南亚热带乡土阔叶树种和桉树人工林土壤酶活性分析

席守鸿，王玉凤，谭 玲，覃 林

（广西大学林学院 广西森林生态与保育重点实验室，广西南宁 530004）

土壤酶参与土壤有机质的分解和养分转化，在土壤生态系统的物质循环与能量流动中发挥关键作用[1-3]。土壤酶主要来源于土壤微生物、植物根系及动物和动植物残体的分泌或释放[4]，其活性与土壤生物和理化性质密切相关。用于评估土壤有机质转化的土壤酶主要包括参与纤维素分解的水解酶（纤维素酶等）和介导关键生态系统功能（木质素降解、腐殖化和碳矿化等）的氧化酶（蔗糖酶等）[5-6]，参与氮（脲酶、蛋白酶等）和磷（磷酸酶等）循环的酶也经常被用来评估不同环境下土壤氮和磷循环的潜在差异[7]。研究发现，由于凋落物数量与质量、根系分泌物产量和土壤理化性质差异显著，针叶林与阔叶林土壤微生物群落的生物量和组成差异显著[8-9]，针叶林与阔叶林的土壤酶活性明显不同[10]。关于不同阔叶树种林地间土壤酶活性差异的研究较少。

中国南亚热带地区长期经营马尾松（Pinus massoniana）和杉木（Cunninghamia lanceolata）等乡土针叶人工林，近30年来又大规模营造外来阔叶速生桉树（Eucalyptusspp.）人工林，为满足国家木材需求和地方经济发展做出了巨大贡献。长期多代连栽针叶人工林造成该地区林分生产力下降、生物多样性减少和病虫害日益严重等诸多生态问题[11]，营建桉树人工林导致的土壤肥力衰退和环境污染问题也越来越明显[12-13]。为实现森林多功能经营，采用具有不同生物学特性的红锥（Castanopsis hystrix）、西南桦（Betula alnoides）、米老排（Mytilaria laosensis）、火力楠（Michelia macclurei）和格木（Erythrophleumfordii）等乡土阔叶树种造林，成为该地区人工林经营的发展趋势[14]。近年来，乡土阔叶树种与外来速生阔叶桉树人工林的土壤生态功能已引起普遍关注。覃林等[15]探讨南亚热带地区红锥、米老排、火力楠和山白兰（Paramichelia bailonii）4 种乡土阔叶人工林及桉树人工林不同土层（0 ～20、20 ～40 和40 ～60 cm）土壤微生物生物量氮与可溶性氮特征；覃鑫浩等[16]分析南亚热带地区3 个乡土阔叶树种（红锥、米老排和火力楠）人工林和尾巨桉（E.urophylla×E.grandis）人工林对土壤（0 ～20 cm 土层）细菌群落多样性的影响。目前，对该地区乡土阔叶树种人工林与桉树人工林土壤酶活性的研究较少，没有清晰的关于乡土阔叶树种人工林与桉树人工林土壤酶活性差异的论断。

本研究以4 种乡土阔叶树种（红锥、米老排、火力楠和山白兰）人工林和尾巨桉人工林为研究对象，分析各林分不同土层（0 ～20、20 ～40 和40 ～60 cm）土壤酶活性的差异，并结合土壤理化性质及微生物生物量碳和氮探讨影响林分土壤酶活性的主导因子，以期为南亚热带地区不同阔叶树种人工林土壤生态功能评价提供科学依据，为该地区人工林营建的树种选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西凭祥市中国林业科学研究院热带林业实验中心伏波试验场（106°51′～106°53′E，22°02′～22°04′N），海拔430 ～680 m。该地属南亚热带季风型半湿润-湿润气候，干湿季节明显（10月— 翌年3月为干季，4— 9月为湿季）；年均气温20.5 ～21.7 ℃，年均降水量1 200 ～1 500 mm，年均蒸发量1 261 ～1 388 mm，空气相对湿度80% ～84%；地带性土壤为花岗岩发育而成的山地红壤，土层厚度＞80 cm[17]。

