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土壤酶是一类主要来源于土壤中动植物体、微生物体的细胞分泌物释放的生物催化剂[1],它不仅在土壤养分循环及能量代谢方面扮演重要的角色,而且是评价土壤肥力、土壤质量和健康状况的一个重要生物学指标[2]。土壤酶活性的时空变化受植被类型[3]、土壤生物[4]、土壤水热条件[5]及土壤养分[6]等生物与非生物因素的共同调控。研究表明,海拔变化会引起区域小气候、植被群落和土壤理化性质等环境因子的梯度效应,进而显著影响土壤酶活性[7-8]。任玉连等[9]研究发现,随着海拔梯度变化,植物群落组成、凋落物性质、微气候及土壤理化性质等环境因子均发生相应改变。姚兰等[10]认为,森林植被类型能够直接或间接地改变土壤活性有机碳/氮组分及含量,从而显著影响土壤酶活性。因此,土壤酶活性能够对海拔引起的气候、植被类型和土壤理化性质等环境因子变化做出响应。然而,调控不同区域土壤酶活性的主导因子可能存在一定差异性,使土壤酶活性对微气候、植被与土壤沿海拔梯度变化的响应存在地区差异。因此,开展不同地理区域森林土壤酶活性的海拔梯度变化及影响机制研究,不仅有助于理解环境因子变化对森林土壤酶活性及土壤生态学过程的作用机制,而且有助于探明森林土壤对全球变化响应的大小、方向与过程。
云南文山国家级自然保护区地处典型南亚热带季风气候区,森林植被群落结构随海拔升高变化明显,且不同海拔植被带的水热条件、群落多样性及土壤理化性质存在显著的空间异质性,是研究亚热带不同海拔梯度森林植被与土壤相互作用的理想场地。因此,本研究选择文山自然保护区3个不同海拔的典型植被类型(亚热带季风常绿阔叶林、半湿润常绿阔叶林和湿性常绿阔叶林)为研究对象,研究土壤酶活性随海拔变化的规律及其影响因素,进而阐明土壤酶活性对海拔高度变化的响应特征,为理解该保护区不同海拔“水热-植被-土壤”之间相互作用对土壤酶活性影响的生态学过程及机制提供理论与数据支撑。
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选取文山自然保护区内3个不同海拔的典型植被带,即亚热带季风常绿阔叶林(ME)、半湿润常绿阔叶林(SE)和湿性常绿阔叶林(HE)。每个植被带随机布设3个重复样地,样地大小30 m × 30 m(间距约 > 200 m)。样地基本情况详见表1。
植被
Vegetation海拔
Altitude/m纬度(N)
Latitude经度(E)
Longitude优势植物
Dominant plant郁闭度
Canopy density土壤类型
Soil typeME 1 480 23°21′51″ 104°46′23″ 窄叶锥(Castanopsis choboensis Hickel et A. Camus)、滇润楠(Machilus nanmu (Oliver)Hemsley)、瓦山锥(Castanopsis ceratacantha Rehd. et Wils.)、罗浮锥(Castanopsis fabri Hance)、截果石栎(Lithocarpus truncatus (King ex J. D. Hooker) Rehder et E. H. Wilson) 0.75 黄红壤
Yellow-red soilSE 1 660 23°22′27″ 104°42′35″ 木荷(Schima superba Gardn.et Champ.)、方竹(Chimonobambusa quadrangularis (Fenzi)Makino)青冈(Cyclobalanopsis glauca (Thunberg) Oersted) 0.85 黄壤
Yellow soilHE 1 760 23°21′3″ 104°41′25″ 栎类(Quercus Linn.)、玉山竹 (Yushania niitakayamensis (Hayata) Keng f.) 0.95 黄壤
Yellow soil注:ME = 亚热带季风常绿阔叶林,SE = 半湿润常绿阔叶林,HE = 湿性常绿阔叶林,图1、表2、3相同。
Notes:ME = Subtropical monsoon evergreen broad-leaved forest, SE = Sub-humid evergreen broad-leaved forest, HE = Humid evergreen broad-leaved forest, the same as figure1, table2 and table3.Table 1. The basic situation of the sample plots
