謝林峰，凌曉曉，黃圣妍，高浩展，吳家森，陳俊輝，黃堅欽，3，秦 華

（1. 浙江農(nóng)林大學 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室， 浙江 杭州311300；2. 浙江農(nóng)林大學 環(huán)境與資源學院， 浙江 杭州 311300；3. 浙江農(nóng)林大學 林業(yè)與生物技術(shù)學院， 浙江 杭州 311300）

山核桃Carya cathayensis為落葉喬木，是含油率極高的胡桃科Juglandaceae高檔干果，其果實為世界四大名優(yōu)堅果之一[1-2]。因其口味獨特、營養(yǎng)價值高而受到人們的廣泛喜愛。浙江省杭州市臨安區(qū)是中國山核桃主產(chǎn)區(qū)之一，種植歷史悠久[3]。近幾十年來，臨安山核桃產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，現(xiàn)有種植面積已達5.3萬 hm2，已成為當?shù)亓洲r(nóng)重要的經(jīng)濟來源[4]。山核桃在臨安廣泛種植，但由于各鎮(zhèn)林地有著不同的土壤特征，導致經(jīng)濟效益存在較大差異，即使在同一鄉(xiāng)鎮(zhèn)，產(chǎn)量大小年份的情況也依然存在[5]。這些問題在一定程度上限制了山核桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)對于山核桃生長規(guī)律、規(guī)范施肥、產(chǎn)量提升等方面多有研究。楊慧思等[6]發(fā)現(xiàn)：山核桃產(chǎn)地土壤中大量及微量元素的空間分布特征與變異規(guī)律有著對應(yīng)關(guān)系；張紅桔等[7]揭示了山核桃產(chǎn)區(qū)主要養(yǎng)分因子和產(chǎn)量的關(guān)系以及空間分布特征；丁立忠等[8]研究結(jié)果指出：近10 a臨安7 個山核桃主產(chǎn)鎮(zhèn)的林地土壤有機碳含量總體呈升高趨勢，而土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量下降明顯，養(yǎng)分現(xiàn)狀不容樂觀。但是有關(guān)水解酶活性與土壤肥力的關(guān)系，以及在山核桃產(chǎn)區(qū)空間上的分布特點還沒有詳細的報道和深入研究。水解酶與土壤中營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)化以及環(huán)境質(zhì)量等密切相關(guān)，并參與了土壤環(huán)境中重要的生物化學過程[9]。水解酶活性的空間分布特點可以靈敏地反映不同區(qū)域土壤中物質(zhì)循環(huán)的速率，這種速率極大程度影響著林地土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能。同時，水解酶活性能表征土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的潛力，度量土壤污染程度和生產(chǎn)力，是人們評價土壤質(zhì)量和土壤健康的重要經(jīng)驗指標之一[10]，因此，對土壤水解酶活性空間分布特點的研究十分重要。

本研究分析山核桃林土壤水解酶活性的空間分布特點，并通過地統(tǒng)計方法揭示土壤養(yǎng)分與水解酶的空間異質(zhì)性及其影響因子，為林農(nóng)掌握土壤肥力特性及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化潛力，合理經(jīng)營山核桃林提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，對山核桃產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣品采集

研究區(qū)位于浙江省杭州市臨安區(qū)(31°14′N，119°42′E)，是中國山核桃的核心產(chǎn)區(qū)，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為16.0 ℃，極端最高和最低氣溫分別為41.7和-13.3 ℃。山核桃產(chǎn)區(qū)土壤以紅壤土類分布最廣，多發(fā)育于泥巖、頁巖、砂巖、凝灰?guī)r、花崗巖、流紋巖以及第四世紀紅土[11]。山核桃是該地重要的經(jīng)濟樹種，主要分布在海拔50～1 100 m的丘陵和山地。林農(nóng)一般在每年5月上旬和9月上旬將氮肥、復(fù)合肥與微肥配合施用。

樣地按1 km×1 km網(wǎng)格在全市范圍內(nèi)布設(shè)，與臨安區(qū)森林資源分布圖相疊加，有山核桃分布的網(wǎng)格點即為山核桃林樣地。根據(jù)均勻分布原則，2019年7—8月在山核桃分布較集中的島石、龍崗、清涼峰、昌化、河橋、湍口、太陽等7個鎮(zhèn)，共選取259個樣地。在選定的區(qū)域內(nèi)，采集0～20 cm的5個樣點土壤樣品后，混合，并在樣地中心以全球定位系統(tǒng)(GPS)定位，記錄經(jīng)緯度。土壤樣品帶回實驗室，去除石塊、植物殘體等異物，用木棒碾碎后過2 mm篩。將土壤樣品分成2份，一份置于4 ℃冰箱保存，盡快測定土壤酶活性；另一份攤開后在室內(nèi)自然風干，用于測定土壤養(yǎng)分指標和pH。

