南亞熱帶鄉(xiāng)土闊葉樹種和桉樹人工林土壤酶活性分析

席守鴻，王玉鳳，譚 玲，覃 林

（廣西大學(xué)林學(xué)院 廣西森林生態(tài)與保育重點(diǎn)實驗室，廣西南寧 530004）

土壤酶參與土壤有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，在土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與能量流動中發(fā)揮關(guān)鍵作用[1-3]。土壤酶主要來源于土壤微生物、植物根系及動物和動植物殘體的分泌或釋放[4]，其活性與土壤生物和理化性質(zhì)密切相關(guān)。用于評估土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的土壤酶主要包括參與纖維素分解的水解酶（纖維素酶等）和介導(dǎo)關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)功能（木質(zhì)素降解、腐殖化和碳礦化等）的氧化酶（蔗糖酶等）[5-6]，參與氮（脲酶、蛋白酶等）和磷（磷酸酶等）循環(huán)的酶也經(jīng)常被用來評估不同環(huán)境下土壤氮和磷循環(huán)的潛在差異[7]。研究發(fā)現(xiàn)，由于凋落物數(shù)量與質(zhì)量、根系分泌物產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)差異顯著，針葉林與闊葉林土壤微生物群落的生物量和組成差異顯著[8-9]，針葉林與闊葉林的土壤酶活性明顯不同[10]。關(guān)于不同闊葉樹種林地間土壤酶活性差異的研究較少。

中國南亞熱帶地區(qū)長期經(jīng)營馬尾松（Pinus massoniana）和杉木（Cunninghamia lanceolata）等鄉(xiāng)土針葉人工林，近30年來又大規(guī)模營造外來闊葉速生桉樹（Eucalyptusspp.）人工林，為滿足國家木材需求和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。長期多代連栽針葉人工林造成該地區(qū)林分生產(chǎn)力下降、生物多樣性減少和病蟲害日益嚴(yán)重等諸多生態(tài)問題[11]，營建桉樹人工林導(dǎo)致的土壤肥力衰退和環(huán)境污染問題也越來越明顯[12-13]。為實現(xiàn)森林多功能經(jīng)營，采用具有不同生物學(xué)特性的紅錐（Castanopsis hystrix）、西南樺（Betula alnoides）、米老排（Mytilaria laosensis）、火力楠（Michelia macclurei）和格木（Erythrophleumfordii）等鄉(xiāng)土闊葉樹種造林，成為該地區(qū)人工林經(jīng)營的發(fā)展趨勢[14]。近年來，鄉(xiāng)土闊葉樹種與外來速生闊葉桉樹人工林的土壤生態(tài)功能已引起普遍關(guān)注。覃林等[15]探討南亞熱帶地區(qū)紅錐、米老排、火力楠和山白蘭（Paramichelia bailonii）4 種鄉(xiāng)土闊葉人工林及桉樹人工林不同土層（0 ～20、20 ～40 和40 ～60 cm）土壤微生物生物量氮與可溶性氮特征；覃鑫浩等[16]分析南亞熱帶地區(qū)3 個鄉(xiāng)土闊葉樹種（紅錐、米老排和火力楠）人工林和尾巨桉（E.urophylla×E.grandis）人工林對土壤（0 ～20 cm 土層）細(xì)菌群落多樣性的影響。目前，對該地區(qū)鄉(xiāng)土闊葉樹種人工林與桉樹人工林土壤酶活性的研究較少，沒有清晰的關(guān)于鄉(xiāng)土闊葉樹種人工林與桉樹人工林土壤酶活性差異的論斷。

