臨安區山核桃林地土壤水解酶活性空間分布特征及土壤肥力評價

謝林峰，凌曉曉，黃圣妍，高浩展，吳家森，陳俊輝，黃堅欽，3，秦 華

（1. 浙江農林大學 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室， 浙江 杭州311300；2. 浙江農林大學 環境與資源學院， 浙江 杭州 311300；3. 浙江農林大學 林業與生物技術學院， 浙江 杭州 311300）

山核桃Carya cathayensis為落葉喬木，是含油率極高的胡桃科Juglandaceae高檔干果，其果實為世界四大名優堅果之一[1-2]。因其口味獨特、營養價值高而受到人們的廣泛喜愛。浙江省杭州市臨安區是中國山核桃主產區之一，種植歷史悠久[3]。近幾十年來，臨安山核桃產業迅猛發展，現有種植面積已達5.3萬 hm2，已成為當地林農重要的經濟來源[4]。山核桃在臨安廣泛種植，但由于各鎮林地有著不同的土壤特征，導致經濟效益存在較大差異，即使在同一鄉鎮，產量大小年份的情況也依然存在[5]。這些問題在一定程度上限制了山核桃產業的發展。國內對于山核桃生長規律、規范施肥、產量提升等方面多有研究。楊慧思等[6]發現：山核桃產地土壤中大量及微量元素的空間分布特征與變異規律有著對應關系；張紅桔等[7]揭示了山核桃產區主要養分因子和產量的關系以及空間分布特征；丁立忠等[8]研究結果指出：近10 a臨安7 個山核桃主產鎮的林地土壤有機碳含量總體呈升高趨勢，而土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量下降明顯，養分現狀不容樂觀。但是有關水解酶活性與土壤肥力的關系，以及在山核桃產區空間上的分布特點還沒有詳細的報道和深入研究。水解酶與土壤中營養物質循環、能量轉化以及環境質量等密切相關，并參與了土壤環境中重要的生物化學過程[9]。水解酶活性的空間分布特點可以靈敏地反映不同區域土壤中物質循環的速率，這種速率極大程度影響著林地土壤生態系統的功能。同時，水解酶活性能表征土壤養分轉化的潛力，度量土壤污染程度和生產力，是人們評價土壤質量和土壤健康的重要經驗指標之一[10]，因此，對土壤水解酶活性空間分布特點的研究十分重要。

本研究分析山核桃林土壤水解酶活性的空間分布特點，并通過地統計方法揭示土壤養分與水解酶的空間異質性及其影響因子，為林農掌握土壤肥力特性及養分轉化潛力，合理經營山核桃林提供理論依據和技術支撐，對山核桃產業可持續發展具有重要的指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與樣品采集

研究區位于浙江省杭州市臨安區(31°14′N，119°42′E)，是中國山核桃的核心產區，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為16.0 ℃，極端最高和最低氣溫分別為41.7和-13.3 ℃。山核桃產區土壤以紅壤土類分布最廣，多發育于泥巖、頁巖、砂巖、凝灰巖、花崗巖、流紋巖以及第四世紀紅土[11]。山核桃是該地重要的經濟樹種，主要分布在海拔50～1 100 m的丘陵和山地。林農一般在每年5月上旬和9月上旬將氮肥、復合肥與微肥配合施用。

樣地按1 km×1 km網格在全市范圍內布設，與臨安區森林資源分布圖相疊加，有山核桃分布的網格點即為山核桃林樣地。根據均勻分布原則，2019年7—8月在山核桃分布較集中的島石、龍崗、清涼峰、昌化、河橋、湍口、太陽等7個鎮，共選取259個樣地。在選定的區域內，采集0～20 cm的5個樣點土壤樣品后，混合，并在樣地中心以全球定位系統(GPS)定位，記錄經緯度。土壤樣品帶回實驗室，去除石塊、植物殘體等異物，用木棒碾碎后過2 mm篩。將土壤樣品分成2份，一份置于4 ℃冰箱保存，盡快測定土壤酶活性；另一份攤開后在室內自然風干，用于測定土壤養分指標和pH。

