高山櫟天然林土壤有機質及酶活性的通徑分析*

趙維娜，陳奇伯，王艷霞，聶蕾，楊媛媛

(西南林業大學 環境科學與工程學院，云南　昆明 650224)

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高山櫟天然林土壤有機質及酶活性的通徑分析*

趙維娜，陳奇伯，王艷霞，聶蕾，楊媛媛

(西南林業大學 環境科學與工程學院，云南昆明 650224)

為探究高山櫟天然林土壤生物學特性對土壤養分的影響，運用通徑分析法，研究了云南省玉溪市磨盤山國家森林公園內的高山櫟天然林土壤養分與土壤酶活性、微生物數量之間的關系。結果表明，土壤脲酶、過氧化氫酶、轉化酶活性及細菌、放線菌、真菌、微生物總數量都是隨著土層深度增加逐漸減??；影響土壤pH值的重要因素是脲酶、過氧化氫酶、轉化酶活性與真菌數量；影響有機質、全氮、速效磷的重要因素是脲酶、過氧化氫酶、轉化酶；影響土壤堿解氮的主要因子是脲酶、過氧化氫酶、真菌數量?？偟膩碚f，高山櫟天然林土壤養分受土壤酶活性影響較大，受微生物數量影響較小。

通徑分析；高山櫟天然林；土壤養分；土壤酶活性；土壤微生物數量

土壤養分、酶活性和微生物是土壤生態系統的重要組成成分。土壤酶能催化土壤中有機殘留物的分解以及在促進養分循環中起重要作用，反映土壤中進行的各種生物化學過程的強度和方向[1～3]。土壤微生物在土壤物質轉化中具有重要作用，與土壤肥力有密切關系[4～6]。土壤酶活性及微生物是構成土壤微生態環境的兩個重要組分，是決定土壤功能的兩個關鍵性因素[7～8]，因此對土壤養分受生物學特性影響的探究有助于人們更全面地評價森林土壤生態系統內部影響機制。目前的研究中常見的有脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶等及其與土壤有機質、全氮、水解氮、全磷、速效磷等肥力因素存在的相關關系，微生物數量與土壤理化性質也存在不同程度的相關性[9～10]。但對土壤養分、酶活性、微生物數量之間具體關系有待研究。

高山櫟(Quercusaquifolioides)是重要的水土保持和水源涵養樹種[11]。目前對川滇高山櫟的研究較多，如分析其土壤顆粒組成[12]、理化性質、酶活性、微生物多樣性[13]等，可為川滇高山櫟林土壤質地評價、碳氮循環及土壤呼吸等研究積累基礎資料。研究表明，土壤性質的不同對酶活性產生的影響不同[10,14～15]，而土壤生物學性質對土壤養分的影響研究不多。通徑分析能夠全面考查變量之間的相互關系，消除變量之間的混淆，真實地表現出各自變量和因變量之間的關系[16]。本文選取高山櫟天然林土壤作為研究對象，采用將相關分析與通徑分析相結合的方法，探討土壤養分受酶活性、微生物數量影響的關系，為全面評價高山櫟林土壤質量及土壤養分與生物學性質間的聯系提供依據。

1　材料與研究方法

1.1研究區概況

磨盤山國家森林公園位于玉溪市新平縣，其地理位置為北緯23°46′～23°54′，東經101°16′06″～101°16′12″，海拔1 260.0～2 614.4m。年平均氣溫15℃，年平均降雨量為1 050mm，全年日照時數2 380h。選取樣地的基本概況為林齡60～70年的高山櫟天然林，海拔2 460m，坡度15°，坡向南偏西45°，郁閉度1.0，土壤類型黃棕壤，主要的林下植被有高山櫟、白櫟(QuercusfabriHance)、白杜鵑(Exochordaracemosa)、地檀香(Gaultheriaforrestii)、厚皮香(TernstroemiagymnantheraSprague)、南燭(VacciniumbracteatumThunb.)、鐵籽(EuryapyracanthifoliaP.S.Hsu)、越桔(Vacciniumvitis-idaeaLinn.)、云南含笑(MicheliayunnanensisFranch.)、云南山茶(CamelliareticulataLindl.)、珍珠花(SpiraeathunbergiiSieb.)、柃木(EuryajaponicaThunb.)、馬纓杜鵑(RhododendrondelavayiFranch.)、雪花構(DaphnepapyraceaWall.ex Steud.)、榿木(AlnuscremastogyneBurk.)、新樟(NeocinnamomumdelavayiLiou)等。

