土壤作为森林生态系统的重要组成部分，在维持生态系统的平衡和稳定中起着至关重要的作用。然而，随着人类活动的不断扩张和气候变化的影响，森林生态系统土壤特征可能会发生变化，从而影响整个森林生态系统的健康和功能。土壤酶和微生物生物量作为森林土壤生态系统的重要组成部分，直接或间接参与土壤能量流动、养分循环等生物化学过程，与土壤养分关系密切，被广泛应用于生态环境质量评价过程中^[1-2]。土壤酶是具有催化能力的蛋白质，主要来源于植物根系分泌物、微生物和动植物残体^[3]，其活性对不同森林生态系统的环境很敏感，可通过酶促反应将有机质转化为简单化合物，供微生物利用^[4]，是微生物对土壤养分含量变化响应的重要指标。另外，β-葡萄糖苷酶、脲酶和磷酸酶等参与碳、氮、磷循环的酶常被用来评估不同森林类型下土壤有机质积累和转化的潜在差异^[5]。土壤微生物生物量指的是土壤中体积小于5×10³ μm³的微生物的总量^[6]，它是反映土壤微生物活性的重要指标之一，对土壤养分的积累和转化有重要作用^[7]，可作为土壤质量变化、评价土壤性质变化和养分转化的敏感指标^[8]。不同林分类型由于其凋落物数量、分解速度等不同，土壤酶活性与微生物生物量也存在较大差异。因此，研究不同林分类型下土壤酶活性和微生物生物量变化特征及其影响因素，对探究森林土壤养分循环过程及森林经营管理有重要意义。

高海拔地区森林生态系统比低海拔地区对全球变化反应更明显，无论是年或季节变化，最低、最高温度的变化幅度均随着海拔的升高而增大^[9]；海拔引起的气候变化间接影响土壤特性，高海拔地区更容易受水土流失、土壤侵蚀等影响^[10]，导致土壤养分循环、能量流动等生态过程与低海拔区域存在显著差异^[11]。因此，开展相应研究有助于更准确地理解森林生态系统的适应性和限制因素。威宁彝族回族苗族自治县位于贵州西北部、乌蒙山北部，是贵州省面积最大、平均海拔最高的县，被誉为黔西北的“屋脊”。近年来，贵州高海拔地区土壤相关研究主要集中在威宁草海湿地生态系统，涉及不同地貌土壤重金属变化^[12]、不同土地利用方式对土壤理化性质的影响^[13]等方面，然而，对该地区森林生态系统中土壤酶活性和微生物生物量的变化特征尚不清楚，缺乏森林经营理论基础。自1985年启动人工造林计划以来，威宁县形成了多样化的森林类型，主要以云南松(Pinus yunnanensis forest，PF)构成的针叶林、云南松－麻栎(Pinus yunnanensis-Quercus acutissima forest，PQF)混交形成的针阔混交林以及桤木－麻栎(Alnus cremastogyne-Quercus acutissima forest，AQF)构成的阔叶混交林为主。因此，本研究以该区域的云南松林、云南松－麻栎林和桤木－麻栎林3种典型林分类型为研究对象，探究不同林分类型土壤酶活性和微生物生物量的变化特征及其影响因素，为威宁县地区森林经营管理提供理论依据。

研究区位于贵州省威宁彝族回族苗族自治县国有沙子坡林场黑石工厂区(104°32′~104°35′E，26°35′~26°38′N)，该区气候属亚热带季风性湿润气候，年平均气温10 ℃左右，年平均降水量917.3 mm，平均海拔2 200 m。土壤类型以黄壤和黄棕壤为主。常见优势植物为云南松、华山松(Pinus armandii)、桤木、麻栎、白栎(Quercus fabri)、马桑(Coriaria nepalensis)、油杉(Keteleeria fortunei)、小檗(Berberis thunbergii)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、滇杨(Populus yunnanensis)等。