本研究以4 種鄉(xiāng)土闊葉樹種（紅錐、米老排、火力楠和山白蘭）人工林和尾巨桉人工林為研究對象，分析各林分不同土層（0 ～20、20 ～40 和40 ～60 cm）土壤酶活性的差異，并結(jié)合土壤理化性質(zhì)及微生物生物量碳和氮探討影響林分土壤酶活性的主導(dǎo)因子，以期為南亞熱帶地區(qū)不同闊葉樹種人工林土壤生態(tài)功能評價提供科學(xué)依據(jù)，為該地區(qū)人工林營建的樹種選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西憑祥市中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實驗中心伏波試驗場（106°51′～106°53′E，22°02′～22°04′N），海拔430 ～680 m。該地屬南亞熱帶季風(fēng)型半濕潤-濕潤氣候，干濕季節(jié)明顯（10月— 翌年3月為干季，4— 9月為濕季）；年均氣溫20.5 ～21.7 ℃，年均降水量1 200 ～1 500 mm，年均蒸發(fā)量1 261 ～1 388 mm，空氣相對濕度80% ～84%；地帶性土壤為花崗巖發(fā)育而成的山地紅壤，土層厚度＞80 cm[17]。

2014年8月，在研究區(qū)選擇立地條件相近和經(jīng)營措施相似的紅錐（CHP）、米老排（MLP）、火力楠（MMP）和山白蘭（PBP）人工林及尾巨桉人工林（EUGP）（表1）。所有人工林均在杉木人工林皆伐跡地上種植，初植密度均為2 500 株/hm2。紅錐人工林于1983年營造，1993、2003 和2008年間伐（間伐強(qiáng)度均為30%），林下灌木主要有杜莖山（Maesa ja-ponica），草本植物主要有鐵線蕨（Adiantum capillusveneris）。米老排、火力楠和山白蘭人工林于1981年營造，1993 和2003年間伐（間伐強(qiáng)度均為30%）；米老排林下灌木和草本植物極少；火力楠林下灌木稀少，草本植物主要有山雞谷（Neohusnotia Acroceras）、貫眾（Dryopteris crassirhizoma）、鐵線蕨、金毛狗（Cibotium barometz）和蔓生莠竹（Microstegium vagans）；山白蘭林下灌木主要有糙葉榕（Ficus irisana）、懸鉤子（Rubus corchorifolius）和三叉苦（Evodia lepta），草本植物主要有節(jié)節(jié)花（Alternanthera sessilis）和蔓生莠竹。尾巨桉人工林于2008年營造，之后未進(jìn)行經(jīng)營活動，林下灌木主要有糙葉榕和火炭母（Polygonum chinense），草本植物主要有節(jié)節(jié)花和蔓生莠竹。

表1 林分概況Tab.1 General information of stands

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

在每種林分中，隨機(jī)設(shè)置3 個20 m×20 m 的樣地（各樣地間距至少20 m），在每個樣地的對角線上隨機(jī)選取3 個點(diǎn)，挖取0 ～20、20 ～40 和40 ～60 cm土壤剖面，同層土壤充分混合后按四分法取土壤樣品，共計45個土壤樣品。將各土壤樣品裝入聚乙烯保鮮袋并用生物冰袋保存運(yùn)回實驗室，分為兩份；一份放入4 ℃冰箱保存，用于測定土壤酶活性及微生物生物量、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量；另一份自然風(fēng)干，用于測定土壤化學(xué)性質(zhì)。在各土層用環(huán)刀（容積100 cm3）和鋁盒取樣，分析土壤物理性質(zhì)。

1.3 指標(biāo)測定

土壤含水量采用烘干法測定；土壤容重和孔隙度采用環(huán)刀法測定。土壤pH 值采用電位法測定（水∶土=2.5∶1）（Prtavo 907 MULTI pH，德國）；有機(jī)碳含量采用Multi N/C 3100 TOC 分析儀（Analytik Jena，德國）測定；全氮含量采用H2SO4-HClO4 消解后SmartChem 200 全自動化學(xué)元素分析儀（Alliance，法國）測定。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別采用擴(kuò)散法酚和二磺酸比色法測定；速效磷含量采用鉬銻抗顯色法測定；速效鉀含量采用火焰光度計法測定[18]。

