喀斯特高原不同石漠化程度土壤C、N、P化学计量特征和酶活性的关系

2020-01-08吴丽芳王紫泉王妍刘云根杨波张叶飞

生态环境学报 2019年12期

吴丽芳，王紫泉，王妍*，刘云根，杨波，张叶飞

1. 西南林业大学生态与环境学院，云南昆明 650224；2. 西南林业大学石漠化研究院，云南昆明 650224；3. 中国科学院南京土壤研究所，江苏南京 210008

喀斯特高原峡谷区环境较脆弱，由于人类不合理的土地利用，在雨水冲刷作用下，造成水土流失、土壤侵蚀加剧，土地生产力降低等，最终导致石漠化问题的加剧（张信宝等，2010）。岩溶石漠化是中国西南地区主要土地退化方式，据 2018年第三次石漠化公报显示，石漠化整体扩展趋势得到了有效遏制，石漠化土地面积持续减少，危害不断减轻，生态状况稳定好转，但防治形势依然很严峻。石林县既是一个以“石”享誉世界的旅游城市，也是一个发展受石漠化严重制约的城市（陈俊松等，2018）。它地处中国第二级阶梯西南喀斯特高原西部的云南东部喀斯特高原（余国睿，2014），境内岩体极其破碎、变形，石漠化程度较为严重，是生态环境最为复杂多样和极度脆弱的地区，也是云南省“十三五”石漠化治理重点工程县之一。

生态化学计量学作为研究生态系统各组分主要组成元素平衡关系和耦合关系的重要方法（Zhang et al.，2017），不仅在生物地球化学循环研究领域发挥了极其重要的作用（程滨等，2010），同时已成为当前全球变化碳循环研究领域的热点（Yang et al.，2007）。土壤C、N、P化学计量特征不仅能够反映土壤系统功能的变异性，且元素间的计量比是土壤有机质构成、土壤质量状况以及养分供给能力的一个重要表现指标（刘兴华，2013）。而土壤酶作为土壤生态系统的重要组成部分，在土壤的物质循环和能量转化过程中发挥着重要作用（Burns，1982），能灵敏地反映不同土地利用方式下生物化学过程的方向和强度（解雪峰等，2018）。它与土壤理化性质相关联，直接或间接影响着土壤一系列的生物化学反应（Hill et al.，2012），对生态系统的物质循环产生重要影响（Rutigliano et al.，2009）。酶的催化作用对土壤碳、氮、磷元素等的循环起着重要作用，土壤酶能够活化土壤中各类元素的化合物，进而提升土壤有效养分、改善土壤质量；同时，土壤理化性质提供了酶促反应的底物和环境，直接影响着酶活性大小（朱美玲等，2015）。迄今为止，针对土壤C、N、P及生态化学计量学特征（向湘，2018；杜家颖等，2017；田静等，2019）、土壤酶及与土壤养分关系（杨瑞等，2016；杨君珑等，2018）的研究较多，涉及诸多领域，但大多集中在森林类型、农田等领域，而针对石漠化区的研究仍然不足，严重限制了石漠化区的生态修复。

本文以云南省石林彝族自治县鹿阜镇为研究区，探究了不同石漠化程度土壤碳、氮、磷养分计量特征以及土壤酶活性随石漠化程度的变化特征及其相关性，分析了环境因子对土壤酶活性的影响，以期为揭示石漠化区土壤生态系统的结构和功能提供基础数据，也为当地石漠化区土壤养分供应状况及生态恢复提供参考及理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于云南省昆明市石林彝族自治县（24°46′N，103°20′E），海拔 1500—1900 m，属亚热带低纬度高原山地季风气候，年平均温度约16 ℃，年均降雨量946 mm。县境内为滇中岩溶高原红壤分布地带，土壤主要有黄棕壤、红壤、紫色土等，pH值一般在 4.5—6.5之间，石灰岩红壤分布最广，约占85.2%，石灰岩红壤普遍质地粘重，易板结，通透性差，缺氮、磷，有机质含量低。境内岩石主要是古生代可溶性碳酸盐沉积岩，约三分之一为石灰岩所覆盖。研究区内有乔木、灌木、草本植被覆盖，但植被覆盖率都较低。主要植被有云南松（Pinus yunnanensis）、柏木（Cupressus funebris）、桤木（Alnus cremastogyne）、云南含笑（Michelia yunnanensis）、清香木（Pistacia weinmannifolia）、薄皮木（Leptodermis oblonga）、茅叶荩草（Arthraxon prionodes）、地石榴（Ficus tikoua）、四脉金茅（Fournerve eulalia）等。其中，重度石漠化区岩石裸露率高，岩石空隙均为草本植被覆盖。

