高山栎天然林土壤有机质及酶活性的通径分析*

赵维娜，陈奇伯，王艳霞，聂蕾，杨媛媛

(西南林业大学 环境科学与工程学院，云南　昆明 650224)



高山栎天然林土壤有机质及酶活性的通径分析*

赵维娜，陈奇伯，王艳霞，聂蕾，杨媛媛

(西南林业大学 环境科学与工程学院，云南昆明 650224)

为探究高山栎天然林土壤生物学特性对土壤养分的影响，运用通径分析法，研究了云南省玉溪市磨盘山国家森林公园内的高山栎天然林土壤养分与土壤酶活性、微生物数量之间的关系。结果表明，土壤脲酶、过氧化氢酶、转化酶活性及细菌、放线菌、真菌、微生物总数量都是随着土层深度增加逐渐减小；影响土壤pH值的重要因素是脲酶、过氧化氢酶、转化酶活性与真菌数量；影响有机质、全氮、速效磷的重要因素是脲酶、过氧化氢酶、转化酶；影响土壤碱解氮的主要因子是脲酶、过氧化氢酶、真菌数量。总的来说，高山栎天然林土壤养分受土壤酶活性影响较大，受微生物数量影响较小。

通径分析；高山栎天然林；土壤养分；土壤酶活性；土壤微生物数量

土壤养分、酶活性和微生物是土壤生态系统的重要组成成分。土壤酶能催化土壤中有机残留物的分解以及在促进养分循环中起重要作用，反映土壤中进行的各种生物化学过程的强度和方向[1～3]。土壤微生物在土壤物质转化中具有重要作用，与土壤肥力有密切关系[4～6]。土壤酶活性及微生物是构成土壤微生态环境的两个重要组分，是决定土壤功能的两个关键性因素[7～8]，因此对土壤养分受生物学特性影响的探究有助于人们更全面地评价森林土壤生态系统内部影响机制。目前的研究中常见的有脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶等及其与土壤有机质、全氮、水解氮、全磷、速效磷等肥力因素存在的相关关系，微生物数量与土壤理化性质也存在不同程度的相关性[9～10]。但对土壤养分、酶活性、微生物数量之间具体关系有待研究。

高山栎(Quercusaquifolioides)是重要的水土保持和水源涵养树种[11]。目前对川滇高山栎的研究较多，如分析其土壤颗粒组成[12]、理化性质、酶活性、微生物多样性[13]等，可为川滇高山栎林土壤质地评价、碳氮循环及土壤呼吸等研究积累基础资料。研究表明，土壤性质的不同对酶活性产生的影响不同[10,14～15]，而土壤生物学性质对土壤养分的影响研究不多。通径分析能够全面考查变量之间的相互关系，消除变量之间的混淆，真实地表现出各自变量和因变量之间的关系[16]。本文选取高山栎天然林土壤作为研究对象，采用将相关分析与通径分析相结合的方法，探讨土壤养分受酶活性、微生物数量影响的关系，为全面评价高山栎林土壤质量及土壤养分与生物学性质间的联系提供依据。

1　材料与研究方法

1.1研究区概况

磨盘山国家森林公园位于玉溪市新平县，其地理位置为北纬23°46′～23°54′，东经101°16′06″～101°16′12″，海拔1 260.0～2 614.4m。年平均气温15℃，年平均降雨量为1 050mm，全年日照时数2 380h。选取样地的基本概况为林龄60～70年的高山栎天然林，海拔2 460m，坡度15°，坡向南偏西45°，郁闭度1.0，土壤类型黄棕壤，主要的林下植被有高山栎、白栎(QuercusfabriHance)、白杜鹃(Exochordaracemosa)、地檀香(Gaultheriaforrestii)、厚皮香(TernstroemiagymnantheraSprague)、南烛(VacciniumbracteatumThunb.)、铁籽(EuryapyracanthifoliaP.S.Hsu)、越桔(Vacciniumvitis-idaeaLinn.)、云南含笑(MicheliayunnanensisFranch.)、云南山茶(CamelliareticulataLindl.)、珍珠花(SpiraeathunbergiiSieb.)、柃木(EuryajaponicaThunb.)、马缨杜鹃(RhododendrondelavayiFranch.)、雪花构(DaphnepapyraceaWall.ex Steud.)、桤木(AlnuscremastogyneBurk.)、新樟(NeocinnamomumdelavayiLiou)等。

