張 藝,王春梅,許 可,楊欣桐

北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100083

模擬氮沉降對溫帶森林土壤酶活性的影響

張 藝,王春梅*,許 可,楊欣桐

北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100083

氮添加；酶活性；溫帶森林土壤；遼東櫟

近年,化石燃料的燃燒和氮肥的使用,使大氣氮沉降量明顯增加[1-2],我國在2010年的陸地氮沉降量平均達21.1 kg N hm-2a-1,已成為亞洲第一大氮沉降區(qū)[3-4]。大量氮輸入會改變土壤生態(tài)系統(tǒng)中微生物的結(jié)構(gòu)與功能,影響有機質(zhì)的礦化和腐殖質(zhì)形成,從而影響了生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)[1]。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與樣地設(shè)置

氮添加模擬試驗設(shè)于北京市海淀區(qū)西山林場(110°68′34″E,31°54′52″N),屬于北京林業(yè)大學(xué)的實驗基地。地屬溫帶半濕潤大陸型季風氣候,年平均氣溫11.7 ℃,最低氣溫-15.4 ℃,最高氣溫41.5 ℃；年平均降水量為638.8 mm。平均海拔為133 m,屬輕壤褐土,遼東櫟(Quercusliaotungensis)作為優(yōu)勢樹種,樹齡為62a,平均胸徑為9.6 cm,平均株高為8.3 m。

1.2 模擬氮添加試驗方法

本研究共設(shè)置3種處理和兩個水平。3種不同形態(tài)的氮添加處理為銨態(tài)氮((NH4)2SO4)、硝態(tài)氮(NaNO3)和混合態(tài)氮(NH4NO3)；兩種不同的施氮水平為低氮(50 kg N hm-2a-1,N50)和高氮(150 kg N hm-2a-1,N150),同時設(shè)置空白對照(0 kg N hm-2a-1,N0)。每個樣方為10 m × 10 m,樣方之間留有1.5 m寬的緩沖帶以防樣方間相互干擾,每個樣方設(shè)置3個重復(fù),采用隨機區(qū)組設(shè)計設(shè)置氮添加試驗。施氮時間為2011至2012年的3—10月。每月中旬開始向樣地中噴灑氮肥。將對應(yīng)劑量的氮素用等量的水溶于噴壺中,向各個樣方中均勻噴施,同時向?qū)φ諛拥刂袊娛┩葎┝康那逅?以減少外加水分因子對試驗造成的影響。

1.3 土壤樣品采集、處理與測定

在模擬施氮2年后,采用多點(5—8點)梅花型采樣法隨機采集各樣方表層(0—10 cm)混合土壤樣品,連續(xù)采樣2a。每次采集完土壤樣品后,仔細剔除大于2 mm的石塊及動植物殘體,過2 mm土壤篩。充分混勻后,置于4 ℃冰箱中保存,迅速完成土壤酶活性測定。剩余土壤風干后常規(guī)方法測定其土壤理化性質(zhì)。

6種酶活性的測定方法如下：采用苯酚-次氯酸鈉比色的方法測定脲酶；采用標準硫代硫酸鈉滴定法測定β-葡萄糖苷酶；采用磷酸苯二鈉比色法測定酸性磷酸酶(用pH=5.0的乙酸鹽緩沖液)、堿性磷酸酶(用pH=7.0的乙酸鹽緩沖液)；采用碘量滴定法測定多酚氧化酶；采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶[6,23]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

主要采用Origin 9.1和SPSS 19.0進行實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析。對不同施氮形態(tài)和施氮水平的交互作用進行兩因素重復(fù)測量方差分析(repeated measures ANOVA),沒有交互作用的各施氮處理酶活性進行單因素方差分析,顯著水平為P<0.05,用LSD多重檢驗法檢驗不同處理間的差異顯著性。酶活性與環(huán)境因子之間采用Pearson相關(guān)分析。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 氮添加對土壤理化性質(zhì)的影響

表1 不同氮處理下土壤基本理化性質(zhì)

同一列中不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05),N0：0 kg N hm-2a-1；N50：50 kg N hm-2a-1；N150：150 kg N hm-2a-1

