阮長明，杜壽康，孫永玉，張春華，歐朝蓉，王 猛*，唐國勇*

1. 西南林業(yè)大學林學院，云南 昆明 650224

2. 中國林業(yè)科學研究院高原林業(yè)研究所，云南 昆明 650233

3. 云南元謀干熱河谷生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，云南 昆明 650233

生態(tài)化學計量是一門結合物理、化學和生物學等基本原理的研究生態(tài)系統(tǒng)中相關化學元素與能量平衡的科學[1]. 土壤是生態(tài)系統(tǒng)的重要部分，土壤養(yǎng)分元素的變化將影響生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能. 土壤C、N、P元素是土壤提供給植物生長所必需的大量營養(yǎng)元素[2-3]，其含量對生態(tài)系統(tǒng)有重要作用；土壤C、N、P元素化學計量比能反映土壤養(yǎng)分循環(huán)狀態(tài)，揭示生態(tài)系統(tǒng)結構與功能的異質性[4]，能反映土壤質量和養(yǎng)分循環(huán)狀況，可作為土壤礦化、養(yǎng)分循環(huán)的重要指標[5-6]. 土壤酶參與土壤中各項生物及化學反應，在土壤物質循環(huán)與轉化中起重要作用[7-9]，其活性能客觀地反映生物多樣性、微生物量等變化狀況[10-11]，能反映C、N、P等養(yǎng)分循環(huán)和代謝情況[12]. 金沙江干熱河谷特殊的生態(tài)環(huán)境導致土壤養(yǎng)分和酶活性有別于其他地區(qū)，所以在該區(qū)域開展土壤養(yǎng)分和酶活性研究具有重要意義.

金沙江干熱河谷位于我國西南橫斷山區(qū)河谷深切后形成的大斷裂帶上，受大氣環(huán)流和地理位置、地形地貌等因素影響，該區(qū)域氣候干旱、水熱極度不平衡，加上自然資源的不合理開發(fā)利用等因素，導致該區(qū)域生態(tài)功能退化明顯，成為我國生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)之一[13]. 該區(qū)域跨越緯度大，地形地勢復雜，其上、中、下游的光照、溫度、水熱條件等有較大差異[14-15]，形成獨特區(qū)域性氣候導致土壤C、N、P含量和酶活性有別于其他地區(qū)，具有高度空間異質性. 近年來，研究人員對金沙江干熱河谷地區(qū)植被恢復和生態(tài)治理開展了大量涉及植被、土壤、微生物的相關研究，其中土壤C、N、P等營養(yǎng)元素和酶活性的研究主要集中在小區(qū)域研究[16-18]，缺乏對金沙江干熱河谷整體區(qū)域的時空尺度研究. 因此，該研究對金沙江干熱河谷上、中、下游開展調查研究，結合分析不同區(qū)段土壤C、N、P含量及化學計量比和酶活性的差異性，以期為該區(qū)域植被恢復和生態(tài)治理提供基礎數據和研究依據.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該研究以金沙江干熱河谷為研究區(qū)域，其主要分布在云南省鶴慶縣與四川省布拖縣之間. 區(qū)域最冷月平均氣溫>12 ℃，最暖月平均氣溫24～28 ℃，日均氣溫≥10 ℃，年均積溫>7 000 ℃，日均氣溫≥10 ℃持續(xù)天數大于350 d，全年無霜；年均降雨量600～800 mm，年均蒸發(fā)量2 750～3 850 mm，年均干燥度在2.0以上[13]. 土壤類型有燥紅土、黃壤、赤紅壤、紫色土等. 植被以干熱河谷灌叢和稀樹灌草叢為主，其中喬木主要有錐連櫟(Quercus franchetii)、滇欖仁(Terminalia franchetii)、山合歡(Albizzia kalkora)、攀枝花(Gossampianus malabarica)等；灌木主要為車桑子(Dodonaea viscose)、余甘子(Phyllanthus emblica)、杭子梢(Campylotropis macrocarpa)等；草本以扭黃茅(Heteropogon contortus)、鬼針草(Bidens pilosa)、香茅(Mosla chinensis)、龍須草(Juncus effusus)等為主.

1.2 樣地設置與樣品采集

參考張建利等[19]的區(qū)劃方案，選取坡度、坡位、海拔等相近的樣地；2021年1月在金沙江干熱河谷上游(云南省鶴慶縣和永勝縣)設8個樣方，在中游(四川省仁和區(qū)和云南省元謀縣)設12個樣方，在下游(云南省東川區(qū)和四川省寧南縣)設12個樣方，共32個樣方，其中，4個稀樹灌草叢樣方，10個天然林樣方，18個人工林樣方(林齡20年左右). 喬木樣方大小為20 m×20 m，在喬木樣方內設置4個5 m×5 m的灌草樣方，在樣方內進行植被調查和土壤樣品采集，并記錄樣地基本信息(見表1)、土壤特征(見表2)及植被信息等.

