天然常绿阔叶林土壤酶活性受土壤理化性质、微生物数量影响的通径分析1)

赵维娜　王艳霞　陈奇伯　聂蕾　杨媛媛

(西南林业大学，昆明，650224)



天然常绿阔叶林土壤酶活性受土壤理化性质、微生物数量影响的通径分析1)

赵维娜王艳霞陈奇伯聂蕾杨媛媛

(西南林业大学，昆明，650224)

运用通径分析研究了云南省玉溪市磨盘山国家森林公园内的常绿阔叶林土壤理化性质与土壤酶活性、微生物数量之间的关系。结果表明：常绿阔叶林林下土壤脲酶、过氧化氢酶、转化酶活性都是随着土壤深度的加深而逐渐减小；土壤脲酶、过氧化氢酶、转化酶活性与理化性质、微生物数量之间有着密切的关系；影响脲酶活性的重要因子是碱解氮、全磷、全钾质量分数，真菌数量，影响过氧化氢酶活性的关键因子是土壤密度，pH值，有机质、全磷质量分数，影响转化酶活性的主要因子是土壤密度，pH值，碱解氮、全磷质量分数。

常绿阔叶林；土壤理化性质；土壤酶活性；土壤微生物数量；通径分析

For exploring the relationships between the enzymes activities, soil physical-chemical properties and microorganism quantity in natural evergreen broad-leaved forest, we used the path analysis to study the relationship between soil physical-chemical factors, the soil enzyme activity and microorganism quantity of evergreen broad-leaved forest in Mill Mountain National Forest Park in YuXi, Yunnan Province. The soil urease, catalase and invertase activities were gradually decreased with the deepening of soil depth in evergreen broad-leaved forest. There was a close relationship between soil urease, catalase, invertase activity, soil physical-chemical properties and microbial quantity. The important affected factors of urease activity were alkali-hydrolyzale nitrogen, total phosphorus, total potassium and the number of fungi. The key affected factors of catalase activity were soil bulk density, pH, organic matter and total phosphorus. The main factors that affected the invertase activity were soil bulk density, pH, alkali-hydrolyzale nitrogen, and total phosphorus.

土壤理化性质、酶活性和微生物是土壤生态系统中的重要组成成分。土壤酶能够促进土壤中的物质转化与能量交换，是植物营养元素的活性库，能够反映土壤中进行的各种生物化学过程的强度和方向[1-3]。土壤理化性质直接影响植物的生长发育，经过多年来的研究，已成为判断土壤质量的常规指标。土壤微生物种类繁多，在土壤物质转化中起着多种重要作用，与土壤肥力和植物营养有密切关系[4-6]。土壤酶活性与微生物是构成土壤微生态环境的两个重要组分，也是决定土壤功能的两个关键性因素[7-8]。前人对土壤理化性质、酶活性、微生物的研究不少，在研究中常见的有脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、蛋白酶、磷酸酶、纤维素酶，这几种酶活性与土壤有机质、全氮、水解氮、全磷、速效磷等肥力因素的质量分数均存在不同程度的相关关系，细菌、放线菌、真菌数量与土壤理化性质也存在不同程度的相关性[9-10]。但是对土壤理化性质、酶活性、微生物数量之间具体关系的研究有待进一步深入。

常绿阔叶林物种丰富，层次结构多，地表有丰厚的腐殖质层，因此，其生态功能要优于其他林种。常绿阔叶林林下土壤有丰富的土壤养分和微生物，病虫害少、经营成本低，提高其实际应用率对人类的生态环境有重要的意义。本研究采用通径分析的方法从天然常绿阔叶林入手研究其土壤酶活性与理化性质、微生物数量间关系，有助于更进一步地探讨常绿阔叶林土壤的内部影响机制，从而为常绿阔叶林在人们生活中的应用提供依据。通径分析能全面考查变量间的相互关系，消除变量间的混淆，真实的表现出各个自变量和因变量之间的关系[11]。因此，要综合分析土壤酶活性与理化性质、微生物数量之间的关系，为以后探究森林土壤生态系统中土壤物质循环、能量流动的具体路径提供数据支撑，进而为深入研究森林土壤质量及其对整个生态系统服务功能的价值奠定基础。

1　研究区概况

磨盘山国家森林公园地处中国云贵高原、横断山地和青藏高原三大自然地理区域的结合部，地理位置为北纬23°46′～23°54′，东经101°16′06″～101°16′12″，海拔1 260.0～2 614.4 m，立体气候明显。磨盘山国家森林公园地处低纬度高原，是云南亚热带北部与亚热带南部的气候过渡地区，又有着典型的山地气候特点。磨盘山海拔高差大，气候垂直变化明显。年平均气温15 ℃，年平均降水量为1 050 mm。极端最高气温33.0 ℃，极端最低气温-2.2 ℃，全年日照时间2 380 h。磨盘山国家森林公园内土壤以第三纪古红土发育的山地红壤和玄武岩红壤为主，高海拔地区有黄棕壤分布。

