翟凱燕 陳信力 馬婷瑤 關慶偉

(南京林業(yè)大學，南京，210037)

責任編輯:任 俐。

土壤多酚氧化酶(Polyphenol oxidase，PPO)是一種氧化還原酶，能把土壤中芳香族化合物氧化成醌，完成土壤芳香族化合物循環(huán)，促進土壤有機碳的累積［1－4］。目前，已有學者對多酚氧化酶進行了研究。Li et al．［5］通過對毛白楊人工林模擬氮沉降，發(fā)現(xiàn)無機氮增加會抑制多酚氧化酶的活性，而有機氮的加入會降低抑制作用，在一定范圍內會轉變?yōu)榧ぐl(fā)作用。楊承棟等［6］對江西大崗山杉木人工林5～15 cm土壤性質的研究結果表明，土壤多酚氧化酶活性與真菌多樣性呈極顯著正相關。McDaniel et al．［7］通過對采伐后的櫟樹山核桃混交林實施增溫增濕試驗發(fā)現(xiàn)，土壤多酚氧化酶與總有機碳呈負相關，可溶性有機碳和總有機碳的比值與多酚氧化酶呈正相關。Wang et al．［8］通過研究紫金山麻櫟闊葉林和馬尾松針葉林發(fā)現(xiàn)，針葉林土壤多酚氧化酶活性顯著高于闊葉林。Wang et al．［9］研究證明了天然闊葉林向人工林轉變的過程中提高了土壤多酚氧化酶的活性。但是，間伐對人工林土壤多酚氧化酶活性影響的研究還鮮見報道。

有研究表明，酚類物質是引起杉木自毒作用的化感物質之一，杉木自毒作用能夠造成杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb．)Hook．)人工林的衰退［10－11］。土壤多酚氧化酶將土壤中酚類物質氧化成醌，因此，研究杉木人工林多酚氧化酶活性具有一定的科學意義。

為了明晰間伐對土壤多酚氧化酶活性的影響程度，文中以南京市溧水區(qū)林場間伐6 a后的25年生杉木人工林固定樣地為研究對象，測定了土壤多酚氧化酶活性，并分析了PPO與土壤理化性質關系，以期為杉木人工林的科學經(jīng)營提供參考。

1 研究地概況

研究地為距南京市主城區(qū)40 km的溧水區(qū)林場(118°59'～119°01'E，31°33'～31°36'N)，隸屬于無想寺國家森林公園的秋湖山生態(tài)風景林區(qū)。該地地處丘陵崗地，平均海拔約100 m，主峰無想山最高海拔209．8 m。氣候屬亞熱帶向溫帶過渡的氣候帶，年平均氣溫15．5℃，年平均日照2 146 h，年平均降水量1 005．7 mm，無霜期220 d，四季分明。研究地土壤均為結構疏松的黃棕壤，含石量約為20%，厚度10～100 cm，呈微酸性(pH值4．5～4．8)。林分類型有馬尾松(Pinus massoniana Lamb)、杉木、麻櫟(Quercus acutissima Carruth)+小葉櫟(Quercus chenii Nakai)、杉木+麻櫟、馬尾松+麻櫟等。

2 材料與方法

2．1 樣地設置

為長期觀測間伐對植被和土壤的影響，2006年在溧水林場杉木人工純林中設置12塊20 m×20 m的固定樣地，樣地間有5 m的隔離區(qū)，對樣地實施了不同強度的單株間伐處理:弱度(30%，株數(shù)強度，下同)、中度(50%)、強度(70%)，每個處理重復3次，預留3塊未間伐樣地作為對照。

本次在杉木人工林中土壤取樣的同時，調查樣地內喬木(直徑≥4 cm)的株數(shù)，實測胸徑和樹高。試驗樣地基本情況如表1所示。

樣地杉木林25年生，平均樹高11 m，平均胸徑10．42 cm。更新層樹種主要有刺楸(Kalopanax septemlobus(Thunb．)Koidz)、烏桕(Sapium sebiferum(L．)Roxb．)、樸樹(Celtis sinensis Pers．)、鹽膚 木(Rhus chinensis Mill．)、山胡椒(Lindera glauca(Sieb．＆Zucc．)Bl．)等;灌草層主要有菝葜(Smilax china L．)、豆腐柴(Premna microphylla Turcz．)、山莓(Rubus corchorifolius L．f．)、海金沙(Lygodium japonicum(Thunb．)Sw．)等。

表1 試驗林分的基本狀況

2．2 樣品采集

2012年9月份(秋季)、2012年12月份(冬季)、2013年3月份(春季)、2013年6月份(夏季)，在設置好的12塊固定樣地內采樣。采樣時除去土壤表層未分解的凋落物層，用土壤取樣器分別采集土壤深度(H)0＜H≤10 cm及10 cm＜H≤25 cm的混合樣品，每次每個樣地取6個樣品，3個間伐強度和一個對照，共24個土樣，共獲取樣品96個。樣品使用冷凍箱帶回實驗室。樣品風干后，用于測定土壤酶活性及土壤的基本理化性質。

