兴安落叶松林土壤养分与酶活性的动态分析

党乾顺，隋心，陈福元，穆立蔷*

(1.东北林业大学 林学院, 哈尔滨 150040；2.黑龙江大学 生命学院, 哈尔滨 150080；3.黑龙江中央站黑嘴松鸡国家级自然保护区服务中心，黑龙江 嫩江 161400)

0 引言

森林土壤是气候、生物、母质、地形和时间等外在因素在森林生态系统中的重要组成，土壤中生物与环境相互作用产生的大量营养物质，能够提供林木生长发育所需的水、肥、气、热，影响林木生长和林地生产力水平[1-2]。土壤理化性质作为控制森林植物生长发育的关键生态因子，是决定土壤肥力和土壤质量的重要指标[3]。土壤中一切生物化学过程都是在土壤酶的作用下进行的，土壤酶在森林生态系统的物质循环和能量流动过程中扮演着重要角色，其活性反映土壤中各种生物化学过程的动向和强度。土壤酶与土壤生物学活性密切相关[4-5]，对生境条件变化特别敏感，广泛应用于森林生态系统监测和环境质量评价过程中[6-8]。

目前，国内外关于森林生态系统土壤理化性质与酶活性的变化关系已开展大量研究，作为能够直接参与土壤中各种生物化学反应且具有生物催化能力的蛋白类化合物，土壤酶的重要性不言而喻。现如今，对土壤养分和酶活性关系的影响因子研究报道众多，如林分类型[9]、海拔[10]、季节变化[11]和林下植被类型[12]等，林分类型对土壤酶活性的影响多集中于与土壤碳氮循环相关的少数几种酶上，研究结果不尽相同[13-14]。土壤脲酶、蔗糖酶和FDA水解酶等酶活性能够表征土壤氮、磷、碳养分的循环状况，蛋白酶能够水解各种蛋白质及肽类等化合物，其活性与植物氮素吸收具有极其重要的关系[15]，脱氢酶、过氧化物酶等酶活性与土壤腐殖化过程、生物呼吸强度紧密相关[16]。

森林生态系统是一个复杂的系统，具有丰富的物种多样性、结构多样性、食物链、食物网以及功能过程多样性等，不同地区或不同森林生态系统其土壤理化性质和酶活性的季节动态规律不同。对于寒温带地区，由于受到长期的人类活动和全球变化的影响，兴安落叶松(Larixgmelinii)生态系统功能也发生了明显变化，因此探究不同兴安落叶松林土壤理化性质和酶活性的季节动态对了解兴安落叶松林生态系统功能改变具有十分重要的意义。

黑龙江中央站黑嘴松鸡国家级自然保护区地处大小兴安岭过渡区，其森林类型具有大兴安岭和小兴安岭植被的特征，当前，保护区内兴安落叶林主要有白桦(Betulaplatyphylla)-兴安落叶松林、杜鹃(Rhododendrondauricum)-兴安落叶松林、兴安落叶松纯林和兴安落叶松人工林4种主要类型。森林类型改变尤其是建群种改变会导致土壤生态系统功能发生变化，土壤生态系统受地上植被组成的影响更显著。鉴于此，本研究选取黑龙江中央站黑嘴松鸡国家级自然保护区4种不同兴安落叶松林型为研究对象，按季节划分进行采样，测定不同季节的土壤化学性质和酶活性，同时探究其随季节的变化动态，旨在探究寒温带兴安落叶松林土壤养分与酶活性的差异和变化规律，为深入了解我国寒温带森林交错区森林生态系统功能和未来发展趋势提供科学依据和数据基础。