2023年8月，在研究区选择3种典型林分类型，分别为云南松林、云南松－麻栎林和桤木－麻栎林，样地基本信息见表 1。每种林分类型分别设置3个25.8 m×25.8 m的样地，共设置9个样地。在样地内沿对角线随机挖掘3个土壤剖面，按0~20、20~40 cm分层采样。同时在每个土层用100 cm³的环刀采集环刀土样，采样时去除肉眼可见的砂砾和植物根系，将每个样地同一土层的3个土样混合为1个样品后分两份装入密封袋，一份自然风干供土壤性质等测定，另一份置于-4 ℃冰箱保存供微生物生物量碳、氮含量及土壤酶活性测定。

土壤性质参照鲍士旦^[14]的方法测定：土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)含量采用重铬酸钾氧化－外加热法测定；土壤容重(soil bulk density，SBD)采用环刀法测定；pH值采用玻璃电极法测定；全氮(total nitrogen，TN)含量采用凯氏定氮法测定；全磷(total phosphorus，TP)含量采用碱熔－钼锑抗分光光度法测定；全钾(total potassium，TK)含量采用碱熔－火焰光度法测定；阳离子交换量(cation exchange capacity，CEC)采用EDTA-乙酸铵交换法测定；无定形态氧化铁(amorphous iron oxide，Fe_o)、无定形态氧化铝(amorphous alumina，Al_o)含量采用草酸铵浸提－原子吸收分光光度法测定；微生物生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)、微生物生物量氮(microbial biomass nitrogen，MBN)含量采用氯仿熏蒸-K₂SO₄浸提法测定^[15]。

土壤酶活性参照关松荫^[3]的方法测定：蔗糖酶(sucrase，SUC)活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定；β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase，βG)活性采用硝基酚比色法测定；脲酶(urease，URE)活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定；酸性磷酸酶(acid phosphatase，ACP)活性采用磷酸苯二钠比色法测定；过氧化氢酶(catalase，CAT)活性采用高锰酸钾滴定法测定；多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)活性采用碘量滴定法测定。

采用Excel 2019软件对数据进行整理，采用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析，比较不同林分类型间酶活性、微生物生物量以及土壤性质等差异，并用Duncan法进行多重比较；利用Pearson相关分析和冗余分析探索土壤酶活性、微生物生物量与土壤性质之间的关系。Pearson相关分析在SPSS软件中完成，冗余分析在Canoco 5.0软件中完成，采用Origin 2021软件绘制相关性热图和结果分析图。

如图 1所示，3种林分类型土壤的URE、βG、SUC活性差异不显著；两个土层中，PPO活性均表现为桤木－麻栎林显著高于云南松林和云南松－麻栎林(P < 0.05)；CAT活性表现为桤木－麻栎林>云南松－麻栎林>云南松林，桤木－麻栎林显著高于其他两种林分类型(P < 0.05)。ACP活性在0~20 cm土层中表现为云南松林、桤木－麻栎林显著高于云南松－麻栎林(P < 0.05)；在20~40 cm土层中表现为云南松林显著低于其他两种林分类型(P < 0.05)；不同林分类型土壤的酶活性均随着土层加深而降低。

注：图中不同大写字母表示同一林分类型不同土层间存在显著差异(P < 0.05)，不同小写字母表示同一土层不同林分类型间存在显著差异(P < 0.05)。 Note: different capital letters indicate significant differences between different soil depths within the same forest stand(P < 0.05), whereas different lowercase letters indicate significant differences between different forest stands within the same soil layer(P < 0.05). 图 1 3种林分类型不同土层土壤的酶活性变化 Fig. 1 Variation of enzyme activities in three forest types and different soil depths

