韓 瑋， 孫晨曦， 蘇 敬

(1.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210044； 2.山東環(huán)境規(guī)劃研究院， 山東 濟(jì)南 250100； 3.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所， 江蘇 南京 210042)

模擬增溫和酸雨對(duì)水稻土酶活性及溫度敏感性的影響

韓 瑋1①， 孫晨曦2， 蘇 敬3

(1.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210044； 2.山東環(huán)境規(guī)劃研究院， 山東 濟(jì)南 250100； 3.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所， 江蘇 南京 210042)

土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的積極參與者，全球溫度、酸雨強(qiáng)度可能是同時(shí)變化的，研究土壤酶在增溫和酸雨背景下的變異規(guī)律具有重要意義。以水稻土為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，設(shè)置2種溫度梯度(25和30 ℃)和2種降水pH值水平(pH 5.0和pH 6.7)，研究了模擬增溫和酸雨對(duì)水稻土酶活性的影響以及土壤酶溫度敏感性指數(shù)(Q10)。結(jié)果表明：(1)去離子水(pH 6.7)條件下，增溫(30 ℃)處理土壤轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶、淀粉酶和蛋白酶活性比常溫(25 ℃)處理平均升高13.37%、13.57%、6.14%和17.60%；土壤脲酶和過(guò)氧化氫酶活性平均降低3.25%和12.89%。常溫條件下，酸雨(pH 5.0)處理土壤轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶、脲酶和過(guò)氧化氫酶活性比去離子水處理平均升高22.91%、7.65%、38.24%和69.98%，纖維素酶和淀粉酶活性平均降低35.73%和19.63%。(2)增溫和酸雨的交互作用對(duì)土壤轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶、過(guò)氧化氫酶活性有顯著影響，而對(duì)淀粉酶、蛋白酶、脲酶活性則無(wú)顯著影響。(3)不同種類(lèi)土壤酶Q10不同，轉(zhuǎn)化酶對(duì)溫度變化敏感，淀粉酶則不敏感。酸雨處理下，轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶、蛋白酶和脲酶的Q10降低，過(guò)氧化氫酶的Q10升高，淀粉酶的Q10變化不大。(4)短期內(nèi)增溫和酸雨都提高了土壤酶綜合活性，增溫酸雨處理土壤酶綜合活性最高。這可能意味著氣候變暖和短期低濃度酸雨可以提高土壤酶活性，加速土壤物質(zhì)循環(huán)。

土壤酶； 增溫； 酸雨； 水稻土

隨著全球工業(yè)化的加速發(fā)展,化石燃料大量使用,全球變暖日益嚴(yán)重,酸雨出現(xiàn)的強(qiáng)度和頻率也越來(lái)越大。全球變暖和酸雨已經(jīng)成為影響人類(lèi)生存和發(fā)展的全球性環(huán)境問(wèn)題[1-2],深刻地影響陸地生態(tài)系統(tǒng)地下生態(tài)過(guò)程。而土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的積極參與者,是反映土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)[3],溫度升高、酸雨對(duì)土壤酶均會(huì)產(chǎn)生影響。

溫度是影響土壤酶活性的重要環(huán)境因子,增溫引起土壤物理、化學(xué)過(guò)程發(fā)生改變,從而影響土壤酶活性[4-7]。SARDANS等[8]、徐振峰等[9]都發(fā)現(xiàn)增溫會(huì)不同程度地增加土壤酶活性。有學(xué)者利用溫度敏感性指數(shù)(Q10)表示溫度升高所引起的土壤酶活性變化率,可以反映氣候變暖與土壤生物學(xué)指標(biāo)之間的反饋關(guān)系[10-11]。但是,目前有關(guān)土壤呼吸溫度敏感性研究較多[12-13],土壤酶溫度敏感性研究還較少。

