西南喀斯特山区受地理条件严重制约，使得生态环境相当脆弱. 在高强度的人为活动下导致土壤质量的下降和石漠化的形成^[1]. 其主要原因是人类对生态环境恢复原理认识不到位，偏重视地上经济的发展，忽视了对生态环境质量的维持和提升. 地形因素可以通过调控植被的生长、 土壤的理化性质、 地下碳输入以及土壤的微气候等途径间接影响土壤微生物量^[2,3]，即使很小的地形变化也会造成短距离内土壤条件的剧烈变化^[4]. 土壤微生物量在养分循环与平衡、 土壤理化性质的改善中起着重要作用，指示着生态系统功能的变化^{[5, 6, 7]}. 土壤酶活性具有明显的时空变化^[8]，并与土壤的温湿度、 有机质、 养分及微生物等密切相关^[9]，是土壤肥力评价的重要指标之一，也是土壤质量和环境变化的生物活性指标^[10]. 目前土壤剖面对微生物量^[11]和酶活性^[12,13]，坡位与微生物量^[14]，微生物量与酶活性^{[15, 16, 17]}，土壤肥力与酶活性^[18]的相关研究较多. 但涉及到坡位和剖面对土壤微生物量和酶活性的关系方面的研究极少，特别是有关我国喀斯特山区寿竹林地的土壤微生物量和酶活性变化特征的研究还未见报道.

寿竹(Disporopsis pernyi)是中国所特有的经济竹种，分布区域广，栽培面积大，利用价值高，在我国竹产业中占据着十分重要的地位. 本文以重庆市梁平县为研究基地，选择寿竹林地3种坡位[上坡(US)、 中坡(MS)、 下坡(BS)]的剖面层次土壤作为研究对象，分析土壤微生物量碳、 氮、 微生物熵、 土壤酶活性的剖面分异特征，阐明土壤微生物量与酶活性对不同坡位和剖面层次的响应规律，揭示影响土壤微生物量和酶活性变化的主要因子，以深化对喀斯特山区寿竹林地土壤剖面微生物量与酶活性的认识，以期为该地区的可持续发展提供科学依据.

1 区域概况

本试验采集了重庆市梁平县城东乡云佛村寿竹(Dip)林地土壤进行研究. 位于重庆市北部梁平县境内，东邻万州区，南接忠县、 垫江县，西、 北与四川省达州市的大竹县、 达县、 开江县接界； 属于四川盆地东部暖湿亚热带气候区域. 试验地位于东经107°50′、 北纬30°41′，常年平均气温14~18℃，日照时数1336.4 h，年无霜期250~300 d，年降雨量1000~1500 mm. 研究区域自然植被以草丛群落为主，草本植物在寿竹林林地内按照上、 中、 下这3个坡位进行林地草本种类调查. 寿竹林地上坡主要草本植物有白茅(Imperata cylindrica)、 铁线蕨(Adiantum capillusveneris)、 鸡眼草(Kummerowia striata)、 飞蓬(Conyza canadensis)、 山胡萝卜(Anthriscus aemula)、 叶头过路黄(Lysimachia phyllocephala)、 蒲公英(Taraxacum mongolicum)、 马兰(Kalimeris indica)等； 中坡主要草本优势植物有白茅、 鸡眼草、 飞蓬、 海金沙(Lygodium japonicum)、 临时救(Lysimachia congestiflora)、 山胡萝卜、 野大豆(Glycine soja)、 球果堇菜(Viola collina)、 野菊(Dendranthema indicum)、 小鱼仙草(Mosla dianthera)、 风轮菜(Clinopodium umbrosum)、 苔藓(Bryophyta)等； 下坡主要草本优势植物有白茅、 飞蓬、 鸡眼草、 铁线蕨、 风轮菜(Clinopodium umbrosum)、 球果堇菜、 山胡萝卜、 地耳草(Hypericum japonicm)、 荩草(Arthraxon hispidus)、 苔藓等. 样地土壤为细沙壤、 坡向东南、 林龄5 a、 坡度62.3°、 株行距3 m×3 m. 样地基本情况见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 不同坡位样地林分特征 Table 1 Description of Disporopsis pernyi and undergrowth vegetation in different slope position 坡位 寿竹林分特征 土深/cm 海拔/m 竹高/m 胸径/cm 寿竹林郁闭度/% 草本郁闭度/% 上 30 500 3.5~6.8 3.2~9.1 18 75 中 30 481 4.0~5.5 5.2~7.9 25 90 下 38 455 4.1~7.0 5.0~7.2 40 99