图选项

如图 2所示，云南松－麻栎林土壤的MBC含量最高，在0~20 cm土层显著高于云南松林和桤木－麻栎林(P < 0.05)，云南松林与桤木－麻栎林不存在显著差异；20~40 cm土层，云南松－麻栎林土壤的MBC含量显著高于云南松林(P < 0.05)，但与桤木－麻栎林差异不显著。云南松林与桤木－麻栎林土壤的MBN含量在0~20、0~40 cm土层均不存在显著差异，但均显著低于云南松－麻栎林(P < 0.05)。3种林分类型土壤的MBC、MBN含量都表现为0~20 cm土层显著高于20~40 cm土层(P < 0.05)。

注：图中不同大写字母表示同一林分类型不同土层间存在显著差异(P < 0.05)，不同小写字母表示同一土层不同林分类型间存在显著差异(P < 0.05)。 Note: different capital letters indicate significant differences between different soil depths within the same forest stand(P < 0.05), whereas different lowercase letters indicate significant differences between different forest stands within the same soil layer(P < 0.05). 图 2 3种林分类型不同土层土壤的微生物生物量碳、微生物生物量氮变化 Fig. 2 Variation of soil MBC and MBN in three forest types and different soil depths

图选项

由表 2所示，云南松－麻栎林、桤木－麻栎林土壤的SOC含量均显著高于云南松林(P < 0.05)，但两者间无显著差异，3种林分类型土壤的SOC含量均随土层加深而降低，0~20 cm土层显著高于20~40 cm土层(P < 0.05)。3种林分类型土壤中SBD最高的是云南松林，显著大于云南松－麻栎林和桤木－麻栎林(P < 0.05)，除云南松林外，另外两种林分类型不同土层间SBD无显著差异。3种林分类型土壤均呈酸性，pH值在4.89~5.19之间。3种林分类型土壤的TN、TP和TK含量均随着土层的加深显著降低(P < 0.05);0~20 cm土层，云南松林土壤的TN含量显著低于云南松－麻栎林和桤木－麻栎林(P < 0.05), TP含量在3种林分类型中存在显著差异，表现为桤木－麻栎林>云南松－麻栎林>云南松林(P < 0.05);20~40 cm土层，3种林分类型土壤的TN含量无显著差异, TP含量表现为桤木－麻栎林显著高于云南松－麻栎林和云南松林(P < 0.05);而TK含量在0~20、20~40 cm土层均存在显著差异，表现为云南松林>云南松－麻栎林>桤木－麻栎林(P < 0.05)。3种林分类型土壤的Al_o含量在0~20 cm土层中表现为云南松－麻栎林显著高于云南松林和桤木－麻栎林(P < 0.05)，但在20~40 cm土层中无显著差异。3种林分类型土壤的Fe_o含量以桤木－麻栎林最高，云南松林最低，但云南松林与云南松-麻栎林无显著差异，且均随土层加深而降低。3种林分类型土壤的CEC无显著差异。

分别以土壤酶活性、微生物生物量为响应变量，土壤性质为解释变量进行冗余分析。由图 3(a)可见，土壤酶活性在第1轴、第2轴解释率分别为57.55%和19.39%，其中SOC(P=0.002)、TP(P=0.002)含量对酶活性的解释率分别为46.20%、16.20%，是影响土壤酶活性变化的关键因子。

注：SOC.土壤有机碳含量；SBD.土壤容重；TN.全氮含量；TP.全磷含量；TK.全钾含量；CEC.阳离子交换量；Feo.无定形态氧化铁含量；Alo.无定形态氧化铝含量；MBC.微生物生物量碳含量；MBN.微生物生物量氮含量；SUC.蔗糖酶活性；βG.β-葡萄糖苷酶活性；URE.脲酶活性；ACP.酸性磷酸酶活性；CAT.过氧化氢酶活性；PPO.多酚氧化酶活性。 Note: SOC.soil organic carbon content; SBD.soil bulk density; TN.total nitrogen content; TP.total phosphorus content; TK.total potassium content; CEC.cation exchange capacity; Feo.amorphous iron oxide content; Alo.amorphous alumina content; MBC.microbial biomass carbon content; MBN.microbial biomass nitrogen content; SUC.sucrase activity; βG.β-glucosidase activity; URE.urease activity; ACP.acid phosphatase activity; CAT.catalase activity; PPO.polyphenol oxidase activity. 图 3 土壤酶活性、微生物生物量与土壤性质冗余分析 Fig. 3 Redundancy analysis of soil enzyme activity, microbial biomass, and soil properties