土壤酶活性除受溫度影響外,酸沉降也會(huì)改變土壤理化特性,從而影響土壤酶活性。酸雨對(duì)土壤酶的影響比較復(fù)雜。KIM等[14]認(rèn)為酸雨pH值越低,其對(duì)土壤酶活性的抑制作用越強(qiáng)。陳彩虹等[15]發(fā)現(xiàn)土壤纖維素酶活性與pH值呈顯著負(fù)相關(guān),脲酶活性與土壤pH值不相關(guān)。Lü等[16]也認(rèn)為酸雨對(duì)不同種類(lèi)酶的作用不同。大量研究表明,增溫、酸雨都會(huì)對(duì)土壤酶產(chǎn)生影響[16-17],而全球溫度、酸雨強(qiáng)度可能是同時(shí)變化的,大約從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始,全球溫度顯著持續(xù)上升[1],幾乎同時(shí),70年代末在我國(guó)長(zhǎng)江以南部分地區(qū)出現(xiàn)酸雨,目前形勢(shì)嚴(yán)峻[2]。然而,增溫和酸雨同時(shí)變化對(duì)土壤酶的復(fù)合影響規(guī)律是怎樣的?目前還沒(méi)有足夠的研究資料對(duì)此進(jìn)行解釋。因此,擬通過(guò)為期6個(gè)月的室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn),了解增溫和酸雨同時(shí)發(fā)生時(shí)土壤酶活性動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,研究模擬增溫和酸雨對(duì)土壤酶的交互作用規(guī)律以及土壤酶對(duì)溫度的敏感性特征,為預(yù)測(cè)土壤酶在全球增溫和酸雨日趨嚴(yán)重條件下的變異情況提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 模擬酸雨的配制

參照南京市酸雨污染特征和酸沉降水平[18-19],配制H2SO4和HNO3摩爾比為4.5∶1的電解質(zhì)溶液,然后用適量母液和去離子水配制pH值為5.0的模擬酸雨,并以pH值為6.7的去離子水作為對(duì)照。

1.2 供試土樣及處理

選取南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站土壤為試驗(yàn)土壤,該土壤類(lèi)型為黃棕壤,土壤質(zhì)地為黏壤土(FAO),灰馬肝土屬,耕層土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土,黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.1%,土壤pH值為6.8,土壤有機(jī)碳含量為19.4 g·kg-1,全氮含量為1.15 g·kg-1,土壤速效磷含量為16.3 mg·kg-1,速效鉀含量為62.8 mg·kg-1。

將過(guò)2 mm孔徑篩后的土壤混合均勻,調(diào)節(jié)含水量至田間持水量的70%后,按原容重(1.51 g·cm-3)裝土柱,PVC土柱直徑為15 cm,深度為20 cm,垂直并排放置于培養(yǎng)箱中,進(jìn)行模擬增溫處理。進(jìn)行模擬升溫和模擬酸雨雙因子交互設(shè)計(jì),即溫度設(shè)25(T25)和30 ℃(T30)2個(gè)水平,pH選取pH 5.0的模擬酸雨(pH5.0)和pH 6.7的去離子水(pH6.7)2個(gè)水平,共設(shè)25 ℃+pH 5.0(T25pH5.0)、25 ℃+pH 6.7(T25pH6.7)、30 ℃+pH 5.0(T30pH5.0)和30 ℃+pH 6.7(T30pH6.7)4個(gè)處理,每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。模擬酸雨用量依據(jù)1986—2015年南京地區(qū)同期的月平均降水量來(lái)設(shè)定,根據(jù)以往監(jiān)測(cè)的降水頻次,月降水量分為4 次均勻噴淋,每隔7～8 d用模擬酸雨或去離子水通過(guò)噴霧法噴淋1次。土柱放入培養(yǎng)箱1 d,待土壤均勻升溫到設(shè)定溫度后進(jìn)行第1次模擬降雨,在第1次模擬降雨后1、3、5、15、30、60和120 d時(shí)進(jìn)行破壞性采樣以測(cè)定土壤轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶、脲酶和過(guò)氧化氫酶活性。

1.3 土壤酶活性的測(cè)定

轉(zhuǎn)化酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定,以1 g土壤培養(yǎng)24 h生成的葡萄糖質(zhì)量(mg)表示;纖維素酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定,以1 g土壤培養(yǎng)72 h后生成的葡萄糖質(zhì)量(mg)表示;淀粉酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定,以1 g土壤培養(yǎng)24 h后生成的麥芽糖質(zhì)量(mg)表示;蛋白酶活性采用茚三酮比色法測(cè)定,以培養(yǎng)24 h后1 g土壤中甘氨酸質(zhì)量(μg)表示;脲酶活性采用擴(kuò)散法測(cè)定,以15 h后1 g土壤中NH3-N質(zhì)量(mg)表示;過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定,用20 min后1 g土樣消耗0.1 mol·L-1高錳酸鉀體積(mL)表示[3]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用雙因素方差分析(two-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)檢驗(yàn)增溫、酸雨及其交互作用對(duì)土壤酶活性的影響。所有統(tǒng)計(jì)分析均采用SPSS 11.0完成,且顯著性水平設(shè)為α=0.05。