2018 年10月,按照上述每个植被类型的3个重复样地,在每个样地中采用对角线法选取3个1 m × 1 m取样点,除去地表覆盖的凋落物,挖掘宽1 m、深0.8 m的土壤剖面,沿土层自上而下分层采样(0~10、10~20、20~30、30~40、40~50 cm),剔除石砾、根系等杂物后,用四分法取适量土壤装入无菌自封袋中,低温带回实验室。将各土壤样品进行如下处理:约200 g用于土壤含水量测定;约1 kg冷藏于冰箱中,于2周内测定土壤酶活性;约1 kg置于室内自然风干、磨细过筛,用于测定土壤基本性质。各植被带内3个重复样方测定的均值作为各植被类型土壤酶活性和理化性质指标。
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气温与降水量数据来源于《云南文山自然保护区综合科学考察报告》[11]。土壤理化指标测定参照中华人民共和国土壤检测方法林业行业系列标准[12]。土壤含水量采用烘干法;土壤容重采用环刀法;土壤pH值采用(水土比 1:2.5)电位法;总有机碳采用重铬酸钾氧化-外加热法;全氮采用半微量凯氏定氮法;土壤全磷采用酸溶-钼锑抗比色法;速效磷采用氟化铵-盐酸浸提比色法;速效氮采用碱解-扩散法;全钾采用碱溶-火焰光度计法;速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度计法。每个土壤样品至少重复测定3次,取平均值。土壤温度采用地温计测定。
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土壤酶活性测定方法参照《土壤酶及其研究方法》[13]。过氧化氢酶(Cat)采用KMnO4 滴定法,以1 g·h−1土壤消耗0.1 mol·L−1 KMnO4 的毫升数表示H2O2 酶活性;脲酶(Ure)采用苯酚-次氯酸钠比色法,以培养1 d后1 g土壤中生成NH3-N 的毫克数表示脲酶活性;蔗糖酶(Suc)采用3,5-二硝基水杨酸比色法,以培养1 d后1 g土壤中生成葡萄糖的毫克数表示蔗糖酶活性;酸性磷酸酶(Acp)采用磷酸苯二钠比色法,以1 g·h−1土壤中释放的酚毫克数表示磷酸酶活性。每个土壤样品至少测定3次,取平均值。
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植被多样性指数采用如下测度[14],其计算公式如下:
Margalef丰富度指数(R):R = (S − 1)/lnN
Shannon-Wiener多样性指数(H): H = −∑(PilnPi)
Simpson多样性指数(D):D = 1 − ∑(Pi/N)2
Pielou均匀度指(J):J = H/lnS
式中:Pi = Ni/N,即某个物种的相对多度;Ni为种i的株数;S为种i所在样方的所有物种的总株数[15]。
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采用Microsoft Excel 2013对实验数据预处理、数据统计和作图;采用单因素方差分析(One-way Anova)对各环境因子(水热条件和植物多样性、土壤理化性质)进行多重比较和差异性分析。采用前向选择法对各环境因子进行约束性分析,然后使用蒙特卡洛检验对环境因子进行重要性排序;根据重要性排序的结果,筛选出对酶活性具有显著影响的环境因子,采用Canoco5.0中的T-value双序图进行单一因子检验,明确其与各酶活性的关系,若某个土壤酶活性指标的箭头连线落入或者穿过黑色圈表示呈显著正相关,落入或穿过白色圈为显著负相关[16]。
2.1. 样地设置
2.2. 土壤理化指标测定
2.3. 土壤酶活性测定
2.4. 植物多样性
2.5. 数据处理
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图1表明:不同植被带年均气温、年均降水量及土壤温度沿海拔梯度的变化差异显著(P < 0.05),其中,年均气温和土壤温度随海拔升高而降低,即亚热带季风常绿阔叶林 > 半湿润常绿阔叶林 > 湿性常绿阔叶林,年均降水量随海拔升高而增加,即亚热带季风常绿阔叶林 < 半湿润常绿阔叶林 < 湿性常绿阔叶林。
表2表明:不同植被带Margalef(R)、Shannon-Wiener(H)、Simpson(D)和Pielou(J)指数沿海拔梯度的变化趋势不同,R、H和J指数均随海拔升高而减少,其中,3个植被带的R、H指数差异显著(P < 0.05),亚热带季风常绿阔叶林和半湿润常绿阔叶林的J指数差异不显著(P > 0.05);D指数沿海拔升高而增加,且3个植被带间差异显著(P < 0.05)。
