章潤陽， 錢 前， 劉坤平， 梁月明， 張 偉， 靳振江， 潘復靜*

( 1. 桂林理工大學 環(huán)境科學與工程學院 廣西環(huán)境污染控制理論與技術重點實驗室， 廣西 桂林 541004； 2. 中國科學院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站， 廣西 環(huán)江 547100； 3. 中國地質科學院巖溶地質研究所 自然資源部 廣西壯族自治區(qū)巖溶動力學重點實驗室， 廣西 桂林 541004； 4. 巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心， 廣西 桂林 541004 )

喀斯特是碳酸巖基巖溶蝕后形成的獨特地貌類型，有土層薄、土壤形成慢、抗蝕性較差以及景觀格局復雜等特點(Wang et al., 2019)。我國西南的喀斯特地區(qū)自20世紀50年代以來，經歷了自然植被破壞、土地不合理利用等一系列人為干擾過程，土壤侵蝕加劇的同時基巖大面積裸露，土壤生產力下降(羅旭玲等,2021；趙楚等,2021)，嚴重阻礙了土地的可持續(xù)發(fā)展。近年來，一系列的退耕還林和生態(tài)修復工程使得石漠化惡化趨勢得到緩解，土壤肥力有所提升(王克林等,2016)。已有研究表明，林地土壤養(yǎng)分含量比果園和耕地更高(孫建等，2019；夏光輝等,2020；Kaur et al., 2021)，土壤C、N固持和土壤微生物生物量都得到明顯改善；其中坡耕地轉變成馬尾松林、柏樹林等后，土壤酶活性也得到提升(孫彩麗等,2021)。但是，土地資源開發(fā)利用管理和修復過程是一對矛盾共同體，而研究不同土地利用方式和生態(tài)恢復模式的土壤酶活性特征有助于理解土地開發(fā)和恢復后土壤質量的改善(白世紅等,2012)。目前，土地利用方式和恢復模式的變化對喀斯特地區(qū)土壤酶活性及其化學計量比的影響機制還不夠明確。因此，研究土壤酶活性及其C∶N∶P比值的變化與環(huán)境因子的關系，有助于評估喀斯特不同土地利用方式和恢復模式的土壤質量狀況，可為喀斯特土地資源開發(fā)利用管理與生態(tài)恢復決策提供理論依據(jù)。

本文以中國科學院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站的順坡墾殖觀測場平臺作為研究樣地，選取了3種土地利用方式 [退化干擾地、牧草地和果樹(枇杷)林地]和4種生態(tài)恢復模式(常綠喬木林、落葉喬木林、常綠落葉混交林和自然恢復林)作為研究對象，分析不同土地利用方式和生態(tài)恢復模式土壤G、NAG、LAP和ALP 4種酶的活性及其C∶N∶P比值的變化及其與土壤環(huán)境因子的關系，闡明不同土地利用方式和生態(tài)恢復模式養(yǎng)分限制特征及其驅動因素的變化。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國科學院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站(108°18′—108°19′ E，24°43′—24°44′ N，平均海拔為228.5～337.8 m)在廣西壯族自治區(qū)環(huán)江毛南族自治縣。該區(qū)域位于北回歸線以北、云貴高原東南，為典型的亞熱帶季風氣候，七月室外平均溫度29 ℃，年平均氣溫15.4～22.4 ℃，全年日照時數(shù)4 422 h，全年太陽輻射量98.89 kJ·cm，無霜期290 d，年平均降水量1 400～1 500 mm，降雨多集中于4至9月，占全年降雨量的70%(張偉等,2013)。

研究區(qū)在1985年前經歷了頻繁的火燒和放牧，導致了嚴重的石漠化。1985年研究區(qū)內所有居民外遷，退化的生態(tài)系統(tǒng)才得到了逐步恢復。2004年，選擇坡面土壤和植被較為均一的山坡建立順坡墾殖觀測場平臺，模擬人為擾動和生態(tài)恢復方式設立了面積、坡度相仿的長期控制性試驗樣地。3種不同土地利用方式(退化干擾區(qū)、牧草地、果樹林地)和4種不同生態(tài)恢復模式(常綠喬木林、落葉喬木林、常綠落葉混交林、自然恢復林)的具體處理方式見表1。該研究區(qū)內基巖裸露率小于10%，碎石覆蓋率為30%～60%，地表土碎巖體積含量為10%～30%。土壤主要為白云巖風蝕形成的堿性石灰土，并隨著坡向下，土層平均厚度由10～30 cm逐步上升到50～80 cm(陳洪松等,2012)。

表 1 不同土地利用方式和生態(tài)恢復模式樣地概況Table 1 Plot conditions of different land use and ecological restoration types

