不同海拔金佛山方竹林土壤酶活性与土壤理化性质的关系*

张琳，王自荣，朱绍宇 ，李元，王吉秀

(1.云南农业大学，云南 昆明 650201；2.昭通学院，云南 昭通 657000)

金佛山方竹(Chimonobambusautilis)是禾本科[Gramineae(Poaceae)]寒竹属(ChimonobambusaMakino.)植物，是中国西南地区特有竹种，分布在云南、四川和贵州三省，可笋材两用，具有重要的经济价值。昭通市镇雄县生物多样性复杂，是竹类资源最为丰富的地区，金佛山方竹资源面积达5.63×104hm2[1]。同时，该竹种在海拔1 000 m以上可形成纯林，起到涵养水源、保水固土的作用[2]，因兼具生态与经济价值，逐渐受到关注。目前，不仅对金佛山方竹形态[3]、开花[4]、出笋[5]等生物学特性已经进行了研究，也对影响其生长发育的因素，包括温度[6]、土壤[7]等进行了研究，证实了金佛山方竹的生长具有海拔效应[2]，土壤因子沿海拔的变化可能是导致金佛山方竹生长差异的原因之一，但目前不同海拔下金佛山方竹林土壤因子的变化及相关关系还鲜见报道。近年来，昭通市大力发展竹产业，然而该地区人工竹林的土壤肥力状况研究仍是空白，特别缺乏影响土壤各种生物化学过程的酶活性数据。因此，深入研究当地金佛山方竹林的土壤肥力现状对其产业发展具有重要意义。

土壤作为养分库，能为植物提供所需的养分，并且对其生长产生显著影响。土壤酶参与土壤中一切生物化学过程，在土壤及植被生态系统中发挥着重要作用，同时又与环境相统一，易受环境中物理、化学、生物因素的影响[8]，土壤理化性质与土壤酶活性相关性较高[9]，其酶活性能评价土壤肥力状况[10]。已有研究表明不同海拔生态系统中，土壤理化特征与酶活性具有梯度效应[11]。土壤重金属含量关系到食物安全及人类健康，其在土壤中的含量水平与分布特征反映着特定地区的土壤质量状况，受污染土壤往往表现出肥力水平较低[12]。因此，研究不同海拔梯度下土壤的理化性质、重金属元素和酶活性的变化特征，能够探索环境因子对金佛山方竹生长的影响。

关于该地区土壤的研究，主要集中在对栽种苹果(MaluspumilaMill.)、烟草(NicotianatabacumL.)、天麻(GastrodiaelataBl.)等土壤的微生物群落、养分特征等方面[13-15]，但对不同海拔下金佛山方竹土壤的理化性质、重金属含量和土壤酶活性的研究却未见报道。本研究以云南省昭通市镇雄县不同海拔金佛山方竹林地土壤为研究对象，分析不同海拔金佛山方竹林地土壤化学性质、酶活性和重金属Pb、Cd、Cu、Zn元素的变化规律，并运用相关分析和主成分分析方法探讨其关系，以进一步揭示金佛山方竹林下的土壤肥力现状，为该地区金佛山方竹的科学种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地位于云南省昭通市镇雄县牛场镇附近(27°52′～27°53′N，104°54′～104°55′E)，境内最高处海拔为2 165 m，最低为1 130 m，处于云贵高原地带，地形属典型的高原山地，山峦起伏，沟壑纵横，研究地区土壤类型为黄壤或黄棕壤。属亚热带季风气候，年平均气温11.6 ℃，年平均降水量938 mm，境内植物资源丰富，有方竹(Chimonobambusaquadrangularis)、筇竹(C.tumidissinoda)、银杏(Ginkgobiloba)、红豆杉(Taxusyunnanensis)等。研究地区金佛山方竹林为人工栽种，种植前林地为荒山，生长杂草。

1.2 样地设置及样品采集

本研究于2020年7月中旬进行采样，根据金佛山方竹的分布情况，在母质和土壤类型一致的前提下，共选择7个不同海拔梯度(1 520、1 740、1 770、1 800、1 830、1 860与1 890 m)下具有代表性金佛山方竹林，各样地基本情况如表1所示。每个海拔按照梅花形布点法布设采样点，每个样点重复取样3次，每个土样取样约1 kg左右，分别装入自封袋并编号后带回实验室。将采集的部分土样经自然风干后，过1.00 mm、0.25 mm筛，置于自封袋中密封保存并放置在样品储藏室；剩余鲜土存于4 ℃冰箱中，备用。

