海南島黎母山國家自然保護(hù)區(qū)熱帶云霧林土壤酶活性的根際效應(yīng)

涂志華, 周凌峰, 黃艷萍, 陳夙怡, 陳金輝, 李勝男

(1.海南大學(xué) 林學(xué)院 熱帶特色林木花卉遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新教育部重點實驗室, 海南 ?？?570228;2.海南省熱帶珍稀名貴樹種工程研究中心, 海南 ?？?570228; 3.海南五指山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 海南 海口 570228; 4.海南省建設(shè)項目規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司, 海南 ?？?570203)

德國微生物學(xué)家Lorenz Hiltner于1904年提出根際(rhizosphere)是指植物根系周圍距根系表面數(shù)毫米的微土壤區(qū)域，受根系活動強(qiáng)烈影響[1-3]，是根系—土壤—微生物三者相互作用圍繞根系進(jìn)行生物地球化學(xué)循環(huán)最活躍的區(qū)域[4-6]。植物根系分泌物及根系凋落物持續(xù)輸入根際土壤，改變根際區(qū)營養(yǎng)環(huán)境，根際土壤生物學(xué)特征區(qū)別于非根際土壤，存在明顯的“根際效應(yīng)”[7-9]。研究表明，根際土壤酶作為根際效應(yīng)重要的驅(qū)動者，影響根際養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與利用[3-4,10]。土壤酶作為土壤中的生物催化劑，是土壤生物化學(xué)過程中的重要參與者，直接影響著土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動[11-12]。土壤酶調(diào)節(jié)有機(jī)質(zhì)的分解，是評價土壤質(zhì)量變化的重要生物指標(biāo)之一[10-12]，其活性與土壤物理生物化學(xué)性質(zhì)及水熱條件密切相關(guān)[12-13]，對環(huán)境變化比較敏感，不同植被類型其季節(jié)動態(tài)特征具有很大差異[13-14]。因此，開展土壤酶活性及其根際效應(yīng)對認(rèn)識區(qū)域土壤質(zhì)量變化以及土壤酶介導(dǎo)的根際生態(tài)過程具有重要意義。

熱帶云霧林是陸地生態(tài)系統(tǒng)熱帶森林的重要組成部分，僅占世界熱帶森林面積的2.5%，具有生物多樣性價值高，保持水土、涵養(yǎng)水源等重要生態(tài)服務(wù)功能[15-16]，在維持全球碳氮平衡和應(yīng)對氣候變化等方面都發(fā)揮重要的作用[17]。海南島熱帶云霧林主要分布在海拔1 200 m以上的林區(qū)，常被云霧縈繞且土壤含水量常處于飽和狀態(tài)[18]，是海南中西部地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū)。該區(qū)域熱帶云霧林是水生態(tài)安全的重要保障，隨著水環(huán)境安全問題的重視，從土壤酶學(xué)角度分析熱帶云霧林不同植被發(fā)揮水土保持功能對認(rèn)識如何提升水源涵養(yǎng)林的生態(tài)功能保護(hù)和建設(shè)具有重要意義。近年來，針對海南云霧林的研究主要集中在群落結(jié)構(gòu)特征、環(huán)境特征、植物多樣性、植物功能性狀分異規(guī)律、植物葉片養(yǎng)分特征等方面開展研究[18-21]，而對根際土壤酶如何介導(dǎo)根際生態(tài)過程中養(yǎng)分循環(huán)與轉(zhuǎn)化的作用鮮見報道，制約著熱帶云霧林發(fā)揮保育土壤、水源涵養(yǎng)功能的準(zhǔn)確評估。因此，本研究以海南島黎母山林區(qū)熱帶云霧林為研究對象，分析嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃3種主要優(yōu)勢樹種根際與非根際土壤酶活性差異及其季節(jié)動態(tài)變化特征，探討土壤酶活性季節(jié)變化的影響因子，以期更加深入揭示熱帶云霧林土壤酶在根際生態(tài)過程中碳、氮養(yǎng)分循環(huán)機(jī)制中的作用，為準(zhǔn)確評估熱帶云霧林發(fā)揮保育土壤、水源涵養(yǎng)功能及區(qū)域水源涵養(yǎng)林管理和建設(shè)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南黎母山國家自然保護(hù)區(qū)(109°39′05″—109°48′31″E，19°07′22″—19°14′03″N)，是海南島保存較好的熱帶原始林地區(qū)之一，該區(qū)屬于熱帶海洋季風(fēng)氣候，四季不明顯氣候，終年溫暖濕潤，雨量充沛。主峰黎母嶺海拔1 411.7 m。區(qū)內(nèi)年平均氣溫23.1 ℃，年平均降雨量為2 343.1 mm，年平均相對濕度84%，平均年蒸發(fā)量為1 617.8 mm。土壤類型主要為磚紅壤、赤紅壤和山地黃壤。區(qū)域內(nèi)植物資源豐富，野生維管植物190科759屬1 490種。在保護(hù)區(qū)內(nèi)熱帶云霧林內(nèi)各布設(shè)3塊50 m×50 m樣地(109°45′58″—109°46′00″E，19°10′58″—19°11′07″N)，海拔為1 340～1 350 m，樣地土壤類型為山地黃壤，優(yōu)勢樹種主要有：嶺南青岡(Cyclobalanopsischampionii)，羅浮錐(Castanopsisfabri)，細(xì)枝柃(Euryaloquaiana)[20]。

