我国岩溶地貌面积约3.44×10⁶ km²，占国土面积近三分之一，主要分布于西南地区^[1]，历史上该区域森林茂密、生物多样性丰富、水资源充沛且景观独特。岩溶森林作为当地关键的生命支持系统，在区域可持续发展中具有特殊地位和不可替代的作用。然而，过度垦殖、樵采及放牧等活动导致森林植被退化、生物多样性锐减和水土流失加剧，致使我国西南地区出现大量的石漠化生态系统^[2]。石漠化严重制约了区域经济、社会与环境的协调发展。因此，恢复与重建石漠化地区的森林生态系统，是改善生态环境的核心路径，也是生态文明建设的重要任务^[3]。早期的石漠化治理以封山育林和先锋树种[如马尾松(Pinus massoniana)]造林为主，但研究表明单一树种的纯林模式对土壤修复效果不佳^[4]。相比之下，以豆科植物作为驱动种的纯林及其混交模式能快速改善土壤肥力, 促进微生物群落恢复, 提高生物碳(C)固持能力^[3]。目前，众多学者对豆科(Fabaceae)树种在石漠化植被修复中的应用开展了深入研究，发现降香黄檀(Dalbergia odorifera)和顶果木(Acrocarpus fraxinifolius)等豆科树种的引入在提高植物多样性指数^[2]和生态系统生产力^[5]、改善土壤环境^[6-7]以及增强生态系统稳定性^[8]等方面优势显著。在土壤改良方面，李萌等^[6]发现，降香黄檀和顶果木特别是混交模式，可有效提高土壤养分含量和磷(P)的有效性。张彧娜等^[7]指出，虽然降香黄檀与顶果木混交并未显著提高喀斯特地区土壤微生物的生物量，但是较高的真菌/细菌比有助于增强土壤生态系统的稳定性。当前关于使用豆科树种进行石漠化植被修复的研究主要关注于林分生长和土壤养分状况，而就豆科树种混交对土壤水解酶化学计量特征影响的研究非常有限，导致对豆科树种混交林土壤养分状况的认识不够全面。

土壤生态化学计量特征以土壤养分及其比值为核心，可反映生态变化过程中元素和能量的平衡^[9]，而土壤酶是微生物参与生物地球化学循环的重要驱动者^[10]，二者相互协调，共同影响土壤生态系统的演化和物质循环^[11]。土壤水解酶主要由微生物活动代谢产生，参与C、氮(N)、P等的循环，在一定程度上反映了微生物对养分的需求及其与环境养分之间的关系。土壤微生物通过水解酶将土壤中的有机物质转化为无机态，显著改变了生态系统中C、N、P比例^[12]；而土壤中C、N、P含量的下降也会使微生物活动可用养分减少，因而对微生物活动产生一定的限制^[13]，导致微生物通过分泌相应的水解酶来减弱所受的养分限制，从而使土壤酶计量比发生变化。Sinsabaugh等^[14]研究发现，在全球尺度上，参与C、N、P元素循环的土壤酶化学计量比，即酶C∶N∶P近似为1∶1∶1，意味着在全球尺度上土壤酶C∶N∶P相对稳定。当酶C∶N∶P偏离1∶1∶1时，则认为微生物活动受到C、N或P的限制。因此，土壤水解酶活性及其计量特征在很大程度上反映了土壤养分的限制程度，研究土壤水解酶活性及其计量变化趋势，可揭示外界环境变化对土壤养分循环的影响^[15]。植被类型的差异(如凋落物组成、林下植被及根系分布)会导致土壤水解酶活性产生差异。凋落物和根系分泌物是土壤养分的主要来源，不同林分类型植被输入土壤的凋落物和分泌物在数量与质量上存在差异，进而影响土壤养分含量，这可能体现在土壤酶活性及其化学计量特征上^[16-18]。史丽娟等^[19]对中亚热带典型林分[马尾松纯林、湿地松(Pinus elliottii)纯林、马尾松×木荷(Schima superba)混交林]的研究显示，林分类型显著改变了土壤β-1,4-葡萄糖苷酶(β-1,4-Glucosidase，BG)和纤维二糖水解酶(β-D-Cellobiohydrolase，CBH)的活性。Hill等^[16]对湿地土壤的研究发现，随着土壤碳质量指数升高，凋落物质量降低，碳水解酶(比如BG)活性减弱，而氮、磷水解酶活性增强。当前，探讨不同林分类型对土壤水解酶活性及其化学计量比影响的研究较少，一定程度上限制了对微生物介导的生物地球化学过程的深入理解，因此，为明晰土壤微生物养分需求及其动态特征，需进一步对此展开研究。

