退化喀斯特森林不同自然恢復階段土壤養分和酶活性特征*

李 雍,蒙朧晨曦,陳路瑤,吳宇航,陳應群,邵雪蓉,張廣奇,,陳丹梅,,劉慶福,,隋明湞,,丁訪軍,臧麗鵬,

(1.貴州大學林學院森林生態研究中心,貴陽 550025;2.貴州荔波喀斯特森林生態系統國家定位觀測研究站,貴州 黔南布依族苗族自治州 558400)

土壤作為植物生長發育的場所,為植物的定殖、發育提供必需的營養物質,而土壤養分作為土壤最基本的特征[1],其分布格局直接制約植物的生長分布[2]。但由于氣候、地形及植被類型的差異造成不同區域限制植物生長的因子差異較大,例如,研究表明,中亞熱帶地區植被生長受土壤磷含量的限制,而荒漠草原植物生長受土壤氮含量的限制[3]。目前,普遍觀點是我國北方植被分布的主要限制性土壤養分是氮含量[4],而在南方地區磷元素成為植被分布的限制性因素[5]。正確識別限制性土壤養分是生態學研究的基礎。

無處不在的干擾會造成生態系統的逆向演替[6],常表現為生態系統功能衰退、土壤肥力下降、生物多樣性減少[7],當干擾終止后,植被會沿既定方向恢復至頂級群落[8]。而植被恢復過程中,生物群落與非生物環境相互影響,一方面,群落的更替會改變土壤的理化性質;另一方面,土壤養分含量的變化也會影響植物定殖、發育,進而改變群落結構[9],現有研究表明,在植被恢復進程中,土壤養分含量具有下降趨勢,進而引起物種組成差異及生態策略遷移[10-11]。因此,土壤養分含量變化也被作為評價植被恢復的重要指標。此外,土壤作為陸地生態系統的重要組成部分,其質量可以直接或間接地影響生態系統功能表達[12-13],而土壤酶活性是其功能表達的重要度量指標。研究表明,土壤養分含量的變化可以引起土壤酶活性的變化[14-16],恢復時間、林分結構等指標均對土壤酶活性具有顯著影響[17-18]。然而,就目前研究來看,土壤養分與酶活性在生態系統恢復過程中的協同與權衡變化規律認識較少,尤其是在非地帶性植被恢復過程中的變化規律未見報道。

我國西南地區是生態脆弱區之一[19],其喀斯特面積約54萬km2[20]?？λ固氐孛采蠘O易發生石漠化,嚴重制約了當地經濟發展與生態修復,而石漠化最為直觀的表征是植被的退化和大面積的基巖裸露[21],這種裸露的碳酸鹽巖溶解富含鈣元素,而鈣極易與有機質和磷形成穩定的化合物[22],使得該地區土壤氮磷元素的供給能力下降。研究顯示,喀斯特地區植被恢復早期,土壤氮元素供給水平較低,在恢復后期,土壤中缺乏磷元素較為明顯[23]。伍方驥等[24]研究發現,通過植被恢復的方式既可以提升喀斯特地區土壤有機碳的含量,也能顯著提升土壤全氮含量。但以往研究多關注土壤養分的變化,卻忽略了土壤酶參與森林碳氮磷代謝的重要作用[25],針對不同自然恢復階段的土壤酶活性的研究較少,且尚不清楚隨著植被自然恢復進程的進行主導土壤養分變化的因子,也不能明確土壤養分與酶活性的相關性隨著恢復進程的進行如何變化。因此,探討喀斯特不同自然恢復階段土壤養分與酶活性變化特征對該地區生態系統保護工作具有重要指導意義。本文以茂蘭喀斯特常綠落葉闊葉混交林自然恢復序列為研究對象,通過測定不同自然恢復階段的土壤養分及酶活性,利用方差分析及多重比較、主成分分析和冗余分析等方法,系統地探究土壤養分及土壤酶活性的分布特性、主導因素及不同恢復階段內土壤養分與酶活性的關聯特性,以期為喀斯特森林生態修復提供理論基礎。

