寒温带林区不同林型土壤酶活性和微生物生物量的变化特征1)

张宏伟 崔晓阳 郭亚芬

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

土壤酶主要来源于微生物、植物根系及土壤动物的分泌释放[1]，通过酶促反应打破土壤有机质的复杂结构，将复杂化合物转化为简单化合物，以供微生物分解利用[2]。土壤酶直接参与土壤物质循环和能量流动，包括各种有机质的分解与合成、土壤养分的固定与释放，调控土壤碳、氮的周转速率，是土壤生态系统代谢的重要动力[3]，可以作为衡量生态系统土壤质量变化的敏感指标。土壤微生物生物量，指土壤中体积小于5 000 μm3的生物总量，不包括活的植物体，是活的土壤有机质部分，是反映土壤碳循环变化的重要指标[4]。森林土壤微生物生物量碳、氮，作为森林生态系统的活性成分，是森林生态系统碳、氮循环不可或缺的成分[5-6]，是土壤养分的重要“源”和“库”[7]，常被用于评价土壤质量的生物学性状[8]，且其对土壤环境条件变化敏感，能在短时间内发生大幅度变化，因而土壤微生物生物量的大小，可以作为判断土壤生态系统功能变化的敏感指标[9]。土壤微生物生物量受气候、土壤、植被、地形等因子的显著影响，即使在相同的气候条件和土壤类型，季节变化和土壤水热条件的差异，也对土壤微生物量产生很大的影响。胡嵩等[10]研究表明，白桦中龄林和白桦成熟林的微生物生物量碳和微生物熵，均高于白桦幼龄林、白桦中幼龄林和白桦过熟林，中龄林和成熟林的纤维素等酶活性也高于其他林型。赵盼盼等[1]研究表明，海拔梯度对淀积层土壤酶活性的影响整体较小；在淋溶层土壤中，随海拔升高，纤维素水解酶显著降低；微生物生物量碳，随海拔升高有下降趋势。曹瑞等[11]对高山峡谷的土壤研究表明，土壤微生物生物量和土壤酶，与土壤含水量、有机碳和全氮呈极显著正相关。因而，研究土壤酶活性和土壤微生物生物量随不同林型的变化特征，对于探索环境因子对森林土壤生态过程的影响具有重要意义。

大兴安岭是我国重要的国有林区，也是我国唯一的高纬度寒温带地区，低温时间漫长寒冷，炎热时间短暂湿热，昼夜温差较大，月平均气温在0 ℃以下的月份长达8个月。近年来，已有学者对大兴安岭兴安落叶松林下植被及养分特征[12]、天然林土壤的活性碳[13]、森林火烧恢复年限对土壤磷的有效性[14]、天然针叶林土壤氮矿化[15]等方面进行了相关研究，但对不同林型土壤酶活性和微生物生物量变化特征的比较研究较少。为此，本研究以大兴安岭寒温带林区杜香-落叶松林、杜鹃-落叶松林、杜鹃-白桦林、偃松林的4种林型为研究对象，分析不同林型对寒温带林区土壤微生物生物量和酶活性的影响、该地区典型林型土壤微生物生物量和酶活性的变化规律、大兴安岭不同林型土壤酶活性和微生物生物量与环境因子之间的关系，探索土壤酶活性和土壤微生物生物量随不同林型的变化特征。

1 研究区概况

研究区设在大兴安岭高寒区(122°42′14″～123°18′5″E、51°17′42″～51°56′31″N)黑龙江呼中国家级自然保护区内，是我国目前保存比较典型且完整的寒温带针叶林生态系统之一。寒温带大陆性季风气候，季节温差较大，低温时间漫长寒冷，炎热时间短暂湿热且有大量积雪，春秋两季明显，一年四季和昼夜温差较大。保护区平均气温为-4 ℃左右，年极端最低气温-47.4 ℃，最高气温32 ℃。年平均降水量458.3 mm，年蒸发量平均为911 mm，平均相对湿度71%，无霜期90 d左右。区内森林植被按海拔从低到高依次为：

杜香-落叶松(Ledumpalustre-Larixdahurica)林——海拔400～600 m，林下土壤类型为表潜棕色针叶林土，林龄为90～120 a的原始林。林下主要树种为细叶杜香(Ledumpalustre)、笃斯越橘(Vacciniumuliginosum)、地衣(Lichen)、泥炭藓(Herbasphagni)。

