喀斯特不同土地利用方式和恢復(fù)模式對(duì)土壤酶活性C∶N∶P比值的影響

章潤陽， 錢 前， 劉坤平， 梁月明， 張 偉， 靳振江， 潘復(fù)靜*

( 1. 桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541004； 2. 中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站， 廣西 環(huán)江 547100； 3. 中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所 自然資源部 廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541004； 4. 巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心， 廣西 桂林 541004 )

喀斯特是碳酸巖基巖溶蝕后形成的獨(dú)特地貌類型，有土層薄、土壤形成慢、抗蝕性較差以及景觀格局復(fù)雜等特點(diǎn)(Wang et al., 2019)。我國西南的喀斯特地區(qū)自20世紀(jì)50年代以來，經(jīng)歷了自然植被破壞、土地不合理利用等一系列人為干擾過程，土壤侵蝕加劇的同時(shí)基巖大面積裸露，土壤生產(chǎn)力下降(羅旭玲等,2021；趙楚等,2021)，嚴(yán)重阻礙了土地的可持續(xù)發(fā)展。近年來，一系列的退耕還林和生態(tài)修復(fù)工程使得石漠化惡化趨勢(shì)得到緩解，土壤肥力有所提升(王克林等,2016)。已有研究表明，林地土壤養(yǎng)分含量比果園和耕地更高(孫建等，2019；夏光輝等,2020；Kaur et al., 2021)，土壤C、N固持和土壤微生物生物量都得到明顯改善；其中坡耕地轉(zhuǎn)變成馬尾松林、柏樹林等后，土壤酶活性也得到提升(孫彩麗等,2021)。但是，土地資源開發(fā)利用管理和修復(fù)過程是一對(duì)矛盾共同體，而研究不同土地利用方式和生態(tài)恢復(fù)模式的土壤酶活性特征有助于理解土地開發(fā)和恢復(fù)后土壤質(zhì)量的改善(白世紅等,2012)。目前，土地利用方式和恢復(fù)模式的變化對(duì)喀斯特地區(qū)土壤酶活性及其化學(xué)計(jì)量比的影響機(jī)制還不夠明確。因此，研究土壤酶活性及其C∶N∶P比值的變化與環(huán)境因子的關(guān)系，有助于評(píng)估喀斯特不同土地利用方式和恢復(fù)模式的土壤質(zhì)量狀況，可為喀斯特土地資源開發(fā)利用管理與生態(tài)恢復(fù)決策提供理論依據(jù)。

本文以中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站的順坡墾殖觀測(cè)場平臺(tái)作為研究樣地，選取了3種土地利用方式 [退化干擾地、牧草地和果樹(枇杷)林地]和4種生態(tài)恢復(fù)模式(常綠喬木林、落葉喬木林、常綠落葉混交林和自然恢復(fù)林)作為研究對(duì)象，分析不同土地利用方式和生態(tài)恢復(fù)模式土壤G、NAG、LAP和ALP 4種酶的活性及其C∶N∶P比值的變化及其與土壤環(huán)境因子的關(guān)系，闡明不同土地利用方式和生態(tài)恢復(fù)模式養(yǎng)分限制特征及其驅(qū)動(dòng)因素的變化。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站(108°18′—108°19′ E，24°43′—24°44′ N，平均海拔為228.5～337.8 m)在廣西壯族自治區(qū)環(huán)江毛南族自治縣。該區(qū)域位于北回歸線以北、云貴高原東南，為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，七月室外平均溫度29 ℃，年平均氣溫15.4～22.4 ℃，全年日照時(shí)數(shù)4 422 h，全年太陽輻射量98.89 kJ·cm，無霜期290 d，年平均降水量1 400～1 500 mm，降雨多集中于4至9月，占全年降雨量的70%(張偉等,2013)。

