湯茜,丁訪軍,朱四喜*,吳鵬,崔迎春,趙文君,侯貽菊
1. 貴州民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025;2. 貴州省林業(yè)科學(xué)研究院,貴州 貴陽(yáng) 550005
土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)(黃先飛等,2018)。土壤酶作為土壤生物指標(biāo),可指示土壤肥力和質(zhì)量的敏感度(劉莎等,2012;方瑛等,2016;羅琰等,2017;李艷紅等,2020)。土壤水解酶主要是具有高度催化作用的蛋白質(zhì),對(duì)土壤中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)、有機(jī)質(zhì)分解和腐殖質(zhì)合成十分重要(劉爍等,2018)。土壤酶活性具有顯著的空間差異,其變化直接影響物質(zhì)循環(huán)速率,與土壤化學(xué)性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、植物群落結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系(金裕華等,2011;楊瑞等,2016)。土壤中纖維二糖水解酶(CBH)、β-葡糖苷酶(BG)、β-N-乙酰氨基葡萄糖酶(NAG)等在一定程度上反映了土壤生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、磷等生物地化循環(huán)過(guò)程與動(dòng)態(tài)特征,而亮氨酸氨基肽酶(LAP)與土壤蛋白質(zhì)水解有關(guān),β-1, 4-木糖苷酶(BX)能將纖維素、木聚糖等土壤糖類充分水解,供給微生物碳源,促進(jìn)碳循環(huán),是體現(xiàn)土壤生態(tài)過(guò)程的幾種關(guān)鍵酶類(邊雪廉等,2015;Lei et al.,2017)。因此,通過(guò)對(duì)土壤酶分布、變化以及酶活性影響因素的研究,可以預(yù)測(cè)土壤肥力狀況的空間分布,有利于合理利用土壤資源,對(duì)植物和土壤質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
目前,中國(guó)學(xué)者針對(duì)喀斯特地區(qū)土壤等已經(jīng)開展了一定研究(宮杰芳等,2018;劉爍等,2018),但對(duì)喀斯特地區(qū)不同演替階段下土壤酶活性的研究較少??λ固氐貐^(qū)土壤淺薄不連續(xù),各生境間土壤異質(zhì)性大,對(duì)土壤生長(zhǎng)分布以及土壤環(huán)境的空間分布等都有著較大影響(蒲通達(dá),2015)。茂蘭喀斯特原始森林位于貴州省荔波縣境內(nèi),是目前世界上同緯度地區(qū)喀斯特原生性森林分布面積最大的地區(qū),該地區(qū)現(xiàn)仍保持較高的自然森林生態(tài)系統(tǒng)特征,在整個(gè)西南喀斯特地區(qū)具有較好的代表性(劉紅霞等,2016)。因此,本文以貴州茂蘭喀斯特地區(qū)下不同演替階段土壤作為研究對(duì)象,研究其不同演替對(duì)土壤酶活性變化的影響因素,為茂蘭喀斯特森林保護(hù)和發(fā)展提供土壤學(xué)理論幫助。
本研究分別選擇茂蘭喀斯特地區(qū)內(nèi)4個(gè)不同演替階段作為土壤采樣點(diǎn)(表 1),分別為:原生林階段(Primary forest stage,P)、次生林階段(Secondary forest stage,SE)、灌木林階段(Shrub stage,S)、草本階段(Herbaceous stage,H)。在2019年5月6日,土壤取樣按不同演替階段在樣地內(nèi)進(jìn)行,每個(gè)階段中分別選擇3個(gè)相似樣地,每個(gè)樣地設(shè)置具有代表性不同大小樣方,原生林和次生林階段為30 m×30 m,灌木林階段為20 m×20 m,草本階段為10 m×10 m,一共12個(gè)樣地。每個(gè)樣地分別在石溝(SG)、石縫(SF)和土面(TM)3種小生境內(nèi)采集土樣,為探索茂蘭喀斯特土壤酶在垂直水平上的特點(diǎn),對(duì)土壤進(jìn)行分層(0—10、10—20 cm)采集。考慮其土壤異質(zhì)性,每個(gè)樣地中3種小生境均只選擇1個(gè)樣點(diǎn),每個(gè)階段采集18個(gè)土樣,共計(jì) 72個(gè)樣品。將每個(gè)土樣剔除石頭和動(dòng)植物殘?jiān)蠡靹?,分兩份裝入樣品袋并各自標(biāo)記清楚,一份用于風(fēng)干后測(cè)定土壤化學(xué)性質(zhì),另一份冷藏用于土壤酶活性分析。
