南滾河自然保護(hù)區(qū)森林土壤酶活性對(duì)海拔升高的響應(yīng)*

任玉連 陸 梅 曹乾斌 李 聰 馮 峻 王志勝

(1.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院 昆明 650224；2.云南省林木種苗工作總站 昆明 650215；3.云南南滾河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)滄源管理局 滄源 677499)

土壤酶是森林土壤的重要組分，影響土壤有機(jī)物合成、分解與轉(zhuǎn)化等重要生態(tài)學(xué)過程，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和能量流動(dòng)具有重要調(diào)控作用(Songetal.，2012；Mayoraetal.，2016)。同時(shí)，土壤酶也是森林監(jiān)測(cè)、森林土壤肥力評(píng)價(jià)以及森林生態(tài)系統(tǒng)變化預(yù)警的敏感指標(biāo)(Christensenetal.，1982；王鵬飛等，2017；Badianeetal.，2001)。研究表明，土壤理化性質(zhì)變化顯著影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)(Stricklandetal.，2017)、底物擴(kuò)散(Koch，1990)和底物的有效性，從而間接影響酶活性(Chen etal.，2017；Wangetal.，2013)。谷曉楠等(2017)研究發(fā)現(xiàn)，隨海拔梯度變化，植物群落組成、凋落物性質(zhì)、水熱條件、土壤理化性質(zhì)等均發(fā)生相應(yīng)改變。金裕華等(2011)研究認(rèn)為，土壤酶活性能敏感地響應(yīng)不同海拔下土壤碳、氮含量的變化。曹瑞等(2016)也發(fā)現(xiàn)，高山峽谷區(qū)不同土壤酶對(duì)土壤含水量、有機(jī)碳、全氮和全磷含量沿海拔梯度變化的響應(yīng)存在顯著差異。海拔梯度變化能夠影響降水、溫度、土壤養(yǎng)分(Jangetal.，2010；Meganetal.，2016)、植被群落結(jié)構(gòu)(Djukicetal.，2010)和土壤微生物群落組成(Feudisetal.，2017)，因此，對(duì)沿海拔梯度變化出現(xiàn)的植被類型、微氣候和土壤理化性質(zhì)的變化，土壤酶可能在其結(jié)構(gòu)、組成和活性等方面做出一定響應(yīng)；同時(shí)，調(diào)控不同區(qū)域土壤酶活性的主導(dǎo)因子可能存在一定差異，使得土壤酶活性對(duì)微氣候、植物和土壤沿海拔梯度變化的響應(yīng)存在地區(qū)差別。探討土壤酶活性對(duì)植被、氣候及海拔梯度變化的響應(yīng)具有重要意義。

云南南滾河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)地處南亞熱帶邊緣，森林植被群落結(jié)構(gòu)隨海拔升高變化明顯，且不同海拔植被帶的水熱條件、植被群落多樣性和土壤理化性質(zhì)存在顯著的空間異質(zhì)性，是研究過渡帶森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的理想場(chǎng)地。本研究選取南滾河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)3種不同海拔梯度典型植被帶(溝谷雨林、半常綠季雨林和中山濕性常綠闊葉林)，研究植被群落結(jié)構(gòu)、微氣候和土壤理化性質(zhì)沿海拔梯度的變化特征及其與土壤酶活性的關(guān)系，進(jìn)而闡明土壤酶活性對(duì)海拔升高的響應(yīng)特征，以期為理解南滾河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)不同海拔水熱條件-植被-土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性之間的相互作用過程和機(jī)制提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

云南南滾河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(23°22′57″—23°31′99″E，98°98′87″—99°21′10″N)地處橫斷山系怒山山脈的南延部分，為滇西縱谷區(qū)。氣候?yàn)槟蟻啛釒У途暽降丶撅L(fēng)氣候，夏秋多雨、冬春干旱、干濕季分明。區(qū)內(nèi)地勢(shì)高低起伏，相對(duì)高差2 467 m。年均溫差沿海拔升高由22.8 ℃降至9.6 ℃，全年無霜期由365天逐漸降至280天左右，年降水量由1 340.1 mm增至2 592.0 mm。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在南滾河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，選取3種不同海拔梯度的典型植被帶，即溝谷雨林(RF)、半常綠季雨林(HF)和中山濕性常綠闊葉林(MF)。每種海拔梯度隨機(jī)設(shè)置3塊25 m×25 m重復(fù)樣地，樣地間距約10 m，其基本情況見表1。