表1 样地地理位置

1.3 土壤理化性质指标测定方法

土壤理化性质的测定参考鲍士旦等的方法[16-17]：有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法；全氮含量采用半微量凯氏法；碱解氮含量采用碱解扩散法；全钾含量采用氢氧化钠熔融-火焰光度计法；速效钾含量采用NH4OAC浸提——火焰光度计法；全磷含量采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法；速效磷含量采0.5 mol/L NaHCO3法；pH值采用水浸提电位法进行测量。采用火焰原子吸收分光光度法测定土壤重金属Pb、Cd、Cu、Zn的含量。土壤酶活性：过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶均依据分光法，采用江苏格锐思生物技术有限公司的试剂盒方法进行测定。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel对实验数据进行前处理，采用SPSS 23.0对数据进行相关性和主成分分析，采用Origin 2018进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同海拔土壤理化性质的变化

不同海拔土壤理化性质的变化特征见图1。

图1 不同海拔土壤的理化性质

研究地区金佛山方竹土壤pH随海拔升高呈现由酸性—碱性—酸性过渡的变化规律；土壤有机质、全氮、碱解氮含量总体呈现出随海拔的升高而增加的变化规律；全磷、速效磷随海拔升高呈现出先增加又降低再增加的规律；全钾和速效钾含量的变化没有明显规律。不同海拔金佛山方竹的土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾含量的变化范围分别为34.96～126.82 g/kg、1.86～6.14 g/kg、35.00～106.75 mg/kg、0.14～0.31 g/kg、2.70～13.52 mg/kg、1.07～7.53 g/kg、101.63～417.66 mg/kg。

第一，农业科研人员有望成为我国农业技术推广的重要力量，构建农业科研人员参与农业技术推广模式可以是我国建立多元化农业推广体系的重要形式，可以有效地补充和完善我国现行的农业技术推广体系。

2.2 不同海拔土壤酶活性的变化

由图2可知，不同海拔金佛山方竹林地的土壤脲酶活性总体上随海拔的升高而增加，在海拔1 860 m处活性最高，为173.29 μg/(d·g)，在海拔1 740 m处的活性最小，仅为53.83 μg/(d·g)。过氧化氢酶和蔗糖酶的活性随海拔升高先增大后减小再增大。酸性磷酸酶的活性变化幅度较小，在海拔1 740 m处酶活性最小，为860.19 nmol/(h·g)，并显著低于其他海拔。

图2 不同海拔土壤酶活性

2.3 不同海拔土壤重金属含量的变化

由图3可知，不同海拔金佛山方竹林地中土壤Pb、Cd、Cu、Zn含量在各海拔间虽有变化，但未表现出明显的规律性。方差分析表明，Pb、Cd含量无明显的垂直分布特征，各海拔之间差异不显著；Cu含量在1 520 m处含量最高，为15.445 mg/kg；Zn含量在1 890 m处最高，为247.615 mg/kg，超过国家《土壤环境质量标准》(GB 15618—2018 试行)中的农用地土壤污染风险筛选值，但Zn含量的平均值未超标，此外Pb、Cd、Cu含量也均低于此标准[18]。

图3 不同海拔土壤重金属含量

2.4 不同海拔土壤理化性质、重金属含量与酶活性的相关性

由表2可知，实验所测得的不同海拔金佛山方竹林地中土壤4种土壤酶活性与理化性质之间呈现显著或极显著相关关系。其中，土壤脲酶活性与全氮含量呈显著正相关(P<0.05)，与碱解氮、速效钾呈极显著正相关(P<0.01)；酸性磷酸酶活性与有机质呈显著正相关，与全磷、全钾呈显著负相关，与速效磷呈极显著负相关；土壤过氧化氢酶活性与土壤pH呈极显著正相关。土壤酶活性与4种元素含量之间，仅有Pb与蔗糖酶活性呈显著正相关。

表2 土壤理化性质、重金属含量与酶活性的相关关系

2.5 不同海拔土壤理化性质、土壤重金属与酶活性的主成分分析

由主成分分析原理可知，当累积方差贡献率大于85%时，可以基本反映系统的变异信息[19]。由表3可以看出，第一主成分的方差贡献率最大，为34.804%，第二、三、四、五主成分的方差贡献率依次为19.959%、18.287%、10.499%和7.209%，五个主成分的累积方差贡献率为90.758%，因此不同海拔金佛山方竹林地的土壤肥力状况可以用前五个主成分来表示土壤肥力的变异信息。

