内乡宝天曼自然保护区土壤理化性质和酶活性的海拔特征研究

李彦娇，赵 燕，王立民，赵干卿，魏宝成，王维刚，吴福忠

(1. 平顶山学院 低山丘陵区生态修复重点实验室，河南 平顶山 467000；2. 四川农业大学 生态林业研究所林业生态工程省级重点实验室，四川 成都 610041；3. 河南科技大学 林学院，河南 洛阳 471003)

0 引言

土壤是陆地生态系统中物质循环、能量转换和信息传递的核心区域，可以与水、气和植物相互作用来影响环境的波动，又可以反映人类生产经营活动所导致的生物地球化学循环的变化过程[1].土壤酶和土壤理化性质是决定土壤肥力和土壤质量的重要指标，是控制森林植物生长发育的关键生态因子[2].研究土壤理化性质和酶活性，有利于了解土壤的形成过程、结构和功能，同时也有助于土壤与植物的关系、植被空间格局以及土壤侵蚀、土地利用变化等生态过程的研究[3].尤其是土壤酶活性能够控制土壤养分循环进程的速率，是土壤微生物及植被有效吸收利用养分的关键因子，是土壤功能多样性有效的指示剂，对于土壤环境状况评价非常重要，而且土壤酶对环境和管理因素导致的变化具有较强的敏感性，有易于测定的优点，通常被作为比较理想的反映土壤质量的度量指标[4].

海拔可以反映环境变化，是影响光、热、水、气的因子之一，可直接作用于生境的气候生态学特征，并通过对气候环境的改变使土壤发生物理、化学和生物方面的变化，进一步影响植物群落结构和类型的演化，最终引起生态系统功能的改变.不同海拔的土壤空间特征，因研究的地理位置和气候条件不同结果不尽相同.长期以来，研究人员对不同海拔下的植被、土壤属性进行了深入细致的研究，取得了较为丰富的研究成果[5]，但由于研究区域的不同，所得出的结论差异较大.这对于正确理解土壤理化性质和土壤酶活性在不同海拔的分布规律带来一定困难.

自然保护区作为人类划分出的特殊管理的自然区域，其保存了地带性植被和地带性土壤，是濒危物种的避难所，在生物多样性及生物天然生境的保护中起着越来越重要的作用.研究自然保护区土壤理化性质和土壤酶活性特征等生物生存的土壤环境指标，可为经营管理森林提供依据.

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

内乡宝天曼自然保护区1988年经国务院批准为国家级自然保护区，隶属秦岭东段、伏牛山南坡(东经111°47′～112°04′，北纬33°20′～33°36′)，总面积约9304 hm2，海拔600～1870 m.气候为大陆性季风气候，四季分明，冬冷夏热，1月份平均气温1.5 ℃，7月份平均气温27.8 ℃，年均气温15.1 ℃，降雨主要集中于7-9月份，年均降水量885.6 mm，年平均相对湿度70%～80%.保护区地形复杂，整个地势东北高、西南低，山体高大，对太阳辐射、气温、降水有明显的再分配作用，形成生态环境多样性；主要岩石是花岗岩、石灰岩和砂岩，土壤类型随山体海拔由高到低分别为山地棕壤、山地黄棕壤和山地褐土；该区域属于暖温带落叶阔叶林带，乔木主要以栎林和针叶林为主[6].

表1 样地基本特征

1.2研究方法

1.2.1 样品采集

2014年8月，在内乡宝天曼自然保护区境内，从较高海拔位置至坡底设置6条海拔线，各海拔线植被及土壤类型状况如表1所示.每条海拔线设置3个土壤剖面，共设置18个土壤剖面.每个土壤剖面按照土壤的自然发生层次(表土层、心土层和底土层)进行土壤样品的采集.每个土壤剖面的各土层采集1 kg左右的土壤样品，人工去除植物根系和砾石，风干，研磨，过1 mm筛，用于土壤养分的测定.

1.2.2 土壤理化性质测定

土壤pH值采用酸度计法(水土比2.5∶1)；土壤有机质含量采用总有机碳分析仪测定TC和IC后进行换算；土壤全氮采用凯氏定氮法；土壤全磷采用镍坩埚碱熔-钼锑抗比色法；土壤全钾测定采用镍坩埚碱熔-火焰光度法；土壤碱解氮测定采用碱解扩散法；土壤速效磷测定采用HCl-H2SO4提取-钼锑抗比色法；土壤速效钾的测定采用NH4OAc浸提-火焰光度法[7].