样地的基本概况为林龄70 a的天然常绿阔叶林，海拔2 395 m，坡度25°，坡向北偏西45°，郁闭度90%，平均胸径9.81 cm，平均树高11.06 m，土壤类型红壤，主要的林下植被有光叶柯(LithocarpusmaireiRehd)、米槠(CastanopsiscarlesiiHay)、毛蕊红山茶(CamelliamaireiMelch)、马缨杜鹃(RhododendrondelavayiFranch)、牛筋条(DichotomanthestristaniicarpaKurz)、糙皮桦(Betulaalbo-sinensisBurk. var.septentrionalisSchneid)、南烛(VacciniumbracteatumThunb)、滇蜡瓣花(Corylopsisyunnanensis)、云南柃(EuryaobliquifoliaHemsl)、高山栎(Quercusaquifolioides)、碎米花(RhododendronspiciferumFranch)、高山杜鹃(RhododendronlapponicumWahl)、木荷(SchimasuperbaGardn. et Champ)、厚皮香(TernstroemiagymnantheraSprague)、长叶栎(Lithocarpusconfinis)、野樱桃(Cerasusserrula)、云南杨梅(MyricananaA. Chev.)等。

2　材料与方法

2.1采样方法

2014年11月份对磨盘山国家森林公园进行了全面踏查，并选择现存的60～70 a的常绿阔叶天然林林地土壤作为研究对象。在研究区内分别设置3个20 m×20 m的标准地，调查林中各种植物的树龄、树高、胸径，并在标准样地内沿对角线设置3个典型采样点，每个采样点之间相距约10 m，去除表层枯枝落叶，在每个采样点挖掘土壤剖面，共9个土壤剖面，在土壤深度(H)0

2.2测定方法

采用环刀法测定土壤密度；土壤有机质质量分数采用K2Cr2O7外加热法测定，土壤全氮质量分数采用扩散法测定，土壤碱解氮质量分数采用碱解—扩散法测定，土壤全磷质量分数采用钼锑抗比色法测定，土壤全钾质量分数采用火焰光度法测定，土壤pH值采用电位法测定[12]；脲酶活性采用苯酚钠比色法测定，过氧化氢酶活性采用容量法(高锰酸钾滴定法)测定，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[13]。土壤微生物数量采用稀释平板分离计数法测定，细菌数量采用牛肉膏蛋白胨培养基培养法测定，放线菌数量采用高氏1号培养基培养法测定，真菌数量采用孟加拉红培养基培养法测定[14]。

2.3数据处理

采用Excel对数据进行整理，运用Spss22.0软件进行数据分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验3种土壤酶活性的显著性，对所有数据进行正态性与方差齐性检验，对数据进行相关分析并采用回归模型拟合土壤酶活性与土壤理化性质的相关关系进行通径分析。通径分析的统计学意义是通过直径通径系数和间接通径系数表示的相关变量之间原因对结果的直接效应和间接效应，其中间接通径系数为直接通径系数与各因子之间相关关系的乘积[15]。

3　结果与分析

3.1土壤理化性质、酶活性与微生物数量

常绿阔叶林土壤呈酸性，且pH值随着土层深度的加深而增加。常绿阔叶林林下土壤的密度随着土层深度的加深而增加，土壤中有机质、全氮、碱解氮、全磷质量分数随着土层深度的加深而减少，土壤深层的全钾质量分数要大于土壤表层的。土壤密度和酸碱性、全氮质量分数在不同土层土壤中存在显著差异(p<0.05)；土层40 cm

表1　常绿阔叶林土壤理化性质

土层深度(H)/cm脲酶活性/mL·g-1·h-1过氧化氢酶活性/mL·g-1·min-1转化酶活性/mg·g-1·h-1细菌数量/105菌落·g-1放线菌数量/104菌落·g-1真菌数量/103菌落·g-10

注：表中的数值为平均值±标准误;同一列数值后的不同小写字母表示在p<0.05水平上存在显著差异。

土壤脲酶、过氧化氢酶、转化酶活性随着土层深度的加深而逐渐减小，脲酶、转化酶活性在表层(0

3.2土壤酶活性与土壤理化性质、微生物数量的通径关系

3.2.1土壤酶活性与土壤理化性质、微生物数量的相关关系

常绿阔叶天然林脲酶活性与pH值，有机质、全氮、碱解氮、全磷、全钾质量分数呈极显著相关关系，与土壤密度呈显著相关关系；过氧化氢酶活性与土壤密度，pH值，有机质、全氮、碱解氮、全磷、全钾质量分数呈极显著相关关系；转化酶活性与pH值，全氮、碱解氮、全磷质量分数呈极显著相关关系，与土壤密度，有机质、全钾质量分数呈显著相关关系(表2)。