1.2 研究方法

1.2.1 样地布设与样品采集

供试土壤于2018年4月采集，在野外实地调查的基础上，参照张信宝等（2007）等的西南岩溶山地坡地石漠化分类标准划分方法，选取研究区潜在、轻度、中度、重度石漠化4种石漠化类型进行研究。其中，以潜在石漠化样地作为背景参照，其余样地代表石漠化土壤不同退化程度。每种石漠化程度样地设置面积大小（10 m×10 m）一致，坡度相似的3个样方，每个样方按S型布设5个样点，去除表层枯枝落叶后采集（0—10 cm）土壤样品。利用全球定位系统（GPS）确定采样点的经纬度。将采集的土样带回实验室进行后续分析处理。在实验室，土样自然风干后，将5点土样混合均匀，取一部分土壤过0.25 mm筛后测定土壤有机碳、全氮、全磷、酶活性及 pH。采样点基本情况如表 1所示。

1.2.2 样品处理与分析

土壤理化性质的测定参照土壤农化分析方法（鲍士旦，2000），其中土壤pH采用电极法（水土比为2.5꞉1）；土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法，全氮采用凯氏定氮法，全磷采用钼锑抗比色法，并依据所获得数据计算元素化学计量比 C꞉N、C꞉P、N꞉P。土壤酶活性的测定部分参照关松荫的测定方法（关松荫，1986），其中淀粉酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法；脱氢酶活性采用三苯基四氮唑氯化物（TTC）比色法；土壤酸性磷酸酶活性、β-葡萄糖苷酶活性采用硝基苯底物比色法；FDA水解酶活性采用荧光素比色法；脲酶活性采用靛酚蓝比色法（Kandeler et al.，1988）。

1.3 数据处理与分析

运用Excel 2016、SPSS 21.0和Canoco 5.0对数据进行处理及统计分析。研究中的单因素方差分析、Duncan多重比较等数理统计均由SPSS 21.0软件完成。冗余分析（RDA）由Canoco 5.0完成。

2 结果与分析

2.1 不同石漠化程度土壤C、N、P含量及其化学计量变化特征

如表2所示，土壤有机碳平均质量分数为13.74—34.34 g·kg-1，变化特征为重度＞轻度＞潜在＞中度，重度和轻度石漠化土壤与潜在、中度石漠化土壤有机碳含量差异显著。全氮平均质量分数为 1.05—2.73 g·kg-1，变化特征与有机碳一致，但 4种石漠化程度之间均有显著差异。全磷平均质量分数为0.94—2.74 g·kg-1，变化特征为重度＞中度＞潜在＞轻度，重度、中度与潜在和轻度石漠化土壤全磷含量差异显著。

表1 样地基本信息Table 1 Basic information of sample plots

表2 不同石漠化程度土壤碳、氮、磷生态化学计量特征Table 2 Ecological stoichiometric characteristics of soil carbon, nitrogen and phosphorus at different rocky desertification levels

C꞉N、C꞉P、N꞉P在不同石漠化程度土壤中的变化范围分别为 12.57—15.52、8.24—35.50、0.63—2.38。其中，C꞉N的变化特征为潜在、轻度＞中度、重度，潜在和轻度石漠化与中度和重度石漠化差异显著；C꞉P、N꞉P的变化特征均为轻度＞潜在＞重度＞中度，且不同石漠化程度差异显著。

对不同石漠化程度土壤碳、氮、磷元素及其计量比进行相关性分析，结果显示（图1），不同石漠化程度土壤有机碳和全氮、全氮和全磷之间极显著相关，C꞉N、C꞉P、N꞉P三者之间极显著相关。其中，有机碳和全氮，C꞉P和N꞉P之间呈现良好的线性拟合关系，从斜率看，几乎同步变化。表明该研究区土壤有机碳、全氮、全磷分布在一定程度上相互耦合。

