神農架4種典型針葉人工林土壤酶活性及其生態化學計量特征

胡 琛，賀云龍，黃金蓮，雷靜品，崔鴻俠，唐萬鵬，馬國飛

(1. 中國林業科學研究院林業研究所，國家林業和草原局林木培育重點實驗室，北京 100091；2. 湖北省林業科學研究院，湖北 武漢 430075；3. 神農架國家公園管理局，湖北 神農架 442421)

土壤酶是一類主要來源于土壤微生物的生物催化劑，是微生物參與生物地球化學循環過程的核心動力[1]。為了獲取碳（C）、氮（N）、磷（P）等構成生命有機體的基礎元素完成自身新陳代謝的需求，微生物將分泌相應的胞外酶轉化土壤有機質中C、N、P元素[2]，微生物分泌碳轉化酶β-葡萄糖苷酶（BG）、氮轉化酶β-乙酰葡糖胺糖苷酶（NAG）和磷轉化酶磷酸單酯酶（AP）。通常認為，土壤酶活性變化指示了微生物養分需求特征和土壤養分狀況[3-6]。

隨著生態化學計量學理論的應用，反映微生物和土壤酶活性內在關系的土壤酶化學計量的概念被提出[7-8]。Sinsabaugh等[9]研究發現，在全球尺度上，土壤C、N、P酶化學計量比總體上呈1∶1∶1的關系，這一理論揭示了土壤微生物養分需求與土壤養分有效性之間生物地球化學平衡模式。土壤酶活性對土壤養分變化和環境脅迫響應極為敏感[3,10]，有研究認為，土壤酶生態化學計量比可以指示土壤微生物能量和養分資源限制狀況及土壤質量、生物地球化學循環的特征[11-12]。Xu等[13]調查中國東南地區從南到北森林樣帶C、N、P養分獲得酶活性及其化學計量特征發現，土壤酶C∶N和N∶P較低的比值指示了我國熱帶森林生態系統土壤微生物受到P養分元素的限制。近些年，從土壤酶化學計量角度分析土壤微生物的養分限制逐漸成為土壤生態學領域研究的熱點話題之一。

林分是土壤養分的重要影響因素[14]，但目前關于不同林分對土壤酶活性及其生態化學計量比影響特征的研究相對較少，其中，凋落物和根系是土壤養分的主要輸入源，不同林分類型（如樹種）的凋落物輸入和根系變化影響著土壤養分的有效性[15-16]。左巍等[17]對青藏高原不同樹種凋落物養分狀況的研究發現，華北落葉松、云杉、白樺林之間凋落物養分狀況差異顯著。弓文艷等[18]對不同林分土壤C、N含量變化的研究表明，落葉松林土壤C、N和C/N比值顯著高于油松林和落葉松-油松-刺槐混交林，不同林分類型土壤C、N含量之間的差異與其凋落物有關。另外，不同樹種產生的根系分泌物也不相同[19]。土壤是土壤微生物直接的能量和養分來源，不同樹種的凋落物和根系分泌物變化所引起的土壤養分變化也會帶來土壤微生物對能量和養分需求的變化，那么不同樹種土壤微生物能量和養分需求將如何變化？目前相關方面的研究報道相對不足，很大程度上限制了對微生物參與的生物地球化學過程的深入理解。因此，有必要開展林分對土壤酶及其生態化學計量比的研究，以進一步理解土壤微生物的養分需求特征。

神農架地處我國秦巴山地，是湖北境內長江與漢水的分水嶺、南水北調中線工程重要的水源涵養地、三峽庫區最大的天然綠色屏障，擁有當今世界中緯度地區保持完好的亞熱帶森林生態系統，生態地位十分重要，因而備受關注。神農架人工林現保存面積42 605 hm2，占湖北省森林面積30%左右[20]，其中，水杉（Metasequoia glyptostroboidesHu et W.C. Cheng）、柳杉（Cryptomeria japonicavar.sinensisMiquel）、落葉松（Larix gmelinii(Ruprecht)Kuzeneva）和華山松（Pinus armandiiFranch）是該地區的主要造林樹種。因此，本研究選取神農架上述4種典型人工林土壤為研究對象，分析其土壤酶活性及其生態學計量比變化特征，并進一步分析土壤酶活性及其生態學計量比的影響因素，以期更好地認識本區域土壤微生物能量和養分資源的限制狀況，為該區域林地養分循環的改善提供一定的理論參考。

