喀斯特地区泡核桃林土壤酶、微生物量及无机氮的动态研究

刘金炽，招礼军，朱栗琼，权佳惠，金 赟

（广西大学林学院，广西 南宁 530004）

【研究意义】西南喀斯特地区是亚热带气候区的一个独特环境单元，该区域地势格局复杂，极易退化，与沙漠、黄土、寒漠并列为我国四大生态环境脆弱区，而石漠化是西南喀斯特地区生态环境面临的最严重问题之一[1]。广西是西南喀斯特地区内石漠化较严重的区域，石漠化土地占比超过25%，并且土壤浅薄，植被丰富度相对较低[2]。石漠化已成为广西部分区域的灾害和贫困之源[3]。为了改善喀斯特地区的生态环境，植树造林成为了石漠化治理的重要环节，这是减少水土流失、提高土壤质量、加速植被恢复、保护生态环境的重要途径[4]。因此，对人工林林下土壤系统的研究，对该区的植被恢复及可持续发展具有重大的意义。【前人研究进展】土壤是生物赖以生存的基础[5]。土壤酶活性、土壤微生物及土壤养分一起推动着土壤生态系统的生化过程，同时在土壤的演化过程中有重要的影响。而探索土壤的时间及空间的变化特征，有助于了解土壤的演化过程以及土壤对植物更新的影响[6]。许多研究者在不同林分类型或植被类型的土壤系统开展了研究，认为植物的种植年限对土壤的养分、酶活性及微生物特性具有不同程度的影响[7-9]。

【本研究切入点】近年来，土壤酶活性、微生物特性及土壤养分在土壤生态系统演变过程中的作用引起了研究者的广泛关注[10-11]，但在喀斯特石漠化地区，人工林自然恢复过程中土壤酶活性、微生物特性及土壤养分的动态变化研究报道较少。泡核桃（Juglans sigillata）为胡桃科（Juglandaceae）植物，具有重要的园林绿化价值、经济价值及营养价值等。泡核桃为河池市都安瑶族自治县的重要产业，对喀斯特地区石漠化治理及都安的经济发展具有重大意义。目前，对泡核桃研究主要集中于栽培与管理[12]、种质资源[13]等方面，探究在不同种植年限泡核桃林下土壤微生物特性及酶活性等方面少有记载。【拟解决的关键问题】探究不同种植年限泡核桃林下土壤微生物、酶活性及无机氮的动态变化特征及其相互关系，为指导喀斯特石漠化地区的土壤肥力改良、核桃低产林改造、生态恢复以及可持续管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西壮族自治区都安瑶族自治县（107°48′39″～107°58′42″E，24°12′6″～24°14′42″N），最高海拔612.2 m，最低海拔536.9 m，年均气温16.2～20.3 ℃，年均降雨量1 025～1 480 mm，年均相对湿度74%～80%，无霜期为289～356 d，属亚热带季风性气候。泡核桃适应能力较强，喜光、喜温，对林下土壤水分及养分要求较严格，特别是萌芽期和果实发育期，尤其需要注重水肥管理。泡核桃适宜种植于保水透气良好、结构疏松的沙壤土中。泡核桃适宜生长于海拔600～3 000 m、年降雨量500～1 100 mm、年均相对湿度40%～80%的温凉地区，极端最低气温不低于-30 ℃，极端最高气温不高于38 ℃。

1.2 试验材料

都安瑶族自治县喀斯特地区退耕还林任务主要完成于2012—2017年，截至2019年该区域泡核桃种植年限为2～7年。在2019年实地调查发现7年生泡核桃已经开始结果，6年生泡核桃仅有极少数结果且结果量较少，种植2～5年的泡核桃均未发现结果。研究发现，泡核桃属于晚实核桃，种植后6～20年为生长结果期[14]。种植2～5年的泡核桃为生长期，种植6年的泡核桃为初结果期，种植7年的泡核桃为生长结果期。泡核桃萌芽期在2月下旬左右，3月上旬左右开始展叶，初花期为3—4月，初始结果期为4—5月，果实硬核期为6—7月，果实成熟期为8—9月，落叶期为10—12月。