研究區(qū)在1985年前經(jīng)歷了頻繁的火燒和放牧，導(dǎo)致了嚴(yán)重的石漠化。1985年研究區(qū)內(nèi)所有居民外遷，退化的生態(tài)系統(tǒng)才得到了逐步恢復(fù)。2004年，選擇坡面土壤和植被較為均一的山坡建立順坡墾殖觀測(cè)場平臺(tái)，模擬人為擾動(dòng)和生態(tài)恢復(fù)方式設(shè)立了面積、坡度相仿的長期控制性試驗(yàn)樣地。3種不同土地利用方式(退化干擾區(qū)、牧草地、果樹林地)和4種不同生態(tài)恢復(fù)模式(常綠喬木林、落葉喬木林、常綠落葉混交林、自然恢復(fù)林)的具體處理方式見表1。該研究區(qū)內(nèi)基巖裸露率小于10%，碎石覆蓋率為30%～60%，地表土碎巖體積含量為10%～30%。土壤主要為白云巖風(fēng)蝕形成的堿性石灰土，并隨著坡向下，土層平均厚度由10～30 cm逐步上升到50～80 cm(陳洪松等,2012)。

表 1 不同土地利用方式和生態(tài)恢復(fù)模式樣地概況Table 1 Plot conditions of different land use and ecological restoration types

各項(xiàng)指標(biāo)先進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，然后采用單因素方差數(shù)據(jù)分析(one-way ANOVA)和多重比較分析(least-significant-differences，LSD)方法(SPSS 22.0軟件)分析不同土地利用和恢復(fù)模式對(duì)土壤酶活性和各理化指標(biāo)的影響，并利用Origin 2018軟件制圖。應(yīng)用斯皮爾曼法(Spearman；SPSS 22.0軟件)對(duì)土壤酶活性及生態(tài)化學(xué)計(jì)量比和土壤理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析。利用冗余分析(RDA)計(jì)算土壤環(huán)境因子對(duì)土壤酶活性及生態(tài)化學(xué)計(jì)量比變化的影響貢獻(xiàn)率(Canoco 5.0軟件)。

1.2 土壤樣品采樣

2020年7月，在中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站坡地順坡墾殖觀測(cè)場平臺(tái)選取3種不同土地利用方式和4種不同恢復(fù)模式作為研究地(圖1)。每種類型即為一個(gè)徑流場，站內(nèi)坡面徑流場投影面積約為100 m × 10 m，橫跨山體的坡腳到中上位置。我們?cè)诿糠N類型的徑流場上、中、下三個(gè)不同位置共設(shè)置3個(gè)10 m × 10 m的樣方，共3個(gè)重復(fù)樣方，每個(gè)樣方間隔不低于20 m。

每個(gè)樣方再設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，在每個(gè)采樣點(diǎn)3 m × 3 m范圍內(nèi)按照五點(diǎn)法進(jìn)行采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)采集的土樣進(jìn)行混合形成1個(gè)樣，每個(gè)樣方有3個(gè)混合樣，因此，每種土地利用方式或恢復(fù)模式共9個(gè)混合土樣(圖1)，共采集到63個(gè)土壤樣品。土樣中的石頭和根系于樣品采集后4 h內(nèi)挑出，然后過10目篩，并分成等量的兩份。將第1份置于4 ℃冰箱保存，用于土壤胞外酶活性和銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的測(cè)定；第2份風(fēng)干，研磨，過20目和100目，用于土壤養(yǎng)分的測(cè)定。

Ⅰ. 退化干擾地； Ⅱ. 牧草地； Ⅲ. 果樹林地； Ⅳ. 常綠喬木林； Ⅴ. 落葉喬木林； Ⅵ. 常綠落葉混交林； Ⅶ. 自然恢復(fù)林。下同。Ⅰ. Disturbed land; Ⅱ. Pasture grass; Ⅲ. Orchard forest; Ⅳ. Evergreen forest; Ⅴ. Deciduous forest; Ⅵ. Evergreen-deciduous mixed forest; Ⅶ. Natural restoration forest. The same below.圖 1 采樣方式示意圖Fig. 1 Sampling method sketch map

