不同海拔金佛山方竹林土壤酶活性與土壤理化性質的關系*

張琳，王自榮，朱紹宇 ，李元，王吉秀

(1.云南農業(yè)大學，云南 昆明 650201；2.昭通學院，云南 昭通 657000)

金佛山方竹(Chimonobambusautilis)是禾本科[Gramineae(Poaceae)]寒竹屬(ChimonobambusaMakino.)植物，是中國西南地區(qū)特有竹種，分布在云南、四川和貴州三省，可筍材兩用，具有重要的經濟價值。昭通市鎮(zhèn)雄縣生物多樣性復雜，是竹類資源最為豐富的地區(qū)，金佛山方竹資源面積達5.63×104hm2[1]。同時，該竹種在海拔1 000 m以上可形成純林，起到涵養(yǎng)水源、保水固土的作用[2]，因兼具生態(tài)與經濟價值，逐漸受到關注。目前，不僅對金佛山方竹形態(tài)[3]、開花[4]、出筍[5]等生物學特性已經進行了研究，也對影響其生長發(fā)育的因素，包括溫度[6]、土壤[7]等進行了研究，證實了金佛山方竹的生長具有海拔效應[2]，土壤因子沿海拔的變化可能是導致金佛山方竹生長差異的原因之一，但目前不同海拔下金佛山方竹林土壤因子的變化及相關關系還鮮見報道。近年來，昭通市大力發(fā)展竹產業(yè)，然而該地區(qū)人工竹林的土壤肥力狀況研究仍是空白，特別缺乏影響土壤各種生物化學過程的酶活性數據。因此，深入研究當地金佛山方竹林的土壤肥力現狀對其產業(yè)發(fā)展具有重要意義。

土壤作為養(yǎng)分庫，能為植物提供所需的養(yǎng)分，并且對其生長產生顯著影響。土壤酶參與土壤中一切生物化學過程，在土壤及植被生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，同時又與環(huán)境相統(tǒng)一，易受環(huán)境中物理、化學、生物因素的影響[8]，土壤理化性質與土壤酶活性相關性較高[9]，其酶活性能評價土壤肥力狀況[10]。已有研究表明不同海拔生態(tài)系統(tǒng)中，土壤理化特征與酶活性具有梯度效應[11]。土壤重金屬含量關系到食物安全及人類健康，其在土壤中的含量水平與分布特征反映著特定地區(qū)的土壤質量狀況，受污染土壤往往表現出肥力水平較低[12]。因此，研究不同海拔梯度下土壤的理化性質、重金屬元素和酶活性的變化特征，能夠探索環(huán)境因子對金佛山方竹生長的影響。

關于該地區(qū)土壤的研究，主要集中在對栽種蘋果(MaluspumilaMill.)、煙草(NicotianatabacumL.)、天麻(GastrodiaelataBl.)等土壤的微生物群落、養(yǎng)分特征等方面[13-15]，但對不同海拔下金佛山方竹土壤的理化性質、重金屬含量和土壤酶活性的研究卻未見報道。本研究以云南省昭通市鎮(zhèn)雄縣不同海拔金佛山方竹林地土壤為研究對象，分析不同海拔金佛山方竹林地土壤化學性質、酶活性和重金屬Pb、Cd、Cu、Zn元素的變化規(guī)律，并運用相關分析和主成分分析方法探討其關系，以進一步揭示金佛山方竹林下的土壤肥力現狀，為該地區(qū)金佛山方竹的科學種植提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地位于云南省昭通市鎮(zhèn)雄縣牛場鎮(zhèn)附近(27°52′～27°53′N，104°54′～104°55′E)，境內最高處海拔為2 165 m，最低為1 130 m，處于云貴高原地帶，地形屬典型的高原山地，山巒起伏，溝壑縱橫，研究地區(qū)土壤類型為黃壤或黃棕壤。屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫11.6 ℃，年平均降水量938 mm，境內植物資源豐富，有方竹(Chimonobambusaquadrangularis)、筇竹(C.tumidissinoda)、銀杏(Ginkgobiloba)、紅豆杉(Taxusyunnanensis)等。研究地區(qū)金佛山方竹林為人工栽種，種植前林地為荒山，生長雜草。

1.2 樣地設置及樣品采集

本研究于2020年7月中旬進行采樣，根據金佛山方竹的分布情況，在母質和土壤類型一致的前提下，共選擇7個不同海拔梯度(1 520、1 740、1 770、1 800、1 830、1 860與1 890 m)下具有代表性金佛山方竹林，各樣地基本情況如表1所示。每個海拔按照梅花形布點法布設采樣點，每個樣點重復取樣3次，每個土樣取樣約1 kg左右，分別裝入自封袋并編號后帶回實驗室。將采集的部分土樣經自然風干后，過1.00 mm、0.25 mm篩，置于自封袋中密封保存并放置在樣品儲藏室；剩余鮮土存于4 ℃冰箱中，備用。

