全 文 ：桉树人工林地土壤酶活性与微量元素含量的关系*
李跃林1
彭少麟2* *
李志辉3
任
海1
李志安1
( 1 中国科学院华南植物研究所,广州 510650; 2中国科学院广州分院,广州 510070; 3 中南林学院, 株洲 412006)
摘要
运用典范相关分析研究了桉树人工林地土壤酶活性和土壤微量元素含量关系.结果表明, Zn 和
Mn 对土壤蛋白酶活性的促进作用最大. Zn在一定程度上对脲酶和过氧化氢酶有抑制作用;而 Mn 对脲酶
和过氧化氢酶有促进作用. 结合林地生物的生长特征等因子, ! 综合土壤酶因子∀可作为土壤肥力评价的一
个指标, 对桉树林地土种的划分有一定意义.
关键词
桉树人工林地
土壤酶
微量元素
典范相关分析
文章编号
1001- 9332( 2003) 03- 0345- 04
中图分类号
S714
文献标识码
A
Relationship between soil enzyme activities and trace element contents in Eucalyptus plantation soil. L I
Yuelin1 , PENG Shaolin2 , L I Zhihui3, REN Hai1 , L I Zhi# an1 ( 1South China Institute of Botany , Chinese A cade

my of Sciences , Guangz hou 510650, China; 2Guangzhou Branch, Chinese A cademy of Sciences , Guangz hou
510070, China; 3Central South For estry Univer sity , Zhuzhou 412006, China ) .
Chin . J . A pp l . Ecol. , 2003,
14( 3) : 345~ 348.
Canonical correlation analysis on soil enzyme activ ities and tr ace element contents in Eucalyp tus plantation soil
showed t hat among the test elements, only Zn and Mn affected enzyme activ ity. Both Zn and Mn increased soil
pro teinase activ ity. Zn decreased the activities of soil urease and per oxidase, w hile Mn promoted them. ! Integral
soil enzyme factor∀ could be used as an index of soil fertility. T ogether w ith other g rowth facto rs, this index
should be considered when evaluating soil fertility of Eucaly p tus forest sites. I t also had a definite significance on
the division of Eucalyp tus soil families.
Key words
Eucalyp tus plantation so il, Soil enzyme, Soil trace element, Canonical correlation analysis.
* 国家自然科学基金重大项目( 39899370)、国家! 九五∀科技攻关专
题( 960110103)、中国科学院知识创新工程项目( KZCX2
407)及中国
科学院鹤山开放基金资助项目.
* * 通讯联系人.
2001- 04- 26收稿, 2001- 09- 13接受.
1
引

言
我国土壤酶研究始于 20世纪 60年代初, 主要
研究了不同土类和不同肥力水平土壤的酶活性、施
用有机肥和无机肥对酶活性的影响、土壤酶的肥力
意义、土壤酶与土壤污染的自净化、土壤酶抑制剂的
筛选等.研究对象多集中于农业土壤;在森林林地的
研究中,多集中于杉木 ∃ 马尾松混交林、杉木、落叶
松和沙棘等林地[ 2, 13] , 桉树人工林地土壤酶的研究
报道不多[ 11, 12, 20] .就分析方法来说,主成分聚类分
析常被用来研究金属元素与土壤酶的关系, 特别是
土壤污染的研究[ 10, 18] ;典范相关分析在植被群落格
局研究中虽有广泛应用[ 4, 7, 14] , 但在土壤酶研究上
较少.本文以中亚热带桉树人工林地为研究对象, 运
用典范相关分析方法分析了土壤酶活性和土壤微量
元素之间的关系,以期为解决不同地域桉树人工林
地力衰退问题提供理论依据.
2
研究地区与研究方法
21
研究地区概况
研究地位于罗霄山脉西麓的湖南省资兴市, 地理位置
25%34&~ 26%17&N, 113%09&~ 113%40&E. 全市气候温和,年均气
温16. 8 %C, 极端低温- 7. 5%C,历年气温 ∋ 0 %C 的天数 19. 8
d, ∋ - 5%C 的天数为 0. 8 d, 日均温(10 ) 日数为 240 d, 一
月均温 5. 4 ) , 年均降水 1600 mm 左右,无霜期 280 d 以上,
冰冻持续期 2~ 3 d,稳定通过 10 ) 的年积温 5192 ) ,年均
日照时 1600 h,全年太阳总辐射为 4. 40 ∃ 105 J∗cm- 2, 属中
亚热带季风湿润气候区. 地形地貌及土壤情况详见表 1.
2 2
供试材料


