劉俊第,林 威,王玉哲,姜 婧,方 熊,*,易志剛

1 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,福州 350002 2 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福州 350002

林火是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要干擾因素[1],可以在短期內(nèi)影響土壤的元素循環(huán)、養(yǎng)分有效性及土壤微生物活性,進(jìn)而影響森林生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球每年約發(fā)生火災(zāi)22萬(wàn)次,焚毀各種森林面積累計(jì)達(dá)到640多萬(wàn)hm2,約占世界森林覆蓋率為0.23%[3]。土壤酶主要來(lái)源于土壤動(dòng)物以及微生物的胞外分泌物,植物及其根際分泌物以及土壤中有機(jī)殘?bào)w的分解產(chǎn)物,它可以分解土壤中的有機(jī)物質(zhì),對(duì)土壤中的生物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生直接和間接的影響[4- 6]。土壤酶可以影響土壤質(zhì)地和土壤肥力,影響包括C、N、P等元素的循環(huán),通過(guò)酶促作用調(diào)控土壤有機(jī)質(zhì)礦化過(guò)程,從而提高土壤養(yǎng)分的有效性,對(duì)土壤生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程具有重要作用[7- 9]。

火燒會(huì)改變土壤表層微生物生物量及群落結(jié)構(gòu),從而影響微生物對(duì)土壤酶的分泌策略,進(jìn)而影響不同類型土壤酶的活性。在土壤碳循環(huán)過(guò)程中,不同土壤微生物分泌的胞外酶具有不同的功能,胞外酶活性的變化能夠很大程度上影響土壤有機(jī)碳的分解、轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存。土壤水解酶(如β-葡萄糖苷酶和纖維素酶等)主要催化土壤中不穩(wěn)定有機(jī)碳的分解,包括催化易氧化有機(jī)碳、土壤水溶性有機(jī)碳和土壤顆粒性有機(jī)碳等的分解。其中β-葡萄糖苷酶可以催化土壤中的纖維素和碳水化合物的聚合物水解生成葡萄糖,供微生物吸收利用[10];纖維素酶主要是催化土壤中纖維素的水解[11]。土壤氧化還原酶(如酚氧化物酶和過(guò)氧化物酶等)則參與土壤中難分解碳的分解,酚氧化物酶催化土壤中的一元酚,二元酚及其他含酚羥基的多元酚的芳香族化合物的氧化分解[12];過(guò)氧化物酶可催化土壤中木質(zhì)素的分解[13]。Rietl和Jackson[14]研究表明人為火燒降低了美國(guó)密西西比河北部介子林土壤β-葡萄糖苷酶活性,Boerner等[15]研究發(fā)現(xiàn)自然火災(zāi)后美國(guó)東南部卡羅萊納州山麓地帶火炬松林土壤酸性磷酸酶,幾丁質(zhì)酶和酚氧化物酶活性降低,并為土壤碳長(zhǎng)期儲(chǔ)存提供管理依據(jù)。國(guó)內(nèi)有關(guān)火燒對(duì)土壤酶活性的影響研究主要集中在興安落葉林[16],陳禮清等[17]對(duì)四川盆地巨桉人工林的研究結(jié)果表明煉山后土壤水解酶活性降低,而過(guò)氧化氫酶活性升高。目前關(guān)于火燒對(duì)中亞熱帶馬尾松人工林土壤酶活性的影響研究較少。

