涂志華, 周凌峰, 黃艷萍, 陳夙怡, 陳金輝, 李勝男

(1.海南大學(xué) 林學(xué)院 熱帶特色林木花卉遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新教育部重點實驗室, 海南 海口 570228;2.海南省熱帶珍稀名貴樹種工程研究中心, 海南 ?？?570228; 3.海南五指山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 海南 ?？?570228; 4.海南省建設(shè)項目規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司, 海南 ?？?570203)

德國微生物學(xué)家Lorenz Hiltner于1904年提出根際(rhizosphere)是指植物根系周圍距根系表面數(shù)毫米的微土壤區(qū)域，受根系活動強烈影響[1-3]，是根系—土壤—微生物三者相互作用圍繞根系進行生物地球化學(xué)循環(huán)最活躍的區(qū)域[4-6]。植物根系分泌物及根系凋落物持續(xù)輸入根際土壤，改變根際區(qū)營養(yǎng)環(huán)境，根際土壤生物學(xué)特征區(qū)別于非根際土壤，存在明顯的“根際效應(yīng)”[7-9]。研究表明，根際土壤酶作為根際效應(yīng)重要的驅(qū)動者，影響根際養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與利用[3-4,10]。土壤酶作為土壤中的生物催化劑，是土壤生物化學(xué)過程中的重要參與者，直接影響著土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動[11-12]。土壤酶調(diào)節(jié)有機質(zhì)的分解，是評價土壤質(zhì)量變化的重要生物指標之一[10-12]，其活性與土壤物理生物化學(xué)性質(zhì)及水熱條件密切相關(guān)[12-13]，對環(huán)境變化比較敏感，不同植被類型其季節(jié)動態(tài)特征具有很大差異[13-14]。因此，開展土壤酶活性及其根際效應(yīng)對認識區(qū)域土壤質(zhì)量變化以及土壤酶介導(dǎo)的根際生態(tài)過程具有重要意義。

熱帶云霧林是陸地生態(tài)系統(tǒng)熱帶森林的重要組成部分，僅占世界熱帶森林面積的2.5%，具有生物多樣性價值高，保持水土、涵養(yǎng)水源等重要生態(tài)服務(wù)功能[15-16]，在維持全球碳氮平衡和應(yīng)對氣候變化等方面都發(fā)揮重要的作用[17]。海南島熱帶云霧林主要分布在海拔1 200 m以上的林區(qū)，常被云霧縈繞且土壤含水量常處于飽和狀態(tài)[18]，是海南中西部地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū)。該區(qū)域熱帶云霧林是水生態(tài)安全的重要保障，隨著水環(huán)境安全問題的重視，從土壤酶學(xué)角度分析熱帶云霧林不同植被發(fā)揮水土保持功能對認識如何提升水源涵養(yǎng)林的生態(tài)功能保護和建設(shè)具有重要意義。近年來，針對海南云霧林的研究主要集中在群落結(jié)構(gòu)特征、環(huán)境特征、植物多樣性、植物功能性狀分異規(guī)律、植物葉片養(yǎng)分特征等方面開展研究[18-21]，而對根際土壤酶如何介導(dǎo)根際生態(tài)過程中養(yǎng)分循環(huán)與轉(zhuǎn)化的作用鮮見報道，制約著熱帶云霧林發(fā)揮保育土壤、水源涵養(yǎng)功能的準確評估。因此，本研究以海南島黎母山林區(qū)熱帶云霧林為研究對象，分析嶺南青岡、羅浮錐、細枝柃3種主要優(yōu)勢樹種根際與非根際土壤酶活性差異及其季節(jié)動態(tài)變化特征，探討土壤酶活性季節(jié)變化的影響因子，以期更加深入揭示熱帶云霧林土壤酶在根際生態(tài)過程中碳、氮養(yǎng)分循環(huán)機制中的作用，為準確評估熱帶云霧林發(fā)揮保育土壤、水源涵養(yǎng)功能及區(qū)域水源涵養(yǎng)林管理和建設(shè)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南黎母山國家自然保護區(qū)(109°39′05″—109°48′31″E，19°07′22″—19°14′03″N)，是海南島保存較好的熱帶原始林地區(qū)之一，該區(qū)屬于熱帶海洋季風(fēng)氣候，四季不明顯氣候，終年溫暖濕潤，雨量充沛。主峰黎母嶺海拔1 411.7 m。區(qū)內(nèi)年平均氣溫23.1 ℃，年平均降雨量為2 343.1 mm，年平均相對濕度84%，平均年蒸發(fā)量為1 617.8 mm。土壤類型主要為磚紅壤、赤紅壤和山地黃壤。區(qū)域內(nèi)植物資源豐富，野生維管植物190科759屬1 490種。在保護區(qū)內(nèi)熱帶云霧林內(nèi)各布設(shè)3塊50 m×50 m樣地(109°45′58″—109°46′00″E，19°10′58″—19°11′07″N)，海拔為1 340～1 350 m，樣地土壤類型為山地黃壤，優(yōu)勢樹種主要有：嶺南青岡(Cyclobalanopsischampionii)，羅浮錐(Castanopsisfabri)，細枝柃(Euryaloquaiana)[20]。

