張星星,楊柳明,*,陳 忠,李一清,3,林燕語,鄭憲志,楚海燕,楊玉盛

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福州 350007 2 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地,福州 350007 3 夏威夷大學(xué)希羅分校農(nóng)林和自然資源管理學(xué)院,希羅 96720

土壤微生物和植物分泌的胞外酶是土壤有機質(zhì)分解的關(guān)鍵媒介,是細胞代謝的產(chǎn)物,其活性與產(chǎn)量和碳底物及氮、磷養(yǎng)分有效性密切相關(guān)[1- 2]。通常認(rèn)為,微生物用于獲取碳、氮、磷的主要胞外酶比值(βG∶NAG∶AP),即生態(tài)酶化學(xué)計量比,能夠反映微生物群落的新陳代謝及養(yǎng)分需求與環(huán)境中養(yǎng)分有效性之間的生物地球化學(xué)平衡模式,這可以用來衡量土壤微生物能量和養(yǎng)分資源限制狀況[3- 4]。

現(xiàn)有研究表明,多種生物因子和非生物因子都能夠影響土壤生態(tài)酶化學(xué)計量比。氣候通過調(diào)節(jié)土壤微生物的生長速率和養(yǎng)分有效性從而改變土壤生態(tài)酶化學(xué)計量比[5- 6],并且土壤生態(tài)酶化學(xué)計量比亦受土壤養(yǎng)分狀態(tài)、pH[7]、土壤C∶N∶P以及土壤質(zhì)地[8]等非生物因子的影響；例如Peng等在中國北方溫帶草原研究發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分有效性主要影響了土壤生態(tài)酶化學(xué)計量[2]。此外,其亦可能受生物因子的影響,如地上生物量[9]、根生物量[10]以及微生物生物量化學(xué)計量比[11]的影響,Allison等研究亦表明微生物量C∶N∶P比值不同的微生物群落能夠通過分泌特定的胞外酶從復(fù)雜的基質(zhì)中獲取限制性養(yǎng)分,從而改變土壤生態(tài)酶化學(xué)計量比[12]。雖然,生物和非生物因子對土壤生態(tài)酶化學(xué)計量比的影響已經(jīng)受到關(guān)注,但是各種因子對土壤生態(tài)酶化學(xué)計量比影響的貢獻比例仍不明確。

土壤母質(zhì)和森林類型都是影響森林土壤養(yǎng)分有效性的重要因素。土壤母質(zhì)決定土壤養(yǎng)分的初始供應(yīng),并且影響土壤對養(yǎng)分的保持能力[13],如趙汝東等[14]研究發(fā)現(xiàn)花崗巖發(fā)育的馬尾松人工林土壤養(yǎng)分、生化強度、磷酸酶活性等較砂巖發(fā)育的土壤高。而森林類型則通過不同凋落物輸入改變土壤養(yǎng)分的有效性和循環(huán)。如楊玉盛[15]研究表明天然常綠闊葉林轉(zhuǎn)變?yōu)樯寄救斯ち?土壤C、N、P等養(yǎng)分流失及生產(chǎn)力下降,這主要是由于天然林轉(zhuǎn)變成人工林后,凋落物數(shù)量顯著降低的結(jié)果。關(guān)于土壤母質(zhì)和森林類型對土壤養(yǎng)分的影響已有大量報道,然而這兩種因素將如何通過調(diào)控土壤生物和非生物因子,從而對土壤生態(tài)酶化學(xué)計量特征產(chǎn)生影響仍需要深入研究。因此,本研究分別選取了砂巖和花崗巖土壤的米櫧林和杉木林為研究對象,測定了土壤的物理化學(xué)性質(zhì)、微生物生物量碳、氮和磷以及酶活性,研究母巖和森林類型對土壤酶活性及生態(tài)酶化學(xué)計量特征的影響,有助于完善土壤生態(tài)酶化學(xué)計量比的理論研究體系,為認(rèn)識區(qū)域土壤微生物能量和養(yǎng)分資源限制狀況提供新的視角。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗區(qū)位于格氏栲自然保護區(qū)(26°11′N,117°28′E)和金絲灣森林公園陳大林業(yè)采育場(26°19′N,117°36′E),兩者在直線距離上不超過30 km,在行政區(qū)劃上二者都屬于福建省三明市。三明市區(qū)域內(nèi),平均海波300 m,平均坡度25°—35°,其屬中亞熱帶季風(fēng)氣候,具有冬冷夏熱、雨熱同季的特點,多年平均氣溫20.1℃,年降水量1670 mm,年均蒸發(fā)量1585 mm,相對濕度81%,其中格氏栲自然保護區(qū)土壤以砂巖發(fā)育的紅壤為主,金絲灣公園陳大林業(yè)采育場土壤以花崗巖發(fā)育的紅壤為主。