2.2 不同石漠化程度土壤酶活性变化特征

研究区不同石漠化程度土壤酶活性特征如表 3所示，不同石漠化程度土壤酶活性特征不一致。淀粉酶活性为 3.62—6.31 mg·g-1·h-1，变化特征为潜在＞轻度＞重度＞中度，中度石漠化土壤淀粉酶活性显著低于其他3种石漠化程度；脲酶活性为2.39—5.58 μg·g-1·h-1，变化特征为重度＞轻度＞潜在＞中度，潜在和轻度石漠化与中度、重度石漠化差异显著；β-葡萄糖苷酶、FDA水解酶在不同石漠化程度土壤中差异不显著；轻度石漠化土壤酸性磷酸酶活性显著低于其他3种石漠化程度；脱氢酶活性为0.37—3.68 μg·g-1·h-1，重度石漠化土壤脱氢酶活性显著高于其他石漠化程度。与其他石漠化相比，研究区中度石漠化土壤酶活性偏低。

表3 不同石漠化程度土壤酶活性Table 3 Ecological stoichiometric characteristics of soil enzyme activity at different rocky desertification levels

图1 不同石漠化程度土壤碳、氮、磷元素及其计量比的相关性Fig. 1 Correlation of carbon, nitrogen, phosphorus and their metrological ratios in soils with different degrees of rocky desertification

2.3 环境因子对土壤酶活性的影响

对环境因子与土壤酶活性进行相关分析及冗余分析（RDA），结果表明，有机碳、全氮、pH与脲酶、淀粉酶、脱氢酶、FDA水解酶、β-葡萄糖苷酶呈正相关；全磷与β-葡萄糖苷酶、脱氢酶、脲酶、酸性磷酸酶呈正相关，酸性磷酸酶与其它指标均呈负相关；C꞉N比与FDA水解酶、淀粉酶呈正相关；C꞉P、N꞉P比与β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶呈负相关。环境因子对土壤酶活性影响的排序如图2所示，土壤酶活性在第Ⅰ、Ⅱ排序轴解释系统的变异信息量分别为70.25%和16.57%，累积解释量达到86.82%。第Ⅰ排序轴主要解释了脱氢酶、脲酶和β-葡萄糖苷酶的变异信息，且受到全氮、有机碳、pH和全磷的影响。第Ⅱ排序轴则主要解释了酸性磷酸酶、淀粉酶、FDA水解酶的变异信息，且与有机碳、全氮、C꞉P、N꞉P 密切相关。

图2 环境因子与土壤酶活性RDA分析二维排序图Fig. 2 Two-dimensional sequence diagram of the RDA analysis of environment factors and soil enzyme activity

由相关性分析结果（表4）和RDA排序图还可以看出，土壤有机碳与全氮，全磷与 C꞉N、C꞉P与N꞉P等因子之间有显著相关关系，且都是土壤酶活性的影响因子，导致各因子对土壤酶活性的影响存在功能冗余。通过冗余分析进一步提取出各因子对土壤酶活性变异的简单效应（Simple term effect）和条件效应（Conditional term effect），从而判断影响土壤酶活性的主要因素。简单效应是忽略其他因子，只考虑单一因子对变量的解释程度；而条件效应是指在前一因子解释的变异基础上，当前因子对剩余变异信息的解释程度，所有因子解释量总和为1。各因子的贡献率见表5，从简单效应来看，不同环境因子的影响重要性为全氮＞有机碳＞pH＞全磷＞C꞉N＞N꞉P＞C꞉P，其中，全氮、有机碳、pH对土壤酶活性的影响达极显著水平（P＜0.01），对酶活性大小差异性的解释量分别为64.4%、57.2%、57.1%，而全磷对酶活性的影响达到显著水平（P＜0.05），对酶活性差异性的解释量为28%。从条件效应来看，土壤酶活性主要受到全氮、C꞉N、pH、C꞉P的影响，分别解释了土壤酶变异信息的64.4%、11.5%、5.4%、4.6%，累积解释量为85.9%。