1.2材料

2014年11月对磨盘山国家森林公园进行了全面踏查，并选择40年的高山栎天然林的林地土壤作为研究对象。在研究区内分别设置3个20m×20m的标准地，并在标准样地内沿对角线设置3个典型采样点，每个采样点去除表层枯枝落叶，挖掘土壤剖面，分别在0～20cm、20～40cm、40～60cm的土层各采集3个环刀和铝盒样品用于物理性质测定，同时分层采集各土壤样品用于化学指标和生物指标的测定。其中用于土壤酶活性和土壤微生物数量分析的鲜土采集后立即放在冰箱内4℃保存，其余土样带回实验室后经过阴干研磨，分别过1.00mm、0.25mm筛，装袋待测。

1.3测定方法

土壤有机质采用K2Cr2O7外加热法测定，土壤全氮采用扩散法测定，碱解氮采用碱解—扩散法测定，土壤全磷、速效磷采用钼锑抗比色法测定，土壤全钾、速效钾采用火焰光度法测定，土壤pH值采用电位法测定[17]。

脲酶活性采用苯酚钠比色法测定，过氧化氢酶活性采用容量法(高锰酸钾滴定法)测定，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[18]。土壤微生物数量采用稀释平板分离计数法测定，细菌数量采用牛肉膏蛋白胨培养基培养法测定，放线菌数量采用高氏1号培养基培养法测定，真菌数量采用孟加拉红培养基培养法测定[19]。

1.4数据处理

采用Excel对数据进行整理，运用SPSS 22.0软件进行数据分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验4种土壤酶活性的显著性，对所有数据进行方差齐性检验，采用回归模型拟合土壤酶活性、微生物数量与土壤理化性质的相关关系并进行通径分析。

2　结果与分析

2.1土壤理化性质

高山栎林下的土壤养分见表1。高山栎天然林土壤pH值随着土层深度的增加而增大。土壤全钾含量随着土层深度增加增大，土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、速效钾含量均是随着土层深度增加而减少。由显著性差异分析可知，随着土层深度的增加，土壤的理化性质各指标中除全磷、速效磷、全钾以外的其他指标在表层土壤的含量与底层土壤的含量达到显著差异。

表1　磨盘山国家森林公园高山栎天然林土壤养分含量Tab.1　Soil nutrient content of Quercus aquifolioides natural forest in Mopanshan National Forest Park

注：同一列不同小写字母表示在显著水平0.05下差异显著，表2～表3同。

2.2土壤酶活性与微生物数量

高山栎林下的土壤酶活性见表2。由表2可知，土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性都是随着土层深度增加而逐渐减小。

土壤微生物数量见表3。由表3可知，在0～20cm、20～40cm、40～60cm的土层中3种微生物的数量都是呈现出相同的规律:细菌>放线菌>真菌。随着土壤深度的增加，土壤中细菌、放线菌、真菌、微生物总数量都是逐渐减少的。

表2　磨盘山国家森林公园高山栎林土壤酶活性Tab.2　Soil enzymes activities of Quercus aquifolioides natural forest in Mopanshan National Forest Park

表3　磨盘山国家森林公园高山栎林土壤微生物数量Tab.3　Soil microbial quantity of Quercus aquifolioides natural forest in Mopanshan National Forest Park

2.3土壤养分与土壤生物学特性之间的相互关系

2.3.1土壤养分与生物学特性间关系的相关分析

土壤养分与土壤生物学特性的相关关系见表4。土壤pH值与脲酶、真菌数量间呈显著负相关关系(p<0.05)，与过氧化氢酶呈极显著负相关关系(p<0.01)；土壤有机质与过氧化氢酶、转化酶呈极显著正相关关系(p<0.01)；土壤全氮与过氧化氢酶呈显著正相关关系(p<0.05)，与转化酶呈极显著正相关关系(p<0.01)；土壤碱解氮与脲酶、转化酶呈显著正相关关系，与过氧化氢酶呈极显著正相关关系(p<0.01)；土壤全磷、全钾、速效钾与生物学特性各指标没有显著的相关关系(p>0.05)；土壤速效磷与过氧化氢酶活性呈显著正相关关系，与脲酶呈极显著正相关关系(p<0.01)。

表4　土壤养分与生物学特性的相关分析Tab.4　Relative analysis between soil nutrient and biological characterastics

注：**相关性在 0.01 水平上显著；*相关性在 0.05 水平上显著。

2.3.2土壤养分与生物学特性间关系的通径分析

将土壤养分和酶活性、微生物数量进行多元回归分析，得到标准化多元回归方程：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分别为土壤pH值、有机质、全氮、碱解氮、速效磷，B1为脲酶活性，B2为过氧化氢酶活性，B3为转化酶活性，B4为细菌数量，B5为放线菌数量，B6为真菌数量。

