李彥嬌，趙 燕，王立民，趙干卿，魏寶成，王維剛，吳福忠

(1. 平頂山學(xué)院 低山丘陵區(qū)生態(tài)修復(fù)重點實驗室，河南 平頂山 467000；2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)林業(yè)研究所林業(yè)生態(tài)工程省級重點實驗室，四川 成都 610041；3. 河南科技大學(xué) 林學(xué)院，河南 洛陽 471003)

0 引言

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞的核心區(qū)域，可以與水、氣和植物相互作用來影響環(huán)境的波動，又可以反映人類生產(chǎn)經(jīng)營活動所導(dǎo)致的生物地球化學(xué)循環(huán)的變化過程[1].土壤酶和土壤理化性質(zhì)是決定土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，是控制森林植物生長發(fā)育的關(guān)鍵生態(tài)因子[2].研究土壤理化性質(zhì)和酶活性，有利于了解土壤的形成過程、結(jié)構(gòu)和功能，同時也有助于土壤與植物的關(guān)系、植被空間格局以及土壤侵蝕、土地利用變化等生態(tài)過程的研究[3].尤其是土壤酶活性能夠控制土壤養(yǎng)分循環(huán)進(jìn)程的速率，是土壤微生物及植被有效吸收利用養(yǎng)分的關(guān)鍵因子，是土壤功能多樣性有效的指示劑，對于土壤環(huán)境狀況評價非常重要，而且土壤酶對環(huán)境和管理因素導(dǎo)致的變化具有較強的敏感性，有易于測定的優(yōu)點，通常被作為比較理想的反映土壤質(zhì)量的度量指標(biāo)[4].

海拔可以反映環(huán)境變化，是影響光、熱、水、氣的因子之一，可直接作用于生境的氣候生態(tài)學(xué)特征，并通過對氣候環(huán)境的改變使土壤發(fā)生物理、化學(xué)和生物方面的變化，進(jìn)一步影響植物群落結(jié)構(gòu)和類型的演化，最終引起生態(tài)系統(tǒng)功能的改變.不同海拔的土壤空間特征，因研究的地理位置和氣候條件不同結(jié)果不盡相同.長期以來，研究人員對不同海拔下的植被、土壤屬性進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，取得了較為豐富的研究成果[5]，但由于研究區(qū)域的不同，所得出的結(jié)論差異較大.這對于正確理解土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性在不同海拔的分布規(guī)律帶來一定困難.

自然保護區(qū)作為人類劃分出的特殊管理的自然區(qū)域，其保存了地帶性植被和地帶性土壤，是瀕危物種的避難所，在生物多樣性及生物天然生境的保護中起著越來越重要的作用.研究自然保護區(qū)土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性特征等生物生存的土壤環(huán)境指標(biāo)，可為經(jīng)營管理森林提供依據(jù).

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)鄉(xiāng)寶天曼自然保護區(qū)1988年經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)為國家級自然保護區(qū)，隸屬秦嶺東段、伏牛山南坡(東經(jīng)111°47′～112°04′，北緯33°20′～33°36′)，總面積約9304 hm2，海拔600～1870 m.氣候為大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬冷夏熱，1月份平均氣溫1.5 ℃，7月份平均氣溫27.8 ℃，年均氣溫15.1 ℃，降雨主要集中于7-9月份，年均降水量885.6 mm，年平均相對濕度70%～80%.保護區(qū)地形復(fù)雜，整個地勢東北高、西南低，山體高大，對太陽輻射、氣溫、降水有明顯的再分配作用，形成生態(tài)環(huán)境多樣性；主要巖石是花崗巖、石灰?guī)r和砂巖，土壤類型隨山體海拔由高到低分別為山地棕壤、山地黃棕壤和山地褐土；該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛淙~闊葉林帶，喬木主要以櫟林和針葉林為主[6].

表1 樣地基本特征

1.2研究方法

1.2.1 樣品采集

2014年8月，在內(nèi)鄉(xiāng)寶天曼自然保護區(qū)境內(nèi)，從較高海拔位置至坡底設(shè)置6條海拔線，各海拔線植被及土壤類型狀況如表1所示.每條海拔線設(shè)置3個土壤剖面，共設(shè)置18個土壤剖面.每個土壤剖面按照土壤的自然發(fā)生層次(表土層、心土層和底土層)進(jìn)行土壤樣品的采集.每個土壤剖面的各土層采集1 kg左右的土壤樣品，人工去除植物根系和礫石，風(fēng)干，研磨，過1 mm篩，用于土壤養(yǎng)分的測定.