土壤酶活性溫度敏感性指數(shù)計(jì)算公式[11]為

(1)

式(1)中,Q10為土壤酶的溫度敏感性指數(shù);R1和R2分別為溫度T1、T2條件下的土壤酶活性。

酶活性綜合值(Mea)的計(jì)算[20]。對(duì)土壤轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶、脲酶和過(guò)氧化氫酶活性求取幾何平均數(shù),作為衡量土壤質(zhì)量的綜合酶活性指標(biāo),其計(jì)算公式為

(2)

式(2)中,QINV為土壤轉(zhuǎn)化酶活性;QAMY為土壤淀粉酶活性;QCEL為土壤纖維素酶活性;QPRO為土壤蛋白酶活性;QURE為土壤脲酶活性;QCAT為土壤過(guò)氧化氫酶活性。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬增溫和酸雨對(duì)土壤酶活性的影響

由圖1可見(jiàn),增溫對(duì)土壤轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶、蛋白酶和淀粉酶活性有促進(jìn)作用,如蛋白酶活性平均值可以提高17.60%,而增溫對(duì)過(guò)氧化氫酶和脲酶活性的影響具有不確定性。酸雨對(duì)轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶、脲酶和過(guò)氧化氫酶活性有促進(jìn)作用,如過(guò)氧化氫酶活性平均值可提高97.48%,而酸雨對(duì)淀粉酶和纖維素酶活性有抑制作用。增溫對(duì)土壤酶活性的影響無(wú)明顯時(shí)間規(guī)律,酸雨對(duì)轉(zhuǎn)化酶和蛋白酶活性的促進(jìn)作用則主要發(fā)生在培養(yǎng)試驗(yàn)開(kāi)始后30 d內(nèi)。

圖1 模擬酸雨和增溫處理對(duì)6種土壤酶活性的影響Fig.1 Effects of simulated acid rain and elevated temperature on activities of six kinds of soil enzymes

圖1顯示,4種處理土壤轉(zhuǎn)化酶活性變化基本同步,呈先上升再下降之后又上升趨勢(shì)。增溫(30 ℃)處理高于常溫(25 ℃)處理,酸雨(pH 5.0)處理高于去離子水(pH 6.7)處理。在去離子水和酸雨條件下,增溫處理土壤轉(zhuǎn)化酶活性均值分別提高13.37%和3.68%,而在常溫和增溫條件下,酸雨處理土壤轉(zhuǎn)化酶活性均值比去離子水處理分別提高22.91%和12.41%?？梢?jiàn),短期內(nèi)酸雨并沒(méi)有引起土壤轉(zhuǎn)化酶活性降低,反而提高了轉(zhuǎn)化酶活性。

由圖1可見(jiàn),纖維素酶活性變化無(wú)明顯時(shí)間規(guī)律。纖維素酶活性表現(xiàn)為增溫處理高于常溫處理,酸雨處理低于去離子水處理。在去離子水和酸雨條件下,增溫處理土壤纖維素酶活性均值分別提高13.57%和8.10%,而在常溫和增溫條件下,酸雨處理土壤纖維素酶活性均值比去離子水處理分別降低35.73%和38.83%。可見(jiàn),酸雨降低了土壤纖維素酶活性。

由圖1可見(jiàn),4種處理土壤淀粉酶活性變化基本呈先上升再下降趨勢(shì),這與培養(yǎng)初期的啟動(dòng)效應(yīng)有關(guān)。酸雨處理淀粉酶活性低于去離子水處理,增溫處理和常溫處理淀粉酶活性差異不大,略有提高。在去離子水和酸雨條件下,增溫處理土壤淀粉酶活性均值分別提高6.14%和7.63%,而在常溫和增溫條件下,酸雨處理土壤淀粉酶活性均值比去離子水處理分別降低19.63%和18.50%?？梢?jiàn),酸雨顯著降低了土壤淀粉酶活性。

由圖1可見(jiàn),相同土壤pH條件下增溫處理土壤蛋白酶活性高于常溫處理,相同土壤溫度條件下酸雨處理高于去離子水處理。在去離子水和酸雨條件下,增溫處理土壤蛋白酶活性均值分別提高17.60%和13.44%,而在常溫和增溫條件下,酸雨處理土壤蛋白酶活性均值比去離子水處理分別提高7.65%和3.85%?？梢?jiàn),短期酸雨并沒(méi)有引起土壤蛋白酶活性降低,反而略有升高。