1 試驗區概況

神農架林區地處湖北西北部，由興山縣、房縣、巴東縣的邊緣部分組成（109°56′～110°58′ E，31°15′～31°57′ N），海拔1 755 m。屬大巴山脈東延之余脈，為我國中部山地與東部丘陵低山區的過渡地帶，相對高差達2 700 m。屬北亞熱帶季風氣候，是亞熱帶氣候向溫帶氣候過渡區域，主要受東南季風影響，年平均氣溫10.6℃，年平均日照率42%，相對濕度73%～75%，平均年蒸發量500～800 mm，年降水量800～2 500 mm。降水多集中于夏季，冬季較少，4—l0月的降水量占全年的70%以上，降水量隨海拔的增高而增加。隨海拔升高，依次呈現出亞熱帶、暖溫帶、中溫帶等多種氣候類型。植被分布具有明顯的垂直地帶性，隨海拔升高依次為常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、落葉闊葉林、針闊混交林、針葉林及灌叢。土壤具有自然的垂直帶，隨海拔升高自下而上土壤類型依次為:山地黃棕壤、山地棕壤、山地暗棕壤、山地棕色針葉林土和山地草甸土[21-23]。

本研究選取湖北林科院神農架生態站（31°18′00″～31°42′00″ N、109°56′24″～110°42′36″ E，海拔1 580 m）附近的水杉、柳杉、落葉松和華山松純林人工林為研究對象，4種林分類型林齡大約40 a，林下植被群落類型相近，人為干擾少，具體林分立地狀況見表1。

表1 4種林分的基本概況Table 1 Basic characteristics of four types of forest stands

2 材料與方法

2.1 土壤樣品的采集與處理

2019年8月生長季，在每個森林類型分別設置3個20 m×20 m的樣方，樣方間距＞50 m。在每個樣方內，利用土鉆（直徑4 cm）按照5點采樣法，去除表面凋落物后，采集土壤0～10 cm層土壤樣品。土樣用低溫保鮮箱運回實驗室處理，同一個林分所有樣方采集的土樣進行均勻混合，并用鑷子去除石礫、植物根系，過2 mm篩，一部分鮮樣用于土壤含水量測定；一部分土樣自然風干后用于土壤酶活性和pH測定；另一部分土壤經自然風干后，研磨過0.149 mm篩，用于土壤有機碳、總氮和總磷指標的測定。

2.2 土壤化學性質和酶活性測定

2.2.1 土壤化學性質測定 土壤有機碳（SOC）含量采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定；土壤總氮（TN）含量采用半微量開氏法測定；土壤總磷（TP）含量采用HClO4-H2SO4消煮，用流動分析儀（Bran Luebbe AA3, Hamburg, Germany）測定；pH值采用水土質量比為2.5∶1測定。每個樣品重復測定3次。

2.2.2 土壤酶活性測定 土壤酶活性采用參考文獻[24]中比色法測定。稱取土壤5 g，根據測定相應的酶種類加入對應的提取液和緩沖液，經振蕩、水浴加熱和過濾后，進行測定，其中，磷酸單酯酶（AP）提取樣品放入恒溫箱（37℃）培養24 h后進行測定；土壤β-葡萄糖苷酶（BG）、β-乙酰葡糖胺糖苷酶（NAG）和AP測定的底物分別為對-硝基苯-β-D吡喃葡萄糖苷、對-硝基苯-β-D吡喃葡萄糖苷和磷酸苯二鈉。

