黃山不同海拔植被帶土壤活性有機碳、氮及其與酶活性的關系

姚 蘭，張煥朝，胡立煌，王艮梅，方炎明

（1.南京林業大學 南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京 210037；2.南京林業大學 林學院，江蘇 南京 210037；3.南京林業大學 生物與環境學院，江蘇 南京210037）

森林作為重要的生態系統，其碳儲量是陸地碳的46%，但是近幾十年來，森林對全球變暖的正反饋作用，導致森林土壤中碳的大量流失［1］。土壤碳庫的動態變化主要體現在土壤活性碳庫中。土壤活性有機碳受植被和土壤微生物影響強烈，并與大氣二氧化碳存在較頻繁的相互作用，因此在全球氣候變暖的背景下，研究環境變量和土壤有機碳儲量對未來氣候變化的影響具有重要意義［1-2］。溶解性有機碳（dissolved organic carbon,DOC）、微生物生物量碳（microbial biomass carbon,MBC）和易氧化有機碳（readily oxidization carbon,ROC）作為土壤活性碳庫的3個重要指標，由于其周轉率高且快，所以相較于總有機碳（total organic carbon,TOC），更能反映森林環境隨海拔梯度的變化［3］。DOC不僅能夠從森林底部向礦質土壤進行水文輸送，而且是礦質土壤中有機碳的重要來源，是全球碳循環中的重要碳通量［4］。MBC是土壤有機質的重要組成部分，占土壤有機碳的2%～5%，在養分循環和整個有機質動態中起著重要作用［5］。ROC指能被333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化的碳，在土壤碳庫中其含量通常大于MBC，能代表驅動反硝化和甲烷生成過程所需的碳源［6］。由于碳和氮循環之間的相互作用，森林生態系統氮素的儲存與碳庫之間緊密耦合，在全球氣候變化中起重要作用［7］。溶解性有機氮（dissolved organic nitrogen,DON）是微生物和植物的一種重要氮源，而微生物和植物通過產生和吸收各種溫室氣體從而對當地氣候變化起作用［8］。微生物生物量氮（microbial biomass nitrogen,MBN）不僅在土壤氮礦化等過程中起重要作用，而且對氣候變化具有敏感的生物指示作用［9］。土壤酶在許多涉及土壤有機質降解、轉化和礦化的生化過程中起重要作用［10］。已有研究表明：土壤酶活性與土壤養分動態密切相關，尤其是DON［11］。土壤活性有機碳不僅依賴于TOC，也與土壤脲酶（urease,UE）、過氧化氫酶（catalase,CAT）等酶活性密切相關［12］。土壤酶如β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase,βG）與土壤DOC和DON儲量密切相關，DOC和DON儲量對土壤碳通量和循環至關重要［8］。黃山具有明顯的植被和土壤垂直地帶性［13］，關于該區域的森林土壤碳氮庫及相關酶活性的研究報道較少。本研究以黃山4種不同海拔典型植被帶的土壤為研究對象，分析不同植被帶土壤碳氮及其活性組分與相關土壤酶活性關系，以期為評價黃山森林生態系統的土壤碳儲量和生產力以及保護區森林土壤管理等提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黃山位于安徽省南部（30°01′～30°18′N， 118°01′～118°17′E）， 景區面積為 160.6 km2， 地勢高差達1400 m，地處亞熱帶季風氣候帶。黃山植物群落分布自下而上為次生林、常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、落葉闊葉林、山地矮林與灌叢及山地草甸；土壤自下而上分別為黃紅壤、黃壤、暗黃棕壤、酸性棕壤，山頂局部分布有山地草甸土及山地草甸沼澤土［13］。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 2018年7月，沿黃山云谷寺—光明頂步道，以海拔、植被類型及實際情況為指標，按約300 m的間隔、遠離步道處選擇4個海拔植被帶樣地，樣地基本情況見表1。每個海拔植被帶設置3個10 m×10 m的樣方，每個樣方內按S型采集10個表層10 cm深的土樣，用冰盒運回實驗室。一份土樣過2 mm篩后保存于4℃冰箱中用于溶解性有機碳、氮以及微生物生物量的測定，另一份風干過篩后用于其他指標的測定。

