劉 星, 汪金松, 趙秀海,*

1 北京林業(yè)大學(xué)森林資源與生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083 2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所, 北京 100091

模擬氮沉降對(duì)太岳山油松林土壤酶活性的影響

劉 星1, 汪金松2, 趙秀海1,*

1 北京林業(yè)大學(xué)森林資源與生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083 2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所, 北京 100091

為研究土壤酶活性對(duì)氮沉降增加的響應(yīng)，以山西太岳山油松人工林和天然林為研究對(duì)象， 于2009年8月開始實(shí)施模擬氮沉實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照(CK, 0 kg N hm-2a-1)；低氮(LN, 50 kg N hm-2a-1)；中氮(MN, 100 kg N hm-2a-1)；高氮(HN, 150 kg N hm-2a-1)4種氮處理，自2012年起每年5、7、9月在各處理樣方采集表層0—20 cm土壤，測(cè)定土壤酶活性(過(guò)氧化物酶、多酚氧化酶、纖維素酶、蔗糖酶、脲酶、中性磷酸酶)。研究結(jié)果表明：施氮處理下的脲酶與中性磷酸酶活性均有所提高，而低氮處理下天然林中的多酚氧化酶與人工林中的蔗糖酶顯著低于對(duì)照，中氮、高氮處理下過(guò)氧化物酶、多酚氧化酶、天然林中的纖維素酶以及人工林中的蔗糖酶顯著降低?？偟膩?lái)說(shuō)，人工模擬氮沉降促進(jìn)了土壤中脲酶和中性磷酸酶的活性，抑制了過(guò)氧化物酶和多酚氧化酶的活性，并降低了天然林土壤中的纖維素酶活性和人工林中的蔗糖酶活性，但對(duì)天然林中蔗糖酶和人工林中的纖維素酶無(wú)影響。主導(dǎo)木質(zhì)素降解的多酚氧化酶活性與纖維素酶、蔗糖酶活性顯著相關(guān)，纖維素酶與蔗糖酶活性的下降可能是由木質(zhì)素降解受到抑制，土壤微生物可利用碳源減少所引起。另外，受到天然林土壤含氮量較高的影響，與人工林相比，天然林的多酚氧化酶活性對(duì)模擬氮沉降更敏感。由于被抑制的酶均與土壤有機(jī)質(zhì)降解密切相關(guān)，氮沉降增加將減緩山西油松林土壤有機(jī)質(zhì)的降解，有利于有機(jī)質(zhì)在土壤中的積累。

氮沉降; 土壤酶活性; 油松林; 太岳山

自工業(yè)革命以來(lái)，由于氮肥的大量生產(chǎn)與使用及化石能源燃燒排放的活性氮增加，大氣氮沉降量相應(yīng)增加[1]。目前，包括中國(guó)在內(nèi)的東亞地區(qū)已成為僅次于歐洲和北美的第三大氮沉降區(qū)域[2-3]。例如，長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的年氮沉降量已達(dá)0.2—5.0 g N m-2a-1，這一氮沉降量已經(jīng)超出了長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的部分生態(tài)系統(tǒng)的臨界負(fù)荷[4]。氮沉降的增加不僅會(huì)對(duì)林木生長(zhǎng)產(chǎn)生直接影響[5]，還會(huì)通過(guò)影響土壤微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解來(lái)對(duì)土壤碳貯存產(chǎn)生間接影響[6]。因此，在我國(guó)研究氮沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要意義。

大氣氮沉降的增加對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)、氮流失以及土壤酶活性均有不同程度的影響[7]。其中，土壤酶活性對(duì)土壤理化性質(zhì)等環(huán)境因素的變化較敏感，且是土壤微生物作用于土壤生物化學(xué)過(guò)程的直接媒介，因此可作為表征土壤微生物群落活性的指標(biāo)之一[8-9]。通過(guò)測(cè)定土壤酶活性可以了解微生物群落的功能與環(huán)境因子的關(guān)系。

