生态化学计量学在国内的研究与发展起源于2004年，是一门结合了生物学、化学和物理学等基本原理的研究生态系统中能量平衡和多重化学元素平衡的科学^[1]。陆地土壤作为诸多生态过程的重要物质载体，其生态化学计量能较好地揭示生态系统功能的变异性，反映土壤内部的养分循环，从而影响生态系统的群落组成与结构^[2]。其中土壤碳氮比(C/N)可反映土壤有机质分解或者积累的状态; 氮磷比(N/P)可反映植被受干扰程度; 碳磷比(C/P)可反映微生物矿化土壤有机物释放磷素的潜力^[3]。土壤酶作为土壤中一切生化过程的参与者，对土壤物质的循环与转化过程起到重要影响，其活性既可以反映土壤理化性质、生物量和生物多样性的变化，也可以反映碳(C)、氮(N)、磷(P)等养分循环情况和代谢水平^[4]，所以土壤中碳、氮、磷与酶活性联系紧密。研究表明，土壤碳、氮、磷含量及酶活性受地形、水热条件、群落结构、土壤理化性质、微生物量等环境因子的影响较大^[3]。喀斯特山区脆弱的生态环境和复杂的地形特征，致其土壤养分和土壤酶活性都有别于其他地区，且具有高度的空间异质性。海拔作为一种自然地理变化，其高度的变化会改变区内温度、湿度、降水、光照、植物分布、土壤酸碱性等环境因子，引起区域生态系统的梯度效应，直接或间接地影响土壤养分和酶活性的分布^[5]。近年来，围绕海拔梯度上土壤养分特征的研究逐渐增多，但主要是生态化学计量或土壤酶活性与海拔梯度的单一关系研究，对于两者相联系与海拔差异引起的环境因子的相互关系的认识并不深刻，不利于进一步科学指导喀斯特生态系统的修复。由前人对海拔梯度上土壤碳、氮、磷含量以及酶活性的相关研究可知^[6-8]，因地理位置、海拔范围、气候特征及群落结构的差异，土壤生态化学计量与酶活性在海拔梯度上的分布规律尚存在差别与争议。因此，开展喀斯特干热河谷区海拔梯度对土壤养分及酶活性影响机制的研究具有重要意义。

贵州省安顺市关岭县的花江大峡谷属于西南喀斯特地区中典型的峡谷地貌，是我国重点石漠化综合治理区之一。研究表明，喀斯特山地生态系统中的气候、群落结构和土壤质量在小尺度的空间距离上存在显著差异，且具有气候垂直分带明显的特点，导致该区内光照、温度、湿度、植被密度、土壤养分等环境因子在不同海拔处存在显著差异^[9-10]。目前对于喀斯特山区在海拔梯度上土壤生态化学计量特征以及酶活性的研究虽有报道，但仍存在不足：其一是土壤酶活性在土壤质量评价中扮演着重要角色，与土壤碳、氮、磷含量一样受小尺度空间环境变化的影响较大，在喀斯特山区海拔梯度上对于两者之间的耦合关系以及与环境因子的相关性研究却鲜见报道；其二是林地作为喀斯特脆弱生态系统主要的植被恢复模式，其土壤养分普遍高于灌丛、草地，相比于耕地又受到了较少的人为影响^[11]，对于林地土壤营养元素和酶活性的深入调查分析，可为石漠化治理过程中土壤养分的精准管理和生态系统的高效保育提供基础资料。鉴于此，本研究采集花江石漠化治理示范区不同海拔(500~1 100 m)林地中的土壤，测定其碳、氮、磷含量以及酶活性，探讨不同海拔梯度、土壤层次间的土壤理化性质、酶活性及生态化学计量比的相互关系，以期为喀斯特山区土壤养分的区域性变化研究提供参考，为石漠化综合治理中的植被恢复和可持续发展提供科学依据。