2.2 土壤樣品采集

2016年5月，運(yùn)用三點(diǎn)混合取樣法采集土壤，分別在每塊樣地對(duì)角線上設(shè)置3個(gè)1 m×1 m采樣點(diǎn)，除去土壤表面凋落物，使用環(huán)刀分層采集0～20、20～40和40～60 cm土層土壤樣品，剔除石礫和根系等雜物后混合3個(gè)取樣點(diǎn)的土壤，用四分法取適量土壤裝入無菌自封袋，放入4 ℃便攜式冰箱保存。將上述土樣進(jìn)行如下處理：一部分樣品(200 g)用于測(cè)定土壤含水量；一部分(1 000 g)室內(nèi)自然風(fēng)干、磨細(xì)過篩，用于測(cè)定土壤含水量、密度、pH及有機(jī)碳、全氮、水解性氮、全磷、有效磷、全鉀和速效鉀含量；另一部分(1 000 g)冷藏于冰箱中，用于2周內(nèi)測(cè)定土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性。共采集81份土樣。

2.3 環(huán)境因子測(cè)定

氣溫和降水量數(shù)據(jù)來源于自然保護(hù)區(qū)氣象站。土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法參照《土壤理化分析手冊(cè)》(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，1987)。土壤含水量采用烘干法測(cè)定；土壤密度采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤pH值采用電位法測(cè)定(土水比1∶2.5)；有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；全氮含量采用硫酸-高氯酸消化凱氏定氮法(福斯KJ800定氮儀)測(cè)定；水解性氮含量采用堿解擴(kuò)散吸收法測(cè)定；全磷和有效磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀含量采用氫氧化鈉熔融火焰光度計(jì)法測(cè)定；速效鉀含量采用乙酸銨浸提火焰光度計(jì)法測(cè)定。每個(gè)土壤樣品至少重復(fù)測(cè)定3次，取平均值。土壤溫度采用地溫計(jì)插入不同海拔土層5 cm深處測(cè)量，每種海拔土層重復(fù)測(cè)量3次，取平均值。

表1 樣地基本情況

2.4 土壤酶活性測(cè)定

土壤酶活性測(cè)定分析方法參照文獻(xiàn)關(guān)松蔭(1986)。土壤脲酶活性采用苯酚鈉次氯酸鈉顯色法測(cè)定，以24 h內(nèi)1 g土中NH4+-N的毫克數(shù)表示(mg·g-1)；蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸顯色法測(cè)定，以24 h后1 g土中生成葡萄糖的毫克數(shù)表示(mg·g-1)；過氧化氫酶活性采用KMnO4滴定法測(cè)定，以1 g土1 h內(nèi)消耗0.1 mol·L-1KMnO4的量表示(mL·g-1)；多酚氧化酶活性采用鄰苯三酚比色法測(cè)定，以2 h后1 g土中紫色沒食子素的量表示(mg·g-1)；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定，以24 h后1 g土中釋放出酚的量表示(mg·g-1)。每個(gè)土壤樣品至少重復(fù)測(cè)定3次，取平均值。

2.5 植物群落多樣性測(cè)定

采用物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和物種豐富度指數(shù)測(cè)度植物群落的多樣性(馬克平等，1995)。