1.2材料

2014年11月對磨盤山國家森林公園進行了全面踏查，并選擇40年的高山櫟天然林的林地土壤作為研究對象。在研究區內分別設置3個20m×20m的標準地，并在標準樣地內沿對角線設置3個典型采樣點，每個采樣點去除表層枯枝落葉，挖掘土壤剖面，分別在0～20cm、20～40cm、40～60cm的土層各采集3個環刀和鋁盒樣品用于物理性質測定，同時分層采集各土壤樣品用于化學指標和生物指標的測定。其中用于土壤酶活性和土壤微生物數量分析的鮮土采集后立即放在冰箱內4℃保存，其余土樣帶回實驗室后經過陰干研磨，分別過1.00mm、0.25mm篩，裝袋待測。

1.3測定方法

土壤有機質采用K2Cr2O7外加熱法測定，土壤全氮采用擴散法測定，堿解氮采用堿解—擴散法測定，土壤全磷、速效磷采用鉬銻抗比色法測定，土壤全鉀、速效鉀采用火焰光度法測定，土壤pH值采用電位法測定[17]。

脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定，過氧化氫酶活性采用容量法(高錳酸鉀滴定法)測定，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定[18]。土壤微生物數量采用稀釋平板分離計數法測定，細菌數量采用牛肉膏蛋白胨培養基培養法測定，放線菌數量采用高氏1號培養基培養法測定，真菌數量采用孟加拉紅培養基培養法測定[19]。

1.4數據處理

采用Excel對數據進行整理，運用SPSS 22.0軟件進行數據分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗4種土壤酶活性的顯著性，對所有數據進行方差齊性檢驗，采用回歸模型擬合土壤酶活性、微生物數量與土壤理化性質的相關關系并進行通徑分析。

2　結果與分析

2.1土壤理化性質

高山櫟林下的土壤養分見表1。高山櫟天然林土壤pH值隨著土層深度的增加而增大。土壤全鉀含量隨著土層深度增加增大，土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、速效鉀含量均是隨著土層深度增加而減少。由顯著性差異分析可知，隨著土層深度的增加，土壤的理化性質各指標中除全磷、速效磷、全鉀以外的其他指標在表層土壤的含量與底層土壤的含量達到顯著差異。

表1　磨盤山國家森林公園高山櫟天然林土壤養分含量Tab.1　Soil nutrient content of Quercus aquifolioides natural forest in Mopanshan National Forest Park

注：同一列不同小寫字母表示在顯著水平0.05下差異顯著，表2～表3同。

2.2土壤酶活性與微生物數量

高山櫟林下的土壤酶活性見表2。由表2可知，土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性都是隨著土層深度增加而逐漸減小。

土壤微生物數量見表3。由表3可知，在0～20cm、20～40cm、40～60cm的土層中3種微生物的數量都是呈現出相同的規律:細菌>放線菌>真菌。隨著土壤深度的增加，土壤中細菌、放線菌、真菌、微生物總數量都是逐漸減少的。

表2　磨盤山國家森林公園高山櫟林土壤酶活性Tab.2　Soil enzymes activities of Quercus aquifolioides natural forest in Mopanshan National Forest Park

表3　磨盤山國家森林公園高山櫟林土壤微生物數量Tab.3　Soil microbial quantity of Quercus aquifolioides natural forest in Mopanshan National Forest Park