在森林生态系统中，林分类型是土壤养分的重要影响因素^[20]。与未经人工修复的灌草丛相比，降香黄檀纯林(PDOP)、顶果木纯林(PAFP)和降香黄檀×顶果木混交林(MADP)3种人工林的物种多样性和凋落物来源更为丰富，且相较于纯林而言，混交林凋落物的数量更加丰富，质量也更高。此外，豆科固氮树种可以通过增加含氮凋落物输入^[21]、共生固氮^[22]等方式增加土壤N含量。因此，本研究以降香黄檀纯林(PDOP)、顶果木纯林(PAFP)和降香黄檀×顶果木混交林(MADP)3种林分，以及未进行人工修复的灌草丛(CK)为研究对象，通过研究不同植被类型土壤理化性质、水解酶活性及其化学计量比的变化，分析降香黄檀与顶果木混交对土壤养分状况的影响，进而揭示岩溶石漠化地区豆科树种混交林对土壤酶化学计量特征的影响机制，为该地区植被恢复策略和人工林养分资源限制状况的改善提供科学的理论依据，以更好地推进岩溶地区的生态修复工作。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

研究区位于广西南宁市马山县(23°24′-24°02′N，107°41′-108°29′E)，是广西石漠化最严重的地区之一。该区为南亚热带季风气候区，年均气温21.3 ℃，最高气温38.9 ℃，最低气温-0.7 ℃；年均降水量1 667.1 mm，最高2 063.0 mm，最低1 245.8 mm；雨量充沛，但降雨分布不均，夏季多暴雨，春秋两季少雨易干旱；相对湿度76%；年平均无霜期343 d。土壤呈弱碱性，以碳酸盐岩发育的石灰土为主，石粒含量高，质地黏重，土层浅薄，岩基裸露度大，通常为40%-50%，部分地区高达80%。研究区属南亚热带季雨林化常绿阔叶林地带、桂中石山青冈仪花青檀林区^[23]，原生顶极植被为以青冈(Cyclobalanopsis glauca)、海红豆(Adenanthera microsperma)、青檀(Pteroceltis tatarinowii)、小果化香(Platycarya glandulosa)、仪花(Lysidice rhodostegia)等为优势种的常绿落叶阔叶混交林^[24]。但该类原生森林几乎荡然无存，已退化为各种次生植被或人工植被^[25]。

1.2 试验设计与样品采集

以2011年春季营建的石漠化植被修复林分为研究对象。采用随机区组试验，设置5个区组，每个区间随机设置PDOP、PAFP、MADP 3种林分，同时以CK为对照。2012年春季，在各区组各林分及对照灌草丛中选择立地条件、植被生长状况相近的典型区域，设置1个面积为20 m×20 m的长期固定监测样方，共计20个样方。2022年8月，在每个样方随机设置3个采样点，采用100 cm³环刀取0-10 cm、10-30 cm土层的土样，用于土壤容重(Soil Bulk Density，SBD)的测定。在各样方中采用内径5 cm的原状取土钻随机钻取9个采样点0-10 cm、10-30 cm土层的土样，去除植物根系及石砾，将各层9个采样点的土壤充分混合为1个混合土样，过2 mm孔径筛，将样品分为2份，一份风干用于测定土壤理化性质，一份保存于4 ℃冰箱用于土壤酶活性指标的测定。

