郝云慶, 易津鑫, 鄭文麗, 李文俊, 吳軍佑, 李偉

1. 成都信息工程大學資源環(huán)境學院，四川 成都 610225；

2. 中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室，四川 成都 610041

從20 世紀80 年代以來，我國經(jīng)濟的高速增長，極大地刺激了資源能源的開發(fā)、交通體系的完善。施工不僅破壞了原生植被，還對土壤生態(tài)系統(tǒng)造成不同程度的影響，引起諸如水土流失等后續(xù)生態(tài)問題。土壤酶作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，主要來源包括植物和土壤微生物的分泌物，發(fā)揮著調(diào)節(jié)土壤生化過程，參與土壤中有機質(zhì)分解、養(yǎng)分循環(huán)和能量流動過程的重要作用[1-4]，它對土壤中氮磷化合物的活化和轉(zhuǎn)移過程以及提高土壤肥力方面起著重要作用[5]。土壤酶活性作為土壤質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)功能變化的生物活性指標，可反映土壤中各種生化過程的強度和方向[6]。

對于裸露土地的生態(tài)恢復問題不同的學者研究的側(cè)重點不同，在人工恢復和自然恢復方面都有所收獲。碳、氮、磷、鉀、有機質(zhì)等是土壤養(yǎng)分的主要組成部分[7]，酶是土壤養(yǎng)分吸收及轉(zhuǎn)化的催化劑[8]，二者相互作用一定程度上共同決定著土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。因此，土壤養(yǎng)分與土壤酶活性綜合研究可較客觀地反映土壤功能和肥力的變化[9]，不同土地利用方式和人工措施下土壤養(yǎng)分與酶活性變化量及其互作關系也成為評價土壤生態(tài)功能恢復的研究熱點[10]。李海林[11]、方航空[12]等人研究了人工植被恢復下土壤養(yǎng)分與酶活性變化關系多基于不同植被類型間的比較，郭曼[13]、楊寧[14]等人從草地、灌草、灌木到純林等不同植被演替階段分析了土壤養(yǎng)分與酶活性存在的協(xié)同恢復關系，也有研究表明，土壤酶系統(tǒng)變異性大[15-16]，不同種類酶活性對生態(tài)措施和土壤養(yǎng)分變化響應顯著程度不同[11]。

中國西部地區(qū)屬多山地形，該地區(qū)進行高速公路建設基本是挖山打隧道，嚴重擾動了土壤環(huán)境[17]，土壤環(huán)境改變的同時會影響土壤中酶促反應發(fā)生變化[18]。本研究以二郎山公路創(chuàng)面土壤酶活性與土壤肥力在人工恢復和自然恢復方式下的變化特征為研究對象，通過分析5 種土壤酶活性變化及與土壤理化性質(zhì)的相關性，揭示不同恢復方式下不同土壤肥力指標對土壤酶活性的響應機制，為土壤創(chuàng)面退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復與重建提供參考。

1 研究區(qū)概況

二郎山位于四川省天全縣、瀘定縣境內(nèi)，主峰海拔3 437 m，海拔高差懸殊，是青衣江、大渡河的分水嶺，為自然地理的分界線。其東西坡氣候差異明顯，山地氣候特征顯著。東坡年降雨約1 900 mm，多集中于8—10 月；西坡年降雨僅900～1 000 mm，多風少雨少冰雪霜凍。土壤復雜多樣，自然土壤主要為水稻土、潮土、紫色土、黃壤、高山寒漠土。生物種群復雜，物種豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計，共有維管束植物68 科380 屬1 500 余種，其中國家重點保護珍稀樹種便有18 種。山麓多亞熱帶植被，隨海拔上升依次出現(xiàn)暖溫帶、寒溫帶植被乃至高山灌叢草甸。

