茂兰喀斯特森林不同地形土壤酶活性及养分特征

廖全兰，龙翠玲，薛 飞，郑 鸾

(贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550001)

地形是自然地表形态，会引起环境中水热条件的重新分配，进而间接影响土壤酶活性[1]。土壤酶是土壤中专一生物化学反应的生物催化剂[2]，在土壤发生和发育以及土壤肥力形成和演化的过程中具有不可替代的作用。在森林生态系统中，土壤酶参与各种有机质的分解与合成、土壤养分的释放与循环等过程[3-4]，是控制生态系统物质和能量循环的关键因素[5]。土壤酶活性也能反映土壤中进行的各种生物化学过程的强度和方向[6]，还可用于评价土壤肥力水平及供肥能力。因此，研究森林土壤酶活性对森林生态系统保护与管理具有重要的现实意义。目前关于地形对森林土壤酶活性的影响的研究主要集中于坡向和海拔两个因素[7-10]，但森林生态系统中地形因素不仅只有海拔和坡向，尤其在地貌形态发育多样化的喀斯特森林中。因此，研究不同地形对喀斯特森林土壤酶活性的影响具有重要的意义。

喀斯特森林是一种独特的森林生态系统，林区内喀斯特地貌形态多样，主要有落水洞、漏斗、洼地、槽谷、盲谷及盆地(坡立谷)等[11]。贵州茂兰喀斯特森林是世界同纬度地区仅有且典型的一片原生性喀斯特森林，其生态系统十分脆弱，成土较慢且土层浅薄不连续，植物生长缓慢，自我恢复能力较差[12-13]，保护其生态系统稳定性具有十分重要的科学价值和现实意义[14]。鉴于贵州茂兰喀斯特森林地貌形态的多样化，近年来已有学者对茂兰喀斯特森林不同地形种间联结[15]、种群结构[11]、群落结构及物种多样性[16]、土壤理化性质[17]等方面展开研究，而关于不同地形对土壤酶活性的影响鲜有报道，对影响土壤酶活性相关因子的研究也涉及较少。因此，研究喀斯特森林不同地形土壤酶活性变化特征，探讨土壤养分与土壤酶活性之间的关系，分析影响土壤酶活性变化的主要因子，对贵州茂兰喀斯特森林国家级自然保护区的科学管理和物种多样性维持具有重要意义，可为深入研究茂兰喀斯特森林生态系统环境与植被的关系奠定理论基础。

1 研究区概况

研究区位于贵州省南部黔桂交界处(北纬25°09′20″～25°20′50″，东经107°52′10″～108°05′40″)的贵州茂兰喀斯特森林国家级自然保护区内。该保护区总面积约2万hm2，最高海拔1078.6m，最低海拔430m，海拔高差648.6m，年平均气温15.3℃，气温年较差18.3℃，年降水量1752.5mm，集中分布于4—10月，年平均相对湿度83%，属中亚热带季风湿润气候[18]，主要由纯质石灰岩及白云岩构成的裸露型喀斯特地貌，局部地点覆盖少量砂页岩。保护区内水文地质条件复杂，岩石透水性极强，地表水强烈渗漏。保护区内生物资源相当丰富，经鉴定有维管束植物148科408属801种37变种，约占贵州省维管束植物的1/6，植被类型主要为常绿落叶阔叶混交林，是地球同纬度地区面积最大的喀斯特森林。