土樣采集前去除地表凋落物層，在樣方內按“S”形五點采樣法采集表層(0~15 cm)土樣，形成混合樣，同時采集環(huán)刀樣用于測定土壤理化性質等.

表 1 樣地基本信息Table 1 Plot information

表 2 樣地土壤特征及個數Table 2 Soil characteristics and quantity of plots

1.3 樣品測定

土壤養(yǎng)分含量測定參考文獻[20]，土壤有機碳(SOC)含量采用LY/T 1237?1999《森林土壤有機質的測定》中重鉻酸鉀容量法測定，土壤全氮(TN)含量采用LY/T 1228?1999《森林土壤全氮的測定》中凱氏定氮法測定(全自動凱氏定氮儀KjeltecTM8400，FOSS，丹麥)，土壤全磷(TP)含量采用LY/T 1232?1999《森林土壤全磷的測定》中堿熔-鉬銻抗比色法測定，土壤容重、總孔隙度及毛管孔隙度等物理指標采用LY/T 1215?1999《森林土壤水分-物理性質的測定》中環(huán)刀法測定，土壤pH采用LY/T 1239?1999《森林土壤pH的測定》中電位法測定(雷磁PHS-25 pH計，上海儀電科學儀器股份有限公司)，其水土比(水體積與土質量之比)為2.5∶1.

土壤酶活性測定：使用微孔板熒光底物法進行測定，將標準樣品和空白對照放入酶標板，使用全波長多功能酶標儀(Varioskan fiash多功能酶標儀，賽默飛世爾科技公司，美國)在特定的激光波段下測定吸光值，通過計算得出酶活性. 土壤脲酶(Ure)采用次氯酸鈉-苯酚比色法測定酶活性，脲酶水解尿素產生的NH3-N在強堿性介質中能夠與次氯酸鈉和苯酚反應，生成水溶性藍色染料靛酚藍，產物在630 nm處有特征吸收峰，通過吸光值的變化即可表征土壤脲酶的活性. 土壤β-葡萄糖苷酶(BG)采用對-硝基苯-β-D-吡喃葡萄糖苷比色法測定酶活性，土壤β-葡萄糖苷酶能夠分解對-硝基苯-β-D-吡喃葡萄糖苷生成對-硝基苯酚，產物在400 nm處有特征吸收峰，通過吸光值變化即可表征土壤β-葡萄糖苷酶的活性. 土壤酸性磷酸酶(AP)采用磷酸苯二鈉比色法測定，土壤酸性磷酸酶能夠在酸性環(huán)境中催化磷酸苯二鈉水解生成苯酚和磷酸氫二鈉，通過測定酚的生成量即可表征土壤酸性磷酸酶的活性.

1.4 數據分析

使用Excel 2010軟件對數據進行歸納整理；使用方差分析(ANOVA, Duncan檢驗)比較金沙江干熱河谷土壤C、N、P化學計量特征和土壤酶活性在金沙江干熱河谷上、中、下游的差異顯著性，用Pearson相關性分析土壤C、N、P化學計量特征和酶活性的相關性；用CANOCO 5軟件對不同環(huán)境因子與土壤酶之間關系進行冗余分析(redundancy analysis, RDA).

2 結果與分析

2.1 金沙江干熱河谷不同區(qū)段植被特征

由表3可見：金沙江干熱河谷草本種類、灌木種類及喬木種類從上游至下游均表現出逐漸增大的趨勢；而草本覆蓋度則是中游(66.92%)最小、下游(72.08%)最大；灌木覆蓋度為上游(23.75%)最小、中游(36.00%)最大；喬木郁閉度從上游至小游逐漸增大；地表凋落物在中游(1.72 cm)最厚，在上游(0.93 cm)最薄.

表 3 金沙江干熱河谷樣地植被信息Table 3 Vegetation information of plots in the Dry-Hot Valley of Jinsha River

2.2 金沙江干熱河谷不同區(qū)段土壤理化性質特征

由表4可見：金沙江干熱河谷土壤容重呈中游>下游>上游的特征；土壤總孔隙度及毛細管孔隙度則均呈上游>下游>中游的特征；土壤自然含水率在中游(14.89%)最小，在上游(16.48%)最大；土壤pH從上游至下游逐漸增大.