表 1 不同坡位样地林分特征 Table 1 Description of Disporopsis pernyi and undergrowth vegetation in different slope position

2 研究方法 2.1 土壤样品的采集

2013年8月，在寿竹林地内，同一坡面的上坡、 中坡和下坡分别在相同海拔按照“一”字型各设置5个1 m×1 m的样地，每一样地中随机选取1个采样点，去除表土上覆盖的枯枝落叶后挖掘剖面，测得寿竹林地土层平均深度为30 cm，所以，用土钻取深度为0～15 cm(表层)和15～30 cm(底层)的土壤作为供试土样，将采集的5个表层土样和5个底层土样各自混合均匀后，采用四分法取约500 g 新鲜土壤置于灭菌后的自封袋中，封口后于随身携带的冰盒带回. 在实验室去除土壤中可见的动植物残体，过2 mm 筛，每个土壤样品分为2份：一份在常温下风干，用于土壤常规性质分析； 另一份保存于4℃的冰箱中，用于土壤微生物量碳氮和土壤酶活性的测定. 2.2 土壤样品的测定和分析

采用氯仿熏蒸-K₂SO₄浸提法测定土壤微生物生物量碳、 氮^[19](SMBC、 SMBN)； 高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶(CAT)，磷酸苯二钠比色法测定碱性磷酸酶(ALK)，靛酚蓝比色法测定脲酶活性(URE)，二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性(INV)^[20]. 土壤含水量采用105℃连续烘干24 h后计算得出； pH值用风干后过2 mm筛的土样采用酸度计进行测定(土 ∶水=1 ∶2.5)； 土壤有机碳用风干后过100目筛的土样采用重铬酸钾外加热氧化法测定； 土壤全氮用风干后过100目筛的土样采用元素分析仪测定^[19]. 2.3 数据处理与统计分析

微生物碳熵(氮熵)：

qMBC(qMBN)＝土壤微生物量碳(或氮)/土壤有机碳(全氮)×100%

不同坡位和剖面层次间土壤因子、 土壤酶活性及土壤微生物量的差异评价采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(least significant difference，LSD)，数据的变异用标准差(standard deviation，SD)表示，以坡位(上、 中、 下坡位)和土壤剖面层次深度作为处理因子进行相关性分析，采用两变量相关分析(bivariate correlations)法. 土壤微生物量与土壤酶活性、 土壤因子间的关系采用逐步回归法(stepwise). 用SPSS 13.0和Excel 2010做统计分析和制图.

3 结果与分析 3.1 不同坡位与剖面层次中土壤微生物量的差异 3.1.1 土壤微生物量碳(SMBC)及碳熵(qMBC)对坡位和剖面层次的影响

寿竹林地同一坡位随着土壤剖面深度增加SMBC减少； 随着坡位的降低，SMBC逐渐增加. 表层(0～15 cm)土下坡位SMBC(484.00 mg ·kg^-1)较上坡位(292.00 mg ·kg^-1)显著(P<0.05)增加，底层(15～30 cm)SMBC在坡中(291.67 mg ·kg^-1)最高； SMBC在下坡表层(484.00 mg ·kg^-1)极显著(P<0.01)高于下坡底层(247.67 mg ·kg^-1). 表层qMBC在1.14%～1.60%之间； 底层qMBC在1.32%～2.31%之间. 表层土壤中qMBC随着坡位降低逐渐增加，底层qMBC在中坡最高，且极显著(P<0.01)高于中坡表层(图 1).