研究区域3种地形的基本概况如下[16,19]，漏斗地形：位于低凹处的负地形，林内岩石露头多，岩石裂隙发育，土被不连续，有成片土壤分布，土壤为黑色石灰土，土壤覆盖度约85%，低凹处土壤厚度5～20cm，枯枝落叶层厚度5～10cm，水分条件较差，含水率约52%，但部分地段有积水，光照条件好；主要优势种有轮叶木姜子(LitseaverticillataHance)、翅荚香槐[Cladrastisplatycarpa(Maxim.) Makino]、裂果卫矛(EuonymusdielsianusLoes.)、南天竹(NandinadomesticaThunb.)等。槽谷地形：位于下坡坡位，谷底平坦，林内岩石露头多，土壤为黑色石灰土，土壤覆盖度约60%，低凹处土壤厚度为2～6cm，枯枝落叶层厚度3～7cm，水分条件适中，含水率约44%，光照条件适中；主要优势种有四照花[Cornusjaponicavar.chinensis(Osborn) Fang]、香港四照花(CornushongkongensisHemsley)、异叶梁王茶[Nothopanaxdavidii(Franchet) J.Wen & Frodin]、湖北十大功劳(MahoniafortuneSprague)等。坡地地形：位于坡体中上部，林内岩石露头多，具有大面积岩石崩塌碎块，土层浅薄不连续，土壤多分布于石缝隙，土壤为黑色石灰土，土壤覆盖度约40%，低凹处土壤厚度1～3cm，枯枝落叶层厚度3～5cm，水分条件较好，含水率约34%，光照条件好；主要优势种有青冈(CyclobalanopsisglaucaThunb.)、四照花、皱叶海桐(PittospoeumcrispulumGagnep.)、革叶铁榄[Sinosideroxylonwightianum(Hook.et Arn.) Aubr.]等。

2 研究方法

2.1 样品采集与处理

2019年3月，在贵州茂兰喀斯特森林国家级自然保护区中选取漏斗、槽谷和坡地3种地形，分别在每种地形设置3个重复样地，样地面积为20m×20m，共9个样地。以梅花五点法在每个样地中设置近2m2采样区，每个采样区中设置3个采样点。采样时先将采样点表层凋落物等杂物去除，采集0～10cm土壤层，然后将同一采样区内的3个采样点土壤等比例混合均匀。土样带回实验室后，自然风干，挑出可见的凋落物、石头及残根等，研磨过筛后备用。

2.2 土壤理化性质测定

pH值采用pH计测定；采用重铬酸钾容量法-外加热法测定有机质含量；采用凯式定氮仪法测定全氮含量；采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定全磷含量；采用NaOH熔融-火焰光度法测定全钾含量；采用碱解扩散法测定速效氮含量；采用NaHCO3(0.5mol·L-1)法测定速效磷含量；采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定速效钾含量[20]。

2.3 土壤酶活性测定

过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[2]。

2.4 数据分析与处理

采用Excel软件对试验数据进行初步整理及绘图。采用SPSS22.0软件对不同地形土壤酶活性及养分进行单因素方差分析，结合DPS7.05软件进行通径分析[21]。

3 结果与分析

3.1 不同地形土壤养分特征

不同地形土壤养分含量如表1所示。不同地形土壤均呈弱碱性，其pH值表现为坡地>槽谷>漏斗；土壤pH值在漏斗地形与坡地地形间差异性显著(P<0.05)。不同地形土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮含量大小是漏斗>槽谷>坡地；有机质含量在3种地形种差异不显著。全磷、全钾、速效氮在漏斗地形与其余2种地形之间均差异显著，而在槽谷地形与坡地地形之间差异性不显著(P>0.05)；全氮则表现为漏斗地形与坡地地形间差异显著。土壤速效磷含量在不同地形中表现为漏斗>坡地>槽谷，但地形对土壤速效磷无显著影响。土壤速效钾在不同地形中含量是槽谷>漏斗>坡地，且在槽谷地形与坡地地形之间差异显著。可见，不同地形土壤养分含量有较大差异，总体表现为漏斗地形最丰富，其次为槽谷地形，坡地地形土壤的养分较差。

3.2 不同地形土壤酶活性差异

不同地形的土壤酶活性由图1所示。过氧化氢酶活性表现为槽谷>漏斗≈坡地；且在槽谷地形与其余2种地形间表现出显著的差异性。碱性磷酸酶活性表现为槽谷>坡地>漏斗，且在漏斗地形的活性与其余2种地形间的差异性显著。脲酶活性表现为漏斗>坡地>槽谷，且槽谷地形与其余2种地形间差异显著。蔗糖酶活性表现为槽谷>漏斗>坡地，在3种不同地形之间差异性不显著。综上所述，除了脲酶活性在漏斗地形中最大外，其余3种酶活性均在槽谷地形中最大，不同地形土壤酶活性大体表现为槽谷>漏斗>坡地。

表1 不同地形土壤养分含量Table 1 Soil nutrients in different terrains

注：同列不同小写字母表示不同地形差异显著(P<0.05)。Note: different lowercase letters in the same column indicate significant differences between different terrains(P<0.05).