2014年8月，在研究区选择立地条件相近和经营措施相似的红锥（CHP）、米老排（MLP）、火力楠（MMP）和山白兰（PBP）人工林及尾巨桉人工林（EUGP）（表1）。所有人工林均在杉木人工林皆伐迹地上种植，初植密度均为2 500 株/hm2。红锥人工林于1983年营造，1993、2003 和2008年间伐（间伐强度均为30%），林下灌木主要有杜茎山（Maesa ja-ponica），草本植物主要有铁线蕨（Adiantum capillusveneris）。米老排、火力楠和山白兰人工林于1981年营造，1993 和2003年间伐（间伐强度均为30%）；米老排林下灌木和草本植物极少；火力楠林下灌木稀少，草本植物主要有山鸡谷（Neohusnotia Acroceras）、贯众（Dryopteris crassirhizoma）、铁线蕨、金毛狗（Cibotium barometz）和蔓生莠竹（Microstegium vagans）；山白兰林下灌木主要有糙叶榕（Ficus irisana）、悬钩子（Rubus corchorifolius）和三叉苦（Evodia lepta），草本植物主要有节节花（Alternanthera sessilis）和蔓生莠竹。尾巨桉人工林于2008年营造，之后未进行经营活动，林下灌木主要有糙叶榕和火炭母（Polygonum chinense），草本植物主要有节节花和蔓生莠竹。

表1 林分概况Tab.1 General information of stands

1.2 样地设置与样品采集

在每种林分中，随机设置3 个20 m×20 m 的样地（各样地间距至少20 m），在每个样地的对角线上随机选取3 个点，挖取0 ～20、20 ～40 和40 ～60 cm土壤剖面，同层土壤充分混合后按四分法取土壤样品，共计45个土壤样品。将各土壤样品装入聚乙烯保鲜袋并用生物冰袋保存运回实验室，分为两份；一份放入4 ℃冰箱保存，用于测定土壤酶活性及微生物生物量、铵态氮和硝态氮含量；另一份自然风干，用于测定土壤化学性质。在各土层用环刀（容积100 cm3）和铝盒取样，分析土壤物理性质。

1.3 指标测定

土壤含水量采用烘干法测定；土壤容重和孔隙度采用环刀法测定。土壤pH 值采用电位法测定（水∶土=2.5∶1）（Prtavo 907 MULTI pH，德国）；有机碳含量采用Multi N/C 3100 TOC 分析仪（Analytik Jena，德国）测定；全氮含量采用H2SO4-HClO4 消解后SmartChem 200 全自动化学元素分析仪（Alliance，法国）测定。土壤铵态氮和硝态氮含量分别采用扩散法酚和二磺酸比色法测定；速效磷含量采用钼锑抗显色法测定；速效钾含量采用火焰光度计法测定[18]。

土壤脲酶、蛋白酶、磷酸酶、蔗糖酶和纤维素酶5 种酶活性分别采用靛酚蓝比色法、Folin 试剂比色法、磷酸苯二钠比色法、3,5-二硝基水杨酸比色法和3,5-二硝基水杨酸比色法测定[19]。土壤微生物生物量碳和氮含量采用氯仿熏蒸浸提法，并使用Multi N/C 3100 TOC分析仪（Analytik Jena，德国）测定[20]。

1.4 数据处理

采用SPSS 26.0 软件对不同林分类型不同土层的土壤理化性质、微生物生物量碳和氮含量及酶活性进行双因素方差分析（Two-way ANOVA）及Duncan多重比较。采用Pearson分析法探讨土壤酶活性与土壤理化性质及微生物生物量碳和氮的相关性。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质及微生物生物量碳和氮含量的变化

林分类型对土壤含水量、容重、pH、铵态氮、速效磷和速效钾含量均影响极显著（P＜0.01），对全氮含量影响显著（P＜0.05），对其他指标均影响不显著（表2）。土壤含水量在0 ～20 cm 土层表现为5 个林分间均差异不显著；在20 ～40 和40 ～60 cm 土层均表现为尾巨桉林显著高于其他林分（P＜0.05），红锥林最小（图1a）。土壤容重在0 ～20 和40 ～60 cm 土层表现为5 个林分间均差异不显著；在20 ～40 cm土层表现为尾巨桉林显著低于其他林分（P＜0.05），其他林分间均差异不显著（图1b）。土壤pH 在各土层均表现为尾巨桉林与红锥林差异不显著，两者均显著高于其他林分（除20 ～40 cm 米老排林）（图1c）。土壤全氮含量在0 ～20和40 ～60 cm土层表现为5个林分间均差异不显著；在20 ～40 cm土层表现为红锥林显著高于米老排林和尾巨桉林（P＜0.05）（图1e）。土壤铵态氮含量在各土层均表现为红锥林显著低于其他林分（除40 ～60 cm 土层火力楠林）（P＜0.05），其他林分间均差异不显著（图1f）。土壤速效磷含量在各土层均表现为尾巨桉林显著低于其他林分（P＜0.05）（图1h）。土壤速效钾含量在0 ～20 cm 土层表现为火力楠林和山白兰林显著高于其他林分（P＜0.05）；在20 ～60 cm 土层表现为山白兰林和尾巨桉林显著高于其他林分（P＜0.05）（图1i）。