表2　常绿阔叶林土壤酶活性与土壤理化性质、微生物数量的相关系数

注：** 表示相关性在0.01水平上显著(双尾)；*表示相关性在0.05水平上显著(双尾)。

3.2.2土壤理化性质、微生物数量对酶活性的直接和间接作用

将土壤酶活性、理化性质、微生物数量进行多元回归分析，得到标准化回归方程：

U1=0.115X1+0.037X2+0.084X3-0.041X4+0.451X5+

0.271X6-0.432X7-0.189X8-0.152X9；

U2=-0.331X1-0.288X2+0.567X3+0.187X4-0.053X5-

0.223X6+0.146X7+0.040X8+0.043X9；

U3=0.316X1+0.171X2+0.050X3-0.050X4+0.499X5+

0.715X6-0.183X7-0.158X8-0.108X9。

式中：U1、U2、U3分别为脲酶、过氧化氢酶、转化酶活性；X1为土壤密度；X2为pH值；X3为有机质质量分数；X4为全氮质量分数；X5为碱解氮质量分数；X6为全磷质量分数；X7为全钾质量分数；X8为放线菌数量；X9为真菌数量。

土壤理化因子及微生物数量中对土壤脲酶活性的直接作用系数大小顺序依次为碱解氮质量分数、全钾质量分数、全磷质量分数、放线菌数量、真菌数量、土壤密度、有机质质量分数、全氮质量分数、pH值。在各因子对脲酶活性影响作用的分析中可以得出土壤碱解氮、全磷、全钾质量分数通过自身的直接效应及与其他因子的交互作用在很大程度上影响脲酶活性，碱解氮质量分数对脲酶活性的直接影响程度最大，其次全钾、全磷质量分数也通过与碱解氮质量分数的交互作用或其自身的直接作用决定这脲酶活性，其他因子如土壤密度、真菌数量也通过与碱解氮、全钾、全磷质量分数之间的交互作用决定着脲酶活性，但相对决定性较小，这说明碱解氮、全磷、全钾质量分数，真菌数量是影响脲酶活性的重要因子(表3)。

土壤理化性质及微生物数量中对过氧化氢酶活性直接作用系数的大小顺序依次为有机质质量分数、土壤密度、pH值、全磷质量分数、全氮质量分数、全钾质量分数、碱解氮质量分数、真菌数量、放线菌数量。分析各因子对土壤过氧化氢酶活性影响系数可知，对过氧化氢酶活性影响排在前5位的为有机质质量分数的直接作用、有机质质量分数与土壤密度的交互作用、pH值与有机质质量分数的交互作用、有机质质量分数与全磷质量分数的交互作用、土壤密度与pH值的交互作用，其次是土壤密度与全磷质量分数的交互作用、土壤密度的直接作用、pH值与全磷质量分数的交互作用、土壤密度与全氮质量分数的交互作用、有机质质量分数与全氮质量分数的交互作用，这说明土壤密度、pH值、有机质、全磷是影响过氧化氢酶活性的关键因子(表3)。

表3　磨盘山国家森林公园常绿阔叶林土壤酶活性受理化性质、微生物数量影响的通径系数

注：划横线的数据为直接通径系数，其他为间接通径系数；** 表示相关性在0.01水平上显著(双尾)；*表示相关性在0.05水平上显著(双尾)。

土壤理化性质及微生物数量各因子中对转化酶活性直接作用系数的大小顺序依次为全磷质量分数、碱解氮质量分数、土壤密度、全钾质量分数、pH值、放线菌数量、真菌数量、有机质质量分数、全氮质量分数。土壤密度主要是通过全磷、碱解氮质量分数产生的间接效应及土壤密度的直接效应影响转化酶活性；pH值主要是通过全磷、碱解氮质量分数，土壤密度，全钾质量分数产生的间接效应及pH值自身的直接效应影响转化酶的活性；碱解氮质量分数主要是通过自身的直接效应及全磷质量分数、土壤密度、pH值、全钾质量分数产生的间接效应影响转化酶活性；全磷质量分数主要是通过自身的直接效应影响转化酶活性。综合分析可知，转化酶活性受全磷质量分数影响最大，全磷质量分数的直接作用系数排在首位，其次是碱解氮质量分数与全磷质量分数的交互作用、土壤密度与全磷质量分数的交互作用、碱解氮质量分数的直接作用、pH值与全磷质量分数的交互作用，他们各自在一定程度上决定着转化酶活性，由此可见，土壤密度，pH值，碱解氮、全磷质量分数是影响转化酶活性的主要因子(表3)。

