茂蘭喀斯特地區不同植被演替階段對土壤化學性質與酶活性的影響

湯茜，丁訪軍，朱四喜*，吳鵬，崔迎春，趙文君，侯貽菊

1. 貴州民族大學生態環境工程學院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州省林業科學研究院，貴州 貴陽 550005

土壤是陸地生態系統中植物生長的基礎（黃先飛等，2018）。土壤酶作為土壤生物指標，可指示土壤肥力和質量的敏感度（劉莎等，2012；方瑛等，2016；羅琰等，2017；李艷紅等，2020）。土壤水解酶主要是具有高度催化作用的蛋白質，對土壤中物質循環和能量流動、有機質分解和腐殖質合成十分重要（劉爍等，2018）。土壤酶活性具有顯著的空間差異，其變化直接影響物質循環速率，與土壤化學性質、土壤養分、植物群落結構有密切的關系（金裕華等，2011；楊瑞等，2016）。土壤中纖維二糖水解酶（CBH）、β-葡糖苷酶（BG）、β-N-乙酰氨基葡萄糖酶（NAG）等在一定程度上反映了土壤生態系統碳、氮、磷等生物地化循環過程與動態特征，而亮氨酸氨基肽酶（LAP）與土壤蛋白質水解有關，β-1, 4-木糖苷酶（BX）能將纖維素、木聚糖等土壤糖類充分水解，供給微生物碳源，促進碳循環，是體現土壤生態過程的幾種關鍵酶類（邊雪廉等，2015；Lei et al.，2017）。因此，通過對土壤酶分布、變化以及酶活性影響因素的研究，可以預測土壤肥力狀況的空間分布，有利于合理利用土壤資源，對植物和土壤質量可持續發展具有重要意義。

目前，中國學者針對喀斯特地區土壤等已經開展了一定研究（宮杰芳等，2018；劉爍等，2018），但對喀斯特地區不同演替階段下土壤酶活性的研究較少。喀斯特地區土壤淺薄不連續，各生境間土壤異質性大，對土壤生長分布以及土壤環境的空間分布等都有著較大影響（蒲通達，2015）。茂蘭喀斯特原始森林位于貴州省荔波縣境內，是目前世界上同緯度地區喀斯特原生性森林分布面積最大的地區，該地區現仍保持較高的自然森林生態系統特征，在整個西南喀斯特地區具有較好的代表性（劉紅霞等，2016）。因此，本文以貴州茂蘭喀斯特地區下不同演替階段土壤作為研究對象，研究其不同演替對土壤酶活性變化的影響因素，為茂蘭喀斯特森林保護和發展提供土壤學理論幫助。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本研究分別選擇茂蘭喀斯特地區內4個不同演替階段作為土壤采樣點（表 1），分別為：原生林階段（Primary forest stage，P）、次生林階段（Secondary forest stage，SE）、灌木林階段（Shrub stage，S）、草本階段（Herbaceous stage，H）。在2019年5月6日，土壤取樣按不同演替階段在樣地內進行，每個階段中分別選擇3個相似樣地，每個樣地設置具有代表性不同大小樣方，原生林和次生林階段為30 m×30 m，灌木林階段為20 m×20 m，草本階段為10 m×10 m，一共12個樣地。每個樣地分別在石溝（SG）、石縫（SF）和土面（TM）3種小生境內采集土樣，為探索茂蘭喀斯特土壤酶在垂直水平上的特點，對土壤進行分層（0—10、10—20 cm）采集。考慮其土壤異質性，每個樣地中3種小生境均只選擇1個樣點，每個階段采集18個土樣，共計 72個樣品。將每個土樣剔除石頭和動植物殘渣后混勻，分兩份裝入樣品袋并各自標記清楚，一份用于風干后測定土壤化學性質，另一份冷藏用于土壤酶活性分析。

表1 不同植被演替階段基本信息Table 1 Basic information of vegetation at different vegetation types