表2 土壤理化性质及微生物生物量碳和氮含量双因素方差分析Tab.2 Two-way ANOVA of soil physicochemical properties and contents of microbial biomass carbon and nitrogen

图1 土壤理化性质及微生物生物量碳和氮含量的差异Fig.1 Comparison on soil physicochemical properties and contents of microbial biomass carbon and nitrogen

土层对土壤pH 及有机碳、铵态氮、速效磷、速效钾、微生物生物量碳和氮含量均影响极显著（P＜0.01）。5 个林分的土壤pH 值均随土层加深呈上升趋势，其他6 个土壤参数（有机碳、铵态氮、速效磷、速效钾、微生物生物量碳和氮含量）均呈下降趋势（图1）。林分与土层交互作用仅对土壤含水量和铵态氮含量影响显著（P＜0.05）。

2.2 土壤酶活性差异

林分类型对土壤脲酶、磷酸酶活性影响显著（P＜0.05），对蔗糖酶活性影响极显著（P＜0.01），对蛋白酶及纤维素酶活性影响不显著（表3）。土壤脲酶活性在0 ～40 cm 土层表现为5 个林分间均差异不显著；在40 ～60 cm 土层表现为尾巨桉林显著高于米老排林（P＜0.05）。土壤磷酸酶活性仅在0 ～20 cm 土层差异显著，表现为尾巨桉林显著低于山白兰林（P＜0.05）。土壤蔗糖酶活性在0 ～20 cm 土层表现为尾巨桉林显著低于其他林分（P＜0.05），其他林分间均差异不显著；在20 ～40 cm 土层表现尾巨桉林显著低于米老排林（P＜0.05）；在40 ～60 cm土层表现为5 个林分间均差异不显著。4 个乡土阔叶树种人工林各土层的脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性均差异不显著。

表3 土壤酶活性差异Tab.3 Comparison on soil enzyme activities

土层对5 种土壤酶活性均有显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01）影响；5 种土壤酶活性均随土层加深呈下降趋势，具有明显的垂直分布特性。林分与土层交互作用仅对土壤蔗糖酶活性影响显著（P＜0.05）。

2.3 土壤理化性质及微生物生物量碳和氮含量对土壤酶活性的影响

土壤有机碳和速效磷含量与5种土壤酶活性均呈极显著正相关（P＜0.01）；pH 与磷酸酶、蔗糖酶和纤维素酶活性均呈极显著负相关（P＜0.01）；铵态氮含量与磷酸酶活性呈显著正相关（P＜0.05），与蔗糖酶活性呈极显著正相关（P＜0.01）；速效钾含量与脲酶和磷酸酶活性均呈显著正相关（P＜0.05）；土壤微生物生物量碳和氮含量与脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性均呈极显著正相关（P＜0.01）（表4）。

表4 土壤酶活性与土壤参数的Pearson分析Tab.4 Pearson analysis on soil enzyme activities and soil parameters