研究区位于贵州省安顺市关岭县和贞丰县交界处的花江石漠化治理示范区(25°63′~25°67′N，105°64′~105° 67′E)，海拔450~1 450 m，垂直高差1 000 m。区内年平均降水量约为1 100 mm，理应属于降水丰富地区，但由于时空分布极度不均匀，冬春季降水量仅占全年总降水量的15%，加上较多的土壤裂隙和地势陡峭的地形特征，导致土壤水分流失严重，全年伏旱时间长，属典型的干热河谷气候。土壤以石灰岩为母岩的弱碱性石灰土为主，土壤浅薄，裸岩面积大，地势起伏明显，整体呈现中强度石漠化。自2004年正式设立喀斯特治理示范区，采用“人工造林+自然恢复”的生态修复模式，植被覆盖率才得以提升，严酷的生境使得区内生长的多为耐热抗旱型植物，主要有八角枫[Alangium chinense (Lour.) Harms]、黄麻(Corchorus capsularis L)、香椿[Toona sinensis (A. Juss.) Roem.]、构树[Broussonetia papyrifera (Linnaeus) L'Heritier ex Vent]、火棘[Pyracantha fortuneana (Maxim.) Li]、山麻杆(Alchornea davidii Franch.)、仙人掌[Opuntia dillenii (Ker Gawl.) Haw.]等物种。

2021年4月，在研究区设置4个海拔梯度(500，700，900，1 100 m)，于各海拔梯度选择人为干扰较少的3块林地作为研究样地，在每个样地中随机设置3个2 m×2 m的样方，样方之间距离10 m以上。在每个小样方内采用五点混合法，按土壤剖面0~10、10~20、20~30 cm土层采集土壤样品，按样点将不同土层样品混合，记录海拔和土层深度后装入自封袋带回实验室。去除土壤中可见的粗根和石块后，取出约10 g新鲜土样在105 ℃烘12 h测定土壤含水率，剩余部分置于荫庇处自然风干，用于土壤理化性质和酶活性的测定。共计36份土壤样品。

土壤基本理化性质分析方法参考文献[12]：pH值采用水土质量比1∶2.5，玻璃电极法测定；总钾(total potassium，TK)、总钠(total sodium，TNa)含量采用混酸(HCLO₄-HF)消煮，火焰光度法测定；总钙(total calcium，TCa)、总镁(total magnesium，TMg)含量采用混酸(HNO₃-HCLO₄-HF)消煮，原子吸收分光光度法测定；土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)含量采用H₂SO₄-K₂Cr₂O₇外加热法测定；总碳(total carbon，TC)、总氮(total nitrogen，TN)含量采用元素分析仪(vario MICRO cube，德国)测定；总磷(total phosphorus，TP)含量采用钼锑抗比色法测定。土壤酶活性的测定方法参考文献[13]：土壤脲酶(urease，Ure)活性测定采用靛酚蓝比色法; 蔗糖酶(sucrase，Suc)活性测定采用3, 5-二硝基水杨酸比色法; 过氧化氢酶(catalase，Cat)活性测定采用高锰酸钾滴定法。

使用Excel 2007软件进行数据的初步处理；SPSS 19.0软件进行统计分析和Pearson相关性分析；Origin 8.0软件作图；DPS软件进行单因素方差分析和LSD多重比较分析；Canoco 4.5软件进行冗余分析(redundancy analysis，RDA)和蒙德卡洛检验分析。

土壤理化性质在海拔梯度上的变化特征见表 1。土壤含水率随海拔升高而明显升高；pH值、总碳、总钠含量随海拔升高呈先增加后减少的趋势，并在海拔700 m处达最大值；总钙与总镁含量随海拔升高呈先增加后减少再增加的趋势，并在海拔700 m处达最大值；总钾含量随海拔升高呈先减少后增加的趋势，并在海拔1 100m处达最大值。

各土壤理化指标沿土层深度呈现不同的变化规律：土壤含水率在海拔500和700 m处随土层加深而降低，在海拔900 m处随土层加深先升高后降低，在海拔1 100 m处随土层加深而升高；总钙含量在海拔500和700 m处随土层加深而增加，在海拔900和1 100 m处则呈现出相反趋势；pH值随土层加深而减小，但减小幅度不大；总碳含量在各海拔处皆表现为随土层加深而减少，且海拔越高，在土层间的变异系数越大；总钾、总钠、总镁含量随土层加深变化不明显。