1.2 樣品采集

在樣地內(nèi)每個優(yōu)勢樹種(嶺南青岡、羅浮錐、細枝柃)選擇標準木5株，根際土壤樣品采集采用抖落法[22]，具體方法：除去地表枯落物，挖取有主根及須根的土體，先輕輕抖落不含根系的大塊土壤，用小刀刮下附著在根系周圍的土壤為非根際土壤(non-rhizosphere soil，用S表示)；用毛刷收集經(jīng)抖落后依然黏附在根系周圍的土壤(0—5 mm)為根際土即(rhizosphere soil，用R表示)，將收集的根際土與非根際土充分混勻并裝入無菌自封袋內(nèi)。新鮮土壤樣品分兩份，一份放置于裝有冰袋的保溫箱內(nèi)，立即帶回實驗室，用于測定土壤酶活性；另一份帶回實驗室后風(fēng)干，過篩用于測定土壤理化性質(zhì)。樣品采集時間為2019年2—12月，每月采集樣品一次，每次取樣在每個樣地相同的樣點進行，即在前一次采樣點附近取樣，盡量保持土壤樣本的一致性。

1.3 分析測定

土壤化學(xué)性質(zhì)采用魯如坤的分析方法[23]，土壤含水量采用105 ℃烘干恒重法測定，土壤有機碳含量用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定，土壤全氮用凱氏定氮法測定，速效氮堿解擴散法法，土壤全磷、速效磷采用鉬銻抗比色法，全鉀、速效鉀采用火焰光度計法。土壤酶活性采用關(guān)松蔭的分析方法[24]。土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，以24 h后1 g土壤生成葡萄糖毫克數(shù)表示〔mg/(g·d)〕；土壤脲酶活性采用苯酚鈉—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〔mg/(g·d)〕；土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，以1 g土壤消耗0.1 mol/L KMnO4的毫升數(shù)表示〔mL/(g·h)〕；土壤酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定，以24 h后1 g土壤釋放酚的毫克數(shù)表示〔mg/(g·d)〕。

土壤酶根際效應(yīng)(rhizosphere effect，RE)采用如下公式進行分析：

RE=〔(根際土壤含量—非根際土壤含量)/

非根際土壤含量〕×100%

根際效應(yīng)可反映植物根際酶活性富集效應(yīng)的強弱，RE>0為根際正效應(yīng)，RE<0為根際負效應(yīng)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 18.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析不同優(yōu)勢樹種土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶含量以及根際效應(yīng)的差異顯著性，并利用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較分析(α=0.05)，采用Origin 8.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤蔗糖酶活性季節(jié)動態(tài)變化

嶺南青岡、羅浮錐、細枝柃根際與根際土壤蔗糖酶活性的動態(tài)變化明顯，2—7月逐漸增大，8月達到峰值，而后9—12月逐漸降低，均呈現(xiàn)單峰型曲線變化趨勢，動態(tài)變化顯著(p<0.05)(圖1)。

注：圖中不同小寫字母表示同一時間不同樹種之間差異顯著(p<0.05)。下同。

如圖1所示，在5—10月嶺南青岡、羅浮錐、細枝柃差異顯著；而在2，3，4，11，12月，嶺南青岡、羅浮錐差異不顯著，但顯著大于細枝柃。不同樹種根際土壤蔗糖酶活性存在顯著差異(p<0.05)。嶺南青岡、羅浮錐、細枝柃根際土壤蔗糖酶活性動態(tài)變幅分別為：33.82～79.73，32.61～77.06，30.20～64.39 mg/(g·d)，其均值表現(xiàn)為：嶺南青岡〔51.49±15.76 mg/(g·d)〕>羅浮錐〔48.34±14.98 mg/(g·d)〕>細枝柃〔42.45±12.35 mg/(g·d)〕，嶺南青岡顯著大于細枝柃(p<0.05)。3個樹種根際土壤蔗糖酶活性均顯著高于非根際(p<0.05)，不同月份動態(tài)變化中，嶺南青岡、羅浮錐、細枝柃非根際土壤蔗糖酶活性變幅分別為27.27～65.21，26.45～63.53，23.71～56.86 mg/(g·d)，其根際比變幅分別為：1.05～1.26，1.08～1.29，1.10～1.33。