2 研究方法

2.1 樣品采集

于2018 年4 月中旬，采用典型抽樣法對四川二郎山東西坡進行樣地布點，選取G318 路面邊坡植被遭破壞后人工恢復（見圖1）和自然恢復采樣點以及東西坡面土壤背景值共10 個采樣點（見圖2），在每個采樣點采用蛇形法隨機布設3 個1 m×1 m 樣方采集0～10 cm、10～20 cm 各2 kg 土樣，共計60 份樣品，帶回實驗室后，避免陽光直射，自然風干，去除石子、樹枝等，充分混勻后采用四分法收集土壤，一份存留、一份研磨后分別過2 mm、0.25 mm、0.149 mm 篩，以用于土壤養(yǎng)分各要素的測定分析。

圖 1 人工恢復措施示意圖Fig. 1 Schematic diagram of artificial restoration modes

2.2 測定項目與方法

土壤脲酶活性用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，以24 h 后1 g 土壤中NH3－N 的毫克數(shù)表示土壤脲酶活性；土壤蔗糖酶活性用3-氨基-5-硝基水楊酸比色法測定，以24 h 1 g 干土生成葡萄糖毫克數(shù)表示；土壤磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測定，以每克土壤的酚毫克數(shù)表示；過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定，以每克干土1 h 內(nèi)消耗的0.1 mol/L KMnO4體積數(shù)（以mL 計）表示；土壤蛋白酶活性用茚三酮比色法測定，以24 h 后1 g 土壤中甘氨酸的毫克數(shù)表示[20]。

圖 2 采樣點布設示意圖Fig. 2 Schematic diagram of sampling points

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 和SPSS 21.0 統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理及描述性分析。采用RDA 分析對研究區(qū)土壤酶活性影響因子進行排序，分析得出主控影響因素并對其進行排序。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同恢復方式下土壤酶活性變異特征

通過對不同恢復方式下5 種壤酶活性的變異特征分析發(fā)現(xiàn)，除了脲酶活性外，其余4 種土壤酶活性的變異系數(shù)較小，各指標均變化較穩(wěn)定。峰度是描述總體中所有取值分布形態(tài)陡緩程度的統(tǒng)計量[21]，除了脲酶活性的峰度值為正數(shù)外，其余土壤酶活性峰度值都出現(xiàn)負值，表示該總體數(shù)據(jù)分布為平頂峰，與正態(tài)分布相比較為平坦。人工恢復方式下的脲酶活性偏度值為1.4，總體的偏度值都較小都在1 以下，因此整體數(shù)據(jù)出現(xiàn)的極端值也不會特別大，只有脲酶活性這一指標值會出現(xiàn)極值情況（見表1）。

表 1 不同恢復方式下5 種酶活性的變異特征Tab. 1 Variation characteristics of enzyme activities under different restoration modes

在自然恢復和人工恢復下，同種土壤酶活性變化有所不同（見圖3）。從圖3a 看出不同恢復方式下脲酶活性變化差異較大，最大差值為4.295 mg·g-1·24 h-1（點1），其中除了采樣點5 和8 外，自然恢復方式下下脲酶活性值高于人工恢復值，采樣點5 相差1.06 mg·g-1·24 h-1，點8 相差2.86 mg·g-1·24 h-1，說明在自然恢復方式下對于大部分采樣點的脲酶活性值產(chǎn)生正反饋作用。從圖3b 看出兩種恢復方式下，蛋白酶活性的變化差異不大，均在1 mg·g-1·24 h-1以下，最大差值僅為0.77 mg·g-1·24 h-1，說明無論何種恢復方式下對土壤蛋白酶活性的影響不大。從圖3c可知，除了采樣點2 和5 外，人工恢復下磷酸酶活性均小于自然恢復狀態(tài)下的磷酸酶活性，除采樣點1 外1.662 mg·g-1·24 h-1，其余采樣點在兩種恢復方式作用下，差異均小于1 mg·g-1·24 h-1。從圖3d 看出不同恢復方式下，各采樣點的蔗糖酶活性變化差異較大，最大差異為采樣點5 相差6.867 mg·g-1·24 h-1，最小差異 為 采樣點1 相 差0.352 mg·g-1·24 h-1，因此在兩種恢復方式作用下蔗糖酶活性沒有明顯的變化規(guī)律。從圖3e 看出，兩種恢復方式作用下，過氧化氫酶活性差值變異較小，最大差值僅為0.121 ml·g-1·24 h-1，最小差值為0.004 ml·g-1·24 h-1，相比前四種土壤酶活性，過氧化氫酶活性受不同恢復方式的影響較小。

