清瀾港紅樹林濕地土壤酶活性與理化性質(zhì)的關系

陳小花，陳宗鑄，雷金睿，吳庭天，李苑菱

(海南省林業(yè)科學研究院（海南省紅樹林研究院），海南省熱帶林業(yè)資源監(jiān)測與應用重點實驗室（籌），?？谑袧竦乇Ｗo工程技術研究開發(fā)中心，海南 海口 571100)

紅樹林作為海陸交界處特殊的濕地生態(tài)系統(tǒng)，雖僅占世界陸地面積的0.1%，但由于土壤初級生產(chǎn)力高，有機質(zhì)分解率低，因此，是一個重要的碳匯[1]。近年來，因海平面上升、富營養(yǎng)化和土地利用變化等各種干擾，導致紅樹林面積減少[2]。紅樹林濕地具有極其豐富的有機碳儲量，對調(diào)控全球碳循環(huán)和氣候變化有重要作用。為此，迫切需要探明紅樹林生態(tài)系統(tǒng)快速固碳的潛在機制，有學者將紅樹林有機碳含量的量化作為紅樹林濕地受各種非生物和物理化學影響程度的一個非常重要的指標[3]。

紅樹林土壤有機質(zhì)極低的分解速率被認為是由低氧和養(yǎng)分有效性以及難分解生物質(zhì)造成的[4]。然而，對微生物在土壤有機質(zhì)分解中起關鍵作用的機制研究很少[5]。土壤微生物在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，與土壤形成、有機質(zhì)積累與礦化、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化等過程息息相關[6]。相關研究表明，土壤酶是生態(tài)系統(tǒng)中微生物等分解者發(fā)揮自身職能的天然工具[7]，如Liu 等[8]研究報道了紅樹林土壤有機質(zhì)含量與β-葡萄糖苷酶活性呈顯著正相關；Chen 等[9]在其他土壤生態(tài)系統(tǒng)中也觀察到土壤有機質(zhì)和水解酶活性之間存在正相關；Jinhyun 等[1]研究也指出，紅樹林土壤有機質(zhì)與水解酶的活性呈顯著相關性，反之，與真菌豐度和酚氧化酶活性呈顯著負相關；馬維偉等[10]研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳與土壤酶（蔗糖酶、淀粉酶、纖二糖酶和纖維素酶）活性呈極顯著正相關。由此看出，土壤酶的分解作用參與并控制著陸地系統(tǒng)土壤有機碳的循環(huán)過程，有必要開展紅樹林濕地土壤微生物生物量及土壤酶活性對土壤有機碳含量影響的相關研究，研究結(jié)果對揭示紅樹林濕地土壤碳循環(huán)過程具有重要意義。

清瀾港紅樹林濕地位于海南文昌市境內(nèi)，屬于北緣地帶，常年受到海水周期性浸淹、熱帶風暴、臺風、強流、積物等因素的影響，具有典型的熱帶紅樹林濕地特征[11]。目前，眾多學者針對清瀾港紅樹林濕地的研究多集中在土壤有機碳含量[12]、重金屬污染[13]、植物群落特征[14]以及動態(tài)變化監(jiān)測[15]等方面，并取得一定的成果，而對于土壤酶活性方面的研究鮮見報道。因此，本研究選擇清瀾港紅樹林海蓮（Bruguiera sexangula(Lour.) Poir，簡稱BS）、正紅樹（Rhizophora apiculataBlume，簡稱RA）、杯萼海桑（Sonneratia albaJ.Smith，簡稱SA）、欖李（Lumnitzera racemosaWilld，簡稱LR）及角果木（Ceriops tagal(perr.) C.B.Rob，簡稱CT）群落為研究對象，研究紅樹林土壤酶活性特征的差異及其主要影響因子，嘗試從土壤酶活性角度分析紅樹林濕地土壤質(zhì)量狀況及其生態(tài)效應，為海南省紅樹林濕地土壤碳匯監(jiān)測與生態(tài)修復提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