Margalef豐富度指數(shù)(R)計(jì)算方法為：

R=S-1/lnN。

式中：S為種i所在樣方不同植被帶樣地的物種總數(shù)；N為種i所在樣方采樣點(diǎn)各個(gè)種的個(gè)體數(shù)量之和。

Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(H)計(jì)算方法為：

式中：Pi為種i的相對(duì)密度，Pi=ni/N；ni為種i的個(gè)體數(shù)量。

Simpson指數(shù)(D)計(jì)算方法為：

Pielou均勻度指數(shù)(J)計(jì)算方法為：

J=H/lnS。

2.6 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和作圖；運(yùn)用單因素方差(ANOVA)分析法檢驗(yàn)土壤理化性質(zhì)和酶活性的差異性，通過LSD法進(jìn)行顯著性多重比較，差異顯著性水平設(shè)置為α=0.05。利用Canoco 4.5 for Windows軟件對(duì)土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)間的關(guān)系進(jìn)行分析。由于在對(duì)指標(biāo)進(jìn)行趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)梯度長(zhǎng)度最大值小于3，因此本研究采用線性模型中的冗余分析進(jìn)行趨勢(shì)分析。采用蒙特卡洛檢驗(yàn)對(duì)土壤理化性質(zhì)進(jìn)行重要性排序。對(duì)土壤酶活性有極顯著影響且解釋量在50%以上的12個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行深入分析，進(jìn)一步確定單一環(huán)境因子對(duì)土壤酶活性的影響，分析采用Canoco 4.5中的T-value雙序圖進(jìn)行檢驗(yàn)，明確各環(huán)境因子與各土壤酶活性的關(guān)系，若某個(gè)土壤酶活性指標(biāo)的箭頭連線完全落入線圈中，則代表該土壤酶活性與土壤理化指標(biāo)具有顯著相關(guān)性，其中落入實(shí)線圈表示呈顯著正相關(guān)，落入黑色虛線圈表示呈顯著負(fù)相關(guān)(解雪峰等，2018)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同海拔梯度植被帶的水熱條件及植被群落多樣性差異

由表2可知，各植被帶的年均氣溫、年均降水量和土壤溫度差異顯著(P<0.05)。年均氣溫和土壤溫度隨海拔升高而降低，即溝谷雨林>半常綠季雨林>中山濕性常綠闊葉林，而年均降水量隨海拔升高而增加，即溝谷雨林<半常綠季雨林<中山濕性常綠闊葉林。

表2 不同植被帶水熱條件特征①

① 同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，最大的平均數(shù)標(biāo)記為a。下同。Different lower-case letters in the same column indicates significant differences(P<0.05), the maximun mean value mark as a.The same below.

由表3可知：Margalef 豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、Simpson 指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)隨海拔升高的變化趨勢(shì)顯著不同(P<0.05)。Margalef 豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)均隨海拔升高而減少，即溝谷雨林>半常綠季雨林>中山濕性常綠闊葉林，溝谷雨林與半常綠季雨林和中山濕性常綠闊葉林間差異顯著(P<0.05)，半常綠季雨林與中山濕性常綠闊葉林間差異不顯著(P>0.05)；Simpson 指數(shù)隨海拔升高而增加，即溝谷雨林<半常綠季雨林<中山濕性常綠闊葉林，3者之間差異均顯著(P<0.05)。

表3 不同海拔梯度植被帶的多樣性指數(shù)

3.2 不同海拔梯度植被帶的土壤理化性質(zhì)差異

土壤理化性質(zhì)隨海拔升高呈現(xiàn)不同變化規(guī)律(表4)，且差異顯著(P<0.05)。土壤密度(溝谷雨林、半常綠季雨林和中山濕性常綠闊葉林分別為1.38、1.11和1.06 g·cm-3)和pH(溝谷雨林、半常綠季雨林和中山濕性常綠闊葉林分別為5.53、5.13和4.22)隨海拔升高而降低；土壤含水量及有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、水解性氮、有效磷和速效鉀含量則隨海拔升高而增加，中山濕性常綠闊葉林的土壤含水量及有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、水解性氮、有效磷和速效鉀含量分別是溝谷雨林的1.43、6.55、5.31、3.28、3.01、3.7和3.11倍。

不同海拔梯度植被帶的土壤理化性質(zhì)沿土層深度呈現(xiàn)不同變化規(guī)律，且差異顯著(P<0.05)。半常綠季雨林和中山濕性常綠闊葉林的土壤密度、pH值和C/N均在40～60 cm土層最大，表現(xiàn)為隨土層加深而增加；土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、水解性氮、有效磷含量和土壤含水量在0～20 cm土層最高，在40～60 cm土層最低，表現(xiàn)為隨土層加深而減少；溝谷雨林的土壤含水量在0～20 cm土層最高，在20～40 cm土層最低，且土壤C/N在20～40 cm土層最高，土壤密度和pH值均在40～60 cm土層最大。