表1 不同植被演替階段基本信息Table 1 Basic information of vegetation at different vegetation types
本研究共測(cè)定土壤pH值、土壤銨態(tài)氮、土壤硝態(tài)氮、土壤全氮(TN)、土壤全磷(TP)、土壤有效磷、土壤有機(jī)質(zhì)(SOC)等土壤化學(xué)性質(zhì)。根據(jù)《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》(魯如坤,2002),土壤pH用酸堿度計(jì)測(cè)定水土比為2.5∶1,土壤銨態(tài)氮采用水楊酸鈉法、土壤硝態(tài)氮采用硫酸肼還原法、土壤全氮采用硫酸消煮-水楊酸鈉法、土壤全磷采用硫酸消煮-鉬銻抗法、土壤有效磷采用磷鉬藍(lán)分光光度法、土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法(硫酸外加熱法)測(cè)定(鮑士旦,2000)。
本研究選擇并測(cè)定BG、BX、CBH、NAG、LAP 5種土壤水解酶,水解酶詳細(xì)情況見表 2。分別設(shè)置反應(yīng)孔、無(wú)機(jī)質(zhì)對(duì)照、底物以及空白對(duì)照孔,設(shè)置4個(gè)重復(fù),將土樣震蕩液與緩沖液按不同比例添加至96位黑色酶標(biāo)板中,在37 ℃或25 ℃下的溫度下培養(yǎng)4 h后,使用多功能酶標(biāo)儀(SynergyH1,BioTek)進(jìn)行熒光測(cè)定,在365 nm波長(zhǎng)處激發(fā),在 450 nm 處檢測(cè)熒光。酶活性單位為 μmol·h-1·g-1。
原始數(shù)據(jù)基本整理采用Excel軟件,采用SPSS 21.0軟件的Pearson相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)性分析,差異性分析使用 SAS軟件進(jìn)行單因素方差分析(One ANOVN),采用Origin 9.1軟件作圖。顯著性水平α=0.05,且表中數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式為:均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。
在原生林階段、次生林階段、灌木林階段和草本階段4個(gè)演替階段中,土壤 pH、有效磷和硝態(tài)氮差異不顯著(表 3)。原生林階段土壤有機(jī)質(zhì)和全氮顯著高于其他演替階段,其次有機(jī)質(zhì)含量為灌木林>次生林>草本階段。原生林、次生林和灌木林階段土壤全磷含量差異不顯著,其中灌木林最高,草本階段最低,僅占灌木林階段的44.2%,占原生林和次生林的54.8%。草本階段土壤碳氮比(C/N)值顯著高于其他3個(gè)演替階段,且3個(gè)演替之間C/N差異不顯著。除pH、有效磷、C/N外,其他化學(xué)因子皆表現(xiàn)為草本階段含量低于其他3個(gè)演替。
對(duì)不同小生境與化學(xué)因子進(jìn)行分析(表4),4個(gè)演替階段中pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷、全氮、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和C/N在小生境中普遍表現(xiàn)為石縫最高。有效磷、全氮、全磷含量在除灌木林階段外的另3種演替中表現(xiàn)為石溝小生境最低,在灌木林階段中表現(xiàn)為在土面中最低。土壤 pH、有效磷、全氮、硝態(tài)氮和C/N在4種演替的不同生境中不存在顯著差異。在原生林、次生林和灌木林3種演替階段中,不同演替間土面內(nèi)有機(jī)質(zhì)、全磷含量無(wú)顯著性差異,而3種生境中有機(jī)質(zhì)、全磷與草本階段小生境存在顯著性差異。在灌木林階段,銨態(tài)氮在3種小生境中無(wú)顯著差異,原生林石溝銨態(tài)氮濃度顯著高于另外3種演替,灌木林階段石溝中銨態(tài)氮占原生林階段石溝的47.1%,次生林階段占48.7%,而草本階段中僅占22.5%。