1.2 樣品測定方法

測定涉及與土壤碳、氮、磷循環(huán)的α-葡萄糖苷酶(AG)、β-葡萄糖苷酶(BG)、纖維二糖水解酶(CBH)、木糖苷酶(XYL)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶(NAG)、酸性磷酸酶(PHOS)等7種土壤水解酶。土壤酶活性測定參照SAIYA-CORK等[12]的熒光微孔板檢測技術(shù)。具體操作為：稱取2 g鮮土于離心管中，加入30 mL提前配置好的pH為5.0的醋酸銨緩沖液，在25 ℃ 180 r·min-1搖床上震蕩30 min，再用70 mL醋酸銨緩沖液沖洗至燒杯中，用磁力攪拌器攪拌1 min，用排槍取200 μL土壤懸液于96孔板中，并立即加入50 μL反應(yīng)底物，放入25 ℃培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)3 h，取出后迅速加入15 μL 0.5 mol·L-1的氫氧化鈉結(jié)束反應(yīng)，用多功能酶標儀檢測吸光值并計算土壤酶活性。土壤養(yǎng)分指標和pH參照魯如坤[13]方法測定：土壤pH采用土水比(質(zhì)量比)為1.0∶2.5的懸濁液，微電極法測定；土壤有機質(zhì)采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤有效磷采用鹽酸-氟化銨(HCl-NH4F)浸提，鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀采用醋酸銨浸提，火焰光度計測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 空間自相關(guān)水平 水解酶活性的空間分布特征采用地統(tǒng)計分析方法。半方差變異函數(shù)是研究區(qū)域化變量模型，其公式為:

其中：y表示間隔距離為h點的半方差值，h為空間間隔點的距離，即步長；N為樣點觀測數(shù)值成對的數(shù)目；Z(xi+h)和Z(xi)為樣點測定值[14]。常用的半方差變異函數(shù)模型有球狀(Spherical)、高斯(Gaussian)、指數(shù)(Exponential)[15]模型。模型中，C0代表塊金值，C+C0代表基臺值，當塊基比C0/(C+C0)＜25%時，表明變量具有強烈的空間自相關(guān)，即主要受到結(jié)構(gòu)性變異的影響；當C0/(C+C0)為25%～75%時，變量屬于中等程度空間自相關(guān)；當C0/(C+C0)＞75%的，變量空間自相關(guān)程度較弱，即主要受隨機因素影響[16-17]。

采用全局莫蘭指數(shù)(Ig)來體現(xiàn)研究區(qū)域土壤水解酶的空間自相關(guān)水平。使用GeoDa軟件對樣點構(gòu)建空間權(quán)重矩陣，可以根據(jù)局部莫蘭指數(shù)(IL)繪制局部空間自相關(guān)聚類圖[18]，采用Canoco 5.0對酶活性高、低聚集樣點間總體差異采用999次的蒙特卡羅排列檢驗（Monte Carlo permutation test，999 permutations，full model），然后找出土壤酶活性關(guān)系密切的環(huán)境因子進行冗余分析(RDA)。

1.3.2 土壤肥力分值 用SPSS 22.0對土壤水解酶活性與土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析，計算變異系數(shù)，Pearson相關(guān)性分析設(shè)置顯著水平為0.05。在Excel 2007中進行數(shù)據(jù)的對數(shù)轉(zhuǎn)化。采用因子分析中的主成分分析法(PCA)和系統(tǒng)聚類分析，對山核桃林地土壤肥力情況進行評價[20]。通過因子分析確定參評土壤指標主成分特征值和特征向量，選取特征值較高的關(guān)鍵主成分，計算各主成分得分，再利用得分公式求出各樣點土壤肥力分值(IIF)[21]，采用類平均法對分值進行系統(tǒng)聚類。肥力分值計算采用肥力指數(shù)和法。公式為：