1.3 试验方法

试验于2019年7月在研究区选取种植年限分别为4、5、6、7年的泡核桃林作为研究样地。4、5、6、7年生泡核桃平均树高分别为2.1、2.9、3.8、4.2 m，平均冠幅分别为2.4、2.7、3.2、3.5 m。每个样地按照具体面积及地形采用随机S型多点混合采样，选择5个采集点，在泡核桃树冠垂直投影面内挖土壤剖面，分别采取土层深度为0～10、10～20、20～30 cm的土壤样品，再运用四分法选取土样。拣去土壤样品中的石砾、植物根系及碎屑，过2 mm土壤筛，储藏在4 ℃冰箱中。

1.4 测定项目及方法

土壤硝态氮及铵态氮采用连续流动化学分析仪测定[15]。

采用微孔板荧光法测定土壤α-葡萄糖苷酶（α-Glucosidase，AG）、β-葡萄糖苷酶（β-Glucosidase，BG）、纤二糖水解酶（Cellobiohydrolase，CB）、β-1,4-木糖苷酶（β-1,4-Xylosidase，BX）、酸性磷酸酶（Acidphosphatase，AP）、蛋白酶（Leucineaminopeptidase，LAP）、酚氧化酶（Phenoloxidase，PHE）、过氧化物酶（Peroxidase，PER）活性[16]。

采用氯仿熏蒸浸提法测定微生物生物量碳、氮[17]。

运用Excel 2013整理数据，土壤酶活性、微生物量和无机氮含量加权平均值的计算参照王理德的方法[7]。用SigmaPlot 10.0作图，SPSS 19.0进行方差分析及相关分析。

2 结果与分析

2.1 泡核桃林土壤酶活性的变化

由表1可知，喀斯特地区不同种植年限泡核桃林土壤酶活性均随着土层深度的增加而降低，显示出明显的“表聚现象”：0～10 ＞ 10～20 ＞20～30 cm，如种植5年表层的CB、AP及LAP活性分别为20～30 cm土层的8.67、4.91、5.85倍。随着种植年限的增加，AG活性呈波动式变化，在种植6年后，AG活性的加权平均值最大且显著大于其他种植年限；BG活性随着种植年限的增加先升高后降低，在种植4、5年的BG活性显著高于种植6、7年；CB活性先升高后降低，种植4 年的CB活性最低且显著低于其他种植年限；BX活性呈波动式变化，种植5年的BX活性显著高于其他种植年限；AP活性呈波动式变化，种植5年的AP活性显著低于其他年限，种植6年的AP活性则显著高于其他年限；LAP活性先升高后降低，种植5、6年的BG活性显著高于种植4、7年，且种植4年的LAP活性最低且显著低于其他年限；PHE活性先升高后降低，种植5年的PHE活性显著高于其他年限，种植7 年的PHE活性则显著低于其他年限；PER活性呈波动式变化，种植6年的PER活性显著高于其他年限，种植7年的PER活性则显著低于其他年限。

2.2 泡核桃林土壤微生物生物量碳、氮的变化

由表2可知，不同种植年限不同土层的土壤微生物量碳氮含量均随着土层深度的增加而显著降低，显示出明显的“表聚现象”，即0～10 ＞10～20 ＞ 20～30 cm。针对不同种植年限土壤微生物量碳氮的变化，微生物量碳含量的加权平均值随着种植年限的增加呈先增加后降低的趋势，种植4年的微生物量碳含量最低且显著低于其他年限；微生物量氮含量随着种植年限的增加而增加，种植5、6、7年的微生物量氮含量差异不显著，种植4年的微生物量氮含量极显著低于其他年限处理。

2.3 泡核桃林土壤无机氮的变化

由表3可知，不同种植年限不同土层的土壤铵态氮及硝态氮含量均随着土层深度的增加而降低，显示出明显的“表聚现象”，即0～10 ＞10～20 ＞ 20～30 cm。针对不同种植年限土壤铵态氮及硝态氮含量变化，铵态氮含量加权平均值随着种植年限的增加呈波动式变化，种植5年的铵态氮含量最高且显著高于其他年限；硝态氮含量随着种植年限的增加呈先增加后减少的趋势，种植6年的硝态氮含量最高且显著高于其他年限，种植4年的硝态氮含量最低且显著低于其他年限。