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由图 3(b)可见，土壤微生物生物量在第1轴、第2轴解释率分别为80.84%和12.27%，其中SOC含量(P=0.002)、TP含量(P=0.034)、Al_o含量(P=0.014)、CEC(P=0.020)、Fe_o含量(P=0.016)、pH值(P=0.024)对微生物生物量的解释率分别为70.20%、8.30%、8.10%、5.30%、3.80%、3.20%，是影响土壤微生物生物量变化的关键因子。

如图 4所示，URE活性与SOC、TN含量呈极显著正相关(P < 0.01)；ACP活性与SOC、TN、Fe_o含量呈极显著正相关(P < 0.01)，与TP含量呈显著正相关(P < 0.05)，与SBD呈显著负相关(P < 0.05)；CAT活性与SOC、TN、TP、Fe_o含量呈极显著正相关(P < 0.01)，与SBD呈极显著负相关(P < 0.01)；βG活性与SOC、TN、Fe_o含量呈极显著正相关(P < 0.01)，与TK含量呈显著正相关(P < 0.05)，与SBD呈显著负相关(P < 0.05)；SUC活性与SOC、TN含量呈显著正相关(P < 0.05)；PPO活性与TP含量呈极显著正相关(P < 0.01)；其他指标与酶活性相关性不显著。MBC含量与SOC、TN、Fe_o呈极显著正相关(P < 0.01)，与TP呈显著正相关(P < 0.05)，与SBD呈极显著负相关(P < 0.01)；MBN含量与SOC、TN含量呈极显著正相关(P < 0.01)，与Al_o含量呈显著正相关(P < 0.05)，与SBD呈显著负相关(P < 0.05)；其他指标与微生物生物量相关性不显著。

注：*表示显著相关(P < 0.05)，**表示极显著相关(P < 0.01)。SOC.土壤有机碳含量；SBD.土壤容重；TN.全氮含量；TP.全磷含量；TK.全钾含量；CEC.阳离子交换量；Feo.无定形态氧化铁含量；Alo.无定形态氧化铝含量；MBC.微生物生物量碳含量；MBN.微生物生物量氮含量；SUC.蔗糖酶活性；βG.β-葡萄糖苷酶活性；URE.脲酶活性；ACP.酸性磷酸酶活性；CAT.过氧化氢酶活性；PPO.多酚氧化酶活性。 Note: *indicates a significant correlation(P < 0.05); ** indicates an extremely significant correlation(P < 0.01).SOC.soil organic carbon content; SBD.soil bulk density; TN.total nitrogen content; TP.total phosphorus content; TK.total potassium content; CEC.cation exchange capacity; Feo.amorphous iron oxide content; Alo.amorphous alumina content; MBC.microbial biomass carbon content; MBN.microbial biomass nitrogen content; SUC.sucrase activity; βG.β-glucosidase activity; URE.urease activity; ACP.acid phosphatase activity; CAT.catalase activity; PPO.polyphenol oxidase activity. 图 4 土壤酶活性、微生物生物量和土壤性质相关性热图 Fig. 4 Heat map of correlation among soil enzyme activity, microbial biomass, and soil properties