1.2 樣品測定方法

測定涉及與土壤碳、氮、磷循環的α-葡萄糖苷酶(AG)、β-葡萄糖苷酶(BG)、纖維二糖水解酶(CBH)、木糖苷酶(XYL)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶(NAG)、酸性磷酸酶(PHOS)等7種土壤水解酶。土壤酶活性測定參照SAIYA-CORK等[12]的熒光微孔板檢測技術。具體操作為：稱取2 g鮮土于離心管中，加入30 mL提前配置好的pH為5.0的醋酸銨緩沖液，在25 ℃ 180 r·min-1搖床上震蕩30 min，再用70 mL醋酸銨緩沖液沖洗至燒杯中，用磁力攪拌器攪拌1 min，用排槍取200 μL土壤懸液于96孔板中，并立即加入50 μL反應底物，放入25 ℃培養箱中避光培養3 h，取出后迅速加入15 μL 0.5 mol·L-1的氫氧化鈉結束反應，用多功能酶標儀檢測吸光值并計算土壤酶活性。土壤養分指標和pH參照魯如坤[13]方法測定：土壤pH采用土水比(質量比)為1.0∶2.5的懸濁液，微電極法測定；土壤有機質采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤有效磷采用鹽酸-氟化銨(HCl-NH4F)浸提，鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀采用醋酸銨浸提，火焰光度計測定。

1.3 數據處理

1.3.1 空間自相關水平 水解酶活性的空間分布特征采用地統計分析方法。半方差變異函數是研究區域化變量模型，其公式為:

其中：y表示間隔距離為h點的半方差值，h為空間間隔點的距離，即步長；N為樣點觀測數值成對的數目；Z(xi+h)和Z(xi)為樣點測定值[14]。常用的半方差變異函數模型有球狀(Spherical)、高斯(Gaussian)、指數(Exponential)[15]模型。模型中，C0代表塊金值，C+C0代表基臺值，當塊基比C0/(C+C0)＜25%時，表明變量具有強烈的空間自相關，即主要受到結構性變異的影響；當C0/(C+C0)為25%～75%時，變量屬于中等程度空間自相關；當C0/(C+C0)＞75%的，變量空間自相關程度較弱，即主要受隨機因素影響[16-17]。

采用全局莫蘭指數(Ig)來體現研究區域土壤水解酶的空間自相關水平。使用GeoDa軟件對樣點構建空間權重矩陣，可以根據局部莫蘭指數(IL)繪制局部空間自相關聚類圖[18]，采用Canoco 5.0對酶活性高、低聚集樣點間總體差異采用999次的蒙特卡羅排列檢驗（Monte Carlo permutation test，999 permutations，full model），然后找出土壤酶活性關系密切的環境因子進行冗余分析(RDA)。

1.3.2 土壤肥力分值 用SPSS 22.0對土壤水解酶活性與土壤性質數據進行描述性統計分析，計算變異系數，Pearson相關性分析設置顯著水平為0.05。在Excel 2007中進行數據的對數轉化。采用因子分析中的主成分分析法(PCA)和系統聚類分析，對山核桃林地土壤肥力情況進行評價[20]。通過因子分析確定參評土壤指標主成分特征值和特征向量，選取特征值較高的關鍵主成分，計算各主成分得分，再利用得分公式求出各樣點土壤肥力分值(IIF)[21]，采用類平均法對分值進行系統聚類。肥力分值計算采用肥力指數和法。公式為：