本研究分別選取了格氏栲自然保護區(qū)和金絲灣森林公園陳大林業(yè)采育場的米櫧林和杉木林。其中格氏栲自然保護區(qū)的米櫧林約200年沒有受到人為的干擾,建群樹種為米櫧,而米櫧(Castanopsiscarlesii),格氏栲(Castanopsiskawakamii),杜英(Elaeocarpusdecipiens),木荷(Schimasuperba)等為主要樹種。杉木林是經(jīng)過米櫧林皆伐、火燒等形成的人工純林,而杜莖山(Maesajaponica),毛冬青(Ilexpubescens),華山姜(Alpiniachinensis)等為主要林下植被。金絲灣森林公園陳大林業(yè)采育場的米櫧林約50年沒有受到人為干擾,建群樹種為米櫧,其中米櫧(Castanopsiscarlesii)、閩粵栲(Castanopsisfissa)、黃丹木姜子(Litseaelongata)、新木姜子(Neolitseaaurata)、木莢紅豆(Ormosiaxylocarpa)等為主要樹種。杉木林是經(jīng)過米櫧林皆伐、火燒等形成的人工純林,狗骨柴(Tricalysiadubia)、毛冬青(Ilexpubescens)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)等為主要林下植被。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤采集

土壤樣品于2016年3月分別在三明格氏栲自然保護區(qū)和金絲灣公園陳大林業(yè)采育場的米櫧林和杉木林4個樣地中采集(每個樣地有3個20 m×20 m的樣方)。在每個樣方中用土鉆按樣方“S”型隨機取15—20個點,并在0—10 cm土層取樣。每個樣方的土壤混合均勻后放入便攜式冰盒中并立即帶回實驗室。去除土壤中可見的根及石礫等,分為兩部分,一部分儲存在4℃冰箱中,用于土壤酶活性的檢測,另外一部分土樣過2 mm的篩后再分為2部分,一部分儲存在4℃冰箱中,用于土壤微生物量的檢測,其余土樣風(fēng)干后,用于其他基本理化性質(zhì)的分析。

1.2.2 土壤理化性質(zhì)的測定

土壤有機碳和全氮采用碳氮元素分析儀(Elementar Vario EL Ⅲ)測定；土壤總磷采用HClO4-H2SO4消煮-鉬銻抗比色法提取后,用連續(xù)流動分析儀(Skalar san++,Skalar,荷蘭)測定；土壤質(zhì)地采用激光粒度儀(MasterSizer 2000,Malvern,Englang)測定。

1.2.3 土壤微生物量的測定

土壤微生物量采用氯仿熏蒸-浸提法[16- 17],稱取兩份5 g過2 mm篩的鮮土,分別作為熏蒸和未熏蒸處理。微生物量碳、氮(MBC、MBN)用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提,其中4∶1的水土比,震蕩離心后,其上清液過0.45 μm濾膜抽濾。浸提液分別用總有機碳分析儀(TOC-VCPH/CPN,Shimadzu,日本)測定微生物量碳,使用連續(xù)流動分析儀(San++, Skalar,荷蘭)測定微生物量氮。土壤微生物量磷(MBP)用0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提,其中4∶1的水土比,震蕩離心后,其上清液過濾紙后,用連續(xù)流動分析儀(San++, Skalar,荷蘭)測定微生物量磷。微生物量碳、氮、磷的計算公式分別如下：

