張雅茜,方 晰,2,*,冼應(yīng)男,王振鵬,項(xiàng)文化,2

1 中南林業(yè)科技大學(xué),生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長沙 410004 2 湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站,會同 438107

為保護(hù)生物多樣性和提升森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能,20世紀(jì)90年以來,中國政府實(shí)施了“天然林保護(hù)”、“退耕還林”、“長江中上游防護(hù)林體系建設(shè)”等系列林業(yè)生態(tài)工程,亞熱帶地區(qū)森林植被恢復(fù)迅速,但由于受到不同強(qiáng)度的人為干擾,形成了多種次生植物群落。在特定的土壤類型和氣候條件下,根據(jù)干擾強(qiáng)度和恢復(fù)程度及其物種組成的差異,沿著亞熱帶森林恢復(fù)演替梯度,這些次生植物群落可以劃分為灌草叢、灌木林、針闊混交林、落葉常綠闊葉混交林和常綠闊葉林等不同恢復(fù)演替階段[1]。植被恢復(fù)過程中,生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)健康的變化已受到多個學(xué)科專家、學(xué)者的普遍關(guān)注[2]。土壤微生物和酶是指示生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要指標(biāo)[3],兩者均作用于土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)換、能量平衡和生物地球化學(xué)循環(huán),對土壤養(yǎng)分、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和植被恢復(fù)有重要的影響[4]。此外,微生物生物量周轉(zhuǎn)快,與土壤酶活性一樣對環(huán)境變化響應(yīng)敏感[5],能反映土壤質(zhì)量在時間序列或不同環(huán)境條件下的變化[6]；土壤酶活性可代表土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度,反映微生物對養(yǎng)分的吸收利用狀況,不僅能反映土壤微生物活性,而且能表征土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力。

隨著人們對地下生態(tài)過程認(rèn)識不斷深入,越來越多的學(xué)者關(guān)注植被恢復(fù)對土壤微生物和酶活性及其對各種生態(tài)學(xué)過程的影響[7]。研究表明,土壤微生物群落多樣性和酶活性受許多環(huán)境因子的影響,其中由于植物組成不同所致的土壤理化性質(zhì)(碳源、pH值、養(yǎng)分、水分)變異,導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能、酶活性的改變已有很多研究報道[8- 10]。但是土壤養(yǎng)分含量與酶活性之間的關(guān)系至今仍沒有一致的結(jié)論[10]。盡管有關(guān)亞熱帶地區(qū)隨著次生林植被恢復(fù)演替,群落組成結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜,生物量提高,凋落物、根系的數(shù)量和質(zhì)量改變,土壤理化性質(zhì)、微生物生物量和酶活性的變化趨勢有了一定的認(rèn)識[11]。然而,土壤微生物生物量與酶活性具體呈現(xiàn)怎樣的相關(guān)關(guān)系,以及結(jié)合土壤化學(xué)性質(zhì)深入探討土壤微生物生物量、酶活性與土壤環(huán)境因子的相互關(guān)系仍缺乏研究報道[10,12]；而且現(xiàn)有研究多采用簡單相關(guān)分析探討土壤微生物生物量、酶活性與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系,而數(shù)學(xué)統(tǒng)計理論認(rèn)為,在多變量簡單相關(guān)分析過程中,任意兩個變量的線性相關(guān)系數(shù)都會受到其他變量的影響,不能真實(shí)反映一個變量(原因)對另一個變量(結(jié)果)的直接作用,往往不能準(zhǔn)確地反映兩個變量之間的真正關(guān)系,甚至常常會得出錯誤的結(jié)論。通徑分析在群落植被格局、土壤微生物生物量、酶活性與營養(yǎng)元素之間關(guān)系研究等方面已有成功應(yīng)用[13-14]。本研究采用空間代替時間的方法,在湘中丘陵區(qū)選取地域毗鄰、環(huán)境條件(立地、土壤、氣候)基本一致,由處于不同演替階段樹種組成的4種林地作為一個恢復(fù)序列,研究土壤微生物生物量、酶活性的變化趨勢,結(jié)合通徑分析方法分析4種林地土壤微生物生物量、酶活性與土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系,以驗(yàn)證以下假設(shè):(1)土壤微生物生物量、酶活性隨著森林植被恢復(fù)而提高；(2)土壤化學(xué)性質(zhì)的變化對土壤微生物生物量影響顯著；(3)土壤微生物生物量、化學(xué)性質(zhì)的變化對土壤酶活性影響顯著。在理論上明確植被恢復(fù)對土壤微生物學(xué)特性的影響機(jī)制,在實(shí)踐上為亞熱帶森林植被恢復(fù)和保護(hù)以及森林開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究樣地概況