表1 樣地概況Table 1 Basic situations of the sampling sites

1.2.2 土壤活性組分及基本性質 總有機碳（TOC）用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；全氮（total nitrogen,TN）用開氏法測定；pH值用電位法測定，水土質量比為2.5∶1.0［14］。微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）用氯仿熏蒸浸提法測定［15］，熏蒸土和未熏蒸土均用0.5 mol·L-1的硫酸鉀浸提30 min（土液質量比為1∶4），提取液中的有機碳質量分數用有機碳分析儀測定，全氮質量分數用開氏消化法測定。wMBC=EC/0.45；wMBN=EN/0.45。其中：EC和EN分別為熏蒸和未熏蒸土壤有機碳、全氮質量分數之差，轉換系數為0.45。溶解性有機碳（DOC）和溶解性有機氮（DON）的測定［16］：用去離子水振蕩浸提（水土質量比為5∶1）30 min，高速（15000 r·min-1）離心10 min，用0.45 μm濾膜抽濾，用有機碳分析儀測定濾液碳濃度得到DOC，用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定濾液TN，靛酚藍比色法測定NH4+-N，紫外分光光度法測NO3--N，則wDON=wTN-（wNH4+-N+wNO3--N）。易氧化有機碳（ROC）用高錳酸鉀氧化法測定，過0.25 mm的風干土加333 mol·L-1高錳酸鉀溶液25 mL，震蕩1 h后離心，取上清液稀釋250倍，在分光光度計565 nm波長下比色［16］。

1.2.3 土壤酶活性 脲酶（UE）用靛酚藍比色法測定，酶活性以24 h土中產生NH3-N表示（mg·g-1·d-1）；β-葡萄糖苷酶（βG）用硝基酚比色法測定，酶活性以土中產生對硝基苯酚表示（mg·g-1·d-1）；過氧化氫酶（CAT）用高錳酸鉀滴定法測定， 酶活性以土中消耗的高錳酸鉀表示（mL·g-1·h-1）［17］。

1.2.4 林下植被多樣性 調查樣地林下植被種類、株數或多度、蓋度、高度等，并計算其多樣性和重要值。 Shannon-Wiener多樣性指數（H）：H=-∑PilnPi； Simpson優勢度指數（D）：D=∑。 其中：Pi為樣方內物種的重要值，Pi=（相對蓋度+相對高度）/2。

1.2.5 數據分析 用SPSS 20軟件統計分析，單因素方差分析（one-way ANOVA）和Duncan法比較不同海拔植被帶間的差異。Origin 2016軟件制圖。用R 3.3.4軟件Performance Analytics包做Pearson相關矩陣圖；Vegan包做酶活性和活性有機碳、氮組分冗余分析（redundancy analysis，RDA），對酶的數據進行Hellinger轉化，999次蒙特卡羅置換檢驗（Monte-Carlo permutation test）考察環境因子的顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同海拔植被帶土壤碳氮及其活性組分

不同植被帶土壤碳及其活性組分呈現隨海拔變化的特征（表2）。各海拔植被帶的土壤TOC和ROC質量分數差異均不顯著。高山草甸的土壤MBC平均質量分數最高，EDFⅡ的DOC平均質量分數最高，且各海拔植被帶的MBC和DOC質量分數存在極顯著差異（P＜0.01）。說明不同樹種覆蓋的植被帶，導致土壤活性碳及微生物生物量的差異。

由表2可知：高山草甸土TN，MBN及DON質量分數均最高，分別為4.487，260.99，74.01 mg·kg-1。常綠落葉闊葉混交林下土壤TN和MBN質量分數較低，分別為2.85和65.70 mg·kg-1；常綠闊葉林下的土壤DON質量分數最低，為39.35 mg·kg-1。說明高海拔土壤氮素有效性較高。不同海拔植被帶土壤TN和MBN質量分數存在極顯著差異（P＜0.01），而各海拔植被帶間的土壤DON質量分數無顯著差異。