2.3土壤養分與土壤生物學特性之間的相互關系

2.3.1土壤養分與生物學特性間關系的相關分析

土壤養分與土壤生物學特性的相關關系見表4。土壤pH值與脲酶、真菌數量間呈顯著負相關關系(p<0.05)，與過氧化氫酶呈極顯著負相關關系(p<0.01)；土壤有機質與過氧化氫酶、轉化酶呈極顯著正相關關系(p<0.01)；土壤全氮與過氧化氫酶呈顯著正相關關系(p<0.05)，與轉化酶呈極顯著正相關關系(p<0.01)；土壤堿解氮與脲酶、轉化酶呈顯著正相關關系，與過氧化氫酶呈極顯著正相關關系(p<0.01)；土壤全磷、全鉀、速效鉀與生物學特性各指標沒有顯著的相關關系(p>0.05)；土壤速效磷與過氧化氫酶活性呈顯著正相關關系，與脲酶呈極顯著正相關關系(p<0.01)。

表4　土壤養分與生物學特性的相關分析Tab.4　Relative analysis between soil nutrient and biological characterastics

注：**相關性在 0.01 水平上顯著；*相關性在 0.05 水平上顯著。

2.3.2土壤養分與生物學特性間關系的通徑分析

將土壤養分和酶活性、微生物數量進行多元回歸分析，得到標準化多元回歸方程：Y1=-0.080B1-0.291B2-0.095B3+0.052B4+0.066B5-0.351B6;Y2=-0.571B1+0.850B2+0.307B3+0.143B4+0.128B5+0.079B6;Y3=-0.571B1+0.654B2+0.427B3+0.104B4+0.096B5+0.140B6;Y4=-0.815B1+1.395B2+0.014B3+0.254B4+0.102B5-0.395B6;Y5=1.078B1-0.517B2-0.132B3-0.157B4-0.198B5+0.156B6。式中，Y1、Y2、Y3、Y4、Y5分別為土壤pH值、有機質、全氮、堿解氮、速效磷，B1為脲酶活性，B2為過氧化氫酶活性，B3為轉化酶活性，B4為細菌數量，B5為放線菌數量，B6為真菌數量。

表5　土壤養分與土壤酶活性、微生物數量的通徑系數Tab.5　The path coefficient of soil nutrient ,soil enzyme activities and microbial quantity

注：劃橫線的數據為直接通徑系數，其他為間接通徑系數。

土壤生物學特性對土壤pH值的直接作用系數大小順序為真菌數量、過氧化氫酶、轉化酶、脲酶、放線菌數量、細菌數量。土壤真菌對土壤pH值產生的直接負效應較大，與通過過氧化氫酶、轉化酶產生的間接負效應累加，使得土壤真菌數量與土壤pH值呈負相關關系；土壤過氧化氫酶對pH產生的直接效應較大，其次是過氧化氫酶通過脲酶、轉化酶、真菌數量產生的間接效應；土壤脲酶與轉化酶都是通過過氧化氫酶產生的間接效應較大，其次是其自身的直接效應、通過真菌數量、脲酶、細菌數量產生的間接效應；土壤細菌數量與放線菌數量都是通過自身的直接效應及真菌數量產生的間接效應作用于土壤pH值(表5)。

土壤生物學特性中過氧化氫酶對土壤有機質具有較大的直接正效應，其次是脲酶、轉化酶、細菌數量、放線菌數量、真菌數量的直接作用。過氧化氫酶、脲酶、轉化酶分別通過其他兩種酶產生的間接效應也較大；而細菌數量通過自身的直接效應和脲酶、過氧化氫酶產生的間接作用較通過其他因子的間接作用大，放線菌數量亦是如此，真菌數量通過脲酶、過氧化氫酶、轉化酶產生的間接作用及其自身的直接作用較大(表5)。

土壤過氧化氫酶活性對土壤全氮具有較大的直接正效應，其次是脲酶、轉化酶、真菌數量、細菌數量、放線菌數量。除了3種酶的直接作用，過氧化氫酶、脲酶、轉化酶分別通過其他兩種酶產生的間接效應也較大；而真菌數量通過脲酶、過氧化氫酶、轉化酶產生的間接作用及其自身的直接作用較大，細菌數量、放線菌數量均是通過自身的直接作用較大(表5)。