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

研究地位于貴州省東南部的茂蘭國家級自然保護區(25°09′—25°20′N,107°52′—108°05′E),保護區海拔最高處達1078 m,最低處430 m,總面積21285 hm2,其中核心區5827 hm2,緩沖區8910 hm2,實驗區4588 hm2。該地區為中亞熱帶季風溫潤氣候,春秋溫暖、冬無嚴寒、夏無酷暑、雨量充沛。研究地年平均氣溫為15.3℃,氣溫年均差18.3℃,最冷月平均氣溫為5.2℃,最熱月平均氣溫為23.5℃,≥10℃活動積溫為4598.6℃,生長期237天,全年降水量1752.5 mm,集中分布在4—10月。研究區域成土母巖為碳酸鹽巖,土壤類型以黑色石灰土為主。當地代表植被類型為亞熱帶常綠落葉闊葉混交林,主要樹種有小花梾木(Cornus parviflora)、云貴鵝耳櫪(Carpinus pubescens)、多脈榆(Ulmus castaneifolia)、香葉樹(Lindem communis)、青岡(Quercus glauca)等。根據保護區參考資料查證,研究地范圍內主要干擾方式為樵采,而依據恢復年限可大致分為3個階段:1)灌木林階段:樵采后自然恢復20～30年;2)次生林階段:樵采后自然恢復50～60年;3)老齡林階段:有記錄以來未經過明顯人為干擾。

1.2 樣地建立及土壤樣品采集

于2022年7 月在灌木林(Shrubbery,TG)、次生林(Secondary-growth forest,SG)、老齡林(Oldgrowth forest,OG)3種自然恢復階段森林內,參照《全國生態狀況調查評估技術規范—森林生態系統野外觀測》(HJ1167-2021)方法,各建立10塊30 m×30 m 固定樣地,樣地與樣地間距離＞50 m,每階段主要優勢物種見表1(按重要值排序)。在已建立的固定樣地內,使用五點取樣法在每個樣方中心位置取表層土(0～20 cm 深度)各500 g,將5包土壤樣品去除雜質后充分混勻,裝袋后帶回實驗室,在0℃下冰箱中保存。待解凍土壤風干后,對土樣進行研磨,一部分過0.25 mm 和2.00 mm 篩以供土壤理化性質測定,一部分過1 mm 篩用于酶活性指標的測定。樣地情況與采樣方法等見圖1。

表1 樣地基本特征Table 1 The basic characteristic of the plots

1.3 土壤養分含量及酶活性測定

土壤p H 值使用電位法測定,土壤堿解氮(AN)采用堿解—擴散法測定,速效鉀(AK)含量用乙酸銨浸提—火焰光度法測定,全鉀(TK)使用NaOH 熔融—火焰光度法測定,全磷(TP)測定使用氫氧化鈉堿溶—鉬銻抗比色法,有機磷(OP)使用灼燒酸浸提—鉬銻抗比色法,上述養分測定方法見鮑士旦的《土壤農化分析》一書[26];銨態氮()、硝態氮()的測定參照“環保標準(HJ 634-2012)氯化鉀溶液提取—分光光度法”;脲酶(S-UE)、纖維素酶(S-SC)、蔗糖酶(S-CL)、中性磷酸酶(S-NP)、中性蛋白酶(S-NPT)、脫氫酶(S-DHA)等酶活性使用索萊寶試劑盒測定[27]。

1.4 數據處理

使用R4.2.3分析軟件進行數據處理和圖表處理,采用“vegan”包進行單因素方差分析及多重比較(P＜0.05)對比分析喀斯特森林不同恢復階段內土壤養分含量及酶活性變化趨勢;使用“Facto-MineR”和“factoextra”等包進行主成分分析,分析土壤養分含量和酶活性對不同恢復階段的主導性因子;使用“vegan”和“ggrepel”等包進行冗余分析,分析不同恢復階段土壤養分與酶活性間的相關性及其排序;所有圖均使用“ggplot2”包進行處理。

