田榮，陳奇伯,2*，黎建強(qiáng),2，趙雨田，楊關(guān)呂，左嫚

1.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明650224；2.西南林業(yè)大學(xué)石漠化研究院，云南 昆明 650224

火災(zāi)是森林最大的威脅，重特大火災(zāi)將摧毀森林生態(tài)系統(tǒng)，破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡，甚至將林地變?yōu)槁愕?，無法發(fā)揮其固有的生態(tài)功能。而計(jì)劃燒除是有目的、有計(jì)劃、有控制、有步驟的利用低強(qiáng)度火燒的有利方面，在規(guī)定林區(qū)內(nèi)燒除累積過多的可燃物，預(yù)防森林火災(zāi)，改善林分生長條件的一項(xiàng)重要營林措施（馬愛麗等，2009）。計(jì)劃燒除會(huì)使森林土壤溫度升高，導(dǎo)致土壤性質(zhì)發(fā)生變化，但合理的計(jì)劃燒除可以變害為益，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)平衡起著積極作用（舒立福等，1998），包括土壤理化性質(zhì)、土壤微生物和土壤酶等。國外對(duì)計(jì)劃燒除研究是作為森林生態(tài)系統(tǒng)的管理手段，來清理土地上的雜物，降低火險(xiǎn)和促進(jìn)森林更新。澳大利亞應(yīng)用計(jì)劃燒除對(duì)桉樹（Eucalyptus robustaSmith）林進(jìn)行可燃物管理，制訂了完善的火險(xiǎn)指標(biāo)（張立存等，2012）。中國科學(xué)家對(duì)云南松（Pinus yunnanensisFranch）、思茅松（Pinus kesiyavar.Langbianensis）和馬尾松（Pinus massonianaLamb）林等南方森林計(jì)劃燒除的安全性、可行性等進(jìn)行了較深入研究（劉廣菊，2004；王秋華等，2018）。

土壤酶在土壤中參與許多物質(zhì)循環(huán)和生物化學(xué)過程，其活性可作為土壤生態(tài)脅迫或土壤生態(tài)恢復(fù)等早期的敏感性指標(biāo)，用作土壤養(yǎng)分及養(yǎng)分循環(huán)的指示物（牛小云等，2015；楊濤等，2005），反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的強(qiáng)弱（陳立新，2004），在森林生態(tài)系統(tǒng)的生化過程中起關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。土壤微生物在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程和植被生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，因此一直是森林生態(tài)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)內(nèi)容之一（楊萬勤等，2004）?；馃鸬母邷厥姑缸冃远セ钚?，而中低強(qiáng)度的火燒更多的是通過土壤環(huán)境變化對(duì)酶產(chǎn)生間接影響。土壤微生物是土壤酶的主要來源，火燒之后土壤微生物、土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量的降低直接減少了土壤酶的來源，降低土壤酶活性。計(jì)劃燒除過程中森林枯落物的燒除改變了土壤的理化性質(zhì)及林地微環(huán)境（孫毓鑫等，2009），間接影響土壤微生物生存，改變土壤微生物的數(shù)量和群落組成（薛立等，2011）。因此，國內(nèi)外對(duì)計(jì)劃燒除的研究主要集中于燃燒的可行性、安全性及火燒管控方面，對(duì)溫度變化改變土壤性質(zhì)直接或是間接導(dǎo)致微生物死亡與酶活性降低的原因方面探討較少，對(duì)云南松林計(jì)劃燒除與土壤微生物及酶的相關(guān)性研究鮮有涉及。因此，探討計(jì)劃燒除對(duì)云南松林土壤酶活性、微生物數(shù)量及其相互之間的關(guān)系，對(duì)更加科學(xué)地實(shí)施計(jì)劃燒除和科學(xué)評(píng)價(jià)計(jì)劃燒除后的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)有重要理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域地處滇中高原玉溪市新平縣南部的照壁山，位于東經(jīng) 102°0′7″—102°0′8″E、北緯24°2′38″—24°2′41″N，是中國云貴高原、橫斷山地和青藏高原三大自然地理區(qū)域的結(jié)合部，典型高原山地丘陵地貌，海拔 1990—2050 m，是云南省亞熱帶北部與亞熱帶南部的過渡地帶，代表性土壤為紅壤。多年平均降水量1050 mm，區(qū)域年平均氣溫15 ℃。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