近年來(lái)，眾多研究表明大氣氮沉降的增加對(duì)土壤酶活性有顯著影響，但在不同的生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性對(duì)氮沉降的響應(yīng)往往有所不同[10-13]，例如Sinsabaugh等研究發(fā)現(xiàn)在施氮促進(jìn)了糖槭林中的氧化酶活性，但抑制了紅櫟林中的氧化酶活性[14]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的結(jié)果也有一定差異[15-17]，例如，涂利華等在華西雨屏區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)施氮在苦竹林中提高了土壤多酚氧化酶和過(guò)氧化物酶活性，但在光皮樺林中降低了這兩種酶的活性[18-19]。因而氮沉降對(duì)森林土壤酶活性的影響有必要結(jié)合具體環(huán)境進(jìn)行研究，本研究借助在山西太岳山油松人工林和油松天然林進(jìn)行的人工模擬氮沉降長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，研究土壤酶活性對(duì)氮沉降增加的響應(yīng)，旨在初步了解油松林土壤微生物群落功能對(duì)氮沉降的響應(yīng)，為這一響應(yīng)機(jī)理的研究摸索實(shí)驗(yàn)方向并確立切入點(diǎn)。

1 材料與方法1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山西省太岳山國(guó)有林管理局靈空山自然保護(hù)區(qū)(36°18′—37°05′N，111°45′—112°33′E)，平均海拔1 500 m。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量為662 mm，降雨多集中在7—9月。年均氣溫8.6 ℃，1月平均氣溫-10.4 ℃，7月平均氣溫17.4 ℃。年均相對(duì)濕度60 %，年均日照2 600 h，年均無(wú)霜期175 d左右?；鶐r主要為花崗巖和石灰?guī)r，林地土壤類型為山地褐土和棕色森林土。通過(guò)收集降雨和降塵，測(cè)定自然氮沉降量為21.2 kg N hm-2a-1。

林區(qū)的代表性樹種主要有：油松(Pinustabulaeformis)、遼東櫟(Quercusliaotungensis)、山楊(Populusdavidiana)和白樺(Betulaplatyphylla)。灌木主要有胡枝子(Lespedezabicolor)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、黃刺梅(Rosaxanthina)、山桃(Amygdalusdavidiana)等；草類有苔草(Carex)、蒿類(Artemisia)、莎草(Cyperaceae)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2009年7月在油松天然林和油松人工林中各選取未被破壞且具有代表性的林地分別建立12個(gè)2 m×2 m的固定樣方，樣方之間間隔3 m。根據(jù)氮施加量不同，試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)施氮水平：(1)對(duì)照(CK, 0 kg N hm-2a-1)；(2)低氮(LN, 50 kg N hm-2a-1)；(3)中氮(MN, 100 kg N hm-2a-1)；(4)高氮(HN, 150 kg N hm-2a-1)，每個(gè)處理重復(fù)3次。以尿素(CO(NH2)2)為氮源，從2009年8月開始模擬氮沉降處理，每月月初以溶液的形式施加。具體方法為將每個(gè)樣方每次需要施加的CO(NH2)2溶解在2 L水中，用噴霧器均勻噴灑在樣方地表，在對(duì)照樣方內(nèi)同樣噴施等量的水。樣方所在的油松天然林與油松人工林的本底值見表1。

表1 油松天然林與油松人工林主要林分和立地特征

1.3 土壤樣品采集與測(cè)定

在2012年7、9月和2013年5、7、9月，當(dāng)月施氮15 d后采集土樣。在每個(gè)樣方中隨機(jī)選取3個(gè)采樣點(diǎn)，去除表面凋落物，使用內(nèi)徑2.5 cm的土鉆采集0—20 cm的表層土樣并混合。使用保溫箱當(dāng)天帶回實(shí)驗(yàn)室，去除可見根系，過(guò)1 mm篩，4 ℃下保存待測(cè)，1周內(nèi)測(cè)定。

參照關(guān)松蔭[20]和趙蘭坡等[21]的方法,使用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定纖維素酶與蔗糖酶；鄰苯三酚比色法測(cè)定多酚氧化酶與過(guò)氧化物酶；苯酚-次氯酸鈉比色法測(cè)定脲酶；磷酸苯二鈉比色法測(cè)定中性磷酸酶。酶的活性以單位干土質(zhì)量在單位時(shí)間內(nèi)所生成的特定產(chǎn)物的質(zhì)量表示(mg g-1h-1或μg g-1h-1)。具體測(cè)定中所用的基質(zhì)、培養(yǎng)條件和測(cè)定產(chǎn)物見表2。所有酶均通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定最適培養(yǎng)時(shí)間與基質(zhì)濃度。