2 結果與討論

2.1 土壤性質描述性統計分析

土壤pH平均為5.76，最小為4.50，說明山核桃林地土壤主要為酸性土壤，且酸化較為嚴重。土壤有機質為 5.41～98.08 g·kg-1，平均為 37.39 g·kg-1；土壤有效磷為 0.52～22.43 mg·g-1；土壤速效鉀為22.06～466.07 mg·g-1；土壤堿解氮為 28.62～192.53 mg·g-1。研究區域土壤變異系數從大到小依次為有效磷、速效鉀、有機質、堿解氮、pH。土壤酶活性變異系數從大到小依次為CBH、XYL、AG、NAG、LAP、BG、PHOS，其中CBH、XYL為高度變異，AG、NAG、LAP、BG、PHOS為中等變異(表1)。根據ZHANG等[22]對變異系數的劃分，當變異系數＜10%時為弱變異，在10%～90%時為中等變異，＞90%時則為高度變異。研究區域有效磷質量分數變異系數＞90%，具有明顯的變異性，為高度變異。這可能是由于山核桃產區地勢起伏較大，在雨水沖刷后有效磷極易流失，且林農施用磷肥量不均勻，土壤利用率較低，常年累積造成。土壤pH變異系數為10.28%，變異較小，與張紅桔等[7]研究結果基本一致，說明山核桃林地土壤總體pH比較接近。

表1 土壤性質描述性統計分析Table 1 Descriptive statistics of soil properties

2.2 土壤水解酶活性與土壤肥力指標及pH相關性分析

土壤有機質和堿解氮與7種水解酶均呈極顯著正相關(P＜0.01)；有效磷與BG 、NAG呈極顯著正相關，與CBH呈顯著正相關(P＜0.05)；pH與CBH呈極顯著正相關(P＜0.01)，與BG呈顯著正相關(P＜0.05)，與PHOS、XYL呈極顯著負相關(P＜0.01)；速效鉀與7種水解酶均沒有表現出明顯的相關性(表2)。土壤酶主要來源于土壤微生物、土壤動物和植物根系的分泌，土壤養分質量分數可以直接影響土壤動植物長勢、微生物的活性與分布，整合了土壤理化條件的信息[23]，因此土壤水解酶活性與土壤養分因子密切相關，水解酶活性也通常被作為土壤質量的生物活性指標[24]。對土壤水解酶活性與土壤肥力指標及pH的相關性分析發現：土壤有機質和堿解氮與7種酶存在極顯著正相關(P＜0.01)。土壤有機質是評價土壤肥力的重要指標，土壤有機質的形成與分解都與酶的作用有關[25]。水解酶可以吸附在土壤有機質上，以酶-腐殖質復合物的形式從土壤中提取出來，并仍可保留有活性。土壤堿解氮主要集中在土壤表層，其含量受人為施肥的影響較大[26]。山核桃林農為提高產量大量撒施氮肥。氮素供應的增加可以使植物細胞原生質合成加快，細胞數量增多，有了更多的水解酶產出渠道。此外，土壤微生物也會通過分泌多種水解酶固定氮素[27]。PHOS與有效磷質量分數和pH之間存在顯著正相關和極顯著負相關。由于PHOS會參加土壤磷的礦化作用過程，使土壤有機態磷轉化為植物可吸收的無機態磷，有效磷質量分數增加。pH是控制土壤中磷有效性和PHOS活性的關鍵因子，在山核桃林地土壤酸化的環境下，pH小幅降低可能有利于植物對有效磷的吸收，PHOS參與礦化作用的活性增強[28]。

表2 土壤水解酶與養分因子及 pH 相關性分析表Table 2 Correlation coefficients of soil hydrolase activities and soil nutrient factors and pH

