舒樹淼, 趙洋毅, 胡慧蓉, 熊好琴, 段 旭

(1.西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 云南 昆明 650224; 2.云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 云南 新平 653400; 3.西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 云南 昆明 650224)

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基于結(jié)構(gòu)方程的滇東石漠化地區(qū)土壤理化性質(zhì)與酶活性研究

舒樹淼1,2, 趙洋毅1,2, 胡慧蓉1, 熊好琴1,2, 段 旭2,3

(1.西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 云南 昆明 650224; 2.云南玉溪森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 云南 新平 653400; 3.西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 云南 昆明 650224)

摘要：[目的] 明確滇東石漠化地區(qū)不同恢復(fù)模式效果差異以及養(yǎng)分對酶的影響關(guān)系，為石漠化地區(qū)恢復(fù)措施提供理論依據(jù)。[方法] 以土壤酶活性為恢復(fù)效果的衡量指標(biāo)，采取基于模糊數(shù)學(xué)的土壤質(zhì)量評價(jià)辦法，得到不同模式下土壤酶指數(shù)，用以比較恢復(fù)模式的效果?；谕寥览砘再|(zhì)與酶活性相關(guān)性分析的結(jié)果，采取結(jié)構(gòu)方程模型量化土壤理化環(huán)境和酶活性環(huán)境，進(jìn)而分析不同土壤理化環(huán)境對不同酶環(huán)境的影響。 [結(jié)果] 酶活性大小排序?yàn)?灌草模式>針闊混交林模式>闊葉林模式>針葉林模式>裸地；由結(jié)構(gòu)方程模型和有機(jī)質(zhì)、全磷估計(jì)出的養(yǎng)分子環(huán)境對由脲酶活性、過氧化氫酶、多酚氧化酶活性構(gòu)成的酶活性環(huán)境存在顯著正影響。 [結(jié)論] 灌草模式和針闊混交林模式對石漠化恢復(fù)有較好作用。養(yǎng)分環(huán)境對酶活性環(huán)境的影響系數(shù)為0.87。

關(guān)鍵詞：喀斯特; 石漠化; 植被恢復(fù)模式; 土壤養(yǎng)分; 酶活性; 結(jié)構(gòu)方程模型; 滇東

文獻(xiàn)參數(shù)： 舒樹淼, 趙洋毅, 胡慧蓉, 等.基于結(jié)構(gòu)方程的滇東石漠化地區(qū)土壤理化性質(zhì)與酶活性研究[J].水土保持通報(bào)，2016,36(3)：338-345.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.058

目前對石漠化的治理一般采用生態(tài)恢復(fù)等辦法,而生態(tài)恢復(fù)必須涉及土壤這一關(guān)鍵因子。這就包括了土壤的各項(xiàng)性質(zhì)。其中土壤酶被認(rèn)為是可以綜合反映土壤肥力的指示指標(biāo)[1]。這是因?yàn)橥寥烂钢饕獊碓从谥参餁報(bào)w、植物根系分泌以及土壤微生物作用[2]，對土壤生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和利用有著不可替代的作用[3]，具有受綜合因素影響的特征。同時(shí)有研究表明，幾乎所有土壤退化都伴隨著不同程度土壤酶活性的喪失[4]。因此對土壤酶的研究十分必要。在不同植被模式下酶活性各有不同。如Xing等[5]的研究表明土壤脲酶和蛋白酶在杉木針葉林中活性顯著低于闊葉石楠和混交林。Ushio等[6]則指出酚氧化酶在不同植被類型之間差異不顯著。而一般認(rèn)為土壤酶活性與土壤養(yǎng)分存在一定相關(guān)關(guān)系。如脲酶和磷酸酶活性與C，P，N等養(yǎng)分循環(huán)就有密切關(guān)系[7]。同時(shí)酶活性也受到土壤結(jié)構(gòu)、pH值、微生物、微量元素等因子的影響。顯然在不同植被類型中，影響酶活性的因子非常復(fù)雜。目前就理化因子與土壤酶活性關(guān)系的研究方法中，如路徑分析、主成分提取等并不能同時(shí)處理多個(gè)因變量與自變量的聯(lián)系[8]。這樣在一定程度上就偏離了統(tǒng)計(jì)因果。所以若能通過某種恰當(dāng)?shù)姆治?，在已有的信息情況下無偏地揭示酶活性與環(huán)境的因果關(guān)系是十分有必要的。結(jié)構(gòu)方程模型不僅可以處理多個(gè)自變量與因變量，還具有直觀描述隱變量等特點(diǎn)，為探明因果關(guān)系提供了有力方法。