1.2.2 土壤理化性質(zhì)測定

土壤pH值采用酸度計法(水土比2.5∶1)；土壤有機質(zhì)含量采用總有機碳分析儀測定TC和IC后進(jìn)行換算；土壤全氮采用凱氏定氮法；土壤全磷采用鎳坩堝堿熔-鉬銻抗比色法；土壤全鉀測定采用鎳坩堝堿熔-火焰光度法；土壤堿解氮測定采用堿解擴散法；土壤速效磷測定采用HCl-H2SO4提取-鉬銻抗比色法；土壤速效鉀的測定采用NH4OAc浸提-火焰光度法[7].

1.2.3 土壤酶活性測定

土壤脲酶用苯酚-次氯酸鈉比色法測定.以每克土壤在37 ℃下24 h內(nèi)酶解尿素釋放NH3-N的微克數(shù)表示脲酶活性；磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉比色法測定.以每克土壤在37 ℃下24 h內(nèi)酶解磷酸苯二鈉釋放苯酚的微克數(shù)表示磷酸酶活性[8,9].

1.2.4 統(tǒng)計分析方法

表土層、心土層、底土層各土層的pH值，有機質(zhì)、全氮和堿解氮、全磷和有效磷、全鉀和速效鉀含量，酶活性在海拔間的差異性采用One-way ANOVA和LSD法分析，土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性之間的相關(guān)性采用Spearman相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析.所有的分析都利用SPSS16.0統(tǒng)計分析軟件完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔土壤pH值和有機質(zhì)含量變化

由圖1(A)可知，內(nèi)鄉(xiāng)寶天曼自然保護區(qū)取樣區(qū)域的土壤pH值在5.33±0.13～6.14±0.13之間，按照我國土壤的酸堿度分級標(biāo)準(zhǔn)，該土壤為酸性土，心土層不同海拔線的土壤pH值無顯著差異(P>0.05)，表土層較高海拔線1750 m的土壤pH值相對較低，底土層較低海拔線1350 m的土壤pH值相對較低；圖1(B)顯示，表土層土壤的有機質(zhì)含量在19.66±1.71 g·kg-1～155.97±3.45 g·kg-1之間，心土層土壤的有機質(zhì)含量在9.83±2.75 g·kg-1～59.23±9.21 g·kg-1之間，底土層土壤的有機質(zhì)含量在7.23±0.87 g·kg-1～51.24±7.38 g·kg-1之間，依據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[10]，該區(qū)域表土層有機質(zhì)含量在海拔1750、1650、1550、1400 m較豐.表土層和心土層較低海拔線1350 m和600 m的土壤有機質(zhì)含量顯著低于其他較高海拔線(P<0.05)，底土層較高海拔線1750 m的土壤有機質(zhì)含量顯著高于其他較低海拔線(P<0.05).海拔上升，溫度下降，土壤有機碳釋放速率降低，有機碳儲量相對較高，研究中有機質(zhì)含量基本規(guī)律是隨海拔梯度降低而有所降低，至于海拔1750 m的表土層和心土層的有機質(zhì)含量較低，可能與山頂受干擾較大，有機質(zhì)積累量較小有關(guān).另外土壤表土層相對于心土層和底土層更易受到各類干擾，所以表土層有機質(zhì)含量在海拔間隔較小時，可能會呈現(xiàn)一定的波動，例如海拔1400 m的有機質(zhì)含量就比海拔1550 m高.在內(nèi)鄉(xiāng)寶天曼自然保護區(qū)，減少人為干擾，尤其是減少對較高海拔位置淺土層的干擾，確保林地生物量的有效歸還應(yīng)成為該區(qū)域森林經(jīng)營管理的重要措施之一.

圖1 不同海拔梯度土壤pH值(A)和有機質(zhì)含量(B)

