寒溫帶林區(qū)不同林型土壤酶活性和微生物生物量的變化特征1)

張宏偉 崔曉陽 郭亞芬

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

土壤酶主要來源于微生物、植物根系及土壤動物的分泌釋放[1]，通過酶促反應(yīng)打破土壤有機(jī)質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜化合物轉(zhuǎn)化為簡單化合物，以供微生物分解利用[2]。土壤酶直接參與土壤物質(zhì)循環(huán)和能量流動，包括各種有機(jī)質(zhì)的分解與合成、土壤養(yǎng)分的固定與釋放，調(diào)控土壤碳、氮的周轉(zhuǎn)速率，是土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝的重要動力[3]，可以作為衡量生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量變化的敏感指標(biāo)。土壤微生物生物量，指土壤中體積小于5 000 μm3的生物總量，不包括活的植物體，是活的土壤有機(jī)質(zhì)部分，是反映土壤碳循環(huán)變化的重要指標(biāo)[4]。森林土壤微生物生物量碳、氮，作為森林生態(tài)系統(tǒng)的活性成分，是森林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)不可或缺的成分[5-6]，是土壤養(yǎng)分的重要“源”和“庫”[7]，常被用于評價土壤質(zhì)量的生物學(xué)性狀[8]，且其對土壤環(huán)境條件變化敏感，能在短時間內(nèi)發(fā)生大幅度變化，因而土壤微生物生物量的大小，可以作為判斷土壤生態(tài)系統(tǒng)功能變化的敏感指標(biāo)[9]。土壤微生物生物量受氣候、土壤、植被、地形等因子的顯著影響，即使在相同的氣候條件和土壤類型，季節(jié)變化和土壤水熱條件的差異，也對土壤微生物量產(chǎn)生很大的影響。胡嵩等[10]研究表明，白樺中齡林和白樺成熟林的微生物生物量碳和微生物熵，均高于白樺幼齡林、白樺中幼齡林和白樺過熟林，中齡林和成熟林的纖維素等酶活性也高于其他林型。趙盼盼等[1]研究表明，海拔梯度對淀積層土壤酶活性的影響整體較小；在淋溶層土壤中，隨海拔升高，纖維素水解酶顯著降低；微生物生物量碳，隨海拔升高有下降趨勢。曹瑞等[11]對高山峽谷的土壤研究表明，土壤微生物生物量和土壤酶，與土壤含水量、有機(jī)碳和全氮呈極顯著正相關(guān)。因而，研究土壤酶活性和土壤微生物生物量隨不同林型的變化特征，對于探索環(huán)境因子對森林土壤生態(tài)過程的影響具有重要意義。

大興安嶺是我國重要的國有林區(qū)，也是我國唯一的高緯度寒溫帶地區(qū)，低溫時間漫長寒冷，炎熱時間短暫濕熱，晝夜溫差較大，月平均氣溫在0 ℃以下的月份長達(dá)8個月。近年來，已有學(xué)者對大興安嶺興安落葉松林下植被及養(yǎng)分特征[12]、天然林土壤的活性碳[13]、森林火燒恢復(fù)年限對土壤磷的有效性[14]、天然針葉林土壤氮礦化[15]等方面進(jìn)行了相關(guān)研究，但對不同林型土壤酶活性和微生物生物量變化特征的比較研究較少。為此，本研究以大興安嶺寒溫帶林區(qū)杜香-落葉松林、杜鵑-落葉松林、杜鵑-白樺林、偃松林的4種林型為研究對象，分析不同林型對寒溫帶林區(qū)土壤微生物生物量和酶活性的影響、該地區(qū)典型林型土壤微生物生物量和酶活性的變化規(guī)律、大興安嶺不同林型土壤酶活性和微生物生物量與環(huán)境因子之間的關(guān)系，探索土壤酶活性和土壤微生物生物量隨不同林型的變化特征。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在大興安嶺高寒區(qū)(122°42′14″～123°18′5″E、51°17′42″～51°56′31″N)黑龍江呼中國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，是我國目前保存比較典型且完整的寒溫帶針葉林生態(tài)系統(tǒng)之一。寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，季節(jié)溫差較大，低溫時間漫長寒冷，炎熱時間短暫濕熱且有大量積雪，春秋兩季明顯，一年四季和晝夜溫差較大。保護(hù)區(qū)平均氣溫為-4 ℃左右，年極端最低氣溫-47.4 ℃，最高氣溫32 ℃。年平均降水量458.3 mm，年蒸發(fā)量平均為911 mm，平均相對濕度71%，無霜期90 d左右。區(qū)內(nèi)森林植被按海拔從低到高依次為：

杜香-落葉松(Ledumpalustre-Larixdahurica)林——海拔400～600 m，林下土壤類型為表潛棕色針葉林土，林齡為90～120 a的原始林。林下主要樹種為細(xì)葉杜香(Ledumpalustre)、篤斯越橘(Vacciniumuliginosum)、地衣(Lichen)、泥炭蘚(Herbasphagni)。