3.3 不同海拔梯度植被帶的土壤酶活性差異

土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性在不同海拔梯度植被帶間均差異顯著(P<0.05)，表現(xiàn)為中山濕性常綠闊葉林(土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性分別為301.13、24.76和7.36 mg·g-1)>半常綠季雨林(土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性分別為168.17、14.25和2.03 mg·g-1)>溝谷雨林(土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性分別為122.03、10.86和0.88 mg·g-1)。土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均表現(xiàn)為0～20 cm土層最高，40～60 cm土層最低。土壤脲酶活性和蔗糖酶活性在各土層均差異顯著(P<0.05)；土壤酸性磷酸酶活性除在半常綠季雨林中表現(xiàn)為0～20 cm土層顯著(P<0.05)大于20～40和40～60 cm土層外，在其他海拔梯度植被帶的各土層間差異不顯著。相同土層的土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性隨海拔升高呈增加趨勢(shì)，但也表現(xiàn)出一定差異性。不同梯度土壤脲酶和酸性磷酸酶活性在相同土層差異顯著(P<0.05)，而溝谷雨林與半常綠季雨林之間的蔗糖酶活性在20～40 cm和40～60 cm土層差異不顯著。土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均隨土層加深逐漸降低(圖1)。

不同海拔梯度植被帶土壤多酚氧化酶活性總體上隨海拔升高而減弱，即溝谷雨林(1.18 mg·g-1)>半常綠季雨林(0.62 mg·g-1)>中山濕性常綠闊葉林(0.40 mg·g-1)，且隨土層加深而降低。除半常綠季雨林多酚氧化酶活性在20～40 和40～60 cm土層間差異不顯著外，其他海拔梯度植被帶各土層間差異均顯著(P<0.05)。不同海拔相同土層的多酚氧化酶活性均以溝谷雨林土壤最高，除溝谷雨林與半常綠季雨林40～60 cm土層間多酚氧化酶活性差異不顯著外，其余均有顯著差異(P<0.05)(圖1)。

土壤過氧化氫酶活性表現(xiàn)為中山濕性常綠闊葉林(1.44 mL·g-1)>半常綠季雨林(0.93 mL·g-1)>溝谷雨林(0.79 mL·g-1)，且隨土層加深而增加，在40～60 cm土層達(dá)到峰值。同一海拔植被帶，3個(gè)土層間的土壤過氧化氫酶活性差異顯著(P<0.05)。不同海拔相同土層過氧化氫酶活性均以中山濕性常綠闊葉林土壤最高，且在0～20和40～60 cm土層溝谷雨林與半常綠季雨林間差異不顯著，二者與中山濕性常綠闊葉林間有顯著差異(P<0.05)；半常綠季雨林與中山濕性常綠闊葉林間20～40 cm土層差異不顯著，二者與溝谷雨林間有顯著差異(P<0.05)(圖1)。

3.4 土壤酶活性與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系

3.4.1 土壤酶活性與環(huán)境因子的RDA排序 表5為環(huán)境因子對(duì)5種土壤酶活性差異性的解釋量，5種土壤酶活性在第Ⅰ和Ⅱ軸的解釋量分別為98.8%和0.6%，即前2軸18種環(huán)境因子可累計(jì)解釋土壤酶活性特征的99.4%，且對(duì)土壤酶活性與環(huán)境因子關(guān)系的累計(jì)解釋量達(dá)到100%。這表明前2軸能反映土壤酶活性與環(huán)境因子關(guān)系的絕大部分信息，且主要由第Ⅰ軸決定。

從土壤酶活性與環(huán)境因子的二維排序(圖2)可知，土壤全磷含量、含水量、pH值、有機(jī)碳含量、年均氣溫、土壤溫度、水解性氮含量、年均降水量、全氮含量和全鉀含量的箭頭連線較長(zhǎng)，能較好地解釋土壤酶活性的差異。含水量和全磷含量與脲酶活性、有機(jī)碳含量與酸性磷酸酶活性、有效磷含量、全氮含量和水解性氮活性與蔗糖酶活性的夾角小，且呈顯著正相關(guān)，說明含水量、全磷含量是影響脲酶活性的主導(dǎo)因子，有機(jī)碳含量主要影響酸性磷酸酶活性，有效磷、全氮和水解性氮含量主要影響蔗糖酶活性。土壤密度和pH值與脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性呈較強(qiáng)負(fù)相關(guān)；年均氣溫、土壤溫度、Margalef 豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)與過氧化氫酶、脲酶和酸性磷酸酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)，與多酚氧化酶活性呈正相關(guān)；年均降水量與過氧化氫酶、脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性呈正相關(guān)，與多酚氧化酶活性呈負(fù)相關(guān)。

