不同桉樹混交林土壤理化性質(zhì)、酚酸含量與酶活性的差異

羅華龍，劉文祥，楊 梅，葉紹明，程 飛

(1 廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530004；2 廣西國有七坡林場，廣西 南寧 530225)

土壤酚酸類物質(zhì)是一類含有酚環(huán)的有機(jī)酸，是植物體內(nèi)重要的次生代謝產(chǎn)物，主要由脅迫狀態(tài)下植物的根系分泌。一定量的酚酸物質(zhì)可以活化根際土壤中的難溶性養(yǎng)分，提高養(yǎng)分元素的有效性，從而促進(jìn)植物對養(yǎng)分的吸收和利用，但酚酸也是一類化感物質(zhì)，過度積累則會對種子的萌發(fā)和植物的生長產(chǎn)生抑制作用[1]。研究表明，土壤中酚酸的積累量與土地利用方式、作物種類等因素密切相關(guān)，這些因素對土壤中酶活性的強(qiáng)弱和酚酸物質(zhì)的含量及其分布特征具有重要影響[2-3]。作物連作或純林連栽通常會引起土壤酚酸類物質(zhì)的富集，影響根際土壤的微生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而導(dǎo)致土壤微生物數(shù)量和酶活性發(fā)生變化[4-6]。

土壤酶是具有催化能力的生物活性物質(zhì)，能夠較為全面地反映土壤質(zhì)量、肥力和環(huán)境變化[7]。有研究發(fā)現(xiàn)，土壤酶與酚酸類物質(zhì)會相互影響，二者之間既有促進(jìn)作用，也有抑制作用。土壤酶會受到植物根系分泌物和動植物殘體等分解產(chǎn)生的酚酸類化感物質(zhì)的影響,而肉桂酸、闊馬酸和對羥基苯甲酸等酚酸物質(zhì)也會受到土壤酶活性的影響[8-9]。土壤酶與酚酸之間復(fù)雜的生化作用，會對植物的生長、生理以及土壤環(huán)境產(chǎn)生多方面的影響。因此，深入了解不同樹種混交后對土壤酚酸物質(zhì)含量的空間分布特征和酶活性強(qiáng)弱的影響規(guī)律，對調(diào)控土壤生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)、改善土壤微生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

桉樹(Eucalyptus)是桃金娘科(Myrtaceae)植物，具有速生豐產(chǎn)、經(jīng)營周期短和經(jīng)濟(jì)效益高的優(yōu)點，是我國南方主要的造林更新樹種之一，全國桉樹人工林的面積已達(dá)546萬hm2，且還在持續(xù)擴(kuò)大[10]。然而，由于桉樹人工純林長期的經(jīng)營管理方式不合理，導(dǎo)致林地土壤酸化、生態(tài)穩(wěn)定性變差及林地生產(chǎn)力下降等問題[11]，不利于桉樹人工林的可持續(xù)發(fā)展。營造桉樹混交林可以提高森林生物多樣性，改善桉樹林分結(jié)構(gòu)和樹種組成，增加林地凋落物,促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)，從而能夠提高土壤肥力。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，桉樹分別與厚莢相思(Acaciacrassicarpa)、馬占相思(Acaciamangium)混交能提高土壤微生物多樣性和土壤脲酶、β-葡萄糖苷酶等的活性，改善土壤質(zhì)量，有利于桉樹大徑材的培育[12-13]；桉樹與降香黃檀(Dalbergiaodorifera)、格木(Erythrophleumfordii)等豆科樹種混交能夠有效降低林間土壤表層酚酸類物質(zhì)含量，提高土壤肥力[14]。可見，混交會引起桉樹林地土壤化學(xué)生態(tài)發(fā)生變化，但對土壤酶活性與酚酸物質(zhì)含量之間相互關(guān)系的探討較為缺乏。本研究以桉樹純林作為對照，分析桉樹與豆科樹種(降香黃檀、格木)、非豆科樹種紅錐(Castanopsishystrix)混交對土壤理化性質(zhì)、酚酸類物質(zhì)含量和酶活性的影響，以期為揭示酚酸對土壤性質(zhì)的影響機(jī)制及桉樹混交樹種的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)憑祥市中國林科院熱帶林業(yè)實驗中心(21°57′-22°19′N，106°39′-106°59′E)，地處低山丘陵區(qū)，屬南亞熱帶季風(fēng)性半濕潤-濕潤氣候，長夏無冬，雨量充沛，干濕季節(jié)分明。試驗區(qū)年均氣溫20.5～21.7 ℃，年均降雨量1 200～1 500 mm；年均相對濕度80%～84%；土壤類型屬于酸性紅壤和磚紅壤，質(zhì)地疏松，且鋁、鐵元素含量豐富，土層深100 cm，腐殖質(zhì)厚1 cm，土壤濕潤、肥沃，適宜林木生長。前作林分為馬尾松人工林。試驗地于 2013年營造巨尾桉(Eucalyptusgrandis×E.urophylla)純林及其與紅錐、降香黃檀、格木的混交林，株行距為2 m×4 m，混交林中采用垂直等高線混交，其中2列種植桉樹，1列種植混交樹種，桉樹為半年生容器苗，混交樹種為1年生容器苗，苗高≥20 cm，地徑≥0.3 cm。林地于2013-2015年連續(xù)施肥3年，其中2013年施用有機(jī)基肥1次(2 kg/株)，之后于2014和2015年的3～5月追施氮磷鉀復(fù)合肥1次(0.5 kg/株)。