3.2 土壤酶活性與土壤肥力相關性分析

通過SPSS 相關性分析得到土壤酶活性與主要肥力因子指標間的相關系數(shù)(見表2)，結(jié)果表明在人工恢復方式下，蛋白酶活性與土壤全氮、全鉀之間相關關系極顯著（p＜0.01），與銨態(tài)氮相關關系顯著（p＜0.05）；磷酸酶活性、脲酶活性與土壤各肥力因子指標相關性不顯著（p＞0.05）；蔗糖酶活性與土壤有機質(zhì)間相關關系極顯著（p＜0.01）；過氧化氫酶活性與土壤全氮、全鉀之間相關關系極顯著（p＜0.01），與銨態(tài)氮、全磷之間相關關系顯著（p＜0.05）；并且，從表格中還發(fā)現(xiàn)，蛋白酶活性與磷酸酶活性、過氧化氫酶活性三者之間相關關系極顯著（p＜0.01）。

在自然恢復方式下脲酶活性與土壤有機碳、有機質(zhì)之間相關關系極顯著（p＜0.01），與全氮相關關系顯著（p＜0.05）；蛋白酶活性與有機碳之間相關關系極顯著（p＜0.01）；磷酸酶活性與土壤有機碳、無機磷之間相關關系顯著（p＜0.05）；蔗糖酶活性與土壤各肥力因子指標相關性不顯著（p＞0.05）；過氧化氫酶活性與土壤有機碳、銨態(tài)氮、全磷之間相關關系顯著（p＜0.05）；脲酶活性與蛋白酶活性之間相關關系極顯著（p＜0.01），與蔗糖酶活性、過氧化氫酶活性之間相關關系顯著（p＜0.05）；蛋白酶活性與磷酸酶活性、過氧化氫酶活性之間相關關系顯著（p＜0.05）；磷酸酶活性與過氧化氫酶活性之間相關關系極顯著（p＜0.01）。

結(jié)果說明，無論在何種恢復方式下，表現(xiàn)土壤肥力的各個指標與土壤這5 種酶活性之間都有一定的相關關系，如果用土壤酶活性來衡量土壤肥力時需綜合考慮各指標之間的相關關系分析。

圖 3 不同恢復方式下5 種土壤酶活性的變化特征Fig. 3 Variation characteristics of soil enzyme activities under different restoration modes

3.3 土壤酶活性與土壤肥力的冗余分析及排序

以土壤酶活性作為響應變量，土壤各肥力指標作為環(huán)境解釋變量，并結(jié)合不同采樣點，分別對不同恢復方式下土壤的酶活性進行冗余分析。結(jié)果表明：無論何種恢復方式下，RDA 排序圖（見圖4）顯示土壤酶活性受不同土壤肥力指標的影響效果存在明顯差異，對土壤酶活性的影響因子進行去趨勢分析，同時采用Monte Carlo 檢驗來檢測土壤肥力因子變量和土壤酶活性之間是否存在統(tǒng)計學意義上的顯著相關性。