2．3 測定方法

土壤理化性質的測定:土壤含水量用烘干法測定;溫度用電子地溫計原位測定;總有機碳、全氮質量分數(shù)及碳氮比用VARIOEL元素分析儀測定;全磷質量分數(shù)用氫氧化鈉堿熔－鉬銻抗比色法測定;pH值用電位法測定(V(水)∶W(土)=2．5(mL)∶1(g))。

土壤多酚氧化酶的測定采用比色法測定:稱取1 g土于50 mL容量瓶中，加入10 mL 1%鄰苯三酚溶液，充分振蕩混合均勻，30℃恒溫箱培養(yǎng)3 h;加入4 mL pH值4．5檸檬酸－磷酸鹽緩沖液，加入乙醚至刻度，充分振蕩，萃取30 min;吸取乙醚相液體在430 nm處比色。多酚氧化酶的活性，以3 h后1 g土壤中紫色沒食子素的毫克數(shù)表示［12］。

2．4 數(shù)據(jù)處理

利用EXCEL 2003圖表處理軟件和SPSS 13．0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理分析。

3 結果與分析

3．1 間伐對土壤多酚氧化酶活性的影響

由表2可以看出，在0＜H≤10 cm土層，與對照相比，弱度間伐下的土壤多酚氧化酶活性在秋季和冬季分別為對照的119．6%和120．5%，弱度間伐提高多酚氧化酶的活性。在秋季，中度間伐下的土壤多酚氧化酶活性為0．180 8 mg·g－1·h－1，與弱度間伐差異顯著(p＜0．05)。3種間伐強度在春季和夏季均降低土壤多酚氧化酶的活性，降低速率由小到大順序分別為強度間伐、中度間伐、弱度間伐和弱度間伐、中度間伐、強度間伐。在10 cm＜H≤25 cm土層，與對照相比，弱度間伐下，多酚氧化酶的活性在秋季、冬季和春季分別為對照的121．1%、115．3%和111．1%。在春季，中度間伐下多酚氧化酶活性為0．592 6 mg·g－1·h－1，中度間伐降低多酚氧化酶活性，與弱度間伐差異顯著(p＜0．05)。

表2 間伐強度對土壤多酚氧化酶活性的影響

3．2 不同間伐強度下土壤多酚氧化酶活性的季節(jié)動態(tài)

由表3可知，在0＜H≤10 cm土層，弱度間伐下，夏季多酚氧化酶活性達到最大值，分別為秋季、冬季和春季的229．0%、273．7%和108．2%。中度間伐與弱度間伐的季節(jié)變化規(guī)律一致。強度間伐下，春季多酚氧化酶活性達到最大值，分別為秋季、冬季和夏季的288．9%、297．7%和109．4%;在10 cm＜H≤25 cm土層，弱度間伐下，春季多酚氧化酶活性達到最大值，分別為秋季、冬季和夏季的224．1%、279．0%和114．6%，強度間伐與弱度間伐的季節(jié)變化具有一致性。中度間伐下，夏季多酚氧化酶活性達到最大值，分別為秋季、冬季和春季的334．3%、289．7%和107．4%。間伐對土壤多酚氧化酶活性的季節(jié)變化并無顯著影響。土壤多酚氧化酶活性在春季和夏季較高，秋季和冬季較低，且多酚氧化酶活性春夏季節(jié)與秋冬季節(jié)差異顯著(p＜0．05)。

表3 土壤多酚氧化酶活性的季節(jié)變化

3．3 土壤多酚氧化酶活性與土壤理化性質的關系

土壤多酚氧化酶活性與土壤理化性質的相關性分析表明(表4):土壤多酚氧化酶活性與土壤溫度，全磷、全氮質量分數(shù)均呈極顯著正相關(p＜0．01)，與土壤含水量呈顯著正相關，與碳氮比呈顯著負相關(p＜0．01)，與總有機碳質量分數(shù)、pH值均不存在顯著相關關系。