另于2012年10月中旬，當(dāng)月施氮15 d后，以與上文同樣的方法采集土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，過(guò)0.02 mm篩，用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)。土壤有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；全氮測(cè)定采用硒粉-硫酸銅-硫酸消化凱氏定氮法；堿解氮測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法；速效磷測(cè)定采用鉬銻抗比色法；土壤pH值測(cè)定采用電位法(水土比為2.5∶1)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

利用SPSS 18.0(SPSS Inc. USA)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同處理間的差異性顯著檢驗(yàn)采用LSD多重比較法(P< 0.05)，不同酶活性間的相關(guān)性分析采用雙側(cè)檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮沉降對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

施氮對(duì)表層土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生了一定影響。在天然林中，與對(duì)照(CK)相比，施氮處理(LN、MN、HN)的速效磷下降了3.6%—8.4%，pH值下降了6.2%—10.8%；全氮上升了4.6%—9.6%，有機(jī)碳上升了12.8%—25.9%。人工林中施氮處理的速效磷的下降幅度更大(較CK降低11.2%—22.7%)，pH值升高了3.1%—13.6%，有機(jī)碳升高了10.0%—26.4%；全氮變化不明顯，僅高氮處理比對(duì)照升高了22.3%。除人工林的pH值和有機(jī)碳指標(biāo)隨施氮水平的提高而逐步增加以外，其它指標(biāo)均不因施氮水平的提高而產(chǎn)生規(guī)律性的變化(表3)。

表2 土壤酶活性測(cè)定的所用基質(zhì)、培養(yǎng)條件和測(cè)定產(chǎn)物

表3 油松天然林與油松人工林2012年土壤理化性質(zhì)

2.2 不同林型間的酶活性差異

不同林型之間的土壤酶活性特征差異顯著(表4)。天然林中纖維素酶、蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶的活性高于人工林(依次比人工林高12.3%、33.1%、13.0%、4.9%)，而過(guò)氧化物酶和多酚氧化酶的活性低于人工林(分別比人工林低18.8%和12.6%)。不同林型之間的過(guò)氧化物酶與蔗糖酶活性為極顯著差異(P< 0.001)，其它均為顯著差異(P< 0.05)。

2.3 模擬氮沉降對(duì)土壤酶活性的影響

不同施氮量下土壤酶活性的歷次測(cè)定值如圖1—圖3所示，土壤酶活性歷次測(cè)定值的平均值(以下簡(jiǎn)稱總均值)如表5所示?？梢娛┑幚韺?duì)過(guò)氧化物酶活性產(chǎn)生了顯著影響，天然林中除2013年5月僅高氮處理的過(guò)氧化物酶活性顯著低于對(duì)照(P< 0.05)；其它4次測(cè)定均為中氮、高氮處理顯著低于對(duì)照(P< 0.05，圖1)。人工林中2012年9月與2013年9月的中氮、高氮處理的過(guò)氧化物酶活性顯著低于對(duì)照(P< 0.05)；2013年7月僅高氮處理顯著低于對(duì)照(P< 0.05，圖1)?？偟膩?lái)看，在兩種林型中，中氮和高氮處理的過(guò)氧化物酶活性總均值顯著低于對(duì)照(P< 0.01)，且天然林中過(guò)氧化物酶活性的下降幅度大于人工林(天然林中分別下降了18.2%與21.0%，人工林中分別下降了9.9%與13.2%)，兩種林型的過(guò)氧化物酶活性總均值大小關(guān)系均為對(duì)照≈低氮>中氮≈高氮(表5)。

表4 油松天然林與油松人工林的土壤酶活性比較

圖1 不同施氮量下的氧化酶活性變化

施氮對(duì)多酚氧化酶的影響同樣顯著，天然林中2012年與2013年7月各施氮處理的多酚氧化酶活性均顯著低于對(duì)照(2012年7月P< 0.05，2013年7月P< 0.01)；2013年5月中氮、高氮處理顯著低于對(duì)照(P< 0.05，圖1)。人工林中2012年7、9月中氮、高氮處理的多酚氧化酶活性顯著低于對(duì)照(P< 0.05)；2013年7月為中氮、高氮處理顯著低于對(duì)照、低氮處理(P< 0.01，圖1)?？偟膩?lái)看，在天然林中，施氮處理的多酚氧化酶活性總均值比對(duì)照降低了26.8%—32.9%，差異顯著(P< 0.01)，不同施氮處理間無(wú)顯著差異(P> 0.05)，不同處理間的均值大小關(guān)系為對(duì)照>低氮>高氮>中氮。而在人工林，僅中氮和高氮處理的多酚氧化酶活性總均值顯著低于對(duì)照(分別降低了36.5%和33.2%，P< 0.01)，低氮處理雖低于對(duì)照但與對(duì)照之間無(wú)顯著差異(P> 0.05)，不同處理間的均值大小關(guān)系為對(duì)照>低氮>高氮>中氮(表5)。