從圖4 中各主要肥力因子的連線長度可以看出，在人工恢復方式下（見圖4a），有機質(zhì)的箭頭連線最長，由此可知，土壤有機質(zhì)與5 種土壤酶活性的相關性最大，并且與脲酶活性和蔗糖酶活性的相關性最為明顯?？傮w來看，8 種土壤肥力因子分別在冗余分析圖的第三、第四象限，說明這8 個環(huán)境因子與土壤酶活性存在負相關性較正相關性明顯；兩者連線夾角較小的有：蔗糖酶活性與有機質(zhì)因子、蛋白酶活性與全鉀因子、磷酸酶活性與銨態(tài)氮因子、過氧化氫酶活性與無機磷和銨態(tài)氮因子，說明以上酶活性受相對應的因子影響最大；在自然恢復方式下（見圖4b），全鉀、硝態(tài)氮因子與土壤酶活性的相關關系較小外，其余影響因子相關關系較大，全鉀在RDA 排序圖的第三象限，說明此環(huán)境因子與土壤酶活性存在負相關性，其余環(huán)境因子（有機碳、全氮、銨態(tài)氮、銨態(tài)氮、全磷、無機磷、有機質(zhì)）都分布在第一和第二象限，與土壤酶活性存在正相關性。兩者連線夾角較小的有：蛋白酶活性與有機質(zhì)因子、過氧化氫酶活性與硝態(tài)氮因子、蔗糖酶活性與銨態(tài)氮因子、磷酸酶活性與有機碳因子、脲酶活性與有機質(zhì)因子，說明以上酶活性受相對應的因子影響最大。

表 2 土壤酶活性與主要養(yǎng)分相關關系分析Tab. 2 Correlation coefficient between soil enzyme activity and main fertility factors under different restoration modes

圖 4 不同恢復方式下土壤酶活性與土壤肥力指標的冗余分析排序圖Fig. 4 Redundant analysis sequencing diagram of soil enzyme activity and soil fertility index under different restoration modes

從影響因子的RDA 排序結(jié)果來看（見表3）：人工恢復方式下，第一、二、三排序軸分別能夠解釋所有信息的91.1%、6.6%、2.2%，累計解釋信息量99.9%；自然恢復方式下，第一、二、三排序軸分別能夠解釋所有信息的88.6%、10.8%、0.4%，累計解釋信息量99.8%；因此，無論何種恢復方式下，前三個排序軸已能夠很好地解釋肥力因子與土壤酶活性的關系，并且主要是由第一排序軸的解釋量來決定。從表3 的RDA 分析結(jié)果顯示，人工恢復方式下，在第一排序軸上土壤肥力因子與土壤酶活性的顯著性排序為：有機質(zhì)＞全鉀＞全氮＞銨態(tài)氮＞硝態(tài)氮＞無機磷＞全磷＞有機碳。從典范特征值分析結(jié)果顯示，僅看第一排序軸的值可解釋肥力因子與土壤酶活性關系91.1%的信息量，比總的解釋信息量僅少8.9%，說明第一排序軸與肥力因子之間的線性結(jié)合能最大程度地反映肥力因子與酶活性的關系，并且排序的結(jié)果是可靠的。自然恢復方式下，在第一排序軸上土壤肥力因子與土壤酶活性的顯著性排序為：銨態(tài)氮＞無機磷＞全氮＞全磷＞硝態(tài)氮＞有機質(zhì)＞全鉀＞有機碳。從典范特征值分析結(jié)果顯示，僅選擇僅看第一排序軸的值可解釋肥力因子與土壤酶活性關系的88.6%的信息量，比總的解釋信息量僅少11.4%，說明第一排序軸與肥力因子之間的線性結(jié)合能最大程度地反映肥力因子與酶活性的關系，排序結(jié)果可靠。

表 3 不同恢復方式下土壤酶活性RDA 排序前三軸與主要肥力因子的相關系數(shù)Tab. 3 Correlation coefficient between the first three axes of soil enzyme activity RDA ranking and main fertility factors under different restoration modes

