不同桉树混交林土壤理化性质、酚酸含量与酶活性的差异

罗华龙，刘文祥，杨 梅，叶绍明，程 飞

(1 广西大学 林学院，广西 南宁 530004；2 广西国有七坡林场，广西 南宁 530225)

土壤酚酸类物质是一类含有酚环的有机酸，是植物体内重要的次生代谢产物，主要由胁迫状态下植物的根系分泌。一定量的酚酸物质可以活化根际土壤中的难溶性养分，提高养分元素的有效性，从而促进植物对养分的吸收和利用，但酚酸也是一类化感物质，过度积累则会对种子的萌发和植物的生长产生抑制作用[1]。研究表明，土壤中酚酸的积累量与土地利用方式、作物种类等因素密切相关，这些因素对土壤中酶活性的强弱和酚酸物质的含量及其分布特征具有重要影响[2-3]。作物连作或纯林连栽通常会引起土壤酚酸类物质的富集，影响根际土壤的微生态环境，进而导致土壤微生物数量和酶活性发生变化[4-6]。

土壤酶是具有催化能力的生物活性物质，能够较为全面地反映土壤质量、肥力和环境变化[7]。有研究发现，土壤酶与酚酸类物质会相互影响，二者之间既有促进作用，也有抑制作用。土壤酶会受到植物根系分泌物和动植物残体等分解产生的酚酸类化感物质的影响,而肉桂酸、阔马酸和对羟基苯甲酸等酚酸物质也会受到土壤酶活性的影响[8-9]。土壤酶与酚酸之间复杂的生化作用，会对植物的生长、生理以及土壤环境产生多方面的影响。因此，深入了解不同树种混交后对土壤酚酸物质含量的空间分布特征和酶活性强弱的影响规律，对调控土壤生态系统的养分循环、改善土壤微生态环境具有重要意义。

桉树(Eucalyptus)是桃金娘科(Myrtaceae)植物，具有速生丰产、经营周期短和经济效益高的优点，是我国南方主要的造林更新树种之一，全国桉树人工林的面积已达546万hm2，且还在持续扩大[10]。然而，由于桉树人工纯林长期的经营管理方式不合理，导致林地土壤酸化、生态稳定性变差及林地生产力下降等问题[11]，不利于桉树人工林的可持续发展。营造桉树混交林可以提高森林生物多样性，改善桉树林分结构和树种组成，增加林地凋落物,促进养分循环，从而能够提高土壤肥力。有学者研究发现，桉树分别与厚荚相思(Acaciacrassicarpa)、马占相思(Acaciamangium)混交能提高土壤微生物多样性和土壤脲酶、β-葡萄糖苷酶等的活性，改善土壤质量，有利于桉树大径材的培育[12-13]；桉树与降香黄檀(Dalbergiaodorifera)、格木(Erythrophleumfordii)等豆科树种混交能够有效降低林间土壤表层酚酸类物质含量，提高土壤肥力[14]。可见，混交会引起桉树林地土壤化学生态发生变化，但对土壤酶活性与酚酸物质含量之间相互关系的探讨较为缺乏。本研究以桉树纯林作为对照，分析桉树与豆科树种(降香黄檀、格木)、非豆科树种红锥(Castanopsishystrix)混交对土壤理化性质、酚酸类物质含量和酶活性的影响，以期为揭示酚酸对土壤性质的影响机制及桉树混交树种的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于广西壮族自治区凭祥市中国林科院热带林业实验中心(21°57′-22°19′N，106°39′-106°59′E)，地处低山丘陵区，属南亚热带季风性半湿润-湿润气候，长夏无冬，雨量充沛，干湿季节分明。试验区年均气温20.5～21.7 ℃，年均降雨量1 200～1 500 mm；年均相对湿度80%～84%；土壤类型属于酸性红壤和砖红壤，质地疏松，且铝、铁元素含量丰富，土层深100 cm，腐殖质厚1 cm，土壤湿润、肥沃，适宜林木生长。前作林分为马尾松人工林。试验地于 2013年营造巨尾桉(Eucalyptusgrandis×E.urophylla)纯林及其与红锥、降香黄檀、格木的混交林，株行距为2 m×4 m，混交林中采用垂直等高线混交，其中2列种植桉树，1列种植混交树种，桉树为半年生容器苗，混交树种为1年生容器苗，苗高≥20 cm，地径≥0.3 cm。林地于2013-2015年连续施肥3年，其中2013年施用有机基肥1次(2 kg/株)，之后于2014和2015年的3～5月追施氮磷钾复合肥1次(0.5 kg/株)。