1.2.3 土壤酶活性测定

土壤脲酶用苯酚-次氯酸钠比色法测定.以每克土壤在37 ℃下24 h内酶解尿素释放NH3-N的微克数表示脲酶活性；磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠比色法测定.以每克土壤在37 ℃下24 h内酶解磷酸苯二钠释放苯酚的微克数表示磷酸酶活性[8,9].

1.2.4 统计分析方法

表土层、心土层、底土层各土层的pH值，有机质、全氮和碱解氮、全磷和有效磷、全钾和速效钾含量，酶活性在海拔间的差异性采用One-way ANOVA和LSD法分析，土壤理化性质和土壤酶活性之间的相关性采用Spearman相关系数进行分析.所有的分析都利用SPSS16.0统计分析软件完成.

2 结果与分析

2.1 不同海拔土壤pH值和有机质含量变化

由图1(A)可知，内乡宝天曼自然保护区取样区域的土壤pH值在5.33±0.13～6.14±0.13之间，按照我国土壤的酸碱度分级标准，该土壤为酸性土，心土层不同海拔线的土壤pH值无显著差异(P>0.05)，表土层较高海拔线1750 m的土壤pH值相对较低，底土层较低海拔线1350 m的土壤pH值相对较低；图1(B)显示，表土层土壤的有机质含量在19.66±1.71 g·kg-1～155.97±3.45 g·kg-1之间，心土层土壤的有机质含量在9.83±2.75 g·kg-1～59.23±9.21 g·kg-1之间，底土层土壤的有机质含量在7.23±0.87 g·kg-1～51.24±7.38 g·kg-1之间，依据全国第二次土壤普查养分分级标准[10]，该区域表土层有机质含量在海拔1750、1650、1550、1400 m较丰.表土层和心土层较低海拔线1350 m和600 m的土壤有机质含量显著低于其他较高海拔线(P<0.05)，底土层较高海拔线1750 m的土壤有机质含量显著高于其他较低海拔线(P<0.05).海拔上升，温度下降，土壤有机碳释放速率降低，有机碳储量相对较高，研究中有机质含量基本规律是随海拔梯度降低而有所降低，至于海拔1750 m的表土层和心土层的有机质含量较低，可能与山顶受干扰较大，有机质积累量较小有关.另外土壤表土层相对于心土层和底土层更易受到各类干扰，所以表土层有机质含量在海拔间隔较小时，可能会呈现一定的波动，例如海拔1400 m的有机质含量就比海拔1550 m高.在内乡宝天曼自然保护区，减少人为干扰，尤其是减少对较高海拔位置浅土层的干扰，确保林地生物量的有效归还应成为该区域森林经营管理的重要措施之一.

图1 不同海拔梯度土壤pH值(A)和有机质含量(B)

2.2 不同海拔土壤全氮和碱解氮含量变化

由图2(A)可知，内乡宝天曼自然保护区取样区域的表土层土壤全氮含量在0.18±0.04～0.69±0.06 g·kg-1之间，心土层土壤全氮含量在0.14±0.05～0.32±0.02 g·kg-1之间，底土层土壤全氮含量在0.13±0.05～0.23±0.03 g·kg-1之间，依据全国第二次土壤普查养分分级标准，该区域全氮含量在各海拔的各土层均较缺.表土层和心土层较低海拔线1350 m和600 m的土壤全氮含量显著低于其他较高海拔线(P<0.05)，底土层较低海拔线600 m的土壤全氮含量显著低于其他较高海拔线(P<0.05)，全氮含量亦表现出随海拔增加而增加的趋势，海拔升高，气温降低，微生物活性减弱，动、植物残体的分解速度减慢，土壤有机碳氮矿化速率降低，土壤中全氮积累量增加[11]；图2(B)显示，表土层土壤碱解氮含量在6.86±0.37～28.81±1.38 mg·kg-1之间，心土层土壤碱解氮含量在3.89±0.24～19.65±1.43 mg·kg-1之间，底土层土壤碱解氮含量在2.70±0.13～20.10±3.60 mg·kg-1之间，依据全国第二次土壤普查养分分级标准，该区域碱解氮含量在各海拔的各土层均较缺，表土层和心土层较低海拔线1350 m和600 m的土壤碱解氮含量显著低于其他较高海拔线(P<0.05)，底土层较低海拔线600 m的土壤碱解氮含量显著低于其他较高海拔线(P<0.05).土壤碱解氮在较高海拔梯度含量较高，这可能与土壤全氮含量在高海拔较高有关[11].内乡宝天曼自然保护区取样区域全氮和碱解氮含量在各海拔高度均较低，尤其是土壤碱解氮，作为反映土壤供氮能力的一个重要指标，其指示土壤氮素动态和近期内供氮水平，而森林土壤氮素主要来源于土壤有机碎屑，通过微生物降解而形成植物可利用的有效态氮，作为生物较易耗竭的营养元素[12]，可能由于生物的需求量大于土壤有机氮矿化速率，所以内乡宝天曼自然保护区取样区域表现为氮缺乏型区域，如何减少该区域森林土壤生态系统中氮的输出，提高土壤氮在生物小循环中的转化利用效率显得尤为重要.