2.3 分析方法與數據處理

采用Turner等[25]的研究方法，將分解幾丁質的相關酶作為氮循環的特征酶進行計算。BG:NAG、BG∶AP和NAG∶AP分別代表土壤酶C∶N、C∶P和N∶P。

單因素方差采用紐曼-科伊爾斯檢驗（SNK）分析不同林型土壤化學性質、土壤酶活性及其化學計量比之間的顯著性差異，顯著性水平設定為P＜0.05。對酶的活性及其化學計量比進行主成分分析（PCA）；土壤化學性質對土壤酶活性及其化學計量比的影響采用冗余分析（RDA）；采用Pearson法進行土壤酶及其生態化學計量比與土壤化學性質的回歸分析。采用Excel 2013和SPSS 19.0軟件進行數據的分析和處理，采用Canoco5.0軟件進行主成分分析（PCA）和冗余分析（RDA），采用Origin 2019軟件繪圖。

表2 4種林分類型土壤化學性質Table 2 Soil chemical properties of four types of forest stands

3 結果與分析

3.1 不同林分類型土壤化學性質

不同林分土壤化學性質間存在差異（表2），其中，柳杉林土壤SOC含量最高，且與水杉林和落葉松林的差異顯著（P＜0.05），華山松林土壤SOC含量也顯著高于水杉林（P＜0.05）。柳杉林土壤TN顯著高于其他3個林分類型（P＜0.05），其他3個林分間土壤TN含量差異不顯著（P＞0.05）；柳杉林和華山松林土壤TP含量顯著高于水杉林和落葉松林（P＜0.05），柳杉林和華山松林土壤TP間差異顯著（P＜0.05），水杉林和落葉松林間土壤TP含量差異不顯著（P＞0.05）；華山松林土壤C∶N最高，與其他3個林分C∶N之間差異顯著（P＜0.05），落葉松林和柳杉林土壤C∶N也顯著高于水杉林（P＜0.05）；落葉松林土壤C∶P、N∶P顯著高于其他3個林分（P＜0.05），華山松林土壤C∶P、N∶P最低，顯著低于水杉林和柳杉林（P＜0.05），水杉林和柳杉林之間土壤C∶P、N∶P差異不顯著（P＞0.05）；水杉林和柳杉林土壤pH值較高，與落葉松林和華山松林土壤pH值之間差異顯著（P＜0.05），落葉松林土壤pH值最低，與華山松林土壤pH值之間差異顯著（P＜0.05）。

3.2 不同林分類型土壤酶活性的比較

不同林分類型之間土壤酶活性存在差異（圖1），落葉松林土壤酶活性最高，其中，水杉林BG活性顯著低于其他3個林分（P＜0.05），其他3個林分之間土壤BG活性差異性不顯著（P＞0.05）；落葉松林土壤NAG活性顯著高于其他3個林分（P＜0.05），但其他3個林分間土壤NAG活性差異不顯著（P＞0.05）；不同林分間土壤AP活性差異不顯著（P＞0.05）。

圖1 不同林分土壤酶活性變化特征Fig. 1 The various of soil enzyme activity in different forest stands

3.3 不同林分類型土壤酶的化學計量比

不同林分土壤酶的生態化學計量比存在差異（圖2）。不同林分土壤酶BG∶NAG（酶C∶N）大小順序為柳杉林＞華山松林＞落葉松林＞水杉林，柳杉林和華山松林土壤酶BG∶NAG與落葉松林和水杉林間差異顯著（P＜0.05），落葉松林和水杉林間土壤酶BG∶NAG差異也顯著（P＜0.05）；水杉林土壤酶BG∶AP顯著低于其他3個林分（P＜0.05），其他3個林分之間差異不顯著（P＞0.05）；不同林分土壤酶NAG∶AP（酶N∶P）大小順序為落葉松林＞華山松林＞水杉林＞柳杉林，落葉松林土壤酶NAG∶AP與其他3個林分間差異顯著（P＜0.05），其他3個林分間差異不顯著（P＞0.05）。