研究樣地設(shè)置在湖南長沙縣大山?jīng)_林場(28°24′—28°25′N,113°18′—113°19′E),為典型低山丘陵區(qū),地形起伏較大,海拔為55—350 m,屬于幕阜山余脈的西緣,地勢大體從東南向西北傾斜,坡度多在20°—30°；屬于亞熱帶東南季風(fēng)濕潤氣候區(qū),1954—2010年平均氣溫17.3 ℃,7—8月份極端高溫為39.8 ℃,1—2月份極端低溫-10.3 ℃,無霜期216—269 d,雨量充沛,年降水量約為936.4—1954.2 mm,年平均降水量為1416.4 mm,主要集中于4—7月份,相對濕度較大,平均年日照時間約1440 h。地帶性植被為常綠闊葉林,土壤以板巖和頁巖等變質(zhì)巖發(fā)育而成的酸性粘土質(zhì)紅壤為主。該林場經(jīng)過60—70年的封山育林,現(xiàn)保存有杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)、毛竹(Phyllostachysheterocycla)等人工林群落以及處于不同恢復(fù)演替階段的次生林群落,林場內(nèi)次生林群落人為干擾少,為開展亞熱帶次生林植被恢復(fù)演替研究提供了良好的場所。

根據(jù)人為干擾程度和森林恢復(fù)過程,在林場內(nèi)選取地域毗鄰、環(huán)境條件(立地、土壤、氣候)基本一致,由處于不同演替階段樹種組成的4種林地:(1)由杉木單一針葉樹種組成的人工林(為對照林地)；(2)由60%馬尾松、25%柯(又名石櫟,Lithocarpusglaber)和15%其他樹種組成的針闊混交次生林；(3)由65%南酸棗(Choerospondiasaxillaries)、6%檵木(Loropetalumchinensis)、6%四川山礬(Symplocossetchuensis)和23%其他樹種組成落葉闊葉次生林；(4)由37%柯、16%青岡(Cyclobalanopsisglauca)、16%馬尾松和31%其他樹種組成的常綠闊葉次生林組成一個恢復(fù)序列,分別設(shè)置1塊面積為1 hm2的長期觀測固定樣地(分別簡寫為CL、PM-LG、CA和LG-CG,下同)。對樣地內(nèi)胸徑≥ 1 cm的所有木本植物掛牌編號,記錄植物種類,測定胸徑、樹高和冠幅,并計算Shannon-Wiener多樣性指數(shù)。4種林地樣地的基本特征及其樹種組成詳見Liu等[15]的文獻(xiàn)。

1.2 土壤樣品采集、處理

2016年5月中旬,在4種林地代表性地段分別隨機(jī)設(shè)置5個20 m × 20 m的樣地(每種林地構(gòu)成5個重復(fù)),每個樣地沿著對角線均勻設(shè)置3個采樣點(diǎn),用土壤鉆(內(nèi)徑約6 cm)按0—15、15—30 cm分層采集土壤樣品。在室內(nèi),清除土壤樣品中的動植物殘體、石礫,將同一個樣地3個采樣點(diǎn)同一土層樣品混合均勻,過2 mm土壤篩,分成2份。其中1份放入冰箱0—4 ℃下保存,用于測定土壤微生物生物量碳(BC)、氮(BN)、磷(BP)；另1份自然風(fēng)干后,磨碎過1、0.25 mm土壤篩。過1 mm土壤篩的樣品用于測定土壤pH值、水解性氮(AN)、有效磷(AP)含量和4種酶活性；過0.25 mm土壤篩的樣品用于測定有機(jī)碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量。

1.3 土壤微生物生物量、酶活性和化學(xué)性質(zhì)的測定

土壤BC、BN采用氯仿熏蒸,0.5 mol/L K2SO4溶液浸提(水土比為4∶1),用TOC- 1020A分析儀測定浸提液中SOC和TN含量,土壤BC=EC/kEC(EC為熏蒸與未熏蒸土壤SOC含量差值；kEC為轉(zhuǎn)換系數(shù),取值0.45[16])。土壤BN=EN/kEN(EN為熏蒸與未熏蒸土壤TN含量差值；kEN為轉(zhuǎn)換系數(shù),取值0.45[16])；土壤BP采用氯仿熏蒸,0.5 mol/L NaHCO3溶液提取(水土比為4∶1),用鉬藍(lán)比色法測定浸提液中TP含量,土壤BP=EP/kEP(EP為熏蒸與未熏蒸土壤TP含量差值,kEP為轉(zhuǎn)換系數(shù),取值0.40[16])。

土壤蔗糖酶(Invertase,INV)活性用3,5-二硝基水楊酸比色法,脲酶(Urease,URE)活性用苯酚鈉比色法,酸性磷酸酶(Acid phosphatase,ACP)活性用磷酸苯二鈉比色法,過氧化氫酶(Catalase,CAT)活性用高錳酸鉀滴定法測定[17]。

土壤pH值用土水比1∶2.5pH計法,TN用KN580全自動凱氏半微量定氮儀法,TP用鉬銻抗比色法,AN用堿解擴(kuò)散法,AP用鹽酸-氟化銨浸提法測定。4種林地土壤化學(xué)性質(zhì)如表1所示。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤BC、BN、BP分別占土壤SOC、TN、TP含量的百分比例,用(1)式計算:

(1)

用Excel 2010統(tǒng)計不同林地各土層各指標(biāo)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。用SPSS(Statistical Package for Social Science)13.0軟件包中的單因素方差分析(one-way ANOVA)的最小顯著差數(shù)法(LSD)檢驗(yàn)4種林地之間、土層之間各項(xiàng)指標(biāo)的差異顯著性(P< 0.05)；用雙因素方差分析(two-way ANOVA)分析林地與土層之間是否存在交互作用；用Pearson相關(guān)系數(shù)分析土壤微生物生物量與土壤酶活性之間的相關(guān)性。結(jié)合DPS7.05進(jìn)行通徑分析[13],計算土壤微生物生物量、酶活性與土壤化學(xué)性質(zhì)之間直接和間接通徑系數(shù)。用SigmaPlot 12.5繪制圖；圖、表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表1 不同林地土壤的化學(xué)性質(zhì)

不同大寫字母代表同一土層不同林地之間的差異顯著(P< 0.05),不同小寫字母代表同一林地不同土層之間的差異顯著(P< 0.05)；CL:杉木人工林,Cunninghamialanceolataplantation；PM-LG:馬尾松-柯針闊混交林,Pinusmassoniana-Lithocarpusglabermixed forest；CA:南酸棗落葉闊葉林,Choerospondiasaxillarisdeciduous broad leaved forest；LG-CG:柯-青岡常綠闊葉林,Lithocarpusglaber-Cyclobalanopsisglaucaevergreen broad-leaved forest；SOC:土壤有機(jī)碳,Soil organic carbon；TN:全氮,Total nitrogen；TP:全磷,Total phosphorus；AN:水解性氮,Available nitrogen；AP:有效磷,Available phosphorus

2 結(jié)果與分析

2.1 4種林地土壤微生物生物碳氮磷的變化

從圖1和表2可以看出,林地、土層均顯著影響土壤BC、BN、BP,但林地與土層對土壤BC、BN、BP不存在顯著的交互作用(表2)。

圖1 4種林地土壤微生物生物量碳氮磷Fig.1 Soil microbial biomass carbon, nitrogen and phosphorus in different forest lands不同大寫字母代表同一土層不同林地之間的差異顯著(P < 0.05),不同小寫字母代表同一林地不同土層之間的差異顯著(P < 0.05)；CL:杉木人工林,Cunninghamia lanceolata plantation；PM-LG:馬尾松-柯針闊混交林,Pinus massoniana-Lithocarpus glaber mixed forest；CA:南酸棗落葉闊葉林,Choerospondias axillaris deciduous broad leaved forest；LG-CG:柯-青岡常綠闊葉林,Lithocarpus glaber-Cyclobalanopsis glauca evergreen broad-leaved forest

Table 2 Two-way ANOVA table of effect of forestand, soil layer and their interaction on soil microbal biomass carbon, nitrogen and phosphorus

因子FactorBCBNBPdfFPdfFPdfFPA38.3880.00039.6240.000349.8480.000B124.6880.000114.6410.000115.2560.000A×B30.7170.54930.5010.68430.4950.689

A、B分別代表林分類型、土層深度,A×B則表示兩者之間的交互作用; The A, B represent forest type and soil depth, the A×B represent interactions of forest type and soil depth;BC:土壤微生物生物量碳,Soil microbial biomass carbon；BN:土壤微生物生物量氮,Soil microbial biomass nitrogen；BP:土壤微生物生物量磷,Soil microbial biomass phosphorus

如圖1所示,4種林地0—15 cm土層BC、BN和BP分別為480.50—868.40,43.80—157.50和4.94—24.19 mg/kg,變化趨勢基本一致,均表現(xiàn)為:CA > LG-CG > PM-LG > CL,且CA、LG-CG與PM-LG、CL差異顯著(P< 0.05),但PM-LG與CL(除BP外)之間,CA與LG-CG之間差異不顯著(P> 0.05),PM-LG、CA、LG-CG的BC分別比CL高14.33%、29.52%、24.39%,BN分別高11.52%、60.32%和45.31%,BP分別高152.14%、237.93%和205.30%。15—30 cm土層BC、BN、BP分別在349.70—740.00,30.30—109.80和3.34—22.95 mg/kg之間,變化趨勢與0—15 cm土層一致,且CL與PM-LG(除BN外)、CA、LG-CG差異顯著(P< 0.05),PM-LG與CA(除BC外)差異顯著(P< 0.05),與LG-CG(除BN外)差異不顯著(P> 0.05),CA與LG-CG(除BP外)差異不顯著(P>0.05),PM-LG、CA、LG-CG的BC分別比CL高17.21%、31.50%、31.79%,BN分別高18.89%、67.34%和49.15%,BP分別高178.08%、372.09%和227.01%。不同林地之間,BC差異最大,其次是BN,BP最小。