杜鵑-落葉松(Rhododendrondauricum-Larixdahurica)林——海拔620～700 m，林下土壤為典型棕色針葉林土，林齡為90～120 a的原始林。林下主要樹種為興安杜鵑(Rhododendrondauricum)、細(xì)葉杜香、越橘(Vacciniumvitis-idaea)、東北赤楊(Alnusmandshurica)。

杜鵑-白樺(Rhododendrondauricum-Betulaplatyphylla)林——海拔680～760 m，林下土壤為典型棕色針葉林土，林齡為30～40 a次生林。林下主要樹種為興安杜鵑、細(xì)葉杜香、越橘、繡線菊(Spiraeasalicifolia)。

偃松(Pinuspumila)林——海拔850～1 100 m，林下土壤為漂灰土，林齡為90～120 a的原始林。主要樹種為偃松。

成土母質(zhì)均為花崗巖、片麻巖風(fēng)化的坡積物，4種林型從樣地坡底隨海拔升高到坡頂呈自然分布。

2 研究方法

2019年9月份，在選好的4個林型中分別設(shè)置30 m×30 m的固定樣方，在每個樣方內(nèi)隨機(jī)布設(shè)5個1 m×1 m小樣區(qū)，去除表面凋落物，每個小樣區(qū)采用“S”型混合采樣方法取樣。由于研究區(qū)土層薄，在10～20 cm，下層由大小不等的石子組成，因此根據(jù)土層的厚度把土壤剖面(h)分成0

pH采用電極法測定，V(水)∶m(土)=2.5 mL∶1.0 g；水解性氮采用堿解擴(kuò)散法測定；全氮通過凱氏定氮儀測定(K9840，濟(jì)南)；全磷采用鉬銻抗比色法測定；全鉀采用火焰光度法測定；以上方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[16]?？傆袡C(jī)碳使用元素分析儀測定(Elementarvariaio TOC，德國)。土壤酶活性參照關(guān)松蔭[17]的方法測定；脲酶采用靛酚藍(lán)比色法測定，用1 g土壤在37 ℃下24 h內(nèi)水解產(chǎn)生氨態(tài)氮的量表示(用mg計)；蛋白酶采用茚三酮比色法測定，以24 h后1 g土壤中氨基氮的量表示(用mg計)；天門冬酰胺酶采用擴(kuò)散法測定，天門冬酰胺酶的活性以24 h后1 g土壤中銨態(tài)氮的量表示(用mg計)。土壤微生物生物量，采用改進(jìn)的氯仿熏蒸-K2SO4浸提方法測定[18]。

所有數(shù)據(jù)經(jīng)Excel(2007)整理后，利用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計和方差同質(zhì)性檢驗，用單因素方差分析比較各林型間的差異，釆用最小差異法進(jìn)行差異顯著性檢驗，然后對影響因素進(jìn)行主成分分析。具體設(shè)置：采用主成分提取因子，通過巴特利特球形檢驗(Bartlett’s Test of Sphericity)以及抽樣適應(yīng)性指數(shù)(Kaiser-Meyer-Olkin Measure of Sampling Adequacy)驗證相關(guān)系數(shù)矩陣，通過凱瑟(Kaiser)準(zhǔn)則和陡坡檢定法(Cattell’s scree test)篩選主因子，最后通過方差最大法(Varimax)對主因子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林型土壤化學(xué)性質(zhì)的變化特征

由表1可見：4種林型中，0

表1 不同林型土壤的主要化學(xué)性質(zhì)

3.2 不同林型土壤酶活性的變化

由表2可見：0

表2 不同林型土壤酶活性的變化

3.3 不同林型土壤微生物生物量的變化

由表3可見：0

表3 不同林型土壤微生物生物量的變化

3.4 微生物量、土壤酶、土壤化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系

由于指標(biāo)評價因子的相關(guān)性很強(qiáng)，試驗可通過降維把多個因子轉(zhuǎn)化成較少的幾個互不相關(guān)的綜合因子，即對pH、全氮、總有機(jī)碳、水解性氮、全鉀、全磷、土壤酶、土壤微生物生物量進(jìn)行主成分分析(見表4)。主成分分析能夠降低觀測空間的維數(shù)，以獲取主要信息[19]。

表4 4種林型土壤微生物量、土壤酶、土壤化學(xué)性質(zhì)的主成分分析結(jié)果

由表4可見：2個主成分的方差貢獻(xiàn)率，主成分1為70.07%、主成分2為13.24%；在所提取的2個主成分中，累計方差貢獻(xiàn)率為83.30%。全氮、總有機(jī)碳、堿解氮、全磷、脲酶、蛋白酶、天門冬酰胺酶、微生物生物量碳氮構(gòu)成主成分1，主成分1包括多種評價指標(biāo)，代表4種林型土壤錯綜復(fù)雜的生化反應(yīng)過程。主成分2則由pH和全鉀組成，代表了土壤中潛在的主要驅(qū)動因子。4種林型在2個主成分上的得分范圍為-0.55～0.49(見表5)，而得分越高則說明在該主成分中重要性越大。