2.2 土壤脲酶活性季節(jié)動態(tài)變化

嶺南青岡、羅浮錐、細枝柃根際與非根際土壤脲酶活性的動態(tài)變化趨勢與土壤蔗糖酶活性相似，從2月始逐漸增大，8月上升至峰值后逐漸下降，均呈現(xiàn)單峰型變化，月際動態(tài)變化顯著(p<0.05)(圖2)。不同樹種根際土壤脲酶活性月份變幅分別為1.01～2.54，0.99～2.50，0.60～2.05 mg/(g·d)，最大值分別為最小值的2.51，2.52，3.11倍；其均值表現(xiàn)為：嶺南青岡〔1.48±0.53 mg/(g·d)〕>羅浮錐〔1.43±0.50 mg/(g·d)〕>細枝柃〔1.09±0.48 mg/(g·d)〕，嶺南青岡與羅浮錐差異不顯著，但顯著大于細枝柃(p<0.05)，分別是羅浮錐、細枝柃的1.03，1.36倍。3個樹種根際土壤脲酶活性均顯著高于非根際(p<0.05)，不同月份動態(tài)變化中，嶺南青岡、羅浮錐、細枝柃非根際土壤脲酶活性變幅分別為0.48～1.83，0.45～1.81，0.28～1.70 mg/(g·d)，其根際比變幅分別為：1.39～2.10，1.38～2.21，1.20～2.15。

圖2 海南島黎母山熱帶云霧林根際與非根際土壤脲酶活性動態(tài)變化

2.3 土壤過氧化氫酶酶活性季節(jié)動態(tài)變化

嶺南青岡、羅浮錐、細枝柃根際與非根際土壤過氧化氫酶活性的動態(tài)變化呈現(xiàn)單峰型變化，月份動態(tài)變化顯著(p<0.05)(圖3)，從2月開始逐漸增大，8月上升至峰值后逐漸下降。不同樹種根際土壤過氧化氫酶活性月際變幅分別為16.08～33.19，16.07～31.69，8.44～24.20 ml/(g·h)；其均值表現(xiàn)為：嶺南青岡〔22.65±5.81 ml/(g·h)〕>羅浮錐〔21.50±5.43 ml/(g·h)〕>細枝柃〔13.99±5.45 ml/(g·h)〕，嶺南青岡與羅浮錐差異不顯著，但顯著大于細枝柃(p<0.05)，分別是羅浮錐、細枝柃的1.05，1.62倍。3個樹種根際土壤過氧化氫酶活性均顯著高于非根際(p<0.05)，不同月份動態(tài)變化中，嶺南青岡、羅浮錐、細枝柃非根際土壤過氧化氫酶活性變幅分別為9.45～19.60，8.71～19.17，6.79～16.75 ml/(g·h)，其根際比分別為：1.73±0.10，1.76±0.08，1.36±0.12。

圖3 海南島黎母山熱帶云霧林根際與非根際土壤過氧化氫酶動態(tài)變化

2.4 土壤酸性磷酸酶活性季節(jié)動態(tài)變化

由圖4可知，嶺南青岡、羅浮錐、細枝柃根際與非根際土壤酸性磷酸酶活性的動態(tài)變化呈現(xiàn)單峰型變化，月際動態(tài)變化顯著(p<0.05)，2—7月逐漸增大，8月達到峰值，而后9—12月逐漸降低。不同樹種根際土壤酸性磷酸酶活性月際變幅分別為2.36～6.46，1.62～5.71，1.86～4.96 〔mg/(g·d)〕，最大值分別為最小值的2.74，3.52，2.67倍；其均值表現(xiàn)為：嶺南青岡〔4.09±1.34 mg/(g·d)〕>羅浮錐〔3.57±1.32 mg/(g·d)〕>細枝柃〔3.08±0.98 mg/(g·d)〕，嶺南青岡顯著與大于羅浮錐、細枝柃(p<0.05)，分別是羅浮錐、細枝柃的1.14，1.33倍。