1.2 土壤化學性質測定方法

本研究共測定土壤pH值、土壤銨態氮、土壤硝態氮、土壤全氮（TN）、土壤全磷（TP）、土壤有效磷、土壤有機質（SOC）等土壤化學性質。根據《土壤農業化學分析方法》（魯如坤，2002），土壤pH用酸堿度計測定水土比為2.5∶1，土壤銨態氮采用水楊酸鈉法、土壤硝態氮采用硫酸肼還原法、土壤全氮采用硫酸消煮-水楊酸鈉法、土壤全磷采用硫酸消煮-鉬銻抗法、土壤有效磷采用磷鉬藍分光光度法、土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法（硫酸外加熱法）測定（鮑士旦，2000）。

1.3 土壤水解酶及其酶活性測定方法

本研究選擇并測定BG、BX、CBH、NAG、LAP 5種土壤水解酶，水解酶詳細情況見表 2。分別設置反應孔、無機質對照、底物以及空白對照孔，設置4個重復，將土樣震蕩液與緩沖液按不同比例添加至96位黑色酶標板中，在37 ℃或25 ℃下的溫度下培養4 h后，使用多功能酶標儀（SynergyH1，BioTek）進行熒光測定，在365 nm波長處激發，在 450 nm 處檢測熒光。酶活性單位為 μmol·h-1·g-1。

1.4 數據處理

原始數據基本整理采用Excel軟件，采用SPSS 21.0軟件的Pearson相關系數法進行相關性分析，差異性分析使用 SAS軟件進行單因素方差分析（One ANOVN），采用Origin 9.1軟件作圖。顯著性水平α=0.05，且表中數據表現形式為：均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 不同演替階段對土壤化學性質的影響

在原生林階段、次生林階段、灌木林階段和草本階段4個演替階段中，土壤 pH、有效磷和硝態氮差異不顯著（表 3）。原生林階段土壤有機質和全氮顯著高于其他演替階段，其次有機質含量為灌木林＞次生林＞草本階段。原生林、次生林和灌木林階段土壤全磷含量差異不顯著，其中灌木林最高，草本階段最低，僅占灌木林階段的44.2%，占原生林和次生林的54.8%。草本階段土壤碳氮比（C/N）值顯著高于其他3個演替階段，且3個演替之間C/N差異不顯著。除pH、有效磷、C/N外，其他化學因子皆表現為草本階段含量低于其他3個演替。

對不同小生境與化學因子進行分析（表4），4個演替階段中pH、有機質、有效磷、全氮、全磷、銨態氮、硝態氮和C/N在小生境中普遍表現為石縫最高。有效磷、全氮、全磷含量在除灌木林階段外的另3種演替中表現為石溝小生境最低，在灌木林階段中表現為在土面中最低。土壤 pH、有效磷、全氮、硝態氮和C/N在4種演替的不同生境中不存在顯著差異。在原生林、次生林和灌木林3種演替階段中，不同演替間土面內有機質、全磷含量無顯著性差異，而3種生境中有機質、全磷與草本階段小生境存在顯著性差異。在灌木林階段，銨態氮在3種小生境中無顯著差異，原生林石溝銨態氮濃度顯著高于另外3種演替，灌木林階段石溝中銨態氮占原生林階段石溝的47.1%，次生林階段占48.7%，而草本階段中僅占22.5%。

表2 水解酶名稱、底物、縮寫及功能簡介Table 2 Brief introduction of hydrolase and their corresponding substrates, abbreviation and functions

表3 不同植被演替階段土壤化學因子Table 3 Soil chemical factors at different vegetative succession stages

表4 不同植被演替階段不同小生境的土壤化學因子Table 4 Soil chemical factors of different microhabitats in different vegetation succession stages

從表 5可知，土壤 pH、有效磷、全磷和硝態氮在各演替階段不同土層之間無顯著差異，有機質、全氮和銨態氮在各演替階段不同土層之間均存在顯著差異，土壤C/N在原生林和次生林階段表層土和下層土之間無顯著差異，在灌木林和草本階段不同土層之間存在顯著差異。土壤有機質、有效磷、全氮、全磷、銨態氮表現為土壤表層＞土壤下層，而土壤pH、硝態氮和C/N反之。