MBC=△EC/kC；MBN=△EN/kN；MBP=△EP/kP

式中,△EC為熏蒸和未熏蒸的土壤有機碳含量的差值,kC為轉(zhuǎn)換系數(shù)0.38；△EN為熏蒸和未熏蒸土壤有機氮含量的差值,kN為轉(zhuǎn)換系數(shù)0.45；△EP為熏蒸和未熏蒸為土壤磷含量的差值,kP為轉(zhuǎn)換系數(shù)0.4。

1.2.4 土壤生態(tài)酶活性測定

參照Saiya-Cork等[18]研究方法測定3種水解酶的活性(AP、βG和NAG),用傘形酮(MUB)做標(biāo)示底物,稱取1 g土壤放于含有125 mL 50 mmol/L、pH值為5.0的醋酸緩沖液的廣口瓶中,用磁力攪拌器攪拌5分鐘使其均質(zhì)化。攪拌后將懸浮液用移液器取200 μL到96孔微孔板。微孔板在黑暗中20℃孵育4 h后,向每個微孔板中加入10 μL、1 mol/L NaOH溶液使其反應(yīng)停止,用多功能酶標(biāo)儀(Synergy H4,美國)測定水解酶的熒光度。各種酶縮寫及所用底物見下表1。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

因為亮氨酸氨基肽酶的含量(LAP)通常較低,本文根據(jù)Turner等[19]的研究方法,將分解幾丁質(zhì)的β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(β-N-acetylglucosaminidase NAG)的氮相關(guān)酶作為氮循環(huán)的特征酶進行計算。C∶N酶活性的比值,通過βG:NAG進行計算,C∶P酶活性的比值,通過βG:AP進行計算,N∶P酶活性的比值,通過NAG:AP進行計算。用Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進行處理后,用SPSS 19.0和Canoco Software 5.0軟件對數(shù)據(jù)進行分析,主要由Origin 9.0進行繪圖。不同母巖發(fā)育的土壤生物及非生物因子屬性的差異使用單因素方差分析(One-way ANOVA),米櫧林和杉木林土壤酶活性和生態(tài)酶化學(xué)計量比的差異采用獨立樣本T檢驗,母質(zhì)、森林類型及母質(zhì)和森林類型的交互作用對酶活性及生態(tài)酶化學(xué)計量比的影響采用雙因素方差分析(two-way ANOVA),影響酶活性的環(huán)境因素均采用Pearson相關(guān)分析和冗余分析(RDA)來分析。

表1 土壤酶活性的種類、縮寫和所用底物

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林類型土壤非生物因子和生物因子屬性

土壤母質(zhì)和森林類型均影響土壤非生物及生物因子(表2)?？傮w上,花崗巖發(fā)育的土壤pH、砂粒均高于砂巖發(fā)育的土壤,與此相反,TP、TN、粉粒和粘粒低于砂巖發(fā)育的土壤。其中,砂巖發(fā)育的土壤米櫧林SOC、TN、TP、MBC、MBN和MBP的含量均高于杉木林,花崗巖發(fā)育的土壤則表現(xiàn)出相反的趨勢,即米櫧林SOC、TN、TP、MBC、MBN和MBP的含量均低于杉木林,結(jié)果表明土壤pH、TP及質(zhì)地組成可能主要取決于土壤母質(zhì),而SOC、TN和其它生物因子主要是土壤母質(zhì)和林分類型共同作用的結(jié)果。