研究對(duì)象為云南松天然次生林，計(jì)劃燒除與未燒除樣地中間有一條防火通道隔離，均位于坡中上部，林齡均約為30 a，樹高、胸徑、喬木層郁閉度近似，土層厚均大于1 m。近20 a來，計(jì)劃燒除在每年1月下旬至2月上旬進(jìn)行，從未間斷。計(jì)劃燒除樣地地被物燒除后林分郁閉度約 0.5，平均胸徑16.14 cm，平均樹高13.00 m，計(jì)劃燒除平均熏黑高度1.48 m，林下無灌木和草本，枯落物燒除后燃燒剩余物蓄積量0.50 t·hm-2。未燒除樣地植被總郁閉度約0.95，云南松林平均胸徑16.93 cm，平均樹高12.24 m，枯落物蓄積量2.44 t·hm-2；灌木主要有木荷（Schima superba Gardn.et Champ.）、杜鵑（Rhododendron decorum Fr.）等；草本主要有紫金澤蘭（Chalcites xanthorhynchus limborgi）、貫眾（Cyrtomium fortunei J.Sm.）、毛茛（Ranunculus japonicus Thunb）、白茅（Imperata cylindrica (Linn.)Beauv.）等。2019年計(jì)劃燒除時(shí)間為2月12—13日，土壤樣品的采集時(shí)間為2月25—26日。分別在計(jì)劃燒除與未燒除兩塊大樣地內(nèi)分別設(shè)置20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地3塊，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)取3個(gè)土壤剖面，分別在0—10、11—20、21—40、41—60 cm層各取3個(gè)重復(fù)土樣。將新鮮土樣放入4 ℃的恒溫箱內(nèi)后帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除土壤中雜物，一部分鮮土進(jìn)行土壤微生物數(shù)量的測定，另一部分自然風(fēng)干后過2 mm篩用于土壤酶活性的測定。

1.3 土壤微生物數(shù)量與酶活性測定方法

土壤細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量的測定均采用稀釋平板法。細(xì)菌采用牛肉蛋白胨培養(yǎng)基，以稀釋度為10-4—10-7土壤稀釋液接種；真菌采用孟加拉紅馬丁氏瓊脂培養(yǎng)基，以稀釋度為10-2—10-5土壤稀釋液接種；放線菌采用淀粉銨鹽瓊脂培養(yǎng)基，以稀釋度為10-3—10-6土壤稀釋液接種。接種后按照不同微生物生長溫度置于恒溫箱內(nèi)培養(yǎng)，細(xì)菌、真菌、放線菌分別培養(yǎng)2—3、3—5、2—4 d，期間檢查記錄微生物數(shù)量（李振高等，2008）。

土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、磷酸酶、纖維素酶和蛋白酶活性測定分別采用3, 5-二硝基水楊酸比色法、靛酚比色法、高錳酸鉀容量法、磷酸苯二鈉比色法、3, 5-二硝基水楊酸比色法和茚三酮比色法，按照各種酶所需恒溫溫度在培養(yǎng)箱里培養(yǎng)不同時(shí)間，處理比色（邵文山等，2016）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，單因素方差(one-way ANOVA)分析土壤酶活性和土壤微生物數(shù)量的顯著差異性，對(duì)微生物數(shù)量和酶活性作Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果分析

2.1 計(jì)劃燒除對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物對(duì)土壤溫度極為敏感，土壤溫度變化導(dǎo)致微生物數(shù)量變化。計(jì)劃燒除后土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量變化特征見表1。

由表1可知，云南松林的計(jì)劃燒除使微生物總體數(shù)量減少，細(xì)菌和放線菌在 0—10 cm土層未燒除樣地大于燒除樣地，具有顯著差異性（P＜0.05）；在11—60 cm土層，燒除樣地與未燒除樣地的微生物數(shù)量基本保持一致，不具差異性（P＞0.05）；真菌在 0—20 cm土層未燒除樣地大于燒除樣地，具有顯著差異性（P＜0.05）；在21—60 cm土層，燒除樣地與未燒除樣地的微生物數(shù)量基本保持一致，不具差異性（P＞0.05）。結(jié)果表明，計(jì)劃燒除導(dǎo)致的表層土壤溫度短時(shí)間內(nèi)急劇變化，使大量微生物死亡，致使微生物數(shù)量下降。計(jì)劃燒除屬于低強(qiáng)度火燒，較深層不受火燒影響，微生物數(shù)量基本保持不變。表1顯示，細(xì)菌、真菌及放線菌3種微生物中，真菌對(duì)計(jì)劃燒除的溫度最為敏感。