表5　土壤养分与土壤酶活性、微生物数量的通径系数Tab.5　The path coefficient of soil nutrient ,soil enzyme activities and microbial quantity

注：划横线的数据为直接通径系数，其他为间接通径系数。

土壤生物学特性对土壤pH值的直接作用系数大小顺序为真菌数量、过氧化氢酶、转化酶、脲酶、放线菌数量、细菌数量。土壤真菌对土壤pH值产生的直接负效应较大，与通过过氧化氢酶、转化酶产生的间接负效应累加，使得土壤真菌数量与土壤pH值呈负相关关系；土壤过氧化氢酶对pH产生的直接效应较大，其次是过氧化氢酶通过脲酶、转化酶、真菌数量产生的间接效应；土壤脲酶与转化酶都是通过过氧化氢酶产生的间接效应较大，其次是其自身的直接效应、通过真菌数量、脲酶、细菌数量产生的间接效应；土壤细菌数量与放线菌数量都是通过自身的直接效应及真菌数量产生的间接效应作用于土壤pH值(表5)。

土壤生物学特性中过氧化氢酶对土壤有机质具有较大的直接正效应，其次是脲酶、转化酶、细菌数量、放线菌数量、真菌数量的直接作用。过氧化氢酶、脲酶、转化酶分别通过其他两种酶产生的间接效应也较大；而细菌数量通过自身的直接效应和脲酶、过氧化氢酶产生的间接作用较通过其他因子的间接作用大，放线菌数量亦是如此，真菌数量通过脲酶、过氧化氢酶、转化酶产生的间接作用及其自身的直接作用较大(表5)。

土壤过氧化氢酶活性对土壤全氮具有较大的直接正效应，其次是脲酶、转化酶、真菌数量、细菌数量、放线菌数量。除了3种酶的直接作用，过氧化氢酶、脲酶、转化酶分别通过其他两种酶产生的间接效应也较大；而真菌数量通过脲酶、过氧化氢酶、转化酶产生的间接作用及其自身的直接作用较大，细菌数量、放线菌数量均是通过自身的直接作用较大(表5)。

影响土壤碱解氮的直接作用系数大小顺序依次为过氧化氢酶、脲酶、真菌数量、细菌数量、放线菌数量、转化酶。过氧化氢酶活性通过其自身的直接效应、通过脲酶产生的间接效应远大于通过其他因子产生的间接效应；土壤脲酶、转化酶对土壤碱解氮的影响主要也是通过脲酶、过氧化氢酶产生的作用；土壤细菌数量主要是通过其自身产生的直接效应作用于碱解氮，其次是通过过氧化氢酶、真菌数量、脲酶产生的间接效应；土壤放线菌主要也是通过自身的直接效应作用于碱解氮，其次是通过过氧化氢酶、脲酶、真菌数量产生的间接效应；土壤真菌数量主要是通过其自身的直接效应和通过过氧化氢酶产生的间接效应作用于碱解氮(表5)。

影响土壤速效磷的直接作用系数的大小顺序依次为脲酶、过氧化氢酶、放线菌数量、细菌数量、真菌数量、转化酶。土壤脲酶通过自身的直接效应及通过过氧化氢酶产生的间接效应远大于其他因子的间接效应；土壤过氧化氢酶也是通过脲酶产生的间接效应及其自身的直接效应大于其他因子产生的间接效应；土壤转化酶通过脲酶、过氧化氢酶产生的间接效应及其自身产生的直接效应较大；细菌数量、放线菌数量均是主要是通过自身的直接效应、通过脲酶、过氧化氢酶、真菌数量产生的间接效应作用于速效磷，真菌数量主要是通过自身的直接效应作用于速效磷(表5)。

表6　磨盘山高山栎林土壤养分与土壤酶活性、微生物数量通径分析的决定系数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位对酶活性有影响的决定系数。