4　结论与讨论

常绿阔叶林土壤呈酸性，且pH值随着土层深度的加深而增加。常绿阔叶林林下土壤的密度随着土层深度的加深而增加，土壤中有机质、全氮、碱解氮、全磷质量分数随着土层深度的加深而减少，土壤深层的全钾质量分数要大于土壤表层。土壤脲酶、过氧化氢酶、转化酶活性及3种微生物数量均是随着土层深度的加深而逐渐减小，且在0

常绿阔叶林土壤酶活性与理化性质、微生物数量有着密切的相关关系。这与陈礼清等[17]在炼山对巨桉人工幼林土壤酶活性与有效养分质量分数的影响、郑诗樟等[18]在丘陵红壤不同人工林型土壤微生物类群、酶活性与理化性状关系的研究、葛晓改等[19]对红壤丘陵区不同林龄马尾松林土壤养分和酶活性关系的研究、张超等[20]对黄土丘陵区不同林龄人工刺槐林土壤酶演变特征的研究、漆良华等[21]对湘西北小流域植被恢复区土壤酶活性及养分相关性研究结果一致。

碱解氮质量分数对脲酶活性的直接影响程度最大，其次全钾、全磷质量分数也通过与碱解氮质量分数的交互作用或其自身的直接作用决定这脲酶活性，这说明在磨盘山国家森林公园中天然常绿阔叶林林下土壤中碱解氮、全钾、全磷质量分数决定了脲酶活性，这可能是源于碱解氮中质量分数在很大程度上决定了有脲酶参与的酶促反应的底物数量含有或者组成脲酶结构的氮元素数量，进而影响脲酶的活性；全钾质量分数一方面通过促进植物的生长来影响植物根系的分泌物，而植物的根系分泌物是酶促反应的催化剂之一，进而在很大程度上影响脲酶活性，另一方面通过促进植物生长影响土壤中碱解氮的分解速率来影响酶的活性；全磷是通过对碱解氮、全钾质量分数的影响及其自身及对真菌数量、土壤密度的影响作用于脲酶活性，这是因为磷是土壤中微生物所需重要因素，因而，枯枝落叶、凋落物中所含物质转化成土壤中的磷元素可以被他们所吸收，而动植物、微生物分泌物是脲酶的重要来源，因此全磷质量分数对土壤脲酶活性影响较大。

土壤密度，pH值，有机质、全磷质量分数是影响过氧化氢酶活性的关键因子。过氧化氢酶是土壤中分解过氧化氢的重要成分，而土壤密度、pH值、全磷质量分数对过氧化氢酶活性的影响主要都是通过影响枯枝落叶分解产生有机质的过程来影响过氧化氢酶活性，而各自的直接作用，可能是通过影响土壤的通气透水性、酶促反应的土壤环境、底物量及过氧化氢酶的来源(植物分泌、微生物分泌)来影响过氧化氢酶活性。转化酶活性受全磷直接影响最大，是因为磷元素是组成转化酶的重要元素，因而对其直接影响最大，其次是各因子与全磷的交互作用，这是由于磷是动植物及微生物吸收的重要元素，而转化酶的合成与动植物、微生物的活动密不可分，而土壤密度、pH值及碱解氮、全磷质量分数等理化因子都是影响植物生长的重要指标，他们的交互作用必然影响转化酶的合成、活性，而微生物数量是土壤环境各因子综合之下的产物，微生物分泌物也是转化酶的重要来源，因此，与全磷的交互作用也会影响土壤转化酶活性。

常绿阔叶林土壤酶活性与理化性质、微生物数量之间存在密切的关系。碱解氮、全磷、全钾质量分数，真菌数量是影响脲酶活性的重要因子，土壤密度，pH值，有机质、全磷质量分数是影响过氧化氢酶活性的关键因子，土壤密度，pH值，碱解氮、全磷质量分数是影响转化酶活性的主要因子。这是通过相关分析与通径分析得出的结果，具体的循环催化机制还要通过进一步的试验进行验证。

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Effect of Soil Physical-chemical Properties and Microorganism Quantity on Enzyme Activityby in Natural Evergreen Broad-leaved Forest by Path Analysis//

Zhao Weina, Wang Yanxia, Chen Qibo, Nie Lei, Yang Yuanyuan

(Southwest Forestry University, Kunming 650224, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(1)：75-80.

Evergreen broad-leaved forest; Soil enzymes activities; Soil physical and chemical properties; Soil microbial quantity; Path analysis

赵维娜，女，1988年10月生，西南林业大学环境科学与工程学院，硕士研究生。E-mail：zhao_wei_na2007@126.com。

王艳霞，西南林业大学环境科学与工程学院，副教授。E-mail：65653584@qq.com。

2015年6月30日。

S792；Q948.113

责任编辑：任俐。