表1 不同种植年限泡核桃林的土壤酶活性Table 1 Soil enzyme activity in the Juglans sigillata forest with different planting years（nmol/g·h）

2.4 泡核桃林土壤酶活性、微生物生物量及无机氮的相关性

对喀斯特地区泡核桃林土壤酶活性、土壤微生物量及无机氮进行相关分析，结果（表4）显示，微生物量碳与CB和LAP呈极显著正相关、相关系数达0.9以上，与其他酶无显著相关；微生物量氮与CB呈显著正相关，与LAP呈极显著正相关，与其他酶无显著相关。土壤铵态氮与AG、AP呈显著负相关，与LAP呈显著正相关，与BX呈极显著正相关，相关系数达0.952，与其他酶无显著相关；硝态氮与CB、LAP呈极显著正相关，相关系数达0.9以上，与其他酶无显著相关。

土壤微生物量与无机氮之间的相关性分析结果表明，微生物量碳与铵态氮呈显著正相关，与硝态氮呈极显著正相关，相关系数达0.946；微生物量氮与铵态氮呈显著正相关，与硝态氮呈极显著正相关。

表2 不同种植年限泡核桃林的土壤微生物生物量Table 2 Soil microbial biomass in the Juglans sigillata forest with different planting years（mg/kg）

表3 不同种植年限泡核桃林的土壤无机氮含量Table 3 Soil inorganic nitrogen content in the Juglans sigillata forest with different planting years（mg/kg）

表4 各指标间的相关性Table 4 Correlation analysis among various indicators

在酶活性相关性分析结果中，AG与BX呈显著负相关，与AP呈显著正相关，与PER呈极显著正相关；BG与AP呈极显著负相关，与PHE呈极显著正相关；CB与LAP呈极显著正相关，相关系数达0.914；BX与AP呈极显著负相关，与PER呈显著负相关；AP与PHE呈显著负相关。微生物量碳与微生物量氮呈极显著正相关，硝态氮与铵态氮无显著相关。

3 讨论

3.1 泡核桃林土壤酶活性的变化规律

土壤酶是土壤生化过程的重要调节者[18]。AG、BG、CB、BX均是参与土壤C循环的关键酶，有助于为微生物、动植物提供养分及能源[19]。AP可将土壤中的有机磷转化成无机磷，以供植物直接吸收，其活性高低可表征土壤的供磷能力[20]。LAP能将土壤中的有机氮（蛋白质等）转化为无机氮（氨基酸等），是参与N循环的关键酶[21]。PHE和PER是加强腐殖质合成的氧化酶，其活性大小可以表征土壤的解毒能力，活性越高，土壤的解毒能力越强；相反，该氧化酶活性较低时，土壤中容易积累有害物质，从而对植物有毒害作用[22]。有研究表明，土壤酶活性随着植物种植年限的增加有明显的变化。在比较喀斯特地区4个不同种植年限样地的土壤酶活性可以看出，种植4年的BG活性较强，种植5年的BG、CB、BX、LAP、PHE活性较强，种植6年的AG、CB、AP、LAP、PER活性较强，种植7年的酶活性整体偏弱，其中AG、BG、PHE、PER活性较弱，CB、BX、AP、LAP活性居中。这与郑真[23]研究得出的土壤过氧化氢酶及磷酸酶等活性随着种植年限的增加而增加的结果略有不同。与杜俊龙[24]研究得出的部分结果有相似之处：不同种类土壤酶活性随着枣树种植年限的增加有不同的变化规律，有的随之增大或降低，有的先增加后降低，引起这些差异的原因可能与土壤类型、作物种类、水肥管理方式等有关[22]，具体原因仍需进一步探索。本研究结果表明，喀斯特地区种植4、5年的泡核桃林BG活性较强，土壤在活性较强的BG催化下，将有机碳复合物降解成糖类，有助于为土壤微生物提供重要的能源；种植5、6年的泡核桃林中，参与土壤碳氮磷循环的土壤酶活性均有不同程度地提高，分解有机质、有机氮及磷的能力增强，从而促进泡核桃对碳氮磷能源的吸收及利用，林下土壤熟化程度及肥力水平进一步提高，为来年结果提供理想的土壤条件。种植5、6年的泡核桃林土壤氧化酶活性较高，说明该时期土壤的解毒能力较强；种植7年的土壤酶活性整体偏弱，土壤供氮及磷的能力偏弱，解毒能力较低。