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤性質(zhì)描述性統(tǒng)計分析

土壤pH平均為5.76，最小為4.50，說明山核桃林地土壤主要為酸性土壤，且酸化較為嚴重。土壤有機質(zhì)為 5.41～98.08 g·kg-1，平均為 37.39 g·kg-1；土壤有效磷為 0.52～22.43 mg·g-1；土壤速效鉀為22.06～466.07 mg·g-1；土壤堿解氮為 28.62～192.53 mg·g-1。研究區(qū)域土壤變異系數(shù)從大到小依次為有效磷、速效鉀、有機質(zhì)、堿解氮、pH。土壤酶活性變異系數(shù)從大到小依次為CBH、XYL、AG、NAG、LAP、BG、PHOS，其中CBH、XYL為高度變異，AG、NAG、LAP、BG、PHOS為中等變異(表1)。根據(jù)ZHANG等[22]對變異系數(shù)的劃分，當變異系數(shù)＜10%時為弱變異，在10%～90%時為中等變異，＞90%時則為高度變異。研究區(qū)域有效磷質(zhì)量分數(shù)變異系數(shù)＞90%，具有明顯的變異性，為高度變異。這可能是由于山核桃產(chǎn)區(qū)地勢起伏較大，在雨水沖刷后有效磷極易流失，且林農(nóng)施用磷肥量不均勻，土壤利用率較低，常年累積造成。土壤pH變異系數(shù)為10.28%，變異較小，與張紅桔等[7]研究結(jié)果基本一致，說明山核桃林地土壤總體pH比較接近。

表1 土壤性質(zhì)描述性統(tǒng)計分析Table 1 Descriptive statistics of soil properties

2.2 土壤水解酶活性與土壤肥力指標及pH相關(guān)性分析

土壤有機質(zhì)和堿解氮與7種水解酶均呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)；有效磷與BG 、NAG呈極顯著正相關(guān)，與CBH呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)；pH與CBH呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與BG呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與PHOS、XYL呈極顯著負相關(guān)(P＜0.01)；速效鉀與7種水解酶均沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性(表2)。土壤酶主要來源于土壤微生物、土壤動物和植物根系的分泌，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)可以直接影響土壤動植物長勢、微生物的活性與分布，整合了土壤理化條件的信息[23]，因此土壤水解酶活性與土壤養(yǎng)分因子密切相關(guān)，水解酶活性也通常被作為土壤質(zhì)量的生物活性指標[24]。對土壤水解酶活性與土壤肥力指標及pH的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)：土壤有機質(zhì)和堿解氮與7種酶存在極顯著正相關(guān)(P＜0.01)。土壤有機質(zhì)是評價土壤肥力的重要指標，土壤有機質(zhì)的形成與分解都與酶的作用有關(guān)[25]。水解酶可以吸附在土壤有機質(zhì)上，以酶-腐殖質(zhì)復(fù)合物的形式從土壤中提取出來，并仍可保留有活性。土壤堿解氮主要集中在土壤表層，其含量受人為施肥的影響較大[26]。山核桃林農(nóng)為提高產(chǎn)量大量撒施氮肥。氮素供應(yīng)的增加可以使植物細胞原生質(zhì)合成加快，細胞數(shù)量增多，有了更多的水解酶產(chǎn)出渠道。此外，土壤微生物也會通過分泌多種水解酶固定氮素[27]。PHOS與有效磷質(zhì)量分數(shù)和pH之間存在顯著正相關(guān)和極顯著負相關(guān)。由于PHOS會參加土壤磷的礦化作用過程，使土壤有機態(tài)磷轉(zhuǎn)化為植物可吸收的無機態(tài)磷，有效磷質(zhì)量分數(shù)增加。pH是控制土壤中磷有效性和PHOS活性的關(guān)鍵因子，在山核桃林地土壤酸化的環(huán)境下，pH小幅降低可能有利于植物對有效磷的吸收，PHOS參與礦化作用的活性增強[28]。

表2 土壤水解酶與養(yǎng)分因子及 pH 相關(guān)性分析表Table 2 Correlation coefficients of soil hydrolase activities and soil nutrient factors and pH

2.3 不同土壤水解酶活性空間變異特征及聚集效應(yīng)