表5 环境因子解释量及显著性检验Table 5 Explanation rate of environmental factors and Duncan test

3 讨论

3.1 不同石漠化程度土壤C、N、P含量及其化学计量特征的影响因素及其变化机制

土壤作为陆地生态系统重要的载体，其养分因子受到植被及其他环境因子的明显影响，如土壤水分、土地利用方式、生态系统类型、土壤质地等（王霖娇等，2018）。该研究中，土壤 C、N、P平均质量分数分别为26.22、1.88、1.61 g·kg-1，有机碳和全氮含量均低于西南喀斯特典型石漠化区贵州毕节鸭池、清镇红枫湖、关岭-贞丰花江、广西环江喀斯特峰从洼地 3种林地有机碳（38.88、48.92、49.02、38.17 g·kg-1）、全氮（1.98、2.40、3.24、4.17 g·kg-1），高于全磷（0.61、0.74、1.01、0.64 g·kg-1）（田静等，2019）。不同石漠化程度土壤SOC和TN含量变化特征均为重度＞轻度＞潜在＞中度，TP含量变化特征为重度＞中度＞潜在＞轻度，土壤养分并没有表现出随石漠化程度加深而减少的趋势，这与李开萍等（2017）、张信宝等（2007）的研究结果不一致。重度石漠化土壤有机碳含量较高可能是由于该区岩石空隙即土壤部分草本植物较多，植物根系发达，而潜在和轻度石漠化乔木灌木居多，草本较少，而草灌部分周转速率大于乔木、灌木，草地的养分会维持快速周转，不会造成养分耗竭，因而养分含量也较高，而土壤有机碳与全氮呈极显著正相关（r=0.960**）。此外，大气中的氮元素通过生物固氮和氮沉降（常运华等，2012）两种方式进入土壤，由于石漠化程度严重的研究区植被覆盖率低，岩石大面积裸露，枯落物、土壤微生物少，有机质不易积累，导致生物固氮过程减弱（罗由林等，2015），但大气氮沉降过程并未受此影响，并且石漠化严重区域植被稀少，大气沉降中氮元素直接由土壤吸收，减少了地表植被吸收后释放到土壤的环节（宋欢欢等，2014），氮元素损失量减少，因此重度石漠化土壤全氮含量最高。李开萍等（2017）等的研究也得出类似结论。土壤P来源相对固定，主要通过岩石的风化作用形成（李艳琼等，2018）。研究结果显示，该区全磷含量高于我国土壤磷平均含量，相对其他地区也较高（王霖娇等，2018；田静等，2019），这可能与该区降水量较少有关，低降水量导致淋溶作用较弱。

表4 土壤生态化学计量特征及土壤酶活性的相关性分析Table 4 Correlation analysis of soil ecological stoichiometric characteristics and soil enzyme activity

一般而言，土壤有机质C꞉N与其分解速度呈反比，C꞉N较低的土壤具有较快的矿化作用（朱秋莲等，2013）。本研究中，土壤C꞉N均值为14.03，高于全球平均水平（12.26）（Cory et al.，2007），表明该区土壤相对全球土壤平均水平土壤碳源、有机质分解和矿化速率均较低。而该区重度石漠化土壤C꞉N最低（12.57），显示该区重度石漠化中土壤C源、有机质分解和矿化速率最高。土壤C꞉P被认为是指示土壤P素矿化能力的重要指标，可以衡量土壤有机质矿化释放P或吸收固持P的潜力，较高的C꞉P不利于微生物在有机质分解过程中的养分释放，使土壤中有效磷的含量减少（张萍等，2018）。研究显示，该区土壤 C꞉P均值为 19.77，远低于全球平均水平（72）（Cory et al.，2007）。表明该区土壤磷有效性较高，且以中度石漠化最为突出。N꞉P作为判断限制生产力的养分因子指标，将N꞉P小于10或大于20作为评价植被生产力受N或者P限制的指标（Gusewell，2004）。该研究区N꞉P比值均低于10，轻度石漠化土壤显著高于潜在、中度、重度石漠化，且中度、重度石漠化土壤N꞉P均低于中国温带荒漠土壤平均值（1.2）（Tian et al.，2010），表明该研究区中度、重度石漠化土壤比较缺氮。由此可知，在不同石漠化程度土壤中，植物的生产力主要受N素的影响。