表2 黃山不同海拔植被帶土壤碳氮及其活性組分Table 2 Soil carbon and nitrogen and their labile fractions in different vegetation zones along an altitudinal gradient on Mount Huangshan

2.2 不同海拔植被帶土壤活性有機碳氮分配比例

MBC/TOC稱為土壤微生物熵［18］。從表3可見：高山草甸土的微生物熵（2.35%）明顯高于其他植被帶，而常綠闊葉林的土壤微生物熵（1.12%）最低；常綠落葉闊葉混交林Ⅱ的DOC平均分配比例（20.65%）顯著高于其他植被帶，常綠闊葉林的DOC平均分配比例最低（7.95%），不同海拔植被帶的微生物熵以及DOC/TOC存在顯著差異（P＜0.01）。總體上常綠落葉闊葉林的ROC分配比例最大（35.11%），常綠落葉闊葉混交林Ⅰ則最小（27.66%）。不同植被帶土壤活性有機氮分配比例呈現不同的海拔變化特征。高山草甸土的MBN/TN（5.79%）明顯高于其他植被帶，但是高山草甸的DON/TN（1.66%）較低。相較于其他植被類型，常綠落葉闊葉混交林MBN的分配比例較低，DON的分配比例較高。說明不同植被類型影響土壤微生物生物量和活性，從而在一定程度上影響土壤DON分配比例。

2.3 不同海拔植被帶土壤酶活性

如圖1所示：脲酶活性在常綠闊葉林下達最高值，為1.81 mg·g-1·d-1，在常綠落葉闊葉混交林Ⅱ下達最低值，為0.73 mg·g-1·d-1，且這2種植被類型的脲酶活性差異顯著（P＜0.05）。β-葡萄糖苷酶和過氧化氫酶均在高山草甸表現為最高活性，分別是2.05 mg·g-1·d-1和19.12 mL·g-1·h-1；β-葡萄糖苷酶在常綠落葉闊葉混交林Ⅱ下的活性最低，為0.94 m·g-1·d-1，過氧化氫酶在常綠闊葉林下的活性最低，為11.30 mL·g-1·h-1。 不同海拔植被帶的 β-葡萄糖苷酶（F=23.85,P＜0.01）和過氧化氫酶（F=23.24,P＜0.01）均呈極顯著差異，脲酶呈顯著差異（F=4.47,P＜0.05）。

2.4 相關性及冗余分析

如表4所示：不同海拔植被帶的土壤碳氮及其活性組分與土壤酶及其他土壤因子之間存在一定的相關性。就土壤碳組分而言，TOC與TN（R=0.65，P＜0.05）、ROC（R=0.90，P＜0.001）存在顯著正相關關系； MBC 與 TN（R=0.96）、MBN（R=0.92）、 β-葡萄糖苷酶活性（R=0.86）呈極顯著正相關關系（P＜0.001），與過氧化氫酶（R=0.66，P＜0.05）顯著正相關；DOC與pH值顯著負相關（R=-0.65，P＜0.05）。就土壤氮組分而言，TN與MBN（R=0.89，P＜0.001）、β-葡萄糖苷酶活性（R=0.76，P＜0.01）極顯著正相關； MBN與β-葡萄糖苷酶（R=0.82，P＜0.01）、過氧化氫酶（R=0.66，P＜0.05）活性均顯著正相關；DON與過氧化氫酶活性（R=0.58，P＜0.05）顯著正相關，與脲酶活性（R=-0.97，P＜0.01）呈極顯著負相關關系。此外，本研究發現所選樣地的林下植被多樣性與各因子之間均無相關關系。

圖1 黃山不同海拔植被帶土壤酶活性Figure 1 Soil enzyme activities in different vegetation zones along an altitudinal gradient on Mount Huangshan