施氮處理對(duì)纖維素酶的影響較不明顯，在天然林各次測(cè)定中，不同處理之間均無(wú)顯著差異(P> 0.05)，但各次測(cè)定的纖維素酶活性均值大小關(guān)系均為對(duì)照>施氮處理(圖2)。人工林各次測(cè)定中不同處理之間的纖維素酶活性同樣無(wú)顯著差異(P> 0.05)，且歷次測(cè)定的均值大小關(guān)系無(wú)統(tǒng)一規(guī)律(圖2)?？偟膩?lái)看，天然林中中氮、高氮處理的纖維素酶活性總均值分別比對(duì)照降低了7.0%和10.3%，差異顯著(P< 0.05)，低氮處理雖低于對(duì)照但差異不顯著(P> 0.05)，總均值大小關(guān)系為對(duì)照>低氮>中氮>高氮；人工林中不同處理之間的纖維素酶活性總均值無(wú)顯著差異(P> 0.05)，總均值大小關(guān)系為對(duì)照>高氮>低氮>中氮(表5)。

圖2 不同施氮量下參與碳循環(huán)的水解酶活性變化

蔗糖酶對(duì)施氮處理的響應(yīng)同樣較不明顯，天然林各次測(cè)定中不同處理之間的蔗糖酶活性均無(wú)顯著差異(P> 0.05)，且歷次測(cè)定的均值大小關(guān)系無(wú)統(tǒng)一規(guī)律(圖2)。人工林中2012年7月與2013年9月施氮處理的蔗糖酶活性顯著低于對(duì)照(P< 0.05)；2013年5月為中氮、高氮處理顯著低于對(duì)照、低氮處理(P< 0.05)；2013年7月為低氮處理顯著低于對(duì)照(P< 0.05)，中氮、高氮處理顯著低于低氮處理(P< 0.05)；各次測(cè)定的蔗糖酶活性均值大小關(guān)系均為對(duì)照>施氮處理(圖2)?？偟膩?lái)看，天然林中不同處理之間的蔗糖酶活性總均值無(wú)顯著差異，總均值大小關(guān)系為對(duì)照≈高氮>低氮>中氮；人工林中施氮處理的蔗糖酶活性總均值比對(duì)照降低了12.1%—17.7%，差異顯著(P< 0.05)，總均值大小關(guān)系為對(duì)照>低氮>高氮>中氮(表5)。

施氮處理在一定程度上促進(jìn)了土壤中性磷酸酶活性，天然林歷次測(cè)定的不同處理之間無(wú)顯著差異(P> 0.05)，但各次測(cè)定的中性磷酸酶活性均值大小關(guān)系均為對(duì)照<施氮處理(圖3)。人工林中2013年5月中氮、高氮處理的中性磷酸酶活性顯著高于對(duì)照(P< 0.05)；其它4次測(cè)定不同處理間無(wú)顯著差異(P> 0.05)，除2012年9月的均值大小關(guān)系為高氮>中氮≈對(duì)照>低氮外，其它均為高氮>中氮>低氮>對(duì)照(圖3)?？偟膩?lái)看，施氮處理的中性磷酸酶活總均值在天然林中提高了3.1%—6.2%，在人工林中提高了1.2%—9.9%，但兩種林型不同處理之間均無(wú)顯著差異(P> 0.05)，兩種林型的總均值大小關(guān)系均為高氮>中氮>低氮>對(duì)照(表5)。

