孫彩麗,王藝偉,王從軍,黎慶菊,吳志紅,袁東昇,張建利

1 貴州民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550025

2 紫云苗族布依族自治縣林業(yè)局,貴州紫云苗族布依族自治縣 560800

土壤胞外酶主要來源于土壤微生物的活動(dòng)、植物根系分泌物和腐解的動(dòng)植物殘?bào)w,通過催化、分解、轉(zhuǎn)化及合成等過程參與土壤生物地球化學(xué)循環(huán),是土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝的一類重要?jiǎng)恿?在很大程度上反映土壤物質(zhì)循環(huán)與轉(zhuǎn)化的強(qiáng)度,是重要的土壤肥力指標(biāo)[1- 3]。水解酶是極為重要的一類胞外酶, 它可以催化土壤中的高分子和其它難利用物質(zhì)水解為植物、微生物可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 在物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中的作用不容忽視[4]。關(guān)于土壤胞外酶的研究多以參與碳循環(huán)的β- 1,4-葡萄糖苷酶(BG)、β- 1,4-木糖苷酶(BX)和纖維素二糖水解酶(CBH),參與氮循環(huán)的β- 1,4-N-乙酰葡萄糖苷酶(NAG)和亮氨酸氨基肽酶(LAP),和參與磷循環(huán)的酸性磷酸酶(AP)為研究對(duì)象,因?yàn)檫@些酶主要參與末端的催化反應(yīng),可以反映土壤的碳氮磷代謝水平[5- 7]。大量研究顯示,研究區(qū)域、地形條件和人為活動(dòng)等均顯著影響土壤胞外酶活性[3,8- 9],說明胞外酶能靈敏地反映自然條件和人類活動(dòng)影響下土壤生物化學(xué)過程的方向和強(qiáng)度,因此,研究土壤胞外酶活性對(duì)預(yù)測(cè)土壤生態(tài)系統(tǒng)變化具有重要意義。

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)以定量的方式明確反映營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解、補(bǔ)給速率的快慢以及土壤質(zhì)量狀況等生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化和能量平衡過程,是研究碳、氮和磷等元素在生態(tài)過程中耦合關(guān)系的有利工具[10- 11]。近年來,隨著生態(tài)化學(xué)計(jì)量研究的深入, 土壤酶的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征日益受到科學(xué)家們的重視,主要研究與元素(主要是碳氮磷元素)循環(huán)相關(guān)的酶活性之間的比值[12]。酶化學(xué)計(jì)量比能更好地反映微生物的代謝和營(yíng)養(yǎng)需求之間的生化平衡,是表征土壤能量和養(yǎng)分資源限制狀況的重要指標(biāo)[13]。通過meta分析發(fā)現(xiàn),全球尺度上參與碳氮磷循環(huán)的土壤酶化學(xué)計(jì)量比ln(BG)∶ln(NAG+LAP)∶ln(AP)趨于1∶1∶1[14],意味著全球尺度上碳氮磷相關(guān)代謝酶相對(duì)穩(wěn)定。然而,在特定的生態(tài)系統(tǒng)中,土壤微生物的生長(zhǎng)受到環(huán)境脅迫、養(yǎng)分限制及地上植被等生物因子的影響,進(jìn)而影響酶的表達(dá)和活性,土壤酶化學(xué)計(jì)量比可能不遵循 1∶1∶1 的關(guān)系。Xu等對(duì)我國(guó)不同區(qū)域森林土壤研究表明,隨著 pH 增大,ln(BG+CBH)∶ln(AP) 和ln(NAG+LAP)∶ln(AP) 呈減小趨勢(shì)[15]。Peng 等研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)溫帶草原全磷與ln(NAG+LAP)∶ln(AP) 呈顯著正相關(guān)[16]。高秋雨等研究發(fā)現(xiàn)亞熱帶人工林根際土壤酶活性及計(jì)量比受植被種類、林分類型及取樣季節(jié)影響,且基質(zhì)有效性在其中發(fā)揮重要作用[4]。為了準(zhǔn)確評(píng)估土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分周轉(zhuǎn)狀況,具體分析特定環(huán)境條件和研究背景下土壤酶的化學(xué)計(jì)量特征顯得尤為重要。