图 1

Fig. 1

不同土壤剖面层次差异显著性水平:**,P＜0.01； *,P＜0.05(LSD)； 不同小写字母表示同一土壤剖面层次差异显著(P＜0.05),下同 图 1 不同坡位下土壤微生物量碳和微生物碳熵 Fig. 1 Comparisons of SMBC and qMBC in different slope positions

寿竹林地不同土壤剖面层次中SMBN随着坡位的降低显著(P<0.05)升高； 下坡中SMBN在表层(56.06 mg ·kg^-1)与底层(34.49 mg ·kg^-1)中均显著(P<0.05)高于上坡和中坡； SMBN在上坡和中坡的表层与底层间均无明显差异(P>0.05)； 下坡表层SMBN极显著(P<0.01)高于底层. 林地qMBN随着坡位降低逐渐升高； 底层qMBN均高于表层qMBN，仅在中坡位达显著水平(P<0.05)，见图 2.

图 2

Fig. 2

图 2 不同坡位下土壤微生物量氮和微生物氮熵 Fig. 2 Comparisons of SMBN and qMBN in different slope positions

土壤CAT在寿竹林地中随着坡位的降低逐渐升高. 上坡位的土壤CAT表层(1.49 mL ·g^-1)显著(P<0.05)高于底层(0.76 mL ·g^-1)； 表层土壤CAT在3个坡位中无明显差异(P>0.05)，底层土壤CAT在下坡(1.36 mL ·g^-1)显著(P<0.05)高于上坡(0.76 mL ·g^-1). 土壤ALK在不同土壤剖面层次中均表现为下坡>上坡>中坡. 表层和底层土壤ALK均为下坡显著(P<0.05)高于上坡和中坡； 表层土壤ALK在上坡(0.39 mg ·g^-1)和下坡(0.53 mg ·g^-1)中均显著(P<0.05)高于底层的上坡(0.25 mg ·g^-1)和下坡(0.39 mg ·g^-1). 土壤URE在同一土壤剖面层次不同坡位间差异不显著(P>0.05)； 土壤URE在上坡(1.41 mg ·g^-1)和中坡(1.57 mg ·g^-1)表层均极显著(P<0.01)高于上坡(0.71 mg ·g^-1)和中坡(0.83 mg ·g^-1)底层； 下坡表层(1.35 mg ·g^-1)显著(P<0.05)高于底层(0.98 mg ·g^-1). 土壤INV在底层不同坡位间差异不显著(P>0.05)； INV在下坡表层(8.14 mg ·g^-1)显著(P<0.05)高于上坡(5.06 mg ·g^-1)和中坡(5.49 mg ·g^-1)； 在下坡的表层(8.14 mg ·g^-1)与底层(5.03 mg ·g^-1)间差异极显著(P<0.01)，见图 3.

图 3

Fig. 3

过氧化氢酶活性以1 g干土1 h内消耗的0.1 mol ·L-1 KMnO4体积(mL)数表示； 碱性磷酸酶活性以1 g干土24 h内释放出的酚的质量(mg)表示； 脲酶活性以1 g干土24 h内生成NH3-N的质量(mg)表示； 蔗糖酶活性以1 g干土24 h内生成葡萄糖的质量(mg)表示 图 3 不同坡位下土壤过氧化氢酶、 碱性磷酸酶、 脲酶和蔗糖酶活性 Fig. 3 Comparisons of CAT,ALK,URE and INV in different slope positions

土壤酶活性与土壤微生物特性的相关性分析结果表明(表 2)，SMBC、 qMBC与含水率呈显著(P<0.05)正相关，SMBN、 INV与含水率呈极显著(P<0.01)正相关； SMBC与SMBN、 CAT、 URE和TNV均呈极显著(P<0.01)正相关，与ALK呈显著(P<0.05)正相关； qMBC与qMBN呈显著(P<0.05)正相关； SMBN与CAT、 ALK和TNV均呈极显著(P<0.01)正相关，与URE呈显著(P<0.05)正相关； CAT与URE和INV呈极显著(P<0.01)正相关，与ALK呈显著(P<0.05)正相关； ALK与INV呈极显著(P<0.01)正相关.