1 试验地概况与研究方法

1.1 试验地概况

试验地位于黑龙江中央站黑嘴松鸡国家级自然保护区(126°00′～126°45′E，48°30′～48°50′N)，保护区地处黑龙江省黑河市西南部，小兴安岭西南山麓与松嫩平原的过渡地带，总面积988.6 km2。属温带大陆性季风气候，冬季严寒漫长，夏季凉爽短促；年均气温-0.5 ℃，无霜期121 d，年均降雨量476.33 mm，多年平均相对湿度69.2%。不同森林类型呈随机性分布，有针叶林、针阔混交林和阔叶林，森林覆盖率达82.4%[17]，受周边环境影响，处于不同演替阶段的植物群落均有分布，为典型的高寒森林生态系统，主要树种有兴安落叶松、紫椴(Tiliaamurensis)、钻天柳(Choseniaarbutifolia)、白桦(Betulaplatyphylla)、黑桦(Betuladahurica)、蒙古栎(Quercusmongolica)、山杨(Populusdavidiana)、稠李(Prunuspadus)、大黄柳(Salixraddeana)和东北赤杨(Alnusmandshurica)等。

1.2 样品采集

2020年5—11月，在保护区内选取白桦-兴安落叶松林、杜鹃-兴安落叶松林、兴安落叶松纯林和兴安落叶松人工林(主要树种组成有兴安落叶松、白桦、黑桦、蒙古栎和紫椴等，所有树种平均胸径10.77 cm，胸径1～9 cm植株占总体的50%以上)4种典型兴安落叶松林，每种林型选择3块标准样地(20 m×20 m)，每隔1个月取样1次，取样时间为每月中旬(因当地气温低，冻融时间早，11月就有积雪，故最后一次采集于10月下旬)。在每块样地，利用土壤取样器采用五点采样法取0～10 cm厚土层样品，混合均匀后放入封口袋，贴好标签带回实验室。清理掉掺入土壤中的杂质，一部分过2 mm土筛置于-20 ℃冰箱中保存，留待土壤酶活性以及土壤速效养分测定，一部分风干过0.149 mm土筛常温保存，留待土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量等测定。

1.3 土壤化学性质测定

土壤全氮含量采用凯氏定氮仪(型号K9860)测定[18]；速效氮含量测定采用碱解扩散法[19]；全磷含量测定采用硫酸-高氯酸酸溶-钼锑抗比色法，有效磷含量测定采用碳酸氢钠法[20]；全钾含量采用氢氧化钠碱熔法-火焰光度计测定[21]；速效钾含量测定采用乙酸铵浸提-火焰光度计法[22]；有机碳含量测定采用外加热(油浴)法[23]。

1.4 土壤酶活性测定

采用苏州科铭生物技术有限公司生产的试剂盒测定土壤中5种酶活性，分别为过氧化氢酶(S-CAT)、酸性磷酸酶(S-ACP)、脲酶(S-UE)、蔗糖酶(S-SC)和纤维素酶(S-CL)，具体操作方法严格按照说明书流程进行。

1.5 数据处理

利用Excel 2019软件进行数据基本分析，SPSS19.0软件进行数据统计分析，Origin2019软件绘图。采用单因素方差分析检验不同林型间土壤化学性质和酶活性的差异性，多重比较采用最小显著差数法；采用Pearson对土壤化学性质与酶活性进行相关分析；运用主成分分析从土壤化学性质和酶活性的14个指标中选出对土壤功能影响较大的几个因素；采用Canoco5.0进行土壤化学性质和酶活性的冗余分析。