表4 不同海拔梯度植被帶的土壤理化性質(zhì)①

①在同一土層，不同海拔梯度植被帶間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)；在不同土層，同一海拔植被帶間不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05)Different lower-case letters indicates a significant differences(P<0.05)among vegetation zones at different elevation gradients in the same soil layer, different capital letters indicates a significant differences(P<0.05)among the same elevation vegetation zones in different soil layers.

圖1 不同海拔梯度植被帶各土層土壤酶活性

圖2 土壤酶活性與環(huán)境因子的冗余度分析

綜上可知，不同環(huán)境因子對(duì)土壤酶活性的影響差異較大。進(jìn)一步使用蒙特卡洛檢驗(yàn)對(duì)影響酶活性的環(huán)境因子重要性進(jìn)行排序，可得全磷含量>含水量>pH>有機(jī)碳含量>年均氣溫>土壤溫度>水解性氮含量>年降水量>全氮含量>全鉀含量>Margalef 豐富度指數(shù)>土壤密度>速效鉀含量>有效磷含量>Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)>Pielou 均勻度指數(shù)>C/N>Simpson 指數(shù)(表6)。重要性排序1～10的各因子解釋量明顯高于其他因子。相關(guān)分析顯示，除C/N和Simpson 指數(shù)對(duì)土壤酶活性影響較小且未達(dá)顯著水平外，其余環(huán)境因子對(duì)土壤酶活性的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

3.4.2 單一環(huán)境因子對(duì)土壤酶活性的影響 由圖3a可知，全磷含量與過氧化氫酶、脲酶和酸性磷酸酶活性呈正相關(guān)，與多酚氧化酶和蔗糖酶活性呈負(fù)相關(guān)。由圖3b可知，酸性磷酸酶活性箭頭完全落入實(shí)踐圈內(nèi)，脲酶和蔗糖酶活性箭頭大部分落入實(shí)踐圈內(nèi)，過氧化氫酶活性箭頭部分落入虛線圈內(nèi)，多酚氧化酶活性箭頭未落入線圈內(nèi)，說明土壤含水量對(duì)酸性磷酸酶活性影響較大，對(duì)脲酶和蔗糖酶活性影響次之，土壤含水量增減對(duì)過氧化氫酶活性具有抑制作用，而對(duì)多酚氧化酶活性無影響。由圖3c可知，土壤pH與多酚氧化酶活性呈正相關(guān)，與過氧化氫酶、脲酶和酸性磷酸酶活性呈負(fù)相關(guān)。由圖3d可知，多酚氧化酶和蔗糖酶活性箭頭落入有機(jī)碳的虛線圈內(nèi)，而過氧化氫酶活性箭頭完全落入實(shí)線圈內(nèi)，脲酶和酸性磷酸酶活性箭頭部分落入實(shí)線圈內(nèi)，說明有機(jī)碳含量與過氧化氫酶活性呈極顯著正相關(guān)，對(duì)多酚氧化酶和蔗糖酶活性起抑制作用。由圖3e、g和j可知，年均氣溫、水解性氮含量和全鉀含量與多酚氧化酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶4種酶活性呈正相關(guān)，與過氧化氫酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)。由圖3f可知，土壤溫度與多酚氧化酶活性呈正相關(guān)，與過氧化氫酶、脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性呈負(fù)相關(guān)，表明土壤溫度僅對(duì)多酚氧化酶活性具有促進(jìn)作用。由圖3h可知，年均降水量與多酚氧化酶和蔗糖酶活性呈正相關(guān)，與過氧化氫酶活性呈負(fù)相關(guān)。由圖3i可知，全氮與多酚氧化酶和蔗糖酶活性呈正相關(guān)，與脲酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性呈負(fù)相關(guān)。由圖3k可知，Margalef豐富度指數(shù)與脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性呈負(fù)相關(guān)。由圖3l可知，土壤密度與過氧化氫酶活性呈正相關(guān)，與多酚氧化酶和蔗糖酶活性呈負(fù)相關(guān)。