2.2 氮添加對土壤酶活性的影響

2.2.1 不同氮素水平和形態(tài)的交互作用對土壤酶活性的影響

表 2 不同形態(tài)和水平氮添加下土壤酶活性的重復(fù)測量方差分析

n=9；a：不同施氮水平；b：不同施氮形態(tài)；**P<0.01,表示差異極顯著；*P<0.05,表示差異顯著；P>0.05表示差異不顯著

圖1 不同氮添加下土壤脲酶活性動態(tài)變化Fig.1 Effects of different N forms and N levels on soil urease activities

圖2 不同氮添加下土壤酸性磷酸酶活性動態(tài)變化Fig.2 Effects of different N forms and N levels on soil acid phosphatase activities

圖3 不同氮添加下土壤堿性磷酸酶活性動態(tài)變化Fig.3 Effects of different N forms and N levels on soil alkaline phosphatase activities

圖4 不同氮添加下土壤多酚氧化酶活性動態(tài)變化Fig.4 Effects of different N forms and N levels on soil polyphenol oxidase activities

2.2.2 不同水平氮添加對土壤酶活性的影響

將同一施氮水平的不同形態(tài)處理取平均值作為不同施氮水平的觀測值。通過單因素分析,不同的施氮水平,顯著促進了堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性(P<0.05)(表2),且低氮處理的促進作用顯著高于高氮處理(P<0.05)。堿性磷酸酶活性在低氮和高氮處理中分別比對照高20.2%和11.5%(圖3)；低氮和高氮處理下的多酚氧化酶活性分別高出對照64.3%和41.8%(圖4,P<0.05)。不同施氮水平對土壤β-葡萄糖苷酶和過氧化氫酶活性沒有產(chǎn)生顯著影響(P>0.05)。

2.2.3 不同形態(tài)氮添加對土壤酶活性的影響

2.2.4 氮添加對森林土壤酶活性時間分異規(guī)律的影響

圖5 不同氮添加下土壤β-葡萄糖苷酶活性動態(tài)變化Fig.5 Effect of different N forms and N levels on soil β-glycosidase activities

圖6 不同氮添加下土壤過氧化氫酶活性動態(tài)變化Fig.6 Effect of different N forms and N levels on soil catalase activities

2.2.5 氮添加下森林土壤酶活性與環(huán)境因子的相關(guān)性

對氮添加下的森林土壤酶活性與環(huán)境因子進行相關(guān)分析得出(表3),脲酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶均與土壤微生物量碳有顯著正相關(guān)(P<0.05),且與脲酶活性的相關(guān)系數(shù)最大(r=0.402)。過氧化氫酶與多酚氧化酶活性與微生物量碳存在顯著負相關(guān)(r=-0.336和r=-0.138,P<0.05)。多酚氧化酶與過氧化氫酶活性與硝態(tài)氮的相關(guān)性均達到了顯著水平(P<0.05)。此外,堿性磷酸酶活性與土壤銨態(tài)氮也表現(xiàn)出了顯著的正相關(guān)(P<0.05)。然而土壤酶活性與微生物量氮、全氮和有機碳含量之間不存在顯著相關(guān)性。

3 討論

表3 不同土壤酶活性與土壤環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系

**：表示P<0.01,極顯著相關(guān)；*：表示P<0.05,顯著相關(guān)

多酚氧化酶為土壤中主要的木質(zhì)素降解酶,與土壤腐殖化程度密切相關(guān)。此前對多種生態(tài)系統(tǒng)的研究均表明,施氮能夠降低土壤多酚氧化酶活性[10,17,28],尤其在高氮處理下的抑制作用更為明顯,而Zeglin等[36]的研究卻得出氮沉降對氧化酶活性無影響。本實驗與他們研究的結(jié)果均有不同,施氮明顯促進了土壤多酚氧化酶活性,此結(jié)果也否定了氮沉降抑制土壤氧化酶的表達的假設(shè)。不過,也不乏與本研究結(jié)果一致的相關(guān)研究[21- 22,37]。究其原因,氮沉降對多酚氧化酶活性產(chǎn)生負影響的結(jié)論多數(shù)由研究白腐真菌得出,氮沉降增加可能會抑制白腐真菌的活性,減少這兩種氧化酶的產(chǎn)量,但是多酚氧化酶活性不僅僅與白腐真菌相關(guān),其他生物如一些軟腐真菌在氮沉降增加時,可能也會提高土壤的多酚氧化酶活性[38]。