從圖1可以看出,4種林地0—15 cm土層BC、BN、BP均高于15—30 cm土層,且CL、PM-LG、CA土層間BC差異顯著(P< 0.01),CL、PM-LG土層間BN差異顯著(P< 0.05),LG-CG土層間BP差異顯著(P< 0.05)。

2.2 4種林地土壤BC/BN、BC/SOC、BN/TN、BP/TP比值

從表3可以看出,不同林地同一土層BC/BN不同,0—15、15—30 cm土層CL、PM-LG顯著高于CA、LG-CG(P< 0.05),但CL與PM-LG之間,CA與LG-CG差異不顯著(P> 0.05)。4種林地0—15 cm土層BC/BN均低于15—30 cm土層,但差異均不顯著(P> 0.05)。

4種林地同一土層BC/SOC、BN/TN、BP/TP的變化趨勢不同。0—15、15—30 cm土層BC/SOC隨著森林植被恢復(fù),先增高再下降,BN/TN隨著植被恢復(fù),先下降再增高,而BP/TP隨著植被恢復(fù),逐漸增高。4種林地15—30 cm土層的BC/SOC、BN/TN(除CL外)高于0—15 cm土層,而BP/TP恰好相反,但4種林地兩個土層間的BC/SOC、BN/TN、BP/TP差異均不顯著(P> 0.05)(表3)。

表3 4種林地土壤BC/BN、BC/SOC、BN/TN、BP/TP的比率

2.3 4種林地土壤酶活性的變化

從圖2和表4可以看出,林地、土層均顯著影響土壤INV、URE、ACP和CAT活性,但林地與土層不存在顯著的交互作用(除ACP活性外)。

圖2 不同林地土壤酶活性Fig.2 Soil enzyme activity in different forest lands

因子FactorINVUERACPCATdfFPdfFPdfFPdfFPA37.8180.000369.1810.000381.1790.00030.8100.498B11.3870.248311.1680.002397.7350.00030.3380.565A×B30.1400.93591.2370.31296.3690.00290.1790.910

INV:蔗糖酶,Invertase；URE:脲酶,Urease；ACP:酸性磷酸酶,Acid phosphatase；CAT:過氧化氫酶,Catalase

如圖2所示,4種林地0—15、15—30 cm土層INV活性分別為17.30—67.49、14.90—25.14 mg/g24h,均表現(xiàn)為:LG-CG> CA > PM-LG > CL；0—15 cm土層,LG-CG、CA與CL差異顯著(P< 0.05)；LG-CG與PM-LG差異顯著(P< 0.05),與CA差異不顯著(P> 0.05),CA與PM-LG之間,PM-LG與CL之間差異不顯著(P> 0.05)；15—30 cm土層,LG-CG、CA與PM-LG、CL差異顯著(P<0.05),而LG-CG與CA之間,PM-LG與CL之間差異不顯著(P> 0.05)；LG-CG、CA、PM-LG分別比CL提高了75.8%—93.0%、53.4%—65.4%、12.7%—26.6%。4種林地0—15、15—30 cm土層URE活性分別為0.13—1.22、0.13—0.88 mg/g24h,也表現(xiàn)為:LG-CG > CA > PM-LG > CL；0—15 cm土層,LG-CG、CA與PM-LG、CL之間,LG-CG與CA差異顯著(P< 0.05),但PM-LG與CL差異不顯著(P> 0.05)；15—30 cm土層,CL、PM-LG、CA、LG-CG兩兩之間差異顯著(P< 0.05)；LG-CG、CA、PM-LG分別比CL增加了374.4%—381.9%、222.0%—230.0%、70.9%—74.0%。4種林地0—15、15—30 cm土層ACP活性分別為3.59—5.80、2.84—4.98 mg/g12h,均表現(xiàn)為CA > LG-CG > PM-LG >CL；0—15 cm土層,PM-LG、CA、LG-CG與CL之間,CA與PM-LG、LG-CG之間差異顯著(P< 0.05),但PM-LG與LG-CG之間差異不顯著(P> 0.05)；15—30 cm土層,PM-LG、CA、LG-CG與CL之間差異顯著(P< 0.05),而PM-LG、CA、LG-CG兩兩之間差異不顯著(P> 0.05),PM-LG、CA、LG-CG分別比LC高14.0%—34.2%、38.2%—42.7%、18.7%—37.1%。4種林地0—15、15—30 cm土層CAT活性分別為1.64—4.51、2.04—4.43 mg/g20min,均表現(xiàn)為CA > PM-LG > LG-CG > CL,同一土層不同林地兩兩間差異均不顯著(P> 0.05)。表明INV、URE活性隨著植被恢復(fù)演替呈遞增趨勢,而ACP、CAT活性在恢復(fù)演替中期階段較高,在晚期階段有所下降。

從圖2可以看出,0—15 cm土層INV、URE、ACP、CAT活性(除CL外)均高于15—30 cm土層。但各林地兩土層的INV、URE(除PM-LG外)、ACP(除LC、CA、LG-CG外)、CAT活性差異均不顯著(P> 0.05)。