2 结果与分析

2.1 不同季节不同兴安落叶松林土壤化学性质分析

由表1可知，不同林型不同季节条件下土壤全氮、全磷、速效磷、速效钾、有机碳含量和碳氮比均存在极显著变化，土壤速效氮和全钾含量存在显著变化。

对不同林型不同月份土壤化学性质进行方差分析，结果见表2。由表2进行如下分析。

表2 土壤化学性质的方差分析

(1)白桦-兴安落叶松林土壤全氮含量随季节波动较小，差异不显著；兴安落叶松纯林和人工林土壤全氮含量随季节变化逐渐降低，其中人工林波动幅度更大，5月最高为1.03 g/kg，10月最低为0.30 g/kg；杜鹃-兴安落叶松林土壤全氮含量9月最高为0.93 g/kg，5月最低为0.17 g/kg。兴安落叶松纯林和人工林土壤速效氮含量随季节变化逐渐降低，5月最高分别为0.38、0.48 g/kg，10月最低分别为0.18、0.12 g/kg；白桦-兴安落叶松林土壤速效氮含量随季节变化表现为降低—降低—升高趋势，9月最低为0.16 g/kg，10月最高为0.33 g/kg；杜鹃-兴安落叶松林壤速效氮含量变化趋势刚好相反，9月最高为0.46 g/kg，5月最低为0.08 g/kg。

(2)白桦-兴安落叶松林和杜鹃-兴安落叶松林土壤全钾含量随季节变化先升高再降低再升高，9月最低分别为4.68和6.02 g/kg；兴安落叶松纯林土壤全钾含量随季节变化持续下降，10月最低为3.66 g/kg；兴安落叶松人工林土壤全钾含量随季节变化先升高再降低，10月最低为2.22 g/kg。兴安落叶松纯林和人工林土壤速效钾含量随季节变化逐渐降低；杜鹃-兴安落叶松林土壤速效钾含量随季节变化表现为升高—升高—降低趋势，9月最高为0.46 g/kg，5月最低为0.17 g/kg；白桦-兴安落叶松林土壤速效钾含量随季节变化表现为降低—升高—升高趋势。

(3)杜鹃-兴安落叶松林和兴安落叶松人工林土壤全磷含量随季节的变化趋势基本一致，7月最高分别为1.05、3.23 g/kg；白桦-兴安落叶松林和兴安落叶松纯林土壤全磷含量随季节变化逐渐降低，10月其含量有小幅度回升。白桦-兴安落叶松林土壤有效磷含量随季节变化表现为降低—升高—升高趋势，10月最高为61.93 mg/kg，7月最低为32.72 mg/kg；兴安落叶松纯林和人工林土壤有效磷含量7月、9月和10月的变化趋势一致，逐渐减小，兴安落叶松纯林5月有效磷含量最低为35.90 mg/kg，人工林5月有效磷含量最高为77.92 mg/kg；杜鹃-兴安落叶松林土壤有效磷含量随季节变化表现为升高—升高—降低趋势，9月最高为126.74 mg/kg，5月最低为70.39 mg/kg。

(4)兴安落叶松纯林与人工林土壤有机碳含量随季节的变化趋势基本一致，7月最高分别为66.00和76.70 g/kg，5月最低分别为53.88和9.45 g/kg；杜鹃-兴安落叶松林土壤有机碳含量随季节变化表现为升高—降低—升高趋势，与白桦-兴安落叶松林恰好相反。

(5)白桦-兴安落叶松林和兴安落叶松纯林10月土壤碳氮比与其他3个月差异均显著；兴安落叶松人工林土壤碳氮比5月最低，与其他3个月差异显著；杜鹃-兴安落叶松林土壤碳氮比9月最低，其他3个月之间差异不显著。

2.2 不同季节不同兴安落叶松林土壤酶活性分析

由表3可知，不同林型不同季节条件下5种酶(纤维素酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶)活性均存在极显著差异。

表3 不同林型和不同季节土壤酶活性方差分析

不同林型不同月份的土壤酶活性随季节变化趋势见表4。由表4进行如下分析。

表4 土壤酶活性随季节变化趋势

(1)杜鹃-兴安落叶松林、兴安落叶松纯林和人工林土壤酸性磷酸酶活性随季节的变化趋势基本一致，9月最高，10月最低；白桦-兴安落叶松林土壤酸性磷酸酶活性随季节变化表现为升高—降低—升高趋势，7月最高为58.9 μmol/(g·d)，9月最低为50.9μmol/(g·d)。