杜鹃-落叶松(Rhododendrondauricum-Larixdahurica)林——海拔620～700 m，林下土壤为典型棕色针叶林土，林龄为90～120 a的原始林。林下主要树种为兴安杜鹃(Rhododendrondauricum)、细叶杜香、越橘(Vacciniumvitis-idaea)、东北赤杨(Alnusmandshurica)。

杜鹃-白桦(Rhododendrondauricum-Betulaplatyphylla)林——海拔680～760 m，林下土壤为典型棕色针叶林土，林龄为30～40 a次生林。林下主要树种为兴安杜鹃、细叶杜香、越橘、绣线菊(Spiraeasalicifolia)。

偃松(Pinuspumila)林——海拔850～1 100 m，林下土壤为漂灰土，林龄为90～120 a的原始林。主要树种为偃松。

成土母质均为花岗岩、片麻岩风化的坡积物，4种林型从样地坡底随海拔升高到坡顶呈自然分布。

2 研究方法

2019年9月份，在选好的4个林型中分别设置30 m×30 m的固定样方，在每个样方内随机布设5个1 m×1 m小样区，去除表面凋落物，每个小样区采用“S”型混合采样方法取样。由于研究区土层薄，在10～20 cm，下层由大小不等的石子组成，因此根据土层的厚度把土壤剖面(h)分成0

pH采用电极法测定，V(水)∶m(土)=2.5 mL∶1.0 g；水解性氮采用碱解扩散法测定；全氮通过凯氏定氮仪测定(K9840，济南)；全磷采用钼锑抗比色法测定；全钾采用火焰光度法测定；以上方法参照《土壤农业化学分析方法》[16]。总有机碳使用元素分析仪测定(Elementarvariaio TOC，德国)。土壤酶活性参照关松荫[17]的方法测定；脲酶采用靛酚蓝比色法测定，用1 g土壤在37 ℃下24 h内水解产生氨态氮的量表示(用mg计)；蛋白酶采用茚三酮比色法测定，以24 h后1 g土壤中氨基氮的量表示(用mg计)；天门冬酰胺酶采用扩散法测定，天门冬酰胺酶的活性以24 h后1 g土壤中铵态氮的量表示(用mg计)。土壤微生物生物量，采用改进的氯仿熏蒸-K2SO4浸提方法测定[18]。

所有数据经Excel(2007)整理后，利用SPSS 22.0软件进行统计和方差同质性检验，用单因素方差分析比较各林型间的差异，釆用最小差异法进行差异显著性检验，然后对影响因素进行主成分分析。具体设置：采用主成分提取因子，通过巴特利特球形检验(Bartlett’s Test of Sphericity)以及抽样适应性指数(Kaiser-Meyer-Olkin Measure of Sampling Adequacy)验证相关系数矩阵，通过凯瑟(Kaiser)准则和陡坡检定法(Cattell’s scree test)筛选主因子，最后通过方差最大法(Varimax)对主因子进行旋转分析。

3 结果与分析

3.1 不同林型土壤化学性质的变化特征

由表1可见：4种林型中，0

表1 不同林型土壤的主要化学性质

3.2 不同林型土壤酶活性的变化

由表2可见：0

表2 不同林型土壤酶活性的变化

3.3 不同林型土壤微生物生物量的变化

由表3可见：0

表3 不同林型土壤微生物生物量的变化

3.4 微生物量、土壤酶、土壤化学性质之间的关系

由于指标评价因子的相关性很强，试验可通过降维把多个因子转化成较少的几个互不相关的综合因子，即对pH、全氮、总有机碳、水解性氮、全钾、全磷、土壤酶、土壤微生物生物量进行主成分分析(见表4)。主成分分析能够降低观测空间的维数，以获取主要信息[19]。

表4 4种林型土壤微生物量、土壤酶、土壤化学性质的主成分分析结果

由表4可见：2个主成分的方差贡献率，主成分1为70.07%、主成分2为13.24%；在所提取的2个主成分中，累计方差贡献率为83.30%。全氮、总有机碳、碱解氮、全磷、脲酶、蛋白酶、天门冬酰胺酶、微生物生物量碳氮构成主成分1，主成分1包括多种评价指标，代表4种林型土壤错综复杂的生化反应过程。主成分2则由pH和全钾组成，代表了土壤中潜在的主要驱动因子。4种林型在2个主成分上的得分范围为-0.55～0.49(见表5)，而得分越高则说明在该主成分中重要性越大。