1.3 土壤理化性质和酶活性测定

土壤理化性质测定参考《土壤农化分析》^[26]。土壤pH值采用pH计(FiveEasy Plus，MERRLER TOLEDO公司)测定(土∶水＝1∶2.5，W∶V)；土壤容重采用环刀法测定；土壤质量含水量(Soil Moisture Content，SMC)用重量法测定(将20 g新鲜土样在105 ℃烘箱中烘至恒重)；有机碳(Soil Organic Carbon，SOC)采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定；全氮(Total Nitrogen，TN)和有效氮(Available Nitrogen，AN，包括铵态氮和硝态氮)采用连续流动分析仪(型号为AA3，德国Bran + Luebbe公司生产)测定；全磷(Total Phosphorus，TP)采用硫酸-高氯酸-钼锑抗比色法测定；有效磷(Available Phosphorus，AP)采用双酸(HCl-H₂SO₄)浸提-钼锑抗比色法测定。土壤BG、CBH、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(β-1,4-N-Acetylglucosaminidase，NAG)、亮氨酸氨基肽酶(Leucine Aminopeptidase，LAP)、酸性磷酸酶(Acid Phosphatase，ACP)均采用微孔板荧光法测定^[27]。

1.4 数据处理与统计分析

酶化学计量碳氮比(E_C∶N)、碳磷比(E_C∶P)和氮磷比(E_N∶P)的计算公式如下^[28]：

$ E_{\mathrm{C}: \mathrm{N}}=\ln (\mathrm{BG}+\mathrm{CBH}) / \ln (\mathrm{NAG}+\mathrm{LAP}), $

(1)

$ E_{\mathrm{C}: \mathrm{P}}=\ln (\mathrm{BG}+\mathrm{CBH}) / \ln (\mathrm{ACP}), $

(2)

$ E_{\mathrm{N}: \mathrm{P}}=\ln (\mathrm{NAG}+\mathrm{LAP}) / \ln (\mathrm{ACP}) 。$

(3)

采用矢量长度(Vector Length，VL)和矢量角度(Vector Angle，VA)表征微生物代谢限制特征^[28]：

$ \mathrm{VL} =\sqrt{x^2+y^2}, $

(4)

$ \mathrm{VA} ={ }^{\circ}(\operatorname{atan} 2(x, y)), $

(5)

式中，x=(BG+CBH)/(BG+CBH+ACP)，y=(BG+CBH)/(BG+CBH+LAP+NAG)。VL>0.61表示微生物受碳限制，值越大表示所受碳限制越强；VA＞55°表示微生物受磷限制，值越大表示所受磷限制越强，VA＜55°表明微生物受氮限制，值越小表示所受氮限制越强^[29]。酶通道指数以NAG∶LAP表示，基于NAG主要由真菌分泌而土壤LAP活性主要来源于细菌，该比值可指示真菌与细菌在土壤有机质分解过程中的相对贡献^[30]。

利用SPSS 27.0 for Windows对数据进行正态性检验和统计分析，采用双因素方差分析(Two-way ANOVA)检验植被类型、土层及二者交互作用对土壤理化性质、土壤酶活性及其化学计量比的影响；采用单因素方差分析(One-way ANOVA)进行处理间差异显著性检验，并使用Tukey test进行多重比较(显著性水平为P＜0.05)，采用斯皮尔曼相关分析评估各影响因素与土壤水解酶及其化学计量比之间的相关性，使用Origin 2019进行绘图。

2 结果与分析 2.1 不同植被类型对土壤理化性质的影响

植被类型显著影响土壤pH值、SMC、SBD、AP、AN、SOC、TN、TP、C∶P以及N∶P(P＜0.05)，而土层显著影响除pH值、C∶N和N∶P以外的其他土壤理化性质(P＜0.05)，植被类型与土层的交互作用显著影响SOC (P=0.018)，对其他因子的影响均不显著(表 1)。

