三峡库区生态环境的好坏与三峡大坝的生态安全紧密相关。然而，三峡库区是亚热带丘陵地区，雨水充足，水土流失严重^[1]。同时，由于该区域人口密度大，经济发展水平低，耕地资源严重不足，是贫困人口相对集中的连片贫困地区，所以经济和生态环境的协调发展是当前库区面临的迫切任务。发展人工经济林，扩大植被的覆盖度，遏制水土的进一步流失，改善当地农民的生活水平，在热带、亚热带，特别在三峡库区已经成为农村的经济发展最具有活力的新的增长点，成为当代林业发展和生态恢复的必然趋势^[2]。

柑橘林广泛分布于长江流域，是三峡库区的支柱农业产业，由于其树木高大，根系深，分布范围广，能够减少土壤侵蚀和养分损失^[3]，所以又成为三峡库区治理水土流失的重要措施和植被恢复的物种之一^[4]。发展柑橘人工经济林既可以提高农民的经济收入，又可以减少水土流失、改善生态环境，这无疑是一种双赢的措施和手段。然而，柑橘林大多是纯人工经济林，密植、中耕除草、喷药和施肥，强化了人为作用对柑橘林土壤的持续扰动，虽然提高了产量，但是改变了土壤营养元素的循环机制，创造了特有的土壤生态系统，导致生态系统单一，这不仅影响柑橘经济林的可持续发展，也影响三峡库区生态环境的恢复和重建。

土壤是柑橘生长和发育的根本，柑橘产量的高低、品质的优劣与土壤质量有着不可分割的联系。土壤酶是土壤组分中最活跃的有机成分之一，参与土壤生境中的碳、氮、磷等养分的循环和控制生态系统的功能，能综合反映土壤生物化学过程的方向和程度^[5]，能够敏感指示和预警土壤生境的变化^[6]，可作为评价土壤质量和养分供应能力的重要表征^[7-8]。目前虽然有研究报道了不同林龄柑橘土壤^[9]和根际有机碳及其组分的变化^[10]，但鲜有报道随着柑橘林龄的增加其土壤酶活性的变化规律。因而，本研究以三峡库区不同林龄的柑橘土壤为研究对象，阐明柑橘土壤酶活性的动态及其与土壤养分之间的关系，揭示三峡库区不同林龄柑橘土壤酶的变化规律，以期为柑橘园土壤质量的可持续发展提供理论依据，为进一步阐明农业生态系统生物地球化学循环规律提供理论依据。

研究地点位于三峡库区首市宜昌市秭归县郭家坝镇。该区位于东经110°41′25.2″~110°41′51.2″、北纬30°55′04.8″~30°55′10.2″，海拔在236~267 m。年平均水量为1 140~1 200 mm。雨水充足且主要集中在夏季的6-7月份，无霜期比较长，全年的平均气温在17~19 ℃。

在郭家坝选取邻近1 km左右，以化肥施用为主，定期中耕除草等管理措施基本一致的3个林龄（10、20年和30年）的6个柑橘样地，每两个相同林龄的柑橘样地作为样地重复（表 1），分别在每个样方用土钻随机取0~20 cm和20~40 cm土层的土样按“S”形布设取样点数5个，混合为一个样，捡去枯枝落叶后，分为两部分，一部分自然风干用于土壤有机碳、全氮和土壤酶活性的测定，另一部分过2 mm的筛子后，放到0~4 ℃的冰箱里保存，用于土壤微生物量碳氮的分析。

表 1　样地两个取样点的基本情况 Table 1　Status of two replicate sites

表选项

土壤含水量采用烘干法测定，土壤pH（1:1）采用酸度计测定，土壤容重采用环刀法测定，土壤有机碳采用重铬酸钾氧化-稀释热法测定，土壤全氮的含量用半微量的凯氏定氮法分析测定，土壤微生物量碳和微生物生物量氮采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提法测定。过氧化氢酶的测定是基于过氧化氢与土壤相互作用时，用高锰酸钾滴定酶促反应前后过氧化氢的量^[11]。转化酶的活性用硫代硫酸钠滴定的方法测定^[11]，脲酶用靛酚兰比色法测定^[11]。