我國(guó)西南喀斯特區(qū)域景觀異質(zhì)性強(qiáng),土壤瘠薄且不連續(xù),水土流失和石漠化嚴(yán)重,具有明顯的脆弱性和易損性,破壞容易恢復(fù)難[17],因而在該地區(qū)進(jìn)行植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)顯得極為重要和緊迫。在國(guó)家“退耕還林還草”和“生態(tài)環(huán)境重建”等政策的推動(dòng)下,西南喀斯特地區(qū)開展了大規(guī)模的以土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整為主的綜合治理措施,許多坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、梯田等其它土地利用方式[18]。實(shí)踐表明,土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整不僅控制了水土流失和石漠化發(fā)展,還有效地改善了土壤性質(zhì)和質(zhì)量狀況[19]。遺憾的是,喀斯特山區(qū)由土地利用方式改變引起的土壤質(zhì)量變化過程及驅(qū)動(dòng)機(jī)制還不十分清楚。土壤酶作為反映土壤質(zhì)量高低的重要生物學(xué)指標(biāo),參與土壤生物化學(xué)過程和物質(zhì)循環(huán),對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化起重要作用[20],因此,研究喀斯特地區(qū)土壤酶活性及其化學(xué)計(jì)量特征隨土地利用方式轉(zhuǎn)變的變化規(guī)律及其與土壤養(yǎng)分間的內(nèi)在相關(guān)性有利于解決上述問題。

貴州省具有典型的喀斯特地貌特征,本研究以貴州省西南部的紫云縣為研究區(qū),選擇馬尾松林地、柏樹林地、灌木林地、梯田菜地、梯田撂荒地、坡面撂荒地和坡耕地等7種典型的土地利用方式為研究對(duì)象,通過分析不同土地利用方式土壤養(yǎng)分、酶活性及化學(xué)計(jì)量比的差異特征,探究環(huán)境因子與土壤酶活性之間相關(guān)性,以期揭示喀斯特山區(qū)土地利用方式改變引起的土壤養(yǎng)分變化特征及內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制,為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)恢復(fù)與重建提供參考及理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省安順市紫云縣境內(nèi)(105°55′—106°29′E,25°21′—26°3′N),平均海拔1000—1300 m。屬亞熱帶溫暖濕潤(rùn)氣候,四季分明,水熱同季,年平均氣溫約為15.3℃,年均降雨量1337 mm。山多地少,80% 為 25°以上坡地,土壤以黃壤為主,土層淺薄,山地平均土層深度20—40 cm。研究區(qū)人地矛盾突出,人為干擾強(qiáng)烈,植被退化嚴(yán)重,森林覆蓋率低且以次生林和人工林為主,長(zhǎng)年水土流失導(dǎo)致石漠化趨勢(shì)明顯,生態(tài)環(huán)境十分脆弱。在國(guó)家退耕還林(草)政策驅(qū)動(dòng)下,大部分坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩梅绞?現(xiàn)存典型的土地利用方式主要有坡耕地、梯田、林地、撂荒地等。

1.2 樣品采集

2019年9月選取7種當(dāng)?shù)爻Ｒ姷耐恋乩梅绞讲杉寥罉悠?包括馬尾松林地、柏樹林地、灌木林地、梯田菜地、梯田撂荒地、坡面撂荒地和坡耕地。各土地利用方式轉(zhuǎn)換前均為坡耕地,轉(zhuǎn)換時(shí)間在2005年前后。馬尾松林和柏樹林為人工林,灌木林地主要灌木為火棘,梯田菜地種植蔬菜為辣椒,梯田撂荒地和坡面摞荒地優(yōu)勢(shì)植物有馬尾松(PinusmassonianaLamb.)、亮葉樺(BetulaluminiferaH. Winkl.)和火棘(Pyracanthafortuneana(Maxim.) Li)等,坡耕地的種植作物為玉米。