注：图中不同小写字母表示不同地形差异显著(P<0.05)。Note: different lowercase letters indicate significant differences between different terrains(P<0.05).

图1 不同地形的土壤酶活性
Figure 1 Soil enzyme activities in different terrains

3.3 土壤养分与土壤酶活性的相关性及通径分析

运用通径分析可计算出直接和间接通径系数，通过系数绝对值大小可分析各环境因子对目标变量的直接和间接影响大小，能更加准确地说明各环境因子与目标变量之间的关系。土壤养分和土壤酶活性的相关系数和通径系数如表2和表3所示。从表中可以看出，过氧化氢酶活性与除速效钾含量外的其它养分指标呈负相关，但相关性不显著，各养分指标对其活性直接影响较大的4个指标分别为：全氮>速效磷≈速效氮>全磷；从间接通径系数看，各养分指标对过氧化氢酶活性间接影响较大的4个指标为：全氮>速效氮>全磷>速效磷。碱性磷酸酶活性与pH值、速效氮含量、速效磷含量、速效钾含量呈正相关，且与pH值和速效磷含量相关性显著；与有机质含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量呈负相关，且与有机质含量、全钾含量相关性显著；从直接通径系数看，各养分指标对其活性直接影响较大的4个指标为：有机质>速效钾>速效氮>全钾；从间接通径系数看，各养分指标对碱性磷酸酶活性间接影响较大的4个指标分别为速效氮>速效钾>全氮>全磷。脲酶活性与除全钾含量外的其它养分指标均呈负相关，且与速效钾相关性极显著(P<0.01)；从直接通径系数看，各养分指标对其活性直接影响较大的4个指标分别为速效钾>pH值>速效氮>有机质；从间接通径系数看，各养分指标对脲酶活性间接影响较大的前4个指标依次为：速效钾>速效氮>速效磷>全氮。蔗糖酶活性与pH值、全氮含量、全磷含量、全钾含量、速效氮含量呈负相关，且与全钾含量相关性极显著；与有机质含量、速效磷含量、速效钾含量呈正相关，且与速效钾含量相关性极显著；从直接通径系数看，各养分指标对其活性直接影响较大的4个指标分别为速效钾>全氮>全钾>全磷，从间接通径系数看，各养分指标对蔗糖酶活性间接影响较大的4个指标分别为全氮>速效钾>全磷>全钾。

采用通径分析方法，还发现过氧化氢酶、碱性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性的剩余通径系数均较大，分别是：0.666、0.569、0.726、0.347。这说明，除以上土壤养分指标外，还存在未被考虑的其他因素对这4个目标变量具有较大的影响。

表2 土壤养分和土壤酶活性的相关系数Table 2 Correlation coefficients of soil nutrients and soil enzyme activity

注：*表示显著相关(P<0.05)，**表示极显著相关(P<0.01)。Note:*indicates significant correlation(P<0.05);**indicates highly significant correlation(P<0.01).