從表層土來看（表 5），土壤 pH和硝態氮在不同演替階段之間無顯著差異，有效磷、全磷在 4種演替中差異顯著性低于有機質、全氮、銨態氮和C/N；除土壤pH、有效磷和C/N外，其他化學因子量均為草本階段最低，原生林階段最高，下層土亦是。下層土中，土壤pH和硝態氮表現與上層土相同；有機質、全氮、銨態氮、硝態氮在原生林階段最高；有機質、全氮、全磷、銨態氮和C/N在4種演替中存在差異較為顯著。

2.2 不同演替階段對土壤酶活性的影響

圖1 不同植被演替階段土壤酶活性Fig. 1 Soil enzyme activity at different vegetative succession stages

表5 不同植被演替階段不同土層的土壤化學因子Table 5 Soil chemical factors of different soil layers at different vegetation succession stages

由圖1可見，各演替階段下亮氨酸氨基肽酶活性遠高于BG、BX、CBH和NAG，其次是BG＞NAG＞BX＞CBH。在不同演替階段土壤酶活性中，LAP、BG、BX、CBH和NAG均表現為S＞SE＞P＞H。

在各演替階段中5種水解酶含量均為灌木林階段最高，次生林階段次之，其次是原生林階段和草本階段（圖2）。在不同演替階段3種小生境中，LAP、BG、BX和CBH均表現為石縫中活性最高，NAG則為在次生林和灌木階段為土面中活性最高，在原生石縫中活性較高，在草本階段為石溝中活性最高。

由圖3見，分別在土壤表層和土壤下層，不同演替階段土壤水解酶LAP、BG、BX、CBH和NAG均表現灌木林階段＞次生林階段＞原生林階段＞草本階段。而在不同演替階段，LAP、BG、BX、CBH、NAG活性均表現為土壤表層大于土壤下層。

2.3 不同演替階段土壤酶活性與化學因子的相關性

圖2 不同植被演替階段不同小生境的土壤酶活性Fig. 2 Soil enzyme activity of different microhabitats in different vegetation succession stages

圖3 不同植被演替階段表層土與下層土的土壤酶活性Fig. 3 Soil enzyme activity of topsoil and subsoil in different vegetation succession stages

對4種不同演替階段的化學因子與土壤酶活性進行Pearson相關系數分析，由表6可看出，在原生林階段，CBH與 BG之間顯著正相關，全磷與BG和CBH呈顯著負相關。次生林階段，BX與CBH呈顯著正相關，與 C/N呈顯著負相關，而 BG與NAG為顯著正相關。灌木林階段，BX與CBH呈顯著正相關。從整體上看，土壤水解酶受土壤化學因子影響較小，各演替階段土壤酶與土壤化學因子之間均無顯著相關性。

3 討論

3.1 不同演替階段土壤化學性質的變化

土壤是為植物生長發育提供能量的物質基礎，對植物群落的分布和生長有重要影響，同時植物群落類型和生長也能夠反過來影響土壤化學性質（岳琳艷等，2015；宋翰林，2018）。土壤肥力隨演替進展呈增加趨勢，有促進群落演替的作用（張慶費等，1999）。土壤pH與土壤有機質的分解和養分等的轉化遷移等都有關（耿玉清，2006）。在本研究中，隨著演替進程，土壤有機質、全氮、全磷、銨態氮、硝態氮呈上升趨勢，土壤肥力增加，而土壤pH呈下降趨勢，這是由于群落在演替至頂級群落的過程中，森林形成多層次垂直結構，群落自肥能力加強；同時，pH越低，土壤氮素損失就越多，所以銨態氮含量與pH變化呈反比，這與王琳琳等（2008）的研究結果相同。而銨態氮含量大于硝態氮含量，可能是由于pH抑制了硝化細菌生長，硝化作用受到抑制（孟盈等，2001）。土壤磷含量在演替進程中會呈現增加趨勢，但增速緩慢（閻恩榮等，2008），這與本研究中結果一致。有效磷和全磷含量雖然隨演替進程而呈增加趨勢，但在各演替階段無顯著差異，這與劉瑞強（2019）的研究結果相同。本研究中土壤C/N隨演替進程呈下降趨勢，且與土壤有機質含量呈反比，這是因為有機質的分解，有機質分解越快，C/N越低（張海鑫等，2018）。