1.2 调查及采样方法

(1)试验设置。在野外调查的基础上，根据立地条件基本一致的原则，在桉树纯林(对照)及桉树与红锥、降香黄檀、格木组成混交林(分别命名为PE、MEC、MED、MEE)中各设3个20 m×20 m样地，样地之间距离相隔10 m。样地基本情况见表1。

表1 不同林分类型桉树样地的基本情况

(2)土壤采集。于2019年12月在每个标准样地中分别选取5株巨尾桉标准木，采集其四周0～20 cm土层中的细根后，采用抖落法收集附着于根系上的土壤作为根际土壤样品，最后将同一林分类型内所有标准木根际土壤充分混合后，采取四分法分为3份，作为3个重复。另外，在每个林分类型的每个标准样地内，沿“S”型路线尽量避开树木根系选择5个采样点，采集0～20 cm土层的土壤作为非根际土壤样品，最后将同一林分类型内所有非根际土样充分混合后，采取四分法分为3份，作为3个重复。所有土样均装于塑封袋做好信息标记，当日带回实验室进行下一步处理。

1.3 测定项目与方法

(1)土壤理化性质。参考文献[15-16]，土壤自然含水率采用烘干法测定，pH值采用电位法测定，有机碳含量采用外热重铬酸钾氧化-容量法测定，全氮含量采用硫酸消煮-扩散法测定，硝态氮含量采用酚二磺酸比色法测定，铵态氮含量采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法测定。

(2)土壤酚酸含量。酚酸含量采用碱液浸提HPLC法[17]测定，使用美国Water髙效液相质谱仪和Water 2487紫外检测器，N2000数据工作站数据处理系统，流动相为乙腈(A)和超纯水(B)，检测波长为 280 nm，柱温 30 ℃，流速为1.1 mL/min。

(3)土壤酶活性。土壤蛋白酶活性使用茚三酮比色法[18]测定，脲酶活性使用苯酚钠-次氯酸钠比色法[19]测定，蔗糖酶活性使用3，5-二硝基水杨酸比色法[20]测定，过氧化氢酶活性使用0.1 mol/mL高锰酸钾滴定法[21]测定，多酚氧化酶活性采用邻苯三酚显色法[22]测定。

1.4 数据处理与分析

数据经Microsoft Excel 2010软件处理后，使用SPSS 26.0软件进行分析，所有数据均为“平均值±标准差”。通过单因素方差分析和独立样本t检验分析不同林型根际与非根际土壤理化性质、酚酸类物质含量和土壤酶活性的差异显著性，并用 Pearson 相关分析法分析土壤理化性质、酚酸类物质含量与土壤酶活性的相关性。使用Canoco5.0 软件对土壤酚酸类物质含量和土壤酶活性的关系进行冗余分析。用Origin 2021b制图。

2 结果与分析

2.1 不同林分类型桉树土壤理化性质的变化

由表2可知，除了MEE外，其他林分类型桉树根际土壤的pH显著低于非根际土壤；4种林分类型根际和非根际土壤的pH均表现为MEE>MED>MEC>PE，可见桉树混交林土壤的pH都高于纯林。4种林分类型桉树根际土壤的自然含水率、有机碳、全氮、硝态氮、铵态氮含量均高于非根际土壤，其中有机碳含量差异均达显著水平。不论是根际土壤还是非根际土壤，桉树混交林的养分含量总体高于纯林。