(2)兴安落叶松人工林和杜鹃-兴安落叶松林土壤纤维素酶活性随季节的变化趋势基本一致，在人工林中9月最低为9.9 mg/(g·d)；白桦-兴安落叶松林和兴安落叶松纯林土壤纤维素酶活性7月到10月的变化趋势一致，先升高再降低，9月最高分别为53.7、62.6 mg/(g·d)，5月到7月变化不大。

(3)杜鹃-兴安落叶松林土壤蔗糖酶活性随季节变化表现为降低—升高—升高趋势，10月最高为74.1 mg/(g·d)，7月最低为35.1 mg/(g·d)；在人工林中9月最低为44.4 mg/(g·d)，5月最高为150.5 mg/(g·d)；白桦-兴安落叶松林土壤蔗糖酶活性随季节变化持续升高，10月最高为58.4 mg/(g·d)，5月最低为16.1 mg/(g·d)；兴安落叶松纯林土壤蔗糖酶活性5月到7月大幅度下降，之后小幅度回升，7月最低为56.1 mg/(g·d)，5月最高为137.3 mg/(g·d)。

(4)白桦-兴安落叶松林土壤过氧化氢酶活性5月最高为33.2 μmol/(g·d)，10月最低为28.1 μmol/(g·d)；兴安落叶松纯林土壤过氧化氢酶活性5月最高为37.1 μmol/(g·d)，10月最低为20.9 μmol/(g·d)，7月到9月小幅度回升；兴安落叶松人工林和杜鹃-兴安落叶松林土壤过氧化氢酶活性变化趋势7月到10月基本一致，9月最高分别为32.2、36.1 μmol/(g·d)。

(5)兴安落叶松纯林和杜鹃-兴安落叶松林土壤脲酶活性随季节的变化趋势基本一致，9月最高分别为540.2、631.9 μg/(g·d)，5月最低但相差不大；白桦-兴安落叶松林和兴安落叶松人工林土壤脲酶活性随季节的变化趋势基本一致，白桦-兴安落叶松林10月最高为693.7 μg/(g·d)，5月最低为150.5 μg/(g·d)，兴安落叶松人工林7月最高为540.2 μg/(g·d)，5月最低为227.9 μg/(g·d)。

2.3 土壤化学性质与酶活性的相关性

由表5可知，杜鹃-兴安落叶松林土壤纤维素酶活性与全钾含量呈显著正相关，酸性磷酸酶活性与有机碳含量呈极显著负相关，过氧化氢酶活性与全氮含量呈显著正相关；兴安落叶松纯林土壤纤维素酶活性与全氮、全钾含量呈显著正相关，与速效氮含量呈极显著正相关，脲酶活性与速效钾含量呈极显著负相关；白桦-兴安落叶松林和兴安落叶松人工林土壤化学性质与酶活性无明显相关性。

表5 土壤化学性质与酶活性的相关性分析

对不同林型下土壤化学性质与酶活性进行整体RDA分析，结果如图1所示。由图1可知，不同林型与土壤酶活性第1个RDA轴的解释率为53.1%，第2个RDA轴的解释率为29.7%。土壤酸性磷酸酶活性与全磷、全氮、速效钾含量呈显著正相关，与有机碳含量呈负相关性；土壤过氧化氢酶活性受土壤化学性质的影响由大到小依次为：全氮、速效钾、速效氮、速效磷，且均呈显著正相关，与全钾含量呈负相关；土壤蔗糖酶活性主要受速效磷和速效氮含量显著影响，土壤脲酶和纤维素酶活性受土壤有机碳影响最大，呈显著正相关。