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土壤酶在土壤生态系统的物质循环和能量流动方面扮演重要的角色，目前，在对森林生态系统的研究中，对土壤酶活性的监测成为必不可少的研究内容^[1]。本研究表明，同一林分类型土壤酶活性随着土层加深而降低，这是因为土壤表层养分储量较高，微生物活性较高，酶促反应剧烈。URE体现土壤催化尿素转化为氨和二氧化碳的能力，提升土壤将有机氮转化为无机氮的能力，增加土壤氮素供应^[16]；βG是一种最重要的土壤碳水解酶，在纤维素水解成葡萄糖的过程中发挥着重要作用^[17]；SUC通过将土壤有机质水解为葡萄糖和果糖，是微生物生命活动和植物生长的重要营养物质^[18]；这几种土壤酶活性在不同林分类型间常具有一定差异。但本研究中，3种林分类型土壤的URE、βG、SUC活性没有显著性差异，这与WANG et al^[19]研究结果相似，可能是3种林分类型处于同一地带，立地条件和降雨等因子相似，所以这3种酶活性并不能体现研究地不同林分类型之间的差异。PPO与土壤腐殖化程度高度相关。本研究中PPO活性在桤木－麻栎林中显著高于其他两种林分类型(P < 0.05)，这可能是桤木－麻栎林通常由多种阔叶树种构成，其枝条、叶片及果实等凋落物大量输入土壤，成为土壤腐殖质形成的重要原料。CAT不仅可以氧化过氧化氢，防止土壤中毒，也能将酚类、胺类物质氧化为醌来参与腐殖质的合成^[20]。本研究中，CAT活性在3种林分类型中表现为桤木－麻栎林>云南松－麻栎林>云南松林，这是因为阔叶树种的冠幅普遍比针叶树种宽广，其凋落物量更多且更易于分解，有效促进了土壤养分的转化。相较于云南松林，桤木－麻栎林和云南松－麻栎混交林的物种丰富度更高，这种高物种多样性可能有助于森林内部各物种的相互促进，进而提升土壤质量，对森林生态系统的功能起积极的推动作用。

土壤微生物生物量对环境因子的变化极其敏感，不同的林分类型由于植被类型不同，影响凋落物组成和林内小气候，导致同一地带的微生物生物量也存在差异^[21]。本研究中，MBC含量在0~20 cm土层中表现为云南松－麻栎林显著高于云南松林和桤木－麻栎林(P < 0.05)，在20~40 cm土层中表现为云南松－麻栎林>桤木－麻栎林>云南松林；MBN含量在两个土层中均表现为云南松－麻栎林显著高于云南松林和桤木－麻栎林(P < 0.05)。这是因为云南松－麻栎林增加了凋落物的多样性，改变了底物可利用性，从而影响MBC、MBN含量，且针叶树种的凋落物会发生化感作用，云南松－麻栎林的凋落物不仅会降低其化感作用，还可以为微生物提供充足的营养^[22]。土壤微生物对土壤有机质的分解起关键作用，针叶纯林凋落物中含有较多的单宁、树脂等难分解的物质，这可能阻碍了微生物的活动，而MBC、MBN是植物根系中重要的营养来源和储存库，这也是云南松林微生物生物量含量较低的原因之一。另外，有研究^[23]表明，针叶与阔叶混交不仅可以提升细根生物量，还能使年凋落物量增加，这也会显著提高微生物活性。本研究中，3种林分类型土壤的MBC、MBN含量均随着土层加深而逐渐降低，与李聪等^[24]对文山不同海拔地带性植被的研究结果一致。这是因为土壤中异养型微生物较多，无法通过化学合成或光合作用合成自身所需有机物，需要从环境中摄取养分，而随着土层的加深，土壤物理性质，如含水量、通气性等逐渐恶劣，导致土壤养分含量、根系分泌物等减少，从而土壤深层的MBC、MBN含量显著低于表层。