影響土壤堿解氮的直接作用系數大小順序依次為過氧化氫酶、脲酶、真菌數量、細菌數量、放線菌數量、轉化酶。過氧化氫酶活性通過其自身的直接效應、通過脲酶產生的間接效應遠大于通過其他因子產生的間接效應；土壤脲酶、轉化酶對土壤堿解氮的影響主要也是通過脲酶、過氧化氫酶產生的作用；土壤細菌數量主要是通過其自身產生的直接效應作用于堿解氮，其次是通過過氧化氫酶、真菌數量、脲酶產生的間接效應；土壤放線菌主要也是通過自身的直接效應作用于堿解氮，其次是通過過氧化氫酶、脲酶、真菌數量產生的間接效應；土壤真菌數量主要是通過其自身的直接效應和通過過氧化氫酶產生的間接效應作用于堿解氮(表5)。

影響土壤速效磷的直接作用系數的大小順序依次為脲酶、過氧化氫酶、放線菌數量、細菌數量、真菌數量、轉化酶。土壤脲酶通過自身的直接效應及通過過氧化氫酶產生的間接效應遠大于其他因子的間接效應；土壤過氧化氫酶也是通過脲酶產生的間接效應及其自身的直接效應大于其他因子產生的間接效應；土壤轉化酶通過脲酶、過氧化氫酶產生的間接效應及其自身產生的直接效應較大；細菌數量、放線菌數量均是主要是通過自身的直接效應、通過脲酶、過氧化氫酶、真菌數量產生的間接效應作用于速效磷，真菌數量主要是通過自身的直接效應作用于速效磷(表5)。

表6　磨盤山高山櫟林土壤養分與土壤酶活性、微生物數量通徑分析的決定系數Tab.6　Determination coefficient of the path analysis of soil nutrient,soil enzyme activities and microbial quantity

注：表中只列出前10位對酶活性有影響的決定系數。

2.3.3土壤養分與生物學特性間關系的決定系數

由表6可知，(1)土壤真菌數量的直接作用對pH值影響最大，決定系數達到0.123，其次過氧化氫酶的直接作用、脲酶通過過氧化氫酶產生的間接作用、過氧化氫酶通過真菌數量、轉化酶產生的間接作用，因此脲酶、過氧化氫酶、轉化酶活性與真菌數量是影響土壤pH值的重要因素；(2)有機質與全氮的影響因素基本一致，對二者影響程度最大的是脲酶通過過氧化氫酶產生的間接作用，其次是過氧化氫酶的直接作用、脲酶的直接作用、脲酶與過氧化氫酶通過轉化酶產生的間接作用，因此脲酶、過氧化氫酶、轉化酶是影響土壤中有機質與全氮的重要因素；(3)對堿解氮影響程度最大的是脲酶通過過氧化氫酶產生的間接作用，其次是過氧化氫酶與脲酶的直接作用、過氧化氫酶通過真菌數量產生的間接作用、真菌數量的直接作用，因此影響土壤堿解氮的主要因子是脲酶、過氧化氫酶、真菌數量；(4)影響土壤速效磷程度最大的是脲酶的直接作用，其次是脲酶通過過氧化氫酶的間接作用、過氧化氫酶的直接作用、脲酶與過氧化氫酶通過轉化酶產生的間接作用，可見影響土壤速效磷的主要因子是脲酶、過氧化氫酶、轉化酶。

3　結論與討論

隨著土層深度增加，高山櫟天然林土壤理化性質各指標中除全磷、速效磷、全鉀以外的其他指標在表層土壤的含量與底層土壤的含量達到顯著差異。土壤的脲酶、過氧化氫酶、轉化酶活性及細菌、放線菌、真菌、微生物總數量都是隨著土層深度的加深而逐漸減小，在土壤深層趨于穩定。由相關系數與通徑分析可知，影響土壤pH值的重要因素是脲酶、過氧化氫酶、轉化酶活性與真菌數量；影響土壤中有機質與全氮、速效磷的重要因素是脲酶、過氧化氫酶、轉化酶；影響土壤堿解氮的主要因子是脲酶、過氧化氫酶、真菌數量。

