土壤酶催化土壤中的一切生物化学反应，对土壤肥力有重要影响(郑文教等，1995), 是土壤质量变化中比较敏感的一种生物学指标(李勇，1989)，与植被生长密切相关(何腾兵等，2000)。目前用生物学参数来表征土壤质量日益受到关注，初步提出用土壤微生物生物量、土壤基础呼吸、土壤酶活性等作为土壤质量变化的重要指标(Kennedy et al., 1995; 毕银丽等，1997)。喀斯特(岩溶)地貌在我国西南地区分布广泛，而贵州地处我国西南喀斯特地区的中心，近年来，由于陡坡(≥25°)的过度开垦，植被乱砍滥伐，造成严重的水土流失，石山荒漠化面积已达1.2万km²，现每年仍以933 km²的速度增加(朱波，2002; Turner et al., 1994)。

目前有专家认为：建立以喜钙、耐旱、水土保持效果好的多年生植物(顶坛花椒Zanthoxylum planispinum var. dingtanensis)(屠玉麟等，2001)为主，具有喀斯特峡谷特色的农业可持续发展模式成为恢复与重建喀斯特峡谷生态环境的有效途径(何腾兵等，2000)，退化喀斯特森林生态系统的恢复与重建已成为农业生产环境改善、区域经济发展及人民脱贫致富的迫切要求。正是基于以上的原因，本文从土壤的生物学角度研究北盘江喀斯特地区顶坛花椒人工林下以及喀斯特森林退化过程中土壤酶活性的变化，并将顶坛花椒人工林作为森林演替过程中的一种演替阶段(灌木林)进行分析，具体分析人为干扰在森林演替过程中的作用，为北盘江石漠化地区的治理以及喀斯特环境脆弱生态系统的植被恢复提供土壤生物学方面的理论依据。

1 研究区概况

研究区位于贵州省西南部贞丰县北盘江镇，属珠江流域。研究区内碳酸盐类岩石占78.45%(龙成昌等，2003)，属典型的喀斯特峡谷。由于长期强烈的水土流失，基岩裸露，石漠化十分严重(彭建等，2001)，属强度喀斯特石漠区(刘方等，2005)。研究区土壤主要为碳酸盐类岩石发育土壤，pH值在6.0以上。北盘江峡谷区由于岩溶发育，河谷深切，地下水埋藏深，地表干旱，存在显著的人为加速土壤侵蚀过程，植被次生性明显，生境干热特征显著，属严重石漠化生态系统(李阳兵等，2005)。

2 研究方法 2.1 样地选择

选择乔木林、顶坛花椒林(灌木林)、灌丛、草坡4种植被类型，每种植被类型选择3个样地。其中乔木林主要有小叶榕(Ficus concina)、朴树(Celtis sinensis)和南酸枣(Choerospondias axillaris)等组成，林分内土层厚，有零星灌丛，草被覆盖，湿度大；灌丛内主要生长有悬钩子(Rubus spp.)、鼠刺(Itea chinensis)、白栎(Quercus fabri)、火棘(Pyracantha fortuneana)等，样地内灌丛较密，草被植物较少，湿度较大，土层薄；草坡主要有芒草(Miscanthus sinensis)、野古草(Arundinella hirta)、金银花(Lonicera japonica)、苦蒿(Conyza blinii)和蒲公英(Taraxacum mongolicum)等组成，土层较薄，干旱；顶坛花椒林随机选择1，4，6，9，12及13年生林地(分别标记为a，b，c，d，e，f)，每一林龄各选择3个样地，样地情况基本一致：海拔1 100~1 200 m，中坡，东北坡向，顶坛花椒茎干基部周围施有复合肥和有机肥，林中除人工种植的顶坛花椒外，还有构树(Broussonetia papyrifera)、香椿(Toona sinensis)等。