在资兴市坪石、黄草、市林业科学研究所、高塘和天鹅山
的桉树种源试验林、家系试验林和速生丰产林林地中设立标
准地, 分别在 0~ 20、20~ 40 和 40~ 60 cm 土层深度上采样.
标准地的设置按常规方法选取, 每一标准地面积为 667 m2.
2 3
研究方法
2 3 1 土壤酶活性分析
转化酶采用 Na2S2O3 滴定法;过氧
化氢酶采用高锰酸钾滴定法; 蛋白酶和脲酶分别采用 G.
Hoffman 和 K. Teicher法.
2 3 2 土壤微量元素分析
原子吸收法测定 Fe、Zn、Mn、Cu.
2 3 3 数据分析
采用典范相关分析 ( canonical correlation
analysis ) . 它是一种研究两组变量间相关关系的多元分析方
应 用 生 态 学 报
2003 年 3 月
第 14 卷
第 3 期






























CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Mar. 2003, 14( 3)+345~ 348
表 1
试验区概况
Table 1 General features of the plots
地 点
S ite
海拔高度
Alt itude
( m)
地貌类型
Geomorph ic
type
坡度
Slope
degree
坡形
S lope
shape
土壤类型
Soil type
母
岩
Parent
material
pH
前作情况
Preplanting
condit ion
黄草 Huangcao 290~ 400 高丘H igh
hilly land 25% 直线 红壤 Red soil 板岩 Shale 5. 6~ 6. 8 A
高塘 Gaotang 120~ 140 低丘 Low
hilly land 15% Linear 红壤 Red soil 砂岩 Grit stone 5. 0~ 6. 8 B
坪石 Pingshi 120~ 140 14% 紫色土 Purplish soil 砂岩 Grit stone 5. 5~ 6. 2 A
市林业科学研究所* 120~ 150 20% 红壤 Red soil 砂岩 Grit stone 5. 5~ 6. 4 C
Zixing Forest ry Research Inst itute
A)杉木人工林 Chinese f ir plantat ion; B)灌丛、马尾松疏林 Shrub, open Pinus massoniana; C)杉檫混交林 Chinese f ir ∃ Sassaf ras tsumu mixed forest .
表 2
用于典范分析的土壤微量元素及土壤酶特征值
Table 2 Eigenvalues of trace elements and enzyme activities for canonical analysis
样地
Plot
土层
Soil layer
( cm)
Cu
( mg∗kg- 1)
X 1
Fe
( mg∗kg- 1)
X 2
Zn
( mg∗kg- 1)
X 3
Mn
( mg∗kg- 1)
X 4
转化酶
Invertase
( mg∗g- 1)
Y1
过氧化氢酶
Peroxidase
( ml∗g- 1∗h - 1)
Y 2
脲
酶
U rease
(mg∗100g- 1∗d- 1)
Y3
蛋白酶
Proteinase
( mg∗kg- 1∗d- 1)
Y4
坪石 2号 0~ 20 0. 245 10. 509 0. 225 5. 990 1. 36 1. 71 23. 70 154. 92
Pingshi No. 2 20~ 40 0. 276 15. 612 0. 410 6. 986 1. 26 0. 66 13. 65 144. 46
40~ 60 0. 275 23. 000 0. 192 7. 571 0. 92 0. 69 6. 40 67. 00
坪石 4号 0~ 20 0. 276 17. 917 0. 154 6. 381 2. 93 1. 62 48. 15 72. 49
Pingshi No. 4 20~ 40 0. 276 28. 611 0. 203 6. 386 2. 03 0. 85 37. 40 63. 33
40~ 60 0. 306 32. 274 0. 105 6. 974 0. 56 0. 63 14. 30 51. 56
高塘 2号 0~ 20 0. 337 26. 722 0. 780 7. 575 1. 54 1. 51 26. 85 188. 94
Gaotang No. 2 20~ 40 0. 306 38. 718 0. 529 8. 359 1. 31 0. 81 17. 70 152. 30
40~ 60 0. 337 53. 642 0. 530 10. 371 1. 02 0. 17 5. 60 141. 84
市林科所 0~ 20 0. 367 41. 922 0. 583 12. 431 1. 03 2. 16 66. 05 163. 04
Zixing Forest 20~ 40 0. 459 51. 230 0. 290 12. 743 0. 98 1. 84 26. 25 160. 16
Research Inst itute 40~ 60 0. 367 58. 107 0. 230 11. 932 0. 86 1. 45 12. 55 157. 54
高塘 4号 0~ 20 0. 368 52. 682 0. 138 10. 963 2. 73 0. 59 49. 35 58. 10
Gaotang No. 4 20~ 40 0. 459 59. 602 0. 083 10. 956 2. 65 0. 47 14. 75 53. 39
40~ 60 0. 461 63. 951 0. 127 10. 987 1. 29 0. 41 4. 60 50. 25
黄草 0~ 20 0. 337 27. 660 0. 170 8. 376 1. 60 1. 66 49. 35 89. 50
Huangcao 20~ 40 0. 428 32. 660 0. 474 7. 554 1. 51 0. 65 18. 30 86. 10
40~ 60 0. 367 32. 708 0. 099 7. 167 1. 08 0. 61 8. 70 63. 33
天鹅山 0~ 20 0. 427 60. 372 0. 126 24. 839 1. 21 1. 60 47. 55 181. 09
T ian# eshan 20~ 40 0. 428 61. 565 0. 130 23. 689 1. 14 1. 05 38. 20 78. 48
40~ 60 0. 472 63. 954 0. 096 22. 565 0. 38 0. 81 24. 45 60. 72
法,用来找出土壤微量元素 P 个线性组合函数和土壤酶的
Q 个线性组合函数:


U= a1X 1+ a2X 2+ , + apXp ( 1)


V = b1 Y 1+ b2 Y 2+ , + bqY q ( 2)
式中, a1, a2, , , ap 和 b1 , b 2, ,, bq 是待定系数,使得 U 和
V 间具有最大相关系数, 即! 典范相关系数∀ ( canonical cor re

lation coefficient) ,用来度量两个线性函数间的联系强度. 典
范相关分析提示了!两组∀指标间的内部联系,而这两组指标
的内容可以不同,因此本次分析以土壤微量元素为! 一组∀指
标,土壤酶为! 一组∀指标, 运用 STATIST ICA 5. 0 分析[ 1] .
3
结果与分析


表 2列出了土壤微量元素和土壤酶的特征值,
记土壤微量元素指标的数据为 X ( 4∃ 21) , 土壤酶活性
指标的数据为 Y ( 4 ∃ 21) . 典范分析是选 2个变量 U
和 V ( U为土壤微量元素典型变量, V 为土壤酶典
型变量)来描述变量 X 和 Y 之间的关系.


经统计软件STAT IST ICA 5. 0计算,得到 X 变
量的样本相关阵、Y 变量的样本相关阵、X 变量和
Y 变量的联合相关阵, 最后得到需求特征根的非负
定阵,其非零特征根
12、
22、
32、
42 分别为0. 787、
0. 336、0. 164和 0. 100. 为了研究方便, 通常取 2对
典型变量来描述, 则有累计贡献率为: 1. 123/ 1. 387
= 81. 0%.第 1、第 2元素典型变量和第 1、第 2土壤
酶典型变量的系数,即其第 1、第 2 特征根对应的特
征向量(表 3) .