表5 不同施氮量下油松天然林與油松人工林的土壤酶活性

圖3 不同施氮量下參與氮、磷循環(huán)的水解酶活性變化

施氮促進(jìn)了土壤脲酶活性，天然林中2013年5月中氮處理的脲酶活性顯著高于對(duì)照、低氮處理(P<0.05)；2013年7月中氮、高氮處理顯著高于對(duì)照、低氮處理(P< 0.05)；其它3次測(cè)定不同處理間無(wú)顯著差異(P> 0.05)，除2012年7月外，脲酶活性歷次測(cè)定的均值大小關(guān)系均為高氮>中氮>低氮≈對(duì)照(圖3)。人工林中2012年7月中氮、高氮處理的脲酶活性顯著高于對(duì)照(P< 0.05)；2013年7月低氮處理顯著高于對(duì)照(P< 0.05)，中氮、高氮處理顯著高于低氮處理(P< 0.05)；其它3次測(cè)定中不同處理之間差異不顯著(P> 0.05)，除2012年9月與2013年5月酶活性的均值大小關(guān)系均為高氮>中氮>低氮≈對(duì)照外，另外3次測(cè)定的均值大小關(guān)系均為高氮>中氮>低氮>對(duì)照(圖3)。總的來(lái)看，天然林各處理之間的脲酶活性總均值差異不顯著(P> 0.05)，僅高氮處理明顯升高，比對(duì)照高出13.5%；人工林中施氮處理比對(duì)照高了9.9%—21.7%，其中高氮處理與對(duì)照之間差異顯著(P< 0.05)，兩種林型中的脲酶活性總均值大小關(guān)系均為高氮>中氮>低氮>對(duì)照(表5)。

綜上可見，在天然林中，氮沉降的增加抑制了過(guò)氧化物酶、多酚氧化酶和纖維素酶的活性，提高了中性磷酸酶的活性，對(duì)蔗糖酶與脲酶無(wú)明顯影響；在人工林中，氮沉降的增加抑制了過(guò)氧化物酶、多酚氧化酶和蔗糖酶的活性，提高了中性磷酸酶和脲酶的活性，對(duì)纖維素酶無(wú)明顯影響。

2.4 土壤酶活性之間的相關(guān)性

對(duì)土壤酶活性進(jìn)行相關(guān)性分析的結(jié)果表明，天然林中過(guò)氧化物酶與多酚氧化酶之間呈顯著正相關(guān)(P< 0. 05)，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.344,；纖維素酶與多酚氧化酶、蔗糖酶之間呈極顯著正相關(guān)(P< 0. 01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.482和.544，脲酶與蔗糖酶呈極顯著正相關(guān)(P< 0. 01)，相關(guān)系數(shù)為0.507，中性磷酸酶與過(guò)氧化物酶呈顯著負(fù)相關(guān)(P< 0. 05)，與蔗糖酶呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.421和0.336(表6)。

表6 油松天然林中土壤酶活性的相關(guān)性分析結(jié)果

油松人工林中土壤酶活性的相關(guān)性分析結(jié)果如表7所示。人工林中多酚氧化酶與纖維素酶、蔗糖酶之間呈極顯著正相關(guān)(P< 0. 01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.446和0.519，纖維素酶與蔗糖酶、中性磷酸酶之間呈顯著正相關(guān)(P< 0. 05)，相關(guān)系數(shù)為分別0.402和0.337，脲酶與過(guò)氧化物酶呈顯著負(fù)相關(guān)(P< 0. 05)，相關(guān)系數(shù)為-0.347。

表7 油松人工林中土壤酶活性的相關(guān)性分析結(jié)果

3 討論

3.1 模擬氮沉降對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

雖然土壤對(duì)pH值的變化有一定的緩沖能力[22]，但本實(shí)驗(yàn)中的長(zhǎng)時(shí)間施氮處理還是對(duì)土壤pH值產(chǎn)生了影響。研究表明尿素的水解過(guò)程會(huì)使土壤pH上升，但由于銨態(tài)氮被硝化時(shí)會(huì)產(chǎn)生質(zhì)子，尿素的施加最終會(huì)使土壤pH值下降[23]。在本實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了兩種不同的情況，天然林中施氮處理樣方的pH值下降，Guo等[17]， Zeglin等[24]，和Fox[25]關(guān)于林地施氮的研究也得到了相似的結(jié)果；但人工林中施氮處理樣方的pH值高于對(duì)照，且隨施氮量的增加而逐步增高，這可能是因?yàn)槿斯ち种型寥老趸饔幂^弱，施氮后土壤pH值的變化以尿素水解作用為主導(dǎo)， Allison等在阿拉斯加寒帶森林中的施氮實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象[26]。Zeglin等[24]的研究還表明，施氮會(huì)促進(jìn)地表植被的生長(zhǎng)，使植物從土壤中吸收更多的磷，因而兩種林型中施氮處理樣方的速效磷含量降低。