表 2(Table 2)

表 2 土壤微生物特性之间及其与土壤酶活性的相关系数 1) Table 2 Correlation coefficients among soil microbial and soil enzyme activity SMBC qMBC SMBN qMBN CAT ALK URE INV SM 0.584* 0.570* 0.667 ** 0.427 0.408 0.420 0.152 0.679 ** SMBC 0.152 0.691 ** -0.126 0.670 ** 0.574* 0.628 ** 0.659 ** qMBC -0.071 0.509* -0.054 -0.182 -0.377 0.015 SMBN 0.299 0.651 ** 0.785 ** 0.525* 0.828 ** qMBN 0.038 0.135 -0.409 0.192 CAT 0.534* 0.791 ** 0.629 ** ALK 0.395 0.641 ** URE 0.440 1)显著性水平：**表示P＜0.01,*表示P＜0.05(Pearson); SM：soil moisture，含水量； SMBC：soil microbial biomass carbon，土壤微生物量碳； SMBN：soil microbial biomass nitrogen，土壤微生物量氮； qMBC：ratio of SMBC to soil organic carbon，碳熵； qMBN：ratio of SMBN to soil total nitrogen，氮熵； CAT：catalase activity，过氧化氢酶； ALK：alkaline phosphatase，碱性磷酸酶； URE：urease，脲酶； INV：invertase，蔗糖酶

表 2 土壤微生物特性之间及其与土壤酶活性的相关系数 1) Table 2 Correlation coefficients among soil microbial and soil enzyme activity

为了更好地说明土壤微生物量与土壤酶活性、 土壤含水量、 pH之间的关系，采用逐步回归分析所得最优回归方程：

Y₁＝ 5951.509＋251.364X₁- 871.639X₂＋436.225X₃

式中，Y1：SMBC，X1：CAT，X2：pH，X3：ALK. CAT、 pH和ALK对SMBC的偏相关系数分别为0.807(P<0.01)、 -0.644(P<0.01)和0.444(P<0.05)，可知CAT、 pH和ALK对SMBC的贡献较大，随着CAT和ALK的增加，SMBC也急剧增加，而随着pH的增大SMBC则减小.

Y₂＝-10.876＋4.939X₁＋46.002X₂

式中，Y2：SMBN，X1：INV，X2：ALK. INV和ALK对SMBN的偏相关系数分别为0.551(P<0.01)和0.432(P<0.05)，可知INV和ALK对SMBN的贡献较大，随着INV和ALK的增加，SMBN也增加. 4 讨论 4.1 土壤微生物量碳氮与微生物熵对坡位及其剖面层次的响应

土壤微生物量碳氮在土壤中仅占很小比例，但它却是最活跃的部分之一，特别是在土壤碳氮循环中，是活性最强的部分^[21,22]. 一般情况下，土壤微生物量碳氮含量除受到土壤中有机碳源和氮源的影响外^[23]，还受到土壤质地、 植被类型^[11]、 气候因子等许多因素的影响，且由于坡位和坡向的不同，微生物量碳氮也会呈现规律性的变化，土壤碳库和氮库表现为随土壤剖面层次的加深而减少^[24]. 本研究表明，随着坡位的降低，底层SMBC表现出MS>BS>US，这与何容等^[11]在研究武夷山微生物量时得到的结论(US>MS>BS)不一致，但与胡宗达等^[25]在川滇高山栎林中研究的结论相一致. 表层SMBC由US、 MS、 BS依次递增，SMBN在土壤表层中也呈现出类似的趋势，这与许多^[11,15,26]研究不一致，却与张地等^[27]在对东灵山辽东栎林中不同坡位土壤微生物量的研究相一致，这可能与地理位置有关. 本研究中，土壤微生物量的变化幅度很大，可能与样点的空间异质性较大有关，下坡与上坡间土壤微生物量碳氮的差异显著^[28](P<0.05). 在喀斯特地区，土壤微生物量对土层深度的响应比坡位更为强烈(图 1、 2)，而土壤养分在各土地利用类型剖面层次中遵循表聚特征^[29]，致使寿竹林表层SMBC和SMBN在BS极显著(P<0.01)高于底层. 同时也表明土壤微生物量是不同坡位上多重影响因素多方面综合作用的结果.