表1 樣地地理位置

1.3 土壤理化性質指標測定方法

土壤理化性質的測定參考鮑士旦等的方法[16-17]：有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；全氮含量采用半微量凱氏法；堿解氮含量采用堿解擴散法；全鉀含量采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計法；速效鉀含量采用NH4OAC浸提——火焰光度計法；全磷含量采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法；速效磷含量采0.5 mol/L NaHCO3法；pH值采用水浸提電位法進行測量。采用火焰原子吸收分光光度法測定土壤重金屬Pb、Cd、Cu、Zn的含量。土壤酶活性：過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶均依據分光法，采用江蘇格銳思生物技術有限公司的試劑盒方法進行測定。

1.4 數據統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel對實驗數據進行前處理，采用SPSS 23.0對數據進行相關性和主成分分析，采用Origin 2018進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同海拔土壤理化性質的變化

不同海拔土壤理化性質的變化特征見圖1。

圖1 不同海拔土壤的理化性質

研究地區(qū)金佛山方竹土壤pH隨海拔升高呈現由酸性—堿性—酸性過渡的變化規(guī)律；土壤有機質、全氮、堿解氮含量總體呈現出隨海拔的升高而增加的變化規(guī)律；全磷、速效磷隨海拔升高呈現出先增加又降低再增加的規(guī)律；全鉀和速效鉀含量的變化沒有明顯規(guī)律。不同海拔金佛山方竹的土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀含量的變化范圍分別為34.96～126.82 g/kg、1.86～6.14 g/kg、35.00～106.75 mg/kg、0.14～0.31 g/kg、2.70～13.52 mg/kg、1.07～7.53 g/kg、101.63～417.66 mg/kg。

第一，農業(yè)科研人員有望成為我國農業(yè)技術推廣的重要力量，構建農業(yè)科研人員參與農業(yè)技術推廣模式可以是我國建立多元化農業(yè)推廣體系的重要形式，可以有效地補充和完善我國現行的農業(yè)技術推廣體系。

2.2 不同海拔土壤酶活性的變化

由圖2可知，不同海拔金佛山方竹林地的土壤脲酶活性總體上隨海拔的升高而增加，在海拔1 860 m處活性最高，為173.29 μg/(d·g)，在海拔1 740 m處的活性最小，僅為53.83 μg/(d·g)。過氧化氫酶和蔗糖酶的活性隨海拔升高先增大后減小再增大。酸性磷酸酶的活性變化幅度較小，在海拔1 740 m處酶活性最小，為860.19 nmol/(h·g)，并顯著低于其他海拔。

圖2 不同海拔土壤酶活性

2.3 不同海拔土壤重金屬含量的變化

由圖3可知，不同海拔金佛山方竹林地中土壤Pb、Cd、Cu、Zn含量在各海拔間雖有變化，但未表現出明顯的規(guī)律性。方差分析表明，Pb、Cd含量無明顯的垂直分布特征，各海拔之間差異不顯著；Cu含量在1 520 m處含量最高，為15.445 mg/kg；Zn含量在1 890 m處最高，為247.615 mg/kg，超過國家《土壤環(huán)境質量標準》(GB 15618—2018 試行)中的農用地土壤污染風險篩選值，但Zn含量的平均值未超標，此外Pb、Cd、Cu含量也均低于此標準[18]。

圖3 不同海拔土壤重金屬含量

2.4 不同海拔土壤理化性質、重金屬含量與酶活性的相關性

由表2可知，實驗所測得的不同海拔金佛山方竹林地中土壤4種土壤酶活性與理化性質之間呈現顯著或極顯著相關關系。其中，土壤脲酶活性與全氮含量呈顯著正相關(P<0.05)，與堿解氮、速效鉀呈極顯著正相關(P<0.01)；酸性磷酸酶活性與有機質呈顯著正相關，與全磷、全鉀呈顯著負相關，與速效磷呈極顯著負相關；土壤過氧化氫酶活性與土壤pH呈極顯著正相關。土壤酶活性與4種元素含量之間，僅有Pb與蔗糖酶活性呈顯著正相關。

表2 土壤理化性質、重金屬含量與酶活性的相關關系

2.5 不同海拔土壤理化性質、土壤重金屬與酶活性的主成分分析

由主成分分析原理可知，當累積方差貢獻率大于85%時，可以基本反映系統(tǒng)的變異信息[19]。由表3可以看出，第一主成分的方差貢獻率最大，為34.804%，第二、三、四、五主成分的方差貢獻率依次為19.959%、18.287%、10.499%和7.209%，五個主成分的累積方差貢獻率為90.758%，因此不同海拔金佛山方竹林地的土壤肥力狀況可以用前五個主成分來表示土壤肥力的變異信息。