由表 3可得!综合土壤微量元素∀和! 综合土壤
酶∀的两对典型变量.


第 1对典型变量:
U 1= - 0. 031X 1+ 0. 136X 2+ 0. 712X 3+ 0. 384X 4 ( 3)
V 1= - 0. 353 Y 1+ 0. 319 Y 2+ 0. 288 Y 3+ 0. 820 Y 4 ( 4)


第 2对典型变量:


U 2= 0. 276X 1+ 0. 161X 2- 0. 548X 3+ 0. 710X 4 ( 5)


V 2= - 0. 299 Y 1+ 0. 479 Y 2+ 0. 611 Y 3- 0. 194 Y 4 ( 6)


将各样地的原始数据代入上 2 式, 即可得到各
样品在第 1对和第 2对典型变量上的排序坐标. 图
1、图 2即为!综合土壤微量元素∀和!综合土壤酶∀的
排序结果,同时对 4 个特征根所对应的典型向量进
行显著性检验(表 4) .
346 应
用
生
态
学
报

















14卷
表 3
土壤微量元素典范变量和土壤酶典范变量
Table 3 Canonical variables of soi l trace element and soil enzyme
项目
Item
土壤微量元素
Soil trace element
第 1变量
First
var iable
第2 变量
Second
variable
土壤酶
Soil enzyme
第 1变量
First
v ariable
第 2变量
Second
variable
特征根 Eigenvalues 0. 787 0. 336 0. 787 0. 336
典范相关系数 Canonical R 0. 887 0. 580 0. 887 0. 580
特征向量 Eigenvectors a1 - 0. 031 0. 276 - -
特征向量 Eigenvectors a2 0. 136 0. 161 - -
特征向量 Eigenvectors a3 0. 712 - 0. 548 - -
特征向量 Eigenvectors a4 0. 384 0. 710 - -
特征向量 Eigenvectors b1 - - - 0. 353 - 0. 299
特征向量 Eigenvectors b2 - - 0. 319 0. 479
特征向量 Eigenvectors b3 - - 0. 288 0. 611
特征向量 Eigenvectors b4 - - 0. 820 - 0. 194
表 4
典范变量的显著性检验
Table 4 Chi
square tests
典范向量 No.
Canonical
v ect or No.
典范相关系数
Canonical
R
特征根
Eigen

values
自由度
df
Q2 X2
( = 0. 10)
P
1 0. 887 0. 787 16 33. 253 23. 542 0. 007
2 0. 580 0. 336 9 9. 284 14. 638 0. 412
3 0. 405 0. 164 4 2. 936 7. 779 0. 569
4 0. 100 0. 010 1 0. 155 2. 706 0. 694
图 1
第 1对典型变量排序
Fig. 1 Ordinat ion of the f irst pair canonical variables.
1)坪石 2号 Pingshi No. 2; 2) 坪石 4号 Pingshi No. 4; 3) Gaotang No.
2; 4)资兴林业科学研究所Zixing Forest ry Research Institute; 5)高塘 4
号 Gaotang No. 4; 6) 黄草 Huangcao; 7 )天鹅山 Tian# eshan. 下同 T he
same below .
图 2
第 2微量元素变量与第 1土壤酶变量排序
Fig. 2 Ordinat ion of the second cannon ical varibles of soil trace elements
and the first canonical variables of enzymat ic act ivit ies.
4
讨