采集土壤樣品時(shí),7種土地利用方式的坡度和坡向等立地條件盡量保持一致,每種土地利用類型設(shè)置3個(gè)重復(fù)樣地(樣地面積為 100 m×100 m 左右),每個(gè)樣地相距 100 m 左右,樣地內(nèi)“S”型設(shè)置 9個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)間距10 m以上,取樣深度為 0—20 cm。對(duì)每個(gè)樣地內(nèi)采集的土壤樣品去除枯枝落葉后進(jìn)行充分混勻,采用四分法留取 1 kg 土壤,代表該樣地的土壤樣品,本研究共得到21個(gè)土壤樣品。將采集到的鮮土立即帶回實(shí)驗(yàn)室,過2 mm篩后分兩部分,一部分立即放4℃冰箱保存,用于土壤酶活性的測(cè)定,另一部分風(fēng)干研磨過0.25 mm篩后用于養(yǎng)分和pH的測(cè)定。

1.3 土壤樣品分析

1.3.1土壤酶活性測(cè)定

土壤酶活性采用96微孔板熒光法進(jìn)行測(cè)定[21],共6種水解酶,分別是β- 1,4-葡糖苷酶(BG)、β- 1,4-木糖苷酶(BX)和纖維素二糖水解酶(CBH)、β- 1,4-乙酰-葡糖胺糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)和酸性磷酸酶(AP)。各種酶的反應(yīng)底物、縮寫和功能如表1所示。具體測(cè)定方法為：稱取4℃保存的鮮土1 g于250 mL 廣口瓶中, 加入125 mL醋酸緩沖液(50 mmol/L, pH約5.0), 震蕩 1 h制成土壤懸浮液。然后,使用八通道移液器吸 200 μL土壤懸浮液于96微孔板內(nèi),每個(gè)樣品孔中加 50 μL的底物(200 μmol/L, 超純水配制)。同時(shí)做樣品和基質(zhì)控制,樣品控制孔加200 μL 土壤懸浮液和 50 μL 醋酸鈉緩沖液,基質(zhì)控制孔中加200 μL醋酸鈉緩沖液和50 μL底物。所有樣品和空白加完后,將微孔板放在25 ℃的黑暗條件下培養(yǎng)4 h,之后分別在每個(gè)孔內(nèi)加10 μL NaOH溶液(1 mol/L)終止培養(yǎng)。1 min后, 用多功能酶標(biāo)儀(Synergy H4, BioTek, Winooski, USA)在365 nm波長(zhǎng)處激發(fā), 450 nm波長(zhǎng)處進(jìn)行熒光測(cè)定。酶底物均為Sigma公司生產(chǎn), 其他試劑為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.3.2土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

土壤養(yǎng)分和pH采用傳統(tǒng)方法測(cè)定[22]：土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；全磷采用 NaOH 堿溶-鉬銻抗比色法測(cè)定；有效磷采用 NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤pH值采用電位法測(cè)定,土壤溶液采用水(去CO2蒸餾水)浸提法調(diào)制(水土比 2.5∶1)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用土壤酶化學(xué)計(jì)量的向量分析預(yù)測(cè)土壤養(yǎng)分循環(huán)限制因素,計(jì)算公式如下[23]：

X=(BG+CBH+BX)/[(BG+BX+CBH)+AP]

Y= (BG+BX+ CBH)/[(BG+CBH+BX)+(NAG+LAP)]

矢量長(zhǎng)度=SQRT(X2+Y2)

矢量角度=DEGREES((ATAN2(X;Y))

其中,矢量線段的長(zhǎng)度用以表示能量相對(duì)于養(yǎng)分的限制,矢量線段與X軸的夾角(矢量角度)用以表示磷元素相對(duì)于N元素的限制程度,矢量角度大于45°表示磷限制,小于45°表示氮限制。