从研究结果可以看出，重度石漠化土壤养分并不是最低，反而较高，因此可对重度石漠化区进行一定的植被修复，而不要局限于以往的认识：重度石漠化土壤养分含量低，不利于植被恢复。该区重度石漠化土壤养分含量较高，可能是由于该区虽然岩石裸露率高，但基岩出露的过程其实也是石面土壤被侵蚀、养分物质在岩隙和石槽中沉积的过程（张伟等，2007）。

3.2 不同石漠化程度土壤酶活性的影响因素及其变化机制

土壤酶来源于土壤微生物、植物根系、土壤动物的分泌物及其残体的分解物等，其中土壤中的微生物数量庞大而且能够快速繁殖，是土壤酶最主要的来源，植物根系的分泌和释放是土壤酶的另一个重要来源（关松荫，1986）。本研究中，冗余分析结果表明，不同环境因子对土壤酶活性的影响重要性为全氮＞有机碳＞pH＞全磷＞C꞉N＞N꞉P＞C꞉P，其中全氮的解释量为64.4%，表明全氮是喀斯特高原不同石漠化程度土壤酶活性变异的最主要因子。有机碳、pH、全磷对土壤酶活性的影响达到了显著水平（P＜0.05），说明了在不同石漠化程度中影响酶活性大小的主要因子为全氮、有机碳、pH、全磷。从条件效应来看，土壤酶活性主要受到全氮、C꞉N、pH、C꞉P的影响，其中全氮是土壤酶活性最重要的影响因素，这与前文土壤C、N、P含量及其化学计量特征分析结果一致。这从土壤酶的角度印证了生态化学计量学作为评价土壤养分限制因素的准确性。

土壤碳、氮、磷等养分元素作为土壤中的重要元素，是土壤微生物碳、氮的主要来源，与土壤酶活性密切相关。有研究表明，植被恢复过程中，SOC和TN含量的增加是提高土壤酶活性的主要因素（张海鑫等，2018）。本研究中，土壤全氮、有机碳与淀粉酶、脲酶、脱氢酶活性呈显著或极显著相关性，表明有机碳和全氮是影响土壤淀粉酶、脲酶、脱氢酶活性的主要因子，全磷是影响β-葡萄糖苷酶、脱氢酶的主要因子。TN和C꞉N 与淀粉酶和脱氢酶显著相关，C꞉P则与淀粉酶、酸性磷酸酶极显著相关，表明有机质分解、N的输送和有效N、P的释放影响酶活性。研究显示，脲酶与有机碳、全氮呈极显著正相关（r=0.865**、r=0.897**），且不同石漠化程度有机碳、全氮含量大小为重度＞轻度＞潜在＞中度，与脲酶、脱氢酶活性变化情况一致。国内外研究者曾对土壤脲酶的活性与环境因子的相关性做了大量的研究，大多都认为土壤脲酶活性与土壤全氮含量、有机质含量、全碳含量、pH值等有关系，能体现土壤的供氮水平（周礼恺等，1983），又因为土壤全氮含量与土壤有机碳含量呈显著正相关（张桂玲，2011），因此土壤有机质含量的增加可以提高土壤脲酶的活性（李传荣等，2006）。土壤pH影响土壤有机质的分解矿化、胶体的聚散、氧化还原等过程的同时，也参与着土壤酶的生化反应（解雪峰等，2018）。该研究区pH均低于6，偏酸性，且轻度、重度石漠化pH较高，冗余分析结果显示，pH与脱氢酶、β-葡萄糖苷酶呈显著正相关关系，因此该区重度、轻度石漠化土壤脱氢酶活性显著高于潜在、中度石漠化。研究区中度石漠化土壤酶活性总体较低，这可能与该区有机碳、全氮含量较低有关，虽然中度石漠化岩石裸露率低于重度石漠化，植被覆盖率高于重度石漠化，但该区植被以云南松恢复为主，有少量的灌木和草本植被覆盖，地表凋落物稀薄，不利于土壤养分的形成与积累。