本文選擇滇東石漠化地區(qū)典型不同植被恢復(fù)模式(以裸地為對照)，分別獲得過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、多酚氧化酶、蛋白酶、淀粉酶在不同土壤層次的活性。在獲得不同植被類型酶活性大小結(jié)果的同時(shí)，采用結(jié)構(gòu)方程模型分析理化因子和酶活性之間的路徑關(guān)系，以期找到在不同植被模式下影響酶活性的因果聯(lián)系，并將這種聯(lián)系定量化，從而對滇東地區(qū)石漠化生態(tài)環(huán)境保護(hù)和石漠化治理提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省東部曲靖市(103°52′E，25°45′N)，海拔1 150～2 750 m，具有山地季風(fēng)半濕潤氣特候征，年平均氣溫13.5 ℃，年均降水量1 300 mm，年平均蒸發(fā)量831.3 mm年均日照1 820 h。土壤類型主要為紅、黃壤土為主，植被屬于北亞熱帶中山常綠針闊混交林帶。

研究地位于云南省典型的喀斯特地貌分布區(qū)內(nèi)(介于103°57′—104°19′E，25°03′—25°47′N)，該區(qū)石漠化土地較多，水土流失嚴(yán)重，石漠化面積占全區(qū)的17.23%，占全區(qū)喀斯特地貌面積的27.45%。其中，輕度石漠化占全區(qū)面積的10.04%，中度占16.51%，強(qiáng)度占1.84%，極強(qiáng)度占0.94%。試驗(yàn)地選取滇東高原典型石漠化地段，區(qū)域內(nèi)主要以中輕度石漠化為主，以4種植被恢復(fù)方式進(jìn)行治理，分別為針闊混交林(云南松Pinusyunnanensis×華山松Pinusarmandii×麻櫟Quercusacutissima)、針葉林(華山松)、闊葉林(麻櫟)及灌草植被(椴葉山麻桿Alchorneatiliifolia、鹽膚木Rhuschinensis、白茅Imperatacylindrica、紫莖澤蘭等Ageratinaadenophora)模式(表1)。

表1　不同植被模式樣地基本情況

2研究方法

2.1土壤理化性質(zhì)測定

2.2數(shù)據(jù)處理

(1) 土壤酶指數(shù)與統(tǒng)計(jì)分析。因土壤酶種類較多，各作用不同，且存在信息重疊[9]，而單一的酶指標(biāo)并不能全面反映整體酶活性。故使用土壤酶指數(shù)(SEI)判別各植被模式土壤酶因子綜合作用。土壤酶的變化具有連續(xù)性質(zhì)，因而可先采取描述連續(xù)性質(zhì)的隸屬度函數(shù)，并從主成分因子負(fù)荷量的正負(fù)性確定隸屬度函數(shù)分布的升降型。公式如下：

SEI(xi)=(xij-ximin)/(ximax-ximin)

(1)

SEI(xi)=(ximax-xij)/(ximax-ximin)

(2)

式中：xij——土壤酶活性的值(ml/g)；ximax和ximin——土壤酶活性最大最小值(ml/g)。土壤多酚氧化酶為降型分布，其他酶為升型分布。

因各個(gè)酶活性指標(biāo)的單位不同，故可通過計(jì)算主成分貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率，然后利用主成分分析因子載荷得到各因子權(quán)重。

Wi=Ci/C

(3)

式中：Wi——各酶指標(biāo)權(quán)重；Ci——各酶公因子方法；C——所有酶的公因子方差之和。于是加權(quán)得到土壤酶指數(shù)(SEI)，以客觀、全面地反映樣地整體酶活性。

(4)