表2 不同森林類型土壤非生物因子和生物因子的含量

表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,同行不同小寫字母表示相同指標(biāo)不同林分間的差異顯著(P< 0.05)

2.2 土壤母質(zhì)和森林類型對土壤酶活性的影響

土壤母質(zhì)和森林類型顯著影響土壤AP、βG和NAG 3種土壤酶活性(圖1),并且母質(zhì)和森林類型存在交互作用(表3)。AP、βG和NAG 3種酶活性的變化范圍分別為77.04—257.52、12.73—59.42、33.52—86.30 nmol g-1h-1,其中砂巖發(fā)育的土壤,米櫧林βG和NAG活性顯著低于杉木林,而AP的活性則高于杉木林,花崗巖發(fā)育的土壤βG、NAG和AP活性顯著高于杉木林。此外,砂巖發(fā)育的土壤AP活性顯著低于花崗巖發(fā)育的土壤,說明相對于砂巖發(fā)育的土壤,花崗巖發(fā)育的土壤中微生物受磷養(yǎng)分限制的強度更大,而土壤母質(zhì)對βG和NAG活性影響則因林分類型的不同而不同。

圖1 不同森林類型土壤酶活性的含量

表3 母質(zhì)、森林類型及其交互作用對土壤酶活性和生態(tài)酶的化學(xué)計量比影響的雙因素方差分析

2.3 土壤母質(zhì)和森林類型對土壤生態(tài)酶化學(xué)計量比的影響

土壤母質(zhì)和森林類型亦顯著影響土壤生態(tài)酶化學(xué)計量比(圖2),并且母質(zhì)和森林類型存在交互作用(表3)。βG:NAG、βG:AP和NAG:AP的變化范圍分別為0.38—0.81、0.05—0.77、0.13—1.12,其中砂巖發(fā)育的土壤,米櫧林βG:AP和NAG:AP顯著低于杉木林,而βG:NAG則顯著高于杉木林。花崗巖發(fā)育的土壤,米櫧林βG:NAG、βG:AP 和NAG:AP都顯著高于杉木林,并且砂巖發(fā)育的土壤βG:AP和NAG:AP都顯著高于花崗巖發(fā)育的土壤。

圖2 不同森林類型土壤生態(tài)酶化學(xué)計量比

2.4 土壤生態(tài)酶化學(xué)計量比與土壤非生物和生物因子的相關(guān)性

以土壤酶活性和生態(tài)酶化學(xué)計量比為響應(yīng)變量,以生物因子和非生物因子為解釋變量進行RDA分析,第一軸解釋了變量的77.87%,第二軸解釋了變量的19.96%,并且土壤pH、TP和MBC分別解釋土壤酶活性和生態(tài)酶化學(xué)計量比的56.9%、27.9%和12.3%(圖3),此外,從RDA分析可知,土壤酶活性和生態(tài)酶化學(xué)計量比可以明顯的將四種林分類型區(qū)分開。相關(guān)性分析結(jié)果表明,土壤βG:AP和NAG:AP與C∶P、N∶P、MBC∶MBP、MBC∶MBN以及砂粒呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,土壤βG:NAG、βG:AP和NAG:AP與pH呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,TP與土壤βG:NAG、βG:AP呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(表4)。

表4 土壤酶活性、生態(tài)酶化學(xué)計量比與非生物和生物因子的相關(guān)性系數(shù)