1.2 調(diào)查及采樣方法

(1)試驗設(shè)置。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)立地條件基本一致的原則，在桉樹純林(對照)及桉樹與紅錐、降香黃檀、格木組成混交林(分別命名為PE、MEC、MED、MEE)中各設(shè)3個20 m×20 m樣地，樣地之間距離相隔10 m。樣地基本情況見表1。

表1 不同林分類型桉樹樣地的基本情況

(2)土壤采集。于2019年12月在每個標(biāo)準(zhǔn)樣地中分別選取5株巨尾桉標(biāo)準(zhǔn)木，采集其四周0～20 cm土層中的細(xì)根后，采用抖落法收集附著于根系上的土壤作為根際土壤樣品，最后將同一林分類型內(nèi)所有標(biāo)準(zhǔn)木根際土壤充分混合后，采取四分法分為3份，作為3個重復(fù)。另外，在每個林分類型的每個標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)，沿“S”型路線盡量避開樹木根系選擇5個采樣點，采集0～20 cm土層的土壤作為非根際土壤樣品，最后將同一林分類型內(nèi)所有非根際土樣充分混合后，采取四分法分為3份，作為3個重復(fù)。所有土樣均裝于塑封袋做好信息標(biāo)記，當(dāng)日帶回實驗室進(jìn)行下一步處理。

1.3 測定項目與方法

(1)土壤理化性質(zhì)。參考文獻(xiàn)[15-16]，土壤自然含水率采用烘干法測定，pH值采用電位法測定，有機(jī)碳含量采用外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定，全氮含量采用硫酸消煮-擴(kuò)散法測定，硝態(tài)氮含量采用酚二磺酸比色法測定，銨態(tài)氮含量采用氯化鉀浸提-靛酚藍(lán)比色法測定。

(2)土壤酚酸含量。酚酸含量采用堿液浸提HPLC法[17]測定，使用美國Water髙效液相質(zhì)譜儀和Water 2487紫外檢測器，N2000數(shù)據(jù)工作站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，流動相為乙腈(A)和超純水(B)，檢測波長為 280 nm，柱溫 30 ℃，流速為1.1 mL/min。

(3)土壤酶活性。土壤蛋白酶活性使用茚三酮比色法[18]測定，脲酶活性使用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法[19]測定，蔗糖酶活性使用3，5-二硝基水楊酸比色法[20]測定，過氧化氫酶活性使用0.1 mol/mL高錳酸鉀滴定法[21]測定，多酚氧化酶活性采用鄰苯三酚顯色法[22]測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel 2010軟件處理后，使用SPSS 26.0軟件進(jìn)行分析，所有數(shù)據(jù)均為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。通過單因素方差分析和獨立樣本t檢驗分析不同林型根際與非根際土壤理化性質(zhì)、酚酸類物質(zhì)含量和土壤酶活性的差異顯著性，并用 Pearson 相關(guān)分析法分析土壤理化性質(zhì)、酚酸類物質(zhì)含量與土壤酶活性的相關(guān)性。使用Canoco5.0 軟件對土壤酚酸類物質(zhì)含量和土壤酶活性的關(guān)系進(jìn)行冗余分析。用Origin 2021b制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分類型桉樹土壤理化性質(zhì)的變化

由表2可知，除了MEE外，其他林分類型桉樹根際土壤的pH顯著低于非根際土壤；4種林分類型根際和非根際土壤的pH均表現(xiàn)為MEE>MED>MEC>PE，可見桉樹混交林土壤的pH都高于純林。4種林分類型桉樹根際土壤的自然含水率、有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量均高于非根際土壤，其中有機(jī)碳含量差異均達(dá)顯著水平。不論是根際土壤還是非根際土壤，桉樹混交林的養(yǎng)分含量總體高于純林。