表5 土壤酶活性RDA排序的特征值及累積解釋量

表6 環(huán)境因子變量解釋的重要性排序和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

4 討論

4.1 土壤酶活性對(duì)植物群絡(luò)多樣性及水熱條件的響應(yīng)

海拔梯度變化是決定生境差異的主導(dǎo)因子，繼而制約著植物群落的空間分布格局(馬克平等，1995)，植物種類和組成不同，其根系分泌物和枯落物的質(zhì)和量就不同，從而可能引起土壤酶活性差異(楊萬(wàn)勤等，2001)。本研究表明，3種海拔梯度植被帶土壤的脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性表現(xiàn)為中山濕性常綠闊葉林>半常綠季雨林>溝谷雨林，與谷曉楠等(2017)、曹瑞等(2016)研究結(jié)果類似。中山濕性常綠闊葉林海拔較高，地表枯枝落葉大量積累，土壤表層累積大量養(yǎng)分，雖然土壤溫度較低，但降水量卻很大，地表枯落物使土壤溫度保持相對(duì)穩(wěn)定，為土壤酶的分解作用提供了一個(gè)穩(wěn)定環(huán)境，而群落指數(shù)與土壤酶活性呈不同程度負(fù)相關(guān)，可能與土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶對(duì)分解底物具有專一性有關(guān)；溝谷雨林雖然植被群落組成豐富，其枯枝落葉多，但養(yǎng)分分解和流失較快，土壤酶活性可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)較高，但得不到長(zhǎng)期維持，因此其含量反而相對(duì)減少。本研究也表明，土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性與年均降水量呈極顯著正相關(guān)，說明充足的土壤水分能為各種酶促反應(yīng)提供較好條件，從而使酶活性隨土壤含水量升高而增加(Jinetal.，2009)。

圖3 單一環(huán)境因子對(duì)土壤酶活性影響的檢驗(yàn)結(jié)果

通常認(rèn)為，在一定溫度范圍內(nèi)，酶活性與土壤溫度呈正相關(guān)(Kochetal.，2007)。本研究表明，年均氣溫和土壤溫度與脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)，可能原因是溫度升高會(huì)增加土壤蒸發(fā)量，降低土壤水分含量，進(jìn)而限制土壤酶活性；而年均氣溫和土壤溫度與多酚氧化酶活性呈正相關(guān)。不同海拔梯度植被帶土壤溫度和年均氣溫差異較大，說明溫度是控制酶活性的重要因素之一，升高或降低溫度對(duì)提高酶活性均有顯著影響。本研究中土壤多酚氧化酶活性與物種多樣性指數(shù)(Margalef 豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù))及水熱條件表現(xiàn)出不同程度的正相關(guān)，說明溝谷雨林凋落物中可能含有大量酚類物質(zhì)，使溝谷雨林土壤多酚氧化酶活性升高，而其他土壤酶活性相對(duì)降低。研究表明，當(dāng)土壤中水溶性酚含量升高時(shí)，多酚氧化酶活性也隨之增強(qiáng)(楊梅等，2012)。不同植物群落結(jié)構(gòu)會(huì)形成獨(dú)特的土壤微氣候，進(jìn)而改變土壤動(dòng)物和微生物的營(yíng)養(yǎng)源，這種關(guān)系又影響到土壤生物多樣性(Hooperetal.，2000)、土壤物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和生物活性(Griersonetal.，2000)，使得不同區(qū)域內(nèi)的土壤酶活性出現(xiàn)差異。因此，隨海拔升高，溫度降低，植被物種多樣性降低，促進(jìn)了特定種類土壤酶活性；降水量增加，可能抵消了溫度下降產(chǎn)生的限制作用，進(jìn)而使得土壤酶活性隨海拔升高而增加。

4.2 土壤酶活性對(duì)土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)