選取文昌市清瀾港紅樹林保護區(qū)（110°40′～110°48′ E，19°22′～19°35′ N）作為研究對象，根據(jù)2019 年調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，文昌市紅樹林分布面積約1 274.64 hm2，主要分布海蓮、欖李、紅海欖、正紅樹、角果木等植物。本次調(diào)查區(qū)域位于文昌江和文教河匯入灣內(nèi)，地處八門灣七差河處，呈葫蘆狀海灣，平均徑流量小，其潮汐現(xiàn)象呈現(xiàn)不規(guī)則的半日潮特點，每天兩起兩落[16]，最高潮位為2.38 m，最低潮位為0.01 m[14]，平均潮差0.75 m。研究區(qū)地處熱帶北緣沿海地帶，屬熱帶季風氣候，年平均氣溫24 ℃，年均降水量1 799.4 mm[17]。結(jié)合歷史氣象數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域極易受到熱帶氣旋的影響，年平均受到3.58 個熱帶氣旋影響[18]。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與設置

2021 年3 月，在全面踏查基礎上，結(jié)合清瀾港群落組成情況（由海向陸分別生長著海蓮（尖瓣海蓮）、紅樹+海桑-白骨壤、海桑（杯萼、大葉、海南海桑）、欖李（紅欖李）等群落），考慮到各群落所處位置不同以及可比性原則，最終選取海蓮、正紅樹、杯萼海桑、欖李及角果木5 種優(yōu)勢群落，共設置18 個10 m × 10 m 的采樣點（圖1），各采樣點的高程值范圍為1.45～7.01 m。用小鏟子在樣方內(nèi)按表層（0～20 cm）3 點采集土壤樣品，采集之后將相同樣方土壤混合均勻，并分兩部分處理，一部分帶回實驗室進行風干處理，之后去除雜質(zhì)貯存用于土壤理化性質(zhì)分析；另一部分則放置在4 ℃保溫冰箱中貯存，用于土壤微生物量碳氮和土壤酶活性的測定。

圖1 清瀾港紅樹林濕地采樣點分布示意圖Fig.1 Distribution of sampling points in Qinglangang Mangrove Wetlands

2.2 指標測定

2.2.1 土壤理化性質(zhì) 土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)標準進行測定。土壤有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀氧化-硫酸溶液氧化法測定（NY/T 1121.6—2006）[19]；全氮（TN）采用凱氏定氮儀測定（NY/T 1121.24—2012）[20]；全磷（TP）采用堿熔-鉬銻抗比色法測定（HJ 632—2011）[21]；全鉀（TK）采用火焰光度計測定（LY/T 1234—2015）[22]；pH 值采用電位法測定（NY/T 1377—2007）[23]；土壤還原性物質(zhì)總量（RS）采用重鉻酸鉀氧化法測定[24]。

2.2.2 土壤微生物量碳氮測定 土壤微生物生物量碳（MBC）和土壤微生物生物量氮（MBN）含量采用氯仿熏蒸-0.5 mol·L-1K2SO4提取法，浸提液用碳氮分析儀測定[25]。

微生物熵碳（qMBC）和微生物熵氮（qMBN）的計算公式如下[26]：

2.2.3 土壤酶活性 各種土壤酶活性的測定參照文獻[27]中的測定方法，其中，土壤磷酸酶（PHO）活性采用磷酸苯二鈉比色法測定；土壤蔗糖酶（SUC）活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；土壤過氧化氫酶（CAT）活性采用高錳酸鉀滴定法測定；土壤脲酶（URE）活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定。

2.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)整理和初步計算在Excel 2010 完成；采用單因素方差法（One-way ANOVA）和最小顯著性差異法（LSD）檢驗不同植物群落土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性的顯著性差異（a=0.05）；利用Pearson 相關性分析得到與土壤酶活性顯著相關的土壤因子；用Canoco Software 4.5 軟件對土壤酶活性與土壤因子進行冗余分析（RDA），探究影響土壤酶活性變化的主要因子。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同紅樹植物群落土壤理化性質(zhì)分析

表1 表明：不同紅樹林優(yōu)勢群落土壤有機碳（SOC）含量均值為55.57～81.21 g·kg-1；土壤pH 值總體呈弱酸性，其中，海蓮群落的pH 值最高（5.57），均顯著高于其余群落（杯萼海桑除外）；全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）含量均值分別為3.06～4.14、0.43～2.13、10.77～14.57 g·kg-1，其中，角果木群落的土壤TN 和TK含量最高，但不同群落間無顯著差異，海蓮群落的土壤TP 含量最高，均顯著高于其余群落（欖李群落除外）。土壤還原性物質(zhì)總量（RS）均值為2.30～4.12 cmol·kg-1，欖李群落的最高。土壤含水量（SWC）含量均值為7.00%～16.15%，角果木群落的最高，均顯著高于其余群落。

表1 不同群落類型紅樹林濕地表層土壤理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of mangrove wetland surface soil of different community types