表2 不同林分类型桉树根际与非根际土壤的基本理化性质

2.2 不同林分类型桉树土壤酚酸物质的变化

由表3可知，4种桉树林分类型的土壤均检测出对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸、香豆酸、苯甲酸、水杨酸6种酚酸。但不同林分的土壤中，6种酚酸含量差异明显，其中对羟基苯甲酸含量最高，其次是香草酸、阿魏酸、香豆酸，苯甲酸和水杨酸含量最低。各林分的根际土壤酚酸总量均显著高于非根际酚酸总量。

由表3可知，在根际土壤中，4种桉树林分的酚酸总量由大到小表现为MEC>MEE>MED>PE， MEC、MED、MEE的酚酸总量分别是PE的1.80，1.33和1.38倍；4种林分类型中，MEC的对羟基苯甲酸、阿魏酸和苯甲酸含量最高，MED的水杨酸含量最高，MEE的香豆酸含量最高，PE的香草酸含量最高。

由表3可知，在非根际土壤中，4种桉树林分的酚酸总量由大到小表现为PE>MED>MEE>MEC， MEC、MED、MEE酚酸总量较PE分别显著降低了36.97%，23.78%和27.74%。4种林分类型中，PE的对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸含量最高，MED的香豆酸、苯甲酸、水杨酸含量最高。

表3 不同林分类型桉树根际与非根际土壤的酚酸含量

2.3 不同林分类型桉树土壤酶活性的变化

不同林分类型桉树根际与非根际土壤的酶活性如图1所示。

图柱上标不同小写字母表示不同林分非根际土壤差异显著(P<0.05)，标不同大写字母表示不同林分根际土壤间差异显著(P<0.05)。*表示同一林分根际与非根际土壤间差异显著(P<0.05)

从图1可以看出，4种林分类型中，蛋白酶、蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶的活性均表现为桉树混交林高于纯林，且根际土壤中这一差异均达显著水平；而非根际土壤中蛋白酶活性差异均达显著水平，蔗糖酶活性MEC和MED显著高于PE，其余酶活性差异不显著。根际土壤多酚氧化酶仅MEC显著高于PE，非根际土壤多酚氧化酶活性混交林显著低于纯林。除纯林的脲酶外，4种林分根际土壤酶活性都高于非根际土壤，其中4种林分的蛋白酶和蔗糖酶，MEE的脲酶，MEC、MED、MEE的过氧化氢酶，MEC、MED的多酚氧化酶的活性根际土显著高于非根际土。由此可知，桉树混交林的土壤酶活性总体高于纯林，且根际土壤的酶活性总体高于非根际土壤。

从图1可以看出， 与PE相比，MEC、MED、MEE根际和非根际土壤蛋白酶活性分别增加了43.29%，30.68%，25.58%和46.80%，31.00%，39.59%，蔗糖酶活性分别增加了42.30%，32.16%，30.12%和38.29%，32.62%，26.70%，2种酶均以MEC的增幅最大；MEC、MED、MEE根际土壤的过氧化氢酶活性较PE增加了30.53%～38.69%，其中以MEC的增幅最大。MEC、MED、MEE根际土壤脲酶活性分别是非根际土壤的1.22，1.23和1.30倍，多酚氧化酶活性分别是非根际土壤的2.62，1.55和1.53倍。桉树混交林非根际土壤多酚氧化酶活性较纯林降低了25.43%～37.86%。可见，4种林分类型中，MEC的土壤酶活性总体较高。

2.4 不同林分类型桉树土壤理化性质、酚酸含量与土壤酶活性的相关性

表4表明，在根际土壤中，土壤酶活性与理化性质总体上呈正相关，其中有机碳、全氮含量与土壤酶的相关系数相对较大，说明土壤养分对土壤酶活性的贡献率较大。在非根际土壤中，蛋白酶活性与pH、全氮、硝态氮含量呈显著正相关关系，与有机碳含量呈极显著正相关关系；而多酚氧化酶活性与土壤理化性质总体上存在负相关关系，其中与pH值、有机碳含量的相关性达显著或极显著水平。