2.2 土样采集

在乔木林、灌丛、草坡各样地中，采用S型或梅花型混合取样法采取表层土壤(0~20 cm)，每个样地3个重复。在顶坛花椒各样地内，随机选择15株花椒，分为3组，每组5株，按组别沿坡向在树木茎干基部分为3点取表层0~20 cm土壤，每个土样质量为1 kg。所有取样品点都选择在地形相对一致的部位。土样取回后在室温下风干，过2 mm及0.25 mm筛，测定土壤养分含量及酶活性。

2.3 测定方法

土壤有机质测定用重铬酸钾-硫酸消化法；全氮测定用高氯酸-硫酸消煮蒸馏法；碱解氮测定用碱解扩散法；全磷、速效磷测定用分光光度计法(周礼恺等，1980)。

酶活性测定：蔗糖酶和淀粉酶用3, 5-二硝基水杨酸比色法；脲酶用苯酚钠比色法；蛋白酶用铜盐比色法；过氧化氢酶用高锰酸钾滴定法；多酚氧化酶用碘量滴定法；磷酸酶用磷酸苯二钠比色法。土壤酶活性表示方法为：蔗糖酶以37 ℃在蔗糖酶作用下24 h内每克土中生成的葡萄糖质量表示(单位：mg·g^-1)；脲酶以37 ℃在脲酶作用下24 h内每克土中生成的氨态氮质量表示(mg·g^-1)；蛋白酶以37 ℃在蛋白酶作用下24 h内每克土中生成的氨基氮质量表示(mg·g^-1)；碱性磷酸酶以37 ℃碱性条件在磷酸酶作用下24 h内每克土中生成的P₂O₅质量表示(mg·g^-1)；过氧化氢酶以在过氧化氢酶作用下每克土中消耗的0.1 mol·L^-1 KMnO₄的体积表示(mL·g^-1)；多酚氧化酶以在多酚氧化酶作用下每克土中消耗的0.01 mol·L^-1I₂的体积表示(mL·g^-1)。

3 结果与分析 3.1 不同植被类型土壤养分含量

研究结果(表 1)表明：乔木林土壤有机质含量在所有土地利用方式中最高，草坡及灌丛土壤有机质含量低于顶坛花椒林。因为乔木林土壤中有机质的来源比较多，主要有土壤动物、微生物残骸、植物根系以及枯枝落叶残体。乔木林中土壤全氮、碱解氮含量最高，分别为0.35 g·kg^-1，22.5 mg·kg^-1，说明在所研究的4种植被类型中乔木林氮素的利用率最好，其土壤对植物的生长发育有利。草坡、灌丛中土壤全氮、碱解氮含量高于1，4年生顶坛花椒林，低于其他林龄的顶坛花椒林。乔木林、草坡及灌丛中全磷、速效磷含量均低于顶坛花椒林，因为磷素在贵州喀斯特地区比较缺乏，顶坛花椒林进行了施肥管理，人为增加了磷素的含量。顶坛花椒林从种植1年到13年，有机质含量逐渐增加，从45.54 g·kg^-1增加到79.43 g·kg^-1; 到种植13年时有机质含量下降，含量为57.54 g·kg^-1。土壤中全氮、碱解氮含量随着种植年限的增加逐渐增加，分别从0.08 g·kg^-1增加到0.27 g·kg^-1，7.8 mg·kg^-1增加到12.1 mg·kg^-1; 顶坛花椒林中土壤全磷、速效磷含量先增加后降低，全磷含量到种植12年时降低，速效磷含量则到9年生时降低，可能土壤中速效磷含量的变化较敏感。

3.2 不同林龄顶坛花椒林土壤酶活性变化

1) 蔗糖酶  从表 2可以看出，林龄不同，蔗糖酶活性显著不同(P < 0.01，n=52)。随着林龄的增加，蔗糖酶的活性呈增加的趋势，13年时最高，为45.97 mg·g^-1，1年时最低，仅为12.16 mg·g^-1。蔗糖酶活性通常与土壤有机质、氮、磷含量及微生物数量和呼吸强度有关，它不仅能够表征土壤生物活动强度，而且还可以作为评价土壤肥力水平的一个指标。随林龄的增加，花椒林中土壤蔗糖酶活性提高，指示土壤的生物活性和肥力有一定的改善。