3.2 不同紅樹植物群落土壤微生物量碳氮特征

通過對清瀾港紅樹林5 種群落類型土壤微生物生物量碳氮進行分析，結(jié)果（圖2）表明：土壤微生物生物量碳（MBC）含量為109.16～225.89 mg·kg-1，5 種群落類型土壤MBC 含量以角果木群落最高，其次是杯萼海桑群落，二者均顯著高于欖李群落（p＜0.05）。土壤微生物生物量氮（MBN）含量為72.51～119.47 mg·kg-1，5 種群落類型土壤MBN 含量以海蓮群落最高，顯著高于欖李群落（p＜0.05），其次是角果木群落。

圖2 不同紅樹林優(yōu)勢群落土壤微生物量碳氮含量Fig.2 Soil microbial biomass C and N content in different dominant mangrove communities

3.3 不同紅樹林植物群落土壤微生物熵變化特征

圖3 表明：不同紅樹林群落類型的土壤微生物熵碳（qMBC）變化范圍為0.22%～0.36%，依次為杯萼海桑群落＞海蓮群落＞角果木群落＞正紅樹群落＞欖李群落，其中，杯萼海桑群落顯著高于正紅樹群落和欖李群落。土壤微生物熵氮（qMBN）的變化范圍為2.09%～3.20%，依次為海蓮群落＞欖李群落＞正紅樹群落＞角果木群落＞杯萼海桑群落。整體看，qMBC 和qMBN 在不同紅樹林優(yōu)勢群落間無規(guī)律性。

圖3 不同紅樹林優(yōu)勢群落土壤微生物熵Fig.3 Soil microbial quotient in different dominant mangrove communities

3.4 不同紅樹植物群落土壤酶活性

圖4 表明：角果木群落的土壤脲酶（URE）和磷酸酶（PHO）活性在5 種紅樹林群落中最高，且均顯著高于海蓮、杯萼海桑和正紅樹群落，欖李群落次之。土壤過氧化氫酶（CAT）活性高低依次為角果木群落＞杯萼海桑群落＞欖李群落＞海蓮群落＞正紅樹群落，其中，角果木群落顯著高于海蓮和正紅樹群落。土壤蔗糖酶（SUC）活性高低依次為杯萼海桑群落＞角果木群落＞欖李群落＞正紅樹群落＞海蓮群落，其中，杯萼海桑群落顯著高于海蓮和正紅樹群落。不同紅樹植物群落土壤的4 種土壤酶活性以蔗糖酶最大，其次是磷酸酶和過氧化氫酶，脲酶最小。因此，蔗糖酶是該區(qū)域最活躍的土壤酶。

圖4 不同紅樹林優(yōu)勢群落土壤酶活性Fig.4 Soil enzyme activities in different dominant mangrove communities

3.5 土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)之間的相關性

由表2 可知：脲酶活性與磷酸酶、過氧化氫酶活性呈極顯著正相關，與蔗糖酶活性呈顯著正相關；脲酶活性與SWC、SOC、MBC、TN、TP、TK和RS 呈極顯著正相關，與MBN 呈顯著正相關，與pH 值呈不顯著相關。磷酸酶活性與過氧化氫酶、蔗糖酶活性呈不顯著相關；磷酸酶活性與SWC、MBC、MBN 和RS 呈極顯著正相關，與TN、TK 呈顯著正相關，與pH 值、SOC 和TP 呈不顯著相關。過氧化氫酶活性與蔗糖酶活性呈極顯著正相關；過氧化氫酶活性與SWC、SOC、MBC 和TN 呈極顯著正相關，與RS 呈顯著正相關，與pH 值、TP、TK 和MBN 呈不顯著相關。蔗糖酶活性與SWC、SOC、MBC、TN 和MBN 呈極顯著正相關，與pH 值、TP、TK 和RS 呈不顯著相關。說明在清瀾港紅樹林濕地，脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶和蔗糖酶在土壤代謝中起到重要作用。

表2 清瀾港不同紅樹林優(yōu)勢群落土壤酶活性與土壤理化因子間的相關性分析Table 2 Correlation analysis between soil enzyme activities and soil physicochemical factors in different dominant mangrove communities of Qinglan port

對土壤酶活性與土壤理化因子進行RDA 分析，其中，選取土壤SOC、MBC、MBN、RS、TN、TP、TK、SWC 和pH 值作解釋變量，土壤URE、PHO、CAT、SUC 作響應變量。表3 表明：9 種土壤理化因子前3 個排序軸累計解釋了土壤酶活性特征的60.0%，土壤酶活性特征和土壤因子之間關系的累積解釋量為97.5%。