表3 不同海拔土壤的主成分特征值

不同海拔土壤的主成分的因子载荷矩阵(表4)，能反映各测定指标对主成分的影响程度[20]。将因子载荷大于等于0.5的指标筛选出来，可以得出：第一主成分综合了全氮、碱解氮、有机质、脲酶、酸性磷酸酶、微量元素Pb含量的变异信息，第二主成分综合了Pb、Cd、Cu、Zn的变异信息，第三主成分综合了pH、全磷、速效磷、速效钾、蔗糖酶、过氧化氢酶的变异信息，第四、五主成分综合了脲酶、过氧化氢酶、全钾的变异信息。

表4 不同海拔土壤的主成分的因子载荷矩阵

将上述因子载荷换算为特征向量，得到的5个主成分表达式如下：

F1=-0.002X1+0.168X2-0.030X3+0.132X4-0.024X5+0.302X6+0.210X7+0.122X8+0.297X9+0.062X10-0.053X11+0.061X12+0.009X13-0.007X14-0.141X15+0.029X16

F2=0.053X1+0.014X2+0.017X3+0.055X4-0.022X5+0.022X6-0.010X7-0.072X8-0.002X9+0.132X10+0.028X11-0.031X12+0.259X13+0.263X14+0.236X15+0.289X16

F3=0.102X1+0.058X2+0.362X3-0.067X4+0.296X5-0.014X6+0.054X7-0.022X8-0.171X9+0.288X10-0.219X11-0.082X12+0.072X13-0.018X14-0.138X15+0.030X16

F4=0.341X1-0.110X2-0.008X3-0.166X4+0.009X5+0.190X6-0.091X7-0.010X8+0.127X9-0.200X10+0.104X11+0.503X12-0.077X13+0.109X14+0.050X15-0.045X16

F5=0.102X1+0.048X2+0.147X3-0.643X4-0.016X5-0.134X6+0.007X7+0.209X8-0.215X9+0.002X10+0.286X11+0.154X12+0.009X13+0.065X14-0.051X15-0.165X16

X1～X8分别代表了pH、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾、碱解氮、有机质8种土壤理化性质，X9～X12代表了脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶4种酶活性，X13～X16则分别表示Pb、Cd、Cu、Zn含量的特征值。将各海拔测定指标代入表达式分别计算各主成分的得分，再以方差贡献率为权数对其进行加权求和，得到不同海拔土壤肥力综合得分。得分越高，则土壤肥力水平越高。由表5可知，不同海拔金佛山方竹林地土壤肥力由高到低依次为：1 770 m﹥1 890 m﹥1 740 m﹥1 800 m﹥1 860 m﹥1 830 m﹥1 520 m。其中，1 770 m和1 890 m处土壤肥力明显高于其他海拔带。

表5 不同海拔金佛山方竹林地的土壤肥力综合得分

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 土壤理化性质、酶活性与海拔的关系

研究发现，土壤理化性质与海拔密切相关。随着海拔上升，研究地区土壤由弱酸性和碱性逐渐过渡至酸性，主要是因为大气降水量随着海拔的升高也随之增加，使土壤所受淋溶作用增强，土壤复合体吸附更多的H+，从而降低土壤碱性[21]，这与罗钰颖等[22]的研究结果一致。土壤有机质含量随海拔升高而上升，是因为土壤温度随着海拔上升而逐渐下降，土壤温度的下降抑制土壤有机质的分解，使输入量大于损失量从而致使土壤中有机质含量不断增加[23]，同时，动、植物被微生物分解的速度变慢，降低了土壤有机碳和氮的矿化速率，造成全氮含量的累积[24]。川滇高山栎(Quercusaquifolioide)叶片中C、 N元素在海拔3 050 m处达到最低随后又随海拔的升高而增加[25]，在一定程度上也能反映土壤C、N的供应水平是随海拔带而变化的[26]。土壤速效磷含量在弱碱性土壤中显著高于其他海拔处，而其他海拔处土壤为酸性，符合土壤中速效磷的有效性在pH<5时较低的一般规律[27]。

土壤酶活性在不同海拔带存在差异，与不同海拔的养分特征、微生物群落等因子相关。脲酶活性随着海拔升高而增加，与全氮、碱解氮、有机质含量变化趋势一致，符合一般规律，该变化趋势与金裕华等[28]的研究结论相同；过氧化氢酶和蔗糖酶活性随海拔变化呈现出先增大后减小再增大的趋势，这与袁启凤等[29]的研究结果相同，但蔗糖酶的活性变化与李聪等[30]的研究结果存在差异，原因可能是在不同区域内，土壤母质与环境存在差异；酸性磷酸酶活性的海拔差异较小，但在1 740 m处酶活性显著低于其他海拔，原因是该处为碱性土壤，酸性磷酸酶的活性受到抑制，而当土壤中磷的有效性较低时，磷酸酶的参与能促进土壤磷循环以满足植物的生长需求。