表5 土壤主成分得分及排序

4 討論

脲酶、蛋白酶、天門冬酰胺酶都是和氮循環(huán)密切相關(guān)的酶[20]，并且都是水解酶；脲酶能夠促進(jìn)土壤中的尿素水解生成氨和二氧化碳[21]；蛋白酶能夠促進(jìn)蛋白質(zhì)水解生成各種小分子的含氮化合物；天門冬酰胺酶能促進(jìn)天門冬酰胺生成天門冬氨酸和氨[17]，作為生物化學(xué)過程的重要參與者；它們在生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程中，發(fā)揮著重要作用[11]。本研究中，4種林型海拔由低到高為依次為杜香-落葉松林、杜鵑-落葉松林、杜鵑-白樺林、偃松林；而0

同一林型下，土壤酶活性隨著土層深度的增加而減小，這是因為土壤表層養(yǎng)分含量高，酶促底物充足，水熱條件和通氣狀況好，微生物生長旺盛，代謝活躍，呼吸強(qiáng)度加大，而使表層的土壤酶活性較高[11]。隨著土層的加深，土壤密度變大，孔隙度變小，根系分布逐漸減少，土壤水、氣、熱等條件逐漸惡化，限制了土壤微生物的正?；顒?，從而影響土壤微生物的代謝產(chǎn)酶能力，這些因素的綜合作用，使得土壤酶活性隨著土層的加深逐漸降低[28]。

土壤微生物生物量對土壤環(huán)境因子的變化極為敏感[29]，植被類型以及林分結(jié)構(gòu)的差異影響凋落物組成、土壤微生物代謝底物和林內(nèi)小氣候，導(dǎo)致同一氣候帶的土壤微生物量也有所差異[30-31]。4種林型微生物生物量碳和微生物生物量氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由大到小依次為杜香-落葉松林、杜鵑-白樺林、杜鵑-落葉松林、偃松林。楊剛等[32]、王國兵等[6]研究表明，次生林的土壤微生物生物量高于成熟林，本研究結(jié)果與這些研究結(jié)果相近。本研究中，杜鵑-白樺林為30～40 a次生林，處于演替的早期階段，生態(tài)系統(tǒng)代謝旺盛，促進(jìn)了土壤微生物的生長和繁殖[33]；而杜香-落葉松林海拔較低，土壤溫度較高，較高的土壤溫度能促進(jìn)根系生長[34]和微生物繁殖，增加根系分泌物和微生物活性，微生物生物量也隨之增加。偃松林下層土壤由大小不等的石子組成，石粒間由黏的土壤顆粒填充，很少有植物根系分布，其土壤微生物轉(zhuǎn)化的養(yǎng)分不能滿足植被生長需要[35]；較高的海拔和較低的土壤溫、濕度，又限制了土壤微生物的活動，使其生物量相對較低；這種差異是森林類型和環(huán)境因子共同作用的結(jié)果。含有闊葉樹的杜鵑-白樺林的土壤微生物生物量，總體上高于只有針葉樹的杜鵑-落葉松林、偃松林，與Marcin et al.[36]的研究結(jié)果相似，進(jìn)一步說明了森林類型和環(huán)境因子是影響土壤微生物量的重要因素。與其他3種林型相比，偃松林生長的環(huán)境條件相對寒冷，不利于凋落物的分解，且針葉林凋落物中含有單寧、樹脂等較難分解的物質(zhì)[37]，也是導(dǎo)致微生物生物量減少的原因之一。隨著土層加深,各林分土壤微生物生物量均逐漸降低，這與王風(fēng)芹等[38]、何云等[39]對華北刺槐林和臺灣榿木林草的研究結(jié)果一致。這是因為，隨著土層深度的增加，土壤養(yǎng)分含量降低，動植物殘體及根系分泌物的營養(yǎng)物質(zhì)減少，為土壤微生物提供的營養(yǎng)物質(zhì)減少，不利于土壤微生物的繁殖，使得深層土壤微生物生物量碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低[40]。

5 結(jié)論

寒溫帶林區(qū)4種不同林型土壤酶活性和微生物生物量存在一定的變異。這種林型間的差異，主要是通過海拔梯度以及土層深度的變化，影響土壤的化學(xué)性質(zhì)和土壤微生物的生長和繁殖，進(jìn)而影響了4種林型的土壤酶活性以及微生物生物量，2個土層均表現(xiàn)為隨著海拔的升高，土壤酶活性和微生物生物量降低；隨著土層的加深，土壤酶活性和微生物生物量降低。全氮、總有機(jī)碳、堿解氮、全磷對土壤酶和微生物生物量產(chǎn)生了重要影響，pH和全鉀代表了土壤中潛在的主要驅(qū)動因子。