*：P<0.05；**：P<0.01

圖3 土壤酶活性和生態(tài)酶化學(xué)計量比與非生物及生物因子的冗余分析

3 討論

3.1 土壤生態(tài)酶化學(xué)計量比特征與養(yǎng)分限制

土壤βG∶NAG∶AP對數(shù)轉(zhuǎn)換后的比值為1∶1.14∶1.42,與全球生態(tài)系統(tǒng)1∶1∶1的比值相偏離,其中βG∶AP平均值為0.33,低于全球水平0.62[7],而NAG∶AP平均值為0.48,與全球水平0.44[7]相接近,說明相對于土壤碳底物有效性來說,本區(qū)域土壤微生物可能主要存在一定的磷限制,這與大多數(shù)的研究一致,認(rèn)為熱帶亞熱帶地區(qū)磷是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的限制因子[20]。Cleveland等[21]在熱帶施磷實驗的結(jié)果發(fā)現(xiàn),施磷顯著提高土壤呼吸,并且大多數(shù)的研究表明酸性磷酸酶(AP)的活性與環(huán)境中磷的有效性呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系[12]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),施用磷肥可以使土壤中磷的含量增高,而酸性磷酸酶的活性則降低[22]。一般來說,當(dāng)微生物存在磷限制時,微生物就會分泌更多的磷酸酶促進土壤有機磷礦化,緩解自身的磷限制,微生物分泌的磷酸酶增多,土壤βG∶AP、NAG∶AP的值則降低。

由于土壤酶活性受土壤碳底物和養(yǎng)分的影響,且C、N、P相關(guān)的酶活性之間存在權(quán)衡關(guān)系,因此土壤生態(tài)酶化學(xué)計量比存在空間的異質(zhì)性[23- 24]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤AP的活性顯著高于βG、NAG的活性,并且砂巖發(fā)育的土壤AP的活性顯著低于花崗巖發(fā)育的土壤,而砂巖發(fā)育的土壤βG∶AP、NAG∶AP則顯著高于花崗巖發(fā)育的土壤,說明相對于砂巖發(fā)育的土壤,花崗巖發(fā)育的土壤微生物受磷養(yǎng)分限制的程度更嚴(yán)重,不同母巖發(fā)育的土壤,其磷素含量存在一定的差異[25],因此,在一定程度上母質(zhì)可能是影響土壤磷有效性的關(guān)鍵因子。然而土壤微生物磷養(yǎng)分限制的程度除受母質(zhì)類型的影響,亦與林分類型密切相關(guān)。從花崗巖發(fā)育的土壤上來看,本研究發(fā)現(xiàn)米櫧林βG∶AP和NAG∶AP的值都顯著高于杉木林,同時米櫧林βG和NAG的活性也顯著高于杉木林,這表明在花崗巖發(fā)育的土壤上,相對于米櫧林,杉木林土壤微生物可能存在磷限制更嚴(yán)重,在碳、磷含量差異不顯著的情況下,這可能主要是由于花崗巖發(fā)育的杉木林土壤粘粒含量較米櫧林高所導(dǎo)致(表2),一般認(rèn)為土壤粘粒含量越高,土壤對磷吸附能力越強,土壤供磷能力則越弱。但是砂巖發(fā)育的土壤則存在相反的趨勢,βG∶AP 和NAG∶AP的值都顯著低于杉木林,說明相對于砂巖發(fā)育的杉木林土壤,米櫧林土壤微生物可能存在磷限制更嚴(yán)重,這主要是由于砂巖發(fā)育的米櫧林土壤微生物可利用的碳底物和氮養(yǎng)分含量顯著高于杉木林(表2)。