表3 土壤养分和土壤酶活性的通径系数Table 3 Path coefficients of soil nutrients and soil enzyme activity

4 讨论与结论

4.1 土壤养分的地形差异

地形造成了环境中水热条件的重新分配，并且影响了动植物及微生物群落组成，并对植物吸收养分与养分归还过程产生影响，从而影响土壤养分在不同地形中的分布。研究表明，土壤pH值在漏斗地形与坡地地形间差异性显著，且在漏斗地形处呈现最小值；这主要是因为漏斗地形积水较多，易产生腐殖质，腐殖质属于酸性，使得土壤碱性降低。除有机质外，全氮含量在漏斗和坡地地形之间差异显著；全磷、全钾、速效氮的平均含量在漏斗地形与其余2种地形之间差异显著，且土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮含量在不同地形中均表现为漏斗>槽谷>坡地，这可能是由于漏斗地形属于负地形，气温较低，土壤水分含量较高，植被覆盖度大，凋落物积累较多，有机质分解缓慢，氮矿化速率降低，利于有机质和全氮的累积[17]；而坡地地形存在一定坡度，雨水的淋溶作用增强，导致全磷、全钾、速效氮在坡地含量降低。土壤速效磷含量在不同地形中差异性不显著(P>0.05)，这可能是磷素在土壤中的迁移速度较慢[22]，地形对磷素的迁移影响较小。土壤速效钾含量是槽谷>漏斗>坡地，且在槽谷地形与坡地地形间存在显著差异，这可能是因为坡地地形存在一定坡度，雨水的淋溶作用增强，导致速效钾含量较少，而槽谷地形适宜的温度，促进了土壤钾的释放，提高了速效钾的含量。以上研究结果表明，除速效钾外，在3种不同地形中漏斗的养分含量高于槽谷及坡地。郎华林等[17]、郑鸾等[23]的研究也发现在漏斗地形底部更有利于有机质、全氮等养分的积累，但养分的积累只在局部发生，分布不均匀，使得漏斗地形森林中优势种明显；而槽谷地形森林，因其地形相对平坦，土壤养分分布较均匀，植物所获得的养分相对均衡，物种丰富度指数高，但优势种不明显。

4.2 土壤酶活性的地形差异

本研究中，随着地形的变化，土壤酶活性大小也随之改变。除蔗糖酶活性外，地形对土壤酶活性存在显著的影响。过氧化氢酶、碱性磷酸酶及蔗糖酶活性在槽谷呈现最大值，而脲酶活性则在槽谷最低。过氧化氢酶活性在不同地形中表现为槽谷>漏斗>坡地，且在槽谷地形与其余2种地形之间差异性显著。这可能是因为槽谷地形的含水量、光照强度、温度等都比较适中，使得槽谷地形过氧化氢酶活性最大。孙慧等[24]的研究表明土壤含水量对过氧化氢酶活性有显著影响，当土壤含水量超过阈值时对过氧化氢酶活性有抑制作用。郎华林等[17]的研究表明漏斗地形土壤含水量高于其余2种地形，虽然漏斗地形养分含量最大，但其含水量也最大，致使其过氧化氢酶活性受到抑制。

碱性磷酸酶活性在不同地形中表现为槽谷>坡地>漏斗，且漏斗地形与其余2种地形之间差异性显著。这可能是因为，碱性磷酸酶可能主要来源于植物根系分泌物[21]，而在槽谷地形中物种区系组成最复杂，物种多样性亦最丰富[16]，加之其适宜的环境，使植物根系发达，可能导致碱性磷酸酶活性大于坡地和漏斗地形。

脲酶活性在不同地形中表现为漏斗>坡地>槽谷，且槽谷地形与其余2种地形之间差异性显著。申佳艳等[9]的研究表明，脲酶活性与氮素含量有一致的变化规律，脲酶活性可反映土壤供氮水平。本研究中漏斗地形全氮的含量最大，这也使得脲酶活性在漏斗地形表现出最大值。本研究中速效钾对脲酶活性的间接通径系数最大，因此对脲酶活性的主要影响因素为速效钾。土壤速效钾含量在不同地形中表现为槽谷>漏斗>坡地，且其对脲酶活性的直接与间接作用均为负效应，所以使得脲酶活性在槽谷处呈现最小值。