qMBC的变化可反映出土壤有机碳的变化^[30]，在指示土壤过程或者健康状况时，被用作土壤性质以及健康的指标^[31]. 研究发现，坡位和剖面层次对qMBC有一定影响，qMBC在3种坡位底层中表现为下坡和中坡显著(P<0.05)高于上坡，表明下坡和中坡底层土壤结构性好，沉淀富集，土壤肥力水平比上坡高. qMBN反映微生物对全氮的利用效率，在两层土壤下均表现出BS>MS>US，且在表层土壤中下坡显著(P<0.05)高于上坡和中坡，这可能是由于下坡位是坡面养分的汇集处^[32]. 4.2 土壤酶活性对坡位和剖面层次的响应

土壤中一切生化反应都是在土壤酶的参与下完成的，土壤酶活性的高低能反映土壤生物活性和土壤生化反应强度，土壤酶活性常被作为土壤质量的重要指标来研究^[33]，尤其是CAT活性常被用来反映土壤微生物活性高低^[34]. 本研究中，CAT、 ALK、 URE和INV活性随土壤剖面层次的加深呈递减趋势，这与文献^[14,16]的研究结论一致，主要原因是由于土壤表层累积了大量的枯枝落叶和腐殖质，加上光、 水、 热和通气状况等良好，为微生物和土壤动物生长提供良好环境，加速了有机物的分解，为土壤酶提供了更多的底物^[35,36]. 微生物在充足的营养环境中大量繁殖，使得微生物生长旺盛，代谢活跃，呼吸强度加大而使表层积聚了较高的土壤酶活性，随着土壤剖面层次的加深，土壤有机质含量减少，土壤通透性等因子也急剧下降，土壤酶活性也随着下降. 本研究亦表明在坡底处微生物量碳氮含量有所累积，但是酶的活性分布规律却不一，说明酶活性与土壤养分在坡面中的分布不同，土壤酶活性在坡地土壤的分布并没有在坡面流失和坡底富集的趋势，这与土壤酶的来源、 生物学特征和微地形的变化有关. 结果显示，ALK和INV在下坡含量显著大于中坡和上坡，原因应与下坡位土壤物理结构性能较好，养分含量较高，植被丰富等有关^[37]. 土壤表层CAT和URE在3个坡位间无明显差异，这应与植被长势和坡位差异有关^[12,38]，URE在剖面层次中存在极显著(P<0.01)差异^[14,16]. 4.3 土壤微生物量与土壤酶活性的相关性

关于土壤微生物量和土壤酶关系的报道结果不相一致^{[15,16,37,38]}，这可能和研究区域及土地利用方式的不同有关. 不同坡位与土壤剖面层次上土壤微生物量碳氮与土壤酶活性有着复杂的联系，不能简单地说土壤微生物碳氮的增加或减少有助于提高土壤中酶的活性. 文都日乐等^[16]在研究呼伦贝尔草地上土壤微生物量与土壤酶活性中也发现，CAT与微生物量碳氮呈显著(P<0.05)正相关，却与URE呈负相关关系，后一点与本研究不一致，可能与坡位、 地上植被、 土壤质地等因子有关. 成毅等^[15]在研究宁南山区土壤微生物生物量和酶活性的分布特征时发现土壤微生物碳氮与CAT、 INV和ALK均呈极显著(P<0.01)正相关关系，丁菡等^[37]在研究半干旱区土壤酶活性与其理化及微生物的关系时和王光华等^[13]在研究黑土土壤酶活性与微生物量之间关系中也得到相似结果，与本研究结论一致. 本研究中，SMBC和SMBN与SM、 CAT、 URE、 INV和ALK均呈显著或极显著正相关关系，表明SM、 CAT、 URE、 INV和ALK可能是调节土壤微生物量碳氮沿坡位梯度变化的主要生态因子.

5 结论

(1)西南喀斯特山区寿竹林地土壤微生物量碳氮从上坡到下坡逐渐增加，每个坡位的表层土壤微生物量碳氮均大于底层.

(2)寿竹林地土壤过氧化氢酶、 碱性磷酸酶、 脲酶和蔗糖酶活性随土壤剖面层次的加深而减少，碱性磷酸酶和蔗糖酶在下坡含量显著大于中坡和上坡.

(3)寿竹林地土壤微生物量碳氮与土壤过氧化氢酶、 碱性磷酸酶、 脲酶和蔗糖酶活性均呈显著或极显著正相关.