2 結果與分析

2.1 退化喀斯特森林自然恢復進程中土壤養分特征分析

對不同自然恢復階段的土壤養分含量進行單因素方差分析,結果如圖2所示。隨著自然恢復的進行,土壤全磷含量在3個階段存在顯著差異,土壤全鉀、有機磷在前兩個階段差異顯著,土壤全鉀含量隨著恢復進行先下降再上升,土壤有機磷的含量則與之相反,而土壤全磷含量隨著恢復進行呈現上升的趨勢,且差異顯著;堿解氮、p H 值、銨態氮、硝態氮等養分含量在灌木林階段與后面兩個階段存在顯著差異,且土壤堿解氮、p H 值、硝態氮含量隨恢復進行逐漸上升,而銨態氮含量隨恢復階段呈現下降趨勢;速效鉀在3個自然恢復階段均無顯著性差異。

圖2 退化喀斯特森林自然恢復階段土壤養分特征方差分析結果Fig.2 Analysis of variance of soil nutrient characteristics during the natural recovery stage of degraded Karst forests

2.2 退化喀斯特森林自然恢復進程中土壤酶活性特征分析

對不同階段土壤酶活性特征進行單因素方差分析,結果見圖3,隨著自然恢復進程的發生,土壤蔗糖酶、脫氫酶、纖維素酶并沒有顯著性的差異;土壤中性蛋白酶、脲酶、中性磷酸酶存在顯著性差異,且脲酶、中性磷酸酶隨著恢復階段的進行活性逐漸上升,而中性蛋白酶活性到達次生林階段后趨于穩定。

圖3 退化喀斯特森林自然恢復階段土壤酶活性特征方差分析結果Fig.3 Variance analysis of soil enzyme activity characteristics during the natural recovery stage of degraded Karst forests

2.3 退化喀斯特森林不同自然恢復階段土壤養分及酶活性主導因子分析

2.3.1 退化喀斯特森林不同自然恢復階段土壤養分及酶活性主成分分析

對不同恢復階段土壤養分特征進行主成分(PCA)分析,結果如表2所示。3個階段的主成分分析均顯示前3個主成分特征根大于1,且累計貢獻率分別達到78.72%、80.81%、69.88%,所以前3個主成分軸能夠表征土壤養分的總體情況。灌木林階段(TG)第一主成分軸土壤養分主要決定性因子為土壤硝態氮、全磷,第二主成分軸土壤養分主要決定因子為p H 值和有機磷,第三主成分軸土壤養分主要決定因子為土壤速效鉀和堿解氮;而次生林階段(SG)第一主成分軸中土壤養分的主要決定因子為速效鉀和全磷,第二主成分軸的主要決定因子為銨態氮和p H 值,第三主成分軸主要決定性因子為硝態氮;老齡林階段(OG)第一主成分軸土壤決定性因子為速效鉀和堿解氮,第二主成分軸的主要決定性因子為堿解氮和全磷,第三主成分軸主要決定性因子為有機磷。

表2 退化喀斯特森林自然恢復階段土壤養分主成分分析Table 2 Principal component analysis of soil nutrient dynamics during the natural recovery stage of degraded Karst forests

對不同恢復階段土壤酶活性特征進行主成分分析,結果如表3所示。灌木林階段(TG)前兩個主成分特征根大于1,累積貢獻率達到74.57%,能夠有效反映土壤酶活性的基本情況,其中,第一主成分軸的主要決定性因子為脫氫酶和中性磷酸酶,第二主成分軸的主要決定因子為蔗糖酶和中性蛋白酶。次生林階段(SG)3個主成分軸的特征根均大于1,累積貢獻率為86.67%,所以選取前3個主成分軸表示該階段土壤酶活性總體情況,其中第一主成分軸土壤酶活性的主要決定因子為脲酶和蔗糖酶,第二主成分軸的主要決定性因子為脫氫酶和中性蛋白酶,第3主成分軸的主要決定因子為中性磷酸酶。老齡林階段(OG),僅有前兩個主成分軸的特征根大于1,其累積貢獻率達到70.04%,故前兩個主成分軸能較好地表征該階段土壤酶活性總體情況,該階段第一主成分軸土壤酶活性的主導因子為蔗糖酶和脫氫酶,第二主成分的主導因子為脲酶和中性磷酸酶。