3.2 兩種林型間土壤酶活性的差異

纖維素和木質(zhì)素是森林生態(tài)系統(tǒng)土壤的主要有機(jī)質(zhì)來(lái)源，氮沉降通過(guò)改變與纖維素和木質(zhì)素降解有關(guān)的土壤酶活性，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)產(chǎn)生影響[32]。通過(guò)兩種林型之間對(duì)應(yīng)酶活性的差異，可以推斷出兩種林型土壤有機(jī)質(zhì)輸入的組分的差異。而凋落物是森林土壤有機(jī)物質(zhì)輸入的主要來(lái)源，由天然林的過(guò)氧化物酶和多酚氧化酶活性低于人工林，而纖維素酶、蔗糖酶活性高于人工林，可以推斷出在天然林的凋落物中木質(zhì)素所占的比例低于人工林，相對(duì)的，纖維素，多聚糖等有機(jī)物所占的比例高于人工林。汪金松[33]在同一林地研究發(fā)現(xiàn)天然林凋落物中的闊葉比例遠(yuǎn)大于人工林凋落物中的闊葉比例，以及陳法霖等[34]發(fā)現(xiàn)針葉中的木質(zhì)素含量大于闊葉，兩者均與本實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果一致。

3.3 模擬氮沉降對(duì)土壤酶活性的影響

由國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究可知，土壤酶活性對(duì)氮沉降較為敏感，但受到土壤水氣熱條件、土壤理化性質(zhì)、土壤微生物群落組成和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響，在不同的森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤酶活性對(duì)氮沉降的響應(yīng)往往有所不同[6,17,35-38]。在本研究中，過(guò)氧化物酶與多酚氧化酶均對(duì)氮沉降表現(xiàn)出負(fù)響應(yīng)，已有分子層面的研究發(fā)現(xiàn)，這種負(fù)響應(yīng)主要是由于施氮使得土壤中無(wú)機(jī)氮富集，氧化酶的基因表達(dá)受到抑制所造成的[38-41]，另外Allison等[26]和Compton等[42]的研究發(fā)現(xiàn)，施氮樣地真菌的相對(duì)豐度有所降低，而多酚氧化酶與過(guò)氧化物酶均由真菌分泌。但是Lü等[35]和Deforest等[36]的研究發(fā)現(xiàn)，施氮促進(jìn)了過(guò)氧化物酶與多酚氧化酶活性。Cusack等研究發(fā)現(xiàn)，氮沉降抑制了熱帶雨林中過(guò)氧化物酶與多酚氧化酶的活性，但促進(jìn)了熱帶山地森林中這兩種酶的活性[31]。氮沉降對(duì)這兩種酶活性的影響差異可能是由生態(tài)系統(tǒng)中本底氮含量與氮輸入量不同和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)不同兩方面造成的。Kim等[28]與Cusack等[31]的研究表明，當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)本底氮沉降或者本底土壤氮含量較高時(shí)，氮沉降的增加傾向于抑制過(guò)氧化物酶與多酚氧化酶的活性，反之則傾向于提高其活性。另一方面，不同微生物對(duì)氮沉降的響應(yīng)不同，例如，目前大多數(shù)多酚氧化酶受氮沉降抑制的結(jié)論是通過(guò)對(duì)白腐真菌的研究得出的，但一些軟腐真菌在氮沉降增加時(shí)其多酚氧化酶活性有所升高[16]，所以微生物群落結(jié)構(gòu)的不同也可能導(dǎo)致整個(gè)微生物群落對(duì)氮沉降響應(yīng)的不同。

盡管施氮可使氮元素的營(yíng)養(yǎng)限制減輕或解除，但隨著多酚氧化酶活性的降低，土壤中木質(zhì)素等復(fù)雜有機(jī)物降解不充分，土壤中的可溶性有機(jī)碳減少[31]，碳可能成為土壤微生物群落的營(yíng)養(yǎng)限制因子，土壤中異養(yǎng)微生物的生長(zhǎng)隨之受到限制[42]。Deforest等研究認(rèn)為這種限制可能會(huì)對(duì)分泌纖維素酶或者蔗糖酶的微生物產(chǎn)生影響，且當(dāng)?shù)蚵湮镆阅举|(zhì)素含量較高的針葉為主時(shí)，這種影響更加顯著[36]。本實(shí)驗(yàn)中，天然林中的纖維素酶活性和人工林中的蔗糖酶活性受到施氮處理的抑制，且與多酚氧化酶活性呈顯著相關(guān)，這與Deforest等[36]的研究結(jié)果類似。宋學(xué)貴等在川南常綠闊葉林研究同樣發(fā)現(xiàn)人工模擬氮沉降抑制了土壤纖維素酶活性[43]。另外，郭依秋等在與本實(shí)驗(yàn)同一林地進(jìn)行的施氮實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模擬氮沉降顯著提高了土壤微生物氮，但對(duì)土壤微生物碳無(wú)顯著影響[44]，這說(shuō)明在太岳山油松林，氮輸入的增加沒有使土壤微生物群落從環(huán)境中獲取更多的碳。