植被
Vegetation丰富度指数(R)
Margalef index香农-威纳指数(H)
Shannon-Wiener index辛普森指数(D)
Simpson index均匀度指数(J)
Pielou indexME 12.71 ± 1.22 a 3.26 ± 0.35 a 0.81 ± 0.08 c 1.13 ± 0.10 a SE 11.67 ± 0.74 b 2.68 ± 0.22 b 1.57 ± 0.10 b 1.08 ± 0.08 a HE 10.68 ± 0.55 c 2.29 ± 0.17 c 1.88 ± 0.12 a 0.85 ± 0.04 b 注:图中不同小写字母表示不同海拔植被间的多样性指数差异显著 (P < 0.05)。下同。
Notes: Different letters indicates significant differences (P < 0.05) in diversity index among vegetation at different altitudes. The same below.Table 2. The diversity index of plant communities at different altitudes
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由表3可知:各海拔植被带土壤理化性质沿海拔梯度呈不同变化规律,且差异显著(P < 0.05);土壤容重和pH值分别随海拔升高而降低;土壤含水量、总有机碳、全氮、全钾、速效氮和速效钾随海拔升高而增加,土壤全磷和速效磷随海拔升高先降低后增加。湿性常绿阔叶林土壤含水量、总有机碳、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷和速效钾的含量分别是亚热带季风常绿林的1.53、2.61、2.70、1.66、2.26、1.77、2.18、1.71倍。
植被
Vegetation土层深度
Soil
depth/
cm土壤含水量
Moisture content/
%容重
Bulk
density/
(g·cm−3)pH 总有机碳
Organic carbon/
(g·kg−1)全氮
Total nitrogen/
(g·kg−1)全磷
Total
phosphorus/
(g·kg−1)全钾
Total potassium /
(g·kg−1)速效氮
Available
nitroge/
(mg·kg−1)速效磷
Available
phosphorus/
(mg·kg−1)速效钾
Available potassium/
(mg·kg−1)ME 0~10 46.0 Ac 1.17 Ea 4.75Ea 78 Ac 1.23 Ac 1.88 Ab 20.9 Ac 294 Ac 5.60 Ab 347 Ac 10~20 36.5 Bc 1.29 Da 4.85Da 43 Bc 0.83 Bc 1.61 Bb 19.1 Bc 203 Bc 4.64 Bb 266 Bc 20~30 31.7 Cc 1.47 Ca 4.92Ca 28 Cc 0.61 Cc 1.27 Cb 18.1 Cc 181 Cc 3.72 Cb 183 Cc 30~40 25.7 Dc 1.60 Ba 5.38Ba 18 Dc 0.45 Dc 0.74 Db 17.2 Dc 138 Dc 3.09 Db 164 Dc 40~50 18.1 Ec 1.62 Aa 5.79Aa 12 Ec 0.34 Ec 0.64 Eb 14.4 Dc 103 Ec 2.77 Eb 117 Ec 均值 31.6 c 1.43 a 5.14 a 36 c 0.69 c 1.23 b 17.9 d 184 c 3.96 b 215 c SE 0~10 55.3 Ab 0.96 Eb 3.72Eb 100 Ab 2.03 Ab 1.01 Ac 40.8 Ab 400 Ab 4.09 Ac 456 Ab 10~20 43.4 Bb 1.08 Db 4.58Db 72 Bb 1.28 Bb 0.82 Bc 36.8 Bb 278 Bb 3.66 Bc 330 Bb 20~30 37.3 Cb 1.16 Cb 4.64Cb 53 Cb 1.07 Cb 0.58 Cc 34.0 Cb 226 Cb 2.72 Cc 237 Cb 30~40 33.2 Db 1.28 Bb 4.69Bb 47 Db 0.93 Db 0.36 Dc 27.4 Db 179 Db 1.98 Dc 217 Db 40~50 28.9 Eb 1.31 Ab 4.96Ab 39 Eb 0.70 