表3 退化喀斯特森林自然恢復階段土壤酶活性主成分分析Table 3 Principal component analysis of soil enzyme activity during the natural recovery stage of degraded Karst forests

2.3.2 退化喀斯特森林不同自然恢復階段土壤養分及酶活性RDA 分析

根據RDA 分析(冗余分析)原理,在進行分析之前對土壤養分與酶活性數據進行去趨勢對應分析(DCA),結果顯示3個階段土壤養分—酶活性中DCA 梯度最長的排序軸長度均小于3,因此選擇線性模型進行RDA 排序,結果見圖4。其中,灌木林階段RDA 第一、第二軸分別解釋了土壤養分—酶活性數據中的41.40%和29.47%的方差(圖4A),采用Monte Carlo Permutation Test對影響土壤酶活性的8個土壤養分因子進行排序,其與酶活性的相關性依次為全磷＞硝態氮＞p H＞速效鉀＞堿解氮＞全鉀＞有機磷＞銨態氮;次生林階段RDA 第一軸解釋了土壤養分—酶活性數據的41.17%的方差,第二軸解釋了26.78%的方差(圖4B),土壤養分—酶活性相關排序為銨態氮＞速效鉀＞全磷＞全鉀≈p H＞有機磷＞堿解氮＞硝態氮;不同的是,老齡林階段RDA 第一主軸解釋了35.70%的方差,第二主軸解釋了土壤養分—酶活性數據28.42%的方差(圖4C),土壤養分—酶活性相關排序為p H＞銨態氮＞速效鉀＞硝態氮＞堿解氮＞全鉀＞全磷＞有機磷?？偟膩碚f,不同恢復階段內土壤養分與酶活性具有較強的相關性且土壤養分能較好地解釋土壤酶活性。

圖4 退化喀斯特森林自然恢復階段土壤養分及酶活性RDA 分析Fig.4 RDA analysis of soil nutrients and enzyme activity during the natural recovery stage of degraded Karst forests