由圖1可見(jiàn),增溫處理土壤脲酶活性高于常溫處理。酸雨處理顯著高于去離子水處理,增溫處理對(duì)脲酶的影響則比較復(fù)雜。在去離子水條件下,增溫處理土壤脲酶活性均值比常溫處理降低3.25%,在酸雨條件下,增溫處理土壤脲酶活性均值比常溫處理提高4.43%;而在常溫和增溫條件下,酸雨處理土壤脲酶活性均值比去離子水處理分別提高38.24%和49.21%?？梢?jiàn),短期酸雨提高了土壤脲酶活性。

由圖1可見(jiàn),4種處理土壤過(guò)氧化氫酶活性變化基本同步。在去離子水條件下,增溫處理土壤過(guò)氧化氫酶活性均值比常溫處理降低12.89%,在酸雨條件下,增溫處理土壤過(guò)氧化氫酶活性均值比常溫處理提高1.20%；而在常溫和增溫條件下,酸雨處理土壤過(guò)氧化氫酶活性均值比去離子水處理分別提高69.98%和97.48%?？梢?jiàn),短期酸雨提高了土壤過(guò)氧化氫酶活性。

通過(guò)雙因素方差分析,研究了增溫、酸雨及其交互作用對(duì)整個(gè)培養(yǎng)期土壤酶活性平均值的影響。結(jié)果表明,增溫和酸雨對(duì)土壤轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶和過(guò)氧化氫酶活性的交互作用顯著,對(duì)淀粉酶、蛋白酶和脲酶活性的交互作用不顯著(表1)。溫度對(duì)土壤轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶和蛋白酶活性具有顯著影響,對(duì)淀粉酶、脲酶和過(guò)氧化氫酶活性影響不顯著。酸雨對(duì)轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶、淀粉酶、脲酶和過(guò)氧化氫酶活性影響顯著,對(duì)蛋白酶活性影響不顯著。

表1增溫和酸雨對(duì)土壤酶活性的雙因素方差分析(P值)

Table1Two-wayANOVA(Pvalues)ofeffectsofelevatedtemperature,acidrainandbothonsoilenzymeactivity

因子轉(zhuǎn)化酶纖維素酶 淀粉酶蛋白酶 脲酶 過(guò)氧化氫酶溫度0.0008**0.0002**0.14490.0070**0.82370.1167pH0.0001**0.0001**0.0009**0.20920.0001**0.0001**溫度×pH0.0323*0.0204*0.99710.73440.47360.0417*

*表示P<0.05,**表示P<0.01。

2.2 土壤酶活性的溫度敏感性Q10

土壤酶活性溫度敏感性指標(biāo)(Q10)見(jiàn)表2。Q10可以反映氣候變暖與土壤酶活性指標(biāo)之間的反饋關(guān)系,酸雨條件下土壤酶Q10則反映了酸雨對(duì)此反饋關(guān)系的影響,因此,計(jì)算Q10對(duì)于研究酸雨和增溫對(duì)土壤酶的復(fù)合影響具有重要意義。不同土壤酶種類(lèi),不同處理、不同取樣時(shí)間土壤酶Q10的差異很大。在酸雨和去離子水處理下,轉(zhuǎn)化酶Q10均較高,各時(shí)段平均值分別為1.31和1.46,可見(jiàn)轉(zhuǎn)化酶對(duì)增溫較為敏感。而淀粉酶Q10均較低,在酸雨和去離子水處理下各時(shí)段平均值分別為1.18和1.17?？梢?jiàn)，淀粉酶活性對(duì)增溫和酸雨的反應(yīng)都不敏感。

酸雨使得土壤轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶、蛋白酶和脲酶Q10分別降低10.27%、9.92%、7.25%和5.69%,過(guò)氧化氫酶Q10升高40.91%,酸雨處理對(duì)淀粉酶Q10影響不大,升高0.85%。總體來(lái)看,酸雨對(duì)土壤酶Q10的影響類(lèi)型可分為降低型(轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶、蛋白酶、脲酶)、上升型(過(guò)氧化氫酶)和基本穩(wěn)定型(淀粉酶)?？梢?jiàn),對(duì)于多數(shù)類(lèi)型的土壤酶,酸雨處理降低了土壤酶溫度敏感性。