表2 水解酶名稱、底物、縮寫及功能簡(jiǎn)介Table 2 Brief introduction of hydrolase and their corresponding substrates, abbreviation and functions
表3 不同植被演替階段土壤化學(xué)因子Table 3 Soil chemical factors at different vegetative succession stages
表4 不同植被演替階段不同小生境的土壤化學(xué)因子Table 4 Soil chemical factors of different microhabitats in different vegetation succession stages
從表 5可知,土壤 pH、有效磷、全磷和硝態(tài)氮在各演替階段不同土層之間無(wú)顯著差異,有機(jī)質(zhì)、全氮和銨態(tài)氮在各演替階段不同土層之間均存在顯著差異,土壤C/N在原生林和次生林階段表層土和下層土之間無(wú)顯著差異,在灌木林和草本階段不同土層之間存在顯著差異。土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、全氮、全磷、銨態(tài)氮表現(xiàn)為土壤表層>土壤下層,而土壤pH、硝態(tài)氮和C/N反之。
從表層土來(lái)看(表 5),土壤 pH和硝態(tài)氮在不同演替階段之間無(wú)顯著差異,有效磷、全磷在 4種演替中差異顯著性低于有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮和C/N;除土壤pH、有效磷和C/N外,其他化學(xué)因子量均為草本階段最低,原生林階段最高,下層土亦是。下層土中,土壤pH和硝態(tài)氮表現(xiàn)與上層土相同;有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮在原生林階段最高;有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、銨態(tài)氮和C/N在4種演替中存在差異較為顯著。
圖1 不同植被演替階段土壤酶活性Fig. 1 Soil enzyme activity at different vegetative succession stages
表5 不同植被演替階段不同土層的土壤化學(xué)因子Table 5 Soil chemical factors of different soil layers at different vegetation succession stages
由圖1可見,各演替階段下亮氨酸氨基肽酶活性遠(yuǎn)高于BG、BX、CBH和NAG,其次是BG>NAG>BX>CBH。在不同演替階段土壤酶活性中,LAP、BG、BX、CBH和NAG均表現(xiàn)為S>SE>P>H。
在各演替階段中5種水解酶含量均為灌木林階段最高,次生林階段次之,其次是原生林階段和草本階段(圖2)。在不同演替階段3種小生境中,LAP、BG、BX和CBH均表現(xiàn)為石縫中活性最高,NAG則為在次生林和灌木階段為土面中活性最高,在原生石縫中活性較高,在草本階段為石溝中活性最高。
由圖3見,分別在土壤表層和土壤下層,不同演替階段土壤水解酶LAP、BG、BX、CBH和NAG均表現(xiàn)灌木林階段>次生林階段>原生林階段>草本階段。而在不同演替階段,LAP、BG、BX、CBH、NAG活性均表現(xiàn)為土壤表層大于土壤下層。
圖2 不同植被演替階段不同小生境的土壤酶活性Fig. 2 Soil enzyme activity of different microhabitats in different vegetation succession stages