总体来看，种植5、6年的酶活性普遍较高，种植4、7年的酶活性较低。不同种植年限泡核桃林下土壤酶活性的差异可能与泡核桃不同生长时期对土壤养分需求的差异有关[22]。2012—2019年，泡核桃的施肥方式均为环状沟施肥，每年施肥2次，每株深施有机肥2.5 kg左右。在泡核桃的生长期期间，随着泡核桃种植年限的增加，酶活性逐渐增大。这是由于种植泡核桃施用的有机肥加快了土壤熟化进程，同时改善了土壤环境，为土壤微生物的生长提供了充裕的能源物质，从而促进土壤酶活性的提高。种植7年的泡核桃处于生长结果期，结果量增多，此时果实等生殖器官生长较旺盛，泡核桃的结果期消耗的土壤养分增多，土壤养分的输出大于输入，从而造成土壤的孔隙度减小，削弱了土壤和外界的交换作用，不能给微生物提供足够能源物质而导致土壤酶活性下降。此外，泡核桃与凋落物分解后形成的氢氰酸和苯甲酸等酚酸类物质，这类物质的不断累积会破坏土壤的生态环境；该地区长期种植同一种植物并重复施肥，土壤养分较单一，植物对养分的需求不足且缺少互补性，致使土壤养分失衡，抑制了微生物的生长繁殖[25]，从而导致种植7年的酶活性总体较低。

3.2 泡核桃林土壤微生物生物量碳、氮的变化规律

土壤微生物量碳是土壤有效碳库的重要组分，能综合体现土壤能量循环、养分的运输及转移状况。土壤微生物量氮是土壤中非常活跃的有机态氮，在植物的生长发育过程中起重要的作用[26]。在比较喀斯特地区不同种植年限泡核桃林样地的土壤微生物量可以看到，种植4年的土壤微生物量碳氮含量的加权平均值均最低；种植5、6年的土壤微生物量碳含量加权平均值较高，微生物氮含量也较高；种植7年的土壤微生物量碳含量居中，微生物氮含量较高。说明泡核桃经过5～6年的生长，林下土壤肥力水平达到了较好的状态，为来年坐果提供较好的土壤生理环境。另外，种植年限为6年左右的泡核桃长势明显好于种植初期，落入土壤的枯枝落叶较多，有机质等土壤养分明显增加，因此土壤微生物量碳及氮含量增加明显。泡核桃经种植7年后开始结果，此时果实等生殖器官生长较旺盛，植物内源激素发生适应性改变。土壤微生物量碳在土壤有机质组成成分中是最活跃的部分，也最容易发生变化[23]。土壤微生物量碳在种植7年时下降，可能与泡核桃结果时期的植物激素改变有关。另外，土壤微生物量氮含量与土壤供氮水平密切相关，能综合体现土壤微生物类群对氮素的矿化及固持作用[26]。种植5、6、7年的土壤微生物量氮含量均较高，可能是因为处于生长结果期初期的泡核桃对氮素的需求较大。

3.3 泡核桃林土壤无机氮的变化规律

土壤中的铵态氮以土壤胶体离子的形式存在，而硝态氮主要以离子的形式存在，移动性较强，空间变异性大，比铵态氮具有更大的不稳定性[27]。在比较喀斯特地区4个不同种植年限泡核桃林样地的土壤铵态氮及硝态氮含量可以看到，铵态氮含量随着种植年限的增加呈波动式变化，说明铵态氮含量受植物的种植年限的影响不明显，可能原因是铵态氮易被植物吸收利用，以土壤胶体离子形式存在的铵态氮不易在土壤中流失，具有一定的稳定性[27]，所以该区泡核桃种植年限的增加对铵态氮含量的影响不大。硝态氮含量随着种植年限的增加而先增加后减少，种植6年的硝态氮含量最高。在泡核桃种植4～6年期间，泡核桃的硝态氮含量逐年增多，这是由于种植泡核桃施用的有机肥加快了土壤熟化进程，同时改善了土壤环境，进而促进硝态氮含量的增加。种植6年的泡核桃处于初结果期，此时长势明显好于种植初期，落入土壤的枯枝落叶增多，硝态氮明显增加。泡核桃种植7年后结果量增多，结果时期营养器官的生长劣于种植5、6年，土壤表层的枯枝落叶有一定程度的减少；另外，处于结果初期的泡核桃需要更多的营养物质，消耗的土壤养分增多，土壤养分供不应求，土壤肥力下降，因此硝态氮含量也相应地降低。