表2不同處理及采樣時(shí)間土壤酶活性的溫度敏感性指數(shù)(Q10)值

Table2Sensitivities(Q10)ofsoilenzymestotemperaturerelativetotreatmentandsamplingtime

處理采樣時(shí)間/d轉(zhuǎn)化酶纖維素酶淀粉酶蛋白酶脲酶過(guò)氧化氫酶酸雨(pH5.0) 10.861.220.881.201.401.2631.341.301.171.230.580.8550.931.291.361.221.310.93151.461.061.071.720.842.36301.681.061.151.511.050.35600.801.301.081.041.471.791202.081.021.541.041.441.12平均值1.311.181.181.281.161.24去離子水(pH6.7) 11.411.071.021.390.491.8830.861.111.531.101.441.4552.071.111.141.081.840.42151.841.351.311.620.370.63301.361.771.131.401.550.66601.161.271.031.921.830.401201.491.451.001.181.070.72平均值1.461.311.171.381.230.88

2.3 土壤酶綜合活性評(píng)價(jià)

對(duì)不同處理的各種土壤酶活性求幾何平均數(shù),作為土壤綜合酶活性指標(biāo)。T25pH5.0、T25pH6.7、T30pH5.0和T30pH6.74種處理土壤酶活性綜合值由大到小依次為T(mén)30pH5.0(2.26)、T25pH5.0(2.13)、T30pH6.7(2.07)和T25pH6.7(1.96)。筆者試驗(yàn)中,模擬酸雨和增溫的交互作用顯著提高了土壤酶綜合活性,T30pH5.0處理土壤酶綜合活性最高,比T25pH6.7處理提高15.31%。

3 討論

3.1 酸雨對(duì)土壤酶活性的影響及其機(jī)理

酸雨對(duì)土壤酶的影響比較復(fù)雜。模擬酸雨加入初期,土壤轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶和過(guò)氧化氫酶活性都表現(xiàn)為激活效應(yīng),之后逐漸轉(zhuǎn)為抑制效應(yīng)。這可能是因?yàn)樗嵊昙尤氤跗?模擬酸雨中的營(yíng)養(yǎng)鹽可為某些特定微生物提供豐富的基質(zhì),從而對(duì)土壤酶具有激活效應(yīng)[21]。另外,土壤微生物與土壤酶密切相關(guān)[22-23],酸雨也會(huì)影響土壤中的各種化學(xué)反應(yīng),可能會(huì)使土壤中的養(yǎng)分離子釋放出來(lái)[24-26],如張萍華[24]發(fā)現(xiàn)短期內(nèi)酸雨使得土壤堿解氮、有效鉀、Ca2+和Mg2+含量升高,從而為微生物活動(dòng)提供充足的營(yíng)養(yǎng),影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu),增加土壤酶活性。酸雨還可能引起土壤酶含量增加,導(dǎo)致總土壤酶活性增加,但較易失活[27-29]。另外,土壤在短期內(nèi)對(duì)酸雨具有一定的緩沖能力,在模擬酸雨加入初期,對(duì)土壤的負(fù)面影響并未充分顯現(xiàn)出來(lái),而隨著酸雨加入量和時(shí)間的推移,土壤酸化,酸雨對(duì)土壤產(chǎn)生的負(fù)面影響逐步顯現(xiàn)[30-31]。梁國(guó)華等[30]研究發(fā)現(xiàn),模擬酸雨對(duì)土壤酸化和土壤微生物活性的影響是一個(gè)逐漸累積的過(guò)程,在酸雨積累到一定程度時(shí),超過(guò)微生物活動(dòng)的閾值,進(jìn)而影響微生物的正常生命活動(dòng),導(dǎo)致酶活性逐漸降低[31]。這可以解釋酸雨對(duì)轉(zhuǎn)化酶、過(guò)氧化氫酶、蛋白酶活性的先激活后抑制過(guò)程。酸雨對(duì)纖維素酶、淀粉酶活性都表現(xiàn)為抑制效應(yīng),可能是由于酸雨降低了與纖維素酶、淀粉酶活性密切相關(guān)的微生物數(shù)量。另外,模擬酸雨降低土壤pH值,可能破壞酶的空間結(jié)構(gòu),從而降低土壤酶活性。