2) 淀粉酶  林龄对淀粉酶活性影响极显著(P < 0.01，n=52)。淀粉酶活性随着林龄的增加逐渐增加，从种植1年时的0.16 mg·g^-1增加到13年的0.24 mg·g^-1，增加了5%。

3) 蛋白酶  显著性分析(表 2)表明：林龄不同，蛋白酶的活性显著不同(P < 0.05，n=52)，林龄越大，土壤蛋白酶活性越高，呈上升的趋势。

4) 脲酶  从表 2可以看出，土壤脲酶活性在1~12年生时呈增加的趋势，即随着林龄的增加，脲酶的活性逐渐增加，在种植顶坛花椒12年时土壤中脲酶的活性最高，为1.52 mg·g^-1，到13年后降低，与9年时相近，为0.60 mg·g^-1。显著性分析(表 2)表明土壤中脲酶的活性在不同林龄变化显著(P < 0.05，n=52)。

5) 磷酸酶  表 2表明，随林龄的增加，土壤中磷酸酶活性表现为先增加后降低后又增加的趋势。13年时磷酸酶活性最高，1年时酶活性最低，酸性、碱性磷酸酶活性分别增加了224.4%及100%，会影响到土壤中磷化合物的转化，影响到土壤中磷元素的供给。

6) 多酚氧化酶  表 2表明，土壤中多酚氧化酶的活性随着林龄的增加呈现降低的趋势。多酚氧化酶活性下降，会造成土壤中多酚类物质的积累，降低了土壤的解毒作用。这与土壤淀粉酶的研究结果一致，因为淀粉酶是一种土壤有机物质的分解酶，随着种植年限的增加，土壤中淀粉酶的活性逐渐增强，说明顶坛花椒林土壤有机质的分解能力在不断地增强。从表 2也可以看出1年生顶坛花椒林的多酚氧化酶活性明显高于其他林龄，说明顶坛花椒种植1年，土壤腐殖质的腐殖化程度最低。

7) 过氧化氢酶  从表 2可以看出，随着林龄的增加顶坛花椒林土壤过氧化氢酶活性的变化不明显。在1年生顶坛花椒林样地中土壤的过氧化氢酶活性最低，土壤的解毒能力最差，有毒物质在土壤中积累，影响林木的生长。

3.3 喀斯特森林演替过程中土壤酶活性变化

乔木林中蔗糖酶、淀粉酶、脲酶、蛋白酶活性比灌丛、草地土壤高，蔗糖酶、淀粉酶活性大小为乔木林>灌木林(顶坛花椒林)>灌丛>草地，蛋白酶、脲酶活性则为乔木林最高，草地最低。随着石漠化的加剧，土壤中转化酶的活性降低。土壤中蔗糖酶直接参与土壤碳素循环，而土壤脲酶和蛋白酶则直接参与土壤含氮有机化合物的转化，其活性强度常用来表征土壤氮素供应强度(Kennedy et al., 1995; 杨玉盛等，1999)，喀斯特环境退化后以上4种土壤酶活性降低，削弱了土壤中碳和氮素的营养循环。土壤磷酸酶酶促作用能加速土壤有机磷的脱磷速度，从而提高磷的有效性(Kennedy et al., 1995; 杨玉盛等，1999)。研究结果表明，碱性、酸性磷酸酶活性都是乔木林>灌木林(顶坛花椒林)>灌丛>草地，随着喀斯特森林的退化，土壤磷酸酶的活性降低，与乔木林相比，草地中磷酸酶的活性降低60%以上，从而在一定程度上削弱了土壤供磷能力。土壤多酚氧化酶活性逐渐降低，与乔木林相比，草地、灌丛中多酚氧化酶活性降低37.5%和68.5%。过氧化氢酶活性则是乔木林中最低，灌丛中最高。