表1 土壤微生物數(shù)量特征Table 1 Microbial quantity characteristics

2.2 計(jì)劃燒除對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤生物學(xué)特性的重要指標(biāo)之一，火燒后土壤酶會(huì)隨土壤溫度變化而變化。計(jì)劃燒除后不同土層土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、磷酸酶、纖維素酶和蛋白酶的活性特征見圖1。

由圖1a、e可知，在0—20 cm土層，計(jì)劃燒除樣地蔗糖酶、纖維素酶的活性顯著小于（P＜0.05）未燒除樣地，隨著土層加深，酶活性基本保持一致，在21—60 cm土層變化不大，差異不顯著（P＞0.05）。蔗糖酶、纖維素酶與土壤碳含量、循環(huán)、細(xì)菌數(shù)量等有關(guān)，計(jì)劃燒除使土壤表層有機(jī)質(zhì)含量減少，細(xì)菌數(shù)量降低，蔗糖酶與纖維素活性降低。

由圖1b、f可知，在0—10 cm土層，計(jì)劃燒除樣地脲酶、蛋白酶的活性顯著小于（P＜0.05）未燒除樣地，在11—60 cm土層酶活性計(jì)劃燒除樣地與未燒除始樣地酶活性基本保持一致，差異不顯著（P＞0.05）。計(jì)劃燒除對(duì)脲酶、蛋白酶酶影響在土壤最表層，脲酶、蛋白酶與土壤全氮、全磷有關(guān)，計(jì)劃燒除燒除土壤表層地被物，土壤表面氮量減少，酶活性降低。

過氧化氫酶活性與微生物活動(dòng)及土壤呼吸強(qiáng)度等因素有關(guān)，能反映土壤生物學(xué)過程的強(qiáng)度。由圖1c可知，在0—60 cm土壤層，過氧化氫酶活性都是計(jì)劃燒除樣地顯著低于（P＜0.05）未燒除樣地。因?yàn)榛馃^后，高溫使土壤生物死亡，生物活動(dòng)下降，土壤呼吸強(qiáng)度減弱，使過氧化氫酶活性在 0—60 cm土壤層都降低。

由圖1d可知，磷酸酶與其它酶不同，其它酶活性在 0—10 cm土層計(jì)劃燒除樣地要低于未燒除樣地，而磷酸酶在0—10 cm土層卻相反，計(jì)劃燒除樣地高于未燒除樣地，而在11—20 cm土層與其它酶變化相同，燒除樣地低于未燒除樣地，且均有顯著性差異（P＜0.05）。同樣在21—60 cm土層，受火燒影響小，不具差異性（P＞0.05）。究其原因，可能是計(jì)劃燒除使土壤最表層含磷物質(zhì)迅速分解進(jìn)入土壤最表層，磷酸酶活性升高，在11—20 cm土層溫度升高，沒含磷物質(zhì)補(bǔ)充，酶活性降低。

2.3 土壤微生物數(shù)量和酶活性的相關(guān)性

土壤微生物是土壤酶的主要來源，計(jì)劃燒除使土壤微生物數(shù)量發(fā)生變化，因此土壤酶活性也會(huì)發(fā)生一定程度變化，具體土壤酶活性與微生物數(shù)量的相關(guān)性分析結(jié)果見表2。

為了解計(jì)劃燒除前后土壤酶活性與微生物數(shù)量之間的相關(guān)關(guān)系變化，對(duì)微生物數(shù)量和酶活性作了Pearson相關(guān)性分析。由表2可知，未燒除樣地細(xì)菌與蔗糖酶、脲酶、纖維素酶、磷酸酶、蛋白酶呈顯著正相關(guān)，與過氧化氫酶呈顯著負(fù)相關(guān)；與未燒除樣地相比，燒除樣地細(xì)菌與脲酶、過氧化氫酶、磷酸酶、蛋白酶的相關(guān)性變化不明顯，而細(xì)菌與蔗糖酶、纖維素酶從極顯著正相關(guān)減弱為正相關(guān)?；馃笸寥辣韺拥募?xì)菌數(shù)量減少，蔗糖酶與纖維素酶的主要來源是細(xì)菌，因此相關(guān)性減弱。

表2 土壤酶活性與微生物數(shù)量的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between soil enzyme activity and microbial quantity