研究区内土壤有机碳、总氮、总磷含量在各海拔梯度上变化如图 1所示。土壤有机碳、总氮、总磷含量的变化范围分别为13.53~32.32、6.13~8.59、0.79~1.77 g·kg^-1，平均值为20.93、7.39、1.23 g·kg^-1，变异系数为34.18%、11.52%、23.64%。随海拔升高，土壤有机碳和总磷含量呈现出先增加后减少再增加的变化趋势，并在海拔1 100 m处达最大值；总氮含量呈现出先增加后减少的变化趋势，在海拔700 m处达最大值。

	注：不同小写字母表示土壤指标在不同海拔间及在各海拔处不同土层间差异显著(P＜0.05)。 Note: different lowercase letters indicate that the soil index is significantly different between the different altitudes and the different soil layers at each altitude(P < 0.05). 图 1 不同海拔梯度土壤有机碳、总氮、总磷含量 Fig. 1 Contents of soil SOC, TN, and TP at different altitudes
图选项

土层对三者具有显著影响，各海拔梯度土壤的有机碳、总氮、总磷含量均随土层加深呈减少趋势，其中，有机碳和总磷含量在各土层间变化幅度较大，而总氮含量变化幅度较小，三者在各海拔梯度处皆存在明显的表聚现象。

土壤生态化学计量特征在海拔梯度上的变化规律见图 2。不同海拔土壤碳氮比、碳磷比、氮磷比的变化范围分别为1.51~4.17，9.73~27.68，4.19~8.83，平均值为2.82、17.04、6.28，变异系数为31.70%、28.46%和24.34%。随海拔升高土壤碳氮比呈先增大后减小再增大的趋势，在海拔900 m处最小(2.14)，在海拔1 100 m处最大(3.12)；土壤氮磷比则呈现出与之相反的变化趋势，随海拔升高表现为先减小后增大再减小的趋势，在海拔500 m处最大(7.77)，在海拔1 100 m处最小(4.65)；土壤碳磷比随海拔升高呈现出逐渐减小的趋势，在海拔500 m处最大(23.06)，在海拔1 100 m处最小(14.38)。

	注：不同小写字母表示土壤化学计量比在不同海拔间差异显著(P＜0.05)。 Note: different lowercase letters indicate that the soil stoichiometric ratio is significantly different between the different altitudes(P < 0.05). 图 2 不同海拔梯度土壤生态化学计量特征 Fig. 2 Soil ecological stoichiometric characteristics along the altitudinal gradient
图选项

在海拔升高过程中土壤碳氮比、碳磷比和氮磷比在土层中的垂直分布也存在一定差异，且变化幅度较为明显。除在海拔500 m处土壤碳磷比表现为10~20 cm土层>0~10 cm土层>20~30 cm土层外，其余各海拔处土壤碳氮比、碳磷比表现为0~10 cm土层>10~20 cm土层>20~30 cm土层，土壤氮磷比则与之相反，表现为20~30 cm土层>10~20 cm土层>0~10 cm土层。

如图 3所示，土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性在不同海拔梯度间存在明显的差异，随海拔升高均呈现出先升高后降低的变化趋势，变化范围分别为0.20~2.86 mg·g^-1·d^-1、22.80~55.92 mg·g^-1·d^-1和2.64~5.80 mL·g^-1·h^-1，其中脲酶的变异系数(81.56%)明显大于蔗糖酶(32.35%)和过氧化氢酶(27.88%)。土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性均在海拔700 m处显著高于其他海拔的，最高值分别为2.57 mg·g^-1·d^-1、45.98 mg·g^-1·d^-1和5.62 mL·g^-1·h^-1。

	注：不同小写字母表示土壤酶活性在不同海拔间及在各海拔处不同土层间差异显著(P＜0.05)。 Note: different lowercase letters indicate that the soil enzyme activity is significantly different between the different altitudes and the different soil layers at each altitude(P < 0.05). 图 3 土壤酶活性的海拔梯度分异特征 Fig. 3 Soil enzyme activities at different altitudes
图选项

