與土壤酶活性的直接和間接作用

將土壤理化性質和土壤酶活性進行多元回歸分析，得到標準化多元回歸方程:

式中:U1、U2、U3分別為標準化的脲酶活性、過氧化氫酶活性和轉化酶活性;X1為全氮;X2為全磷;X3為全鉀;X4為堿解氮;X5為有機質;X6為pH值;X7為土壤密度。

通徑分析通過直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)表示相關變量間原因對結果的直接效應和間接效應，其中間接通徑系數(shù)是直接通徑系數(shù)與各因子之間相關系數(shù)的乘積[15]。土壤理化因子中，土壤密度對土壤脲酶活性具有較大的直接負效應(－0.503)，其次是pH、有機質、全鉀、全磷和堿解氮對土壤脲酶活性有一定的直接作用，直接通徑系數(shù)分別達到－0.194、0.175、－0.167、0.140 和 0.134。pH 通過自身和其他理化因子對土壤脲酶活性均影響較低，難以與土壤脲酶活性達到顯著性水平。有機質、全磷、全鉀和堿解氮通過其它理化因子對土壤脲酶的間接作用遠大于其本身的直接作用，并且與土壤脲酶活性都達到了極顯著水平。全氮對脲酶活性的直接作用最弱，只有－0.045。雖然全氮對脲酶活性的直接作用較小，但是它們通過其他理化因子影響到土壤脲酶活性的間接作用總和達到0.872，與土壤脲酶活性達到了極顯著相關(表5)。

土壤理化因子對過氧化氫酶活性的直接作用系數(shù)大小順序為土壤密度、有機質、全磷、全氮、全鉀、pH、堿解氮。土壤密度和全磷對土壤過氧化氫酶活性的直接通徑系數(shù)分別為－0.754和 0.445，而通過其他理化因子所得到的間接通徑系數(shù)卻很小，說明土壤密度和全磷對過氧化氫酶活性主要通過其直接作用來影響土壤過氧化氫酶活性，表現(xiàn)為強烈的負效應和正效應。全氮、pH和有機質對土壤過氧化氫酶活性都表現(xiàn)出較大的負效應，但是其通過其它理化因子的間接正效應，使得最終總和表現(xiàn)為正效應。全鉀對土壤過氧化氫酶活性直接通徑系數(shù)為－0.381，間接通徑系數(shù)總和為－0.367，說明全鉀通過其它理化因子使得對土壤過氧化氫酶活性的負效應進一步增強。堿解氮對土壤過氧化氫酶活性的直接通徑系數(shù)相對較小，其對土壤過氧化氫酶活性的影響主要通過其它理化因子的正效應表現(xiàn)出來的(表5)。

在這7種理化因子中，堿解氮對土壤轉化酶的直接通徑系數(shù)只有0.048，而其通過其它理化因子對土壤轉化酶的間接通徑系數(shù)卻達到0.613，說明堿解氮主要是通過其它理化因子的間接作用來影響土壤轉化酶活性的。土壤全氮、全磷和有機質對土壤轉化酶的直接和間接通徑系數(shù)都為正，說明在土壤中它們對土壤轉換酶不僅表現(xiàn)出直接的正效應，還通過其他的理化因子來加強這種正效應。土壤密度對土壤轉換酶表現(xiàn)出直接的正效應，但是其通過其他理化因子表現(xiàn)出的負效應抵消了直接的正效應，使得最終土壤密度對土壤轉換酶表現(xiàn)為一定的負效應。pH對土壤轉換酶的直接和間接通徑系數(shù)都較大，說明土壤轉化酶活性容易受pH的影響。相反，全鉀對土壤轉化酶活性的直接和間接通徑系數(shù)都較小，說明全鉀對轉換酶活性影響不大(表5)。

3.3.3 土壤理化性質對土壤酶活性通徑分析的決定系數(shù)

由表6可見，土壤密度對脲酶影響最大，決定系數(shù)達到0.253，其次全鉀、有機質、全磷也都通過與土壤密度的相互作用決定著脲酶的活性，決定系數(shù)分別為 0.146、0.134、0.098。其它土壤理化性質如堿解氮、pH等也都通過自身的直接作用或與其它理化因子的間接作用決定著脲酶活性，但相對決定性較小。對過氧化氫酶活性影響排在前5位的為土壤密度與其它理化因子的交互作用或土壤密度的自身作用，說明土壤密度是影響過氧化氫酶活性的關鍵因子。相對于其它酶，轉換酶的活性受pH影響最大，由pH直接作用的決定系數(shù)為0.273，排在首位。其次為土壤密度、pH和全氮與有機質的相互作用，分別排在2、3、4位。由此可知，pH、有機質、土壤密度和全氮是影響轉換酶活性的主要理化因子。綜上可知，土壤有機質(X5)、土壤密度(X7)在很大程度上決定了3種酶活性。決定系數(shù)排名前兩位的幾乎都有有機質或土壤密度。