2.3 不同土壤水解酶活性空間變異特征及聚集效應

7種土壤水解酶活性在山核桃林地表現出不同的空間異質性(表3)。在GS+ 9.0中進行方差變異函數擬合，分別選用最優模型。不同水解酶擬合模型的差異，表示相應的酶在土壤中的空間變化規律不同。本研究中，AG、BG、CBH、LAP、NAG、XYL活性具有中等空間自相關性，活性均呈現斑塊狀分布；不同水解酶活性區域分布呈現差異性，塊基比分別為55%、42%、56%、49%、66%、47%、78%，說明它們的變異情況主要受到人為因素和結構性因素共同影響。PHOS塊基比為78%，具有較弱的空間自相關，其活性空間分布主要受隨機因素如施肥方式和耕作強度的影響[29]。本研究中， 雖然各酶活性的空間自相關性存在差異，但變程均大于最小采樣距離，因此，本研究所選擇的采樣距離能夠反映土壤水解酶活性在研究區域最小尺度下的空間變異特征。從土壤水解酶活性的空間分布情況來看(圖1)：活性較高的區域位于臨安區西北方向的島石鎮。該鎮有中國“山核桃第一鎮”的美稱，這可能與當地特色生態化經營方式有關，如：林下種植茶Camellia sinensis、黑麥草Lolium perenne、油菜Brassica napus等適生植物，豐富林下土壤生態結構的同時起到涵養水肥、改良酸性土質的作用；林間飼養家禽吃掉害蟲、消滅蟲卵，產生的雞糞也可作為有機肥為山核桃樹生長提供養分。這些特色經營方式都為植物根系發育、土壤微生物的快速新陳代謝提供了有利的條件，從而提高了相關水解酶參與復雜生化反應的活性。

圖1 水解酶活性空間分布示意圖Figure 1 Spatial distributions of soil hydrolase activities

表3 土壤水解酶活性半方差函數理論模型及其相關參數Table 3 Theoretical model of semi-variance function of soil hydrolase activities and its related parameters

根據全局莫蘭指數，AG、BG、CBH、XYL、LAP、NAG、PHOS等7種水解酶活性在空間分布上都存在相關性(Ig＞0)，且存在高低值聚集區域。在本研究中，7種水解酶活性在高低值聚類上呈現出了相似的特點，島石鎮為水解酶活性高值聚集(high-high)區域，部分水解酶(如AG)在太陽鎮北部也有高值聚集的現象；低值聚集(low-low)區域多位于清涼峰以及河橋、龍崗、昌化三鎮交界處附近(圖2)。在冗余分析結果中，高低值聚集區域樣點的水解酶活性在第1軸有明顯的分離，第1軸和第2軸分別有82.92%和14.42%的貢獻度(圖3)。結果顯示：堿解氮、有機質、pH與水解酶活性有極顯著正相關(P＜0.01)。水解酶活性高低值聚類結果和土壤肥力分值高低值聚類情況相似，說明土壤水解酶活性大小和周圍可利用的營養物質關系十分密切。由于山核桃林地土壤常年受到不同程度的人為經營干擾，造成這種現象的原因多為當地經營方式的不同，如氮肥、有機肥的投入是增加土壤肥力較為直接的方式，因此各區域出現高低值聚集的現象可以一定程度反映當地肥力水平以及施肥情況。島石鎮高值聚集，一方面可能是由于島石鎮山核桃林氮肥、有機肥常年投入量高于清涼峰等區域，同時島石鎮明確規定當地所有山核桃林地禁用除草劑，防止除草劑的不合理使用破壞產區生態平衡，影響山核桃產量。另一方面，島石鎮相對其他鎮海拔較高，大部分產區山高樹茂，年降水量充沛，林下、林間生態系統的結構與功能較為完整，因此土壤微生物活動旺盛，作物根系發達，從而成為水解酶活性的高值聚集區。而清涼峰以及河橋、龍崗、昌化交界處的冒尖山、石柱山、云臺山、雞哺山等區域地勢極為陡峭，當地山核桃林水土流失現象嚴重，養分較為貧乏，相對其他區域處于較低的水平，水解酶活性受到影響，產生低值聚集。杭瑞高速經過清涼峰鎮與龍崗鎮南部，該區域交通便利，人類活動造成了一定程度的干擾。當地存在鉛鋅礦、鎢鉬礦以及銅礦等正在開發的金屬礦[30]。采礦活動產生的粉塵、廢水和尾礦渣可能會對土壤水解酶活性和分布造成一定影響[31]。