表 4 金沙江干熱河谷不同區(qū)段土壤理化性質特征Table 4 Soil physical and chemical properties at various reaches of the Dry-Hot Valley of Jinsha River

2.3 金沙江干熱河谷不同區(qū)段土壤C、N、P化學計量特征與土壤酶活性

金沙江干熱河谷不同區(qū)段土壤C、N、P化學計量特征差異性如表5所示. 由表5可見：土壤SOC(土壤有機碳)、TN (土壤全氮)、TP (土壤全磷)元素含量均表現為上游>下游>中游的特征. 上游土壤SOC含量(21.53 g/kg)顯著大于中游(17.65 g/kg)，土壤TN和TP含量在上、中、下游沒有顯著差異；中游土壤SOC、TN、TP含量均小于金沙江干熱河谷區(qū)域平均值. 不同植被類型的土壤SOC、TN、TP含量表現為天然林>人工林>稀樹灌草叢的特征，中游天然林、人工林和稀樹灌草叢的土壤SOC、TN、TP含量均小于金沙江干熱河谷天然林、人工林和稀樹灌草叢的平均值.

表 5 金沙江干熱河谷不同區(qū)段土壤C、N、P 化學計量特征Table 5 Stoichiometric characteristics of soil C, N and P at various reaches of the Dry-Hot Valley of Jinsha River

金沙江干熱河谷土壤C/N、C/P、N/P(C、N、P元素之間的含量比，下同)平均值分別為12.39、21.10、1.74，其中C/N值為上游(13.36)>中游(12.13)>下游(11.45)，C/P值為下游(21.76)>中游(20.78)>上游(20.58)，N/P值為下游(1.92)>中游(1.77)>上游(1.57). 金沙江干熱河谷不同植被類型的C/N、C/P平均值均表現為稀樹灌草叢>人工林>天然林的特征，N/P值則為人工林>天然林>稀樹灌草叢.

金沙江干熱河谷上、中、下游的土壤酶活性存在差異(見表6)，土壤Ure(脲酶)、BG(β-葡萄糖苷酶)和AP(酸性磷酸酶)酶活性的變化范圍分別為25.42~34.40 μg/(g·h)、81.39~102.34 nmol/(g·h)和902.92~1 128.07 nmol/(g·h)，其活性在各區(qū)段均表現為上游>下游>中游的特征，但各區(qū)段間差異不顯著. 金沙江干熱河谷上、中、下游不同植被類型的土壤Ure、BG和AP酶活性均表現為天然林>人工林>稀樹灌草叢的特征，土壤Ure、BG和AP酶活性均表現為天然林顯著大于稀樹灌草叢的特征(P<0.05).

表 6 金沙江干熱河谷不同區(qū)段土壤酶活性特征Table 6 Characteristics of soil enzyme activities at various reaches of the Dry-Hot Valley of Jinsha River

2.4 土壤C、N、P化學計量及酶活性與其他因子的相關性分析

由表7可見，土壤Ure、BG、AP活性與土壤SOC含量、TN含量、TP含量、土壤總孔隙度、土壤毛細管孔隙度、土壤自然含水率均呈極顯著正相關(P<0.01)，與土壤容重、土壤pH均呈極顯著負相關(P<0.01)，與C/N、C/P、N/P均呈負相關. 土壤SOC、TN、TP含量與土壤總孔隙度、毛細管孔隙度和土壤自然含水率均呈極顯著正相關，與土壤容重、土壤pH均呈極顯著負相關. 土壤SOC含量與C/N呈正相關，與C/P、N/P均呈負相關；土壤TN含量與C/N、C/P均呈極顯著負相關，與N/P呈正相關；土壤TP含量與C/P、N/P均呈極顯著負相關，與C/N呈負相關.C/N、C/P、N/P與土壤容重和pH均呈正相關，與土壤總孔隙度、毛細管孔隙度和土壤自然含水率均呈負相關.

表 7 土壤C、N、P化學計量及酶活性與其他因子的相關性分析Table 7 Soil C, N, P stoichiometry and correlation analysis of enzyme activities with other factors

選取土壤SOC、TN、TP含量以及C/N、C/P、N/P、容重、總孔隙度等12個因子作環(huán)境變量，以Ure、BG和AP三種酶活性作響應變量，通過RDA冗余分析表明，土壤酶活性特征值在軸1和軸2分別為0.85和0.03，土壤酶活性與環(huán)境因子的相關性在軸1和軸2分別為0.95和0.69，前兩軸對土壤酶活性累計解釋量達87.57%，土壤酶活性與環(huán)境因子的累計解釋量在前兩軸達99.36%，由此可得土壤酶活性與環(huán)境因子的關系可以通過RDA的軸1和軸2來體現，且主要通過軸1來反映.