2.4 土壤微生物生物量、土壤酶活性以及其之間的關(guān)系

如表5所示,土壤BC、BN、BP兩兩之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P< 0.01),分別與土壤INV(除BN外)、URE、ACP、CAT(除BP外)活性之間呈顯著(P< 0.05)或極顯著(P< 0.01)的正相關(guān)。土壤INV、URE、ACP活性兩兩之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P< 0.01),但三者與CAT活性不存在顯著的相關(guān)關(guān)系(P> 0.05)。表明土壤中多糖的轉(zhuǎn)化循環(huán),有機(jī)磷有脫磷與轉(zhuǎn)化,不同N素的轉(zhuǎn)化利用之間關(guān)系密切并且相互影響,3種水解酶在促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化及參與土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量交換中,不僅顯示其專有特性,同時還存在著共性關(guān)系,共同影響著土壤肥力的改善。

表5 土壤微生物生物量、土壤酶活性以及其之間的相關(guān)系數(shù)

Table 5 Correlation coefficients between soil microbial biomass, soil enzyme activity and between soil microbial biomass and soil enzyme activity

項(xiàng)目 ItemBNBPINVUREACPCATBC0.752??0.603??0.336?0.487??0.719??0.423??BN10.632??0.3060.764??0.602??0.373?BP10.482??0.614??0.804??0.147INV10.531??0.535??0.234URE10.573??0.201ACP10.204

** 表示極顯著相關(guān)(P< 0.01),* 表示顯著相關(guān)(P< 0.05)

2.5 土壤微生物生物量、土壤酶活性與土壤化學(xué)性質(zhì)的相互關(guān)系

利用通徑分析探討了土壤化學(xué)性質(zhì)對微生物生物量,以及土壤化學(xué)性質(zhì)、微生物生物量對酶活性的影響,結(jié)果如表6所示。

表6 土壤理化性質(zhì)對土壤微生物生物量、土壤酶活性的相關(guān)關(guān)系和通徑系數(shù)

從表6可以看出,土壤化學(xué)性質(zhì)中對BC的直接通徑系數(shù)較大的前5個因素依次為:SOC(0.832) > TN/TP(-0.604) > SOC/TN(-0.543)> AN(0.303) > TP(-0.138),各因素通過SOC、TN/TP對BC的間接通徑系數(shù)較大(分別為-0.301和0.934)。SOC對BC的影響為正相關(guān),而TN/TP為負(fù)相關(guān),兩者的相關(guān)性相互抵消,其他因素通過兩者對BC的間接影響亦是如此,因而各因素與BC的相關(guān)系數(shù)均較小。綜上所述,BC的直接影響因素是SOC和TN/TP。

對BN的直接通徑系數(shù)較大的前5個因素依次為:TN(-1.504)> TN/TP(1.237) > SOC/TP(-1.204) >SOC(1.121) > AN(0.633)。各因素通過TN、TN/TP的間接通徑系數(shù)較大(分別為1.975和-0.974)。表明BN的直接影響因素是TN、TN/TP。

對BP的直接通徑系數(shù)較系數(shù)大的前5個因素依次為:TP(0.621) > SOC/TP(0.484) > SOC/TN(-0.367)> AP(0.366) > TN(-0.337)。各因素通過TP、SOC/TP的間接通徑系數(shù)較大(分別為0.331和-0.336)。表明BP的直接影響因素是TP和SOC/TP。

對INV活性的直接通徑系數(shù)較大的因素為:TN(2.868) > TN/TP(-2.646) > SOC/TP(1.843) >BN/TN(1.287) > SOC/TN(-0.915),各因素通過TN、TN/TP的間接通徑系數(shù)較大(分別為-2.369和3.242),表明影響INV活性的主要因子是TN、TN/TP。

對URE活性的直接通徑系數(shù)較大的前5個因素依次為:BP/TP(1.504)、BP(-1.179)、BN(0.938)、SOC(-0.774)、BC/SOC(-0.488),各因素通過BP/TP、BP的間接通徑系數(shù)較大(分別為-0.789和1.793),表明URE活性的直接影響因子是BP/TP、BP。

對ACP活性的直接通徑系數(shù)較系數(shù)大的前5個因素依次為:TN(1.571) > TN/TP(-1.414) > SOC/TP(1.299) > SOC(-0.849) >BP/TP(0.483),各因素通過TN、TN/TP的間接通徑系數(shù)較大(分別為-0.928和1.860),表明影響ACP活性的主要因子是TN、TN/TP,而一些因子與ACP活性呈現(xiàn)出的極顯著相關(guān)性主要是其直接效應(yīng)和間接效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。

對CAT活性的直接通徑系數(shù)較大的因素依次為:BC/SOC(1.791) > SOC(1.244) > SOC/TN (0.745) >BC(-0.641)>BN/TN(-0.605),各因素通過BC/SOC、SOC的間接通徑系數(shù)較大(分別為-1.849和平0.938),表明影響CAT酶活性的直接因子是BC/SOC、SOC。