Eb 0.30 Ec 24.0 Eb 157 Eb 1.23 Ec 178 Eb 均值 39.6 b 1.16 b 4.52 b 62 b 1.20 b 0.61 c 32.6 b 248 b 2.74 c 284 b HE 0~10 66.8 Aa 0.78 Ec 3.58Ec 142 Aa 3.16 Aa 2.67 Aa 47.0 Aa 538 Aa 14.3 Aa 619 Aa 10~20 49.0 Ba 0.83 Dc 3.99Dc 115 Ba 2.35 Ba 2.36 Ba 42.7 Ba 394 Ba 11.5 Ba 418 Ba 20~30 46.0 Ca 0.98 Cc 4.30Cc 85 Ca 1.49 Ca 2.00 Ca 40.1 Ca 275 Ca 7.34 Ca 317 Ca 30~40 41.9 Da 1.10 Bc 4.37Bc 72 Da 1.32 Da 1.73 Da 37.3 Da 226 Da 5.56 Da 273 Da 40~50 38.4 Ea 1.18 Ac 4.61Ac 54 Ea 0.97 Ea 1.44 Ea 34.8 Ea 197 Ea 4.53 Ea 213 Ea 均值 48.4 a 0.97 c 4.17 c 94 a 1.86 a 2.04 a 40.4 a 326 a 8.64 a 368 a 注:不同小写字母表示土层不同海拔植被带间差异显著(P < 0.05);不同大写字母表示不同土层同一海拔植被带间差异显著(P < 0.05),图2同。
Notes: Different lower-case letters indicates a significant differences (P < 0.05) among vegetation zones at different altitudes in the same soil layer, different capital letters indicates a significant differences (P < 0.05) among the same altitudinal vegetation zones in different soil layers, the same as figure.2.Table 3. Soil physicochemical properties of vegetation zones at different altitudes
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各植被带土壤理化性质沿土层深度呈现不同变化规律,且差异显著(P < 0.05)(表3)。土壤含水量、总有机碳、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷和速效钾的含量均表现为随土层加深而减小,0~10 cm最大,40~50 cm最小;与0~10 cm相比,40~50 cm的上述各指标,亚热带季风常绿阔叶林分别减小27.9 %、66 g·kg−1、0.89 g·kg−1、1.24 g·kg−1、6.5 g·kg−1、191 mg·kg−1、2.83 mg·kg−1、230 mg·kg−1,半湿润常绿阔叶林分别减小26.4 %、61 g·kg−1、1.33 g·kg−1、0.71 g·kg−1、16.8 g·kg−1、243 mg·kg−1、2.86 mg·kg−1、278 mg·kg−1,湿性常绿阔叶林分别减小28.4 %、88 g·kg−1、2.19 g·kg−1、1.23 g·kg−1、12.2 g·kg−1、341 mg·kg−1、9.77 mg·kg−1、406 mg·kg−1。土壤容重和pH值均表现为随土层加深而增加,40~50 cm最大,0~10 cm最小。
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土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性在不同海拔植被带间差异显著(P < 0.05),且随海拔上升呈增大趋势(图2)。脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性均为湿性常绿阔叶林 > 半湿润常绿阔叶林 > 亚热带季风常绿阔叶林。
不同海拔植被带酸性磷酸酶活性差异显著(P < 0.05),且随海拔上升呈先减小后增大趋势(图2),其活性表现为湿性常绿阔叶林 > 亚热带季风常绿阔叶林 > 半湿润常绿阔叶林。