圖2 不同林分土壤酶化學計量比變化特征Fig. 2 The various of soil enzyme stoichiometry in different forest stands

3.4 不同林分土壤酶活性與土壤化學性質分析

不同林分土壤酶活性及其生態化學計量比的主成分分析結果（圖3）表明：PCA1軸可以解釋不同林分差異的77.73%，該軸與BG酶（R=-0.99）、AP酶（R=-0.72）、BG∶AP（R=-0.99）和BG∶NAG（R=-0.78）具有較高的相關性；水杉林與其他3個林分沿PCA1具有明顯的分異。PCA2軸可以解釋不同林分類型之間差異的21.78%，該軸與NAG酶（R=0.88）、BG∶NAG（R=-0.62）和NAG∶AP（R=0.93）具有較高的相關性；落葉松林與柳杉林之間沿PCA2軸具有明顯的分異。RDA分析結果（圖4）顯示：7個土壤化學性質指標共解釋了土壤酶活性及計量比變異的94.67%。土壤pH（P=0.01）和SOC（P=0.002）是影響土壤酶活性和酶化學計量比的主要因子，分別解釋了土壤酶活性和土壤酶化學計量比40.23%和41.42%的變異。

圖3 土壤酶活性及其化學計量比的主成分分析Fig. 3 Principle analysis (PCA) of soil enzyme activity and stoichiometry in different forest stands

圖4 土壤酶活性及其計量比與土壤化學性質的冗余分析Fig. 4 Redundancy analysis (RDA) of the effect of soil chemical properties on soil enzyme activity and stoichiometry in different forest stands

土壤酶及其化學計量比與土壤化學性質Pearson相關分析（表3）表明：土壤BG和NAG活性與土壤pH顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）負相關；土壤BG∶NAG與土壤SOC極顯著（P＜0.01）正相關，與TN、TP和C∶N顯著正相關（P＜0.05）；土壤BG∶AP與土壤C∶N顯著正相關（P＜0.05），與土壤pH顯著負相關（P＜0.05）；土壤NAG∶AP與土壤pH極顯著負相關（P＜0.01）。

表3 土壤酶及其化學計量比與土壤化學性質相關分析Table 3 The relationship between soil enzyme activities or stoichiometry and soil chemical properties.

4 討論

4.1 不同林分針葉人工林土壤酶活性變化特征及其影響因素

不同林分之間土壤酶活性存在差異，冗余分析結果表明：土壤酶活性主要與土壤SOC和pH值有關，其中，土壤BG和AP活性與土壤SOC含量呈顯著正相關，這與Sinsabaugh等[9]對全球尺度土壤酶活性研究結果和Guo等[26]對中國東南部喀斯特地貌和非喀斯特地貌森林土壤酶活性研究結果一致。土壤BG與pH值呈顯著負相關，土壤NAG與pH值呈極顯著負相關，這與Xu等[13]對中國東南部南北森林樣帶土壤酶活性研究結果相反，這可能主要是因為后者為區域尺度，pH值變化范圍較大，而本文是局域尺度，pH值變化范圍較小。本研究中4個林分處于同一個區域，立地條件基本相似，凋落物和根系可能是不同樹種調控土壤養分的主要途徑。因此，未來應進一步分析不同樹種的凋落物和細根質量及數量等相關指標與土壤酶活性的關系。

柳杉林和華山松林土壤BG活性顯著高于水杉林，該研究結果一方面可能與不同樹種凋落物輸入差異有關，因為柳杉林和華山松林屬于常綠針葉林，水杉林和落葉松林屬于落葉型針葉林，落葉型針葉林凋落物輸入明顯高于常綠針葉林，針葉林凋落物中木質素、多酚類等難溶性物質含量較高[27]，加之，凋落物長期大量積累，土壤表層透氣性差，凋落物更不易分解，所以落葉型針葉林對土壤有機碳分解影響較小，水杉林土壤BG活性較低；另一方面可能與不同植物的根系滲出物速率和成分不同造成根際碳含量的差異有關[19]。另外，落葉松林土壤BG活性與水杉林之間差異顯著，可能還與落葉松林凋落物樹脂、單寧等酸性物質含量高，易導致土壤酸化有關[28]。本研究中，落葉松林土壤pH值為5.53，顯著低于其它3個林分。土壤水解酶活性最適宜的pH值為5左右[9]，說明落葉松林土壤偏酸性提高了土壤酶活性。落葉松林土壤NAG活性顯著高于其他3個林分，可能也與落葉松林土壤偏酸性有關。不同林分之間土壤AP活性差異不顯著，說明土壤酶活性除了受土壤養分和pH值影響外，可能還受微生物群落組成和結構等生物因素影響[9, 29]。