β-葡萄糖苷酶作為纖維素水解酶,參與纖維素的代謝以及多種生化過程,該酶活性的變化會影響以葡萄糖為底物的一系列微生物活動。該研究并未得出β-葡萄糖苷酶活性對施氮水平有顯著影響的結(jié)論,相關(guān)研究[10,39]也表明施氮劑量的增加并沒有明顯促進土壤β-葡萄糖苷酶的活性。但是有研究卻發(fā)現(xiàn)隨氮素的增加,森林土壤纖維素酶或β-葡萄糖苷酶酶活性的促進作用明顯[7,31,40],這可能與植株對碳的吸收和利用能力不同[35],或者取樣頻率、氮處理時間長短以及不同季節(jié)環(huán)境因子的變化等有關(guān)。

過氧化氫酶活性可反映土壤腐殖質(zhì)化、有機質(zhì)化的強度和速度。該研究表明,氮添加對土壤過氧化氫酶活性沒有顯著影響,這與Frey等[11]和杜錕等[35]的研究相似。但多數(shù)學(xué)者[22,38,41]發(fā)現(xiàn)氮沉降可提高土壤過氧化氫酶活性,而氮沉降對川南常綠闊葉林土壤過氧化氫酶活性卻有抑制作用[9]。氮添加對土壤過氧化氫酶活性產(chǎn)生不同影響的原因也許是土壤類型、植被種類不同導(dǎo)致,也可能是土壤有機碳濃度對施氮不敏感所致,或者該森林土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu)與其他研究區(qū)域有差異使得土壤氧化酶活性對施氮的響應(yīng)不同。從時間格局上看,不同氮添加下的過氧化氫酶活性峰值出現(xiàn)在冬季,此結(jié)論與涂麗華等[24]的研究類似。由于冬季積雪使土壤透氣性減弱,易于生成化合物過氧化氫,限制了微生物的生長與繁殖,土壤通過增加過氧化氫酶活性來緩解過氧化氫對土壤的毒害,厭氧環(huán)境使得微生物發(fā)生反硝化,增加了土壤中銨態(tài)氮含量,此解釋正好說明了過氧化氫酶活性與微生物量碳含量呈顯著負相關(guān)、與銨態(tài)氮呈顯著正相關(guān)的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(2)氮添加沒有改變森林土壤酶活性的時間分異規(guī)律。土壤脲酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性均呈夏季高,冬季低,春秋居中的規(guī)律,β-葡萄糖苷酶活性卻呈現(xiàn)冬季高于夏季的變化動態(tài),過氧化氫酶活性則在秋季處于低谷。

(3)氮添加通過改變土壤環(huán)境因子,影響了森林土壤酶活性。脲酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶均與土壤微生物量碳有顯著正相關(guān),過氧化氫酶與多酚氧化酶活性與微生物量碳含量存在顯著負相關(guān)。多酚氧化酶與過氧化氫酶活性與硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。堿性磷酸酶活性與土壤銨態(tài)氮有顯著正相關(guān)。pH、全氮、有機碳和微生物量氮與6種酶活性均無顯著相關(guān)性。

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Effect of simulated nitrogen deposition on soil enzyme activities in a temperate forest

ZHANG Yi, WANG Chunmei*, XU Ke, YANG Xintong

CollegeofEnvironmentalScience&Engineering,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China

nitrogen deposition; soil enzymes activities; temperate forest soil;Quercusliaotungensis

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(2016JX02)；國家自然科學(xué)基金(41373069)

2015- 10- 23;

日期:2016- 08- 02

10.5846/stxb201510232140

*通訊作者Corresponding author.E-mail: sdwcm@126.com

張藝,王春梅,許可,楊欣桐.模擬氮沉降對溫帶森林土壤酶活性的影響.生態(tài)學(xué)報,2017,37(6):1956- 1965.

Zhang Y, Wang C M, Xu K, Yang X T. Effect of simulated nitrogen deposition on soil enzyme activities in a temperate forest.Acta Ecologica Sinica,2017,37(6):1956- 1965.