2.3.3土壤养分与生物学特性间关系的决定系数

由表6可知，(1)土壤真菌数量的直接作用对pH值影响最大，决定系数达到0.123，其次过氧化氢酶的直接作用、脲酶通过过氧化氢酶产生的间接作用、过氧化氢酶通过真菌数量、转化酶产生的间接作用，因此脲酶、过氧化氢酶、转化酶活性与真菌数量是影响土壤pH值的重要因素；(2)有机质与全氮的影响因素基本一致，对二者影响程度最大的是脲酶通过过氧化氢酶产生的间接作用，其次是过氧化氢酶的直接作用、脲酶的直接作用、脲酶与过氧化氢酶通过转化酶产生的间接作用，因此脲酶、过氧化氢酶、转化酶是影响土壤中有机质与全氮的重要因素；(3)对碱解氮影响程度最大的是脲酶通过过氧化氢酶产生的间接作用，其次是过氧化氢酶与脲酶的直接作用、过氧化氢酶通过真菌数量产生的间接作用、真菌数量的直接作用，因此影响土壤碱解氮的主要因子是脲酶、过氧化氢酶、真菌数量；(4)影响土壤速效磷程度最大的是脲酶的直接作用，其次是脲酶通过过氧化氢酶的间接作用、过氧化氢酶的直接作用、脲酶与过氧化氢酶通过转化酶产生的间接作用，可见影响土壤速效磷的主要因子是脲酶、过氧化氢酶、转化酶。

3　结论与讨论

随着土层深度增加，高山栎天然林土壤理化性质各指标中除全磷、速效磷、全钾以外的其他指标在表层土壤的含量与底层土壤的含量达到显著差异。土壤的脲酶、过氧化氢酶、转化酶活性及细菌、放线菌、真菌、微生物总数量都是随着土层深度的加深而逐渐减小，在土壤深层趋于稳定。由相关系数与通径分析可知，影响土壤pH值的重要因素是脲酶、过氧化氢酶、转化酶活性与真菌数量；影响土壤中有机质与全氮、速效磷的重要因素是脲酶、过氧化氢酶、转化酶；影响土壤碱解氮的主要因子是脲酶、过氧化氢酶、真菌数量。

本研究结果表明，土壤表层的生化反应比土壤深层进行的强度大、速率高。土壤脲酶、过氧化氢酶、转化酶活性随着土壤深度的加深而逐渐减小，这与樊后保等[20]在对杉木(Cunninghamialanceolata)人工林土壤酶活性对氮沉降的响应研究的结果一致。微生物数量也呈现出相同的规律。这可能是因为随着土壤深度的加深，土壤生化反应底物减少，透气性下降，造成土壤生化反应速率降低，酶活性降低，而微生物作为土壤生化反应的受益者或参与者，数量也随之下降。

土壤养分与土壤脲酶、过氧化氢酶、转化酶活性及微生物数量之间有密切的相关关系。这与陈礼清等[21]在炼山对巨桉(Eucalyptusgrandis)人工幼林土壤酶活性与有效养分的影响研究结果，郑诗樟等[10]在丘陵红壤不同人工林型土壤微生物类群、酶活性与理化性状关系的研究结果，葛晓改等[22]对红壤丘陵区不同林龄马尾松(Pinusmassoniana)林土壤养分和酶活性关系的研究结果一致。

影响土壤pH值的重要因素是脲酶、过氧化氢酶、转化酶活性与真菌数量，这可能与这三种土壤酶所参与的酶促反应产生的产物能够改变土壤的pH值有关，土壤真菌数量对土壤pH值的影响可能主要是因为真菌分解有机物的反应及真菌的分泌物。影响土壤中有机质与全氮、速效磷的重要因素均是脲酶、过氧化氢酶、转化酶，这表明土壤中脲酶、过氧化氢酶、转化酶所参与的酶促反应的底物或产物包含有机质、全氮、速效磷，由此可见这三种土壤酶对土壤养分有非常重要的影响。影响土壤碱解氮的主要因子是脲酶、过氧化氢酶、真菌数量，这可能因为脲酶分解尿素是碱解氮的重要来源，而过氧化氢酶通过分解过氧化氢这种不利于动植物生存生活的有害物质来促进土壤动植物的活动，为其他酶促反应提供良好的环境，而真菌数量对碱解氮的影响可能是因为真菌的分泌物是过氧化氢酶的重要组成成分，真菌数量的改变能影响过氧化氢酶的活性。

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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

国家林业局林业公益性行业科研专项(201204101-10)，云南省高校优势特色重点学科(生态学)建设项目资助

赵维娜(1988-)，女，硕士生，主要从事森林生态研究。E-mail：zhao_wei_na2007@126.com

简介:陈奇伯(1965-)，男，教授，博士，博士生导师，主要从事水土保持与恢复生态学研究。

E-mail：chenqb05@163.com

S 714

A

1672-8246(2016)05-0058-07

(05000511311)。