图2 不同海拔梯度土壤全氮(A)和碱解氮含量(B)

2.3 不同海拔土壤全磷和有效磷含量变化

由图3(A)可知，内乡宝天曼自然保护区取样区域的表土层土壤全磷含量在0.32±0.07～1.00±0.05 g·kg-1之间，心土层土壤全磷含量在0.34±0.03～1.00±0.02 g·kg-1之间，底土层土壤全磷含量在0.38±0.04～0.82±0.18 g·kg-1之间，表土层较低海拔线1350 m和600 m的土壤全磷含量显著低于其他较高海拔线(P<0.05)，心土层和底土层高海拔线1750、1650、1550、1400、1350 m的土壤全磷含量高，各海拔线间差异不显著(P>0.05)，心土层海拔1650、1550、1400 m与较低海拔600 m差异显著，底土层海拔1650、1550 m与较低海拔600 m差异显著(P<0.05)，依据全国第二次土壤普查养分分级标准，该区域土壤全磷含量在高海拔段大于0.57 g·kg-1，全磷含量基本处于中等以上的水平；图3(B)显示，取样区域的表土层土壤有效磷含量在2.78±0.35～5.78±0.21 mg·kg-1之间，心土层土壤有效磷含量在2.93±0.36～4.87±0.28 mg·kg-1之间，底土层土壤有效磷含量在3.19±0.36～4.53±0.43 mg·kg-1之间，表土层海拔线1750 m和1400 m的土壤有效磷含量显著高于其他海拔线(P<0.05)，心土层海拔线1750 m和1400 m的土壤有效磷含量显著高于海拔1650 m和1350 m的土壤有效磷含量(P<0.05)，底土层各海拔线的土壤有效磷含量差异不显著(P>0.05).依据全国第二次土壤普查养分分级标准，该区域土壤有效磷含量普遍低于5.78±0.21 mg·kg-1，有效磷含量基本处于缺或极缺水平，可能是因为森林生态系统中的磷元素主要来源于缓慢的岩石风化输入，且磷属于沉积型循环类元素，具有难溶性和难移动性，其输出量也很低，土壤中95%以上的磷通常以迟效状态存在，参与生物循环的有效磷只是全磷的很小一部分，另外，内乡宝天曼自然保护区各海拔梯度土壤均为偏酸性土壤，有机质含量较丰，可能也影响着土壤中磷的化学形态和浓度，从而影响其有效性的发挥，在低pH值的酸性土壤中，磷酸盐易于被土壤溶液中大量的Fe/Al/Mn氧化物表面吸附或被土壤中游离的Al离子所沉淀[13].