圖4 海南島黎母山熱帶云霧林根際與非根際土壤酸性磷酸酶活性動態(tài)變化

3個樹種根際土壤酸性磷酸酶活性均顯著高于非根際(p<0.05)，不同月份動態(tài)變化中，嶺南青岡、羅浮錐、細枝柃非根際土壤酸性磷酸酶活性變幅分別為1.22～4.09，0.85～4.07，0.93～3.84 mg/(g·d)，其根際比分別為：1.86±0.25，1.88±0.29，1.83±0.30。

2.5 土壤酶活性根際效應(yīng)

土壤酶活性的根際效應(yīng)動態(tài)變化趨勢總體呈“U”字型變化(圖5)，從2月開始逐漸下降，7—8月降至谷值后逐漸增大。土壤酶活性根際效應(yīng)均為正效應(yīng)(根際效應(yīng)>0)。嶺南青岡、羅浮錐、細枝柃土壤蔗糖酶活性根際效應(yīng)變幅分別：4.66%～25.86%，7.54%～28.76%，10.11%～32.81%；其均值分別為18.15±6.94%，17.49±6.46%，19.90±8.89%，3個樹種差異不顯著(p>0.05)；土壤脲酶活性根際效應(yīng)變幅分別：50.28%～112.97%，37.61%～121.26%，20.44%～115.47%；其均值分別為72.26±26.06%，71.52±24.04%，67.65±27.01%，3個樹種差異不顯著(p>0.05)；土壤過氧化氫酶活性根際效應(yīng)變幅分別：60.68%～91.56%，65.31%～91.20%，24.28%～64.17%；其均值分別為73.95±9.65%，76.28±8.45%，36.25±12.16%，嶺南青岡、羅浮錐差異不顯著，但顯著大于細枝柃(p>0.05)；土壤酸性磷酸酶活性根際效應(yīng)變幅分別：57.67%～121.65%，34.30%～122.49%，29.12%～116.11%；其均值分別為85.73±24.54%，88.01±29.26%，83.97±29.67%，3個樹種差異不顯著(p>0.05)。

圖5 海南島黎母山熱帶云霧林土壤酶活性根際效應(yīng)動態(tài)變化

2.6 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析

由表1可知，在根際與非根際土壤中，土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶與有機碳、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀呈極顯著相關(guān)(p<0.01)，土壤酶活性總體與速效養(yǎng)分的相關(guān)性大于全氮、全磷、全鉀；但與土壤含水量、pH值相關(guān)性不顯著(p>0.05)。

表1 海南島黎母山熱帶云霧林根際與非根際土壤酶活性與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析

3 討 論

3.1 土壤酶活性的動態(tài)變化

土壤酶活性季節(jié)動態(tài)變化是一個復(fù)雜的生物化學(xué)生態(tài)過程，受到了氣候因子、土壤水熱條件、土壤理化性質(zhì)、植被類型等的影響[10-14]，本研究中，不同樹種根際與非根際土壤酶活性月際動態(tài)變化顯著，峰值出現(xiàn)在雨季8月。這與前人研究結(jié)果一致，例如，韓國君等[11]研究表明土壤酶活性在6月相對高于3月與12月，不同植物與季節(jié)交互作用顯著影響著土壤酶活性。裴丙等[13]研究表明太行山南麓5個林齡側(cè)柏人工林土壤酶活性季節(jié)變化明顯，峰值在夏季，谷值在冬季。朱海強等[14]研究也表明濕地不同植物群落類型土壤酶活性具有明顯季節(jié)變化，峰值在旺盛期的8月。Dien等[25]研究認為土壤酶活性高峰值出現(xiàn)在7—8月。這可能是夏季氣溫穩(wěn)定在較高水平，本研究區(qū)5—10月為雨季，降雨較多，水熱條件較為適宜，植物生長旺盛，根系生長活力增強，根際分泌物水平增大[7]，土壤微生物生長繁殖旺盛[13-14,25]，從而促進了土壤酶活性的提高。而在11月至翌年4月為干旱季，水分條件處于較低水平，溫度較低，有機質(zhì)分解減弱，根系生長活力下降，土壤微生物活性受到一定的抑制，因此土壤酶活性降低[13,25]。本研究表明3中優(yōu)勢植物土壤酶活性存在差異，主要是由于土壤酶來源于植物根系、微生物及動植物殘體的分泌或釋放[13,25]，不同植物細根產(chǎn)量及根系分泌物存在差異，土壤微生物區(qū)系不一且數(shù)量與質(zhì)量差異較大，加之凋落物分解提供碳源和能源存在差異，導(dǎo)致不同植被土壤酶活性不同[10-11,14,26]。