一般認(rèn)為，土壤有機(jī)碳、全氮等養(yǎng)分含量增加可促進(jìn)酶活性(荊瑞勇等，2015)。本研究表明：土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性與土壤全磷含量、含水量、有機(jī)碳含量、水解性氮含量、全氮含量和全鉀含量呈顯著正相關(guān)，與土壤密度和pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明這3種酶活性與土壤碳、氮、磷素的積累和循環(huán)有關(guān)。谷曉楠等(2017)研究表明，在高海拔處大量有機(jī)質(zhì)積累，養(yǎng)分含量高，為土壤微生物的新陳代謝提供了大量分解底物，使得土壤酶活性增加。此外，含水量增加直接影響土壤中的酶促作用和生物化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度，從而影響土壤酶活性(解麗娜等，2014；Jinetal.，2009)。土壤密度直接影響土壤中養(yǎng)分、水分、空氣和微生物等的遷移通道、貯存庫(kù)和活動(dòng)場(chǎng)地，還影響植物生長(zhǎng)及微生物細(xì)胞的代謝過程，進(jìn)而影響土壤酶活性。

本研究發(fā)現(xiàn)，單一環(huán)境因子對(duì)5種酶活性的影響存在一定差異，這可能與各種酶的特性不同有關(guān)。土壤脲酶活性體現(xiàn)了土壤中N轉(zhuǎn)化強(qiáng)度，蔗糖酶活性高低取決于土壤中有機(jī)質(zhì)含量和C/N的高低，土壤磷酸酶活性高低直接影響著土壤中有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性，過氧化氫酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化速度密切相關(guān)(周禮凱，1987)；而土壤多酚氧化酶與土壤有機(jī)質(zhì)的形成有關(guān)(賈新民等，1995)，土壤含氮量大小直接影響土壤中的水解酶和氧化酶活性(張藝等，2017)。本研究表明，土壤有機(jī)碳含量、全氮含量、水解性氮含量、含水量、全鉀含量、全磷含量和pH值這7個(gè)單一環(huán)境因子對(duì)酶活性的提高具有重要作用。有機(jī)碳及氮能增加植被地上及地下根系生物量，促進(jìn)根際微生物繁殖，可能促進(jìn)多酚氧化酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性增加。含水量與脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性呈正相關(guān)，可能對(duì)此3種酶活性的提高具有促進(jìn)作用。此外，土壤磷、鉀素也能促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)，增強(qiáng)土壤微生物及根系分泌土壤酶，說明土壤全鉀、全磷含量增加利于提高過氧化氫酶、脲酶和酸性磷酸酶的活性，全鉀含量增加還有利于提高多酚氧化酶和蔗糖酶的活性。土壤pH值過高或過低將直接影響植物的生長(zhǎng)和微生物活動(dòng)，從而影響土壤酶活性。本研究中，脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶與pH值顯著負(fù)相關(guān)，表明pH值可能是抑制土壤酶活性的化學(xué)指標(biāo)之一。這與陳雙林等(2010)和何東進(jìn)等(2017)的研究結(jié)果不同，可能由不同地區(qū)間土壤理化性質(zhì)的異質(zhì)性造成，因?yàn)橥寥烂富钚圆粌H受土壤pH值影響，還受到其他養(yǎng)分元素含量的影響。

本研究中，隨海拔升高，各植被帶土壤過氧化氫酶活性和多酚氧化酶活性與理化性質(zhì)間的相關(guān)性不同于其他3種酶，可能與不同海拔梯度植被帶的枯落物構(gòu)成及根系分泌物不同有關(guān)。研究表明，凋落物中的木質(zhì)素可以通過某種途徑刺激土壤中過氧化氫類物質(zhì)產(chǎn)生，使土壤生物加速分泌過氧化氫酶來抵抗氧化脅迫(鄭學(xué)昊等，2018)，從而使各植被帶土壤過氧化氫酶出現(xiàn)差異。而土壤多酚氧化酶則是主要的木質(zhì)素分解酶，其能氧化酚類化合物中的苯環(huán)，也對(duì)腐殖質(zhì)的合成與分解具有重要作用(Sinsabaugh，2010)。楊承棟等(1995)研究發(fā)現(xiàn)，土壤多酚氧化酶活性與真菌多樣性呈極顯著正相關(guān)，可見，土壤有機(jī)質(zhì)大量積累會(huì)激活過氧化氫酶和多酚氧化酶活性(張?jiān)伱返龋?004)。但也有研究表明，氮含量增加對(duì)土壤過氧化氫酶沒有顯著影響(Freyetal.，2004)。Li等(2014)發(fā)現(xiàn)，無機(jī)氮增加會(huì)抑制多酚氧化酶活性，而有機(jī)氮加入會(huì)降低這種抑制作用。因此，為能更進(jìn)一步理解土壤多酚氧化酶和過氧化氫酶與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性，還需不斷探究與土壤微生物間的機(jī)制關(guān)系。