3.2 溫度對(duì)土壤酶活性的影響及其機(jī)理

溫度對(duì)土壤酶活性有直接作用,是影響土壤酶活性的重要環(huán)境因子。一般而言,在一定溫度范圍內(nèi)土壤酶活性隨著溫度的升高而升高,到達(dá)最適溫度后土壤酶活性下降[13,32]。但是氣候變暖帶來(lái)的增溫程度一般不會(huì)超過(guò)土壤酶的最適溫度,因此，增溫往往能提高土壤酶活性。筆者研究中,就去離子水處理而言,除過(guò)氧化氫酶活性隨溫度上升而下降外,轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶、脲酶活性都隨溫度的上升而上升;模擬酸雨處理的6種酶活性都隨溫度上升而上升。其他研究也有類(lèi)似結(jié)論,如馮瑞芳等[6]研究表明,增溫顯著增加土壤轉(zhuǎn)化酶和脲酶活性。秦紀(jì)洪等[11]研究表明土壤脲酶、過(guò)氧化物酶、多酚氧化酶、β-葡萄糖苷酶、轉(zhuǎn)化酶和磷酸單酯酶活性都隨溫度上升而上升。原因可能是增溫可以通過(guò)影響酶動(dòng)力學(xué)性質(zhì)來(lái)影響土壤酶活性,還會(huì)通過(guò)影響土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)組成等間接地影響土壤酶活性[33]。另外,土壤溫度升高影響土壤中各種化學(xué)反應(yīng)和土壤溶液離子組成,土壤養(yǎng)分有效性的增加提高了土壤微生物量,從而提高了土壤酶活性[11]。當(dāng)然,土壤溫度升高也可能不利于土壤酶活性。筆者研究中,去離子水處理過(guò)氧化氫酶活性隨溫度上升而下降,孫輝等[34]研究也顯示增溫降低土壤過(guò)氧化氫酶活性,這可能是因?yàn)橥寥肋^(guò)氧化氫酶對(duì)低溫環(huán)境較為適應(yīng),溫度增加反而不利于該酶活動(dòng)。當(dāng)然,不同土壤酶種類(lèi)對(duì)升溫的響應(yīng)不同,YERGEAU等[35]發(fā)現(xiàn),脲酶活性在增溫后顯著升高,過(guò)氧化氫酶對(duì)增溫響應(yīng)不明顯。這是因?yàn)椴煌寥烂竵?lái)自不同的土壤微生物或動(dòng)物群落,而它們對(duì)溫度的響應(yīng)不同。筆者研究中不同類(lèi)型土壤酶對(duì)溫度的敏感性存在較大差異,秦紀(jì)洪等[11]研究也表明不同類(lèi)型土壤酶對(duì)增溫的響應(yīng)不同,溫度敏感性差異很大。

土壤酶對(duì)溫度變化的敏感性通常用Q10表示,這一指標(biāo)反映了溫度變化后酶活性的變化規(guī)律,與土壤呼吸溫度敏感性[36-37]相比,土壤酶溫度敏感性對(duì)于了解未來(lái)氣候變暖條件下土壤生態(tài)系統(tǒng)的變化規(guī)律具有特殊意義。筆者研究中,就去離子水處理而言,所測(cè)水稻土6種土壤酶的Q10在0.88～1.46之間波動(dòng),與秦紀(jì)洪等[11]的研究結(jié)果接近,而模擬酸雨處理下,6種土壤酶的Q10在1.16～1.31之間,比去離子水處理的波動(dòng)區(qū)間更小一些。酸雨對(duì)不同種類(lèi)土壤酶敏感性的影響不同,這可能是因?yàn)樗嵊晖ㄟ^(guò)影響土壤pH值而造成土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變,增溫后酸雨對(duì)與某些特定酶相關(guān)的微生物影響不同,因此，土壤酶溫度敏感性的變化不同[14]。

綜合來(lái)看,根據(jù)土壤酶活性綜合評(píng)價(jià),T30pH5.0處理土壤酶綜合活性最高,而T25pH6.7處理土壤酶綜合活性最低?？梢?jiàn),短期內(nèi)增溫與低濃度酸雨對(duì)土壤酶的影響方向一致,表現(xiàn)為正效應(yīng)。增溫和模擬酸雨的交互作用顯著提高了土壤酶綜合活性,T30pH5.0處理土壤酶綜合活性最高,說(shuō)明模擬增溫和酸雨可能加速土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)。