表2 不同林分類型桉樹根際與非根際土壤的基本理化性質(zhì)

2.2 不同林分類型桉樹土壤酚酸物質(zhì)的變化

由表3可知，4種桉樹林分類型的土壤均檢測出對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸、香豆酸、苯甲酸、水楊酸6種酚酸。但不同林分的土壤中，6種酚酸含量差異明顯，其中對羥基苯甲酸含量最高，其次是香草酸、阿魏酸、香豆酸，苯甲酸和水楊酸含量最低。各林分的根際土壤酚酸總量均顯著高于非根際酚酸總量。

由表3可知，在根際土壤中，4種桉樹林分的酚酸總量由大到小表現(xiàn)為MEC>MEE>MED>PE， MEC、MED、MEE的酚酸總量分別是PE的1.80，1.33和1.38倍；4種林分類型中，MEC的對羥基苯甲酸、阿魏酸和苯甲酸含量最高，MED的水楊酸含量最高，MEE的香豆酸含量最高，PE的香草酸含量最高。

由表3可知，在非根際土壤中，4種桉樹林分的酚酸總量由大到小表現(xiàn)為PE>MED>MEE>MEC， MEC、MED、MEE酚酸總量較PE分別顯著降低了36.97%，23.78%和27.74%。4種林分類型中，PE的對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸含量最高，MED的香豆酸、苯甲酸、水楊酸含量最高。

表3 不同林分類型桉樹根際與非根際土壤的酚酸含量

2.3 不同林分類型桉樹土壤酶活性的變化

不同林分類型桉樹根際與非根際土壤的酶活性如圖1所示。

圖柱上標(biāo)不同小寫字母表示不同林分非根際土壤差異顯著(P<0.05)，標(biāo)不同大寫字母表示不同林分根際土壤間差異顯著(P<0.05)。*表示同一林分根際與非根際土壤間差異顯著(P<0.05)

從圖1可以看出，4種林分類型中，蛋白酶、蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶的活性均表現(xiàn)為桉樹混交林高于純林，且根際土壤中這一差異均達(dá)顯著水平；而非根際土壤中蛋白酶活性差異均達(dá)顯著水平，蔗糖酶活性MEC和MED顯著高于PE，其余酶活性差異不顯著。根際土壤多酚氧化酶僅MEC顯著高于PE，非根際土壤多酚氧化酶活性混交林顯著低于純林。除純林的脲酶外，4種林分根際土壤酶活性都高于非根際土壤，其中4種林分的蛋白酶和蔗糖酶，MEE的脲酶，MEC、MED、MEE的過氧化氫酶，MEC、MED的多酚氧化酶的活性根際土顯著高于非根際土。由此可知，桉樹混交林的土壤酶活性總體高于純林，且根際土壤的酶活性總體高于非根際土壤。

從圖1可以看出， 與PE相比，MEC、MED、MEE根際和非根際土壤蛋白酶活性分別增加了43.29%，30.68%，25.58%和46.80%，31.00%，39.59%，蔗糖酶活性分別增加了42.30%，32.16%，30.12%和38.29%，32.62%，26.70%，2種酶均以MEC的增幅最大；MEC、MED、MEE根際土壤的過氧化氫酶活性較PE增加了30.53%～38.69%，其中以MEC的增幅最大。MEC、MED、MEE根際土壤脲酶活性分別是非根際土壤的1.22，1.23和1.30倍，多酚氧化酶活性分別是非根際土壤的2.62，1.55和1.53倍。桉樹混交林非根際土壤多酚氧化酶活性較純林降低了25.43%～37.86%?？梢?，4種林分類型中，MEC的土壤酶活性總體較高。

2.4 不同林分類型桉樹土壤理化性質(zhì)、酚酸含量與土壤酶活性的相關(guān)性

表4表明，在根際土壤中，土壤酶活性與理化性質(zhì)總體上呈正相關(guān)，其中有機(jī)碳、全氮含量與土壤酶的相關(guān)系數(shù)相對較大，說明土壤養(yǎng)分對土壤酶活性的貢獻(xiàn)率較大。在非根際土壤中，蛋白酶活性與pH、全氮、硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與有機(jī)碳含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；而多酚氧化酶活性與土壤理化性質(zhì)總體上存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與pH值、有機(jī)碳含量的相關(guān)性達(dá)顯著或極顯著水平。

表4 桉樹根際與非根際土壤理化性質(zhì)與酶活性的Pearson相關(guān)系數(shù)