在土壤层次中，脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性变化趋势一致，均表现为随土层加深而活性降低。

表 2相关性分析结果显示，在土壤理化因子中，有机碳与总氮、总磷、总碳、总钙、总镁呈显著正相关以上，与氮磷比、总钾呈极显著负相关。总氮与pH值、总碳呈显著正相关以上，与总钾呈极显著负相关。总磷与碳氮比、土壤水分、总碳、总镁呈极显著正相关以上。碳磷比、氮磷比皆与土壤水分呈显著负相关以上。另外，海拔与土壤总磷呈极显著正相关，与碳磷比、氮磷比呈极显著负相关，而与有机碳、总氮之间无显著关系。除氮磷比外，土层深度对有机碳、总氮、碳氮比、碳磷比影响较大，均能达到显著或极显著负相关水平。土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶三者之间均达极显著的正相关，并且三者都与土壤总碳、总氮、pH值呈极显著正相关，与有机碳呈显著正相关，说明土壤中酶活性受碳氮含量和酸碱度影响较大。其中脲酶和过氧化氢酶与土壤水分呈显著负相关，蔗糖酶和过氧化氢酶与总钾呈显著负相关以上。

选取海拔、有机碳、总氮、总磷等15个因子作为环境变量，3种酶活性作为响应变量，运用Canoco 4.5软件进行冗余分析(表 3)。排序轴第1轴和第2轴的土壤酶活性特征值分别为0.753和0.178，土壤酶活性与环境因子相关性分别为0.988和0.946。前两轴环境因子对土壤酶活性累计解释量达93.1%，对土壤酶活性－环境因子累计解释量达98.0%。前两轴已能很好地反映土壤酶活性与环境因子的关系，且主要是由第1轴决定。

从土壤酶活性与环境因子的二维排序(图 4)可知，土壤总碳、pH值、总氮、有机碳、总钾、土壤水分、土层深度的箭头连线较长，能较好地解释土壤酶活性的差异。总碳、总氮、pH值、有机碳与3种酶活性的夹角较小，呈正相关关系，说明它们是促进喀斯特地区酶活性的主导因子。另外，海拔、土层深度、土壤水分、总钾、总镁与3种酶的夹角都较大，呈显著的负相关关系。

	图 4 土壤酶活性-环境因子的冗余分析二维排序图 Fig. 4 Two-dimensional sequence diagram of RDA analysis of soil enzyme activities and environmental factors
图选项

进一步研究环境因子对土壤酶活性影响的重要性大小，对各环境因子分别进行蒙特卡洛检验排序(表 4)。不同环境因子的影响重要性依次为总碳>pH值>土壤水分>总钾>有机碳>总氮>总镁>土层深度>海拔>碳磷比>碳氮比>总钙>总磷>总钠>氮磷比。其中总碳、pH值、土壤水分、总钾、有机碳、总氮、总镁对土壤酶活性的影响均达到极显著水平(P＜0.01)，而海拔和土层深度对酶活性的影响达到显著水平(P＜0.05)，说明土壤养分相比海拔和土层深度更能较好地呈现酶活性的差异性。

研究表明，土壤成分受到以海拔主导的气候与环境因子的影响，具有高度的空间异质性^[14]。本研究中土壤有机碳与总磷含量均随海拔上升呈现出先增加后减少再增加的趋势，并在海拔1 100 m处高于其他海拔的。这是由于花江石漠化治理示范区气候分带明显，低海拔地区高温干燥的环境加快了土壤有机碳的分解速率，在土壤浅薄、岩层裂隙多的地形特征下，土壤营养保持能力较弱，碳含量较少^[15]；而高海拔地区温度较低，植被覆盖率高且土壤水分充足，使得土壤营养保持能力强，有机碳分解缓慢从而产生积累。表 2相关性分析表明，总碳和有机碳均与总氮、总磷达显著正相关水平以上(P＜0.05)，且由图 1可知，有机碳、总氮、总磷含量在研究区内基本上呈现协同性变化。这是由于喀斯特地区水土二元流失的特性，颗粒有机碳对于氮、磷养分的封存起到重要作用^[16]，所以研究区内总氮、总磷受到有机碳的显著影响；其次，在中低海拔范围内，海拔700 m处有机碳、总氮、总磷含量都达到最大值，除了三者的耦合作用外，土壤养分、微生物量等因素可能也是造成它们含量较多的原因^[17]。本研究中土壤总钾与有机碳、总氮呈极显著负相关，与肖时珍等^[18]、胡义等^[19]的研究结果趋于一致，说明钾在一定程度可能会抑制微生物对凋落物的分解或加快有机碳、总氮矿化速率，以减少有机碳、总氮的富集作用。整体研究区内，土壤有机碳、总氮、总磷含量随着土壤深度增加而逐渐减少，且海拔越高，减少幅度越大。其原因是表层土壤受外界环境因素和凋落物养分归还的影响，出现养分在表层的聚集现象，随海拔升高土壤水分呈上升趋势，淋溶强度也随之增大，土壤养分在土层间的变异系数增大^{[2, 14]}。