BC、BN、BP以及INV、URE、ACP、CAT活性的剩余余項(xiàng)通徑系數(shù)較低,分別為0.219、0.215、0.212、0.117、0.040、0.069和0.174。表明土壤化學(xué)性質(zhì)對微生物生物量,以及土壤化學(xué)性質(zhì)和微生物生物量對酶活性具有較大的影響。

3 討論

3.1 森林植被恢復(fù)對土壤微生物生物量的影響

研究表明,不同生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物生物量差異較大,是生態(tài)系統(tǒng)特性與環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果,其中林分類型是重要的影響因子之一[18]。不同林分因組成樹種及其數(shù)量、生物量、凋落物數(shù)量和質(zhì)量的差異,土壤SOC及養(yǎng)分含量不同[19],進(jìn)而影響土壤微生物生長與繁殖,導(dǎo)致不同林地土壤微生物生物量也不相同[18- 19]。植被恢復(fù)對土壤微生物的積極影響主要來自于生物量(凋落物、根系及其分泌物等)增加導(dǎo)致的能源輸入增加[9]。本研究中,隨著森林植被恢復(fù),林分組成樹種和闊葉樹比例增大,細(xì)根生物量[15]、年凋落物量[20]以及地表凋落物現(xiàn)存量[21]增加,土壤SOC、TN、TP、AN、AP含量增加(表1),土壤BC、BN、BP整體上呈增加趨勢,以CA最高,其次是LG-CG,表明森林植被恢復(fù)后,土壤微生物生物量較快提高,土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速率較高。此外,由于闊葉林(CA、LG-CG)凋落物養(yǎng)分含量較高,易分解,土壤微生物生物量較高,而針葉林(CL、PM-LG)凋落物養(yǎng)分含量較低,難分解,土壤微生物效應(yīng)較差,特別是杉木人工林不僅樹種單一,且人為的長期經(jīng)營活動,導(dǎo)致SOC輸入量明顯減少,因此闊葉林(CA、LG-CG)各土層BC、BN、BP高于針葉林(PM-LG、CL),且3種次生林(PM-LG、CA、LG-CG)各土層BC、BN、BP也高于CL,進(jìn)一步證實(shí)了闊葉樹種比例增加會提高土壤養(yǎng)分狀況和微生物活性[22]。此外,本研究中,4種林地土壤BP差異最小,表明植被恢復(fù)對土壤BP的改善不如BC、BN明顯。同時,土壤P含量受成土母質(zhì)影響較大,有關(guān)微生物體P的代謝速率、途徑和來源仍有待于進(jìn)一步研究。通徑分析結(jié)果(表4)表明,土壤BC、BN、BP與土壤SOC、TN、TP、AN、AP含量呈顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系(P< 0.01),但BC、BN、BP的直接影響因素分別為SOC和TN/TP,TN和TN/TP,TP和SOC/TP,而且剩余余項(xiàng)的通徑系數(shù)較低,表明土壤微生物生物量的主要影響因素是土壤化學(xué)性質(zhì),特別是SOC、TN、TP含量和TN/TP、SOC/TP比值。

土壤BC/BN比值是衡量土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)[23]。本研究中,4種林分土壤BC/BN比值在6—10之間波動,略高于李香珍等[23]的研究結(jié)果(5—9),且同一土層針葉林(CL、PM-LG)高于闊葉林(CA、LG-CG)?？赡苁怯捎诓煌址纸M成樹種不同,凋落物和根系數(shù)量和質(zhì)量不同及其分解物形成不同的微生物區(qū)系所致,這有待于進(jìn)一步探究。研究表明,土壤BC/BN比值與土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量有關(guān),土壤中有效氮越豐富,則土壤BC/BN比值越低[24],與本研究的結(jié)果基本一致。