本研究結果表明，土壤表層的生化反應比土壤深層進行的強度大、速率高。土壤脲酶、過氧化氫酶、轉化酶活性隨著土壤深度的加深而逐漸減小，這與樊后保等[20]在對杉木(Cunninghamialanceolata)人工林土壤酶活性對氮沉降的響應研究的結果一致。微生物數量也呈現出相同的規律。這可能是因為隨著土壤深度的加深，土壤生化反應底物減少，透氣性下降，造成土壤生化反應速率降低，酶活性降低，而微生物作為土壤生化反應的受益者或參與者，數量也隨之下降。

土壤養分與土壤脲酶、過氧化氫酶、轉化酶活性及微生物數量之間有密切的相關關系。這與陳禮清等[21]在煉山對巨桉(Eucalyptusgrandis)人工幼林土壤酶活性與有效養分的影響研究結果，鄭詩樟等[10]在丘陵紅壤不同人工林型土壤微生物類群、酶活性與理化性狀關系的研究結果，葛曉改等[22]對紅壤丘陵區不同林齡馬尾松(Pinusmassoniana)林土壤養分和酶活性關系的研究結果一致。

影響土壤pH值的重要因素是脲酶、過氧化氫酶、轉化酶活性與真菌數量，這可能與這三種土壤酶所參與的酶促反應產生的產物能夠改變土壤的pH值有關，土壤真菌數量對土壤pH值的影響可能主要是因為真菌分解有機物的反應及真菌的分泌物。影響土壤中有機質與全氮、速效磷的重要因素均是脲酶、過氧化氫酶、轉化酶，這表明土壤中脲酶、過氧化氫酶、轉化酶所參與的酶促反應的底物或產物包含有機質、全氮、速效磷，由此可見這三種土壤酶對土壤養分有非常重要的影響。影響土壤堿解氮的主要因子是脲酶、過氧化氫酶、真菌數量，這可能因為脲酶分解尿素是堿解氮的重要來源，而過氧化氫酶通過分解過氧化氫這種不利于動植物生存生活的有害物質來促進土壤動植物的活動，為其他酶促反應提供良好的環境，而真菌數量對堿解氮的影響可能是因為真菌的分泌物是過氧化氫酶的重要組成成分，真菌數量的改變能影響過氧化氫酶的活性。

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Path Analysis of Soil Organic Matter and Enzyme Activities of Quercus aquifolioides Natural Forest

ZHAO Wei-na,CHEN Qi-bo,WANG Yan-xia,NIE Lei,YANG Yuan-yuan

(School of Environmental Science and Engineering，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，P.R.China)

To explore the influence of soil biological characteristics on the soil nutrient inQuercusaquifolioidesforest,the relationship between the soil enzyme activities and soil nutrient factors,and microorganism quantity ofQuercusaquifolioidesforest in Mopanshan National Forest Park in YuXi city of Yunnan Province were studied through the path analysis.The results showed that the soil urease,catalase,invertase activities and the number of bacteria,actinomycetes,fungi,total microbial were gradually decreased with the increasing of soil depth.The important factors that affected soil pH were urease,catalase,invertase activity and the number of fungi.The important factors that affected the soil organic matter and total nitrogen,available phosphorus were urease,catalase,invertase.The main factors which affect the soil alkaline hydrolysis were urease,catalase and the number of fungi.In general,soil nutrient ofQuercusaquifolioidesforest were greatly influenced by soil enzyme activity， and microbial quantity had less affection on soil nutrient.

path analysis;Quercusaquifolioidesnatural forest;soil nutrient;soil enzymes activities;soil microbial quantity

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.05.011

2015-09-25

國家林業局林業公益性行業科研專項(201204101-10)，云南省高校優勢特色重點學科(生態學)建設項目資助

趙維娜(1988-)，女，碩士生，主要從事森林生態研究。E-mail：zhao_wei_na2007@126.com

簡介:陳奇伯(1965-)，男，教授，博士，博士生導師，主要從事水土保持與恢復生態學研究。

E-mail：chenqb05@163.com

S 714

A

1672-8246(2016)05-0058-07

(05000511311)。