1.3 土壤養(yǎng)分測(cè)定

1.4 土壤酶活性測(cè)定

應(yīng)用MUB熒光光度法測(cè)定土壤酶活性。稱取鮮土1 g于500 mL滅菌帶蓋玻璃瓶中，添加125 mL滅菌冷卻后的醋酸鈉緩沖液或碳酸氫鈉緩沖液，用勻漿機(jī)攪拌形成土壤懸濁液。懸濁液用渦旋儀使其處于勻漿狀態(tài)，然后使用移液槍吸土壤懸浮液于96微孔板內(nèi)，將微孔板置于20 ℃黑暗條件下培養(yǎng)4 h后，再在每個(gè)孔中加入10 μL 的NaOH溶液(1 mol·L)使反應(yīng)完全結(jié)束，用酶標(biāo)儀(SynergyH4)測(cè)定熒光值。將nmol·g·h作為酶活性的單位(Phillips et al., 2012)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

酶活性C∶N∶P比值通過 ln(G)∶ln(NAG+LAP)∶ln(AP)計(jì)算。

酶活性計(jì)量比值矢量長度(Vector L)和矢量角度(Vector A)計(jì)算公式如下(Moorhead et al., 2016)：

= {[ln()/ln(+)]+ [ln()/ln()}；

=Degrees{ATAN2 [ln()/ln()，ln()/ln(+)]}。

式中：表示土壤受微生物碳限制程度的高低；表示土壤受微生物氮、磷的限制程度高低，偏離45°時(shí)表示受氮或磷限制，向上偏離越大受磷限制越強(qiáng)，向下偏離越大受氮限制越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用與恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分特征

表 2 不同土地利用和生態(tài)恢復(fù)模式下土壤基本理化性質(zhì)Table 2 Soil basic physicochemical properties of different land use and ecological restoration types

表 3 不同土地利用和生態(tài)恢復(fù)模式下土壤理化指標(biāo)均值和酶活性均值Table 3 Mean values of soil physicochemical indexes and enzyme activities in different land use and ecological restoration types

2.2 不同土地利用與恢復(fù)模式土壤酶活性及其C∶N∶P比值的變化

由圖2可知，3種土地利用方式中，牧草地的NAG和LAP酶活性均顯著高于其他土地利用方式，果樹林地NAG酶活性顯著低于其他土地利用方式，退化干擾地G酶活性顯著低于其他土地利用方式，不同土地利用方式ALP酶活性無顯著差異。在4種恢復(fù)模式中，落葉喬木林的G酶活性顯著高于自然恢復(fù)林和常綠喬木林，常綠喬木林的NAG酶活性顯著高于其他三種恢復(fù)模式，常綠喬木林和常綠落葉混交林的LAP酶活性顯著高于落葉喬木林和自然恢復(fù)林，落葉喬木林和常綠落葉混交林ALP酶活性顯著高于常綠喬木林和自然恢復(fù)林。由表3可知，不同恢復(fù)模式酶活性均值顯著高于不同土地利用方式酶活性均值。

不同小寫字母表示不同土地利用和生態(tài)恢復(fù)模式間差異顯著(P<0.05)。Different small letters indicate significant differences among different land use and ecological restoration types(P<0.05). 圖 2 土壤酶活性的變化特征Fig. 2 Variation characteristics of soil enzyme activities

由表4可知，不同土地利用方式和恢復(fù)模式土壤酶活性C∶N∶P比值存在顯著差異(<0.05)。在不同土地利用方式中，退化干擾地的酶活性C∶N∶P比值均為最低；牧草地的酶活性C∶P和N∶P比值均為最高，其中酶活性C∶N比值比退化干擾地高12.48%；果樹林地酶活性C∶N比值最高，比退化干擾地高12.92%。在不同恢復(fù)模式中，常綠喬木林酶活性C∶P和N∶P比值均為最高；落葉喬木林的酶活性C∶N和C∶P比值較高，酶活性N∶P比值顯著低于其他恢復(fù)模式；常綠落葉混交林酶活性比值均較低；自然恢復(fù)林的酶活性比值均較高。在不同土地利用方式中，果樹林地的酶活性比值矢量長度(Vector L)顯著高于其他兩種利用方式。在不同恢復(fù)模式中，落葉喬木林和自然恢復(fù)林的Vector L顯著高于其他恢復(fù)模式。所有土地利用方式和恢復(fù)模式的矢量角度(Vector V)均大于45°。