3.2 土壤酶活性根際效應(yīng)的動態(tài)變化

植物通過根系攝取生長所需的養(yǎng)分，在根土界面層根際微環(huán)境由于根系與微生物活動的強烈影響，根際區(qū)物質(zhì)和能量交換十分頻繁，具有明顯的根際效應(yīng)[1-2,6]。研究表明植物類型差異與根際吸收養(yǎng)分速率有關(guān)，受到根際吸收影響，土壤養(yǎng)分可表現(xiàn)為富集或虧缺[3-4]。本研究3種樹種根際土壤酶活性大于非根際土壤，呈顯著的根際效應(yīng)，表現(xiàn)為根際富集作用。這與范周周等[3]、田平雅等[4]、王小平等[7]、李麗娟等[10]研究結(jié)果一致，這主要是根系不斷的分泌化合物以及細根凋落物分泌或釋放酶類物質(zhì)進入根際土壤，同時向根際區(qū)輸入易于被土壤微生物利用的有機物[3-4]，為土壤微生物提供大量碳源和能量，微生物的代謝活動增強[7,10]，進而促進土壤酶活性。有研究表明，根際區(qū)土壤微生物數(shù)量是非根際區(qū)的19～32倍以上，根際區(qū)土壤微生物活性是非根際區(qū)的10倍以上[1-2]，微生物不斷的向周圍介質(zhì)分泌酶，極大的提高根際土壤酶活性[7]。土壤酶活性的提高，有利于土壤速效養(yǎng)分的在根際區(qū)積累，影響土壤養(yǎng)分循環(huán)[10]。本研究表明土壤酶根際效應(yīng)表現(xiàn)為：酸性磷酸酶>脲酶>過氧化氫酶>蔗糖酶，這與黃娜等[26]研究結(jié)果土壤脲酶根際效應(yīng)>蛋白酶>酸性磷酸酶不一致，這主要可能是不同植被根系分泌物的組成、數(shù)量與質(zhì)量差異，且不同植物根系分布特征、細根的發(fā)達程度及根系凋落物的分解存在明顯的差異，加之根系穿插影響土壤團聚體粒徑及細根的根際沉積，進而影響土壤酶活性根際效應(yīng)[3-4,10,27]。有研究指出土壤酶活性與土壤養(yǎng)分循環(huán)有直接關(guān)系[10]，相關(guān)分析可知，在根際和非根際土壤酶活性與土壤C，N，P養(yǎng)分具有顯著相關(guān)性，說明了土壤酶活性與C，N，P養(yǎng)分具有協(xié)同作用，可以在一定程度上反映養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與周轉(zhuǎn)效率的生物學(xué)指標[25-27]。這主要是因為酶活性的提高，加速了有機質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化，增加了土壤營養(yǎng)成分的有效性[7-9]。

4 結(jié) 論

熱帶云霧林嶺南青岡、羅浮錐、細枝柃3個樹種對土壤酶活性的影響顯著，其根際與非根際酶活性具有明顯的季節(jié)動態(tài)變化，呈單峰型變化趨勢。根際土壤酶活性均高于非根際土壤，表現(xiàn)為根際正根際效應(yīng)，且根際效應(yīng)顯著，土壤脲酶、過氧化氫酶和酸性磷酸酶根際效應(yīng)大于蔗糖酶根際效應(yīng)，表明在根際區(qū)有利于土壤脲酶、過氧化氫酶和酸性磷酸酶富集，截留效應(yīng)更大。本研究區(qū)土壤酶活性及其季節(jié)變化的主導(dǎo)控制因子可能與土壤有機質(zhì)和N，P，K養(yǎng)分限制有關(guān)，而不同植物生長特性、凋落物分解歸還、根系分泌物等也可能影響土壤C，N，P養(yǎng)分的可利用特性，導(dǎo)致不同植物類型土壤酶活性及其季節(jié)變化的差異，雨季旱季的降雨格局變化及臺風(fēng)雨的干擾也影響著土壤微生物進而影響著土壤酶活性，因而對于降雨格局變化、凋落物特性、根系分泌物及土壤微生物區(qū)系對土壤酶活性的影響有待進一步深入研究。