柑橘林龄和土壤深度及其二者的交互效应用两因素方差分析，当林龄在0.05水平上显著时再用Turkey′s-b单因素方差分析，土壤深度有显著性时，用T-测验分析。土壤酶活性与土壤理化指标以及微生物量之间的关系采用Pearson′s相关性分析方法。为了更进一步分析土壤酶活性与各土壤因子之间关系，为了利用少量的指标解释所有指标的信息，采用主成分的分析方法。所有分析在SPSS11.5软件上进行。

过氧化氢酶是一种促进过氧化氢水解的酶, 它的活性增强对于防止过氧化氢对生物体的毒害具有重要意义，进而促进有机物的分解^[11]。本研究中，通过两因素方差分析的结果表明，柑橘林龄和土壤深度都显著影响土壤过氧化氢酶活性（P < 0.001），但是土壤深度和柑橘林龄的交互效应的影响却不显著（表 2）。不同林龄柑橘0~20 cm和20~40 cm土层过氧化氢酶活性的大小顺序都为：20年>10年>30年（图 1），但单因素方差分析后多重比较的结果表明，0~20 cm土层10年和20年的柑橘过氧化氢酶活性没有显著性差异，而10年和20年的过氧化氢酶活性显著大于30年的；20~40 cm土层过氧化氢酶只有20年的样地显著大于30年的样地。随着土壤深度的增加，3个年龄的柑橘林土壤过氧化氢酶活性都显著降低。

表 2　林龄和土层对土壤酶活性影响的二因素方差分析 Table 2　Two-way ANOVA about the effects of age and soil depths on soil enzyme activities

表选项

不同字母表示不同林龄在同一土层上差异显著；柱上的“*”表示同一林龄不同土壤深度间差异显著。下同 图 1 不同林龄柑橘土壤酶活性 Figure 1　The activities of enzymes at different ages of citrus

图选项

土壤转化酶主要参与土壤有机碳的循环，其活性大小表明土壤中有机碳转化及呼吸代谢强弱的反映。本研究中，两因素方差分析的结果表明，柑橘林龄和土壤深度分别显著影响土壤转化酶活性（P < 0.001），但是两者的交互效应不显著（表 2）。0~20 cm土层转化酶活性随着柑橘林龄的延长呈现先增大后减小的趋势，20年的样地达到最大值，30年样地又有显著的降低（图 1）。随着土壤深度的增加，3个年龄的样地的转化酶都呈现显著的下降趋势；20~40 cm土层土壤转化酶活性的变化趋势与20~40 cm土层土壤过氧化氢酶的变化趋势相似，也是10年和20年样地之间无显著性差异，10年和30年样地之间也无显著性差异，只有20年样地的转化酶活性显著高于30年样地。

脲酶是一种与氮循环紧密相关的水解酶，其活性大小和土壤中氮素转化的强弱有关。本研究中，两因素方差分析的结果表明，柑橘林龄和土壤深度分别显著影响土壤脲酶活性（P < 0.001），但是两者的交互效应不显著（表 2）。柑橘不同林龄0~20 cm和20~40 cm土层脲酶活性的大小顺序为：20年>30年>10年（图 1），表明随着柑橘林龄的增大，土壤脲酶活性逐渐提高，20年达到最大值，其后有所降低。这说明当柑橘林龄达到20年时，土壤氮转化能力处于相对比较活跃的状态，有利于土壤氮素循环。随着土壤深度的增加，3个林龄的柑橘林土壤脲酶都显著降低。