3.2 非生物和生物因子對生態(tài)酶化學(xué)計量比的影響

土壤非生物和生物因子通過調(diào)節(jié)微生物代謝作用,影響土壤酶活性和生態(tài)酶化學(xué)計量比。冗余分析結(jié)果表明土壤pH、總磷(TP)和微生物量碳(MBC)分別解釋土壤酶活性和生態(tài)酶化學(xué)計量比變異的56.9%、27.9%和12.3%,說明土壤非生物因子對土壤酶活性和生態(tài)酶化學(xué)計量比的影響強于生物因子,這與Peng等[2]在我國不同氣候帶溫帶草原及Bowles等[26]在美國加利福尼亞不同管理強度的農(nóng)業(yè)土壤中的研究結(jié)果相一致。此外,本研究結(jié)果表明土壤pH值是影響土壤生態(tài)酶化學(xué)計量比的主要因素,并且Pearson相關(guān)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤βG∶AP和NAG∶AP與pH呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,說明pH值較大時,βG∶AP和NAG∶AP的值越小,酸性磷酸酶活性相對增高,土壤受到磷養(yǎng)分的限制越嚴(yán)重,這與Xu等[24]對我國不同區(qū)域森林土壤的研究結(jié)果及Sinsabaugh等[7]全球尺度的Meta分析的結(jié)果相一致,其可能原因是土壤pH通過影響土壤微生物生物量和群落組成、酶的空間構(gòu)象以及酶與土壤顆粒之間的結(jié)合狀態(tài),從而調(diào)控土壤酶活性和生態(tài)酶化學(xué)計量比[27]。

土壤酶活性及生態(tài)酶化學(xué)計量比還受土壤總磷(TP)、C∶P及N∶P的影響,相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果表明βG∶AP和NAG∶AP分別與C∶P、N∶P呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4),并且βG∶AP與土壤總磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系,說明土壤生態(tài)酶化學(xué)計量比亦受土壤養(yǎng)分化學(xué)計量比和土壤養(yǎng)分含量的影響,本結(jié)果與Xu等[24]和Peng等[2]的研究相一致,其可能原因是土壤酶主要來源于土壤微生物、植物根系分泌、植物降解的產(chǎn)物以及動物殘體[28],而微生物生物量化學(xué)計量比隨土壤和植物組織養(yǎng)分化學(xué)計量比的改變而改變,因此土壤生態(tài)酶計量比亦能夠受土壤養(yǎng)分化學(xué)計量比的影響,可以反映土壤養(yǎng)分限制狀況[24]。

綜上所述,土壤母質(zhì)可能主要通過影響土壤pH和TP含量而調(diào)控土壤酶活性和生態(tài)酶化學(xué)計量比。一般認(rèn)為對于全磷含量相差不大的酸性土壤,pH值越高,有效磷含量就越高,而土壤酸性磷酸酶活性則相對更低,但是本研究中土壤pH較高的花崗巖發(fā)育土壤磷酸酶活性顯著高于砂巖,其可能原因是來自母質(zhì)風(fēng)化的土壤總磷含量低于砂巖,微生物可利用磷含量相對較低。森林類型則通過調(diào)控土壤C∶P和N∶P調(diào)控土壤酶活性和生態(tài)化學(xué)計量比,其可能原因是不同林分類型的森林凋落物數(shù)量和質(zhì)量的不同,導(dǎo)致土壤有機碳數(shù)量和質(zhì)量、C∶P及N∶P不同,從而改變土壤微生物可以利用C、N、P等底物和養(yǎng)分的數(shù)量和質(zhì)量,影響土壤酶活性和生態(tài)酶化學(xué)計量比。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)中亞熱帶地區(qū)存在著一定的磷養(yǎng)分限制,花崗巖發(fā)育的土壤磷養(yǎng)分限制的強度較砂巖發(fā)育的土壤嚴(yán)重,并且砂巖發(fā)育的米櫧林土壤磷養(yǎng)分限制比杉木林嚴(yán)重,而花崗巖發(fā)育的米櫧林和杉木林土壤則表現(xiàn)出相反的趨勢,因而磷養(yǎng)分限制強度因森林類型和土壤母質(zhì)的不同而不同。統(tǒng)計分析表明土壤母質(zhì)可能主要通過影響土壤pH、土壤全磷含量,調(diào)控土壤酶活性和生態(tài)酶化學(xué)計量比,而森林類型可能主要通過改變土壤C∶P和N∶P影響土壤酶活性和生態(tài)酶化學(xué)計量比,因而本研究建議,未來森林經(jīng)營及管理應(yīng)考慮土壤母質(zhì)和森林類型差異對區(qū)域森林土壤養(yǎng)分循環(huán)的影響。