圖3 不同植被演替階段表層土與下層土的土壤酶活性Fig. 3 Soil enzyme activity of topsoil and subsoil in different vegetation succession stages
對(duì)4種不同演替階段的化學(xué)因子與土壤酶活性進(jìn)行Pearson相關(guān)系數(shù)分析,由表6可看出,在原生林階段,CBH與 BG之間顯著正相關(guān),全磷與BG和CBH呈顯著負(fù)相關(guān)。次生林階段,BX與CBH呈顯著正相關(guān),與 C/N呈顯著負(fù)相關(guān),而 BG與NAG為顯著正相關(guān)。灌木林階段,BX與CBH呈顯著正相關(guān)。從整體上看,土壤水解酶受土壤化學(xué)因子影響較小,各演替階段土壤酶與土壤化學(xué)因子之間均無(wú)顯著相關(guān)性。
土壤是為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供能量的物質(zhì)基礎(chǔ),對(duì)植物群落的分布和生長(zhǎng)有重要影響,同時(shí)植物群落類型和生長(zhǎng)也能夠反過(guò)來(lái)影響土壤化學(xué)性質(zhì)(岳琳艷等,2015;宋翰林,2018)。土壤肥力隨演替進(jìn)展呈增加趨勢(shì),有促進(jìn)群落演替的作用(張慶費(fèi)等,1999)。土壤pH與土壤有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分等的轉(zhuǎn)化遷移等都有關(guān)(耿玉清,2006)。在本研究中,隨著演替進(jìn)程,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮呈上升趨勢(shì),土壤肥力增加,而土壤pH呈下降趨勢(shì),這是由于群落在演替至頂級(jí)群落的過(guò)程中,森林形成多層次垂直結(jié)構(gòu),群落自肥能力加強(qiáng);同時(shí),pH越低,土壤氮素?fù)p失就越多,所以銨態(tài)氮含量與pH變化呈反比,這與王琳琳等(2008)的研究結(jié)果相同。而銨態(tài)氮含量大于硝態(tài)氮含量,可能是由于pH抑制了硝化細(xì)菌生長(zhǎng),硝化作用受到抑制(孟盈等,2001)。土壤磷含量在演替進(jìn)程中會(huì)呈現(xiàn)增加趨勢(shì),但增速緩慢(閻恩榮等,2008),這與本研究中結(jié)果一致。有效磷和全磷含量雖然隨演替進(jìn)程而呈增加趨勢(shì),但在各演替階段無(wú)顯著差異,這與劉瑞強(qiáng)(2019)的研究結(jié)果相同。本研究中土壤C/N隨演替進(jìn)程呈下降趨勢(shì),且與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈反比,這是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)的分解,有機(jī)質(zhì)分解越快,C/N越低(張海鑫等,2018)。
表6 不同植被演替階段土壤酶活性與土壤化學(xué)因子Pearson相關(guān)系數(shù)分析Table 6 Pearson correlation coefficient analysis of soil enzyme activity and soil chemical factors in different vegetation succession stages
由于喀斯特地區(qū)特殊的溶蝕環(huán)境和生境特點(diǎn),土壤性質(zhì)呈現(xiàn)極強(qiáng)異質(zhì)性(Stoécio et al.,2009)。本研究中,已測(cè)土壤因子在小生境中普遍表現(xiàn)為石縫高于石溝和土面,這是由于石縫環(huán)境狹小,成土主要以巖石風(fēng)化和腐殖化為主,更容易形成堆積物,雨水、潮濕和凋落物的堆積導(dǎo)致其有機(jī)質(zhì)含量較大,而巖石風(fēng)化則導(dǎo)致pH高于石溝和土面。在原生林、次生林和灌木林3種演替階段中,土面之間有機(jī)質(zhì)、全磷含量無(wú)顯著性差異,而有機(jī)質(zhì)、全磷分別在不同演替的不同小生境中均存在顯著性差異,可能原因是受不同小生境環(huán)境以及地上不同植被的影響,說(shuō)明土壤化學(xué)性質(zhì)在不同演替不同生境下所受影響不同,也體現(xiàn)了喀斯特地區(qū)土壤性質(zhì)的異質(zhì)性。本研究中,各化學(xué)因子在草本階段小生境中均表現(xiàn)最低且與其他演替階段小生境存在顯著差異,可能原因是草本階段土壤淺薄、凋落物較少,植被少,土壤流失量遠(yuǎn)大于其他演替階段(廖洪凱等,2013)。