4.2 不同林分針葉人工林土壤酶化學計量比與養分限制因子

土壤BG、NAG和AP活性代表了微生物C、N、P獲得能力。柳杉林、華山松林、落葉松林土壤BG∶NAG顯著高于水杉林，說明柳杉林、華山松林和落葉松林土壤微生物所需的有效碳源高于水杉林。土壤BG∶NAG與土壤C∶N呈顯著正相關，反映了柳杉林、華山松林和落葉松林土壤有機質質量可能低于水杉林。柳杉林、華山松林土壤BG∶NAG較高，說明其土壤有機質質量最低，這與柳杉林、華山松林土壤C/N比較高的結果一致；水杉林土壤BG∶AP也顯著低于其他3個林分，且土壤BG∶AP與C∶N呈顯著正相關，進一步說明了柳杉林、華山松林和落葉松林土壤有機質質量相對較低；落葉松林土壤NAG∶AP活性顯著高于其他林分，這可能主要與落葉松林土壤酸化有關。土壤NAG∶AP與土壤pH值呈極顯著負相關，這與張星星等[30]和Xu等[13]研究結果一致。另外，冗余分析得出，土壤SOC是土壤酶活性的主要調控因素。因此，4個林分土壤酶化學計量比可以反映其土壤養分狀況。

本文所研究區域土壤BG∶NAG∶AP對數轉換后均值為1.00∶0.80∶0.81，同全球尺度上土壤C、N、P酶化學計量比1∶1∶1有所偏離[9]，反映了本區域微生物對土壤碳源需求較高。這主要與本研究中4種林分均為針葉純林有關，因為，針葉林凋落物相比闊葉林凋落物輸入量少，且難分解，養分歸還緩慢，土壤有機質質量相對不高[17,27]。本研究區域BG:NAG比值（2.27±0.72）處于熱帶森林生態系統土壤BG:NAG（1.83±0.31）[12]和全球生態系統土壤BG:NAG（1.81±0.47）范圍內，反映了本區域土壤微生物對C和N元素需求基本保持相對平衡的模式。另外，本區域土壤氮磷比值（4∶1）低于全球尺度氮磷比值（13∶1）[11]和中國區域尺度森林土壤氮磷比值（14∶1），說明本區域土壤微生物可能受到氮元素養分的限制[13]，該結果與以往報道的全球和我國熱帶及亞熱帶地區森林生態系統土壤微生物存在磷元素養分限制的結果不同[12-13]，而與Guo等[26]對中國西南地區喀斯特地貌森林生態系統研究結果一致。本研究認為，相比全球和區域尺度，在局部區域尺度上，林齡、林分類型、土壤母質類型等因素均會造成土壤養分變化[30-31]，進而影響微生物對酶活性的表達，如張星星等[30]對中亞熱帶不同森林類型研究發現，不同母質類型下天然林和杉木人工林土壤BG∶AP和NAG∶AP均存在顯著差異。

5 結論

本研究區域神農架4種針葉人工林之間土壤酶活性及其生態化學計量比存在差異；林分對土壤酶活性及其生態化學計量比的影響主要是通過其對土壤有機碳和pH值調控來實現的；本研究區域人工林土壤微生物可能受到土壤氮限制。因此，未來對本區域人工林土壤養分管理應考慮微生物的氮素需求。