土壤脲酶、蛋白酶、磷酸酶、蔗糖酶和纖維素酶5 種酶活性分別采用靛酚藍(lán)比色法、Folin 試劑比色法、磷酸苯二鈉比色法、3,5-二硝基水楊酸比色法和3,5-二硝基水楊酸比色法測定[19]。土壤微生物生物量碳和氮含量采用氯仿熏蒸浸提法，并使用Multi N/C 3100 TOC分析儀（Analytik Jena，德國）測定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 26.0 軟件對不同林分類型不同土層的土壤理化性質(zhì)、微生物生物量碳和氮含量及酶活性進(jìn)行雙因素方差分析（Two-way ANOVA）及Duncan多重比較。采用Pearson分析法探討土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)及微生物生物量碳和氮的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)及微生物生物量碳和氮含量的變化

林分類型對土壤含水量、容重、pH、銨態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量均影響極顯著（P＜0.01），對全氮含量影響顯著（P＜0.05），對其他指標(biāo)均影響不顯著（表2）。土壤含水量在0 ～20 cm 土層表現(xiàn)為5 個林分間均差異不顯著；在20 ～40 和40 ～60 cm 土層均表現(xiàn)為尾巨桉林顯著高于其他林分（P＜0.05），紅錐林最?。▓D1a）。土壤容重在0 ～20 和40 ～60 cm 土層表現(xiàn)為5 個林分間均差異不顯著；在20 ～40 cm土層表現(xiàn)為尾巨桉林顯著低于其他林分（P＜0.05），其他林分間均差異不顯著（圖1b）。土壤pH 在各土層均表現(xiàn)為尾巨桉林與紅錐林差異不顯著，兩者均顯著高于其他林分（除20 ～40 cm 米老排林）（圖1c）。土壤全氮含量在0 ～20和40 ～60 cm土層表現(xiàn)為5個林分間均差異不顯著；在20 ～40 cm土層表現(xiàn)為紅錐林顯著高于米老排林和尾巨桉林（P＜0.05）（圖1e）。土壤銨態(tài)氮含量在各土層均表現(xiàn)為紅錐林顯著低于其他林分（除40 ～60 cm 土層火力楠林）（P＜0.05），其他林分間均差異不顯著（圖1f）。土壤速效磷含量在各土層均表現(xiàn)為尾巨桉林顯著低于其他林分（P＜0.05）（圖1h）。土壤速效鉀含量在0 ～20 cm 土層表現(xiàn)為火力楠林和山白蘭林顯著高于其他林分（P＜0.05）；在20 ～60 cm 土層表現(xiàn)為山白蘭林和尾巨桉林顯著高于其他林分（P＜0.05）（圖1i）。

表2 土壤理化性質(zhì)及微生物生物量碳和氮含量雙因素方差分析Tab.2 Two-way ANOVA of soil physicochemical properties and contents of microbial biomass carbon and nitrogen

圖1 土壤理化性質(zhì)及微生物生物量碳和氮含量的差異Fig.1 Comparison on soil physicochemical properties and contents of microbial biomass carbon and nitrogen

土層對土壤pH 及有機(jī)碳、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀、微生物生物量碳和氮含量均影響極顯著（P＜0.01）。5 個林分的土壤pH 值均隨土層加深呈上升趨勢，其他6 個土壤參數(shù)（有機(jī)碳、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀、微生物生物量碳和氮含量）均呈下降趨勢（圖1）。林分與土層交互作用僅對土壤含水量和銨態(tài)氮含量影響顯著（P＜0.05）。

2.2 土壤酶活性差異

林分類型對土壤脲酶、磷酸酶活性影響顯著（P＜0.05），對蔗糖酶活性影響極顯著（P＜0.01），對蛋白酶及纖維素酶活性影響不顯著（表3）。土壤脲酶活性在0 ～40 cm 土層表現(xiàn)為5 個林分間均差異不顯著；在40 ～60 cm 土層表現(xiàn)為尾巨桉林顯著高于米老排林（P＜0.05）。土壤磷酸酶活性僅在0 ～20 cm 土層差異顯著，表現(xiàn)為尾巨桉林顯著低于山白蘭林（P＜0.05）。土壤蔗糖酶活性在0 ～20 cm 土層表現(xiàn)為尾巨桉林顯著低于其他林分（P＜0.05），其他林分間均差異不顯著；在20 ～40 cm 土層表現(xiàn)尾巨桉林顯著低于米老排林（P＜0.05）；在40 ～60 cm土層表現(xiàn)為5 個林分間均差異不顯著。4 個鄉(xiāng)土闊葉樹種人工林各土層的脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性均差異不顯著。