(2) 結(jié)構(gòu)方程模型。結(jié)構(gòu)方程模式是廣泛應(yīng)用于心理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會學(xué)、行為科學(xué)等領(lǐng)域的因果檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚8]。是一般線性模型的擴(kuò)展。如路徑分析、因素分析、多元方差分析、多元回歸等都可以看做結(jié)構(gòu)方程模型的特列[8]。相比于結(jié)構(gòu)方程模型上述方法只能檢驗(yàn)自變量和因變量的單一關(guān)系[8,10]。而結(jié)構(gòu)方程模型不僅綜合了已有的線性分析方法，還能對變量關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證分析，并擁有嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)辦法，且容納了變量存在的測量誤差，因此結(jié)構(gòu)方程模型具備了一般線性分析不具有的能力，如為分析那些不可直接測量的變量(隱變量)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系提供了可能[8]。本研究中理化環(huán)境和酶活性環(huán)境均是不可直接測量的變量。同時(shí)一般認(rèn)為結(jié)構(gòu)方程模型適用于較大樣本(n≥100)，路徑關(guān)系較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析中。然而結(jié)構(gòu)方程模型是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停仨毣谝欢ǖ睦碚摶A(chǔ)。故也可以適用于有明確理論依據(jù)的簡單結(jié)構(gòu)。在本研究中，理論基礎(chǔ)為理化因子對酶活性存在影響。已被大量研究已經(jīng)證明，即不論何種植被模式下某些養(yǎng)分和酶之間都存在極顯著或顯著相關(guān)[11-13]，表明了養(yǎng)分和酶具有一定固有聯(lián)系。事實(shí)上對于土壤生態(tài)系統(tǒng)而言，土壤因子之間都存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的聯(lián)系。如脲酶同有機(jī)質(zhì)可形成酶—腐殖質(zhì)化合物[14]，有機(jī)質(zhì)對脲酶的穩(wěn)定和活性具有一定作用。同時(shí)脲酶主要聚集在微團(tuán)聚體上，相當(dāng)于土壤粒經(jīng)的黏粒部分。其活性隨粒徑增大有下降趨勢[15]。而有機(jī)質(zhì)又影響土壤結(jié)構(gòu)的形成[16]。可見對于因子聯(lián)系較多的系統(tǒng)，若將其中一個(gè)因子作為研究對象，探討其它因子對它的影響是十分復(fù)雜的。因此為了描述這種影響，可以在邏輯上設(shè)存在一個(gè)“環(huán)境”，“環(huán)境”由不同因子構(gòu)成。本文中把理化因子視為構(gòu)成“土壤環(huán)境”的因子，進(jìn)而影響“酶活性環(huán)境”，而“酶活性環(huán)境”則直接影響不同酶活性。因上述“土壤環(huán)境”和“酶活性環(huán)境”都不能直接觀察，于是具備了結(jié)構(gòu)方程模型中隱變量的特征。

根據(jù)結(jié)構(gòu)方程模型，隱變量是指那些不能被直接觀測的變量，往往通過顯變量對其進(jìn)行估計(jì)。在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，如各養(yǎng)分指標(biāo)、物理指標(biāo)都是可被直接測量的指標(biāo)，通過對這些顯性指標(biāo)的把握可以評估出土壤整體環(huán)境。因而符合結(jié)構(gòu)方程模型的基本思想。結(jié)構(gòu)方程模型分為測量模型部分和結(jié)構(gòu)模型部分。測量模型可衡量隱變量與外顯變量之間的關(guān)系。

X=∧xξ+δ

(5)

Y=∧yη+ε

(6)

式中：X——外生顯性變量向量；Y——內(nèi)生顯性變量向量； ∧x和∧y——指標(biāo)變量(X，Y)的因素負(fù)荷量；δ，ε——外生顯性變量與內(nèi)生顯性變量的測量誤差；ξ——外生潛在變量；η——內(nèi)生潛在變量。結(jié)構(gòu)模型可反映各潛在變量之間的關(guān)系。

η=Bη+Γξ+ζ

(7)

式中：B——內(nèi)生潛在變量之間關(guān)系的結(jié)構(gòu)系數(shù)矩陣； ?！獌?nèi)生潛在變量與外生潛在變量之間關(guān)系的結(jié)構(gòu)系數(shù)矩陣；ζ——結(jié)構(gòu)模型中干擾因素或殘差值。根據(jù)此模型和最大似然法便可建立結(jié)構(gòu)方程模型路徑圖。在這里將養(yǎng)分因子和物理因子定義為外生顯變量；它們構(gòu)成的環(huán)境定義為外生隱變量；受到綜合環(huán)境影響的酶活性環(huán)境定義為內(nèi)生隱變量；各個(gè)酶因子的活性定義為內(nèi)生顯變量。使用SPSS和AMOS進(jìn)行結(jié)構(gòu)方程路徑分析。

3結(jié)果與分析

3.1不同植被模式土壤酶指數(shù)

表2為各個(gè)樣地不同層次土壤平均酶活性情況?？芍富钚詭缀醵茧S著土壤深度的增加而增加。大部分酶活性變化明顯，同時(shí)也存在酶在某些樣地中活性隨深度變化無明顯差別。如脲酶活性在樣地1中變化明顯，但在樣地3，4的某些層中酶活性都十分相近。

表2　不同植被模式樣地土壤酶活性

由表2可以看出，不同酶活性在不同樣地土壤中此消彼長，為了全面綜合地衡量每個(gè)樣地中酶活性的大小，故采用土壤酶指數(shù)(SEI)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果如圖1—2所示。

注：不同字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

圖2　各植被模式樣地不同深度土壤酶指數(shù)(SEI)