土壤碳氮磷生态化学计量比是生态系统过程及其功能的重要特征，海拔差异引起的土壤理化性质的变化会显著影响其含量，使得碳氮磷比在不同海拔梯度间有显著差异。不同化学计量比可以作为养分限制以及碳氮磷饱和诊断和有效的预测性指标^[20]。其中碳氮比可以说明土壤有机质分解或者积累的一种状态，碳氮比越小，土壤有机质分解得越快；碳磷比可以作为微生物矿化土壤有机物释放磷素潜力的一种指标，碳磷比越大，磷的有效性越低；氮磷比可以作为确定土壤养分限制的阈值，能指示植被生长过程中土壤养分的供应能力^[1-2]。本研究中碳氮比、碳磷比、氮磷比平均值分别为2.82、17.04、6.28，碳氮比和氮磷比远小于全国森林土壤平均水平(13.70和44.50)，氮磷比略大于全国平均水平(3.2)^[8]，表明研究区在特殊的喀斯特地貌结构和峡谷气候条件下，呈现出土壤有机质矿化、腐质化以及有机质矿化释放磷的能力较强的特性。研究区内土壤碳磷比随海拔上升呈现出逐渐减小的趋势，土壤水分是其发生变化的重要驱动因子(P < 0.01)，随着海拔升高，土壤水分增加，有机碳在土层中淋溶作用愈加强烈，相比之下，总磷在土层中的变化相对稳定，所以随着海拔升高有机碳在土壤中的迁移强度远大于总磷，导致土壤碳磷比减小。土壤碳氮比和氮磷比随海拔升高呈现出两种相反的变化趋势，前者为先增大后减小再增大，后者为先减小后增大再减小。其主要原因是在整体研究区内土壤总氮含量过多(平均值为7.39 g·kg^-1，远多于全国土壤氮含量平均水平1.07 g·kg^-1)、稳定性强、空间异质性小(CV=11.52%)，因此，土壤碳氮比和氮磷比在海拔梯度上的变化主要受到了氮元素含量的限制。