降香黄檀与顶果木混交显著改善了土壤质量(图 1)。在0-10 cm和10-30 cm土层，MADP的pH值显著降低，比CK降低1.00%-11.11%；SBD比CK降低4.55%-11.62%；SMC、SOC和TN含量分别比CK提高3.50%-17.31%、14.08%-47.07%和16.25%-41.21%。TP含量在0-10 cm土层为MADP＞PDOP＞PAFP＞CK，而在10-30 cm土层仅MADP显著高于CK(24.25%)。土壤C∶N无显著差异，但土壤C∶P与土壤N∶P在0-10 cm土层表现为PAFP＞MADP＞PDOP＞CK，10-30 cm土层为PAFP＞PDOP＞CK＞MADP。3种豆科人工林的AN含量均显著高于CK(16.25%-47.77%)，表现为PDOP＞MADP＞PAFP＞CK。AP在MADP中含量最高，较CK显著提高76.27%-77.83%。

2.2 不同植被类型的土壤水解酶活性特征

植被类型和土层深度显著影响土壤水解酶活性(P＜0.001)，但二者的交互作用影响不显著(表 1)。豆科树种人工林提高了BG、CBH、NAG、LAP及ACP的活性(图 2)，增幅为6.86%-61.27%。MADP的BG活性在0-10 cm和10-30 cm土层分别较CK提高16.36%和6.86%；ACP活性显著高于CK，分别提高33.66%和18.94%。PDOP对CBH活性提升影响最大(较CK显著提高43.92%-61.27%)，MADP次之(较CK显著提高26.73%-42.25%)。MADP的NAG活性在两层土层均最高(较CK显著提高12.00%-17.00%)，但与PDOP、PAFP差异不显著。MADP的LAP活性在0-10 cm土层较CK显著提高21.49%，而10-30 cm土层各人工林LAP活性差异不显著。总体而言，MADP对ACP和BG活性提升效果最优，PDOP则更利于CBH活性增强。

除植被类型对E_C∶P有显著影响外，土层及其与植被类型的交互作用对酶化学计量比均无显著影响(表 1)。土壤酶化学计量分析显示，E_C∶N(0.98-1.00)、E_C∶P(0.86-0.89)和E_N∶P(0.87-0.89)比值整体稳定。在0-10 cm土层，PDOP的E_C∶P较MADP显著提高1.76%；在10-30 cm土层，PDOP的E_C∶N(1.003)和E_C∶P(0.880)均显著高于MADP(图 3)。酶矢量特征显示，在0-10 cm土层，MADP的NAG∶LAP较CK降低4.08%, PDOP的VL较MADP显著提高5.11%-6.77%，而MADP的VA高于PDOP (61.505°); 在10-30 cm土层，3种人工林的NAG∶LAP均比CK低，降幅为6.22%-11.02%(图 3)。上述结果表明PDOP的土壤微生物受到更强的C限制，而MADP的土壤微生物则以P限制为主。

2.3 土壤水解酶活性及其化学计量特征与影响因子之间的关系

从表 2可知，SMC与BG、NAG、ACP呈极显著正相关，与CBH、LAP呈显著正相关；SBD与BG、ACP呈极显著负相关，与LAP呈显著负相关；土壤pH值与ACP呈极显著负相关，与LAP呈显著负相关，但与VL呈显著正相关。SOC、AN与多数水解酶呈极显著正相关。AP与LAP、ACP呈显著正相关，但与E_C∶N、E_C∶P呈显著负相关，与VL呈极显著负相关。TN与BG、LAP、ACP呈极显著正相关，与CBH呈显著正相关。TP与LAP呈显著正相关，与ACP呈极显著正相关。C∶N仅与NAG呈显著正相关，与E_C∶N呈显著负相关，其余指标间相关性均不显著(P＞0.05)。