各樣地酶指數(shù)分別為0.498，0.352，0.499，0.392，0.315?？芍獦拥?(針闊林模式)、樣地3(灌草模式)、樣地4(闊葉林模式)的土壤酶指數(shù)明顯大于裸地5。而樣地2(針葉林模式)和樣裸地5最為接近。即：灌草模式>針闊林模式>闊葉林模式>針葉林模式>裸地。有研究表明在喀斯特地區(qū)中酶活性隨植物恢復(fù)過程逐漸提高[17]，同時(shí)也有研究表明微生物數(shù)量從高到低存在：灌草叢>常綠闊葉林>針闊混交林>針葉林的大小序列，而酶活性與之類似[18]?？梢妼τ诓煌脖荒Ｊ?，酶活性大小并沒有確定序列。這是因?yàn)閮H從植被模式上并不能概括酶存在的具體環(huán)境。圖2揭示了不同深度酶活性大小。顯然對于喬木下的土壤而言，其酶活性隨深度變化明顯，這表明了土壤環(huán)境隨深度改變明顯。這可能和植物根系有關(guān)，即喬木根的活動深度較灌草強(qiáng)，故明顯改變了深層土壤的水熱環(huán)境，進(jìn)而改變了酶存在環(huán)境。因麻櫟是淺根系植物，故樣地4在這點(diǎn)上表現(xiàn)得不如有針葉植物的模式林明顯。另外裸地土壤中層酶活性較大，這表明裸地衰退的時(shí)間并不長，土壤中依然存在適宜酶存在的環(huán)境。

3.2土壤酶活性與理化指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

表3列出了不同植被模式下土各土層典型理化指標(biāo)的平均值。一般認(rèn)為酶活性和這些指標(biāo)有關(guān)，而這些指標(biāo)也能在一定程度上反應(yīng)土壤肥力。其中直徑在0.5～3 mm大小的團(tuán)聚體是決定土壤肥力的主要因素之一[19]，為了便于操作本研究適當(dāng)擴(kuò)大到0.25～3 mm，并能包含更多的土壤結(jié)構(gòu)信息?？梢钥吹浇^大所屬理化指標(biāo)隨著土壤深度的增加表現(xiàn)出下降趨勢。pH值正好相反。表4為各理化因子和6種酶person相關(guān)性分析。由結(jié)果可知含水率、團(tuán)聚體和酶的相關(guān)性均不顯著，而蛋白酶也不和任何理化因子表現(xiàn)出相關(guān)顯著性。其次pH值僅與脲酶和淀粉酶顯著負(fù)相關(guān)。而其余指標(biāo)均相互表現(xiàn)出顯著、極顯著相關(guān)性。這說明在石漠化地區(qū)的不同植被恢復(fù)模式下，即使酶存在的環(huán)境千差萬別，酶活性也仍然和某些理化因子存在著一定固有聯(lián)系。且這種聯(lián)系因石漠化地區(qū)從“空白”狀態(tài)開始積累土壤的原因變得特別明顯。事實(shí)上這些因子之間也并不孤立，同時(shí)也是相互影響后最終表現(xiàn)出確定狀態(tài)。因此可以通過個(gè)別理化指標(biāo)對土壤環(huán)境做出整體估計(jì)。同理，某些酶活性也能對酶整體活性環(huán)境做出整體估計(jì)，于是這為結(jié)構(gòu)方程模型的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

表3　不同植被模式下土壤理化指標(biāo)

表4　土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)相關(guān)關(guān)系

注：**表示極顯著相關(guān)(p<0.01);*表示顯著相關(guān)(p<0.05)，其中n=105。

3.3土壤理化因子與酶活性的結(jié)構(gòu)方程模型

本研究所采用的結(jié)構(gòu)方程模型的一般形式為圖3所示。其中x表示可被觀測到的理化指標(biāo)，ξ稱為外生隱變量表示影響酶活性的外界環(huán)境。η則為內(nèi)生隱變量表示酶活性環(huán)境，由內(nèi)生顯變量y估計(jì)。δ,ε,ζ均為對應(yīng)殘差。結(jié)合上文結(jié)果選擇相關(guān)顯著的理化因子和酶因子通過結(jié)構(gòu)方程模型來分析理化因子對酶活性影響大小。因土壤單獨(dú)某酶活性對土壤整體環(huán)境的響應(yīng)各不相同。如有研究表明全磷含量是影響多酚氧化酶最主要因子[20]，而速效鉀是影響蔗糖酶活性的最主要因素[21]。故對影響酶活性的土壤環(huán)境不能整體考慮。