在本研究中，施氮處理對(duì)土壤脲酶和中性磷酸酶活性都有一定的促進(jìn)作用，這與Lv等[35]在林地進(jìn)行多種形態(tài)氮施加實(shí)驗(yàn)中的發(fā)現(xiàn)一致。脲酶是與植物和微生物的氮獲取相關(guān)的一種酶，其活性的增加可以使土壤有機(jī)氮礦化速率加快[45]。一般認(rèn)為，土壤活性氮含量增加后，土壤微生物對(duì)其它營(yíng)養(yǎng)元素(如碳和磷)的需求相應(yīng)增加，相關(guān)的酶活性也隨之升高，例如Keeler等研究發(fā)現(xiàn)施氮提高了土壤磷酸酶和纖維素酶活性[46]。本研究中的磷酸酶活性雖然隨施氮水平的增加而升高，但差異不顯著，同時(shí)纖維素酶和蔗糖酶的活性下降或者無(wú)變化，這表明在本研究中施氮樣地的土壤生態(tài)系統(tǒng)可能由氮限制向碳限制方向轉(zhuǎn)換。另外，土壤磷酸酶可分為堿性、酸性和中性3種，Guo等[17]和Kim等[28]的研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH值變化對(duì)土壤酸、堿性磷酸酶的活性有顯著影響。目前與氮沉降相關(guān)的土壤酶研究往往集中于酸性或者堿性磷酸酶，其中施氮造成土壤pH值變化的影響不可忽視。

生態(tài)系統(tǒng)差異性造成的土壤酶活性對(duì)氮沉降響應(yīng)的差異，不僅與生態(tài)系統(tǒng)的氣候、結(jié)構(gòu)差異有關(guān)[16,24]，也與樣地本底土壤氮含量，本底氮沉降以及施氮量密切相關(guān)[28,31]。Cusack等[31]和Kim等[28]的研究認(rèn)為，當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)中本底土壤氮含量較低或本底氮沉降較低時(shí)，土壤酶活性對(duì)施氮多表現(xiàn)為正響應(yīng)，反之，則可能表現(xiàn)為負(fù)響應(yīng)。在本研究中，過(guò)氧化物酶活性僅在中氮和高氮處理中顯著下降，這說(shuō)明在本研究中，低氮處理的施氮量(50 kg N hm-2a-1)尚不足以對(duì)土壤中的過(guò)氧化物酶產(chǎn)生抑制作用。天然林中所有施氮處理的多酚氧化酶活性均有顯著下降，而人工林中僅中氮和高氮處理顯著下降，這可能是因?yàn)樘烊涣值耐寥辣镜椎柯愿哂谌斯ち值耐寥辣镜椎?表1，表3)。

4 結(jié)論

綜上所述，模擬氮沉降對(duì)山西太岳山油松林的土壤酶活性產(chǎn)生了顯著影響，表現(xiàn)在抑制了土壤中過(guò)氧化物酶和多酚氧化酶的活性，促進(jìn)了脲酶和中性磷酸酶的活性，并降低了天然林中的纖維素酶活性和人工林中的蔗糖酶活性，但對(duì)天然林中的蔗糖酶和人工林中的纖維素酶無(wú)影響。另外，由于天然林土壤含氮量較高，致使多酚氧化酶活性對(duì)氮沉降更敏感。氮沉降對(duì)多酚氧化酶等土壤酶活性的抑制作用將減緩?fù)寥烙袡C(jī)質(zhì)的降解，有利于有機(jī)質(zhì)在土壤中的積累。