在喀斯特地区，在人为破坏作用下发生逆向演替，从喀斯特森林经过灌木林、灌丛、草地最后退化为石质荒山，这种逆向演替过程迅速，生态环境随之快速恶化(龙健等，2002)。而要从石质荒山经过自然恢复成为森林需经历一个漫长的过程，并且恢复速度极慢，很易中断，甚至不可逆转。从以上分析可见，在喀斯特森林演替过程中(森林→灌木林→灌丛→草坡)，土壤有机残体分解速度及腐殖质再合成能力均有明显的下降，这与酶促作用底物浓度降低有关，因为随退化程度加剧，土壤密度升高，土壤酸度降低，土壤有机质和腐殖质数量减少，土壤腐殖质品质下降(龙健等，2003)，土壤微生物数量减少，这些变化均导致土壤酶活性减弱，土壤质量降低。

3.4 土壤酶与土壤养分间的相关性分析

从表 3可以看出，土壤中蔗糖酶、淀粉酶、磷酸酶活性与土壤中有机质、全氮、碱解氮含量都存在显著或者极显著的正相关关系，说明土壤中蔗糖酶、淀粉酶、磷酸酶活性可以表示土壤中有机质以及氮素的转化及循环能力。蛋白酶、脲酶活性与土壤中的有机质、全氮含量相关性不明显，与碱解氮含量存在极显著正相关性，这也说明脲酶是一种专一性的酶，仅能水解土壤中的尿素，蛋白酶、脲酶直接参与了土壤中含氮有机化合物的转化，其酶促作用能够促进土壤中氮素的转化，提高土壤氮素的有效性。过氧化氢酶的活性与土壤中有机质、全氮及速效磷含量相关关系不明显, 与土壤中全磷、碱解氮含量有显著正相关关系。蔗糖酶活性与土壤全磷及速效磷含量存在显著和极显著正相关关系，蔗糖酶活性对土壤中磷素的含量以及变化量有显著的作用。从分析结果看，用转化酶活性来表征土壤有机质、碱解氮、全磷、速效磷等肥力水平是可行的。土壤转化酶即蔗糖酶，能酶促蔗糖分子水解成葡萄糖与果糖，是土壤中参与碳素循环的一种重要酶，被用来表征土壤中生物化学过程的动向与强度，许多研究发现转化酶活性与有机碳、全氮、有效磷等土壤养分状况有密切的相关关系，转化酶活性是表征土壤生物学活性的指标之一，其产物是植物和微生物的营养源。由于转化酶活性的提高，土壤碳代谢过程加强，消耗的有机物质也会增加，如果土壤中的有机物质不能够得到及时补充，必定会引起土壤有机物的过度消耗，降低土壤肥力水平(闫德仁，1997)。多酚氧化酶活性与土壤中养分含量呈负的相关性，相关关系不明显。

磷酸酶的活性与土壤中全磷的含量相关关系不显著，而与土壤中速效磷含量存在极显著正相关关系，说明土壤中磷酸酶活性可以酶促土壤中磷素的分解，使其成为对植物生长有效的磷素，提高土壤中磷素的有效性。说明土壤中磷酸酶活性的提高对于植物吸收磷素有重要的意义。总之土壤酶活性与土壤中的主要养分含量存在相关关系，因此可以用土壤酶作为土壤肥力质量评价的指标之一。因为土壤酶可代表土壤中植物可利用的养分含量的变化情况，是表示土壤质量变化的敏感性指标，比土壤理化性质指标更迅速地反映土壤质量的变化。