表3 土壤酶活性差異Tab.3 Comparison on soil enzyme activities

土層對5 種土壤酶活性均有顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）影響；5 種土壤酶活性均隨土層加深呈下降趨勢，具有明顯的垂直分布特性。林分與土層交互作用僅對土壤蔗糖酶活性影響顯著（P＜0.05）。

2.3 土壤理化性質(zhì)及微生物生物量碳和氮含量對土壤酶活性的影響

土壤有機(jī)碳和速效磷含量與5種土壤酶活性均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；pH 與磷酸酶、蔗糖酶和纖維素酶活性均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；銨態(tài)氮含量與磷酸酶活性呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與蔗糖酶活性呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；速效鉀含量與脲酶和磷酸酶活性均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；土壤微生物生物量碳和氮含量與脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）（表4）。

表4 土壤酶活性與土壤參數(shù)的Pearson分析Tab.4 Pearson analysis on soil enzyme activities and soil parameters

3 討論與結(jié)論

土壤酶是有機(jī)物分解的催化劑，與土壤肥力的形成和轉(zhuǎn)化關(guān)系密切，可有效指示土壤質(zhì)量和健康狀況[22-23]。土壤脲酶是將土壤中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為植物和微生物可利用無機(jī)氮的重要催化劑,其活性直接影響土壤中氮轉(zhuǎn)化的強(qiáng)度和土壤的供氮水平[24-25]。土壤脲酶對氮的作用方式在不同生態(tài)系統(tǒng)中有一定差異,其活性可能與基質(zhì)中的養(yǎng)分濃度和有效性聯(lián)系密切[26]。研究表明，土壤脲酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)[27-28]。本研究顯示，土壤脲酶活性與土壤有機(jī)碳、速效磷、速效鉀及微生物生物量碳和氮含量均呈顯著或極顯著正相關(guān)。尾巨桉人工林40 ～60 cm 土層的脲酶活性高于4 個鄉(xiāng)土闊葉樹種人工林，說明尾巨桉人工林40 ～60 cm 土層的供氮能力強(qiáng)于4 個鄉(xiāng)土闊葉人工林，可能是因為尾巨桉人工林該土層的有機(jī)碳含量顯著高于4個鄉(xiāng)土闊葉樹種人工林。土壤蔗糖酶可將蔗糖分子水解成容易被植物和土壤微生物吸收利用的葡萄糖和果糖，研究土壤蔗糖酶活性對了解土壤碳素循環(huán)有重要意義[29]。本研究顯示，土壤蔗糖酶活性與土壤有機(jī)碳、銨態(tài)氮、速效磷及微生物生物量碳和氮含量均呈極顯著正相關(guān)，與pH 呈極顯著負(fù)相關(guān)。尾巨桉人工林0 ～20 cm 土層的蔗糖酶活性顯著低于4 個鄉(xiāng)土闊葉樹種人工林，可能是因為尾巨桉人工林0 ～20 cm 土層的速效磷含量顯著低于4 個鄉(xiāng)土樹種人工林，而pH 高于4 個鄉(xiāng)土闊葉樹種人工林?；谕寥勒崽敲富钚员碚魍寥烙袡C(jī)碳積累與分解轉(zhuǎn)化規(guī)律[30]，該結(jié)果說明4 個鄉(xiāng)土闊葉樹種人工林0 ～20 cm 土層的土壤有機(jī)碳礦化能力優(yōu)于尾巨桉人工林。土壤磷酸酶能催化磷酸酯或磷酸酐的水解反應(yīng)，直接影響土壤中有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性，其活性是反映土壤有機(jī)磷礦化潛力的一個重要指標(biāo)[31-32]。本研究顯示，土壤磷酸酶活性與土壤有機(jī)碳、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀及微生物生物量碳和氮含量均呈顯著或極顯著正相關(guān)，與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)。尾巨桉人工林0 ～20 cm 土層的磷酸酶活性顯著低于山白蘭人工林，可能是因為尾巨桉人工林該土層的pH 顯著高于山白蘭人工林，而速效磷和速效鉀含量顯著低于山白蘭人工林。張立芳等[33]研究也發(fā)現(xiàn)，北京八達(dá)嶺林場的糠椴（Tilia mandshurica）、黑樺林（Betula dahurica）和核桃楸（Juglans mandshurica）天然次生林的土壤磷酸酶活性與速效磷和速效鉀含量呈顯著正相關(guān)。4 個鄉(xiāng)土闊葉樹種人工林0 ～60 cm 土層的磷酸酶活性均高于尾巨桉人工林，有利于其土壤的有機(jī)磷向無機(jī)磷轉(zhuǎn)化，可以推測在研究地區(qū)營造鄉(xiāng)土闊葉樹種人工林可減少磷肥的施用量。