地球表層1 m土層深度的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約為1400—1500 Pg,占地球總碳儲(chǔ)量的60%,是陸地植被碳庫(kù)(500—600 Pg)的2—3倍,約是全球大氣碳庫(kù)(750 Pg)的2倍[18],在全球碳平衡過(guò)程中具有重要作用。環(huán)境因子的微小變化,都可能對(duì)土壤碳庫(kù)造成重要影響,進(jìn)而影響全球大氣CO2濃度。火燒會(huì)使地表溫度急劇升高,地表有機(jī)質(zhì)通過(guò)氧化作用導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的損失[19]。林火能直接燃燒土壤有機(jī)碳,可以使土壤有機(jī)碳以CO2形式排放進(jìn)入大氣,還可以通過(guò)繼發(fā)性的侵蝕作用或者改變碳的輸入和輸出等過(guò)程從而改變土壤碳庫(kù)[20]。同時(shí),不同土壤碳組分對(duì)林火的響應(yīng)也不同[21- 23]。土壤微生物量碳是土壤有機(jī)碳的活性組分,對(duì)外界環(huán)境變化響應(yīng)較敏感,土壤微生物量碳與有機(jī)碳的比值還是用來(lái)指示土壤有機(jī)碳的累積、平衡與損耗的重要指標(biāo)[24];土壤溶解性有機(jī)碳與土壤微生物量碳具有很高的相關(guān)性[25],可以作為評(píng)價(jià)土壤微生物分解利用土壤速效養(yǎng)分的重要指標(biāo);土壤易氧化碳是土壤中較易氧化分解的有機(jī)碳,是反映土壤有機(jī)碳早期變化的重要指標(biāo)[26];土壤顆粒性有機(jī)碳可用53 μm篩進(jìn)行分選,其腐殖化程度較低但生物活性較高,在土壤中分解相對(duì)較快,可以認(rèn)為是土壤中有機(jī)碳變化的敏感指標(biāo)[27]。國(guó)外有關(guān)于火燒對(duì)土壤有機(jī)碳組分影響的大量研究,如Martí-Roura等[28]研究了火燒后地中海草地和灌木林土壤顆粒有機(jī)質(zhì)組分在土壤中的穩(wěn)定,Neff等[29]對(duì)美國(guó)阿拉斯加州中部的黑云杉生態(tài)系統(tǒng)的研究表明,自然火災(zāi)發(fā)生后一年的土壤碳密度低于未火燒水平,Jiménez-Morillo等[30]則從有機(jī)質(zhì)組分的分子結(jié)構(gòu)角度研究了火燒對(duì)西班牙西南部多尼亞納國(guó)家公園典型的地中海橡木林砂質(zhì)土壤有機(jī)碳的影響,結(jié)果表明,火燒樣地土壤中的有機(jī)化合物主要來(lái)源于木質(zhì)素以及火燒過(guò)程中高溫所產(chǎn)生的多環(huán)芳烴。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于火燒對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響研究也多集中在東北地區(qū)[31-32],趙志霞等[21]和袁強(qiáng)等[22]的研究表明林火降低了中國(guó)北亞熱帶天然馬尾松林土壤有機(jī)碳和興安落葉林土壤溶解性有機(jī)碳含量,張茂增等[23]也研究了火燒對(duì)大興安嶺樟子松天然林土壤有機(jī)碳組分的影響,結(jié)果表明輕度火燒后土壤有機(jī)碳、易氧化碳和顆粒性有機(jī)碳均有所降低。而目前關(guān)于林火對(duì)中亞熱帶馬尾松人工林土壤有機(jī)碳組分的研究卻少有報(bào)導(dǎo)。

本文以中亞熱帶馬尾松人工林火燒跡地為研究對(duì)象,對(duì)火燒后馬尾松林土壤幾種與碳分解相關(guān)酶活性和幾種有機(jī)碳組分進(jìn)行了研究,旨在闡明馬尾松人工林采伐跡地火燒后土壤幾種有機(jī)碳組分的變化特征,以期從酶活性變化的角度分析土壤有機(jī)碳變化的原因,可以豐富火燒對(duì)于中亞熱帶馬尾松人工林土壤碳分解相關(guān)酶活性與有機(jī)碳組分關(guān)系的研究,并為中亞熱帶馬尾松人工林土壤碳庫(kù)管理提供理論依據(jù)。

1 研究樣地概況

研究區(qū)位于福建省南平市延平區(qū)福建農(nóng)林大學(xué)西芹教學(xué)林場(chǎng)(26°33′47″N, 118°6′39″E),海拔高度200—500 m之間。氣候?yàn)橹衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,年均氣溫19.4℃,年最低溫度為-5.8℃,極端最高溫為41℃;年均降雨量1817 mm,雨量充沛。降雨集中在6—8月份之間,7月份常有臺(tái)風(fēng)和暴雨,地表溫度17.2℃,年均日時(shí)數(shù)1807.8 h,無(wú)霜期302 d。土壤主要為黃紅壤[33]。林下植被主要為狗脊(Woodwardiajaponica)、黑莎草(Gahniatristis)、江南卷柏(Selaginellamoellendorffii)、魚(yú)腥草(Houttuyniacordata)、江南短腸蕨(AllantodiaMetteniana)、鐵角蕨(Aspleniumtrichomanes)、草珊瑚(Sarcandrahainanenensis)和構(gòu)棘(Cudraniacochinchinensis)等。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地選擇林場(chǎng)院口工區(qū)33年生馬尾松人工林。在2016年3月21日,對(duì)林場(chǎng)-馬尾松采伐跡地進(jìn)行火燒處理(煉山)。于2016年3月27日在火燒樣地中設(shè)置兩個(gè)處理,分別為對(duì)照組(CK)和實(shí)驗(yàn)組(BU)兩個(gè)處理,對(duì)照組為林地邊緣未經(jīng)火燒樣方,實(shí)驗(yàn)組為火燒后樣方。每個(gè)火燒樣方面積為100 m2(10 m×10 m)。對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組均設(shè)置4個(gè)重復(fù)樣方。