文中數(shù)據(jù)以平均值加標(biāo)準(zhǔn)差的形式進(jìn)行呈現(xiàn)。采用單因素方差分析法和多重比較法(Duncan)分析不同土地利用方式土壤養(yǎng)分、酶活性及化學(xué)計(jì)量特征的差異。采用冗余分析(RDA)探索土壤養(yǎng)分和酶活性及化學(xué)計(jì)量比之間的關(guān)系,在進(jìn)行RDA分析時(shí),首先通過方差膨脹因子(VIF)判斷解釋變量間的共線性程度,若VIF大于10證明存在共線性問題,需要剔除存在共線性關(guān)系的變量,再進(jìn)行RDA分析,并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行蒙特卡羅檢驗(yàn)。另外,對(duì)不同土地利用方式的土壤養(yǎng)分含量和胞外酶活性進(jìn)行聚類分析,將土地利用方式進(jìn)行歸類。聚類分析、RDA和VIF計(jì)算分別基于R語(yǔ)言中的vegan和packfor程序包,作圖基于ggplot2完成。其余統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 18.0中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤養(yǎng)分含量及化學(xué)計(jì)量比特征

不同土地利用方式土壤養(yǎng)分含量和化學(xué)計(jì)量比差異顯著(表2)。土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為梯田菜地最高,柏樹林地、馬尾松林地、梯田撂荒地和坡面撂荒地次之,灌木林地和坡耕地最低；土壤全氮含量表現(xiàn)為柏樹林地最高,坡耕地最低,其它土地利用方式的全氮含量居中；土壤全磷含量表現(xiàn)為柏樹林地>馬尾松林地和梯田撂荒地>灌木林地和梯田菜地>坡面撂荒地和坡耕地；只有馬尾松林地和柏樹林地的速效磷含量顯著高于坡耕地。與坡耕地相比,梯田菜地的C∶N值顯著增大而柏樹林地和馬尾松林地的C∶N值顯著減小,而所有土地利用方式C∶P和N∶P值較坡耕地都顯著減小。

表2 不同土地利用方式土壤理化性質(zhì)

2.2 不同土地利用方式土壤胞外酶活性差異

圖1結(jié)果顯示,不同土地利用方式BG活性表現(xiàn)為柏樹林地、梯田菜地和梯田撂荒地顯著高于馬尾松林地、灌木林地和坡面撂荒地顯著高于坡耕地；所有土地利用方式的CBH活性都顯著高于坡耕地且柏樹林地CBH活性最高；只有柏樹林地、灌木林地和梯田菜地的BX活性顯著高于坡耕地。柏樹林地和梯田撂荒地的NAG活性顯著高于坡耕地；除坡面撂荒地外,所有土地利用方式的LAP活性顯著高于坡耕地。與坡耕地AP活性相比,所有土地利用方式AP活性顯著增加,且最大值出現(xiàn)在馬尾松林地和柏樹林地。

圖1 不同土地利用方式土壤胞外酶活性差異

由于BG、CBH和BX都屬于代謝碳的酶,NAG和LAP屬于代謝氮的酶,AP屬于代謝磷的酶,將其歸類后結(jié)果顯示,柏樹林地、梯田菜地和梯田摞荒地的碳酶活性顯著高于坡耕地,其它土地利用方式的碳酶活性較坡耕地差異不顯著。氮酶活性表現(xiàn)為只有柏樹林地、灌木林地和梯田摞荒地顯著高于坡耕地。所有土地利用方式的磷酶活性都顯著高于坡耕地,且最大值出現(xiàn)在馬尾松林地和柏樹林地。

2.3 不同土地利用方式土壤胞外酶化學(xué)計(jì)量比和矢量特征

不同土地利用方式土壤酶化學(xué)計(jì)量比和矢量特征差異顯著(表3)。梯田菜地和坡面撂荒地的酶C∶N顯著高于坡耕地,其它土地利用方式的酶C∶N較坡耕地差異不顯著。酶N∶P表現(xiàn)為坡耕地>梯田菜地>灌木林地、柏樹林地和梯田撂荒地>馬尾松林地和坡面撂荒地。除灌木林地外,其它土地利用方式的酶N∶P均顯著小于坡耕地。酶活性矢量長(zhǎng)度介于0.547—0.797之間,所有土地利用方式的酶活性矢量角度均大于45℃。此外,不同土地利用方式碳氮磷酶活性比的平均值分別為1.251、0.505和0.459,而矢量長(zhǎng)度和矢量角度的平均值分別為0.614和58.507。用ln(BG+CBH+BX)∶ln(NAG+LAP)∶lnAP表示土壤酶C∶N∶P化學(xué)計(jì)量比,則不同土地利用方式土壤酶化學(xué)計(jì)量C∶N∶P總體上為1∶1∶1.3。