1.2 樣品采集

在樣地內(nèi)每個優(yōu)勢樹種(嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃)選擇標(biāo)準(zhǔn)木5株，根際土壤樣品采集采用抖落法[22]，具體方法：除去地表枯落物，挖取有主根及須根的土體，先輕輕抖落不含根系的大塊土壤，用小刀刮下附著在根系周圍的土壤為非根際土壤(non-rhizosphere soil，用S表示)；用毛刷收集經(jīng)抖落后依然黏附在根系周圍的土壤(0—5 mm)為根際土即(rhizosphere soil，用R表示)，將收集的根際土與非根際土充分混勻并裝入無菌自封袋內(nèi)。新鮮土壤樣品分兩份，一份放置于裝有冰袋的保溫箱內(nèi)，立即帶回實驗室，用于測定土壤酶活性；另一份帶回實驗室后風(fēng)干，過篩用于測定土壤理化性質(zhì)。樣品采集時間為2019年2—12月，每月采集樣品一次，每次取樣在每個樣地相同的樣點進(jìn)行，即在前一次采樣點附近取樣，盡量保持土壤樣本的一致性。

1.3 分析測定

土壤化學(xué)性質(zhì)采用魯如坤的分析方法[23]，土壤含水量采用105 ℃烘干恒重法測定，土壤有機(jī)碳含量用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定，土壤全氮用凱氏定氮法測定，速效氮堿解擴(kuò)散法法，土壤全磷、速效磷采用鉬銻抗比色法，全鉀、速效鉀采用火焰光度計法。土壤酶活性采用關(guān)松蔭的分析方法[24]。土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，以24 h后1 g土壤生成葡萄糖毫克數(shù)表示〔mg/(g·d)〕；土壤脲酶活性采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測定，以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克數(shù)表示〔mg/(g·d)〕；土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，以1 g土壤消耗0.1 mol/L KMnO4的毫升數(shù)表示〔mL/(g·h)〕；土壤酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定，以24 h后1 g土壤釋放酚的毫克數(shù)表示〔mg/(g·d)〕。

土壤酶根際效應(yīng)(rhizosphere effect，RE)采用如下公式進(jìn)行分析：

RE=〔(根際土壤含量—非根際土壤含量)/

非根際土壤含量〕×100%

根際效應(yīng)可反映植物根際酶活性富集效應(yīng)的強(qiáng)弱，RE>0為根際正效應(yīng)，RE<0為根際負(fù)效應(yīng)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析不同優(yōu)勢樹種土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶含量以及根際效應(yīng)的差異顯著性，并利用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較分析(α=0.05)，采用Origin 8.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤蔗糖酶活性季節(jié)動態(tài)變化

嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃根際與根際土壤蔗糖酶活性的動態(tài)變化明顯，2—7月逐漸增大，8月達(dá)到峰值，而后9—12月逐漸降低，均呈現(xiàn)單峰型曲線變化趨勢，動態(tài)變化顯著(p<0.05)(圖1)。