3 讨论与结论

土壤酶是有机物分解的催化剂，与土壤肥力的形成和转化关系密切，可有效指示土壤质量和健康状况[22-23]。土壤脲酶是将土壤中有机氮转化为植物和微生物可利用无机氮的重要催化剂,其活性直接影响土壤中氮转化的强度和土壤的供氮水平[24-25]。土壤脲酶对氮的作用方式在不同生态系统中有一定差异,其活性可能与基质中的养分浓度和有效性联系密切[26]。研究表明，土壤脲酶活性与土壤有机质含量呈显著正相关[27-28]。本研究显示，土壤脲酶活性与土壤有机碳、速效磷、速效钾及微生物生物量碳和氮含量均呈显著或极显著正相关。尾巨桉人工林40 ～60 cm 土层的脲酶活性高于4 个乡土阔叶树种人工林，说明尾巨桉人工林40 ～60 cm 土层的供氮能力强于4 个乡土阔叶人工林，可能是因为尾巨桉人工林该土层的有机碳含量显著高于4个乡土阔叶树种人工林。土壤蔗糖酶可将蔗糖分子水解成容易被植物和土壤微生物吸收利用的葡萄糖和果糖，研究土壤蔗糖酶活性对了解土壤碳素循环有重要意义[29]。本研究显示，土壤蔗糖酶活性与土壤有机碳、铵态氮、速效磷及微生物生物量碳和氮含量均呈极显著正相关，与pH 呈极显著负相关。尾巨桉人工林0 ～20 cm 土层的蔗糖酶活性显著低于4 个乡土阔叶树种人工林，可能是因为尾巨桉人工林0 ～20 cm 土层的速效磷含量显著低于4 个乡土树种人工林，而pH 高于4 个乡土阔叶树种人工林。基于土壤蔗糖酶活性表征土壤有机碳积累与分解转化规律[30]，该结果说明4 个乡土阔叶树种人工林0 ～20 cm 土层的土壤有机碳矿化能力优于尾巨桉人工林。土壤磷酸酶能催化磷酸酯或磷酸酐的水解反应，直接影响土壤中有机磷的分解转化及其生物有效性，其活性是反映土壤有机磷矿化潜力的一个重要指标[31-32]。本研究显示，土壤磷酸酶活性与土壤有机碳、铵态氮、速效磷、速效钾及微生物生物量碳和氮含量均呈显著或极显著正相关，与pH呈极显著负相关。尾巨桉人工林0 ～20 cm 土层的磷酸酶活性显著低于山白兰人工林，可能是因为尾巨桉人工林该土层的pH 显著高于山白兰人工林，而速效磷和速效钾含量显著低于山白兰人工林。张立芳等[33]研究也发现，北京八达岭林场的糠椴（Tilia mandshurica）、黑桦林（Betula dahurica）和核桃楸（Juglans mandshurica）天然次生林的土壤磷酸酶活性与速效磷和速效钾含量呈显著正相关。4 个乡土阔叶树种人工林0 ～60 cm 土层的磷酸酶活性均高于尾巨桉人工林，有利于其土壤的有机磷向无机磷转化，可以推测在研究地区营造乡土阔叶树种人工林可减少磷肥的施用量。

本研究中，5 个林分的土壤脲酶、蛋白酶、磷酸酶、蔗糖酶和纤维素酶活性均随土层加深呈下降趋势，这与已有研究结果一致[34-36]。5种土壤酶活性均与土壤有机碳和速效磷含量呈极显著正相关，土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖活性均与土壤微生物生物量碳和氮含量呈极显著正相关，各林分的土壤有机碳、速效磷及微生物生物量碳和氮含量均随土层加深呈下降趋势，因此林分各土壤酶活性均呈土壤剖面垂直递减分布。已有研究也发现，随土层加深，土壤养分含量降低，不利于土壤微生物繁殖，深层土壤微生物生物量碳和氮含量较低[30,37-38]。

土壤酶作为土壤微生物群落功能的评价指标[39]，其活性受微生物群落组成的影响。康凯等[40]研究显示，桉树林土壤真菌与蔗糖酶、脲酶、蛋白酶及过氧化氢酶活性均呈显著正相关，放线菌与过氧化氢酶和蛋白酶活性呈显著正相关；You 等[10]研究发现，我国亚热带地区两个阔叶树种（红锥和米老排）人工林土壤碳代谢酶（β-葡萄糖苷酶、纤维素水解酶）、氮代谢酶（β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶）和磷代谢酶（酸性磷酸酶）活性明显高于针叶树种马尾松人工林，可能是因为阔叶与针叶林间土壤微生物群落组成有差异。有研究表明，季节变化是影响土壤酶活性的重要因素[41-42]；段春燕等[36]研究发现，广西北部低山丘陵地区1 ～5年生桉树人工林土壤酶活性随季节变化表现为夏季与秋季活性较高，春季和冬季活性较低。本研究中4个乡土阔叶人工林与尾巨桉人工林土壤酶活性的差异，是否受土壤微生物群落组成和季节的影响有待进一步探究。

本研究中，红锥、米老排、火力楠和山白兰4 个乡土阔叶树种人工林间土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性均差异不显著，与尾巨桉林间的差异依土层而异。总体而言，4 个乡土阔叶树种人工林土壤有机碳矿化和有机磷向无机磷转化的能力强于尾巨桉人工林。基于土壤酶活性的视角，为实现南亚热带地区森林多功能经营，选择造林树种时可优先考虑乡土阔叶树种。