本文研究以土壤酶活性為主要研究對(duì)象，但土壤酶活性變化的背后往往是土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，施氮對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響仍需進(jìn)一步研究。另外從土壤酶活性的變化可以看出，氮沉降的增加會(huì)改變土壤有機(jī)碳庫(kù)的組成結(jié)構(gòu)，本研究?jī)H測(cè)定了土壤有機(jī)碳的總量，有必要對(duì)土壤有機(jī)碳組分的變化開展進(jìn)一步研究。

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Effects of simulated nitrogen deposition on the soil enzyme activities in aPinustabulaeformisforest at the Taiyue Mountain

LIU Xing1, WANG Jinsong2, ZHAO Xiuhai1，*

1KeyLaboratoryforForestResources&EcosystemProcessesofBeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2InstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China

Human activities had dramatically increased the quantity of atmospheric nitrogen deposition since the industrial revolution. Increased nitrogen deposition in forest ecosystems would not only have a direct impact on tree growth, but also indirect effects of soil carbon storage influencing the microbial degradation of soil organic matter. Soil enzymes produced by microbes play a key role in the biochemical functioning of soil organic matter decomposition and nutrient cycling. Soil enzyme activity is one of the indicators of soil microbial community activity. In recent years, numerous studies have shown that increasing atmospheric nitrogen deposition had significant effects on soil enzyme activities. However, soil enzyme activities in different ecosystems always showed different responses to increasing nitrogen deposition. Thus, it was necessary to assess the impact of nitrogen deposition on forest soil enzyme activities in two different ecosystems. In this study, four treatments were installed in a plantation and a natural forest ofPinustabulaeformisat the Taiyue Mountain of Shanxi Province China, starting in August 2009 and including four treatments: a) control (CK, 0 kg N hm-2a-1), b) low nitrogen (LN, 50 kg N hm-2a-1), c) medium nitrogen (MN, 100 kg N hm-2a-1), and d) high nitrogen (HN, 150 kg N hm-2a-1). Each treatment comprised three replicate plots of 2m×2m which were sprayed with CO(NH2)2solutions at the beginning of each month. Soil samples were collected at a depth of 0—20 cm in May, July and September since 2012, and the activities of invertase, cellulase, peroxidase, polyphenol oxidase, urease and neutral phosphatase were determined. Soil invertase and cellulase were assessed using the 3,5-dinitrosalicylic acid colorimetric method, peroxidase and polyphenol oxidase by pyrogallol colorimetric method, urease by phenol-sodium hypochlorite colorimetric method and neutral phosphatase by di-sodium phenyl phosphate colorimetric method. Urease and neutral phosphatase activities increased with increasing nitrogen levels; polyphenol oxidase activity of the natural forest and invertase activity of the plantation decreased significantly in the low nitrogen treatment (P< 0.05); medium and high nitrogen treatments significantly inhibited peroxidase and polyphenol oxidase in both ecosystems, and cellulase in the natural forest and invertase in the plantation (P<0.05). In conclusion, simulated N deposition inhibited the activities of soil peroxidase and polyphenol oxidase, and stimulated urease and neutral phosphatase activities. Cellulase activity in the natural forest and invertase activity in the plantation were reduced by simulated N deposition, yet invertase activity in the natural forest and cellulase activity in the plantation had no significant variation. The polyphenol oxidase activity which plays a key role in the degradation of lignin significantly associated with activities of cellulase and invertase (P< 0.05) and the inhibition of lignin degradation would decrease soil dissolved organic matter. Therefore the inhibition of cellulase and invertase may be caused by the reduction of the carbon source which can be utilized by soil microbes. Furthermore, polyphenol oxidase activity was more sensitive in the natural forest than in the plantation because the natural forest had a higher soil nitrogen content. Because the enzymes which were inhibited were related to degradation of soil organic matter, the inhibition of soil activities under simulated nitrogen deposition could slow down the degradation of soil organic matter, leading to the increase of soil organic matter.

nitrogen deposition; soil enzyme activity;Pinustabulaeformisforest; Taiyue Mountain

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201104009); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31340022)

2013-12-09;

2014-09-09

10.5846/stxb201312092918

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhaoxh@bjfu.edu.cn

劉星, 汪金松, 趙秀海.模擬氮沉降對(duì)太岳山油松林土壤酶活性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(14):4613-4624.

Liu X, Wang J S, Zhao X H.Effects of simulated nitrogen deposition on the soil enzyme activities in aPinustabulaeformisforest at the Taiyue Mountain.Acta Ecologica Sinica,2015,35(14):4613-4624.