表3 不同海拔土壤的主成分特征值

不同海拔土壤的主成分的因子載荷矩陣(表4)，能反映各測定指標對主成分的影響程度[20]。將因子載荷大于等于0.5的指標篩選出來，可以得出：第一主成分綜合了全氮、堿解氮、有機質、脲酶、酸性磷酸酶、微量元素Pb含量的變異信息，第二主成分綜合了Pb、Cd、Cu、Zn的變異信息，第三主成分綜合了pH、全磷、速效磷、速效鉀、蔗糖酶、過氧化氫酶的變異信息，第四、五主成分綜合了脲酶、過氧化氫酶、全鉀的變異信息。

表4 不同海拔土壤的主成分的因子載荷矩陣

將上述因子載荷換算為特征向量，得到的5個主成分表達式如下：

F1=-0.002X1+0.168X2-0.030X3+0.132X4-0.024X5+0.302X6+0.210X7+0.122X8+0.297X9+0.062X10-0.053X11+0.061X12+0.009X13-0.007X14-0.141X15+0.029X16

F2=0.053X1+0.014X2+0.017X3+0.055X4-0.022X5+0.022X6-0.010X7-0.072X8-0.002X9+0.132X10+0.028X11-0.031X12+0.259X13+0.263X14+0.236X15+0.289X16

F3=0.102X1+0.058X2+0.362X3-0.067X4+0.296X5-0.014X6+0.054X7-0.022X8-0.171X9+0.288X10-0.219X11-0.082X12+0.072X13-0.018X14-0.138X15+0.030X16

F4=0.341X1-0.110X2-0.008X3-0.166X4+0.009X5+0.190X6-0.091X7-0.010X8+0.127X9-0.200X10+0.104X11+0.503X12-0.077X13+0.109X14+0.050X15-0.045X16

F5=0.102X1+0.048X2+0.147X3-0.643X4-0.016X5-0.134X6+0.007X7+0.209X8-0.215X9+0.002X10+0.286X11+0.154X12+0.009X13+0.065X14-0.051X15-0.165X16

X1～X8分別代表了pH、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、堿解氮、有機質8種土壤理化性質，X9～X12代表了脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶4種酶活性，X13～X16則分別表示Pb、Cd、Cu、Zn含量的特征值。將各海拔測定指標代入表達式分別計算各主成分的得分，再以方差貢獻率為權數對其進行加權求和，得到不同海拔土壤肥力綜合得分。得分越高，則土壤肥力水平越高。由表5可知，不同海拔金佛山方竹林地土壤肥力由高到低依次為：1 770 m﹥1 890 m﹥1 740 m﹥1 800 m﹥1 860 m﹥1 830 m﹥1 520 m。其中，1 770 m和1 890 m處土壤肥力明顯高于其他海拔帶。

表5 不同海拔金佛山方竹林地的土壤肥力綜合得分

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 土壤理化性質、酶活性與海拔的關系

研究發(fā)現，土壤理化性質與海拔密切相關。隨著海拔上升，研究地區(qū)土壤由弱酸性和堿性逐漸過渡至酸性，主要是因為大氣降水量隨著海拔的升高也隨之增加，使土壤所受淋溶作用增強，土壤復合體吸附更多的H+，從而降低土壤堿性[21]，這與羅鈺穎等[22]的研究結果一致。土壤有機質含量隨海拔升高而上升，是因為土壤溫度隨著海拔上升而逐漸下降，土壤溫度的下降抑制土壤有機質的分解，使輸入量大于損失量從而致使土壤中有機質含量不斷增加[23]，同時，動、植物被微生物分解的速度變慢，降低了土壤有機碳和氮的礦化速率，造成全氮含量的累積[24]。川滇高山櫟(Quercusaquifolioide)葉片中C、 N元素在海拔3 050 m處達到最低隨后又隨海拔的升高而增加[25]，在一定程度上也能反映土壤C、N的供應水平是隨海拔帶而變化的[26]。土壤速效磷含量在弱堿性土壤中顯著高于其他海拔處，而其他海拔處土壤為酸性，符合土壤中速效磷的有效性在pH<5時較低的一般規(guī)律[27]。

土壤酶活性在不同海拔帶存在差異，與不同海拔的養(yǎng)分特征、微生物群落等因子相關。脲酶活性隨著海拔升高而增加，與全氮、堿解氮、有機質含量變化趨勢一致，符合一般規(guī)律，該變化趨勢與金裕華等[28]的研究結論相同；過氧化氫酶和蔗糖酶活性隨海拔變化呈現出先增大后減小再增大的趨勢，這與袁啟鳳等[29]的研究結果相同，但蔗糖酶的活性變化與李聰等[30]的研究結果存在差異，原因可能是在不同區(qū)域內，土壤母質與環(huán)境存在差異；酸性磷酸酶活性的海拔差異較小，但在1 740 m處酶活性顯著低于其他海拔，原因是該處為堿性土壤，酸性磷酸酶的活性受到抑制，而當土壤中磷的有效性較低時，磷酸酶的參與能促進土壤磷循環(huán)以滿足植物的生長需求。