图1 不同林型下土壤酶活性、化学组成之间的RDA分析

2.4 土壤主成分分析

对4种兴安落叶松林土壤化学性质与酶活性的14个指标进行主成分分析，白桦-兴安落叶松林前2个主成分的累计贡献率达87.38%，能够有效反映土壤化学性质和酶活性的指标信息。第1主成分的贡献率为51.89%，主要决定因子为土壤蔗糖酶和脲酶活性；第2主成分的贡献率为35.49%，主要决定因子为土壤全氮,见表6。

表6 白桦-兴安落叶松林主成分分析

兴安落叶松纯林前2个主成分的累计贡献率达91.303%，能够有效反映土壤化学性质和酶活性的指标信息。第1主成分的贡献率为58.711%，主要决定因子为全氮和速效氮、全钾含量、C/N以及过氧化氢酶活性；第2主成分的贡献率为32.592%，主要决定因子为有效磷、土壤有机碳含量,见表7。

表7 兴安落叶松纯林主成分分析

杜鹃-兴安落叶松林前2个主成分的累计贡献率达86.203%，能够有效反映土壤化学性质和酶活性的指标信息。第1主成分的贡献率为57.752%，主要决定因子为全氮、速效氮、速效钾含量以及土壤过氧化氢酶活性；第2主成分的贡献率为28.451%，主要决定因子为土壤有机碳含量见表8。

表8 杜鹃-兴安落叶松林主成分分析

兴安落叶松人工林前2个主成分的累计贡献率达83.517%，能够有效反映土壤化学性质和酶活性的指标信息。第1主成分的贡献率为57.819%，决定因子为全氮、速效氮、速效钾含量以及土壤蔗糖酶活性；第2主成分的贡献率为25.698%，主要决定因子为土壤全磷和有机碳含量,见表9。

表9 兴安落叶松人工林主成分分析

3 讨论

3.1 土壤化学性质随季节的变化特征

土壤全氮包括有机态氮和无机态氮，除了极少数简单的有机态氮外，植物利用的均是无机态氮及由微生物转化有机态氮而来的无机态氮，全氮含量能够反映林地土壤氮素的储备情况[24-25]。速效氮可被植物快速吸收利用，能较好反映近期土壤氮素的供应状况和氮素的释放速率[26]。本研究显示，兴安落叶松纯林和人工林土壤全氮、速效氮、全钾和速效钾含量随季节变化逐渐降低，白桦-兴安落叶松林和杜鹃-兴安落叶松林土壤全氮和速效氮含量9月最高，原因可能是白桦-兴安落叶松和杜鹃-兴安落叶松林下凋落物含量较高，通过微生物转化影响了全氮和速效氮含量[27]。兴安落叶松人工林的速效养分速效氮、有效磷和速效钾含量在整个生长季逐渐降低，与孙鹏跃等[28]对华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林的研究结果基本相同，其发现落叶末期养分含量会有小幅度升高，本研究没有显示出来，可能是因为地域树种差异引起的落叶时间差异造成的。土壤磷含量能够有效改变植物呼吸速率，提高生产力[29]。本研究发现，兴安落叶松人工林土壤全磷含量5—9月逐渐降低，与刘宏伟等[30]在凉水自然保护区对落叶松人工林土壤全磷含量的季节动态变化研究基本一致，6月最高，9月最低，且方差分析显示落叶松人工林土壤全磷含量随季节变化差异显著。白桦-兴安落叶松林土壤全磷含量随季节变化先降低后升高，7月最低，10月最高，兴安落叶松纯林和杜鹃-兴安落叶松林土壤全磷含量在生长季(5—9月)逐渐增加，在落叶季(9—10月)逐渐下降。有机碳含量是评价土壤肥力的重要指标，本研究中土壤有机碳含量随季节的变化基本一致，但不同林型间存在较大差异，在兴安落叶纯松林和人工林中其表现为增高—降低—降低趋势，人工林的变化幅度较大。池鑫晨等[31]研究发现阔叶林中土壤有机碳含量夏季最低、秋季最高，本研究中白桦-兴安落叶松林土壤有机碳含量从夏季到秋季明显升高，与其研究相似，但本研究有机碳含量最低季节在冬季，与当地温度幅度有很大相关性。