表4 環境變量的Pearson相關分析Table 4 Pearson correlation analysis between environmental variables

以土壤酶活性作為響應變量，活性有機碳、氮組分作為解釋變量，并結合不同海拔植被帶樣點進行RDA分析。由圖2可知：土壤酶活性與活性有機碳、氮組分關系顯著，可以解釋86.96%的變異，其中第1軸解釋了75.11%的變異，第2軸解釋了11.85%的變異。從各酶活性與環境因子夾角可知，土壤脲酶與DON有很強的負相關性，過氧化氫酶與DOC以及β-葡萄糖苷酶與MBC，MBN均有很強的正相關性，這基本上與相關性檢驗結果一致。蒙特卡羅檢驗結果顯示：僅DON對于土壤酶的分布的影響達到顯著水平（r2=0.6957，P=0.006），土壤活性有機碳氮組分對土壤酶分布的決定系數從大到小依次為DON，MBC，DOC，MBN和ROC。

3 討論

3.1 不同海拔植被帶土壤碳氮及其活性組分特征

黃山較高海拔土壤TOC及其活性組分質量分數高于較低海拔，且存在較明顯的海拔植被帶差異。可能的原因是隨著海拔高度增加，溫度降低，土壤微生物活性降低，從而導致土壤TOC釋放速率降低［19］。孫海燕等［20］研究也證明：海拔較高的高寒草甸群落內的雜類草物種數目和蓋度較低，溫度較低且濕度較高，因此有機質的分解速率較慢，土壤活性有機碳含量相對較高。有機氮通過氨化和硝化作用由細菌轉化為氨、硝酸鹽或亞硝酸鹽，變化的氣象條件（溫度和濕度）將改變細菌的氨化和硝化能力，因此DON沉積與溫度和降水密切相關［21］；隨著海拔升高，氣溫下降，降雨量增大［20］，因此本研究1760 m高山草甸的土壤氮素及其活性組分的質量分數相較于其他海拔植被帶最高。DOC和DON主要來源于土壤有機質、根系分泌物以及微生物代謝產物，林分類型也通過這些過程影響土壤DOC和DON及其動態［22］。TU等［23］研究也證明：DOC主要來源于表層土壤中的凋落物，且DOC的主要來源可能隨周圍環境的變化而改變。凋落物數量、種類和化學組分是影響表土DOC和DON的主要因素［24］。不同植物種類對養分的需求不同，產生的凋落物數量和質量也不同，從而影響微生物種群和多樣性，進而影響土壤微生物生物量和微生物碳的利用效率［5］。因此，植被類型是導致黃山不同海拔植被帶土壤MBC，DOC和MBN質量分數存在極顯著差異的重要因素，而海拔梯度所造成的溫度與水分差異也對土壤MBC，DOC和MBN質量分數的海拔植被帶差異具有重要貢獻。

圖2 土壤酶活性與土壤活性有機碳氮組分的冗余分析Figure 2 Redundancy analysis（RDA）of the enzyme activities and soil labile organic carbon and nitrogen fractions

3.2 不同海拔植被帶土壤活性有機質分配比例情況

土壤微生物熵（MBC/TOC）是監測土壤有機碳或微生物生物量的敏感參數，可解釋為土壤有效底物和固定在微生物細胞中土壤總碳的比例［18］，比MBC更能反映植被類型對土壤有機碳的影響［5］。本研究中高山草甸的土壤微生物熵以及MBN/TN明顯高于其他植被帶，說明高山草甸土碳庫處于積累狀態，微生物對土壤氮庫的利用效率較高，土壤氮素礦化和有效性也較高。ROC分配比例從有機碳自身分解方面指示有機碳活性強度，該比值越大則土壤有機碳被分解礦化的潛力越大［25］。土壤DOC/TOC比DOC更能反映林分類型對土壤碳的影響，其比值越大，說明土壤碳活性越強，穩定性越差［22］。本研究中常綠闊葉林的DOC分配比例最小，且ROC分配比例最大，說明低海拔常綠闊葉林土壤有機碳穩定性較差，不利于土壤碳的積累。DON質量分數可以影響土壤總氮的動態，較高的DON/TN說明通過淋溶作用而損失氮的可能性越大，從而影響氮的積累速率［26］。本研究結果顯示：不同海拔植被帶的DON/TN（1.41%～2.32%）無顯著差異，可能是因為黃山地處亞熱帶季風氣候帶［13］，夏季（采樣時間為7月）高溫多雨，淋溶作用較強。