2.2 不同海拔土壤全氮和堿解氮含量變化

由圖2(A)可知，內(nèi)鄉(xiāng)寶天曼自然保護區(qū)取樣區(qū)域的表土層土壤全氮含量在0.18±0.04～0.69±0.06 g·kg-1之間，心土層土壤全氮含量在0.14±0.05～0.32±0.02 g·kg-1之間，底土層土壤全氮含量在0.13±0.05～0.23±0.03 g·kg-1之間，依據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域全氮含量在各海拔的各土層均較缺.表土層和心土層較低海拔線1350 m和600 m的土壤全氮含量顯著低于其他較高海拔線(P<0.05)，底土層較低海拔線600 m的土壤全氮含量顯著低于其他較高海拔線(P<0.05)，全氮含量亦表現(xiàn)出隨海拔增加而增加的趨勢，海拔升高，氣溫降低，微生物活性減弱，動、植物殘體的分解速度減慢，土壤有機碳氮礦化速率降低，土壤中全氮積累量增加[11]；圖2(B)顯示，表土層土壤堿解氮含量在6.86±0.37～28.81±1.38 mg·kg-1之間，心土層土壤堿解氮含量在3.89±0.24～19.65±1.43 mg·kg-1之間，底土層土壤堿解氮含量在2.70±0.13～20.10±3.60 mg·kg-1之間，依據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域堿解氮含量在各海拔的各土層均較缺，表土層和心土層較低海拔線1350 m和600 m的土壤堿解氮含量顯著低于其他較高海拔線(P<0.05)，底土層較低海拔線600 m的土壤堿解氮含量顯著低于其他較高海拔線(P<0.05).土壤堿解氮在較高海拔梯度含量較高，這可能與土壤全氮含量在高海拔較高有關(guān)[11].內(nèi)鄉(xiāng)寶天曼自然保護區(qū)取樣區(qū)域全氮和堿解氮含量在各海拔高度均較低，尤其是土壤堿解氮，作為反映土壤供氮能力的一個重要指標(biāo)，其指示土壤氮素動態(tài)和近期內(nèi)供氮水平，而森林土壤氮素主要來源于土壤有機碎屑，通過微生物降解而形成植物可利用的有效態(tài)氮，作為生物較易耗竭的營養(yǎng)元素[12]，可能由于生物的需求量大于土壤有機氮礦化速率，所以內(nèi)鄉(xiāng)寶天曼自然保護區(qū)取樣區(qū)域表現(xiàn)為氮缺乏型區(qū)域，如何減少該區(qū)域森林土壤生態(tài)系統(tǒng)中氮的輸出，提高土壤氮在生物小循環(huán)中的轉(zhuǎn)化利用效率顯得尤為重要.

圖2 不同海拔梯度土壤全氮(A)和堿解氮含量(B)

2.3 不同海拔土壤全磷和有效磷含量變化

由圖3(A)可知，內(nèi)鄉(xiāng)寶天曼自然保護區(qū)取樣區(qū)域的表土層土壤全磷含量在0.32±0.07～1.00±0.05 g·kg-1之間，心土層土壤全磷含量在0.34±0.03～1.00±0.02 g·kg-1之間，底土層土壤全磷含量在0.38±0.04～0.82±0.18 g·kg-1之間，表土層較低海拔線1350 m和600 m的土壤全磷含量顯著低于其他較高海拔線(P<0.05)，心土層和底土層高海拔線1750、1650、1550、1400、1350 m的土壤全磷含量高，各海拔線間差異不顯著(P>0.05)，心土層海拔1650、1550、1400 m與較低海拔600 m差異顯著，底土層海拔1650、1550 m與較低海拔600 m差異顯著(P<0.05)，依據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域土壤全磷含量在高海拔段大于0.57 g·kg-1，全磷含量基本處于中等以上的水平；圖3(B)顯示，取樣區(qū)域的表土層土壤有效磷含量在2.78±0.35～5.78±0.21 mg·kg-1之間，心土層土壤有效磷含量在2.93±0.36～4.87±0.28 mg·kg-1之間，底土層土壤有效磷含量在3.19±0.36～4.53±0.43 mg·kg-1之間，表土層海拔線1750 m和1400 m的土壤有效磷含量顯著高于其他海拔線(P<0.05)，心土層海拔線1750 m和1400 m的土壤有效磷含量顯著高于海拔1650 m和1350 m的土壤有效磷含量(P<0.05)，底土層各海拔線的土壤有效磷含量差異不顯著(P>0.05).依據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域土壤有效磷含量普遍低于5.78±0.21 mg·kg-1，有效磷含量基本處于缺或極缺水平，可能是因為森林生態(tài)系統(tǒng)中的磷元素主要來源于緩慢的巖石風(fēng)化輸入，且磷屬于沉積型循環(huán)類元素，具有難溶性和難移動性，其輸出量也很低，土壤中95%以上的磷通常以遲效狀態(tài)存在，參與生物循環(huán)的有效磷只是全磷的很小一部分，另外，內(nèi)鄉(xiāng)寶天曼自然保護區(qū)各海拔梯度土壤均為偏酸性土壤，有機質(zhì)含量較豐，可能也影響著土壤中磷的化學(xué)形態(tài)和濃度，從而影響其有效性的發(fā)揮，在低pH值的酸性土壤中，磷酸鹽易于被土壤溶液中大量的Fe/Al/Mn氧化物表面吸附或被土壤中游離的Al離子所沉淀[13].