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土壤酶活性沿剖面的变化均差异显著(P < 0.05),且随土层加深而降低,表现为0~10 cm土层最高,40~50 cm土层最低。土壤脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶其活性呈现:0~10>10~20>20~30>30~40>40~50 cm。同土层的酶活性沿海拔上升呈显著不同的变化(P < 0.05),土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性沿海拔升高呈增加趋势,酸性磷酸酶活性呈先降低后增加趋势。同一植被带下,土壤酶活性均随土层加深逐渐降低(图2)。
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水热条件、植物多样性、土壤理化性质等环境因子对4种土壤酶活性在第1排序轴解释量为93.83%,第2排序轴解释量为3.97%,即前2轴对酶活性特征解释值为97.80%。表明前2轴能较好的解释土壤酶活性与环境因子的关系,并且主要由第1排序轴决定。第1、第2排序轴中,水热条件和植物多样性因子与土壤酶活性的相关系数分别为0.999和0.998,进一步反映出土壤酶活性与环境因子关系密切。
从土壤酶活性与环境因子的二维排序图(图3)可知:土壤全钾(TK)、pH和容重(BD)的箭头连线较长,能较好解释土壤酶活性的差异,其中,Margalef(R)、Shannon-Wiener(H)、Pielo-u指数(J)及年均气温(AT)、土壤温度(ST)与过氧化氢酶(Cat)、脲酶(Ure)、蔗糖酶(Suc)和酸性磷酸酶(Acp)夹角较大(> 90°),呈显著负相关(P < 0.05);Simpson指数(D)、土壤全钾(TK)、速效钾(AK)、含水量(MC)、速效氮(AN)、速效磷(AP)与上述4个酶夹角较小(< 90°),呈显著正相关,其中,过氧化氢酶、蔗糖酶与总有机碳(SOC)和全氮(TN)夹角最小,脲酶与年均降水量(AR)夹角最小,酸性磷酸酶与全磷(TP)夹角最小,表明总有机碳和全氮对过氧化氢酶、蔗糖酶存在极显著正效应(P < 0.01),年均降水量对脲酶存在极显著正效应,全磷对酸性磷酸酶存在极显著正效应,而4种酶活性与pH和容重(BD)夹角最大,说明4种酶活性与pH和容重存在显著负效应。
综上可知:不同环境因子对土壤酶活性的影响差异较大。使用蒙特卡罗检验对17个因子进行大小排序得出:总有机碳(SOC)> 全氮(TN)> 容重(BD)> 速效钾(AK)> pH > 含水量(MC)> 速效氮(AN)> 全钾(TK)> 有效磷(AP)> 全磷(TP)> Pielou指数(J)> 年均降水量(AR)> 年均气温(AT)> 土壤温度(ST)> Simpson指数(D)> Margalef index指数(R)> Shannon-Wiener指数(H)。相关分析显示:各环境因子对土壤酶活性均影响显著(P < 0.05)。
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根据蒙特卡洛检验排序的大小,使用T-value双序图筛选出对土壤酶活性有显著影响的12个环境因子进行深入分析,以明确酶活性与主要环境因子的关系。由图4a、b、d可知:脲酶(Ure)、过氧化氢酶(Cat)、蔗糖酶(Suc)和酸性磷酸酶(Acp)的箭头均穿过了黑圈,说明土壤总有机碳(SOC)、全氮(TN)速效钾(AK)与上述4个酶均呈显著正相关,对各酶活性影响较大。由图4f~h、l可知:过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶的箭头穿过了黑圈,说明土壤含水量(MC)、速效氮(AN)、全钾(TK)和年降水量(AR)和上述3个酶均呈显著正相关,对3个酶活性变化起促进作用。由图4c、e、k可知:脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶的箭头均穿过了白圈,说明容重(BD)、pH和Pielo-u指数(J)与脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶呈显著负相关,并对3个酶反向变化的影响较明显。由图4i、j可知:酸性磷酸酶箭头完全落入了黑圈,说明速效磷(AP)和全磷(TP)与酸性磷酸酶呈极显著正相关,表明速效磷和全磷是影响酸性磷酸酶的正向变化主要因子。由图4c、l可知,酸性磷酸酶箭头完全落入白圈,说明容重(BD)和年均降水量(AR)与酸性磷酸酶呈极显著负相关,表明年均降水量和土壤容重对酸性磷酸酶反向变化的影响最明显。