3.1.2 土壤理化性質、土壤重金屬含量與酶活性的關系

土壤理化性質與土壤酶活性間具有明顯的關系，主要包括土壤有機質、pH、全氮、堿解氮、全磷、全鉀等。土壤酸堿性影響酶促反應基點和土壤所吸附的酶的穩(wěn)定性，某些酶促反應對pH值的變化很敏感，甚至只能在較窄的范圍內進行[31]。土壤酸性磷酸酶的最適pH為4.0～5.0，當pH<5.0時，過氧化氫酶活性降低[32]。酶活性與有機質的關系，反映了土壤酶主要是來源于微生物代謝，而有機質含量的增加可以促進其代謝活動，從而增強土壤酶活性[33]。

土壤中某些元素的含量可能是決定土壤酶活性的一個重要生態(tài)學因素[34]，對土壤酶活性的影響主要取決于土壤的性質，如pH值以及移動性元素的含量，并且不同種類的土壤酶對不同的微量元素具有專性特性[35]。向彬等[36]發(fā)現4種重金屬均降低了脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶的活性，但在本研究中，僅有Pb顯著影響蔗糖酶活性，Cd、Cu、Zn等3種元素與土壤酶活性無顯著相關性，這是因為雖然高濃度的Pb、Cd、Cu、Zn對土壤酶活性具有明顯的抑制作用，但在供試土壤樣品中這4種元素的含量均處于較低水平，因此其對土壤酶活性影響不顯著。吳炳孫等[37]研究發(fā)現，橡膠(Heveabrasiliensis)人工林土壤中，Zn、Cu均對脲酶有正效應，李躍林等[35]研究表明：桉樹(EucalyptusrobustaSmith.)人工林土壤Zn含量在0.099～0.780 mg/kg時，在一定程度上抑制脲酶和過氧化氫酶活性，可見在不同類型的林地下同一種元素與土壤酶的關系是有區(qū)別的，而同一種元素的含量不同時，既可以起激活酶的作用，也可以抑制酶的活性。

3.1.3 土壤肥力

根據全國第二次土壤普查分級指標對土壤肥力進行評價[38]：有機質、全氮含量均為高或極高水平；堿解氮含量在海拔1 520 m和1 740 m處為低水平，海拔1 770～1 860 m處為中水平，海拔1 890 m為高水平；全磷含量為極低水平；速效磷含量在海拔1 740 m處為中上水平，其余海拔均為低水平；全鉀含量在海拔1 740 m和1 860 m為中等水平，其余海拔均為低水平和較低水平；速效鉀含量除1 520 m處為中等水平，其余海拔均為高或極高水平。

通過主成分分析發(fā)現，第一主成分的貢獻率最大，故堿解氮、有機質、脲酶、酸性磷酸酶等因子，可以作為表征該地區(qū)土壤肥力狀況的較優(yōu)指標。而在第二、三主成分中載荷較高的指標，如速效鉀、蔗糖酶、過氧化氫酶等，也可以間接反映出土壤微生物活動的強弱，以及土壤中某些營養(yǎng)元素在循環(huán)中的變化[39]。通過對不同海拔土壤肥力綜合得分進行排序，由高到低依次為：1 770 m﹥1 890 m﹥1 740 m﹥1 800 m﹥1 860 m﹥1 830 m﹥1 520 m。

3.2 結論

本文通過對金佛山方竹不同海拔梯度土壤特性的分析和研究，得出以下結論。

(1)金佛山方竹林下土壤有機質、全氮、堿解氮含量、脲酶活性隨著海拔升高總體增大；全磷、速效磷含量、過氧化氫酶和蔗糖酶活性先增大再減小又增大；土壤酶活性與土壤理化性質密切相關，重金屬Pb含量與蔗糖酶活性呈顯著正相關。

(2)在主成分分析中貢獻率最大的是全氮、堿解氮、有機質、脲酶、酸性磷酸酶5個指標，可以作為綜合評價該研究地區(qū)土壤肥力狀況的指標。對7個不同海拔土壤肥力質量進行排序后，海拔1 770 m和1 890 m處土壤肥力水平最高。

(3)該地區(qū)在金佛山方竹生長過程中，應人工增施磷肥，低海拔地區(qū)多施氮肥，并增加有機質和鉀肥的含量，以提高土壤肥力，增強林分生產力。