圖1 土壤酶活性特征Fig.1 Soil enzyme activity characteristics

未燒除樣地真菌與蔗糖酶、脲酶、纖維素酶、蛋白酶呈顯著正相關(guān)，與磷酸酶呈正相關(guān)，與過氧化氫酶呈顯著負(fù)相關(guān)，與未燒除樣地相比，燒除樣地真菌與蔗糖酶、過氧化氫酶的相關(guān)性變化不明顯，而與脲酶、纖維素酶、蛋白酶的相關(guān)性從極顯著正相關(guān)減弱為正相關(guān)，且與脲酶、纖維素酶、與磷酸酶的相關(guān)性增強(qiáng)為極顯著正相關(guān)；由于磷酸酶活性在0—10 cm增強(qiáng)，因此與真菌的相關(guān)性增加。

未燒除樣地放線菌與蔗糖酶、脲酶、纖維素酶、蛋白酶呈顯著正相關(guān)，與磷酸酶呈正相關(guān)，與過氧化氫酶呈顯著負(fù)相關(guān)，與未燒除樣地相比，燒除樣地放線菌與脲酶、過氧化氫酶的相關(guān)性不明顯，與蔗糖酶、蛋白酶的相關(guān)性從顯著正相關(guān)減弱為正相關(guān)、與纖維素酶相關(guān)從顯著正相關(guān)變?yōu)樨?fù)相關(guān)，由于放線菌在土壤主要與纖維素酶相關(guān)，放線菌的變化導(dǎo)致纖維素直接改變，因此與磷酸酶的相關(guān)性增強(qiáng)為極顯著正相關(guān)。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 計(jì)劃燒除對(duì)云南松林土壤微生物數(shù)量影響分析

土壤中微生物的生存受到土壤水分、土壤濕度、土壤酸堿度、土壤透氣性和食物鏈等因子的影響，營林用火對(duì)土壤微生物的影響又是隨著火燒持續(xù)時(shí)間、火燒后時(shí)間間隔期、火強(qiáng)度及土壤含水率等的不同而不同（許鵬波等，2013）。有研究表明，計(jì)劃燒除短期內(nèi)會(huì)引起土壤微生物生物量的顯著下降（許光輝等，1986），最高溫度往往大大超過大多數(shù)生物死亡的臨界溫度，極端情況下甚至能殺死表層土壤的全部微生物，對(duì)微生物群落最豐富的土壤表層和土壤有機(jī)質(zhì)的影響最大。本研究結(jié)果顯示，云南松林計(jì)劃燒除對(duì)土壤細(xì)菌、放線菌的影響，越往土壤表層越明顯，即細(xì)菌、放線菌數(shù)量是燒除樣地低于未燒除樣地，11 cm土層往下，土層深度增加，兩種微生物受計(jì)劃燒除的影響越來越小或不受影響，數(shù)量基本不變；相比細(xì)菌、放線菌，真菌受計(jì)劃燒除的影響土層深度更深，21 cm土層再往下，真菌同樣不再受計(jì)劃燒除影響，數(shù)量基本不變。因此，計(jì)劃燒除對(duì)土壤表層微生物有顯著影響，深層土壤基本不受影響，真菌對(duì)溫度敏感性更高，研究結(jié)果與前人（許光輝等，1986）對(duì)不同林分、地域的研究結(jié)果相似。

3.1.2 計(jì)劃燒除對(duì)云南松林土壤酶活性影響分析

土壤微生物是土壤酶的主要來源，酶活性與土壤微生物數(shù)量的相關(guān)性較高（丁菡等，2007；王笛等，2012），土壤微生物變化導(dǎo)致土壤酶活性改變。土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)新陳代謝強(qiáng)度和有效營養(yǎng)養(yǎng)分的直觀表現(xiàn)，是確定土壤中微生物活性最可靠的指標(biāo)之一，土壤中各種生物化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)過程都有土壤酶的作用（Singh et al，2002）。本研究結(jié)果顯示，云南松林計(jì)劃燒除燒除對(duì)土壤表層10 cm內(nèi)土壤脲酶、蛋白酶影響大，對(duì)蔗糖酶、纖維素酶在20 cm土層內(nèi)都有影響，計(jì)劃燒除樣地酶活性都顯著低于未燒除樣地；而磷酸酶與其它酶不同，在10 cm土層內(nèi)未燒除樣卻低于計(jì)劃燒除樣地，在10—20 cm與其它酶變化相同，計(jì)劃燒除樣地低于未燒除樣地；過氧化氫酶在60 cm土層內(nèi)都受計(jì)劃燒除的影響，酶活性都是計(jì)劃燒除樣地低于未燒除樣地。