于火燒后一年(2017年3月21日)進(jìn)行土壤樣品采集,在各樣方內(nèi)按S型采樣法選擇5個(gè)點(diǎn)。采樣時(shí)分別選取0—10 cm和10—20 cm土層采集土壤樣品。采集樣品后,將每個(gè)樣方采集的同一土層的5個(gè)樣品均勻混合成1個(gè)混合土樣。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后,挑揀出植物殘茬和石礫等,將土壤磨碎過(guò)2 mm篩,使土壤充分混勻。將混勻后的土壤樣品分成兩份,一份裝于自封袋中用于測(cè)定土壤酶活性和微生物量碳,另一份土壤樣品風(fēng)干用于測(cè)定土壤pH和土壤有機(jī)碳組分。另外,從風(fēng)干土樣中取5 g左右土壤,用研缽磨細(xì),過(guò)0.149 mm篩,用于測(cè)定土壤總碳、全氮和全磷等。

2.2 土壤樣品測(cè)定

土壤含水量測(cè)定采用鋁盒烘干法。土壤全氮測(cè)定采用半微量凱氏法,用硫酸鉀-硫酸銅-硒粉消煮,再用凱氏定氮儀自動(dòng)分析。土壤總碳測(cè)定采用元素分析儀自動(dòng)分析法。土壤全磷測(cè)定采用硫酸-高氯酸消解,鉬藍(lán)比色法。土壤pH值測(cè)定采用電位法,以水土比2.5∶1混勻后用pH計(jì)測(cè)定。

土壤水解酶活性采用對(duì)硝基酚(pNP)法測(cè)定[34]。β-葡萄糖苷酶活性測(cè)定以對(duì)硝基苯-β-D吡喃葡糖苷為基質(zhì),以pH 12.0 Tris為緩沖液,通過(guò)水解產(chǎn)生對(duì)硝基酚,再用酶標(biāo)儀進(jìn)行光度測(cè)定[35]。纖維素酶活性測(cè)定以對(duì)硝基苯纖維二糖苷為底物,緩沖液為pH 5.0 MUB,用酶標(biāo)儀對(duì)水解產(chǎn)生的對(duì)硝基酚進(jìn)行光度測(cè)定[34]。酚氧化物酶和過(guò)氧化物酶活性測(cè)定分別以左旋多巴(DOPA)和DOPA加過(guò)氧化氫(H2O2)為底物[4],緩沖溶液為pH 5.0的醋酸緩沖液。在土壤酶活性測(cè)定同時(shí)分別做無(wú)土空白和不加底物的對(duì)照。實(shí)驗(yàn)組、空白組和對(duì)照組均同時(shí)做3個(gè)重復(fù)。水解酶活性用每小時(shí)每克土壤催化產(chǎn)生的對(duì)硝基酚的納摩爾濃度表示(nmol h-1g-1)。氧化還原酶活性用每小時(shí)每克土壤氧化底物的微摩爾濃度表示(μmol h-1g-1)。

土壤顆粒有機(jī)碳測(cè)定以六偏磷酸鈉(NaPO3)6為分散劑進(jìn)行分離,用手搖和恒溫震蕩箱震蕩的方法進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間震蕩分散,用53 μm篩分選烘干(60℃)后用元素分析儀分析[36]。土壤微生物量碳測(cè)定采用氯仿熏蒸-0.5 mol/L K2SO4提取法,用TOC儀分析測(cè)定[37]。土壤易氧化碳測(cè)定采用0.333 mol/L KMnO4氧化法測(cè)定,根據(jù)剩余的KMnO4含量可以算得氧化土壤有機(jī)碳消耗的KMnO4的量,進(jìn)而得出土壤中易氧化碳含量。土壤水溶性碳測(cè)定采用2 mol/L KCl浸提,再用TOC儀測(cè)定[38]。土壤微生物量碳和土壤溶解性有機(jī)碳的單位以mg/kg表示。土壤易氧化碳和顆粒性碳的單位以g/kg表示。

2.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和整理。用SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)的差異顯著性進(jìn)行one-way ANOVA分析,數(shù)據(jù)分析采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn),顯著水平設(shè)置為P<0.05。用SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 火燒對(duì)馬尾松林土壤理化性質(zhì)的影響