论


微量元素是植物、微生物和酶的激活剂或抑制
剂.研究表明,土壤的微量元素含量可能是决定土壤
酶活性的一个重要生态学因素[ 19] .微量元素对土壤
酶活性的影响取决于土壤的性质(特别是 pH 值及
移动性微量元素的含量)和不同的酶类对不同的微
量元素的专性特性[ 5, 6] : 对某些酶是激活的微量元
素,对另一种酶则可能起着抑制作用[ 8, 16] ; 同一微
量元素的含量不同时, 可以起激活作用,也可以起抑
制作用[ 3, 9, 19] . 桉树人工林地由于叶凋落物中含有
桉叶油,树皮中含有单宁[ 15] .这些化学物质的存在,
使得中亚热带的桉树林地有别于杉木、马尾松等人
工林地. 其中土壤微量元素与土壤酶活性关系的研
究有助于探讨桉树人工林地的地力以及桉树在中亚
热带连作能否引起地力衰退等问题. 由表 3可见,第
1对典型变量的相关系数为 0. 887, X 2 检验的结果
也表明了第 1对典型变量显著相关(表 4) . 也就是
说土壤微量元素第 1典型变量 U1 对土壤酶第 1典
型变量 V 1 的影响较大,而第 1微量元素综合因子
中起主要作用的是 X 3 和 X 4 因素, 即 Zn 和 Mn元
素;第 1土壤酶综合因子起主要作用的是 Y 4 因素,
即蛋白酶.由此可见, Zn 和 Mn 对土壤蛋白酶活性
影响的正效应最大,即促进作用较大.第 2对典型变
量的相关系数为 0. 580, 说明第 2综合微量元素因
子对第 2! 综合土壤酶活性∀因子有一定程度相关,
而第 2微量元素因子中起主要作用的 X 3 和 X 4 因
素,即 Zn和 Mn 元素; 第 2综合土壤酶因子中起主
要作用的是元素 Y 3 和 Y 2, 即脲酶和过氧化氢酶.
表明 Zn在一定程度上对脲酶和过氧化氢酶有负效
应,即有一定的抑制作用.而 Mn 对其有正效应, 即
促进作用.


由图 1和图 2可见: 1)市林业科学研究所、高塘
2号和坪石 2 号等向图左上方集结, 且其成土母岩
均为砂岩,说明土壤性质相似土壤有聚集趋势. 从林
业生产的角度来看,土类的划分是合理利用土壤,深
度挖掘土壤生产潜力的科学基础, 也是合理安排林
业生产的重要依据. 土壤学上依据土壤形态特征及
其理化、生物特性的差异将土壤分为 7种级别: 土
纲、亚纲、土类、亚类、土属、土种和亚种[ 17] . 但多偏
重于土壤发生学特征的差异,而对于林木生长发育
有重大影响的土壤性质考虑不够. 运用典型变量所
作的排序图, 考虑了土壤微量元素和土壤酶的交互
作用,并以此为据在土类明确的背景下,可为林业生
产的土种划分提供参考. 2)各个样地中! V 值∀随着
土壤层次的加深而变化, V 1 呈现有规律性的减少,
说明土壤表层会出现!综合土壤酶因子∀相对较大的
结果,而联系林地实际情况,往往以土壤表层养分含
3473 期










李跃林等:桉树人工林地土壤酶活性与微量元素含量的关系








量高, 能否据此推测土壤肥力高的林地则有相应高
的! V 值∀, 这是一个值得探讨的问题.林地土壤是
一个生物有机体的综合载体. 目前林地土壤肥力的
评价,已越来越重视土壤的生物学特性,以此作为评
价指标的研究已日渐多. 桉树林地存在着地力衰退
问题,并在很大程度上与土壤的生物修复功能有关,
土壤酶活性与微量元素的关系的研究, 有助于提示
酶活性机理、土壤生物修复机理.在此基础上,以! V
值∀来评价地力,倘若以上土壤肥力高的林地则有相
应高的! V 值∀结论成立, ! V 值∀可作为判别土壤肥
力的综合指标, 进而也可为地力的评价提供依据, 为
监测土壤环境的变化提供一个新方法.


须指出的是,运用!综合土壤酶因子∀作为桉树
人工林地地力的评价指标, 必须结合生物的生长特
征等因子进行综合分析, 以使分析结果更准确可靠.
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作者简介
李跃林, 男, 1970 年生,博士生, 主要从事土壤生态、植被生态及生态系统全球变化研究, 发表论文 6 篇. T el:
020
85232862, E
mail: yuelin@ scib. ac. cn
348 应
用
生
态
学
报

















14卷