由圖1可見：土壤SOC、TN、TP含量以及自然含水率、總孔隙度、毛細管孔隙度、枯落物厚度與土壤BG、Ure、AP酶活性均呈正相關；C/N、C/P、N/P、pH、容重與土壤BG、Ure、AP酶活性均呈負相關. 其中土壤容重、土壤SOC和TP含量對土壤酶活性解釋度達82.5%，對酶活性影響較顯著，可認為土壤SOC、TP含量以及土壤容重對酶活性起主導作用.

圖 1 土壤C、N、P化學計量及酶活性與其他因子的冗余分析Fig.1 Soil C, N, P stoichiometry and redundancy analysis of enzyme activity and other factors

3 討論

3.1 金沙江干熱河谷不同區(qū)段對土壤C、N、P含量及化學計量比的影響

地理位置、地形地貌、水熱條件、土壤理化性質、微生物量、群落結構等條件對土壤C、N、P含量有較大影響[10]，金沙江干熱河谷總體呈東西向分布，跨越區(qū)段大、覆蓋面積廣，因地形和季風等因素影響導致上、中、下游的氣候、土壤和植被均存在空間異質性.在高溫干燥環(huán)境下土壤有機碳分解速率加快，土壤保持營養(yǎng)元素能力降低，土壤SOC等含量減小[21]. 筆者研究發(fā)現，金沙江干熱河谷上游地區(qū)環(huán)境溫度低，相對濕度大，土壤的水熱條件最優(yōu)越，上游土壤營養(yǎng)元素最容易積累；中游地區(qū)環(huán)境溫度高，蒸發(fā)量大，土壤處于高溫干燥的條件下，土壤SOC等元素更容易被分解. 土壤母質、植物凋落物等條件對土壤營養(yǎng)元素也有較大影響[22]，其中金沙江干熱河谷土壤SOC、TN、TP含量均受土壤母質和植物凋落物影響較大[23-24]. 筆者調查發(fā)現，上游土壤以黃壤為主，中游以黃壤和紫色土為主，下游以黃壤和燥紅土為主(見表2).黃壤和黃棕壤的有機質分解和礦化較弱，弱度富鋁風化，土壤黏性大，生物積累作用強，因此上游土壤有機碳和全氮含量高[25]. 紅壤為中度脫硅富鋁風化，土壤板結，土壤中全氮和有機碳流失嚴重[26]. 紫色土是砂巖發(fā)育而成，含大量磷元素，但有機質含量較低，因此中、下游土壤C、N、P元素含量減小. 另外上游到下游土質由疏松逐漸變緊實，土壤石粒含量逐漸增多，土壤類型由壤土逐漸變?yōu)樯巴?見表2)，這與表4中土壤各項物理指標一致，這導致上游土壤容重小、土壤孔隙度大，中游土壤容重最大、土壤孔隙度最小.土壤容重小、孔隙度大能夠增加土壤透氣性和水保持能力，提升土壤物質循環(huán)能力[27]，增加土壤C、N、P等元素，所以金沙江干熱河谷土壤SOC、TN、TP含量變化與土壤母質和土壤理化性質有密切聯系. 地表植被及凋落物對土壤C、N、P等營養(yǎng)元素也有較大影響[28]，筆者研究發(fā)現，金沙江干熱河谷天然林的植被覆蓋度大，能夠改善地表微生物群落結構，增加微生物活性；其次是人工林經過人類干涉增加了地表物種豐富度、改善了土壤理化性質，使其土壤C、N、P等元素含量較稀樹灌草叢有明顯增加，這種現象證明植被對土壤營養(yǎng)元素含量有較大影響[29]. 而金沙江干熱河谷中游植物種類多，土壤根系多，地表凋落物層最厚，但中游氣候、土壤條件惡劣降低了微生物的活性，植物枯枝落葉不能及時分解，植物所含營養(yǎng)元素不能有效地回歸土壤，導致中游土壤SOC、TN、TP含量低于上游和下游. 特殊的氣候、土壤、植被等條件導致金沙江干熱河谷上、中、下游土壤中C、N、P元素含量具有特殊的空間異質性.