土壤因子如SBD、TN、TP、SOC等与微生物的活性和丰度相关，这些土壤环境因子的变化影响微生物群落的特征和呼吸等，从而影响土壤酶活性。严绍裕^[25]对湿地松林研究发现，土壤SUC、URE、ACP活性均与土壤有效磷、速效钾、有机质等养分含量呈极显著正相关。本研究中，TN、TP含量均与酶活性呈一定正相关关系，且TN含量与URE、ACP、CAT、βG活性呈极显著正相关，与SUC活性呈显著正相关，TP含量与CAT、PPO活性呈极显著正相关，与ACP活性呈显著正相关，这是因为土壤酶通过分解有机质释放出植物和微生物所需的养分，这些养分可以促进微生物的生长和活性，从而间接提高土壤酶的活性。SBD反映土壤疏松程度，本研究表明其与酶活性呈负相关，与前人研究^[26]结果一致。本研究中，除MBC含量与SUC、PPO活性，以及SOC含量与PPO活性的相关关系不显著外，MBC、SOC含量均与其他酶活性呈显著或极显著正相关。这是因为土壤酶主要来源于微生物残体和微生物的分解释放，可以作为土壤微生物对养分变化响应的重要指标，MBC主要来自于SOC的贮量，可以反映SOC微小的变化；另外，SOC可以作为底物并刺激酶的释放，也可以与酶结合形成腐殖质蛋白复合物，对酶起保护作用，所以MBC、SOC含量常与多种土壤酶活性密切相关，是土壤酶活性的重要影响因素^[27]。铁、铝氧化物在土壤环境中普遍存在，常与SOC通过吸附或沉淀的方式结合，以细颗粒、胶膜形态包裹于土壤颗粒表面或胶结面，形成无机-有机化合物，对SOC起保护作用。本研究表明，Fe_o含量与SOC含量、土壤酶活性及MBC存在一定正相关关系，这是因为铁氧化物与有机碳结合后，更有利于有机碳的固持，一定程度上提高了土壤肥力，改善了土壤养分含量及微生物活性。本研究中，MBN与PPO活性呈显著负相关关系，CEC与SUC、ACP、URE活性呈负相关，有研究^[28]表明，土壤有时会出现酶活性升高而养分含量逐渐降低的情况，这是因为高酶活性可能代表土壤营养受限。另外，本研究中，TK含量与CAT、PPO活性呈负相关关系，表明钾元素对氧化酶有抑制作用，这可能是当地土壤偏酸性影响了钾元素的转化和吸附释放过程，使土壤钾元素的可选择结合位点易被铝元素及其氢氧化物所占据，进而影响土壤中离子交换和酶促底物供应。本研究中，MBC与MBN呈极显著正相关，与付战勇等^[29]研究结果一致，这说明微生物对碳、氮的转化与固持能力是由微生物本身的数量所决定的。本研究中，MBC、MBN均与SOC、TN含量呈极显著正相关，与其他养分含量也呈正相关，与SBD呈极显著或显著负相关。土壤理化性质对微生物生物量影响显著，通常情况下，土壤养分含量的升高会使微生物的数量显著增加，因此，具有高养分的土壤能够为更多的微生物提供理想的生存环境。这表明土壤微生物生物量对土壤肥力具有重要的指示意义，可以作为评价土壤肥力状况的指标。土壤酶活性和微生物生物量的变化，主要受植被类型、凋落物数量以及根系等因素影响，未来可考虑从植被－凋落物－土壤之间的耦合机制进行深入研究。

贵州高海拔地区3种林分类型土壤的URE、βG、SUC活性没有显著差异，但CAT、PPO活性均表现为桤木－麻栎林显著高于云南松－麻栎林和云南松林(P < 0.05)；在0~20 cm土层中，ACP活性以云南松－麻栎林最低(P < 0.05)，在20~40 cm土层中，以云南松林最低(P < 0.05)。3种林分类型土壤MBC、MBN含量均以云南松－麻栎林最高。土壤酶活性和微生物生物量随土层深度增加均呈现出下降的趋势。冗余分析表明，SOC、TP含量是酶活性的影响因子，SOC含量、TP含量、Al_o含量、CEC、Fe_o含量和pH值是微生物生物量的影响因子，但SOC含量是决定土壤酶活性和微生物生物量的关键因子。与云南松林相比，有阔叶树种的林分类型土壤质量更高，因此在未来的森林经营中，该地区可以适当对云南松林进行树种结构的调整，以期进一步提升土壤质量。