注：圖中不同小寫字母表示同一時間不同樹種之間差異顯著(p<0.05)。下同。

如圖1所示，在5—10月嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃差異顯著；而在2，3，4，11，12月，嶺南青岡、羅浮錐差異不顯著，但顯著大于細(xì)枝柃。不同樹種根際土壤蔗糖酶活性存在顯著差異(p<0.05)。嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃根際土壤蔗糖酶活性動態(tài)變幅分別為：33.82～79.73，32.61～77.06，30.20～64.39 mg/(g·d)，其均值表現(xiàn)為：嶺南青岡〔51.49±15.76 mg/(g·d)〕>羅浮錐〔48.34±14.98 mg/(g·d)〕>細(xì)枝柃〔42.45±12.35 mg/(g·d)〕，嶺南青岡顯著大于細(xì)枝柃(p<0.05)。3個樹種根際土壤蔗糖酶活性均顯著高于非根際(p<0.05)，不同月份動態(tài)變化中，嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃非根際土壤蔗糖酶活性變幅分別為27.27～65.21，26.45～63.53，23.71～56.86 mg/(g·d)，其根際比變幅分別為：1.05～1.26，1.08～1.29，1.10～1.33。

2.2 土壤脲酶活性季節(jié)動態(tài)變化

嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃根際與非根際土壤脲酶活性的動態(tài)變化趨勢與土壤蔗糖酶活性相似，從2月始逐漸增大，8月上升至峰值后逐漸下降，均呈現(xiàn)單峰型變化，月際動態(tài)變化顯著(p<0.05)(圖2)。不同樹種根際土壤脲酶活性月份變幅分別為1.01～2.54，0.99～2.50，0.60～2.05 mg/(g·d)，最大值分別為最小值的2.51，2.52，3.11倍；其均值表現(xiàn)為：嶺南青岡〔1.48±0.53 mg/(g·d)〕>羅浮錐〔1.43±0.50 mg/(g·d)〕>細(xì)枝柃〔1.09±0.48 mg/(g·d)〕，嶺南青岡與羅浮錐差異不顯著，但顯著大于細(xì)枝柃(p<0.05)，分別是羅浮錐、細(xì)枝柃的1.03，1.36倍。3個樹種根際土壤脲酶活性均顯著高于非根際(p<0.05)，不同月份動態(tài)變化中，嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃非根際土壤脲酶活性變幅分別為0.48～1.83，0.45～1.81，0.28～1.70 mg/(g·d)，其根際比變幅分別為：1.39～2.10，1.38～2.21，1.20～2.15。

圖2 海南島黎母山熱帶云霧林根際與非根際土壤脲酶活性動態(tài)變化

2.3 土壤過氧化氫酶酶活性季節(jié)動態(tài)變化

嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃根際與非根際土壤過氧化氫酶活性的動態(tài)變化呈現(xiàn)單峰型變化，月份動態(tài)變化顯著(p<0.05)(圖3)，從2月開始逐漸增大，8月上升至峰值后逐漸下降。不同樹種根際土壤過氧化氫酶活性月際變幅分別為16.08～33.19，16.07～31.69，8.44～24.20 ml/(g·h)；其均值表現(xiàn)為：嶺南青岡〔22.65±5.81 ml/(g·h)〕>羅浮錐〔21.50±5.43 ml/(g·h)〕>細(xì)枝柃〔13.99±5.45 ml/(g·h)〕，嶺南青岡與羅浮錐差異不顯著，但顯著大于細(xì)枝柃(p<0.05)，分別是羅浮錐、細(xì)枝柃的1.05，1.62倍。3個樹種根際土壤過氧化氫酶活性均顯著高于非根際(p<0.05)，不同月份動態(tài)變化中，嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃非根際土壤過氧化氫酶活性變幅分別為9.45～19.60，8.71～19.17，6.79～16.75 ml/(g·h)，其根際比分別為：1.73±0.10，1.76±0.08，1.36±0.12。

圖3 海南島黎母山熱帶云霧林根際與非根際土壤過氧化氫酶動態(tài)變化

2.4 土壤酸性磷酸酶活性季節(jié)動態(tài)變化

由圖4可知，嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃根際與非根際土壤酸性磷酸酶活性的動態(tài)變化呈現(xiàn)單峰型變化，月際動態(tài)變化顯著(p<0.05)，2—7月逐漸增大，8月達(dá)到峰值，而后9—12月逐漸降低。不同樹種根際土壤酸性磷酸酶活性月際變幅分別為2.36～6.46，1.62～5.71，1.86～4.96 〔mg/(g·d)〕，最大值分別為最小值的2.74，3.52，2.67倍；其均值表現(xiàn)為：嶺南青岡〔4.09±1.34 mg/(g·d)〕>羅浮錐〔3.57±1.32 mg/(g·d)〕>細(xì)枝柃〔3.08±0.98 mg/(g·d)〕，嶺南青岡顯著與大于羅浮錐、細(xì)枝柃(p<0.05)，分別是羅浮錐、細(xì)枝柃的1.14，1.33倍。