圖3　結(jié)構(gòu)方程模型一般形式

即土壤環(huán)境中包含了影響某類酶活性的“子環(huán)境”，故分析“子環(huán)境”和某類酶活性環(huán)境的關(guān)系才能準(zhǔn)確可靠?？紤]到某些指標(biāo)存在共線性影響，如有機(jī)質(zhì)和全氮含量普遍存在線性關(guān)系[22]，故僅考慮有機(jī)質(zhì)。同時(shí)結(jié)構(gòu)方程模型要求至少2個(gè)外顯變量才能估計(jì)出隱變量。圖4—5為土壤理化因子與土壤酶活性的最優(yōu)結(jié)構(gòu)方程模型。其中使用有機(jī)質(zhì)(x1)、全磷(x2)、全鉀(x3)、速效鉀(x4)等指標(biāo)對養(yǎng)分環(huán)境進(jìn)行估計(jì)；容重(x)表示了土壤密度，在一定程度上概括了土壤物理環(huán)境，對酶活性環(huán)境起到作用且和養(yǎng)分環(huán)境存在相關(guān)關(guān)系。而脲酶活性(y1)、過氧化氫酶活性(y2)、多酚氧化酶活性(y3)、蔗糖酶活性(y4)、淀粉酶活性(y5)在不同“子環(huán)境”下表現(xiàn)不同活性，本文分成了兩類。根據(jù)結(jié)構(gòu)方程模型檢驗(yàn)指標(biāo)模型擬合良好，χ2/df顯著度均大于0.05，接受虛無假設(shè)。表5為具體擬合結(jié)果。

圖4　結(jié)構(gòu)模型方程模型1

圖5　結(jié)構(gòu)模型方程模型2

由結(jié)構(gòu)方程模型擬合結(jié)果可知，對于脲酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶來說用有機(jī)質(zhì)和全磷來估計(jì)影響上述酶活性的養(yǎng)分環(huán)境是可行的。其中有機(jī)質(zhì)和全磷對養(yǎng)分環(huán)境的估計(jì)都是極顯著的(p<0.01)。因子載荷量分別為0.98，0.87這意味著有機(jī)質(zhì)和全磷受該種養(yǎng)分環(huán)境的影響較大。而3種酶對酶活性環(huán)境估計(jì)也都極顯著(p<0.01)，因子載荷量分別為0.92，0.99，0.91表明3種酶活性受該種酶活性環(huán)境的影響也較大。養(yǎng)分環(huán)境對酶活性環(huán)境的影響系數(shù)為0.872(p<0.01)，較大影響的同時(shí)也極為顯著。土壤容重對酶活性環(huán)境的路徑系數(shù)為-0.700(p=0.742)，并不顯著。因此對上述酶活性的影響主要來源于由有機(jī)質(zhì)和全磷估計(jì)出的養(yǎng)分環(huán)境，為促進(jìn)作用。同理在圖2中速效鉀對養(yǎng)分環(huán)境的估計(jì)是極顯著的(p<0.01)，且完全受養(yǎng)分環(huán)境的影響。而全鉀對養(yǎng)分環(huán)境的估計(jì)為顯著(p<0.05)，受養(yǎng)分環(huán)境的影響一般。酶活性環(huán)境對蔗糖酶的影響為極顯著(p<0.01),對淀粉酶活性的影響為顯著(p<0.05)，同時(shí)受酶活性環(huán)境的影響都較大。然而進(jìn)一步分析表明養(yǎng)分環(huán)境對酶活性環(huán)境的影響雖極大，影響系數(shù)為0.99，卻并不顯著(p=0.408)。因此使用全鉀和速效鉀估計(jì)養(yǎng)分環(huán)境還不夠準(zhǔn)確，這表明尚需要更多指標(biāo)對模型進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)上述模型中土壤容重的作用都并不明顯。故土壤容重并非是直接影響酶活性環(huán)境的原因。僅與養(yǎng)分環(huán)境表現(xiàn)出較大的負(fù)相關(guān)性，且模型1中為顯著負(fù)相關(guān)，模型2中為非顯著負(fù)相關(guān)。

表5　結(jié)構(gòu)方程模型擬合結(jié)果檢驗(yàn)