4 结论与讨论

土壤养分、微生物和酶是森林生态系统的重要组成成分(龙成昌等，2003)。土壤养分含量直接影响植物的生长，是评价土壤肥力的重要指标(薛立等，2003; 陈立新，2004)。研究区是典型喀斯特地区，磷素严重缺乏。随着顶坛花椒林龄的增加，土壤有机质、氮素、磷素含量呈增加趋势。常庆瑞等(2008)的研究也表明随着树木生长发育, 乔木林地土壤中有机质含量不断增加，营养元素得到富集。随着喀斯特森林植被的退化，土壤中有机质、氮素、磷素含量呈下降趋势。

土壤酶参与土壤的许多重要的生物化学过程和物质循环，可以客观地反映土壤肥力状况(薛立等，2003；陈立新，2004；张鼎华等，1987), 与土壤肥力的形成有密切关系，可以作为评判土壤总的生物活性的一种手段。相关性分析结果表明，土壤酶与土壤中有机质、氮素、磷素存在显著或极显著相关关系，龙健等(2002)、许景伟等(2000)、孙翠玲等(1997)及薛冬等(2005)的研究也证明土壤酶活性与土壤养分含量之间有密切关系。最近，Singh等(2001)研究了喜马拉雅山区不同滑坡地带的森林生态系统恢复过程中土壤理化特性、微生物生物量和土壤酶活性，认为土壤酶活性可作为土壤质量的生物指标。Badiane等(2001)也提出用土壤酶活性监测半干旱地区扰动生境和自然生境的土壤质量。

随着顶坛花椒林龄的增加，蔗糖酶、淀粉酶、蛋白酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性增加，焦如珍等(1997)对杉木(Cunninghamia lanceolata)林土壤酶的研究也证明蛋白酶、磷酸酶、蔗糖酶以及土壤有机质从中龄林到成熟林呈明显的上升趋势，在林木生长过程中磷素含量的降低刺激了根系和微生物分泌产生磷酸酶(陈竣等，1997)。土壤中脲酶的活性在不同顶坛花椒林龄下的变化显著，Doyle等(1993)和Pavel等(2004)的研究结果也表明林龄不同土壤脲酶活性显著不同。土壤脲酶活性在1~12年生顶坛花椒林呈增加的趋势，到13年后降低，与9年时相近，这与陈立新(2004)对落叶松(Larix olgensis)人工林的研究结果基本相似。而多酚氧化酶活性降低，焦如珍等(1997)的研究结果也证明杉木中龄林和成熟林土壤多酚氧化酶活性明显低于幼龄林，影响腐殖质的形成，并有可能造成有毒的多酚类物质的积累。杨树(Populus)人工林随着林龄增长，土壤酶活性降低，土壤肥力衰退(孙翠玲等, 1995; 1997)。由于本研究的顶坛花椒人工林进行了相应的施肥管理，所以短期内土壤酶活性增加。但是施肥对人工林地土壤酶活性的具体影响还必须进行长期的定位研究。

本文研究了随着顶坛花椒林龄增加土壤酶活性的变化，并将顶坛花椒林作为喀斯特森林演替过程中的一个演替阶段(灌木林阶段)，旨在明确人为的干扰在整个森林演替过程中的作用。得出随着喀斯特森林的退化土壤中酶活性(除过氧化氢酶外)呈下降趋势。可见在喀斯特森林的退化演替过程中，土壤酶活性降低，龙健等(2004)、魏媛等(2008)研究结果表明，喀斯特森林退化演替过程(森林—灌木林—灌丛—草地—裸荒地)中，微生物总数下降、土壤呼吸强度减弱、土壤生化作用强度呈降低趋势。灌木林(即顶坛花椒林)处于演替的中间阶段，并未加剧森林的逆向演替，说明施肥可以延缓逆向演替，对土壤质量的改善有一定作用。高瑞等(2005)的研究表明, 施肥可提高土壤脲酶、碱性磷酸酶、转化酶活性，其原因是施肥可促进作物根系代谢，使根系分泌物增多，微生物繁殖加快。但是长期的施肥管理是否有利于土壤质量的改善还有待于进一步研究。