0~20 cm和20~40 cm土层的含水量、容重和pH值在3个年龄的样地之间都无显著差异（图 2），表明柑橘林龄对0~40 cm土层含水量、容重和pH值并没有显著影响。随着土壤深度的增加，土壤含水量和容重也无显著变化，土壤pH值仅在30年林龄呈现显著下降趋势。0~20 cm土层的有机碳含量中30年的样地显著大于20年和10年的样地，而10年和20年的样地之间无显著差异；20~40 cm土层的有机碳含量随着柑橘林龄的延长呈现显著增加趋势。随着土壤深度的加深，土壤有机碳含量也逐渐下降。0~20 cm土层的全氮含量随着柑橘林龄的增大而显著增大，20~40 cm土层的全氮含量30年的样地显著的大于10年和20年的样地，而10年和20年的样地之间无显著性差异。随着土壤深度的增加，10年样地的土壤全氮无显著变化，但20年和30年样地土壤全氮含量呈显著下降趋势。

图 2 不同林龄柑橘土壤理化特性 Figure 2　Soil physical and chemical properties at different ages of citrus

图选项

随着林龄的延长，0~20 cm土层微生物量碳逐渐提高，20年的样地达到最大值，30年样地又降低；20~40 cm土层土壤微生物碳在3个林龄的样地之间无显著差异（图 3）。随着土壤深度的增加，土壤微生物碳在10年的样地内无显著变化，但是20年和30年的样地都呈现下降趋势，这说明柑橘生长前期，虽然土壤有机碳的含量增加，但是能被微生物固持的碳量并没有得到显著提高。随着柑橘林龄的增大，0~20 cm土层的土壤微生物氮也是逐渐提高，20年达到最大值，30年的样地有所降低；20~40 cm土层土壤微生物氮逐渐提高，20年的样地达到最大值，其后趋于稳定。随着土壤深度的增加，土壤微生物氮并无明显变化。

图 3 不同林龄柑橘土壤微生物量 Figure 3　The microbial biomass C, N at different ages of citrus

图选项

相关性分析的结果表明，0~40 cm土层土壤过氧化氢酶、转化酶和脲酶活性相互之间都具有显著的正相关（P < 0.01）（表 3）；转化酶活性与土壤有机碳和微生物碳氮之间具有显著的正相关（P < 0.05）；脲酶活性与土壤有机碳（P < 0.01）、全氮（P < 0.01）、微生物碳氮（P < 0.01）和含水量（P < 0.05）之间具有显著的正相关；过氧化氢酶活性与有机碳、全氮、微生物碳氮之间都无显著的相关性。3种酶的活性与土壤容重以及pH值之间都无显著的相关性。

表 3　土壤酶活性、土壤理化特性、微生物生物量之间的相关性（n=36） Table 3　The relationship among soil properties (n=36)

表选项

通过不同林龄柑橘0~40 cm土层土壤酶活性与土壤各因子的主成分分析，探讨土壤酶活性与土壤质量的关系，筛选出对土壤质量产生影响的主要因子群。分析结果表明（表 4），第一主成分方差贡献率达38.86%，第二主成分方差贡献率达20.11%，第三主成分方差贡献率达12.48%，第四主成分方差贡献率达9.75%，前四个主成分之和达到81.2%。因此，它们能基本能解释土壤质量的信息。通过计算主成分各因子的载荷，第一主成分综合了脲酶、转化酶、有机碳和微生物碳氮的信息（表 5），第二主成分综合了过氧化氢酶、pH值和全氮的信息，第三主成分解释了容重的信息，第四主成分解释了含水量的信息。第一主成分累积方差贡献率最大，对于土壤的质量起着主要的作用，土壤养分因子有机碳、土壤转化酶和脲酶因子以及微生物生物量碳氮因子均在第一主成分中具有较大的载荷，对第一主成分的影响最大。因此，第一主成分基本反映了土壤综合质量的变化。这说明脲酶和转化酶活性比过氧化氢酶活性能敏感地表征柑橘林土壤质量的变化。

表 4　供试土壤信息系统主成分分析 Table 4　The eigenvalues and percent of variance

表选项

表 5　土壤主成分的特征向量 Table 5　Principal compoment eigenvectors of soil information system

表选项

通过因子得分系数矩阵（表 5），获得各因子在不同林龄水平上的得分，最后由各因子方差贡献率和因子得分加权得到各林龄柑橘土壤质量的综合得分。30、20年和10年的柑橘园土壤质量得分分别为-0.56、0.52和0.04，大小顺序为20年>30年>10年，这说明随着柑橘林龄的增大，土壤质量明显得到了改善，但是在20年左右达到最大值，30年的土壤质量又呈现了一定的降低。