表 4 不同土地利用和生態(tài)恢復(fù)模式下土壤酶活性C∶N∶P比值及其矢量特征Table 4 Soil enzyme activity C∶N∶P ratios and vector characteristics in different land use and ecological restoration types

2.3 土壤酶活性及其C∶N∶P比值與土壤理化因子的關(guān)系

冗余分析分析表明，土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤酶活性及其化學(xué)計(jì)量比的總累積解釋率為66.6%，第一軸解釋了變量的65.8%，第二軸解釋了變量的0.81%(圖3)。其中，TP(=37.9；=0.002)、NH-N(=11.0；=0.002)、NO-N(=12.9；=0.002)、AP(=13.4；=0.002)是影響土壤酶活性及其化學(xué)計(jì)量比的顯著影響因子，其解釋量分別為38.3%、9.5%、9.3%、8.0%(表6) 。

圖 3 土壤酶活性及其C∶N∶P比值與土壤理化性質(zhì)關(guān)系的冗余分析(RDA)Fig. 3 Redundancy analysis (RDA) of soil enzyme activities, enzymatic C∶N∶P ratios and physicochemical properties in soil

表 5 土壤酶活性及其C∶N∶P比值與土壤各因子之間的相關(guān)性Table 5 Correlation analysis between soil enzyme activities, enzymatic C∶N∶P ratios and other soil factors

表 6 土壤酶活性及其C∶N∶P比值的影響因素Table 6 Factors influencing soil enzyme activities and enzymatic C∶N∶P ratios

3 討論

3.1 土壤酶活性及其C∶N∶P比值變化及其影響因素

3.2 不同土地利用方式和恢復(fù)模式影響土壤酶活性及其C∶N∶P比值

在不同恢復(fù)模式中，落葉喬木林和常綠落葉混交林具有較高的G和ALP酶活性，具有較低的N∶P比值和較大的矢量角度，說明落葉喬木林和常綠落葉混交林受磷限制的影響比其他恢復(fù)模式嚴(yán)重。這種情況的發(fā)生，有可能與落葉植物的存在有一定關(guān)系。理由如下：(1)由于落葉植物的生理特征所致。落葉植物具有較高的生長速率、生產(chǎn)力和光合作用速率等，對(duì)土壤養(yǎng)分的需求較多。當(dāng)土壤的養(yǎng)分可用性較低時(shí)，微生物會(huì)分泌更多的酶來提高有效性養(yǎng)分的供應(yīng)(Zhang et al., 2019)。(2)與凋落物歸還有關(guān)。落葉喬木林和常綠落葉混交林較其他恢復(fù)模式有較高的凋落物量，這為植物和微生物獲取養(yǎng)分提供了充足的有機(jī)物。土壤養(yǎng)分很多來源于土壤有機(jī)質(zhì)的分解和礦化，這些過程依靠分解酶來完成。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤酶活性與SOC呈極顯著正相關(guān)。綜上所述，落葉植物更易于對(duì)外界環(huán)境的變化作出響應(yīng)，對(duì)喀斯特植被恢復(fù)中土壤碳氮磷的固持更有幫助(周曉東和鄧艷,2017)。

3.3 酶活性及C∶N∶P比值變化的驅(qū)動(dòng)因素

4 結(jié)論

本文通過對(duì)研究區(qū)不同土地利用方式和生態(tài)恢復(fù)模式土壤酶活性及其C∶N∶P比值的研究，得出以下結(jié)論：(1)研究區(qū)不同恢復(fù)模式下土壤酶活性均值高于不同土地利用方式；(2)研究區(qū)植被主要受到土壤磷限制，土壤酶活性的變化是磷素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵；(3)在不同土地利用方式和恢復(fù)模式中，牧草和落葉植物對(duì)土壤酶活性及其C∶N∶P比值變化的影響程度更強(qiáng)。