表4 土壤多酚氧化酶活性與土壤理化性質的相關分析

4 結論與討論

不同土層的土壤多酚氧化酶對間伐強度的響應有相似性?？傮w上，與對照地相比，弱度間伐在秋季和冬季提高土壤多酚氧化酶的活性，而中度和強度間伐在一定程度上降低土壤多酚氧化酶的活性。土壤多酚氧化酶主要氧化芳香族化合物(酚類物質)為醌，從而與有機質分解形成的簡單化合物縮合。木質素降解和微生物是酚類化合物的來源，秋季和冬季伴隨著大量植物凋落物，木質素含量增加，提供了多酚氧化酶酶促反應所需的基質，新鮮基質的加入會促進酶活性，符合“起爆效應”［13］。楊承棟等［6］的研究表明，多酚氧化酶活性與真菌多樣性呈極顯著正相關。林下植被蓋度大的杉木林相對于植被蓋度低的杉木林，真菌的數(shù)量有所下降。植被蓋度大的杉木林間伐強度高于植被蓋度低的林地。真菌是土壤多酚氧化酶的來源之一［14］。有研究表明，弱度間伐對林內氣候影響較小，林內溫度往往接近對照區(qū)［15］。杉木人工林林下植被有多種生態(tài)功能并參與生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)，其養(yǎng)分元素質量分數(shù)遠高于杉木，特別是草本［16］。王祖華等［17］在本固定樣地對間伐了4 a的杉木人工林林下植被的生物量和生物多樣性進行了調查和分析，結果表明，弱度間伐下草本生物量顯著增加。王東［18］對本固定樣地的研究結果顯示，秋季弱度間伐顯著提高了土壤溫度、含水量;冬季，弱度間伐顯著增加了土壤含水量。因此，弱度間伐在一定程度上改變了土壤的溫度和含水量，提高了真菌的數(shù)量，相對充足的養(yǎng)分也利于微生物的生長，以上因素共同作用提高了土壤多酚氧化酶的活性。而在春季和夏季，3種間伐強度均降低了土壤多酚氧化酶的活性。究其原因，可能與土壤中的養(yǎng)分相關。首先，與對照相比，間伐使杉木人工林密度下降，枯落物明顯減少，伴隨著分解作用而進入土壤的養(yǎng)分隨之減少;其次，春季和夏季是植物生長的季節(jié)，大量的養(yǎng)分被植物吸收利用，養(yǎng)分歸還與養(yǎng)分利用達不到平衡，使得土壤中的養(yǎng)分質量分數(shù)降低，在一定程度上會影響微生物的群落。

季節(jié)對土壤多酚氧化酶活性會產(chǎn)生影響。李國雷等［19］對油松林地土壤酶活性的研究表明，土壤多酚氧化酶的活性以6月份最大，10月份最低。陳強龍等［20］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田對土壤多酚氧化酶產(chǎn)生影響，四五月份土壤多酚氧化酶的活性迅速提高，收獲期下降。本次研究中，春季和夏季土壤多酚氧化酶活性較強，秋季和冬季多酚氧化酶活性則相對較弱。與前面的研究具有一致性。郝建朝等［21］的研究表明，多酚氧化酶在濕土中的活性高于干土中的，溫度在17～45℃時多酚氧化酶濃度逐漸升高。春季和夏季溫度逐步升高，濕度較大，植物生長趨于旺盛，根系生長力強，微生物活躍［13］，因此，土壤多酚氧化酶活性較高。秋季雖然氣溫相對較高，但林木旺盛生長剛剛停止，消耗大量的水分，造成土壤含水量較低［22］，這和研究結果中出現(xiàn)的土壤多酚氧化酶與土壤含水量顯著相關一致。冬季則氣溫較低，植被、微生物及土壤狀況都有所改變。

土壤多酚氧化酶與土壤理化性質相關性并不具有規(guī)律性。有研究表明，多酚氧化酶與氮、磷和有機質等相關性不顯著［23－24］;劉秀清等［25］的研究則表明，多酚氧化酶活性與全磷、全氮、有機質質量分數(shù)呈極顯著負相關，與速效磷質量分數(shù)呈顯著負相關。本次對不同間伐強度下杉木林的研究結果表明:土壤多酚氧化酶活性與土壤溫度、全磷、全氮質量分數(shù)均呈極顯著正相關(p＜0．01)，與土壤含水量呈顯著正相關(p＜0．05)，這與邱莉萍［23］、耿玉清［24］和劉秀清［25］等的研究結果不一致。原因可能是不同的立地條件和杉木人工林自身的生物學特性及其相應的林下植被等共同造成了研究結果的差異。土壤多酚氧化酶與碳氮比呈顯著負相關(p＜0．05)，碳氮比的大小直接關系著凋落物分解的速率，其含量越高則會降低杉木養(yǎng)分歸還的速率，不利于微生物對養(yǎng)分的吸收利用，進一步降低了土壤多酚氧化酶的活性。此外，由于碳氮比例不夠協(xié)調和有機物質的分解，影響了土壤空氣的氧分壓和氧化還原電位，從而造成了土壤多酚氧化酶活性的差異［23］。

本研究只是對土壤多酚氧化酶的活性與土壤理化性質進行了測定與分析，但是關于本試驗樣地的土壤有機碳積累、腐殖質合成、枯落物分解以及真菌數(shù)量等方面需進行補充研究，從而完善對不同間伐強度杉木人工林土壤多酚氧化酶活性的認識，為杉木人工林的可持續(xù)經(jīng)營提供科學依據(jù)。

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