4討論與結(jié)論

4.1討 論

本文對滇東石漠化地區(qū)不同植被恢復(fù)模式下的土壤酶進(jìn)行了分析。通過研究發(fā)現(xiàn)在灌草模式和針闊混交林模式下，土壤酶指數(shù)極為相近，這說明即使各土壤酶活性不同，但經(jīng)過某種配比“貢獻(xiàn)”后，兩種植被模式下的綜合土壤酶活性幾乎相同，這與余娜等[23]對沙生植被土壤酶活性中踏浪和沙裸地的研究情況相似。若把各個(gè)土壤酶指標(biāo)看作具體的觀察變量，土壤酶指數(shù)看作隱變量，則這個(gè)由觀察變量計(jì)算獲得隱變量的過程體現(xiàn)了一種由外到內(nèi)的方法,這正是結(jié)構(gòu)方程模型的重要思想[10,21]。即：隱變量的大小雖然無法直接獲得，但最終可通過若干可測外顯變量進(jìn)而獲得隱變量，特別是在進(jìn)行因果討論的時(shí)候，當(dāng)原因和結(jié)果都不能直接測量時(shí)，結(jié)構(gòu)方程模型為這種討論提供了嚴(yán)格準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)檢驗(yàn)依據(jù)[24]。在本文中，土壤環(huán)境是作為影響土壤酶活性的原因。而這種土壤環(huán)境是一種“子環(huán)境”，存在于不同植被模式下。但是這種土壤環(huán)境并不能被直接觀測，必須通過其他土壤因子來間接觀測，因而符合隱變量的思想。本文主要用養(yǎng)分環(huán)境來代替土壤環(huán)境。這是因?yàn)閷τ诘釚|石漠化恢復(fù)地區(qū)來說，各個(gè)植被恢復(fù)模式都有著相同的恢復(fù)本底。這種情況下，養(yǎng)分環(huán)境與其他因素存在較為緊密的聯(lián)系，所以養(yǎng)分環(huán)境的不同也就包含了這種差異。文中的相關(guān)性結(jié)果則符合了這一判斷。事實(shí)上這與通過土壤因子來監(jiān)測土壤肥力、土壤環(huán)境變化的思路相一致[25-26]。

筆者基于結(jié)構(gòu)方程模型，通過極大似然法估計(jì)出了各個(gè)路徑系數(shù)，借助土壤環(huán)境影響酶活性環(huán)境的因果關(guān)系，定量地得出土壤“子環(huán)境”對某類“酶活性環(huán)境”的影響大小。從而討論土壤理化因子與酶活性的聯(lián)系。許多研究表明[20,27-29]，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷是影響脲酶的主要因素，全氮是影響過氧化氫酶的直接原因，全磷含量是影響多酚氧化酶和過氧化氫酶活性的最主要因子。本文通過結(jié)構(gòu)方程模型1進(jìn)一步驗(yàn)證了脲酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶活性的變化可為一類，而蔗糖酶、淀粉酶的活性變化可為一類；也有研究認(rèn)為速效鉀是影響蔗糖酶活性的最主要因素[21]，在模型2中得到了體現(xiàn)。另外，本文并沒有直接探討各理化因子對某類具體酶活性的作用。而是通過建立隱變量之間的聯(lián)系，簡便直觀地解析了多因子復(fù)雜耦合現(xiàn)象。如測定的指標(biāo)里沒有直接考慮溫度、土壤微生物等影響因子，將它們作為了可被其他因子估計(jì)的隱變量。

結(jié)構(gòu)方程模型在自然科學(xué)上應(yīng)用還很少。目前有用于森林生態(tài)方面的研究[10,30]。結(jié)構(gòu)方程模型被看作是探索因果理論的工具模型和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，關(guān)于使用該方法研究土壤因子對土壤酶活性的影響，因參考的文獻(xiàn)較少，文中尚有不足，而在該方法上還有待于做進(jìn)一步的研究和推廣。

4.2結(jié) 論

本文對滇東石漠化地區(qū)不同植被模式的樣地土壤酶活性進(jìn)行了研究。過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、多酚氧化酶、淀粉酶與養(yǎng)分因子存在極顯著或顯著正相關(guān)，而土壤容重與上述酶活性表現(xiàn)出極顯著負(fù)相關(guān)。不同植被模式下，酶指數(shù)大小為：灌草模式>針闊混交林模式>闊葉林模式>針葉林模式>裸地，其中灌草模式和針闊混交林模式的酶指數(shù)的大小極為相近，分別為0.499，0.498，并無明顯差別。另外，酶活性在各個(gè)植被模式中，隨土壤深度的變化各不相同。華山松作為深根系植物可能是對這種差別影響較大的原因。