3.2 土壤酶活性的季节动态

本研究显示，5种土壤酶活性均表现出明显的季节变化差异，与许多研究结果相似[32-33]。土壤脲酶直接参与土壤含氮有机化合物的转化，其活性与土壤氮素、pH等直接相关[34-35]。杨丽等[32]研究发现草类-兴安落叶松林土壤脲酶活性与本研究兴安落叶松纯林脲酶活性变化趋势相似，均在秋季最高。庞威[36]研究发现杜鹃-兴安落叶松林土壤全氮和速效氮含量均在9月呈上升趋势，土壤氮素提升可促进土壤氮素相关酶-脲酶活性升高。不同季节蔗糖酶活性在白桦-兴安落叶松林未表现出显著差异，但在其他林型中差异显著，土壤蔗糖酶主要参与土壤的碳循环过程，从本研究来看，白桦-兴安落叶松林土壤有机碳含量变化较小，这可能是导致土壤蔗糖酶并未发生改变的主要原因之一，与裴丙等[37]的研究结果一致；但在兴安落叶松纯林和杜鹃-兴安落叶松林中的变化趋势均为降低—升高—升高，5月最高，7月最低，后3个月差异不大，与裴丙等[37]的研究结论有所不同，其原因可能是因为5月研究区积雪融化和气温升高为土壤提供了良好的温湿环境，促进土壤微生物活动，而随着降雨减少，地表温度升高，二者均会显著限制土壤微生物活动[38]，因此草本和杜鹃-兴安落叶松林在7月土壤微生物活动有所下降。裴丙等[37]对不同林龄侧柏(Platycladusorientalis)人工林土壤蔗糖酶活性的研究发现，土壤蔗糖酶夏季最高，春秋次之，冬季最低，随林龄增加，蔗糖酶活性逐渐增加，其原因可能是随着林龄增加，植物枯落物增加，土壤有机质归还量升高，影响了土壤蔗糖酶活性[39-40]。本研究中酸性磷酸酶、过氧化氢酶活性随季节变化差异不大，春夏秋基本不变，10月其活性呈显著下降趋势，与张德楠等[41]、王艮梅等[42]研究结论相同。土壤酸性磷酸酶活性与土壤碳、氮、磷含量有关，是评价土壤磷素生物转化方向和强度的指标，郑兴蕊等[43]研究不同森林土壤酶活性对模拟氮沉降的响应，其中低氮处理显著促进了酸性磷酸酶活性，且蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶等活性在不同林分中表现出明显差异性。本研究中兴安落叶松纯林、白桦-兴安落叶松林和人工林土壤纤维素酶活性在9月达到最大值，其原因可能是随着凋落物积累，土壤微生物活动频繁，影响了纤维素酶活性。土壤纤维素酶活性在杜鹃-兴安落叶松林中随季节变化表现为升高—降低—升高趋势，其原因可能是杜鹃生长季较短，集中在5—7月，土壤微生物活动在8月后减弱[44-45]。

4 结论

(1)土壤化学性质和酶活性不同林型和季节存在显著差异，且变化趋势也有一定不同，可能与不同林型间凋落物不同有关，这说明植被类型间的差异会导致其化学性质和土壤酶活性发生不同改变。

(2)土壤酶活性与化学性质呈现不同程度相关性，土壤酸性磷酸酶活性受土壤全磷、全氮和速效钾含量影响较大；土壤过氧化氢酶活性与全氮、速效氮、速效钾和速效磷含量呈显著正相关；土壤蔗糖酶活性主要受速效磷和速效氮含量显著影响；土壤脲酶和纤维素酶活性受土壤有机碳含量影响最大。

(3)土壤全氮、速效氮、过氧化氢酶与蔗糖酶活性是兴安落叶松林的主要影响因素。