3 討論

3.1 退化喀斯特森林自然恢復進程中土壤養分含量變化特征

本研究中,土壤p H 值隨著恢復進行不斷上升,土壤整體呈現弱酸性至中性,這與森林中枯落物降解產生有機酸隨著降水進入土壤有關[28];氮元素是植物生長發育不可或缺的重要營養元素,其中,土壤堿解氮可以反映土壤供氮能力[29];土壤中銨態氮可直接與光合作用的產物有機酸結合,形成氨基酸,進而形成其他含氮有機物,是土壤中重要的養分指標[30];土壤中硝態氮需要在土壤中還原成銨態氮后才能被植物吸收利用,所以土壤硝態氮也是衡量土壤養分的重要指標[30]。隨著恢復進行,土壤銨態氮含量呈降低趨勢,硝態氮和堿解氮含量從灌木林階段到次生林階段具有顯著差異(P＜0.05)。銨態氮是土壤中的重要氮元素來源,所以銨態氮隨著恢復階段的下降可能是影響老齡林階段植被恢復的重要因素。土壤鉀含量可以表征植物對鉀的吸收與利用情況[31],在本研究中,土壤中速效鉀整體變化差異不顯著,全鉀在前兩個恢復階段存在顯著差異性,全鉀是演替初期影響植被恢復的一個重要指標,演替后期由于植被恢復情況較好,地下枯落物層較厚,影響基巖風化從而釋放鉀元素,所以在本研究中全鉀在恢復中后期差異不顯著[32-33]。土壤磷是植物生長的重要營養元素之一[34],土壤有機磷可以表征植物對磷元素的吸收量,本研究中,土壤有機磷隨著恢復具有先上升后下降的趨勢,土壤全磷含量隨著恢復進行顯著上升,對照《第二次全國土壤普查土壤養分分級標準》,總體上,研究地全磷含量處在六級(＜200 mg·kg—1)急缺水平[35],盡管植物從土壤中獲取的全磷隨恢復階段呈現上升趨勢,但是總體來說,磷元素的缺乏仍然是該地區植被生長的主要限制性因素。后續研究應該關注這種低磷限制對植被恢復的重要影響作用,總體來說,土壤中氮、磷、鉀元素含量在不同恢復階段存在顯著性差異,這是由于自然恢復階段的進行,地上植被類型發生了改變,地上枯落物的量也存在著不同,直接導致不同恢復階段枯落物釋放的氮、磷、鉀元素在不同恢復階段森林中存在差別[36],這說明喀斯特自然恢復階段顯著影響了土壤中氮磷鉀元素的變化。土壤養分的主成分分析顯示,灌木林階段全磷、硝態氮、速效鉀、有機磷、p H 值是土壤養分的主要決定因子;次生林階段速效鉀、全磷、硝態氮、銨態氮、p H 值是土壤養分的主要決定因子;老齡林階段速效鉀、堿解氮、全磷、銨態氮、有機磷是土壤養分的主要決定因子?？梢?3個自然恢復階段土壤養分主要決定因子存在差異,后續關于喀斯特自然恢復的研究應著重關注每一階段指標變化的原因。

3.2 退化喀斯特森林自然恢復進程中土壤酶活性變化特征

土壤酶參與了森林生態系統中重要的生化過程,對土壤養分的釋放和循環具有重要作用[37-38],其受到地表耕作方式、植物根系、土壤養分、水熱條件等環境因子的影響[39-42]。本研究中,脲酶隨著恢復的活性變化存在顯著性差異,說明喀斯特森林采取自然恢復手段能顯著提高該地區土壤脲酶的活性水平[43];土壤脲酶、中性蛋白酶、脫氫酶在恢復前期與恢復后期存在顯著性差異,其他3種土壤酶活性在不同恢復階段間均無顯著性差異,說明土壤脲酶、中性蛋白酶、脫氫酶受不同恢復階段影響較大,這是由于隨著恢復階段的進行,土壤養分、地上植被類型、植物根系、小氣候等產生差異性改變,間接影響土壤酶活性,這與蘭雪等人的研究相似[44]。本研究中纖維素酶活性隨著恢復進行活性存在下降的趨勢,可能的原因是:隨著恢復進行,林分中的樹種較多具有革質葉片,且具有發達的角質層,含有較多的難降解的木質素和鞣質等物質,不利于凋落物的分解[45-46]?？梢?喀斯特自然恢復顯著改變了土壤脲酶、中性蛋白酶、脫氫酶的活性。主導因子分析可知,在恢復進行到灌木林階段,土壤脫氫酶、中性磷酸酶、蔗糖酶和中性蛋白酶是該階段的土壤酶活性的主要決定因子;次生林階段主要決定因子是土壤脲酶、蔗糖酶、脫氫酶、中性磷酸酶和中性蛋白酶;土壤脫氫酶、蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶是老齡林階段土壤酶活性的主要決定因子。由于恢復階段的不同,凋落物層的酶活性和酶種類也會隨之發生改變,從而導致不同恢復階段土壤酶活性的主要決定因子存在差異,這與前人的研究相同[47]。主成分分析結果表明,土壤脫氫酶、蔗糖酶是表征研究區土壤酶活性的重要指標,在不同恢復階段中土壤蔗糖酶與脫氫酶均具有較好的解釋度,說明不同階段土壤中有某些特異性微生物群對分解恢復過程中凋落物的氮、磷等利用性較高[48]。土壤脲酶在3個恢復階段均存在顯著性差異,土壤蔗糖酶、纖維素酶、脫氫酶不受恢復階段的影響,土壤中性蛋白酶、中性磷酸酶受恢復初期影響較大。說明喀斯特不同自然恢復階段對于部分酶活性的影響較大,后續研究應重點分析這種差異變化的主導因素。