表3 清瀾港不同紅樹林優(yōu)勢群落土壤酶活性的解釋變量冗余分析Table 3 Redundancy analysis of the soil enzyme activity in different dominant mangrove communities of Qinglan port

從圖5 可看出：SWC、MBC 和RS 的箭頭連線最長，且與酶活性箭頭方向基本一致，說明選擇的9 個土壤理化因子中SWC、MBC 和RS 是影響土壤酶活性分布的重要因子。土壤因子對4 種土壤酶活性特征的解釋量分別為：SWC（37.0%）、MBC（29.7%）、RS（22.3%）、TN（19.8%）、MBN（17.1%）、SOC（17.0%）、TK（8.0%）、TP（8.0%）、pH（1.0%）。

圖5 土壤酶活性與理化因子RDA 排序圖Fig.5 RDA ranking map of soil enzyme activity and physicochemical factors

4 討論

4.1 不同紅樹植物群落土壤微生物生物量碳氮含量差異

土壤微生物生物量是土壤中有機質(zhì)最活躍的部分，是反映土壤養(yǎng)分潛力的重要指標，對環(huán)境變化反應敏感，能夠調(diào)節(jié)土壤碳氮循環(huán)與轉(zhuǎn)化過程[28]。研究結(jié)果表明，該研究區(qū)內(nèi)土壤微生物生物量碳（MBC）含量變幅為109.16～225.89 mg·kg-1，角果木群落和杯萼海桑群落顯著高于欖李群落（p＜0.05）；土壤微生物量氮（MBN）含量變幅為72.51～119.47 mg·kg-1，海蓮群落的最高，且顯著高于欖李群落（p＜0.05），這可能與不同群落類型地表凋落物量和植物根系分布有關。有研究指出，枯落物的輸入量和植物根系生物量是影響土壤微生物生物量的關鍵因素[29-30]。另外，有關濕地研究指出，在水位梯度變化驅(qū)動下，不同植物群落土壤養(yǎng)分和微生物活性特征存在差異，表現(xiàn)出積水沼澤區(qū)域植物群落土壤微生物生物量碳氮含量高于深水區(qū)域群落[31-32]。

土壤微生物熵碳（qMBC）反映土壤有機碳向微生物量碳的轉(zhuǎn)化效率，是表征土壤有機碳累計或損失的一個重要指標[33]；而土壤微生物熵氮（qMBN）是反映土壤供應有效氮的潛能。本研究結(jié)果表明，杯萼海桑群落的土壤qMBC 顯著高于正紅樹群落和欖李群落，表明杯萼海桑群落土壤有機碳累積效率較高，微生物對土壤碳庫的利用效率處于提升階段，進而改善了該區(qū)群落土壤質(zhì)量狀況。微生物熵氮（qMBN）變幅為2.09%～3.20%，海蓮群落的最高，其次是欖李群落，各群落類型間無顯著差異。綜上表明，土壤微生物活性特征反映了不同植物群落的環(huán)境適應和土壤質(zhì)量的狀況。

4.2 不同紅樹植物群落土壤酶活性差異

土壤酶作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，參與土壤有機物的合成、分解與轉(zhuǎn)化等過程，在森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用[34]。土壤酶活性時空變化受多種因素共同調(diào)控，常用于表征土壤養(yǎng)分狀況和環(huán)境質(zhì)量指標[35]。前人研究表明，土壤有機碳主要來源于凋落物，不同森林類型間因凋落物數(shù)量和質(zhì)量輸入存在差異，所形成的土壤微生物養(yǎng)分環(huán)境也各異，因此，必然影響土壤酶活性[36]。

本研究發(fā)現(xiàn)，脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性在清瀾港紅樹林濕地中存在較大差異，角果木群落和欖李群落的土壤脲酶和磷酸酶活性顯著高于杯萼海桑群落；土壤過氧化氫酶（CAT）活性以角果木群落的最高，正紅樹群落的最低；土壤蔗糖酶（SUC）活性以杯萼海桑群落的最高，海蓮群落的最低。有研究指出，地表覆蓋物和植物根系分泌物的不同是造成土壤酶活性產(chǎn)生差異的重要因素；也有研究指出，凋落物輸入對土壤酶活性無顯著影響，但不同林型和凋落物輸入時間則顯著影響土壤酶活性[37]。