3.1.2 土壤理化性质、土壤重金属含量与酶活性的关系

土壤理化性质与土壤酶活性间具有明显的关系，主要包括土壤有机质、pH、全氮、碱解氮、全磷、全钾等。土壤酸碱性影响酶促反应基点和土壤所吸附的酶的稳定性，某些酶促反应对pH值的变化很敏感，甚至只能在较窄的范围内进行[31]。土壤酸性磷酸酶的最适pH为4.0～5.0，当pH<5.0时，过氧化氢酶活性降低[32]。酶活性与有机质的关系，反映了土壤酶主要是来源于微生物代谢，而有机质含量的增加可以促进其代谢活动，从而增强土壤酶活性[33]。

土壤中某些元素的含量可能是决定土壤酶活性的一个重要生态学因素[34]，对土壤酶活性的影响主要取决于土壤的性质，如pH值以及移动性元素的含量，并且不同种类的土壤酶对不同的微量元素具有专性特性[35]。向彬等[36]发现4种重金属均降低了脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶的活性，但在本研究中，仅有Pb显著影响蔗糖酶活性，Cd、Cu、Zn等3种元素与土壤酶活性无显著相关性，这是因为虽然高浓度的Pb、Cd、Cu、Zn对土壤酶活性具有明显的抑制作用，但在供试土壤样品中这4种元素的含量均处于较低水平，因此其对土壤酶活性影响不显著。吴炳孙等[37]研究发现，橡胶(Heveabrasiliensis)人工林土壤中，Zn、Cu均对脲酶有正效应，李跃林等[35]研究表明：桉树(EucalyptusrobustaSmith.)人工林土壤Zn含量在0.099～0.780 mg/kg时，在一定程度上抑制脲酶和过氧化氢酶活性，可见在不同类型的林地下同一种元素与土壤酶的关系是有区别的，而同一种元素的含量不同时，既可以起激活酶的作用，也可以抑制酶的活性。

3.1.3 土壤肥力

根据全国第二次土壤普查分级指标对土壤肥力进行评价[38]：有机质、全氮含量均为高或极高水平；碱解氮含量在海拔1 520 m和1 740 m处为低水平，海拔1 770～1 860 m处为中水平，海拔1 890 m为高水平；全磷含量为极低水平；速效磷含量在海拔1 740 m处为中上水平，其余海拔均为低水平；全钾含量在海拔1 740 m和1 860 m为中等水平，其余海拔均为低水平和较低水平；速效钾含量除1 520 m处为中等水平，其余海拔均为高或极高水平。

通过主成分分析发现，第一主成分的贡献率最大，故碱解氮、有机质、脲酶、酸性磷酸酶等因子，可以作为表征该地区土壤肥力状况的较优指标。而在第二、三主成分中载荷较高的指标，如速效钾、蔗糖酶、过氧化氢酶等，也可以间接反映出土壤微生物活动的强弱，以及土壤中某些营养元素在循环中的变化[39]。通过对不同海拔土壤肥力综合得分进行排序，由高到低依次为：1 770 m﹥1 890 m﹥1 740 m﹥1 800 m﹥1 860 m﹥1 830 m﹥1 520 m。

3.2 结论

本文通过对金佛山方竹不同海拔梯度土壤特性的分析和研究，得出以下结论。

(1)金佛山方竹林下土壤有机质、全氮、碱解氮含量、脲酶活性随着海拔升高总体增大；全磷、速效磷含量、过氧化氢酶和蔗糖酶活性先增大再减小又增大；土壤酶活性与土壤理化性质密切相关，重金属Pb含量与蔗糖酶活性呈显著正相关。

(2)在主成分分析中贡献率最大的是全氮、碱解氮、有机质、脲酶、酸性磷酸酶5个指标，可以作为综合评价该研究地区土壤肥力状况的指标。对7个不同海拔土壤肥力质量进行排序后，海拔1 770 m和1 890 m处土壤肥力水平最高。

(3)该地区在金佛山方竹生长过程中，应人工增施磷肥，低海拔地区多施氮肥，并增加有机质和钾肥的含量，以提高土壤肥力，增强林分生产力。