表5 土壤主成分得分及排序

4 讨论

脲酶、蛋白酶、天门冬酰胺酶都是和氮循环密切相关的酶[20]，并且都是水解酶；脲酶能够促进土壤中的尿素水解生成氨和二氧化碳[21]；蛋白酶能够促进蛋白质水解生成各种小分子的含氮化合物；天门冬酰胺酶能促进天门冬酰胺生成天门冬氨酸和氨[17]，作为生物化学过程的重要参与者；它们在生态系统的物质循环和能量流动过程中，发挥着重要作用[11]。本研究中，4种林型海拔由低到高为依次为杜香-落叶松林、杜鹃-落叶松林、杜鹃-白桦林、偃松林；而0

同一林型下，土壤酶活性随着土层深度的增加而减小，这是因为土壤表层养分含量高，酶促底物充足，水热条件和通气状况好，微生物生长旺盛，代谢活跃，呼吸强度加大，而使表层的土壤酶活性较高[11]。随着土层的加深，土壤密度变大，孔隙度变小，根系分布逐渐减少，土壤水、气、热等条件逐渐恶化，限制了土壤微生物的正常活动，从而影响土壤微生物的代谢产酶能力，这些因素的综合作用，使得土壤酶活性随着土层的加深逐渐降低[28]。

土壤微生物生物量对土壤环境因子的变化极为敏感[29]，植被类型以及林分结构的差异影响凋落物组成、土壤微生物代谢底物和林内小气候，导致同一气候带的土壤微生物量也有所差异[30-31]。4种林型微生物生物量碳和微生物生物量氮的质量分数，由大到小依次为杜香-落叶松林、杜鹃-白桦林、杜鹃-落叶松林、偃松林。杨刚等[32]、王国兵等[6]研究表明，次生林的土壤微生物生物量高于成熟林，本研究结果与这些研究结果相近。本研究中，杜鹃-白桦林为30～40 a次生林，处于演替的早期阶段，生态系统代谢旺盛，促进了土壤微生物的生长和繁殖[33]；而杜香-落叶松林海拔较低，土壤温度较高，较高的土壤温度能促进根系生长[34]和微生物繁殖，增加根系分泌物和微生物活性，微生物生物量也随之增加。偃松林下层土壤由大小不等的石子组成，石粒间由黏的土壤颗粒填充，很少有植物根系分布，其土壤微生物转化的养分不能满足植被生长需要[35]；较高的海拔和较低的土壤温、湿度，又限制了土壤微生物的活动，使其生物量相对较低；这种差异是森林类型和环境因子共同作用的结果。含有阔叶树的杜鹃-白桦林的土壤微生物生物量，总体上高于只有针叶树的杜鹃-落叶松林、偃松林，与Marcin et al.[36]的研究结果相似，进一步说明了森林类型和环境因子是影响土壤微生物量的重要因素。与其他3种林型相比，偃松林生长的环境条件相对寒冷，不利于凋落物的分解，且针叶林凋落物中含有单宁、树脂等较难分解的物质[37]，也是导致微生物生物量减少的原因之一。随着土层加深,各林分土壤微生物生物量均逐渐降低，这与王风芹等[38]、何云等[39]对华北刺槐林和台湾桤木林草的研究结果一致。这是因为，随着土层深度的增加，土壤养分含量降低，动植物残体及根系分泌物的营养物质减少，为土壤微生物提供的营养物质减少，不利于土壤微生物的繁殖，使得深层土壤微生物生物量碳、氮质量分数较低[40]。

5 结论

寒温带林区4种不同林型土壤酶活性和微生物生物量存在一定的变异。这种林型间的差异，主要是通过海拔梯度以及土层深度的变化，影响土壤的化学性质和土壤微生物的生长和繁殖，进而影响了4种林型的土壤酶活性以及微生物生物量，2个土层均表现为随着海拔的升高，土壤酶活性和微生物生物量降低；随着土层的加深，土壤酶活性和微生物生物量降低。全氮、总有机碳、碱解氮、全磷对土壤酶和微生物生物量产生了重要影响，pH和全钾代表了土壤中潜在的主要驱动因子。