4 討論

通過人工恢復對創(chuàng)面進行柵格固定及任其在自然恢復方式生長植被，而植被的逐漸恢復使得返回土壤的枯落物、根系殘體及其根系分泌物逐漸增加，從而影響土壤肥力及土壤酶活性強度[13]。并且土壤酶在土壤養(yǎng)分循環(huán)以及植物生長所需養(yǎng)分的供給過程中扮演著重要角色，土壤酶活性的變化在一定程度上反映土壤和植被演替的規(guī)律，演替年限越長，土壤酶活性越高。本研究中除土壤過氧化氫酶活性受恢復方式的影響較小外，其余的脲酶活性、蔗糖酶活性、磷酸酶活性和蛋白酶活性受不同恢復方式的影響較顯著，說明可能不同恢復方式下土壤肥力及其他生物理化性質(zhì)對土壤酶活性產(chǎn)生了直接影響。并且相關研究表明土壤肥力在一定程度上受土壤酶活性影響[22]，土壤肥力水平與酶活性之間相關關系顯著[23]。本研究種不同恢復方式下土壤養(yǎng)分與酶活性有著不同程度的相關關系。進一步進行相關性分析及冗余分析則顯示，土壤總有機碳、全氮、有機碳、氨氮、全鉀等含量是與土壤酶活性相關性較強的因子。這是因為這5 種酶的功能都促進土壤碳氮磷養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，如蔗糖酶、過氧化氫酶是土壤有機質(zhì)分解的重要驅(qū)動力[24]，脲酶主要驅(qū)動土壤氮素轉(zhuǎn)化，磷酸酶則對土壤碳氮磷轉(zhuǎn)化都有促進作用[10,25]。本研究結(jié)果表明，無論在何種恢復方式下，土壤肥力的各個指標與土壤5 種酶活性之間都有顯著的相關關系，土壤酶活性在一定程度上可指示土壤肥力的結(jié)果與楊瑞[11]等人研究結(jié)果[26]相似。總之，土壤養(yǎng)分元素和酶相互作用相互影響，調(diào)節(jié)著土壤創(chuàng)面的生態(tài)環(huán)境，促進植被生長，土壤發(fā)育。

5 結(jié)論

在自然恢復和人工恢復下，同種土壤酶活性變化有所不同。不同恢復方式下脲酶活性變化差異較大，最大差值為4.295 mg·g-1·24 h-1，在自然恢復方式下對于大部分采樣點的脲酶活性值產(chǎn)生正反饋作用；蛋白酶活性的變化差異不大，均在1 mg·g-1·24 h-1以下，最大差值僅為0.77 mg·g-1·24 h-1，無論何種恢復方式下對土壤蛋白酶活性的影響不大。人工恢復下磷酸酶活性均小于自然恢復狀態(tài)下的磷酸酶活性；蔗糖酶活性變化差異較大，最大差值為6.867 mg·g-1·24 h-1，最小差值為0.352 mg·g-1·24 h-1，在兩種恢復方式作用下蔗糖酶活性沒有明顯的變化規(guī)律；相比前四種土壤酶活性，過氧化氫酶活性受不同恢復方式的影響較小，最大差值僅為0.121 ml·g-1·24 h-1，最小差值為0.004 ml·g-1·24 h-1。

無論在何種恢復方式下，表現(xiàn)土壤肥力的各個指標與土壤這5 種酶活性之間在0.05 級別和0.01 級別（雙尾）都存在相關性顯著，有的存在負相關性，有的存在正相關性。

從RDA 排序圖來看，在人工恢復方式下，8 種土壤肥力因子與土壤酶活性存在負相關性較正相關性明顯；在自然恢復方式下，全鉀、硝態(tài)氮因子與土壤酶活性的相關關系較小外，其余影響因子相關關系較大，全鉀環(huán)境因子與土壤酶活性存在負相關性，其余環(huán)境因子（有機碳、全氮、銨態(tài)氮、銨態(tài)氮、全磷、無機磷、有機質(zhì)）與土壤酶活性存在正相關性。

從影響因子的RDA 排序結(jié)果來看：人工恢復方式下，土壤肥力因子與土壤酶活性的顯著性排序為：有機質(zhì)＞全鉀＞全氮＞銨態(tài)氮＞硝態(tài)氮＞無機磷＞全磷＞有機碳；自然恢復方式下，顯著性排序為：銨態(tài)氮＞無機磷＞全氮＞全磷＞硝態(tài)氮＞有機質(zhì)＞全鉀＞有機碳，第一排序軸分別能夠解釋人工恢復與自然恢復所有信息的91.1%、88.6%。