圖4 海南島黎母山熱帶云霧林根際與非根際土壤酸性磷酸酶活性動態(tài)變化

3個樹種根際土壤酸性磷酸酶活性均顯著高于非根際(p<0.05)，不同月份動態(tài)變化中，嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃非根際土壤酸性磷酸酶活性變幅分別為1.22～4.09，0.85～4.07，0.93～3.84 mg/(g·d)，其根際比分別為：1.86±0.25，1.88±0.29，1.83±0.30。

2.5 土壤酶活性根際效應(yīng)

土壤酶活性的根際效應(yīng)動態(tài)變化趨勢總體呈“U”字型變化(圖5)，從2月開始逐漸下降，7—8月降至谷值后逐漸增大。土壤酶活性根際效應(yīng)均為正效應(yīng)(根際效應(yīng)>0)。嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃土壤蔗糖酶活性根際效應(yīng)變幅分別：4.66%～25.86%，7.54%～28.76%，10.11%～32.81%；其均值分別為18.15±6.94%，17.49±6.46%，19.90±8.89%，3個樹種差異不顯著(p>0.05)；土壤脲酶活性根際效應(yīng)變幅分別：50.28%～112.97%，37.61%～121.26%，20.44%～115.47%；其均值分別為72.26±26.06%，71.52±24.04%，67.65±27.01%，3個樹種差異不顯著(p>0.05)；土壤過氧化氫酶活性根際效應(yīng)變幅分別：60.68%～91.56%，65.31%～91.20%，24.28%～64.17%；其均值分別為73.95±9.65%，76.28±8.45%，36.25±12.16%，嶺南青岡、羅浮錐差異不顯著，但顯著大于細(xì)枝柃(p>0.05)；土壤酸性磷酸酶活性根際效應(yīng)變幅分別：57.67%～121.65%，34.30%～122.49%，29.12%～116.11%；其均值分別為85.73±24.54%，88.01±29.26%，83.97±29.67%，3個樹種差異不顯著(p>0.05)。

圖5 海南島黎母山熱帶云霧林土壤酶活性根際效應(yīng)動態(tài)變化

2.6 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析

由表1可知，在根際與非根際土壤中，土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶與有機(jī)碳、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀呈極顯著相關(guān)(p<0.01)，土壤酶活性總體與速效養(yǎng)分的相關(guān)性大于全氮、全磷、全鉀；但與土壤含水量、pH值相關(guān)性不顯著(p>0.05)。

表1 海南島黎母山熱帶云霧林根際與非根際土壤酶活性與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析

3 討 論

3.1 土壤酶活性的動態(tài)變化

土壤酶活性季節(jié)動態(tài)變化是一個復(fù)雜的生物化學(xué)生態(tài)過程，受到了氣候因子、土壤水熱條件、土壤理化性質(zhì)、植被類型等的影響[10-14]，本研究中，不同樹種根際與非根際土壤酶活性月際動態(tài)變化顯著，峰值出現(xiàn)在雨季8月。這與前人研究結(jié)果一致，例如，韓國君等[11]研究表明土壤酶活性在6月相對高于3月與12月，不同植物與季節(jié)交互作用顯著影響著土壤酶活性。裴丙等[13]研究表明太行山南麓5個林齡側(cè)柏人工林土壤酶活性季節(jié)變化明顯，峰值在夏季，谷值在冬季。朱海強(qiáng)等[14]研究也表明濕地不同植物群落類型土壤酶活性具有明顯季節(jié)變化，峰值在旺盛期的8月。Dien等[25]研究認(rèn)為土壤酶活性高峰值出現(xiàn)在7—8月。這可能是夏季氣溫穩(wěn)定在較高水平，本研究區(qū)5—10月為雨季，降雨較多，水熱條件較為適宜，植物生長旺盛，根系生長活力增強(qiáng)，根際分泌物水平增大[7]，土壤微生物生長繁殖旺盛[13-14,25]，從而促進(jìn)了土壤酶活性的提高。而在11月至翌年4月為干旱季，水分條件處于較低水平，溫度較低，有機(jī)質(zhì)分解減弱，根系生長活力下降，土壤微生物活性受到一定的抑制，因此土壤酶活性降低[13,25]。本研究表明3中優(yōu)勢植物土壤酶活性存在差異，主要是由于土壤酶來源于植物根系、微生物及動植物殘體的分泌或釋放[13,25]，不同植物細(xì)根產(chǎn)量及根系分泌物存在差異，土壤微生物區(qū)系不一且數(shù)量與質(zhì)量差異較大，加之凋落物分解提供碳源和能源存在差異，導(dǎo)致不同植被土壤酶活性不同[10-11,14,26]。