微生物生物量與土壤養(yǎng)分的比值反映了輸入土壤有機(jī)質(zhì)向微生物生物量的轉(zhuǎn)化效率、土壤中養(yǎng)分元素的損失和土壤礦物對有機(jī)質(zhì)的固定,更能準(zhǔn)確地反映土壤C、N、P的動態(tài)特征[25]。該比值越高,土壤C、N、P的積累強(qiáng)度越大[26]。不同林分因組成樹種及其數(shù)量、生物量以及凋落物數(shù)量和質(zhì)量的差異,土壤微生物營養(yǎng)源不同,導(dǎo)致土壤微生物的種類和組成不同,土壤微生物生物量及其與土壤養(yǎng)分的比值也不同[19]。BC/SOC受土地利用方式改變的影響比BC小,表現(xiàn)更穩(wěn)定[27]。本研究中,隨著森林植被恢復(fù),BC/SOC先增高再下降,在2.39%—3.28%之間,表現(xiàn)相對穩(wěn)定,與現(xiàn)有的研究結(jié)果[12,28- 29]基本一致；BN/TN先下降再增高,在4.81%—6.08%之間,處于2.0%—7.8%之間[29]；而BP/TP逐漸增高,且不同林地之間差異顯著,在1.61%—8.57%之間,基本處于2.6%—5.9%之間[29]。表明不同林地土壤微生物固C、N、P能力不同。可能與不同林地輸入有機(jī)物質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量不同有關(guān),造成微生物種類和數(shù)量的差異,導(dǎo)致森林恢復(fù)過程中土壤微生物學(xué)質(zhì)量的差異。同時,土壤中氮磷的積累和消耗程度取決于土壤有機(jī)質(zhì)的積累和分解[30]。與CL、PM-LG相比,CA、LG-CG輸入土壤有機(jī)物質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量及周轉(zhuǎn)期要優(yōu)于CL、PM-LG,土壤微生物活性及微生物生物量高,促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化[31]。因此BN/TN、BP/TP相對較高。15—30 cm土層BC/SOC、BN/TN高于0—15 cm土層,而BP/TP恰好相反,表明深土層微生物固C、N能力較強(qiáng),而固P能力較弱。土壤BC、BN、BP兩兩之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與現(xiàn)有的研究結(jié)果一致[9],是由于土壤微生物對N、P的固持作用主要取決于土壤微生物本身的生物量大小[29]。

3.2 森林植被恢復(fù)對土壤酶活性的影響

與土壤微生物生物量一樣,土壤酶活性也是表征土壤質(zhì)量的重要生物學(xué)指標(biāo),能快速指示土壤質(zhì)量的變化趨勢[32]。研究表明,土壤酶作為催化土壤眾多生化反應(yīng)的主要承載體,受到諸多因素的影響,如土壤水熱條件、微生物種類與數(shù)量、養(yǎng)分豐缺、植被組成以及地形地貌等[29,33]。其中植被組成導(dǎo)致凋落物、根系數(shù)量與質(zhì)量的改變,會引起土壤養(yǎng)分的變化,因此林分類型對土壤酶活性有著重要的影響。隨著植被恢復(fù),表土層SOC、N和P含量顯著增加,土壤生產(chǎn)力在演替開始后逐漸增大,在演替后期則逐漸降低,再加上林分植物多樣性的影響,通過影響土壤微生物生物量而間接影響土壤酶活性[33-34]。

土壤INV可以分解蔗糖為植物和微生物提供可以直接吸收和利用的葡萄糖和果糖,為土壤生物體提供能量,其活性反映了SOC積累和分解轉(zhuǎn)化的規(guī)律,比其他酶類更能明顯地反映土壤肥力水平和微生物活性強(qiáng)度[35]。本研究中,土壤INV活性隨著森林植被恢復(fù)而遞增,TN、TN/TP對INV活性直接通徑系數(shù)遠(yuǎn)大于其他因素,且其他因素通過這兩個變量的間接通徑系數(shù)也較大,是INV活性的主要直接影響因素,但由于TN、TN/TP對INV活性的影響效應(yīng)相反,相互抵消,使得各因子與INV活性的相關(guān)系數(shù)較小。表明土壤N源豐富,能提高土壤微生物INV的分泌量,促進(jìn)蔗糖分解,滿足微生物同化吸收更多的碳,使微生物C/N保持相對穩(wěn)定[10],但由于土壤P供應(yīng)不足,土壤微生物受到P的限制,不利于微生物INV的分泌。

土壤URE主要參與土壤有機(jī)質(zhì)中蛋白質(zhì)和氨基酸水解,為植物生長提供N,其活性強(qiáng)即土壤N轉(zhuǎn)化特別有效化過程強(qiáng)烈[36]。本研究中,土壤URE活性隨著森林植被恢復(fù)呈遞增趨勢,BP/TP、BP對土壤URE活性直接通徑系數(shù)高于其他因素,且其他因素通過這兩個變量的間接通徑系數(shù)也較大,是URE活性的主要直接影響因子。同時,土壤URE活性與TN、AN等指標(biāo)呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與中國大部分地區(qū)土壤URE活性與土壤N素的相關(guān)性研究結(jié)果[37]基本一致。土壤TN對URE活性的影響存在一個閾值(TN為3.5 g/kg,AN為110 mg/kg),低于此閾值時,URE活性與TN呈正相關(guān),高于此閾值則呈負(fù)相關(guān)[37]。本研究中,土壤TN、AN含量均低于此閾值,因而TN與URE表現(xiàn)為顯著正相關(guān)。

ACP能夠催化磷酸酯或磷酸酐的水解反應(yīng),其活性直接影響土壤養(yǎng)分的供給[17]。本研究中,隨著森林植被恢復(fù)演替,ACP活性先增加后降低,CA最高,LG-CG有所下降,表明CA土壤養(yǎng)分循環(huán)速率較高,對土壤養(yǎng)分供給更快。ACP活性的影響因子主要是TN、TN/TP,但由于TN、TN/TP對ACP活性的作用相反,相互抵消,使得各因子與ACP活性的相關(guān)系數(shù)較小。表明土壤N源豐富,能提高土壤微生物ACP的分泌量,但由于土壤P供應(yīng)不足,土壤微生物受到P的限制,不利于微生物ACP的分泌。