結(jié)構(gòu)方程模型分析表明即使是對于不同樣地而言，由有機(jī)質(zhì)和全磷估計(jì)出的養(yǎng)分子環(huán)境對由脲酶活性、過氧化氫酶、多酚氧化酶活性構(gòu)成的酶活性環(huán)境存在顯著正影響，影響系數(shù)為0.87。而由全鉀、速效鉀估計(jì)出的養(yǎng)分子環(huán)境對由蔗糖酶活性、淀粉酶活性構(gòu)成的酶活性環(huán)境的影響系數(shù)為0.99，卻并不顯著。土壤容重雖然與酶活性存在顯著相關(guān)關(guān)系，但在結(jié)構(gòu)方程模型中僅與養(yǎng)分環(huán)境存在顯著負(fù)相關(guān)，對酶活性環(huán)境影響較小，也并不顯著。這表明本研究中單純的土壤容重并不能直接的作為影響酶活性的原因。從因子載荷來看，有機(jī)質(zhì)和全磷、全鉀和速效鉀對各自養(yǎng)分環(huán)境的估計(jì)都有主要顯著作用。而脲酶活性、過氧化氫酶活性、多酚氧化酶活性變化很可能受土壤中同一土壤環(huán)境原因的影響，且這些酶的活性變化可為一類。即酶活性環(huán)境變化1時(shí)，則3種酶活性分別變化：0.92，0.99，0.91。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張?jiān)伱?周國逸,吳寧.土壤酶學(xué)的研究進(jìn)展[J].熱帶亞熱帶植物學(xué)報(bào),2004,12(1):83-90.

[2]關(guān)松蔭,張德生,張志明.土壤酶及其研究法[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1986.

[3]García-Ruiz R, Ochoa V, Hinojosa M B, et al. Suitability of enzyme activities for the monitoring of soil quality improvement in organic agricultural systems[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2008,40(9):2137-2145.

[4]蒲小鵬,李春榮,白小明,等.不同生長年限的草坪土壤酶活性研究[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,43(4):121-123.

[5]Xing Shihe, Chenrong Chen, Zhou Biqing, et al. Soil soluble organic nitrogen and active microbial characteristics under adjacent coniferous and broadleaf plantation forests[J]. Journal of Soils & Sediments, 2010,10(4):748-757.

[6]Ushio M, Kitayama K, Balser T C. Tree species effects on soil enzyme activities through effects on soil physicochemical and microbial properties in a tropical montane forest on Mt. Kinabalu, Borneo[J]. Pedobiologia, 2010,53(4):227-233.

[7]Magnuson T S. Comparison of extracellular peroxidaseand esterase-deficient mutants ofStreptomycesviridosporusT7 A[J]. Applied & Environmental Microbiology, 1992,58(3):1070-1072.

[8]程開明.結(jié)構(gòu)方程模型的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].統(tǒng)計(jì)與決策,2006(10):22-25.

[9]王群,夏江寶,張金池,等.黃河三角洲退化刺槐林地不同改造模式下土壤酶活性及養(yǎng)分特征[J].水土保持學(xué)報(bào),2012,26(4):133-137.

[10]王酉石,儲誠進(jìn).結(jié)構(gòu)方程模型及其在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2011,35(3):337-344.

[11]楊式雄,戴教藩,陳宗獻(xiàn),等.武夷山不同林型土壤酶活性與林木生長關(guān)系的研究[J].福建林業(yè)科技,1994,21(4):1-12.

[12]許景偉,王衛(wèi)東,李成.不同類型黑松混交林土壤微生物,酶及其與土壤養(yǎng)分關(guān)系的研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,22(1):51-55.

[13]樊軍,郝明德.黃土高原旱地輪作與施肥長期定位試驗(yàn)研究(Ⅱ):土壤酶活性與土壤肥力[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2003,9(2):146-150.

[14]黃巧云,李學(xué)垣.粘粒礦物,有機(jī)質(zhì)對酶活性的影響[J].土壤學(xué)進(jìn)展,1995,23(4):12-18.

[15]周禮愷,張志明,陳恩鳳.黑土的酶活性[J].土壤學(xué)報(bào),18(2):158-166.

[16]李小剛,崔志軍,王玲英,等.鹽化和有機(jī)質(zhì)對土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及阿特伯格極限的影響[J].土壤學(xué)報(bào),2002,39(4):550-559.

[17]鄒軍,喻理飛,李媛媛.退化喀斯特植被恢復(fù)過程中土壤酶活性特征研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2010,19(4):894-898.

[18]趙聰,李勇,楊紅軍.縉云山森林次生演替群落土壤微生物、酶活性和養(yǎng)分的研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2012,28(4):46-50.

[19]尹瑞玲.微生物與土壤團(tuán)聚體[J].土壤學(xué)進(jìn)展,1985,13(4):24-29.

[20]鄭偉,霍光華,駱昱春,等.馬尾松低效林不同改造模式土壤微生物及土壤酶活性的研究[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(4):743-751.

[21]Ranjard L, Poly F, Combrisson J, et al. Heterogeneous cell density and genetic structure of bacterial pools associated with various soil microenvironments as determined by enumeration and DNA fingerprinting approach(RISA)[J]. Microbial Ecology,2000,39(4):263-272.