有研究表明,喀斯特地區(qū)不同演替階段中土壤養(yǎng)分含量均隨土層深度的增加而減少(劉雯雯,2019),這與本研究結(jié)果一致。土壤pH、有效磷、全磷、硝態(tài)氮和C/N在各演替階段不同土層之間無(wú)顯著差異,而土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和銨態(tài)氮?jiǎng)t存在顯著差異,說(shuō)明不同土層對(duì)土壤 pH、有效磷、全磷和硝態(tài)氮的影響小于土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和銨態(tài)氮,可能是因?yàn)榭葜β淙~和腐殖質(zhì)主要集中的土表,表層土中土壤養(yǎng)分含量較高,而隨著土層深度的增加,腐殖層逐漸減少,植物根系和微生物等減少,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分也隨之減少(鮮婭等,2014)。除pH和C/N外,其他各化學(xué)性質(zhì)在不同土層中仍表現(xiàn)為隨演替進(jìn)展而升高。
土壤酶活性對(duì)評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量、土壤肥力、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)以及土地利用和環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)等方面都十分重要(楊寧等,2013;Ren et al.,2016;翟輝等,2016)。土壤酶系統(tǒng)與植物生長(zhǎng)之間密切相關(guān),而植被類型對(duì)土壤水解酶有重要影響。本研究中,5種土壤水解酶活性分別為 LAP>BG>NAG>BX>CBH,這與劉爍等(2018)的研究結(jié)果相同。在不同演替階段中,LAP、BG、BX、CBH和NAG均表現(xiàn)為灌木林階段>次生林階段>原生林階段>草本階段,可能原因是隨著演替進(jìn)展,森林郁閉度增加,原生林和次生林階段因?yàn)榱稚顦涓?,?dǎo)致林內(nèi)光照較低,且由于土壤采樣時(shí)正值下雨,林內(nèi)土壤濕度過(guò)高,導(dǎo)致土壤酶活性下降(劉捷豹等,2017),同時(shí),光照和濕度等會(huì)影響土壤有機(jī)質(zhì)或其他營(yíng)養(yǎng)元素,進(jìn)而對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生影響。在孫雙紅等(2016)的研究中,土壤多酚氧化酶也隨演替正向發(fā)展表現(xiàn)為活性降低。而在草本階段,草地由于生產(chǎn)力低,凋落物少,從而導(dǎo)致土壤酶活性最低(劉爍等,2018)。
在Sinsabaugh et al.(2008)對(duì)酶的研究中發(fā)現(xiàn),BG、CBH、LAP、NAG的活性均與土壤 pH顯著相關(guān),其中LAP隨pH的增加而上升,而NAG活性與土壤pH呈負(fù)相關(guān),Guan et al.(2014)的研究表明,BG、CBH、LAP和BX與土壤pH值呈正相關(guān),這與本研究中結(jié)果一致。
在本研究中,LAP、BG、BX、CBH、NAG活性在4種演替階段中均表現(xiàn)為土壤表層>土壤下層,這與盧怡(2017)、蔣永梅等(2017)、蒲琴等(2016)的研究結(jié)果一致,主要原因?yàn)榈蚵湮锖透迟|(zhì)主要集中在土壤表層,所以土壤有機(jī)質(zhì)含量高于土壤下層,透氣性、溫度、光照和濕度適宜時(shí)的土壤表層土壤酶活性較高,土層越深,土壤有機(jī)質(zhì)含量越低,因此土壤酶活性降低。