3.2 土壤酶活性根際效應(yīng)的動態(tài)變化

植物通過根系攝取生長所需的養(yǎng)分，在根土界面層根際微環(huán)境由于根系與微生物活動的強(qiáng)烈影響，根際區(qū)物質(zhì)和能量交換十分頻繁，具有明顯的根際效應(yīng)[1-2,6]。研究表明植物類型差異與根際吸收養(yǎng)分速率有關(guān)，受到根際吸收影響，土壤養(yǎng)分可表現(xiàn)為富集或虧缺[3-4]。本研究3種樹種根際土壤酶活性大于非根際土壤，呈顯著的根際效應(yīng)，表現(xiàn)為根際富集作用。這與范周周等[3]、田平雅等[4]、王小平等[7]、李麗娟等[10]研究結(jié)果一致，這主要是根系不斷的分泌化合物以及細(xì)根凋落物分泌或釋放酶類物質(zhì)進(jìn)入根際土壤，同時向根際區(qū)輸入易于被土壤微生物利用的有機(jī)物[3-4]，為土壤微生物提供大量碳源和能量，微生物的代謝活動增強(qiáng)[7,10]，進(jìn)而促進(jìn)土壤酶活性。有研究表明，根際區(qū)土壤微生物數(shù)量是非根際區(qū)的19～32倍以上，根際區(qū)土壤微生物活性是非根際區(qū)的10倍以上[1-2]，微生物不斷的向周圍介質(zhì)分泌酶，極大的提高根際土壤酶活性[7]。土壤酶活性的提高，有利于土壤速效養(yǎng)分的在根際區(qū)積累，影響土壤養(yǎng)分循環(huán)[10]。本研究表明土壤酶根際效應(yīng)表現(xiàn)為：酸性磷酸酶>脲酶>過氧化氫酶>蔗糖酶，這與黃娜等[26]研究結(jié)果土壤脲酶根際效應(yīng)>蛋白酶>酸性磷酸酶不一致，這主要可能是不同植被根系分泌物的組成、數(shù)量與質(zhì)量差異，且不同植物根系分布特征、細(xì)根的發(fā)達(dá)程度及根系凋落物的分解存在明顯的差異，加之根系穿插影響土壤團(tuán)聚體粒徑及細(xì)根的根際沉積，進(jìn)而影響土壤酶活性根際效應(yīng)[3-4,10,27]。有研究指出土壤酶活性與土壤養(yǎng)分循環(huán)有直接關(guān)系[10]，相關(guān)分析可知，在根際和非根際土壤酶活性與土壤C，N，P養(yǎng)分具有顯著相關(guān)性，說明了土壤酶活性與C，N，P養(yǎng)分具有協(xié)同作用，可以在一定程度上反映養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與周轉(zhuǎn)效率的生物學(xué)指標(biāo)[25-27]。這主要是因為酶活性的提高，加速了有機(jī)質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化，增加了土壤營養(yǎng)成分的有效性[7-9]。

4 結(jié) 論

熱帶云霧林嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃3個樹種對土壤酶活性的影響顯著，其根際與非根際酶活性具有明顯的季節(jié)動態(tài)變化，呈單峰型變化趨勢。根際土壤酶活性均高于非根際土壤，表現(xiàn)為根際正根際效應(yīng)，且根際效應(yīng)顯著，土壤脲酶、過氧化氫酶和酸性磷酸酶根際效應(yīng)大于蔗糖酶根際效應(yīng)，表明在根際區(qū)有利于土壤脲酶、過氧化氫酶和酸性磷酸酶富集，截留效應(yīng)更大。本研究區(qū)土壤酶活性及其季節(jié)變化的主導(dǎo)控制因子可能與土壤有機(jī)質(zhì)和N，P，K養(yǎng)分限制有關(guān)，而不同植物生長特性、凋落物分解歸還、根系分泌物等也可能影響土壤C，N，P養(yǎng)分的可利用特性，導(dǎo)致不同植物類型土壤酶活性及其季節(jié)變化的差異，雨季旱季的降雨格局變化及臺風(fēng)雨的干擾也影響著土壤微生物進(jìn)而影響著土壤酶活性，因而對于降雨格局變化、凋落物特性、根系分泌物及土壤微生物區(qū)系對土壤酶活性的影響有待進(jìn)一步深入研究。