圖2 采樣點高低值聚類示意圖Figure 2 High-low-value cluster of sampling points

圖3 高低聚類點冗余分析結果Figure 3 Redundancy analysis of high-high and low-low clustering points

2.4 土壤肥力狀況

據浙江省地方標準，山核桃林地土壤樣地中堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質位于豐富等級的樣地分別占64%、56%、23%、45%，絕大部分樣點各養分指標等級處于中等以上(表4)，能夠滿足山核桃的生長發育需求，但是由于各區域土壤中養分比例以及酸堿度的不同，綜合肥力狀況也有所差異。在主成分分析結果中，IIF均值為91.67，變幅為35.29～277.05，變異系數為42.73%。第1主成分解釋了48.39%的總變異，第2主成分解釋了26.50%的總變異，第3主成分解釋了17.12%的總變異(表5)。采用類平均法對土壤肥力分值(IIF)進行系統聚類，將259個樣本分為4類，即第Ⅰ類IIF≥146.83，第Ⅱ類87.11≤IIF＜146.83，第Ⅲ類59.72≤IIF＜87.11，第Ⅳ類IIF＜59.72，分別對應土壤肥力高、較高、中、低4個等級。結果顯示：IIF變異系數為42.73%，屬于中等變異，但其中有174個樣本處于中低水平，肥力相對較差。從采樣區域土壤肥力分值所占比例來看，山核桃林地有58.7%的樣地土壤肥力低于平均水平，有32.7%的樣地土壤肥力為Ⅰ和Ⅱ等級，大部分樣地土壤肥力處于Ⅲ、Ⅳ等級，說明大部分山核桃林地土壤肥力還有提高的空間。從使用IIF繪制的空間分布圖來看，島石鎮山核桃林地土壤肥力在所有山核桃產區中最高，該區域的土壤管理方法值得借鑒。沈一凡等[32]研究了近10 a山核桃林地主要分布區域的土壤養分變化情況，發現林地土壤酸化的現象一直在加重，肥力也有不斷下降的趨勢。這是由于大多數山核桃林農缺乏相關技術指導和對立地環境的認知，長期施用以氮素為主的化學肥料造成的。而且從20世紀80年代開始，山核桃林地不斷擴張，但大多數新興產區酸化嚴重，土壤宜肥、宜種性較差。針對這一現象，還需要增施有機肥，并施用一定量的石灰，逐漸改善各地土壤酸化的情況，規范林地生草管理和生態化采收技術，以穩步提升山核桃林地的土壤肥力。

表4 山核桃土壤肥力指標豐缺等級及各等級占比Table 4 Level of soil fertility indexs and the proportion of each level

表5 主成分貢獻率與各因子得分Table 5 Principal component contribution rates and each factor score

3 結論

研究區山核桃林土壤水解酶活性均具有較好的空間變異結構和空間分布格局，結構性變異占總變異的比例較小。研究區山核桃林土壤受到人為因素的干擾較多，人為施肥與經營強度是影響其空間格局形成的最直接因素。土壤水解酶活性空間分布和養分分布聯系密切，在養分質量分數較高的區域有高值聚集的現象，低值聚集區域多位于清涼峰等區域。特色的生態經營方式可以使土壤水解酶活性處于相對較高的水平，從而提高山核桃的宜種性。

研究區山核桃林土壤酸化較為普遍，平均pH為5.76，嚴重限制了山核桃的生長。島石鎮、太陽鎮北部土壤肥力得分較高。從總體來看，大部分區域土壤各肥力指標等級處于中等以上，但有過半土壤綜合肥力未達到平均水平。產區內部各鎮土壤肥力也有著明顯差異，大部分區域土壤肥力還有待提高；土壤水解酶活性變異系數較高，且與有機質、堿解氮、pH、有效磷等肥力因子有較強的相關性。