蔗糖酶活性在不同地形中表现为槽谷>漏斗>坡地，但不同地形之间差异均不显著。这可能是因为漏斗地形的有机质含量最高，可为蔗糖酶参与的催化反应提供充足的底物，而槽谷地形适宜的环境可使土壤微生物活性加强，坡地地形中土被不连续，存在很多的小生境，不同地形因其综合作用结果，致使蔗糖酶活性在不同地形之间的差异性不显著。

4.3 土壤养分与土壤酶活性的相关性

土壤酶是植物根系、土壤微生物、土壤动物等的分泌物[25]，主要来源于微生物的分泌。土壤养分直接影响植物分布和微生物的活性及分布，土壤酶活性间接受土壤养分含量影响，因此土壤酶活性与土壤养分之间存在不同程度的相关性[26]。有研究发现土壤酶活性与土壤养分含量之间存在显著或极显著相关性[27-30]，与本研究结果略有不同。本研究发现，除碱性磷酸酶活性与pH值、有机质、全钾及速效磷含量存在显著相关性；脲酶活性与速效钾含量存在极显著相关性；蔗糖酶活性与全钾及速效钾含量之间存在极显著相关性外；其余土壤养分含量与土壤酶活性之间相关性不显著。这可能因采样时间为旱季，这时土壤水热条件较差，使得土壤养分积累较少且缓慢转化，间接影响了土壤微生物活性，导致土壤酶活性与土壤养分之间的相关性不显著[31]；这也可能与研究地区复杂的地形地貌特征、植被、小气候等综合因素有关。

各养分指标对过氧化氢酶活性直接影响较大的4个指标分别为全氮、速效磷、速效氮和全磷含量；且这4个指标对过氧化氢酶活性的间接影响均大于各自的直接影响，说明这些养分指标主要通过间接作用影响过氧化氢酶活性，而这种间接作用主要是通过全氮和速效氮产生。全氮含量对过氧化氢酶活性的直接影响与间接影响均最大，且影响均为负效应；而速效氮含量对过氧化氢酶活性直接影响为正效应，两者的效应可相互抵消，其他因素通过全氮及速效氮含量对过氧化氢酶活性的间接影响也是如此。各养分指标对碱性磷酸酶活性直接影响较大的前4个指标分别为有机质、速效钾、速效氮、全钾含量，而各养分指标对其活性间接影响较大的前4个指标分别为速效氮、速效钾、全氮、全磷含量。除pH值、有机质和全钾含量这3个指标外，其余指标对碱性磷酸酶活性的间接影响均大于各自的直接影响，说明这些养分指标主要是通过间接作用影响碱性磷酸酶活性，而这种间接影响主要是通过速效氮、速效钾产生，且影响均为正效应。由此可见，在控制其它指标的情况下，可通过提高速效氮、速效钾的含量间接增加碱性磷酸酶的活性。各养分指标对脲酶活性直接影响较大的前4个指标为：速效钾含量、pH值、速效氮和有机质含量，各养分指标对其活性间接影响较大的4个指标分别为：速效钾、速效氮、速效磷、全氮含量。各养分因素通过速效钾对脲酶活性的直接影响与间接影响均最大，且为负效应。因此，速效钾是对脲酶活性影响较大的主要指标，此外，在控制其它指标的情况下，减少速效钾的含量可提高脲酶活性。各养分指标对蔗糖酶活性直接影响较大的前4个指标为：速效钾、全氮、全钾和全磷含量。而各养分指标对脲酶活性间接影响较大的前4个指标为：全氮、速效钾、全磷和全钾含量。速效钾和全氮含量是对蔗糖酶活性影响较大的主要指标，速效钾对蔗糖酶活性的影响为正效应，而全氮对其活性影响为负效应，两者的效应可相互抵消。

过氧化氢酶、碱性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性的剩余通径系数均较大，这说明，除以上土壤养分指标外，还存在未被考虑的其他因素对这4个目标变量具有较大的影响，这些因素可能与季节、植物群落结构、土壤微生物及凋落物等有关[32-33]。所以，将来可考虑从季节气候、小生境环境、植物群落结构、凋落物养分归还及土壤微生物等因素对土壤酶活性的影响展开研究。