表3 不同土地利用方式土壤酶活性的化學(xué)計(jì)量比和矢量特征

圖2 土壤酶活性及計(jì)量比與土壤理化性質(zhì)關(guān)系的冗余分析(RDA)

2.4 土壤環(huán)境因子與胞外酶活性之間的相關(guān)性

對(duì)8種土壤環(huán)境因子與酶活性之間的相關(guān)性進(jìn)行冗余分析(RDA),結(jié)果顯示前兩個(gè)排序軸共解釋了土壤酶活性及計(jì)量比變異的55.72%(結(jié)果未呈現(xiàn))。剔除存在共線性關(guān)系的變量后,剩余全氮、速效磷、C∶N、N∶P和pH共5個(gè)因素,再進(jìn)行RDA分析,結(jié)果顯示前兩個(gè)排序軸共解釋了變異的50.22%(RDA1:29.91%和RDA2:20.31%)(圖2)。蒙特卡羅檢驗(yàn)結(jié)果顯示,在被檢驗(yàn)的5個(gè)土壤化學(xué)指標(biāo)中,除速效磷外,都對(duì)土壤酶活性及其化學(xué)計(jì)量比具有顯著影響。從圖中可以看出,RDA第一軸與氮磷代謝酶(NAG、LAP和AP)關(guān)系密切,且沿RDA1增大的方向土壤中全氮含量增加,pH和N∶P減小,RDA第二軸與碳代謝酶(BG、CBH、BX)和酶化學(xué)計(jì)量比關(guān)系密切,且沿RDA2增大的方向土壤中C∶N減小。

2.5 不同土地利用方式土壤化學(xué)性質(zhì)和酶活性的聚類分析

對(duì)不同土地利用方式的土壤養(yǎng)分含量、pH和胞外酶活性進(jìn)行聚類分析,結(jié)果顯示：不同的土地利用方式的土壤可清晰地分為4組,灌木林地、梯田撂荒地和坡面摞荒地為一類,馬尾松林地和柏樹林地為一類,梯田菜地和坡耕地各為一類(圖3)。

圖3 不同土地利用方式土壤養(yǎng)分和酶活性的聚類分析

3 討論

3.1 土地利用方式轉(zhuǎn)變對(duì)土壤養(yǎng)分含量和酶活性的影響

土地利用是自然條件和人為活動(dòng)的綜合反映,轉(zhuǎn)變土地利用方式是人類干預(yù)土壤質(zhì)量最直接的活動(dòng)[24],通過影響土壤有機(jī)物的輸入、水分和養(yǎng)分遷移和微生物活動(dòng)等[25],進(jìn)而改變土壤養(yǎng)分循環(huán)強(qiáng)度、總量和路徑[26],最終導(dǎo)致土壤質(zhì)量發(fā)生變化[3,17]。本研究發(fā)現(xiàn)喀斯特坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、梯田或撂荒地?土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量明顯增加,且馬尾松林地和柏樹林地的速效磷含量顯著增加。這與前人研究結(jié)果基本一致[19,27- 28],表明對(duì)喀斯特坡耕地進(jìn)行植被恢復(fù)和生態(tài)重建可有效改善土壤的養(yǎng)分狀況。主要原因在于坡耕地主要種植玉米等糧食作物,在人為干預(yù)下土壤養(yǎng)分消耗過多但地表枯落物歸還量小,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分相對(duì)貧瘠[3]。然而,坡耕地撂荒或轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾吞萏锖蟮厣现脖坏靡曰謴?fù),群落結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化[29],直接增加了土壤表層枯枝落葉輸入量和地下根系生物量,土壤微生物將輸入的有機(jī)物分解為無(wú)機(jī)養(yǎng)分歸還土壤,從而增加了養(yǎng)分含量,改善了土壤質(zhì)量狀況[25,30]。