研究表明,影響土壤水解酶活性的因素很多,包括土壤養(yǎng)分(王笛等,2012)、植被類型(宋翰林,2018)、入侵植物(趙曉紅等,2017)、海拔(樊金娟等,2016)和人為干擾等(曹慧等,2003)。本研究中,原生林階段,全磷與BG和CBH呈顯著負(fù)相關(guān),這與Zheng et al.(2015)的研究結(jié)果一樣,BG活性能夠通過(guò)氮添加而顯著激發(fā),而添加磷則能夠減弱這種激發(fā),減低活性,這與其他演替階段中全磷與BG和CBH之間的相關(guān)性不同,這可能是由于土壤環(huán)境因子異質(zhì)性所導(dǎo)致。有研究表明,有機(jī)質(zhì)與水解酶之間關(guān)系密切,有機(jī)質(zhì)和土壤酶之間呈正相關(guān)關(guān)系,隨著C/N的增加,有機(jī)質(zhì)呈先增加后降低的趨勢(shì),因此,土壤C/N的變化對(duì)土壤中氮磷循環(huán)和土壤酶活性有著重要影響(竇晶鑫等,2009;隋躍宇等,2009;羅由林等,2015)。在李林海等(2012)的研究結(jié)果中,水解酶活性與有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷之間呈顯著正相關(guān),而與 pH 呈顯著負(fù)相關(guān),這與本研究中結(jié)果不太一致。在本研究中,隨著演替進(jìn)展,土壤pH和C/N的變化與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮相反,土壤全磷在不同演替階段中無(wú)顯著差異。在不同演替階段的不同生境中,NAG活性與pH呈負(fù)相關(guān),BG、CBH、LAP和BX與土壤pH值呈正相關(guān),因此,土壤酶與pH之間的關(guān)系受生境環(huán)境的影響。而C/N與土壤酶之間,僅在次生林階段,BX與C/N呈顯著負(fù)相關(guān),在其他不同演替階段,不同酶與C/N之間的相關(guān)性不同,且各土壤水解酶與有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮之間的相關(guān)性也不盡相同。
(1)隨著演替階段正向發(fā)展,在各演替階段、各小生境和不同土層中,土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、全氮、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮均呈上升趨勢(shì),而土壤pH、碳氮比均呈下降趨勢(shì);在各小生境中,所有土壤化學(xué)因子普遍表現(xiàn)為石縫較高;而除土壤pH、硝態(tài)氮和C/N外,土壤養(yǎng)分含量在各演替和小生境中均隨土層深度的增加而減少,表現(xiàn)為表層土>下層土。
(2)在各演替階段中,5種土壤水解酶活性均表現(xiàn)為:灌木林階段>次生林階段>原生林階段>草本階段,而在水解酶之間表現(xiàn)為:LAP>BG>NAG>BX>CBH;在不同小生境中,LAP、BG、BX和CBH均表現(xiàn)為石縫中活性最高,NAG則是在次生林和灌木階段土面中活性最高,在原生石縫中活性較高,在草本階段為石溝中活性最高;LAP、CBH、NAG、BX、BG活性在4種植被類型中均表現(xiàn)為土壤表層>土壤下層。
(3)喀斯特地區(qū)土壤酶活性的變化與演替階段、土壤化學(xué)因子、土層深度和生境類型之間都存在影響,是多因素復(fù)合作用下的結(jié)果。因此,對(duì)茂蘭喀斯特地區(qū)不同演替階段土壤酶活性的影響研究還需要做進(jìn)一步的探討與分析,建議進(jìn)行長(zhǎng)期有效的觀測(cè),排除下雨、生長(zhǎng)季與非生長(zhǎng)季等因素,完善土壤酶和室內(nèi)培養(yǎng)等有關(guān)實(shí)驗(yàn),以望能更詳細(xì)深入地說(shuō)明土壤酶活性和各影響因素之間的關(guān)系,為維持茂蘭喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定、建設(shè)管理和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù),為喀斯特地區(qū)土壤環(huán)境的整體研究提供部分參考。