通過對4 種酶活性之間進行相關性分析，結(jié)果顯示彼此間存在顯著相關，這與孫毅等[7]的研究結(jié)果一致，表明該研究區(qū)內(nèi)不同元素的循環(huán)酶在反映土壤肥力狀況方面發(fā)揮共性特征[27]。比較3 種水解酶發(fā)現(xiàn)，蔗糖酶活性最高，磷酸酶次之，脲酶最小，因此，得出蔗糖酶是該研究區(qū)域最活躍的水解酶。

4.3 土壤酶活性與土壤因子的相關性

土壤酶活性與土壤養(yǎng)分緊密相關，能夠通過活化土壤營養(yǎng)元素的方式來改善土壤環(huán)境質(zhì)量[38]。大量研究結(jié)果顯示，土壤酶活性受林分密度、水分、溫度、鹽度、凋落物的輸入等多種環(huán)境因素影響[39-40]，通過分析土壤酶活性能夠較直觀的反映土壤質(zhì)量。因此，對清瀾港紅樹植物群落土壤酶活性與土壤理化因子進行相關性分析，能夠更好地研究該區(qū)紅樹植物群落土壤質(zhì)量及健康狀況差異。

4 種土壤酶活性與土壤SWC 呈極顯著正相關，與白靜等[41]研究結(jié)論一致，說明土壤微生物活性極易受到水分的影響，當土壤SWC 越高時，土壤酶活性越強。4 種土壤酶活性與土壤pH 值無顯著正相關，與王玲等[42]研究結(jié)論一致，但李聰?shù)萚43]研究表明，土壤酶的活性與pH 值呈負相關。

此外，4 種酶活性的影響因子也存在較大差異。脲酶活性與土壤SOC、MBC、MBN、TN、TP、TK 和RS 呈極顯著或顯著正相關（P＜0.01 或P＜0.05）；磷酸酶活性與土壤MBC、MBN、TN、TK和RS 呈極顯著或顯著正相關（P＜0.01 或P＜0.05）；過氧化氫酶活性與土壤SOC、MBC、TN 和RS呈極顯著或顯著正相關（P＜0.01 或P＜0.05）；蔗糖酶活性與土壤SOC、MBC、TN 和MBN 呈極顯著正相關（P＜0.01），與TP 呈不顯著負相關，顯示較高的TP 不利于蔗糖酶活性的提高。本研究中，土壤SOC 與土壤脲酶活性、過氧化氫酶活性和蔗糖酶活性均呈極顯著正相關，與土壤磷酸酶活性呈不顯著正相關（表2），說明3 種土壤酶與SOC含量的增加和積累有密切聯(lián)系?？傮w而言，土壤酶與土壤SOC 之間存在相互協(xié)同作用，土壤酶活性可用來反映土壤營養(yǎng)水平。

RDA 分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對4 種土壤酶活性特征差異的解釋量表現(xiàn)為SWC＞MBC＞RS＞TN＞MBN＞SOC＞TK＞TP＞pH。結(jié)果顯示，清瀾港紅樹植物群落土壤酶活性主要受土壤SWC、MBC 和RS 的影響。

5 結(jié)論

（1）不同紅樹植物群落間4 種土壤酶活性特征差異較大，土壤脲酶和過氧化氫酶活性在角果木群落最高，正紅樹群落最低；土壤磷酸酶活性在角果木群落中最高，杯萼海桑群落最低；土壤蔗糖酶活性在杯萼海桑群落中最高，海蓮群落最低。

（2）從相關性分析得知，4 種酶活性的影響因子存在一定差異，表現(xiàn)為土壤脲酶活性主要受到SWC、SOC、MBC、MBN、TN、TP、TK 和RS的影響；土壤磷酸酶活性主要受到SWC、MBC、MBN、TN、TK 和RS的影響；土壤過氧化氫酶活性主要受到SWC、SOC、MBC、TN 和RS 的影響；土壤蔗糖酶活性主要受到SWC、SOC、MBC、TN 和MBN 的影響?？傮w認為，4 種土壤酶活性的影響因子存在一定差異。

（3）4 種土壤酶活性分別與多個土壤理化指標顯著相關，RDA 結(jié)果表明，SWC、MBC 和RS是清瀾港紅樹林濕地土壤酶活性變化的關鍵因子。

（4）可以用土壤酶活性來表征清瀾港紅樹林濕地土壤質(zhì)量狀況。