表5表明，在根際土壤中，除了香草酸、阿魏酸外，其他4種酚酸類物質(zhì)含量與土壤酶活性存在正相關(guān)關(guān)系；除了多酚氧化酶之外，其余4種酶活性均與對羥基苯甲酸、香豆酸、苯甲酸、水楊酸含量總體上呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系；脲酶、過氧化氫酶活性與香草酸含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，多酚氧化酶與阿魏酸呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。在非根際土壤中，多酚氧化酶活性與對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，蛋白酶則與上述3種酚酸存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，脲酶、過氧化氫酶活性與對羥基苯甲酸含量分別呈顯著和極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，蔗糖酶活性與對羥基苯甲酸、阿魏酸含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表5 桉樹根際與非根際土壤中酚酸含量與酶活性的Pearson相關(guān)系數(shù)

以土壤酶活性作為響應(yīng)變量，土壤酚酸含量作為解釋變量進(jìn)行冗余分析(RDA)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，根際土壤中，酚酸對土壤酶活性總的貢獻(xiàn)率為80.7%，其中第一軸解釋了變量的66.49%，第二軸解釋了變量的14.21%；對羥基苯甲酸、阿魏酸是影響根際土壤酶活性的主要因子，其貢獻(xiàn)率分別為54.4%和9.5%。非根際土壤中，酚酸對土壤酶活性總的貢獻(xiàn)率為75.25%，其中第一軸解釋了變量的63.22%，第二軸解釋了變量的12.03%；對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸是影響非根際土壤酶活性的主要因子，其貢獻(xiàn)率分別為61.4%，9.7%和7.3%。

PBA.對羥基苯甲酸；VA.香草酸；FA.阿魏酸；CA.香豆酸；BA.苯甲酸；SA.水楊酸；PRO.蛋白酶；URE.脲酶；INV.蔗糖酶；CAT.過氧化氫酶；PPO.多酚氧化酶

3 討 論

3.1 林分類型對土壤理化性質(zhì)及酶活性的影響

與桉樹純林相比，桉樹與紅錐、降香黃檀和格木3種闊葉樹種混交后其根際與非根際土壤的pH、自然含水率都有所升高，表明桉樹混交林有助于緩解土壤酸化，能有效提高林分涵養(yǎng)水源的能力，這與前人的研究結(jié)果[23-24]一致。3種混交林的桉樹根際和非根際土壤有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量均較桉樹純林明顯提高，這與紅錐、降香黃檀和格木等闊葉樹種的冠幅相對較大，凋落物量更多且容易腐爛分解有關(guān)[23,25]。在植物-土壤的循環(huán)系統(tǒng)中，土壤養(yǎng)分含量通常與樹種組成密切相關(guān)，桉樹純林由于林分結(jié)構(gòu)簡單、凋落物量少，且分解緩慢，不利于養(yǎng)分在土壤中的積累[26-27]。紅錐、降香黃檀和格木3種闊葉樹種能產(chǎn)生大量的凋落物，將養(yǎng)分歸還土壤，而且紅錐與桉樹混交林具有較強(qiáng)的氮素養(yǎng)分循環(huán)機(jī)制。有研究顯示,降香黃檀與格木根部的根瘤菌可固定空氣中的氮氣，增加土壤氮的有效性[28-29]，這也是本研究中桉樹與降香黃檀、格木混交能夠提高林地土壤氮含量和增加氮有效性的重要原因。

酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)的組分之一，參與土壤各種元素的循環(huán)和遷移，其活性在一定程度上反映了土壤質(zhì)量的優(yōu)劣，也能反映土壤生理生化反應(yīng)進(jìn)行的程度。本研究中，3種桉樹混交林根際和非根際土壤的過氧化氫酶、蛋白酶、蔗糖酶活性總體上顯著高于桉樹純林，這與桉樹混交林土壤有機(jī)質(zhì)含量高于純林有關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)是過氧化氫酶和部分蔗糖酶的重要底物[23,30]，其含量與過氧化氫酶和蔗糖酶活性正相關(guān)[31]，因此本研究中桉樹混交林有機(jī)質(zhì)含量的增加在一定程度上提高了過氧化氫酶和蔗糖酶的活性。桉樹混交林的土壤脲酶活性均高于純林，根際土壤的脲酶活性均高于非根際土壤，這是因為桉樹與紅錐、降香黃檀和格木混交后，增加了混交林土壤氮素含量，另外混交林土壤蛋白酶活性的提高使有機(jī)氮礦化為無機(jī)氮的速率增大，為脲酶提供了豐富的底物，從而刺激脲酶活性提高[32]。脲酶能促進(jìn)土壤中有機(jī)物酰胺肽水解生成植物可吸收利用的氨，提高土壤中氮素的有效性[33]。大量研究表明，土壤中的酚酸類物質(zhì)含量與多酚氧化物正相關(guān)[6,34-35]，本研究中混交林桉樹根際土壤酚酸含量均大于純林土壤，這可能是混交林中桉樹根際土壤多酚氧化酶活性更高的重要原因。