各項指標先進行正態(tài)分布檢驗，然后采用單因素方差數(shù)據(jù)分析(one-way ANOVA)和多重比較分析(least-significant-differences，LSD)方法(SPSS 22.0軟件)分析不同土地利用和恢復模式對土壤酶活性和各理化指標的影響，并利用Origin 2018軟件制圖。應用斯皮爾曼法(Spearman；SPSS 22.0軟件)對土壤酶活性及生態(tài)化學計量比和土壤理化性質進行相關分析。利用冗余分析(RDA)計算土壤環(huán)境因子對土壤酶活性及生態(tài)化學計量比變化的影響貢獻率(Canoco 5.0軟件)。

1.2 土壤樣品采樣

2020年7月，在中國科學院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站坡地順坡墾殖觀測場平臺選取3種不同土地利用方式和4種不同恢復模式作為研究地(圖1)。每種類型即為一個徑流場，站內坡面徑流場投影面積約為100 m × 10 m，橫跨山體的坡腳到中上位置。我們在每種類型的徑流場上、中、下三個不同位置共設置3個10 m × 10 m的樣方，共3個重復樣方，每個樣方間隔不低于20 m。

每個樣方再設置3個采樣點，在每個采樣點3 m × 3 m范圍內按照五點法進行采樣，每個采樣點采集的土樣進行混合形成1個樣，每個樣方有3個混合樣，因此，每種土地利用方式或恢復模式共9個混合土樣(圖1)，共采集到63個土壤樣品。土樣中的石頭和根系于樣品采集后4 h內挑出，然后過10目篩，并分成等量的兩份。將第1份置于4 ℃冰箱保存，用于土壤胞外酶活性和銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的測定；第2份風干，研磨，過20目和100目，用于土壤養(yǎng)分的測定。

Ⅰ. 退化干擾地； Ⅱ. 牧草地； Ⅲ. 果樹林地； Ⅳ. 常綠喬木林； Ⅴ. 落葉喬木林； Ⅵ. 常綠落葉混交林； Ⅶ. 自然恢復林。下同。Ⅰ. Disturbed land; Ⅱ. Pasture grass; Ⅲ. Orchard forest; Ⅳ. Evergreen forest; Ⅴ. Deciduous forest; Ⅵ. Evergreen-deciduous mixed forest; Ⅶ. Natural restoration forest. The same below.圖 1 采樣方式示意圖Fig. 1 Sampling method sketch map

1.3 土壤養(yǎng)分測定

1.4 土壤酶活性測定

應用MUB熒光光度法測定土壤酶活性。稱取鮮土1 g于500 mL滅菌帶蓋玻璃瓶中，添加125 mL滅菌冷卻后的醋酸鈉緩沖液或碳酸氫鈉緩沖液，用勻漿機攪拌形成土壤懸濁液。懸濁液用渦旋儀使其處于勻漿狀態(tài)，然后使用移液槍吸土壤懸浮液于96微孔板內，將微孔板置于20 ℃黑暗條件下培養(yǎng)4 h后，再在每個孔中加入10 μL 的NaOH溶液(1 mol·L)使反應完全結束，用酶標儀(SynergyH4)測定熒光值。將nmol·g·h作為酶活性的單位(Phillips et al., 2012)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

酶活性C∶N∶P比值通過 ln(G)∶ln(NAG+LAP)∶ln(AP)計算。

酶活性計量比值矢量長度(Vector L)和矢量角度(Vector A)計算公式如下(Moorhead et al., 2016)：

= {[ln()/ln(+)]+ [ln()/ln()}；

=Degrees{ATAN2 [ln()/ln()，ln()/ln(+)]}。

式中：表示土壤受微生物碳限制程度的高低；表示土壤受微生物氮、磷的限制程度高低，偏離45°時表示受氮或磷限制，向上偏離越大受磷限制越強，向下偏離越大受氮限制越強。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用與恢復模式土壤養(yǎng)分特征

表 2 不同土地利用和生態(tài)恢復模式下土壤基本理化性質Table 2 Soil basic physicochemical properties of different land use and ecological restoration types

表 3 不同土地利用和生態(tài)恢復模式下土壤理化指標均值和酶活性均值Table 3 Mean values of soil physicochemical indexes and enzyme activities in different land use and ecological restoration types

2.2 不同土地利用與恢復模式土壤酶活性及其C∶N∶P比值的變化

由圖2可知，3種土地利用方式中，牧草地的NAG和LAP酶活性均顯著高于其他土地利用方式，果樹林地NAG酶活性顯著低于其他土地利用方式，退化干擾地G酶活性顯著低于其他土地利用方式，不同土地利用方式ALP酶活性無顯著差異。在4種恢復模式中，落葉喬木林的G酶活性顯著高于自然恢復林和常綠喬木林，常綠喬木林的NAG酶活性顯著高于其他三種恢復模式，常綠喬木林和常綠落葉混交林的LAP酶活性顯著高于落葉喬木林和自然恢復林，落葉喬木林和常綠落葉混交林ALP酶活性顯著高于常綠喬木林和自然恢復林。由表3可知，不同恢復模式酶活性均值顯著高于不同土地利用方式酶活性均值。