表4 桉树根际与非根际土壤理化性质与酶活性的Pearson相关系数

表5表明，在根际土壤中，除了香草酸、阿魏酸外，其他4种酚酸类物质含量与土壤酶活性存在正相关关系；除了多酚氧化酶之外，其余4种酶活性均与对羟基苯甲酸、香豆酸、苯甲酸、水杨酸含量总体上呈显著或极显著正相关关系；脲酶、过氧化氢酶活性与香草酸含量呈显著负相关关系，多酚氧化酶与阿魏酸呈极显著正相关关系。在非根际土壤中，多酚氧化酶活性与对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸含量呈极显著正相关关系，蛋白酶则与上述3种酚酸存在极显著负相关关系，脲酶、过氧化氢酶活性与对羟基苯甲酸含量分别呈显著和极显著负相关关系，蔗糖酶活性与对羟基苯甲酸、阿魏酸含量呈极显著负相关关系。

表5 桉树根际与非根际土壤中酚酸含量与酶活性的Pearson相关系数

以土壤酶活性作为响应变量，土壤酚酸含量作为解释变量进行冗余分析(RDA)，结果如图2所示。由图2可知，根际土壤中，酚酸对土壤酶活性总的贡献率为80.7%，其中第一轴解释了变量的66.49%，第二轴解释了变量的14.21%；对羟基苯甲酸、阿魏酸是影响根际土壤酶活性的主要因子，其贡献率分别为54.4%和9.5%。非根际土壤中，酚酸对土壤酶活性总的贡献率为75.25%，其中第一轴解释了变量的63.22%，第二轴解释了变量的12.03%；对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸是影响非根际土壤酶活性的主要因子，其贡献率分别为61.4%，9.7%和7.3%。

PBA.对羟基苯甲酸；VA.香草酸；FA.阿魏酸；CA.香豆酸；BA.苯甲酸；SA.水杨酸；PRO.蛋白酶；URE.脲酶；INV.蔗糖酶；CAT.过氧化氢酶；PPO.多酚氧化酶

3 讨 论

3.1 林分类型对土壤理化性质及酶活性的影响

与桉树纯林相比，桉树与红锥、降香黄檀和格木3种阔叶树种混交后其根际与非根际土壤的pH、自然含水率都有所升高，表明桉树混交林有助于缓解土壤酸化，能有效提高林分涵养水源的能力，这与前人的研究结果[23-24]一致。3种混交林的桉树根际和非根际土壤有机碳、全氮、硝态氮、铵态氮含量均较桉树纯林明显提高，这与红锥、降香黄檀和格木等阔叶树种的冠幅相对较大，凋落物量更多且容易腐烂分解有关[23,25]。在植物-土壤的循环系统中，土壤养分含量通常与树种组成密切相关，桉树纯林由于林分结构简单、凋落物量少，且分解缓慢，不利于养分在土壤中的积累[26-27]。红锥、降香黄檀和格木3种阔叶树种能产生大量的凋落物，将养分归还土壤，而且红锥与桉树混交林具有较强的氮素养分循环机制。有研究显示,降香黄檀与格木根部的根瘤菌可固定空气中的氮气，增加土壤氮的有效性[28-29]，这也是本研究中桉树与降香黄檀、格木混交能够提高林地土壤氮含量和增加氮有效性的重要原因。

酶是土壤生态系统的组分之一，参与土壤各种元素的循环和迁移，其活性在一定程度上反映了土壤质量的优劣，也能反映土壤生理生化反应进行的程度。本研究中，3种桉树混交林根际和非根际土壤的过氧化氢酶、蛋白酶、蔗糖酶活性总体上显著高于桉树纯林，这与桉树混交林土壤有机质含量高于纯林有关。土壤有机质是过氧化氢酶和部分蔗糖酶的重要底物[23,30]，其含量与过氧化氢酶和蔗糖酶活性正相关[31]，因此本研究中桉树混交林有机质含量的增加在一定程度上提高了过氧化氢酶和蔗糖酶的活性。桉树混交林的土壤脲酶活性均高于纯林，根际土壤的脲酶活性均高于非根际土壤，这是因为桉树与红锥、降香黄檀和格木混交后，增加了混交林土壤氮素含量，另外混交林土壤蛋白酶活性的提高使有机氮矿化为无机氮的速率增大，为脲酶提供了丰富的底物，从而刺激脲酶活性提高[32]。脲酶能促进土壤中有机物酰胺肽水解生成植物可吸收利用的氨，提高土壤中氮素的有效性[33]。大量研究表明，土壤中的酚酸类物质含量与多酚氧化物正相关[6,34-35]，本研究中混交林桉树根际土壤酚酸含量均大于纯林土壤，这可能是混交林中桉树根际土壤多酚氧化酶活性更高的重要原因。