本研究中，5 個林分的土壤脲酶、蛋白酶、磷酸酶、蔗糖酶和纖維素酶活性均隨土層加深呈下降趨勢，這與已有研究結(jié)果一致[34-36]。5種土壤酶活性均與土壤有機(jī)碳和速效磷含量呈極顯著正相關(guān)，土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖活性均與土壤微生物生物量碳和氮含量呈極顯著正相關(guān)，各林分的土壤有機(jī)碳、速效磷及微生物生物量碳和氮含量均隨土層加深呈下降趨勢，因此林分各土壤酶活性均呈土壤剖面垂直遞減分布。已有研究也發(fā)現(xiàn)，隨土層加深，土壤養(yǎng)分含量降低，不利于土壤微生物繁殖，深層土壤微生物生物量碳和氮含量較低[30,37-38]。

土壤酶作為土壤微生物群落功能的評價指標(biāo)[39]，其活性受微生物群落組成的影響。康凱等[40]研究顯示，桉樹林土壤真菌與蔗糖酶、脲酶、蛋白酶及過氧化氫酶活性均呈顯著正相關(guān)，放線菌與過氧化氫酶和蛋白酶活性呈顯著正相關(guān)；You 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，我國亞熱帶地區(qū)兩個闊葉樹種（紅錐和米老排）人工林土壤碳代謝酶（β-葡萄糖苷酶、纖維素水解酶）、氮代謝酶（β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶）和磷代謝酶（酸性磷酸酶）活性明顯高于針葉樹種馬尾松人工林，可能是因為闊葉與針葉林間土壤微生物群落組成有差異。有研究表明，季節(jié)變化是影響土壤酶活性的重要因素[41-42]；段春燕等[36]研究發(fā)現(xiàn)，廣西北部低山丘陵地區(qū)1 ～5年生桉樹人工林土壤酶活性隨季節(jié)變化表現(xiàn)為夏季與秋季活性較高，春季和冬季活性較低。本研究中4個鄉(xiāng)土闊葉人工林與尾巨桉人工林土壤酶活性的差異，是否受土壤微生物群落組成和季節(jié)的影響有待進(jìn)一步探究。

本研究中，紅錐、米老排、火力楠和山白蘭4 個鄉(xiāng)土闊葉樹種人工林間土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性均差異不顯著，與尾巨桉林間的差異依土層而異?？傮w而言，4 個鄉(xiāng)土闊葉樹種人工林土壤有機(jī)碳礦化和有機(jī)磷向無機(jī)磷轉(zhuǎn)化的能力強(qiáng)于尾巨桉人工林?；谕寥烂富钚缘囊暯?，為實現(xiàn)南亞熱帶地區(qū)森林多功能經(jīng)營，選擇造林樹種時可優(yōu)先考慮鄉(xiāng)土闊葉樹種。