3.4 不同土层对土壤酶活性、微生物生物量及无机氮的影响

在土壤层次上，喀斯特地区不同种植年限泡核桃林土壤酶活性、微生物量碳氮及铵态氮及硝态氮含量均随着土层深度的增加而降低，并且土壤表层的酶活性、微生物量碳氮及铵态氮及硝态氮含量在3个土层中所占的比例较大，具有明显的“表聚现象”，这与孙永磊等[28]、曾全超等[29]、戴腾飞等[30]的研究结果一致。这是由于研究区有少量的枯枝落叶在土壤表层积累，土壤表层的凋落物及细根腐化后，表层土壤的有机物质相对较高，可以为土壤微生物提供优良的生态环境，这使得微生物代谢旺盛，微生物量碳氮含量明显增多。另一方面，土壤表层的通气性能和水热条件较好，其中的动植物及微生物的种类和数量比较丰富，生物的生理活性增强给表层土壤增加了更多的酶[31]。而更深一层的土壤酶活性较低，这可能与喀斯特石漠化地区土壤特性有关，该区水土流失较严重，导致土壤地表面临时性干旱较严重。因此自然降雨带来的水只能储藏在土壤表层，随着土层深度的不断增加，土壤水分明显减少，温度显著降低，土壤孔隙度变小，深层土壤的水、气和热等条件较差，影响了微生物的代谢产酶能力，使得土壤酶活性降低[32]。另外，因为土壤氮素主要来源于土壤表层的凋落物，表层的氮素随着水等介质向深层土壤转移扩散，所以铵态氮及硝态氮含量从表层到深层逐渐降低。

3.5 泡核桃林土壤酶活性、微生物生物量及无机氮的相关性

土壤酶活性、微生物量和无机氮在一定程度上可以反映土壤的肥力及生产力水平[33]。喀斯特地区泡核桃林土壤酶活性、微生物量和无机氮之间有不同程度的相关性。尤其是AP与BG、BX，LAP与CB、微生物量碳、微生物量氮、硝态氮，硝态氮与CB、微生物量碳、微生物量氮等，均存在极显著的相关性。土壤酶活性、微生物量和无机氮在土壤熟化的过程中起重要作用，且三者之间密切配合、相互作用[34]。LAP是参与N循环的关键酶。微生物量氮与LAP活性呈极显著正相关，说明土壤中存在固氮微生物，固氮微生物有助于土壤氮素的固定，从而为蛋白酶提供了底物，蛋白酶的活性进而得到提高，促使土壤有机氮转化为无机氮，无机氮供土壤微生物吸收后转化成微生物量氮，形成了一个氮素循环[35]。

4 结论

土壤生态系统的演变是一个复杂且缓慢的物质代谢循环及能量流动的过程。在喀斯特地区泡核桃造林的过程中（4、5、6、7年），土壤质量有一定的提高，对喀斯特石漠化治理有一定的作用。泡核桃林土壤酶活性、微生物量和无机氮含量均随着土层深度的增加而降低，且两两之间均具有不同程度的相关性。在泡核桃种植5、6年后，土壤肥力及熟化程度较高，此时泡核桃的营养器官生长较旺盛。种植7年后的泡核桃处于生长结果期，此时土壤总体的酶活性、微生物量和无机氮含量较前一年低，肥力水平下降。泡核桃种植7年后进入结果期，林下土壤水分及养分要求更加严格，此时应更加注重泡核桃的水肥管理，适量增加施肥量。该研究的时期范围仅为泡核桃的生长期及结果期，盛果期乃至衰老更新期也是研究的重点，盛果期及衰老更新期的微生物、酶活性及养分的年际变化有待进一步研究。