4 討論

4.1 華山松林對土壤理化性質和土壤酶活性的影響

華山松根系較淺，主根不明顯，側根、須根發(fā)達，所以研究0～60 cm層的土壤能更好的了解到華山松在生長發(fā)育過程中與養(yǎng)分的相互關系。華山松林在中齡林—近熟林—成熟林的發(fā)育進程中，土壤養(yǎng)分在近熟林達到了最高，呈先增加后下降的趨勢，其原因是在華山松中齡林階段，林木生長快速，利用土壤養(yǎng)分的效率較高，土壤養(yǎng)分的消耗大于養(yǎng)分的歸還，表現(xiàn)出土壤養(yǎng)分相對較低。到近熟林階段后，林木生長速率下降，從土壤中吸收的養(yǎng)分降低和凋落物對土壤輸入的增加，使得土壤養(yǎng)分得到積累。進入成熟林階段，林木生長進入穩(wěn)定期，根系生長緩慢且各種分泌物減少，部分酶活性降低，養(yǎng)分回歸率減緩，土壤的養(yǎng)分含量逐漸趨于穩(wěn)定。這與龐學勇、劉福德和 Aikio 等的研究[16－18]相一致。趙國武[19]的研究也很好地證實了華山松的快速生長期出現(xiàn)在中齡林階段。華山松林地土壤呈微酸性，這主要由于針葉林含有較高的有機酸會導致土壤酸化[20]。此外，降雨的酸化也會近一步導致土壤偏酸性。不同林齡華山松林的土壤酶活性表現(xiàn)出不同的變化。隨著華山松林齡的增加，脲酶活性無顯著變化，轉換酶活性持續(xù)降低，過氧化氫酶活性則是有所增加。土壤酶活性不僅受到土壤理化性質和水熱狀況等的影響，還與不同林分的生物學性質和環(huán)境條件有關[21－22]。

表6 磨盤山國家森林公園華山松人工林土壤理化性質對土壤酶活性的通徑分析決定系數(shù)

4.2 華山松林土壤理化性質和土壤酶活性的關系

土壤脲酶是一種參與有機態(tài)氮素分解的重要酶，專門水解有機態(tài)轉換過程的中間產(chǎn)物尿素，使其轉換為氨為林木所用[23]。本研究得出，土壤全氮、堿解氮和有機質質量分數(shù)與土壤脲酶呈極顯著正相關(P＜0.01)，這與王君等[24]對滇西北藏區(qū)土壤脲酶活性研究相一致。從本研究對脲酶的通徑分析可以看出，土壤全氮、堿解氮和有機質與脲酶的相關性都通過土壤密度來達到顯著性增強，并且土壤密度與土壤脲酶活性也達到了極顯著的負相關(P＜0.01)。說明土壤密度越小，有機質的歸還量和分解速度越快，其含有的有機質質量分數(shù)越高。有機質質量分數(shù)的升高為脲酶提供了大量的酶促反應底物，脲酶的活性得到進一步加強，土壤中的氮素循環(huán)加快，各種與氮質量分數(shù)有關的理化因子得到顯著提高。

土壤過氧化氫酶活性與土壤呼吸強度和土壤微生物活動相關[14]118－162，其活性高低可以反應土壤解除呼吸過程中產(chǎn)生的過氧化氫的能力[23]。本研究結果顯示，土壤密度與土壤過氧化氫酶活性依舊達到極顯著水平(P＜0.01)，說明土壤密度越小，土壤呼吸強度與土壤微生物活動越強，因而土壤過氧化氫酶活性越大。有研究表明[15]，有機質對過氧化氫酶活性的影響非常強烈。本研究的通徑分析表明，有機質對土壤過氧化氫酶活性具有很強的負效應，但是通過其他的理化因子所表現(xiàn)出的正效應與之抵消，最終表現(xiàn)為顯著的正相關。全磷對土壤過氧化氫酶活性不僅具有較強的直接作用，而且還通過其他理化因子的間接作用來影響過氧化氫酶活性，其原因可能是土壤呼吸和土壤微生物活動過程中，全磷質量分數(shù)的多少直接影響到土壤呼吸和微生物活動的強弱，因而直接影響過氧化氫酶活性的高低。

土壤轉換酶活性與土壤許多理化因子如有機質、氮、磷質量分數(shù)等有一定的相關性[15]，其活性的大小還與土壤中微生物的數(shù)量及其活動呈正相關[14]176－188。本研究的相關性分析不僅證實了上述研究，還發(fā)現(xiàn)土壤轉換酶與pH存在極顯著的負相關。從通徑分析來看，pH與土壤酶活性存在直接的負相關性，其內(nèi)在的原因可能是在酸性土壤環(huán)境中，轉換酶處在較適宜的pH之下，pH值的變化易導致酶活性的較大變動。在一定范圍內(nèi)，pH值越小，轉換酶活性越大。因此，pH值與土壤轉換酶存在極顯著的負相關性。土壤脲酶與土壤過氧化氫酶活性之所以與pH值未表現(xiàn)出相關性是由于在酸性條件下，脲酶和過氧化氫酶活性均被抑制，pH值的微弱變動不能導致酶活性的大幅度變化。王涵等[25]的pH變化對酸性土壤酶活性的影響也證實了類似的觀點。

5 結論

華山松人工林由中齡林到成熟林的發(fā)育進程中，土壤養(yǎng)分質量分數(shù)和土壤酶活性均是表層土壤高于深層土壤，隨著土層深度的增加而遞減。由相關系數(shù)和通徑分析可知，土壤有機質和密度是影響該區(qū)土壤酶活性的主導因子;全氮、全磷和堿解氮等理化因子的間接作用是影響土壤脲酶活性的主要因子;土壤全磷質量分數(shù)對土壤過氧化氫酶強烈的直接作用和通過其它理化因子表現(xiàn)出的間接作用使其在很大程度上決定著過氧化氫酶活性;土壤pH值也是影響土壤轉換酶活性的重要因素。通徑分析不僅能很好地考察因變量和自變量之間的相關性，而且能揭示出它們之間的直接或是間接作用。較常規(guī)的相關分析和回歸分析方法相比，通徑分析更能全面和客觀的評價土壤理化因子和土壤酶之間的關系。

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