2.4 不同海拔土壤全钾和速效钾含量变化

由图4(A)知，内乡宝天曼自然保护区取样区域的表土层土壤全钾含量在14.12±0.83～23.26±0.81 g·kg-1之间，心土层土壤全钾含量在18.32±1.68～28.32±2.21 g·kg-1之间，底土层土壤全钾含量在18.29±1.67～30.74±0.83 g·kg-1之间，表土层海拔线1550m的土壤全钾含量显著低于海拔1750、1400 和1350 m(P<0.05)，略低于海拔1650 m和600 m但差异不显著(P>0.05)，心土层和底土层海拔线1750m和600m显著低于海拔1400 m(P<0.05)，海拔1650、1550、1400、1350 m的土壤全钾含量差异不显著(P>0.05)，依据全国第二次土壤普查养分分级标准，该区域土壤全钾含量14.12±0.83～30.74±0.83 g·kg-1，全钾含量基本处于中等以上的水平，尤其是心土层和底土层全钾含量普遍较高，这应该与成土母质有关；图4(B)显示，表土层速效钾含量在101.92±17.41～407.06±40.56 mg·kg-1之间，心土层土壤速效钾含量在68.02±6.66～214.74±42.01 mg·kg-1之间，底土层土壤速效钾含量在57.99±3.43170.24±28.05 mg·kg-1之间，表土层速效钾含量海拔1350 m和600 m显著低于其他海拔(P<0.05)，心土层速效钾含量1650、1550、1400 m显著高于较低海拔1350m和600m(P<0.05)，底土层速效钾含量海拔1650 m显著高于海拔1550、1350和600 m(P<0.05)，而与海拔1750、1400 m差异不显著(P>0.05).依据全国第二次土壤普查养分分级标准，该区域土壤速效钾含量在57.99±3.43 mg·kg-1以上，普遍处于中等水平以上，尤其是表土层的速效钾含量很高.内乡宝天曼自然保护区森林土壤钾元素的研究结果支持了国内学者认为我国北方土壤富钾的结论，作为区域海拔较高、坡度较大地段，如何防止土壤中钾素径流流失应是值得关注的.

图3 不同海拔梯度全磷(A)和有效磷含量(B)

图4 不同海拔梯度土壤全钾(A)和速效钾含量(B)

2.5 不同海拔土壤酶活性及与土壤理化性质的相关性分析

由图5(A)可知，内乡宝天曼自然保护区取样区域的表土层土壤脲酶含量在418.76±9.99 μg·g-1·24h-1～1843.96±30.36 μg·g-1·24h-1之间，高海拔1750 m的脲酶含量较低；心土层土壤脲酶含量在135.04±6.79 μg·g-1·24h-1～753.36±7.22 μg·g-1·24h-1之间，较高海拔1750、1650、1550、1400 m的土壤脲酶活性较低；底土层各海拔的脲酶活性差异显著且普遍较低.

由图5(B)可知，内乡宝天曼自然保护区取样区域的表土层土壤磷酸化酶含量在191.62±1.28～2790.51±8.65 μg·g-1之间，心土层土壤磷酸化酶含量在16.12±1.72～1171.98±22.94 μg·g-1之间，表土层和心土层海拔1400 m和1350 m的土壤磷酸化酶显著高于其他4个海拔；底土层较高海拔1750、1650、1550 m的土壤磷酸化酶活性较低.Spearman相关分析各土层的脲酶、磷酸酶活性与土壤pH、有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾之间的相关关系，均不显著(P>0.05)，区域复杂的气候、土壤、植被、地形因子状况等综合作用下，土壤酶活性和理化指标之间的直接作用可能表现得不甚明显[14-16].这与陈双林等对不同海拔毛竹林土壤酶活性和土壤理化性质的研究结果较一致，土壤理化性质对土壤酶活性的影响不一定显著[17].

图5 不同海拔梯度脲酶(A)和磷酸化酶(B)活性

3 结论

内乡宝天曼自然保护区各海拔梯度土壤均为偏酸性土壤，土壤有机质含量丰富，全氮和碱解氮含量在各海拔高度均较低，全磷、全钾和速效钾含量基本处于中等以上的水平，有效磷含量在各海拔梯度处于缺或极缺水平，土壤酶活性与土壤养分含量之间未表现出显著的相关性.该区域在森林管理和经营过程中，可考虑适当地人工补充土壤养分，增强土壤肥力，提高林分生产力, 特别是增施氮、磷肥.当然, 为避免因施用化学肥料致成土壤酸化，建议施用氮、磷养分含量高的有机肥或专用复混肥.另外，本研究只选取了部分主要的土壤酶活性和理化性质指标进行测定分析，指标仍较单一，今后需对影响酶活性变化的其它众多因素进行深入研究，方能对土壤酶活性与土壤理化性质之间的关系进行更客观，更全面地解释，以使二者间的影响过程更加明晰.