土壤酶通過催化、降解、轉(zhuǎn)化及合成作用參與有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化和生物地球化學(xué)循環(huán),是反映土壤肥力的重要生物學(xué)指標(biāo)[20]。本研究結(jié)果表明對(duì)喀斯特坡耕地進(jìn)行土地利用轉(zhuǎn)換后土壤BG、CBH、LAP和AP活性普遍提高,而BX只在轉(zhuǎn)化為柏樹林地、灌木林地和梯田菜地后顯著提高,NAG只在轉(zhuǎn)化為柏樹林和梯田摞荒地后得到顯著提高。對(duì)土壤酶進(jìn)行歸類后,發(fā)現(xiàn)坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榘貥淞值?、梯田菜地和梯田撂荒地之后碳代謝酶活性顯著提高,轉(zhuǎn)換為柏樹林地、灌木林地和梯田摞荒地后氮代謝酶活性顯著提高,轉(zhuǎn)換為林地、撂荒地和梯田后磷代謝酶活性普遍增加,且馬尾松林地和柏樹林地磷代謝酶活性的增加幅度最大。土壤酶主要來源于土壤微生物、植物根系、土壤動(dòng)物的分泌物及其殘?bào)w的分解物等,并且一般認(rèn)為水解酶主要負(fù)責(zé)分解土壤中的活性有機(jī)質(zhì)[12,31],因此,本研究中土地利用方式改變后土壤胞外酶活性的提高與土壤中活性有機(jī)物的增加關(guān)系密切,比如枯落物和根系分泌物等,它們作為土壤微生物養(yǎng)分的主要來源,在很在程度上刺激土壤微生物胞外酶的分泌[32- 33]。此外,土壤理化屬性也會(huì)對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生影響,已有研究表明,溫度、水分、pH、養(yǎng)分有效性和真菌/細(xì)菌比都會(huì)在一定程度上影響土壤酶活性[34- 35]。本研究中,坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、梯田和撂荒地?土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量明顯增加,馬尾松林地和柏樹林地的速效磷含量顯著增加。并且,馬尾松林、柏樹林地、灌木林地和撂荒地的地上植被覆蓋率較坡耕地有很大提高,植物根系的發(fā)達(dá)程度和凋落物歸還量也有很大改善。梯田一方面因?yàn)榻亓糇饔猛寥赖乃蕳l件較比坡耕地優(yōu)越,另一方面梯田菜地因?yàn)槿藶槭┤朕r(nóng)家肥土壤有機(jī)質(zhì)含量會(huì)明顯提高。這些條件導(dǎo)致土壤活性有機(jī)物輸入量和土壤理化屬性較坡耕地明顯好轉(zhuǎn),進(jìn)而引起土壤酶活性顯著提高。

3.2 不同土地利用方式土壤養(yǎng)分限制因子

土壤C∶N∶P化學(xué)計(jì)量特征是表征土壤養(yǎng)分平衡、礦化和固持作用的重要指標(biāo),反映土壤養(yǎng)分組成及質(zhì)量狀況[36]。本研究中,土壤 C∶N、C∶P和N∶P的平均值分別為9.58、207.174和21.228,并且,與坡耕地相比,梯田菜地C∶N顯著增大,柏樹林地和灌木林地的C∶N顯著減小,其它所有土地利用方式C∶P和N∶P都顯著減小。Tian等研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)陸地表層土壤C∶N、C∶P和N∶P分別接近14.4、136 和9.3[8]。相比之下,本研究的C∶N 偏低而C∶P和N∶P偏高,說明研究區(qū)表層土壤有機(jī)質(zhì)分解過程中受 P 素限制。田靜等[36]和劉立斌等[10]對(duì)喀斯特土壤 C/N/P 化學(xué)計(jì)量特征的研究支持了我們的結(jié)果,證明喀斯特表層土壤普遍存在缺磷現(xiàn)象。坡耕地轉(zhuǎn)梯田菜地后C∶N顯著增大主要是因?yàn)檗r(nóng)家肥的施入導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量大幅增加,柏樹林地和灌木林地C∶N顯著減小的主要原因是土壤總氮含量的顯著增加。坡耕地轉(zhuǎn)換為林地、摞荒地和梯田后,土壤碳氮磷含量總體呈增加趨勢(shì),然而,這些土地利用方式的C∶P和N∶P均顯著減小,說明對(duì)喀斯特坡耕地進(jìn)行土地利用方式轉(zhuǎn)換不僅有助于土壤養(yǎng)分含量的提高,還促進(jìn)了養(yǎng)分的平衡,增加了磷元素的有效性。