金沙江干熱河谷土壤C、N、P元素含量具有空間異質性，導致上、中、下游土壤元素計量比(C/N、C/P、N/P)具有空間變異性. 金沙江干熱河谷土壤C/N值(12.39)、C/P值(21.10)和N/P值(1.74)均 小于全國森林土壤平均值(分別為13.70、44.5、3.2)[30]，這是由于該區(qū)域高溫、低濕的特殊生態(tài)環(huán)境造成植被、土壤、微生物等特征低于全國平均水平. C/N能夠反映土壤有機質分解狀態(tài)[31]，土壤C/N值從上游到下游逐漸降低，主要原因是中、下游土壤有機碳更容易被分解，而土壤TN的穩(wěn)定性好、空間異質性小，因此金沙江干熱河谷土壤C/N值的變化主要受土壤SOC含量影響較大. C/P能反映土壤磷的礦化能力[32]，N/P能反映土壤養(yǎng)分狀態(tài)[33]，C/P和N/P值均從上游至下游逐漸增大，其原因是在金沙江干熱河谷地區(qū)土壤全磷受環(huán)境影響，其遷移強度小于有機碳和全氮，因此C/P、N/P值變化受有機碳和全氮含量影響較大.

3.2 金沙江干熱河谷不同區(qū)段對土壤酶活性的影響

金沙江干熱河谷土壤Ure、BG、AP酶活性受氣候、土壤、植被等環(huán)境因子影響較大[34]. 筆者研究表明，金沙江干熱河谷土壤自然含水率與土壤Ure、BG、AP活性的相關性均呈極顯著正相關(P<0.01)，說明土壤水分增加能夠促進土壤酶活性，這與靳振江等[35]研究結果一致. 金沙江干熱河谷環(huán)境溫度從上游至下游逐漸升高，但土壤酶活性則逐漸降低，這與Erhagen等[36]研究結果不同，其原因是金沙江干熱河谷是高溫干燥的環(huán)境，環(huán)境水分對土壤酶活性有促進作用，而環(huán)境溫度過高會加速環(huán)境水分流失進而抑制酶活性. 土壤營養(yǎng)元素對土壤酶活性有較大影響[37]，筆者研究發(fā)現金沙江干熱河谷土壤有機碳、全氮、全磷與土壤Ure、BG、AP酶活性均呈極顯著正相關(P<0.01)，表明土壤營養(yǎng)元素能影響土壤酶生化反應和調節(jié)酶分泌，進而影響土壤酶活性[38]，這與Banerjee等[39-40]研究結果一致. 其原因是土壤有機質是土壤酶促反應的主要底物，土壤有機碳含量高能夠提高土壤酶活性[41]；土壤氮元素通過參與土壤酶合成、增強微生物繁殖等途徑促進土壤酶活性[42]；土壤中含磷化合物水解能夠影響酸性磷酸酶活性[43]. 植被條件對酶活性也有一定影響，土壤根系會增加土壤容重和土壤孔隙度，筆者研究發(fā)現，土壤容重與土壤Ure、BG、AP酶活性均呈極顯著負相關(P<0.01)，土壤總孔隙度和毛細管孔隙度與土壤Ure、BG、AP酶活性均呈極顯著正相關(P<0.01)，證明植被根系的增加可以提高土壤酶活性. 金沙江干熱河谷地表凋落物厚度與土壤酶活性呈正相關(見圖1)，證明地表凋落物厚度的增加能夠提高土壤含水率、增加土壤酶反應底物，從而提高微生物活性[44]. 金沙江干熱河谷天然林物種豐富、土壤中根系及枯落物較多，增加了土壤微生物生化反應底物及活性，使天然林土壤酶最高；而稀樹灌草叢植被稀少，地表覆蓋度低，不利于土壤透氣保水，其土壤酶活性則最差.

比較金沙江干熱河谷氣候、土壤和植被對土壤酶活性的影響，發(fā)現低溫高濕的環(huán)境中能夠增加微生物活性[45]，加速植物凋落物的分解，大量植物元素能夠及時分解并回歸土壤，增加了土壤營養(yǎng)元素和酶活性；高溫干燥環(huán)境下微生物等活性被抑制，地表土壤中各種生化反應速率降低，使植物-土壤-微生物的物質循環(huán)和能量流動降低，土壤營養(yǎng)元素含量及酶活性降低.

4 結論

a) 金沙江干熱河谷土壤C、N、P元素含量受氣候、土壤和植被等環(huán)境因子影響呈現獨特的空間異質性，其元素含量表現為上游>下游>中游的特征，C/N值從上游向下游逐漸降低，C/P和N/P值均從上游向下游逐漸增加.

b) 土壤Ure、BG和AP的酶活性受金沙江干熱河谷上、中、下游氣候以及土壤、植被等環(huán)境因子的影響，其活性均表現為上游>下游>中游的特征.

c) 金沙江干熱河谷不同植被類型土壤C、N、P含量和酶活性均表現為天然林>人工林>稀樹灌草叢的特征.