CAT不僅能氧化過氧化氫,也能將酚類、胺類等物質(zhì)氧化為醌,加速土壤有機(jī)物的分解和腐殖質(zhì)的合成[17]。本研究中,隨著森林植被恢復(fù)演替,土壤CAT活性也先增加后降低,PM-LG、CA較高,LG-CG有所下降,CL最低,表明CL土壤的解毒能力較差,土壤有機(jī)物的分解和腐殖質(zhì)的合成較低。BC/SOC、SOC是CAT活性的主要影響因子,且兩者對CAT活性具有較強(qiáng)的正作用,而其他因素則通過BC/SOC、SOC對CAT活性具有較強(qiáng)的負(fù)作用,使得BC/SOC、SOC與CAT相關(guān)性不顯著。

土壤微生物與酶的關(guān)系是森林土壤酶研究的重點(diǎn)之一,土壤微生物的種類和數(shù)量在一定程度上決定土壤酶的來源及其活性[38]。本研究中,土壤BC、BN、BP與酶活性呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系,與已有的研究結(jié)果基本一致[12,39- 40],表明土壤微生物生物量與酶活性有著緊密的聯(lián)系,不可分割。一方面,由于表土層水熱、通氣狀況較佳,為土壤微生物呼吸和生長提供了良好的環(huán)境；另一方面,土壤酶主要來源于微生物、動植物殘體及植物根系,表土層更易接受到凋落物、根系的補(bǔ)給,有機(jī)質(zhì)、全氮、水分含量較高,有利于土壤微生物的生長和繁殖。因而4種林地0—15 cm土層BC、BN、BP,4種酶活性均高于15—30 cm土層,與現(xiàn)有的研究結(jié)果一致[41]。

土壤微生物生物量和酶活性受到諸多種因素的影響,盡管本研究土壤BC、BN、BP以及INV、URE、ACP、CAT活性的剩余余項(xiàng)的通徑系數(shù)較低,但仍存在其他未考慮因素,如與植被群落組成結(jié)構(gòu)有關(guān)的凋落物數(shù)量和質(zhì)量、植被根系分泌物等。因此,今后對土壤微生物生物量和酶活性的研究應(yīng)綜合考慮植被因子和土壤因子的共同影響。此外,不同林分樹種組成、季節(jié)差異和微生物群落變化也會影響土壤化學(xué)性質(zhì)和酶活性,因此,本研究樣地的季節(jié)動態(tài)和微生物群落還需進(jìn)一步研究,才能更好地探究土壤化學(xué)性質(zhì)、微生物群落和酶活性之間的聯(lián)系,從而為揭示森林植被恢復(fù)演替對土壤養(yǎng)分恢復(fù)和維持的影響機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

本研究中,土壤BC、BN、BP和ACP、CAT活性隨著植被恢復(fù)先增加后略有所下降,與理論上的一直增加不一致,這可能正是采用空間代替時間方法研究植被演替的局限性。由于植被在空間序列上是非線性演替:環(huán)境和種源的差異可使群落多途徑多方向發(fā)展。而在時間上具有較高的線性演替:群落沿著一個特定的方向發(fā)展[42]。森林群落演替研究的最好手段是建立固定樣地進(jìn)行長期動態(tài)研究[43],但這樣花費(fèi)時間長,投入經(jīng)費(fèi)多,因此從某種意義上,盡管空間代替時間有一定的局限性但也是必需的,現(xiàn)有的森林群落演替研究多采用“空間差異代替時間變化”的方法[44-45],如何消除和縮小演替在空間與時間序列上的差異是今后研究中應(yīng)綜合考慮的問題。

4 結(jié)論

土壤微生物生物量、酶活性總體上隨著森林植被恢復(fù)呈增加趨勢,表明森林植被恢復(fù)加快土壤C、N、P的周轉(zhuǎn)速率,有利于土壤養(yǎng)分的恢復(fù)和維持。

土壤SOC、TN、TP含量和TN/TP、SOC/TP比值是土壤BC、BN、BP的直接影響因素和主要影響因素；土壤INV、URE、ACP、CAT活性的直接影響因素和主要影響因素不同,其中,INV、ACP的直接影響因素和主要影響因素為TN和TN/TP,URE為BP/TP和BP,CAT為BC/SOC和SOC,且土壤BC、BN、BP之間及其與土壤酶活性呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系,表明土壤養(yǎng)分含量、微生物生物量、酶活性有著緊密的聯(lián)系,不可分割。因此通過適當(dāng)?shù)慕?jīng)營管理措施,促進(jìn)森林植被恢復(fù),改善林分樹種組成,特別是增加闊葉樹比例,提高土壤微生物學(xué)活性,是恢復(fù)和維持土壤生產(chǎn)力重要途徑。