喀斯特土壤的營(yíng)養(yǎng)狀況相對(duì)貧瘠,根據(jù)資源分配理論[37],土壤微生物可通過調(diào)節(jié)酶的分泌,提高限制元素的利用性,從而緩解土壤養(yǎng)分的限制[38],因此,研究土壤酶的化學(xué)計(jì)量特征對(duì)土地利用變換的響應(yīng)規(guī)律,有助于探究土壤微生物對(duì)養(yǎng)分限制的應(yīng)對(duì)策略。本研究結(jié)果顯示坡耕地轉(zhuǎn)梯田菜地和坡面撂荒地后,酶C∶N顯著增加而酶C∶P和酶N∶P顯著減小,轉(zhuǎn)馬尾松林地、柏樹林地和梯田撂荒地后酶C∶P和酶N∶P顯著減小,轉(zhuǎn)灌木林地后酶C∶P顯著減小。說明坡耕地轉(zhuǎn)其它土地利用方式后土壤N素限制得到了緩解,但加重了土壤P的限制。轉(zhuǎn)變土地利用方式后,植被得以恢復(fù),地上植物的快速生長(zhǎng)促使N、P元素由土壤向植物大量轉(zhuǎn)移,由于土壤中的P元素屬于沉積型元素,主要來源于礦物巖石的緩慢風(fēng)化作用[39],而N元素主要來源于微生物的對(duì)凋落物分解作用[40],土壤P素比N素更難得到補(bǔ)給,因此植物對(duì)養(yǎng)分的吸收更易導(dǎo)致土壤P素的減少,從而加重土壤中P的限制。此外,隨土地利用方式轉(zhuǎn)換時(shí)間的增加,地上植物因存在對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的再吸收現(xiàn)象,枯落物中磷含量增加導(dǎo)致C∶P降低,當(dāng)其進(jìn)入土壤以后,土壤微生物需要提高磷循環(huán)相關(guān)酶的活性以降解歸還的枯落物[41]。

經(jīng)過對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后,本研究土壤酶化學(xué)計(jì)量比C∶N∶P為1∶1∶1.3,偏離了全球生態(tài)系統(tǒng)1∶1∶1的比值[14],表明研究區(qū)域內(nèi)所有土地利用方式表層土壤具有較高的P轉(zhuǎn)化酶活性,意味著研究區(qū)內(nèi)土壤P素相對(duì)缺乏。并且,所有土地利用方式土壤酶活性的矢量角度都大于 45°,核實(shí)該研究區(qū)受 P元素限制[42-43]。值得注意的是,本研究酶C∶N和酶C∶P的平均值分別為1.251和0.505,低于全球尺度水平1.41和0.62,而酶N∶P的平均值為0.459,略高于全球水平0.44[14],說明土壤氮、磷代謝酶活性均高于全球水平,反映研究區(qū)主要受磷元素的制約,而氮元素也不富裕。劉立斌等對(duì)貴州高原型喀斯特次生林 C、N、P 生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究結(jié)果與本研究一致[10]。研究區(qū)土壤呈酸性,磷元素易被絡(luò)合成不易被植物和微生物利用的形態(tài),從而導(dǎo)致土壤磷元素受限[4]。此外,研究區(qū)屬典型的喀斯特巖溶地貌,土壤空隙大,集中的雨季及其所引起的林溶會(huì)進(jìn)一步降低P的有效性[41,44]。