7種土壤水解酶活性在山核桃林地表現(xiàn)出不同的空間異質(zhì)性(表3)。在GS+ 9.0中進行方差變異函數(shù)擬合，分別選用最優(yōu)模型。不同水解酶擬合模型的差異，表示相應(yīng)的酶在土壤中的空間變化規(guī)律不同。本研究中，AG、BG、CBH、LAP、NAG、XYL活性具有中等空間自相關(guān)性，活性均呈現(xiàn)斑塊狀分布；不同水解酶活性區(qū)域分布呈現(xiàn)差異性，塊基比分別為55%、42%、56%、49%、66%、47%、78%，說明它們的變異情況主要受到人為因素和結(jié)構(gòu)性因素共同影響。PHOS塊基比為78%，具有較弱的空間自相關(guān)，其活性空間分布主要受隨機因素如施肥方式和耕作強度的影響[29]。本研究中， 雖然各酶活性的空間自相關(guān)性存在差異，但變程均大于最小采樣距離，因此，本研究所選擇的采樣距離能夠反映土壤水解酶活性在研究區(qū)域最小尺度下的空間變異特征。從土壤水解酶活性的空間分布情況來看(圖1)：活性較高的區(qū)域位于臨安區(qū)西北方向的島石鎮(zhèn)。該鎮(zhèn)有中國“山核桃第一鎮(zhèn)”的美稱，這可能與當?shù)靥厣鷳B(tài)化經(jīng)營方式有關(guān)，如：林下種植茶Camellia sinensis、黑麥草Lolium perenne、油菜Brassica napus等適生植物，豐富林下土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)的同時起到涵養(yǎng)水肥、改良酸性土質(zhì)的作用；林間飼養(yǎng)家禽吃掉害蟲、消滅蟲卵，產(chǎn)生的雞糞也可作為有機肥為山核桃樹生長提供養(yǎng)分。這些特色經(jīng)營方式都為植物根系發(fā)育、土壤微生物的快速新陳代謝提供了有利的條件，從而提高了相關(guān)水解酶參與復(fù)雜生化反應(yīng)的活性。

圖1 水解酶活性空間分布示意圖Figure 1 Spatial distributions of soil hydrolase activities

表3 土壤水解酶活性半方差函數(shù)理論模型及其相關(guān)參數(shù)Table 3 Theoretical model of semi-variance function of soil hydrolase activities and its related parameters

根據(jù)全局莫蘭指數(shù)，AG、BG、CBH、XYL、LAP、NAG、PHOS等7種水解酶活性在空間分布上都存在相關(guān)性(Ig＞0)，且存在高低值聚集區(qū)域。在本研究中，7種水解酶活性在高低值聚類上呈現(xiàn)出了相似的特點，島石鎮(zhèn)為水解酶活性高值聚集(high-high)區(qū)域，部分水解酶(如AG)在太陽鎮(zhèn)北部也有高值聚集的現(xiàn)象；低值聚集(low-low)區(qū)域多位于清涼峰以及河橋、龍崗、昌化三鎮(zhèn)交界處附近(圖2)。在冗余分析結(jié)果中，高低值聚集區(qū)域樣點的水解酶活性在第1軸有明顯的分離，第1軸和第2軸分別有82.92%和14.42%的貢獻度(圖3)。結(jié)果顯示：堿解氮、有機質(zhì)、pH與水解酶活性有極顯著正相關(guān)(P＜0.01)。水解酶活性高低值聚類結(jié)果和土壤肥力分值高低值聚類情況相似，說明土壤水解酶活性大小和周圍可利用的營養(yǎng)物質(zhì)關(guān)系十分密切。由于山核桃林地土壤常年受到不同程度的人為經(jīng)營干擾，造成這種現(xiàn)象的原因多為當?shù)亟?jīng)營方式的不同，如氮肥、有機肥的投入是增加土壤肥力較為直接的方式，因此各區(qū)域出現(xiàn)高低值聚集的現(xiàn)象可以一定程度反映當?shù)胤柿λ揭约笆┓是闆r。島石鎮(zhèn)高值聚集，一方面可能是由于島石鎮(zhèn)山核桃林氮肥、有機肥常年投入量高于清涼峰等區(qū)域，同時島石鎮(zhèn)明確規(guī)定當?shù)厮猩胶颂伊值亟贸輨?，防止除草劑的不合理使用破壞產(chǎn)區(qū)生態(tài)平衡，影響山核桃產(chǎn)量。另一方面，島石鎮(zhèn)相對其他鎮(zhèn)海拔較高，大部分產(chǎn)區(qū)山高樹茂，年降水量充沛，林下、林間生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能較為完整，因此土壤微生物活動旺盛，作物根系發(fā)達，從而成為水解酶活性的高值聚集區(qū)。而清涼峰以及河橋、龍崗、昌化交界處的冒尖山、石柱山、云臺山、雞哺山等區(qū)域地勢極為陡峭，當?shù)厣胶颂伊炙亮魇КF(xiàn)象嚴重，養(yǎng)分較為貧乏，相對其他區(qū)域處于較低的水平，水解酶活性受到影響，產(chǎn)生低值聚集。杭瑞高速經(jīng)過清涼峰鎮(zhèn)與龍崗鎮(zhèn)南部，該區(qū)域交通便利，人類活動造成了一定程度的干擾。當?shù)卮嬖阢U鋅礦、鎢鉬礦以及銅礦等正在開發(fā)的金屬礦[30]。采礦活動產(chǎn)生的粉塵、廢水和尾礦渣可能會對土壤水解酶活性和分布造成一定影響[31]。