[22]吳明隆.結(jié)構(gòu)方程模型:AMOS的操作與應(yīng)用[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2009.

[23]余娜,劉濟(jì)明,張超,等.不同沙生植被土壤酶活性分異特征研究[J].水土保持研究,2010,17(1):77-81.

[24]侯杰泰,溫忠麟,成子娟.結(jié)構(gòu)方程模型及其應(yīng)用[M].北京:教育科學(xué)出版社,2001.

[25]Karlen D L, Stott D E. A framework for evaluating physical and chemical indicators of soil quality[C]∥Symposium on Defining Soil Quality for a Sustainable Environment, American Society of Agronomy Annual Meeting. Minneapolis: Soil Science Society of America, 1992.

[26]劉洪鵠,趙玉明,王秀穎,等.土壤肥力評價(jià)方法探討[J].長江科學(xué)院院報(bào),2008,25(3):62-66.

[27]劉廣深,徐冬梅,許中堅(jiān),等.用通徑分析法研究土壤水解酶活性與土壤性質(zhì)的關(guān)系[J].土壤學(xué)報(bào),2003,40(5):756-762.

[28]唐海濱,廖超英,劉莉麗,等.蔬菜大棚土壤脲酶、過氧化氫酶活性與土壤養(yǎng)分的關(guān)系[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2011,29(3):165-168.

[29]Schjonning P, Thomsen I. K, Moldrup P, et al. Linking Soil Microbial Activity to Water and Air-Phase Contents and Diffusivities[J]. Soil Science Society of America Journal, 2003,67(1):156-165.

[30]徐咪咪.異齡林林分生長的結(jié)構(gòu)方程模型分析研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2010.

收稿日期：2015-06-10修回日期：2015-07-27

通訊作者：趙洋毅(1980—)男(漢族),吉林省長春市人,博士,副教授,主要從事水土保持和生態(tài)恢復(fù)研究。E-mail:yyz301@foxmail.com。

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0338-08

中圖分類號：S154.2

A Study on Effect of Soil Physicochemical Properties on Enzyme Activity Using Structural Equation in Rocky Desertification Areas in Eastern Part of Yunnan Province

SHU Shumiao1,2, ZHAO Yangyi2, HU Huirong1, XIONG Haoqin1,2, DUAN Xu2,3

(1.CollegeofEnvironmentScienceandEngineering,SouthwestForestryUniversity,Kunming,Yunnan650224,China; 2.NationalStationforForestEcosysteminYuxiCity,YunnanProvince,Xingping，Yunnan653400，China; 3.CollegeofForestry,SouthwestForestryUniversity,Kunming,Yunnan650224,China)

Abstract：[Objective] To determine the effect of different vegetation types and nutrients on the enzyme activity in order to provide a theoretical basis for the restoration of rocky desertification areas in the eastern part of Yunnan Province. [Methods] Soil enzyme activity was used to evaluate the effect of restoration, and the soil quality evaluation method based on fuzzy mathematics was adopted to derive the soil enzyme index under different restoration approaches to compare the effect of each approach. Based on correlation analysis of soil physical and chemical activity and enzyme activity, structural equation model was adopted to quantify soil physical and chemical environment and enzyme activity environment, and then to analyze the influence of different soil physical and chemical environment on different enzyme environment. [Results] The order for enzyme activity was shrub and grass mode>mixed coniferous and broadleaf forest> broadleaf forest mode>coniferous forest mode>bare land; According to the principle of structural equation model, the sub-nutrient environment composed of total phosphorus and organic matter had a positive impact on enzyme environment which was composed of the activity of urease, catalase and polyphenol oxidase activity. [Conclusion] The shrub and grass mode and mixed coniferous and broadleaf forest both have a good effect on the recovery of rocky desertification. The influence coefficient of nutrient environment on enzyme activity was 0.87.

Keywords:Karst; rocky desertification; vegetation restoration model; soil nutrients; enzyme activity; structural equation; eastern part of Yunnan Province

資助項(xiàng)目：云南省教育廳研究項(xiàng)目“滇東曲靖石漠化地區(qū)不同植被恢復(fù)模式對土壤質(zhì)量的影響研究”(2013Y114); 云南省高校優(yōu)勢特色重點(diǎn)學(xué)科(生態(tài)學(xué))建設(shè)資助項(xiàng)目(05000511311); 國家林業(yè)局林業(yè)科技創(chuàng)新平臺項(xiàng)目(2015-LYPT-DW-138); 云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2012FD028)

第一作者：舒樹淼(1988—),男(漢族),四川省成都市人,碩士研究生,研究方向?yàn)橹参锶郝渖鷳B(tài)學(xué)。E-mail:838291221@qq.com。