土壤酶在营养的矿化、有机质分解和植物营养循环中都起重要的作用。因而，土壤酶与土壤肥力关系一直是国内外学者关注的热点问题之一^[12]。研究表明，土壤酶活性能够作为土壤肥力和微生物活性的敏感指标^[13]。本研究中，随柑橘林龄延长，转化酶和脲酶活性都逐渐增大，20年达到最大值，其后呈现降低的趋势。这与国内外大多数果树土壤酶活性的研究结果相似^[14-15]，但是与杜静静等^[16]的研究结果不同。出现这种现象的原因可能是：（1）随着柑橘林龄的延长，柑橘生长旺盛，归还土壤凋落物逐渐增多，为土壤微生物群落提供了较多的营养物质，土壤微生物量增大，土壤转化酶和脲酶活性增大，20年时达到最大值。其后虽然有机质数量也在增加，但是土壤微生物量和酶活性都呈现显著的下降趋势，这说明20年后柑橘的生长逐渐变得缓慢，归还土壤的凋落物数量随着增大，有机质数量提高，但是有机质质量已经呈现下降的趋势；（2）可能与果农长期不合理施肥导致土壤某些污染物累积，土壤微生物可利用的有效营养含量减少^[9]，从而抑制酶活性有关^[17]；（3）随着柑橘林龄的延长，一些参与土壤物质循环的微生物类群的数量下降，一些代谢能力低的类群数量增加^[18]，这可能也是土壤酶在柑橘林龄超过20年降低的原因之一；（4）果树长期连作并重复施用相同的肥料，果树对营养的需求专一，可能打破了养分之间的平衡，致使土壤酶活性降低^[19]。土壤过氧化氢酶、转化酶和脲酶活性的剖面分异特征规律相似，均表现为随着土壤深度的加深，酶活性下降，这与陈琦等^[20]和万忠梅等^[21]的研究结果相似。这是因为土壤表层（0~20 cm）受人为扰动较大，肥料和柑橘须根主要集中施用区，凋落物主要分布在土壤表层，酶的底物较多，酶活性提高的缘故。这说明柑橘林与其他的次生林一样，土壤酶活性也具有“表聚效应”^[20]。

本研究中，3种酶活性之间都具有显著的正相关性，这与王灿等^[22]和叶协锋等^[23]的研究结果相似，这说明3种酶在促进土壤有机质的转化和循环中具有共性关系，同时也表明土壤含氮有机化合物、有机碳的转化之间是相互影响的^[22-23]。土壤转化酶和脲酶活性与土壤有机碳及其微生物量碳氮之间都具有显著的正相关性，但是与土壤容重和pH之间并无显著的相关性。这说明土壤转化酶和脲酶活性不仅影响土壤有机质数量的变化，而且极显著影响土壤有机质质量的变化，但是它们受土壤pH和容重的影响并不显著。这与Li等^[24]和褚洪龙等^[25]的研究结果是相似的。

随着柑橘林龄的延长，土壤转化酶和脲酶活性逐渐提高，20年达到最大值，其后又呈现降低的趋势。随着土壤深度的增加，土壤酶活性都呈现降低的趋势。相关性分析和主成分分析的结果表明，土壤转化酶和脲酶比过氧化氢酶活性更能敏感指示土壤质量的变化。这些结果显示三峡库区柑橘短期的生长（20年以内）有利于土壤有机质质量和酶活性的提高，但长期种植（大于20年），虽然土壤有机质数量逐渐提高，但是土壤微生物生物量和酶活性都呈现下降的趋势，土壤活性有机碳含量下降，土壤酶转化有机物质的能力下降，进而影响土壤质量的可持续性发展。为了柑橘土壤可持续性发展，在柑橘生长到一定年限须进行人为干预，采取合理的措施促进柑橘土壤的可持续性发展。