3.3 土地利用方式轉(zhuǎn)變過程中土壤酶活性變化的驅(qū)動(dòng)因素

本研究RDA分析去共線性后留下了土壤全氮、速效磷、C∶N、N∶P和pH共5個(gè)因素,但經(jīng)蒙特卡羅檢驗(yàn)后,只篩選出土壤全氮、C∶N、N∶P和pH共4個(gè)顯著影響土壤酶活性及計(jì)量比的因素,說明在土地利用變化過程中,這4個(gè)因素對(duì)土壤酶活性及其化學(xué)計(jì)量比的變化起主要驅(qū)動(dòng)作用。速效磷被剔除的原因是土壤P素礦化程度低且速效磷對(duì)土地利用方式的轉(zhuǎn)變相對(duì)不敏感,相比之下,不同土地利用方式間土壤全氮、C∶N、N∶P和pH差異明顯,這些指標(biāo)又影響著土壤微生物的生長(zhǎng)發(fā)育,因而影響土壤酶活性的消長(zhǎng)[45]。RDA結(jié)果顯示,氮磷相關(guān)代謝酶與土壤全氮、N∶P和pH關(guān)系密切,并且與全氮含量正相關(guān),與N∶P和pH負(fù)相關(guān),碳代謝酶(BG、CBH、BX)和酶化學(xué)計(jì)量與土壤中C∶N正相關(guān)。從本質(zhì)上來講,該研究結(jié)果表明土壤酶活性與土壤養(yǎng)分具有趨同性,并受土壤pH的調(diào)控。土壤氮素含量的增加可通過提高植物生物量等方式增加土壤碳的輸入,土壤微生物獲取養(yǎng)分和能量后,根據(jù)資源分配理論,調(diào)節(jié)酶的分泌,改變酶的生化特性,進(jìn)而提高酶的活性[41]。Sinsabaugh 等研究發(fā)現(xiàn)土壤NAG和AP活性與土壤pH負(fù)相關(guān),這與本研究一致[14]。主要原因是大部分土壤水解酶的最適pH在5左右,土壤pH的升高或降低都會(huì)對(duì)酶活性產(chǎn)生不利影響[46]。本研究坡耕地變更土地利用方式后pH呈降低趨勢(shì),而土壤酶活性呈增加趨勢(shì),因此二者呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系。

對(duì)研究區(qū)7種土地利用方式的土壤養(yǎng)分含量和胞外酶活性進(jìn)行聚類分析,可將其大致分為4類：灌木林地、梯田撂荒地和坡面摞荒地為一類,馬尾松林地和柏樹林地為一類,梯田菜地和坡耕地各為一類。由于每一類的土壤性狀相似,因此,同一類的不同土地利用方式可互相替代,也可對(duì)同一類的不同土地利用方式采取相同管理措施。該研究結(jié)果具有一定實(shí)踐指導(dǎo)意義,在進(jìn)行植被恢復(fù)或土地管理過程中,可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)同一類土地利用方式進(jìn)行靈活調(diào)整,有助于減輕基層工作者的工作量并提高植被恢復(fù)或土地管理的成功率。

4 結(jié)論

土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量和酶活性化學(xué)計(jì)量特征顯示研究區(qū)主要存在缺磷現(xiàn)象,但氮素也不富裕。對(duì)坡耕地轉(zhuǎn)變土地利用方式后,土壤養(yǎng)分狀況得到明顯改善,不僅顯著提高了養(yǎng)分含量,而且土壤微生物通過調(diào)節(jié)胞外酶的分泌和活性提高了磷素的有效性,促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的平衡?？傮w來看,坡耕地轉(zhuǎn)馬尾松林地和柏樹林地后,土壤質(zhì)量改善的效果相似,且較其它土地利用方式效果更加顯著。值得注意的是,坡耕地轉(zhuǎn)馬尾松林地、柏樹林地和梯田撂荒地后加劇了土壤磷素的限制,因此在造林過程中需要注意磷肥的補(bǔ)充。此外,土壤全氮含量、C∶N、N∶P和pH是土壤酶活性變化的主要驅(qū)動(dòng)因素,土壤酶活性與養(yǎng)分含量的變化具有趨同性并受土壤pH的調(diào)控。