3.3 不同海拔植被帶土壤酶活性特征及各因子之間的關系

β-葡萄糖苷酶與土壤活性碳循環相關［28］；脲酶對含氮有機質的水解有特殊的促進作用，與土壤中氮的形成和有效性密切相關［29］；過氧化氫酶能使代謝過程中產生的過氧化物分解，從而防止其對生物體的毒性作用，其活性與土壤有機質含量相關［17］。本研究發現：隨著海拔升高，土壤β-葡萄糖苷酶和過氧化氫酶活性總體上呈增強趨勢，而脲酶活性總體上呈減弱趨勢，該研究結果與聶陽意等［27］和宋賢沖等［28］的研究結果一致，說明高海拔土壤微生物可能更多地分解活性碳，更有利于土壤有機碳、氮的積累。本研究中DON顯著影響黃山不同海拔植被帶土壤酶活性分布。YANG等［29］研究發現：土壤酶活性可以作為溫帶森林生態系統土壤溶解性有機氮庫的潛在指標。REN等［11］的研究也證明：土壤酶活性與土壤養分動態密切相關，尤其是DON。β-葡萄糖苷酶促作用產物是微生物的營養源，過氧化氫酶活性與微生物數量相關［17］，因此MBC，MBN與這2種酶活性顯著正相關。

除ROC外，本研究發現TOC與其他有機碳活性組分均無顯著關系，究其原因是土壤有機碳活性組分對環境變化極為敏感，各組分變化難以完全與土壤有機碳變化保持一致，土壤有機碳活性組分的變化受到諸多因素的共同制約，因此需充分考慮其影響因素的復雜性及多樣性［26］。土壤溶解性有機質（DOC和DON）主要由高分子和電解質組成，其溶解度由電荷密度決定，而土壤pH值是電荷密度的決定因素［22］。此外，在酸性土壤中，微生物種類受限于以真菌為基礎的環境，從而導致有機體和植物體分解緩慢，土壤有機質含量降低［2］。因此，土壤DOC與pH值呈顯著負相關。已有研究證明：植被多樣性指數可能是影響土壤活性有機碳垂直分異的關鍵因子，而不是影響土壤活性有機碳沿海拔梯度分異的關鍵因子［20］。本研究中不同海拔植被帶土壤活性有機碳與林下植被多樣性之間無明顯相關關系，但是未涉及土層作用，因此黃山土壤活性有機碳庫與植被多樣性之間的關系有待進一步研究。

4 結論

除ROC外，黃山較高海拔土壤TOC，TN及其活性組分質量分數總體上高于較低海拔，且存在比較明顯的海拔植被帶差異。相較于其他植被帶，高山草甸的土壤TOC，TN及其活性組分質量分數均較高，MBC及MBN的分配比例也較高。低海拔常綠闊葉林土壤DOC/TOC最小，ROC/TOC最大，土壤有機碳庫穩定性較差。土壤DON的分配比例整體較高且無明顯海拔分異。隨著海拔升高，脲酶活性總體上呈減弱趨勢，β-葡萄糖苷酶和過氧化氫酶活性總體上呈增強趨勢。土壤活性碳、氮組分與TOC和TN質量分數、pH值及酶活性密切相關。土壤活性碳氮組分中DON顯著影響土壤酶的分布。植被類型直接或間接地影響黃山土壤碳氮及其活性組分海拔分布，因此加強對地表凋落物的科學管理，對改善森林土壤碳庫以及保護區土壤管理具有重要意義。