土壤酶主要来源于土壤微生物的代谢过程及土壤动物、植物根系分泌及其残体的分解释放^[21]，被作为表征土壤中物质、能量活动强度和土壤质量水平的重要生物指标。因受气候、温度、水分、土壤理化性质等环境因子的影响较大，所以在垂直梯度上具有一定的规律性^[22]。通过一系列生化反应，土壤脲酶能提高土壤的供氮能力，蔗糖酶能为土壤生物体提供能源，过氧化氢酶能防止过氧化氢对植株的毒害^[23]。本研究表明, 脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶之间均存在极显著正相关关系，这是由于土壤是个复杂多酶体系，各种酶促反应既是独立进行的又是相互联系的^[22]。3种酶活性随海拔的升高皆呈现出先升高后降低的变化趋势，并在海拔700 m处有最高值，由相关性分析和RDA分析可知，总碳、总氮、pH值与3种酶活性均达到极显著的正相关关系，是影响酶活性的重要驱动因子。总碳与有机碳含量的增加会促进酶活性，这一点与前人的研究结果一致^[24]，土壤有机质作为土壤中酶促底物的主要供源，也是土壤酶的主要载体，所以其含量增加对酶活性有促进作用。氮元素对于酶活性的促进也有一定的贡献，其主要是通过促进土壤酶的合成、根际微生物的繁殖等途径对土壤酶活性产生影响^[25]。研究区内土壤呈弱碱性且pH值变化范围很小(7.17~7.59)，但RDA分析表明，pH值对酶活性的解释量高达44.1%，说明在喀斯特山地环境中，弱碱性的石灰土壤能促进脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶发生酶促反应，且土壤酶对pH值的小尺度变化特别敏感。这是因为土壤酸碱度可以直接影响酶进行生化反应的速度，并且多数酶应对pH值的变化反应敏锐^[26]。土壤酶活性不仅与土壤养分的含量有关，也与存在状况、形态关系密切，本研究中3种酶与有机碳、总氮的积累循环关系紧密，而与总磷相关性较弱，这与前人提出的土壤碳、氮、磷对土壤酶活性有显著促进作用的研究结果不同^{[22, 27]}，主要原因是喀斯特地区富钙的土壤环境限制了磷的有效性。研究表明，在碱性土壤中磷离子易与钙、镁等离子发生螯合反应，加重磷元素限制^[8]，降低其有效性，从而与酶活性关系较弱。

土壤酶活性与不同海拔气候的变化直接相关^[26]，海拔700 m处较好的水热条件可能是造成土壤酶活性较高的原因。本研究中土壤水分与脲酶、过氧化氢酶存在极显著负相关，这一点与前人提出的土壤水分的增加会促进酶活性的观点相反^{[25, 27]}。HOJEONG et al^[28]和PAOLO et al^[29]的研究发现，充足的水分条件需要伴随升温才能对酶活性有显著促进作用，并且在水分丰富的小地形，过多的土壤水分会改变微生物环境，并形成还原条件，使铁离子等还原性因子增多，进而影响土壤酶的释放，从而减弱土壤酶活性。在研究区明显的气候分带条件下，虽然高海拔地区土壤水分丰富，但植物生长密集，土壤受到的光照强度小，土壤温度相比低海拔地区低，因此，随着海拔上升，土壤水分与温度没有达成同步增长，不利于微生物的生长繁殖，从而导致酶活性降低。

本研究中脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶在各海拔处都呈现出随土层加深而活性降低的趋势，这是由于植物凋落物回归于地表，酶促反应的底物充沛，微生物在温湿度适宜、氧气充足的条件下代谢活跃，进而提升了表层土壤的酶活性。随土层加深，营养元素的减少以及土壤微生物的活动受到限制，土壤酶活性逐渐降低。

研究区内土壤有机碳、总磷含量随海拔上升呈现出先增加后减少再增加的变化趋势，总氮含量的变化范围较小且变异系数远小于有机碳和总磷含量的，三者在海拔梯度上的变化受各理化因子的综合影响，其中受总碳和总钾含量的影响较为显著。

土壤碳氮比、碳磷比远小于全国平均水平，氮磷比略大于全国平均水平。随海拔上升，土壤碳氮比先增大后减小再增大，氮磷比先减小后增大再减小，两者在海拔梯度上的变化主要受到了氮元素含量的限制(氮元素含量过高，是全国土壤平均水平的7倍左右)。在土壤水分淋溶作用下，碳磷比随海拔上升呈现出逐渐减小的变化趋势。由于喀斯特土壤环境中富含的钙镁离子易与磷离子发生螯合反应，导致研究区内磷有效性较低，因此在之后的的生态恢复过程中应该注意有效磷的补充。

脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性随海拔上升均呈现出先升高后降低的变化趋势，在海拔700 m处达到最高值。在土壤理化性质中，土壤水分、pH值、总碳、有机碳、总氮是影响酶活性变化的主要因子。目前对喀斯特山地系统中土壤酶活性的主控因子的相关研究还不够深入，考虑到如土壤容重、粒径、孔隙度等土壤物理指标可能会更多地解释酶活性的变异特征，今后需结合土壤物理性质-酶活性之间的耦合机制进行深入研究。