不同小寫字母表示不同土地利用和生態(tài)恢復模式間差異顯著(P<0.05)。Different small letters indicate significant differences among different land use and ecological restoration types(P<0.05). 圖 2 土壤酶活性的變化特征Fig. 2 Variation characteristics of soil enzyme activities

由表4可知，不同土地利用方式和恢復模式土壤酶活性C∶N∶P比值存在顯著差異(<0.05)。在不同土地利用方式中，退化干擾地的酶活性C∶N∶P比值均為最低；牧草地的酶活性C∶P和N∶P比值均為最高，其中酶活性C∶N比值比退化干擾地高12.48%；果樹林地酶活性C∶N比值最高，比退化干擾地高12.92%。在不同恢復模式中，常綠喬木林酶活性C∶P和N∶P比值均為最高；落葉喬木林的酶活性C∶N和C∶P比值較高，酶活性N∶P比值顯著低于其他恢復模式；常綠落葉混交林酶活性比值均較低；自然恢復林的酶活性比值均較高。在不同土地利用方式中，果樹林地的酶活性比值矢量長度(Vector L)顯著高于其他兩種利用方式。在不同恢復模式中，落葉喬木林和自然恢復林的Vector L顯著高于其他恢復模式。所有土地利用方式和恢復模式的矢量角度(Vector V)均大于45°。

表 4 不同土地利用和生態(tài)恢復模式下土壤酶活性C∶N∶P比值及其矢量特征Table 4 Soil enzyme activity C∶N∶P ratios and vector characteristics in different land use and ecological restoration types

2.3 土壤酶活性及其C∶N∶P比值與土壤理化因子的關系

冗余分析分析表明，土壤理化性質對土壤酶活性及其化學計量比的總累積解釋率為66.6%，第一軸解釋了變量的65.8%，第二軸解釋了變量的0.81%(圖3)。其中，TP(=37.9；=0.002)、NH-N(=11.0；=0.002)、NO-N(=12.9；=0.002)、AP(=13.4；=0.002)是影響土壤酶活性及其化學計量比的顯著影響因子，其解釋量分別為38.3%、9.5%、9.3%、8.0%(表6) 。

圖 3 土壤酶活性及其C∶N∶P比值與土壤理化性質關系的冗余分析(RDA)Fig. 3 Redundancy analysis (RDA) of soil enzyme activities, enzymatic C∶N∶P ratios and physicochemical properties in soil

表 5 土壤酶活性及其C∶N∶P比值與土壤各因子之間的相關性Table 5 Correlation analysis between soil enzyme activities, enzymatic C∶N∶P ratios and other soil factors

表 6 土壤酶活性及其C∶N∶P比值的影響因素Table 6 Factors influencing soil enzyme activities and enzymatic C∶N∶P ratios

3 討論

3.1 土壤酶活性及其C∶N∶P比值變化及其影響因素

3.2 不同土地利用方式和恢復模式影響土壤酶活性及其C∶N∶P比值

在不同恢復模式中，落葉喬木林和常綠落葉混交林具有較高的G和ALP酶活性，具有較低的N∶P比值和較大的矢量角度，說明落葉喬木林和常綠落葉混交林受磷限制的影響比其他恢復模式嚴重。這種情況的發(fā)生，有可能與落葉植物的存在有一定關系。理由如下：(1)由于落葉植物的生理特征所致。落葉植物具有較高的生長速率、生產力和光合作用速率等，對土壤養(yǎng)分的需求較多。當土壤的養(yǎng)分可用性較低時，微生物會分泌更多的酶來提高有效性養(yǎng)分的供應(Zhang et al., 2019)。(2)與凋落物歸還有關。落葉喬木林和常綠落葉混交林較其他恢復模式有較高的凋落物量，這為植物和微生物獲取養(yǎng)分提供了充足的有機物。土壤養(yǎng)分很多來源于土壤有機質的分解和礦化，這些過程依靠分解酶來完成。本研究結果發(fā)現(xiàn)土壤酶活性與SOC呈極顯著正相關。綜上所述，落葉植物更易于對外界環(huán)境的變化作出響應，對喀斯特植被恢復中土壤碳氮磷的固持更有幫助(周曉東和鄧艷,2017)。

3.3 酶活性及C∶N∶P比值變化的驅動因素

4 結論

本文通過對研究區(qū)不同土地利用方式和生態(tài)恢復模式土壤酶活性及其C∶N∶P比值的研究，得出以下結論：(1)研究區(qū)不同恢復模式下土壤酶活性均值高于不同土地利用方式；(2)研究區(qū)植被主要受到土壤磷限制，土壤酶活性的變化是磷素轉化的關鍵；(3)在不同土地利用方式和恢復模式中，牧草和落葉植物對土壤酶活性及其C∶N∶P比值變化的影響程度更強。