3 讨论 3.1 植被类型对不同土壤水解酶活性的影响

豆科固氮植物能通过与其共生的固氮微生物将大气中的N₂转变为植物可利用的氮素(这一过程称为共生固氮)，从而增加生态系统中可利用氮素的水平，因此其被广泛应用于热带和亚热带退化生态系统的修复中^[31]。研究显示，树种混交会影响土壤水解酶活性：桉树(Eucalyptus)与红锥(Castanopsis hystrix)混交降低BG、ACP活性但提高LAP活性^[32]；马尾松纯林引入阔叶树(尤其红锥异龄混交)后，土壤及各团聚体中碳获取酶(CBH+BG)、氮获取酶(LAP+NAG)、ACP活性均显著高于纯林^[33]；巨尾桉(Eucalyptus grandis×urophylla)和降香黄檀混交则提高BG、NAG活性，对ACP无影响^[34]。本研究也发现，将豆科树种降香黄檀和顶果木引入岩溶石漠化地区进行植被修复会显著提高C、N、P相关的土壤水解酶活性：PDOP、PAFP、MADP 3种豆科树种人工林提高了BG、CBH、NAG、LAP及ACP的活性，增幅为6.86%-61.27%，其中以MADP的ACP活性增幅最大，在0-10 cm与10-30 cm土层与CK相比分别提高33.66%和18.94%。可见不同森林植被类型对土壤水解酶活性的影响不同，混交林树种的组成对不同种类水解酶活性的影响效果也不相同，需要结合树种特征和土壤状况具体分析。

混交林中有种类更丰富、转换效率更高^[35]、数量更多的凋落物^[36]，因此在很大程度上提高了土壤水解酶的活性。林下凋落物的覆盖对土壤有一定的物理保护作用，可减少土壤内养分的丢失^[37]。此外，混交林的根系生物量更大，且根系具有更大的比表面积。与纯林相比，混交林根系分泌物中的防御性物质含量较低，这种特性有助于改善根际微生物群落结构，提高植物对土壤养分的吸收效率^[38]。上述因素使得混交林根系微生物能够更高效地分解利用凋落物，增加土壤内有机碳氮含量，使其土壤水解酶活性在一般情况下高于纯林。此外，李强等^[39]研究发现土壤微生物倾向于分泌更多的与某种匮乏养分相关的水解酶，当土壤中P含量相对不足时，土壤微生物会增加对磷获取酶的投资来摄取更多的P。本研究发现，混交林具有最高的ACP活性，表明了其土壤P缺乏的现状，这可能与研究地混交林中顶果木在石山地区生长不良有关，导致未能很好地发挥混交优势。

3.2 酶化学计量比、酶矢量特征与微生物养分限制

土壤酶化学计量比以及矢量特征表征了土壤微生物对养分的利用效率、吸收情况以及土壤内部微生物活动规律等，由此可揭示土壤的营养状况^[37]。本研究发现PDOP、PAFP、MADP的土壤酶C∶N∶P分别为1∶1.01∶2.70、1∶1.07∶2.84、1∶1.10∶3.10，均与全球生态酶C∶N∶P (1∶1∶1)^[40]相偏离，因此相对于C、N来说，3种豆科树种人工林的土壤微生物更容易受到P限制，尤其是混交林的土壤微生物P限制更为严重。此外，PDOP、PAFP、MADP的E_C∶N为0.98-1.00，低于全球平均水平(1.41)^[40]；E_C∶P为0.86-0.89，高于全球平均水平(0.62)^[40]；E_N∶P为0.87-0.89，高于全球平均水平(0.44)^[40]，说明3种林分土壤具有相对较高的氮获取酶活性，反映出土壤N元素相对缺乏，意味着3种林分的土壤微生物容易受到N限制。另外，酶矢量特征显示3种林分土壤微生物均存在P限制，而MADP受到的P限制最强。