雙因素方差分析表明,增溫和酸雨對(duì)多種土壤酶活性的交互作用顯著,如果增溫和酸雨對(duì)土壤酶的交互作用普遍存在的話,那么氣候變暖和酸雨就有可能對(duì)土壤生化過(guò)程產(chǎn)生更加深刻而復(fù)雜的影響。因此,在將來(lái)氣候變暖和酸雨頻發(fā)的情況下,土壤酶的變化趨勢(shì)更加復(fù)雜和難以預(yù)料,對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響也需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)正常降水條件下,與常溫處理相比,增溫處理使得整個(gè)培養(yǎng)期土壤轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶、淀粉酶和蛋白酶活性均值分別升高13.37%、13.57%、6.14%和17.60%;土壤脲酶和過(guò)氧化氫酶活性均值分別降低3.25%和12.89%。常溫條件下,與去離子水處理相比,酸雨處理土壤轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶活性均值分別提高22.91%、7.65%、38.24%和69.98%,纖維素酶和淀粉酶活性均值分別降低35.73%和19.63%。

(2)增溫和酸雨的交互作用對(duì)土壤轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶和過(guò)氧化氫酶活性有顯著影響,而對(duì)淀粉酶、蛋白酶和脲酶活性無(wú)顯著影響。

(3)不同種類(lèi)土壤酶Q10差異很大,轉(zhuǎn)化酶對(duì)溫度變化敏感,淀粉酶則不敏感。酸雨降低了土壤轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶、蛋白酶和脲酶的Q10,升高了過(guò)氧化氫酶Q10,對(duì)淀粉酶Q10的影響不大。

(4)模擬增溫和低濃度酸雨短期內(nèi)均可提高土壤酶活性,T30pH5.0處理土壤酶綜合活性最高。

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EffectsofElevatedTemperatureandSimulatedAcidRainonEnzymeActivityandTemperatureSensitivityofPaddySoil.

HAN Wei1, SUN Chen-xi2, SU Jing3

(1.College of Applied Meteorology, Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China; 2.Shandong Academy of Environmental Planning, Jinan 250100, China; 3.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China)

Enzymes are considered a key category of components of soil. Global warming and intensifying acid rain may occur simultaneously. It is of great significance to study soil enzyme activity as affected by elevated temperature and intensified acid rain. Effects of warming and acid rain on soil enzyme in activity and sensitivity to temperature (Q10) of various enzymes in paddy soil were investigated. A laboratory incubation experiment was conducted and designed to have two levels of temperature, 25 and 30 ℃ and two levels of acid rain in pH, pH 5.0 and pH 6.7. Results show that: (1) Under the simulated normal rain of pH 6.7, warming (30 ℃) increased the mean activity of soil invertase, cellulase, amylase, and protease by 13.37%, 13.57%, 6.14%, and 17.60%, respectively, but decreased the mean activity of urease and catalase by 3.25% and 12.89%, respectively as compared with 25 ℃. When temperature was kept at 25 ℃, acid rain (pH 5.0) increased the mean activity of soil invertase, protease, urease, and catalase by 22.91%, 7.65%, 38.24% and 69.98%, respectively, but decreased that of cellulase and amylase activities by 35.73% and 19.63%, respectively. (2) The effect of the interaction between warming and acid rain was significant on invertase, cellulase, and catalase activities, but not so on amylase, protease, and urease. (3) Soil enzymes varied inQ10. Invertase was sensitive to changes in temperature, while amylase was not. Under acid rain, invertase, cellulase, protease, and urease declined inQ10, while catalase rose inQ10and amylase was almost unaffected. (4) In a short period of time both elevated temperature and acid rain increased the integrated activity of the soil enzymes. In the soil under both elevated temperature and acid rain, the rise was the biggest, which suggests that both global warming and a short-term of acid rain low in concentration may enhance soil enzyme activity and hence accelerate recycling of soil matter.

soil enzyme; elevated temperature; acid rain; paddy soil

2017-04-06

江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(14KJB170013); 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41475107); 江蘇省科技支撐計(jì)劃(BE2015693)

① 通信作者E-mail: binzhouhanwei@163.com

S154.1

A

1673-4831(2017)12-1117-08

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.12.008

韓瑋(1981—),女,山東濱州人,講師,博士,主要從事土壤環(huán)境方面的研究。E-mail: binzhouhanwei@163.com

李祥敏)