3.2 林分類型對土壤酚酸含量的影響

酚酸類物質(zhì)可通過根系分泌、微生物腐解、淋溶等多種途徑進(jìn)入土壤，改變土壤環(huán)境，進(jìn)而影響植物的生長。有研究表明，與受干擾程度較小的天然林相比，人工純林的連代栽培會導(dǎo)致森林生物多樣性驟減，林下植被數(shù)量少，凋落物單一，土壤生態(tài)化學(xué)循環(huán)失衡，非根際土壤酚酸類物質(zhì)含量增加[36-37]。本研究中，與桉樹純林相比，桉樹與紅錐、降香黃檀和格木混交之后，其非根際土壤酚酸類物質(zhì)總量下降，原因可能是混交之后林地內(nèi)凋落物種類及林下植被多樣性增加，土壤生態(tài)化學(xué)循環(huán)相對穩(wěn)定，使酚酸類物質(zhì)含量減少。有研究表明，桉樹與豆科樹種混交之后能顯著提高桉樹根際土壤的酚酸含量[15,36]，本研究中，混交林桉樹根際土壤的酚酸物質(zhì)總量明顯高于桉樹純林，這與桉樹同3種混交樹種根際之間的相互作用有關(guān)。無論是桉樹純林還是混交林，根際土壤都是植物根系分泌酚酸物質(zhì)的第一儲存庫，生物活性較高，代謝旺盛，且有機(jī)質(zhì)含量高，因此根際土壤的酚酸含量高于非根際土壤[38-40]。

在桉樹純林和混交林土壤的酚酸類物質(zhì)中，對羥基苯甲酸含量最高，其次是香草酸、阿魏酸、香豆酸，苯甲酸與水楊酸含量較低。研究表明，香草醛、阿魏酸的吸附能力高于對羥基苯甲酸和苯甲酸，并且阿魏酸屬于易降解酚酸，對羥基苯甲酸和苯甲酸屬于難降解酚酸，而香草酸、苯甲酸、水楊酸一旦被吸附之后則很難解吸附，只能以束縛態(tài)的形式存在[41-42]，這在一定程度上可以解釋林分土壤中酚酸類物質(zhì)含量的差異。

3.3 不同林分類型桉樹根際和非根際土壤酚酸與酶活性的相關(guān)性

土壤酚酸能夠刺激植物及微生物將酶分泌到土壤中，而一些土壤酶也能影響酚酸的形成與轉(zhuǎn)化[34,43]，如高濃度肉桂酸和鄰苯二甲酸會抑制土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶的活性，從而對土壤碳、氮、磷循環(huán)產(chǎn)生影響[21]；阿魏酸對反硝化酶有顯著的影響，抑制硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮[44]；對羥基苯甲酸和闊馬酸含量受土壤酶活性的顯著影響[43]。本研究表明，對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸是影響桉樹土壤酶活性的重要因子。桉樹混交林根際土壤酚酸含量與酶活性的關(guān)系與非根際土壤有所差別，在根際土壤中，酚酸含量較高，其主要作為碳源被微生物利用，從而增強(qiáng)了土壤酶活性，在一定程度上增加了有機(jī)碳、全氮等土壤養(yǎng)分的含量[45-46]；而非根際土壤酚酸含量減少，導(dǎo)致土壤pH提高，為酶參與養(yǎng)分循環(huán)提供良好的環(huán)境，改善了土壤質(zhì)量[47]。因此，酚酸類物質(zhì)能通過影響土壤酶活性來調(diào)控土壤養(yǎng)分循環(huán)和代謝[48]，改變土壤有效養(yǎng)分的含量，從而影響植物的生長，間接對森林生產(chǎn)力產(chǎn)生影響。

4 結(jié) 論

桉樹與紅錐、降香黃檀、格木混交均能提高根際土壤的碳含量，減緩非根際土壤酚酸的富集，提高土壤酶的活性，增加土壤養(yǎng)分含量，從而改善土壤的生態(tài)功能。從土壤生態(tài)恢復(fù)的角度考慮，在幼林階段，桉樹與紅錐混交更有利于維持土壤肥力，混交效果比其他2種樹種更為理想。