全球范围内微生物P限制比N限制更为普遍，在热带地区还存在广泛的N和P共同限制^[41]。Zhang等^[42]研究显示，岩溶区退化生态系统恢复初期主要受N限制，恢复后期主要受P限制，而在恢复中期则受N、P共同限制。本研究结果也表明经过长期的演替发展，目前豆科树种人工林正经历着N、P限制阶段，而固氮树种的存在使得土壤N库得到了补充，在一定程度上缓解了土壤微生物所受的N限制，但并未改善土壤P限制。此外，N负荷增强会增加土壤生态系统的P限制，而植物和土壤微生物则会采取一系列的P获取策略来抵消N负荷增强引起的P限制^[43]。本研究发现，TN和AN分别与BG、CBH、LAP、ACP具有不同程度的显著正相关关系，说明豆科树种的引入虽然可以提高土壤N元素的有效性，但是ACP活性的同步升高表明微生物需分泌更多的磷酸酶来获取P，从而引起P限制的增强。

3.3 土壤水解酶活性特征与影响因子的关系

土壤水解酶主要来源于土壤微生物的代谢、植物根系的分泌及其残体的分解释放^[44]。杨万勤等^[45]研究表明，森林群落类型不同，会直接导致其林下土壤水热状况、凋落物量、根系分泌物量等土壤环境因子的不同，进而影响土壤水解酶活性。非生物因素可以通过改变土壤微生物生存环境而调节微生物代谢作用，从而间接影响土壤水解酶活性^[46]，例如低土壤pH值会使微生物的生长受影响进而减少酶的生成。此外，pH也可以直接影响土壤水解酶活性，每种酶都有其适宜的pH范围，超过或低于此范围都可能导致酶活性的下降^[47]。在本研究中，MADP的土壤pH值低于其他植被类型且接近中性，这可能是造成其水解酶活性整体较高的原因。紧实的土壤结构也会抑制微生物活动和酶的扩散。罗明霞等^[48]研究发现，在土壤通气性良好的情况下，高水分含量使得养分在土壤中迁移速率较快，促进了养分的可利用性，这在一定程度上提高了土壤水解酶活性。本研究中SMC与5种水解酶活性具有不同程度的显著正相关关系；MADP表层和深层土壤的含水率高于其他植被类型，其NAG和ACP活性均高于其他植被类型，但过高的含水量可能导致土壤孔隙充水(Water-Filled Pore Space, WFPS)增加，从而降低氧气扩散速率^[49]。这种潜在的缺氧环境可能会抑制好氧微生物活动，进而导致MADP深层土壤中CBH和BG活性低于PDOP。

土壤SOC对土壤物质循环以及微生物的生长繁殖起重要作用，较高的土壤SOC含量可促进土壤水解酶的合成，并为酶的作用发挥提供场所与适宜的条件^[45]。Kivlin等^[46]研究表明，土壤C、N、P等底物浓度与土壤酶活性显著相关，土壤养分变化直接影响着微生物胞外酶的种类和活性。宋思宇等^[50]对西藏林芝云杉(Picea asperata)人工林土壤的研究发现，土壤水解酶活性与TN、SOC含量呈显著正相关。本研究的相关性分析发现，NAG与土壤C∶N呈显著正相关，这是因为土壤C∶N越高，土壤C的有效性越高，从而促进了土壤微生物的生长繁殖与胞外酶的分泌，体现了土壤有效养分含量与土壤水解酶活性间的正相关关系^[51]。MADP的TP与AP含量在两个土层中均最高，但其ACP活性却显著高于其他植被类型，表明MADP中P的有效性不高，今后需要更深层次地研究MADP对土壤P有效性的影响机制。

4 结论

在岩溶石漠化地区引入豆科树种进行植被修复, 显著提高了C、N、P相关的土壤水解酶活性。PDOP、PAFP、MADP的土壤微生物生长代谢均受到P限制，其中MADP的P限制现象最严重，在经营过程中需注意适当增施磷肥以维持其高效生产力和可持续发展。土壤水解酶活性受土壤水分、有机质及养分含量的正向影响，而与SBD、pH值呈负相关关系。上述结果为进一步优化岩溶石漠化地区植被恢复策略提供了科学的理论依据。