有研究表明，土壤中較高的有機(jī)質(zhì)含量可以使土壤酶保持在較高的水平（Jimenez et al，2002），水解酶活性與有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷之間呈顯著正相關(guān)。蔗糖酶、脲酶、纖維素酶、蛋白酶、為水解性酶，云南松林土壤表層枯落物燒除，表層有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷減少，微生物數(shù)量降低，水解酶活性也降低。本研究中，計(jì)劃燒除后的土壤表層酶活性降低結(jié)果與前人研究結(jié)果（李林海等，2012）相似。過氧化氫酶是氧化還原性酶，與土壤呼吸強(qiáng)度有關(guān)，經(jīng)火燒過后，土壤生物死亡，微生物數(shù)量下降，呼吸強(qiáng)度降低，土壤過氧化氫酶活性降低。本研究中，計(jì)劃燒除后土壤微生物數(shù)量下降，呼吸強(qiáng)度降低，因此過氧化氫酶活性下降，由于計(jì)劃燒除屬于低強(qiáng)度火燒，因此下降幅度相比未燒除樣地較小，這一研究結(jié)果與前人得出的普遍研究結(jié)論相似（陶玉柱，2014）。磷酸酶與其他酶不同，酶活性在土壤最表層燒除樣地大于未燒除樣地，這與前人（李林海等，2012）研究結(jié)果有所不同，可能是由于火燒過后，枯落物中含磷酸物質(zhì)迅速進(jìn)入土壤中，刺激磷酸酶活性升高所致。環(huán)境狀況或基質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的劇烈變化能夠顯著改變微生物酶的活性，每一種酶都有其活性的最適溫度、濕度和酸堿度，過高或過低都不利于酶活性?；馃螅寥烂富钚缘淖兓S酶的種類和林地種類而異。

3.1.3 計(jì)劃燒除后云南松林土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性相關(guān)分析

土壤微生物是土壤酶的主要來源，前人研究得出酶活性與土壤微生物數(shù)量的相關(guān)性較高（李寬瑩等，2019）。本研究比較了計(jì)劃燒除樣地與未燒除樣地土壤酶與微生物數(shù)量的相關(guān)性變化。研究結(jié)果顯示，細(xì)菌與蔗糖酶、脲酶、纖維素酶、磷酸酶、蛋白酶呈顯著正相關(guān)，與過氧化氫酶呈顯著負(fù)相關(guān)；真菌與蔗糖酶、脲酶、纖維素酶、蛋白酶呈顯著正相關(guān)，與磷酸酶呈正相關(guān)，與過氧化氫酶呈顯著負(fù)相關(guān)；放線菌與蔗糖酶、脲酶、纖維素酶、蛋白酶呈顯著正相關(guān)，與磷酸酶呈正相關(guān)，與過氧化氫酶呈顯著負(fù)相關(guān)，這研究結(jié)果與王笛等（2012）的研究結(jié)論基本一致，土壤酶與微生物的相關(guān)性的不同與研究地域、立地、干擾措施及環(huán)境等有關(guān)，計(jì)劃燒除后，由于土壤表層溫度升高，微生物受到火燒的影響，土壤酶也枯落物燒除受影響，因此酶與微生物之間的相關(guān)性也改變，由于環(huán)境因素與干擾的措施的變化不同，酶與微生物之間的相關(guān)性變化也不相同。

3.2 結(jié)論

（1）云南松林計(jì)劃燒除使細(xì)菌和放線菌數(shù)量在0—10 cm土層、真菌數(shù)量在0—20 cm土層急劇下降，隨著土壤深度進(jìn)一步增加，影響越來越小。

（2）云南松林計(jì)劃燒除導(dǎo)致大部分表層土壤酶失活，其中對(duì)蔗糖酶和纖維素酶活性在 0—20 cm土層影響顯著，對(duì)脲酶、蛋白酶在0—10 cm土層影響顯著，對(duì)過氧化氫酶活性在0—60 cm土層都有顯著影響，隨土層深度增加受影響程度越來越小。而對(duì)磷酸酶活性影響在0—10 cm土層與其它酶相反，對(duì)20 cm以下土層的影響與其它酶趨于一致。

（3）云南松林土壤微生物與酶活性具有顯著的相關(guān)性，計(jì)劃燒除后，土壤微生物數(shù)量與酶活性變化，導(dǎo)致微生物與酶的相關(guān)性也發(fā)生變化。