4.3 土壤酶活性沿海拔梯度的變化

本研究表明，隨海拔升高，各植被帶土壤酶活性存在差異，其中土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性均表現(xiàn)為中山濕性常綠闊葉林>半常綠季雨林>溝谷雨林。3種不同海拔梯度植被帶土壤含水量、土壤溫度和土壤養(yǎng)分含量差異各不相同，與土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性在3種不同海拔梯度植被帶間的變化趨勢(shì)一致，說明海拔梯度變化會(huì)引起土壤水分和熱量的重新分配，改變植被群落構(gòu)成，使土壤養(yǎng)分含量在不同海拔梯度出現(xiàn)差異，導(dǎo)致土壤酶活性出現(xiàn)明顯變化。不同海拔梯度植被帶土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和多酚氧化酶活性均隨土層加深而降低，表現(xiàn)出顯著的表聚特性，與Khknen等(2011)的結(jié)果相似。這可能是由于土壤表層累積了較多枯枝落物，腐殖質(zhì)含量較高、養(yǎng)分含量高、細(xì)根生物量高、土壤疏松、水熱條件和通氣狀況良好，有利于土壤微生物生長(zhǎng)，土壤微生物代謝活躍，使表層的土壤酶活性增強(qiáng)(Bardelliabetal.，2017；Loeppmannetal.，2016)。隨著土層加深，密度增大、根系分布減少、土壤水熱條件惡化，限制了土壤微生物正常活動(dòng)，進(jìn)而影響土壤微生物的代謝產(chǎn)酶能力，這些因素的綜合作用使得土壤酶活性隨著土層加深逐漸降低(張仕艷等，2010；Jangetal.，2010)。綜上所述，海拔梯度變化主要引起植被群落構(gòu)成的變化，進(jìn)一步引起土壤理化性質(zhì)變化，進(jìn)而調(diào)控土壤酶活性。

5 結(jié)論

隨海拔升高，水熱條件和植被群落多樣性表現(xiàn)出不同變化趨勢(shì)。年均降水量呈增加趨勢(shì)，年均氣溫和土壤溫度呈下降趨勢(shì)；Simpson 指數(shù)呈增加趨勢(shì)，Margalef 豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)呈下降趨勢(shì)。土壤溫度、水分變化促進(jìn)了植物群落結(jié)構(gòu)變化，使得不同海拔梯度土壤酶活性出現(xiàn)顯著差異。

隨海拔升高，土壤理化性質(zhì)表現(xiàn)出不同變化趨勢(shì)。土壤含水量及有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、水解性氮、有效磷和速效鉀含量呈上升趨勢(shì)，土壤密度和pH呈降低趨勢(shì)；土壤C/N呈先增后降趨勢(shì)，且對(duì)不同土壤酶活性產(chǎn)生促進(jìn)或抑制作用。冗余分析表明，土壤全磷、含水量、pH值和有機(jī)碳是調(diào)控土壤酶活性的主要因子；單一環(huán)境因子中的土壤磷、水分含量、pH值、碳、氮和鉀含量對(duì)土壤酶活性的強(qiáng)弱起重要作用。

南滾河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)各植被帶土壤酶活性存在顯著的海拔差異，其中土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性均表現(xiàn)為中山濕性常綠闊葉林>半常綠季雨林>溝谷雨林，而土壤多酚氧化酶活性表現(xiàn)為溝谷雨林>半常綠季雨林>中山濕性常綠闊葉林；除過氧化氫酶活性在不同海拔梯度植被帶均隨土層加深而增加外，其余土壤酶活性均隨土層加深而降低。