表6 不同植被演替階段土壤酶活性與土壤化學因子Pearson相關系數分析Table 6 Pearson correlation coefficient analysis of soil enzyme activity and soil chemical factors in different vegetation succession stages

由于喀斯特地區特殊的溶蝕環境和生境特點，土壤性質呈現極強異質性（Stoécio et al.，2009）。本研究中，已測土壤因子在小生境中普遍表現為石縫高于石溝和土面，這是由于石縫環境狹小，成土主要以巖石風化和腐殖化為主，更容易形成堆積物，雨水、潮濕和凋落物的堆積導致其有機質含量較大，而巖石風化則導致pH高于石溝和土面。在原生林、次生林和灌木林3種演替階段中，土面之間有機質、全磷含量無顯著性差異，而有機質、全磷分別在不同演替的不同小生境中均存在顯著性差異，可能原因是受不同小生境環境以及地上不同植被的影響，說明土壤化學性質在不同演替不同生境下所受影響不同，也體現了喀斯特地區土壤性質的異質性。本研究中，各化學因子在草本階段小生境中均表現最低且與其他演替階段小生境存在顯著差異，可能原因是草本階段土壤淺薄、凋落物較少，植被少，土壤流失量遠大于其他演替階段（廖洪凱等，2013）。

有研究表明，喀斯特地區不同演替階段中土壤養分含量均隨土層深度的增加而減少（劉雯雯，2019），這與本研究結果一致。土壤pH、有效磷、全磷、硝態氮和C/N在各演替階段不同土層之間無顯著差異，而土壤有機質、全氮和銨態氮則存在顯著差異，說明不同土層對土壤 pH、有效磷、全磷和硝態氮的影響小于土壤有機質、全氮和銨態氮，可能是因為枯枝落葉和腐殖質主要集中的土表，表層土中土壤養分含量較高，而隨著土層深度的增加，腐殖層逐漸減少，植物根系和微生物等減少，導致土壤養分也隨之減少（鮮婭等，2014）。除pH和C/N外，其他各化學性質在不同土層中仍表現為隨演替進展而升高。

3.2 不同演替階段土壤酶活性的變化

土壤酶活性對評價土壤質量、土壤肥力、生態環境效應以及土地利用和環境保護監測等方面都十分重要（楊寧等，2013；Ren et al.，2016；翟輝等，2016）。土壤酶系統與植物生長之間密切相關，而植被類型對土壤水解酶有重要影響。本研究中，5種土壤水解酶活性分別為 LAP＞BG＞NAG＞BX＞CBH，這與劉爍等（2018）的研究結果相同。在不同演替階段中，LAP、BG、BX、CBH和NAG均表現為灌木林階段＞次生林階段＞原生林階段＞草本階段，可能原因是隨著演替進展，森林郁閉度增加，原生林和次生林階段因為林深樹高，導致林內光照較低，且由于土壤采樣時正值下雨，林內土壤濕度過高，導致土壤酶活性下降（劉捷豹等，2017），同時，光照和濕度等會影響土壤有機質或其他營養元素，進而對土壤酶活性產生影響。在孫雙紅等（2016）的研究中，土壤多酚氧化酶也隨演替正向發展表現為活性降低。而在草本階段，草地由于生產力低，凋落物少，從而導致土壤酶活性最低（劉爍等，2018）。

在Sinsabaugh et al.（2008）對酶的研究中發現，BG、CBH、LAP、NAG的活性均與土壤 pH顯著相關，其中LAP隨pH的增加而上升，而NAG活性與土壤pH呈負相關，Guan et al.（2014）的研究表明，BG、CBH、LAP和BX與土壤pH值呈正相關，這與本研究中結果一致。