圖2 采樣點高低值聚類示意圖Figure 2 High-low-value cluster of sampling points

圖3 高低聚類點冗余分析結(jié)果Figure 3 Redundancy analysis of high-high and low-low clustering points

2.4 土壤肥力狀況

據(jù)浙江省地方標準，山核桃林地土壤樣地中堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)位于豐富等級的樣地分別占64%、56%、23%、45%，絕大部分樣點各養(yǎng)分指標等級處于中等以上(表4)，能夠滿足山核桃的生長發(fā)育需求，但是由于各區(qū)域土壤中養(yǎng)分比例以及酸堿度的不同，綜合肥力狀況也有所差異。在主成分分析結(jié)果中，IIF均值為91.67，變幅為35.29～277.05，變異系數(shù)為42.73%。第1主成分解釋了48.39%的總變異，第2主成分解釋了26.50%的總變異，第3主成分解釋了17.12%的總變異(表5)。采用類平均法對土壤肥力分值(IIF)進行系統(tǒng)聚類，將259個樣本分為4類，即第Ⅰ類IIF≥146.83，第Ⅱ類87.11≤IIF＜146.83，第Ⅲ類59.72≤IIF＜87.11，第Ⅳ類IIF＜59.72，分別對應(yīng)土壤肥力高、較高、中、低4個等級。結(jié)果顯示：IIF變異系數(shù)為42.73%，屬于中等變異，但其中有174個樣本處于中低水平，肥力相對較差。從采樣區(qū)域土壤肥力分值所占比例來看，山核桃林地有58.7%的樣地土壤肥力低于平均水平，有32.7%的樣地土壤肥力為Ⅰ和Ⅱ等級，大部分樣地土壤肥力處于Ⅲ、Ⅳ等級，說明大部分山核桃林地土壤肥力還有提高的空間。從使用IIF繪制的空間分布圖來看，島石鎮(zhèn)山核桃林地土壤肥力在所有山核桃產(chǎn)區(qū)中最高，該區(qū)域的土壤管理方法值得借鑒。沈一凡等[32]研究了近10 a山核桃林地主要分布區(qū)域的土壤養(yǎng)分變化情況，發(fā)現(xiàn)林地土壤酸化的現(xiàn)象一直在加重，肥力也有不斷下降的趨勢。這是由于大多數(shù)山核桃林農(nóng)缺乏相關(guān)技術(shù)指導和對立地環(huán)境的認知，長期施用以氮素為主的化學肥料造成的。而且從20世紀80年代開始，山核桃林地不斷擴張，但大多數(shù)新興產(chǎn)區(qū)酸化嚴重，土壤宜肥、宜種性較差。針對這一現(xiàn)象，還需要增施有機肥，并施用一定量的石灰，逐漸改善各地土壤酸化的情況，規(guī)范林地生草管理和生態(tài)化采收技術(shù)，以穩(wěn)步提升山核桃林地的土壤肥力。

表4 山核桃土壤肥力指標豐缺等級及各等級占比Table 4 Level of soil fertility indexs and the proportion of each level

表5 主成分貢獻率與各因子得分Table 5 Principal component contribution rates and each factor score

3 結(jié)論

研究區(qū)山核桃林土壤水解酶活性均具有較好的空間變異結(jié)構(gòu)和空間分布格局，結(jié)構(gòu)性變異占總變異的比例較小。研究區(qū)山核桃林土壤受到人為因素的干擾較多，人為施肥與經(jīng)營強度是影響其空間格局形成的最直接因素。土壤水解酶活性空間分布和養(yǎng)分分布聯(lián)系密切，在養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)較高的區(qū)域有高值聚集的現(xiàn)象，低值聚集區(qū)域多位于清涼峰等區(qū)域。特色的生態(tài)經(jīng)營方式可以使土壤水解酶活性處于相對較高的水平，從而提高山核桃的宜種性。

研究區(qū)山核桃林土壤酸化較為普遍，平均pH為5.76，嚴重限制了山核桃的生長。島石鎮(zhèn)、太陽鎮(zhèn)北部土壤肥力得分較高。從總體來看，大部分區(qū)域土壤各肥力指標等級處于中等以上，但有過半土壤綜合肥力未達到平均水平。產(chǎn)區(qū)內(nèi)部各鎮(zhèn)土壤肥力也有著明顯差異，大部分區(qū)域土壤肥力還有待提高；土壤水解酶活性變異系數(shù)較高，且與有機質(zhì)、堿解氮、pH、有效磷等肥力因子有較強的相關(guān)性。