2.4 不同海拔土壤全鉀和速效鉀含量變化

由圖4(A)知，內(nèi)鄉(xiāng)寶天曼自然保護區(qū)取樣區(qū)域的表土層土壤全鉀含量在14.12±0.83～23.26±0.81 g·kg-1之間，心土層土壤全鉀含量在18.32±1.68～28.32±2.21 g·kg-1之間，底土層土壤全鉀含量在18.29±1.67～30.74±0.83 g·kg-1之間，表土層海拔線1550m的土壤全鉀含量顯著低于海拔1750、1400 和1350 m(P<0.05)，略低于海拔1650 m和600 m但差異不顯著(P>0.05)，心土層和底土層海拔線1750m和600m顯著低于海拔1400 m(P<0.05)，海拔1650、1550、1400、1350 m的土壤全鉀含量差異不顯著(P>0.05)，依據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域土壤全鉀含量14.12±0.83～30.74±0.83 g·kg-1，全鉀含量基本處于中等以上的水平，尤其是心土層和底土層全鉀含量普遍較高，這應(yīng)該與成土母質(zhì)有關(guān)；圖4(B)顯示，表土層速效鉀含量在101.92±17.41～407.06±40.56 mg·kg-1之間，心土層土壤速效鉀含量在68.02±6.66～214.74±42.01 mg·kg-1之間，底土層土壤速效鉀含量在57.99±3.43170.24±28.05 mg·kg-1之間，表土層速效鉀含量海拔1350 m和600 m顯著低于其他海拔(P<0.05)，心土層速效鉀含量1650、1550、1400 m顯著高于較低海拔1350m和600m(P<0.05)，底土層速效鉀含量海拔1650 m顯著高于海拔1550、1350和600 m(P<0.05)，而與海拔1750、1400 m差異不顯著(P>0.05).依據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域土壤速效鉀含量在57.99±3.43 mg·kg-1以上，普遍處于中等水平以上，尤其是表土層的速效鉀含量很高.內(nèi)鄉(xiāng)寶天曼自然保護區(qū)森林土壤鉀元素的研究結(jié)果支持了國內(nèi)學(xué)者認(rèn)為我國北方土壤富鉀的結(jié)論，作為區(qū)域海拔較高、坡度較大地段，如何防止土壤中鉀素徑流流失應(yīng)是值得關(guān)注的.

圖3 不同海拔梯度全磷(A)和有效磷含量(B)

圖4 不同海拔梯度土壤全鉀(A)和速效鉀含量(B)

2.5 不同海拔土壤酶活性及與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

由圖5(A)可知，內(nèi)鄉(xiāng)寶天曼自然保護區(qū)取樣區(qū)域的表土層土壤脲酶含量在418.76±9.99 μg·g-1·24h-1～1843.96±30.36 μg·g-1·24h-1之間，高海拔1750 m的脲酶含量較低；心土層土壤脲酶含量在135.04±6.79 μg·g-1·24h-1～753.36±7.22 μg·g-1·24h-1之間，較高海拔1750、1650、1550、1400 m的土壤脲酶活性較低；底土層各海拔的脲酶活性差異顯著且普遍較低.

由圖5(B)可知，內(nèi)鄉(xiāng)寶天曼自然保護區(qū)取樣區(qū)域的表土層土壤磷酸化酶含量在191.62±1.28～2790.51±8.65 μg·g-1之間，心土層土壤磷酸化酶含量在16.12±1.72～1171.98±22.94 μg·g-1之間，表土層和心土層海拔1400 m和1350 m的土壤磷酸化酶顯著高于其他4個海拔；底土層較高海拔1750、1650、1550 m的土壤磷酸化酶活性較低.Spearman相關(guān)分析各土層的脲酶、磷酸酶活性與土壤pH、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀之間的相關(guān)關(guān)系，均不顯著(P>0.05)，區(qū)域復(fù)雜的氣候、土壤、植被、地形因子狀況等綜合作用下，土壤酶活性和理化指標(biāo)之間的直接作用可能表現(xiàn)得不甚明顯[14-16].這與陳雙林等對不同海拔毛竹林土壤酶活性和土壤理化性質(zhì)的研究結(jié)果較一致，土壤理化性質(zhì)對土壤酶活性的影響不一定顯著[17].

圖5 不同海拔梯度脲酶(A)和磷酸化酶(B)活性

3 結(jié)論

內(nèi)鄉(xiāng)寶天曼自然保護區(qū)各海拔梯度土壤均為偏酸性土壤，土壤有機質(zhì)含量豐富，全氮和堿解氮含量在各海拔高度均較低，全磷、全鉀和速效鉀含量基本處于中等以上的水平，有效磷含量在各海拔梯度處于缺或極缺水平，土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量之間未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性.該區(qū)域在森林管理和經(jīng)營過程中，可考慮適當(dāng)?shù)厝斯ぱa充土壤養(yǎng)分，增強土壤肥力，提高林分生產(chǎn)力, 特別是增施氮、磷肥.當(dāng)然, 為避免因施用化學(xué)肥料致成土壤酸化，建議施用氮、磷養(yǎng)分含量高的有機肥或?qū)Ｓ脧?fù)混肥.另外，本研究只選取了部分主要的土壤酶活性和理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測定分析，指標(biāo)仍較單一，今后需對影響酶活性變化的其它眾多因素進(jìn)行深入研究，方能對土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行更客觀，更全面地解釋，以使二者間的影響過程更加明晰.