3.2 林分类型对土壤酚酸含量的影响

酚酸类物质可通过根系分泌、微生物腐解、淋溶等多种途径进入土壤，改变土壤环境，进而影响植物的生长。有研究表明，与受干扰程度较小的天然林相比，人工纯林的连代栽培会导致森林生物多样性骤减，林下植被数量少，凋落物单一，土壤生态化学循环失衡，非根际土壤酚酸类物质含量增加[36-37]。本研究中，与桉树纯林相比，桉树与红锥、降香黄檀和格木混交之后，其非根际土壤酚酸类物质总量下降，原因可能是混交之后林地内凋落物种类及林下植被多样性增加，土壤生态化学循环相对稳定，使酚酸类物质含量减少。有研究表明，桉树与豆科树种混交之后能显著提高桉树根际土壤的酚酸含量[15,36]，本研究中，混交林桉树根际土壤的酚酸物质总量明显高于桉树纯林，这与桉树同3种混交树种根际之间的相互作用有关。无论是桉树纯林还是混交林，根际土壤都是植物根系分泌酚酸物质的第一储存库，生物活性较高，代谢旺盛，且有机质含量高，因此根际土壤的酚酸含量高于非根际土壤[38-40]。

在桉树纯林和混交林土壤的酚酸类物质中，对羟基苯甲酸含量最高，其次是香草酸、阿魏酸、香豆酸，苯甲酸与水杨酸含量较低。研究表明，香草醛、阿魏酸的吸附能力高于对羟基苯甲酸和苯甲酸，并且阿魏酸属于易降解酚酸，对羟基苯甲酸和苯甲酸属于难降解酚酸，而香草酸、苯甲酸、水杨酸一旦被吸附之后则很难解吸附，只能以束缚态的形式存在[41-42]，这在一定程度上可以解释林分土壤中酚酸类物质含量的差异。

3.3 不同林分类型桉树根际和非根际土壤酚酸与酶活性的相关性

土壤酚酸能够刺激植物及微生物将酶分泌到土壤中，而一些土壤酶也能影响酚酸的形成与转化[34,43]，如高浓度肉桂酸和邻苯二甲酸会抑制土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶的活性，从而对土壤碳、氮、磷循环产生影响[21]；阿魏酸对反硝化酶有显著的影响，抑制硝态氮转化为铵态氮[44]；对羟基苯甲酸和阔马酸含量受土壤酶活性的显著影响[43]。本研究表明，对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸是影响桉树土壤酶活性的重要因子。桉树混交林根际土壤酚酸含量与酶活性的关系与非根际土壤有所差别，在根际土壤中，酚酸含量较高，其主要作为碳源被微生物利用，从而增强了土壤酶活性，在一定程度上增加了有机碳、全氮等土壤养分的含量[45-46]；而非根际土壤酚酸含量减少，导致土壤pH提高，为酶参与养分循环提供良好的环境，改善了土壤质量[47]。因此，酚酸类物质能通过影响土壤酶活性来调控土壤养分循环和代谢[48]，改变土壤有效养分的含量，从而影响植物的生长，间接对森林生产力产生影响。

4 结 论

桉树与红锥、降香黄檀、格木混交均能提高根际土壤的碳含量，减缓非根际土壤酚酸的富集，提高土壤酶的活性，增加土壤养分含量，从而改善土壤的生态功能。从土壤生态恢复的角度考虑，在幼林阶段，桉树与红锥混交更有利于维持土壤肥力，混交效果比其他2种树种更为理想。