3.3 退化喀斯特森林3個自然恢復進程中土壤養分含量與酶活性關系

土壤酶能改善土壤質量,同時土壤理化性質也能給土壤酶提供酶促反應的環境和底物,進而對酶活性產生影響。土壤蔗糖酶是評定土壤肥力的良好指標[49],它能促進腐殖質、有機質等物質的轉化,進而促進養分的釋放以及循環,在本文研究的3個自然恢復階段中,灌木林階段的土壤蔗糖酶活性受到土壤p H 值、有機磷影響較大;隨著恢復的進行,當先鋒喬木在樣地內占據主導地位,由于光照、水分條件、凋落物等環境條件的改變,此時次生林以及老齡林中土壤蔗糖酶不再受土壤p H 值和有機磷的影響,與全鉀、速效鉀、銨態氮呈強正相關。研究發現,土壤蔗糖酶與總氮、總磷含量具有極顯著的相關性[50],本研究中土壤蔗糖酶整體上受土壤有機磷、全鉀、p H 值、銨態氮等的影響較大,與前人研究相似。中性磷酸酶能促進凋落物分解形成植物所需的磷元素[51],但是,在本研究中,隨著恢復階段的變化,灌木林階段土壤中性磷酸酶活性與堿解氮具有強正相關關系;而次生林階段和老齡林階段中性磷酸酶分別受土壤堿解氮、有機磷元素的影響?？傮w上,中性磷酸酶與土壤堿解氮、有機磷養分間具有較為密切的相關性,這可能是因為中性磷酸酶活性直接促進了土壤養分的釋放和有效化,從而增加土壤中堿解氮、有機磷養分的占比[52-53]。在灌木林階段,土壤纖維素酶與有機磷具有強正相關關系,當恢復階段到達次生林以及老齡林階段,此時的纖維素酶活性受土壤磷元素、氮元素、鉀元素作用較大。纖維素酶能降解凋落物中的纖維素生成纖維素二糖,能有效地促進土壤中養分的轉化,在一定范圍內纖維素酶能改善土壤養分的釋放情況[54],這很好地解釋了3個自然恢復階段內纖維素酶與N、P、K 養分因子間較強的相關性。脲酶是一種含有鎳元素的寡聚酶,能夠專一地水解土壤中的尿素[55],從而促進氮元素的釋放。研究結果顯示,土壤脲酶在不同自然恢復階段與氮元素具有較強相關性,這是由于脲酶與土壤有機質中的碳氮鍵發生作用,從而將尿素水解成土壤中的氨,從而提高土壤中氮元素的水平,這能很好地解釋脲酶與含氮養分間具有的很強相關性?？梢?脲酶、蔗糖酶、中性磷酸酶、纖維素酶在喀斯特不同自然恢復階段土壤養分轉化過程中發揮著重要作用。

4 結論

退化喀斯特森林不同自然恢復階段顯著影響了土壤養分及酶活性變化特征,隨著恢復階段的進行,土壤全磷、脲酶含量呈上升趨勢,土壤銨態氮、全鉀、堿解氮、土壤中性蛋白酶、中性磷酸酶等指標受自然恢復影響顯著。在不同自然恢復階段,土壤酶活性和養分的主要決定因子存在不同,土壤脲酶、蔗糖酶、中性磷酸酶、纖維素酶與氮、磷、鉀養分間存在較強相關性。本文以退化喀斯特不同自然恢復階段為研究對象,分析了土壤養分與酶活性在不同階段的變化特征、主導因子以及各階段內土壤養分與酶活性的相關性,為退化喀斯特森林自然恢復提供了一定的科學理論支撐。