在本研究中，LAP、BG、BX、CBH、NAG活性在4種演替階段中均表現為土壤表層＞土壤下層，這與盧怡（2017）、蔣永梅等（2017）、蒲琴等（2016）的研究結果一致，主要原因為凋落物和腐殖質主要集中在土壤表層，所以土壤有機質含量高于土壤下層，透氣性、溫度、光照和濕度適宜時的土壤表層土壤酶活性較高，土層越深，土壤有機質含量越低，因此土壤酶活性降低。

3.3 不同演替階段土壤酶活性與化學因子的關系

研究表明，影響土壤水解酶活性的因素很多，包括土壤養分（王笛等，2012）、植被類型（宋翰林，2018）、入侵植物（趙曉紅等，2017）、海拔（樊金娟等，2016）和人為干擾等（曹慧等，2003）。本研究中，原生林階段，全磷與BG和CBH呈顯著負相關，這與Zheng et al.（2015）的研究結果一樣，BG活性能夠通過氮添加而顯著激發，而添加磷則能夠減弱這種激發，減低活性，這與其他演替階段中全磷與BG和CBH之間的相關性不同，這可能是由于土壤環境因子異質性所導致。有研究表明，有機質與水解酶之間關系密切，有機質和土壤酶之間呈正相關關系，隨著C/N的增加，有機質呈先增加后降低的趨勢，因此，土壤C/N的變化對土壤中氮磷循環和土壤酶活性有著重要影響（竇晶鑫等，2009；隋躍宇等，2009；羅由林等，2015）。在李林海等（2012）的研究結果中，水解酶活性與有機質、全氮、全磷之間呈顯著正相關，而與 pH 呈顯著負相關，這與本研究中結果不太一致。在本研究中，隨著演替進展，土壤pH和C/N的變化與土壤有機質、全氮、全磷、銨態氮、硝態氮相反，土壤全磷在不同演替階段中無顯著差異。在不同演替階段的不同生境中，NAG活性與pH呈負相關，BG、CBH、LAP和BX與土壤pH值呈正相關，因此，土壤酶與pH之間的關系受生境環境的影響。而C/N與土壤酶之間，僅在次生林階段，BX與C/N呈顯著負相關，在其他不同演替階段，不同酶與C/N之間的相關性不同，且各土壤水解酶與有機質、全氮、全磷、銨態氮、硝態氮之間的相關性也不盡相同。

4 結論

（1）隨著演替階段正向發展，在各演替階段、各小生境和不同土層中，土壤有機質、有效磷、全氮、全磷、銨態氮、硝態氮均呈上升趨勢，而土壤pH、碳氮比均呈下降趨勢；在各小生境中，所有土壤化學因子普遍表現為石縫較高；而除土壤pH、硝態氮和C/N外，土壤養分含量在各演替和小生境中均隨土層深度的增加而減少，表現為表層土＞下層土。

（2）在各演替階段中，5種土壤水解酶活性均表現為：灌木林階段＞次生林階段＞原生林階段＞草本階段，而在水解酶之間表現為：LAP＞BG＞NAG＞BX＞CBH；在不同小生境中，LAP、BG、BX和CBH均表現為石縫中活性最高，NAG則是在次生林和灌木階段土面中活性最高，在原生石縫中活性較高，在草本階段為石溝中活性最高；LAP、CBH、NAG、BX、BG活性在4種植被類型中均表現為土壤表層＞土壤下層。

（3）喀斯特地區土壤酶活性的變化與演替階段、土壤化學因子、土層深度和生境類型之間都存在影響，是多因素復合作用下的結果。因此，對茂蘭喀斯特地區不同演替階段土壤酶活性的影響研究還需要做進一步的探討與分析，建議進行長期有效的觀測，排除下雨、生長季與非生長季等因素，完善土壤酶和室內培養等有關實驗，以望能更詳細深入地說明土壤酶活性和各影響因素之間的關系，為維持茂蘭喀斯特森林生態系統的健康穩定、建設管理和保護提供科學依據，為喀斯特地區土壤環境的整體研究提供部分參考。