火燒后,馬尾松人工林0—10 cm土層土壤pH值比對(duì)照升高0.61個(gè)單位(P<0.05),土壤總碳含量顯著低于對(duì)照(P<0.05),全氮含量降低17.5%(P>0.05),土壤含水量與對(duì)照相比顯著降低(P<0.05)。在對(duì)照樣地中,0—10 cm土層比10—20 cm土層土壤總碳含量高47.8%(P<0.05),0—10 cm土層土壤全氮含量顯著高于10—20 cm土層(P<0.05)。火燒樣地中,0—10 cm土層比10—20 cm土層土壤pH高0.45個(gè)單位,但無(wú)顯著差異。0—10 cm土層比10—20 cm土層土壤總碳含量高15.4%(P>0.05)。0—10 cm土層和10—20 cm土層土壤含水量火燒均顯著低于對(duì)照(P<0.05)(表1)。

表1 火燒對(duì)馬尾松林土壤理化性質(zhì)的影響(n=4)

數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。CK：對(duì)照control;BU：火燒 burn。大寫(xiě)字母不同表示土層之間差異顯著(P<0.05);小寫(xiě)字母不同表示CK和BU之間差異顯著(P<0.05)

3.2 火燒后土壤酶活性的變化特征

由圖1可知,火燒后0—10 cm土層中,土壤β-葡萄糖苷酶活性顯著降低(P<0.05)。酚氧化物酶活性和過(guò)氧化物酶活性均高于對(duì)照(P<0.05)。在10—20 cm土層中,火燒后土壤β-葡萄糖苷酶活性降低34.28 nmol h-1g-1,且具有極顯著差異 (P<0.01)?；馃龢拥刂?土壤β-葡萄糖苷酶活性0—10 cm土層顯著高于10—20 cm土層(P<0.05),土壤酚氧化物酶和過(guò)氧化物酶活性在土層間無(wú)顯著差異。

圖1 火燒后土壤酶活性的變化特征Fig.1 Characteristics of soil enzyme activities after burningCK：對(duì)照control;BU：火燒 burn;圖中小寫(xiě)字母不同表示CK和BU之間差異顯著(P<0.05),*表示不同土層之間有顯著差異(P<0.05)

3.3 火燒后土壤有機(jī)碳組分的變化特征

由圖2可知,火燒后0—10 cm土層土壤總碳含量為15.51 g/kg,顯著低于對(duì)照(P<0.05),土壤溶解性有機(jī)碳含量降低29.47 mg/kg(P<0.05),土壤顆粒有機(jī)碳(>53 μm顆粒性有機(jī)碳)和土壤粘粒有機(jī)碳(<53 μm顆粒性有機(jī)碳)含量分別降低3.66 g/kg和0.17 g/kg,但均無(wú)顯著差異。在對(duì)照樣地中,0—10 cm土層土壤總碳含量極顯著高于10—20 cm土層(P<0.01)。在對(duì)照樣地和火燒樣地中,土壤幾種有機(jī)碳組分含量都表現(xiàn)為0—10 cm土層高于10—20 cm土層,但均無(wú)顯著差異。

圖2 火燒后土壤有機(jī)碳組分的變化特征Fig.2 Characteristics of soil organic carbon fractions after burning

3.4 火燒后土壤有機(jī)碳組分和土壤總碳比例的變化

由圖3可知,0—10 cm土層中,火燒后土壤顆粒有機(jī)碳/總碳顯著降低36.7%(P<0.05)。10—20 cm土層,土壤微生物量碳/總碳、土壤溶解性有機(jī)碳/總碳和土壤易氧化碳/總碳分別為火燒低于對(duì)照24.5%、55.6%、43.0%,但無(wú)顯著差異。對(duì)照樣地中,土壤易氧化碳/總碳10—20 cm土層高于0—10 cm土層,具有極顯著差異(P<0.01)。

圖3 火燒后土壤有機(jī)碳組分和土壤總碳比例的變化Fig.3 The varition of soil organic carbon fractions and soil total carbon ratio after burning

4 討論

林火會(huì)影響土壤元素的生物地球化學(xué)循環(huán),影響土壤有機(jī)質(zhì)礦化過(guò)程,進(jìn)而改變土壤的肥力狀況?；馃虝r(shí)間內(nèi)改變了地表溫度,使土壤微生物的生存條件發(fā)生改變,因此土壤微生物對(duì)土壤養(yǎng)分的利用情況發(fā)生變化,從而間接影響了土壤的一系列生態(tài)指標(biāo)特征[39- 40]?；馃龑?duì)土壤理化性質(zhì)的影響主要發(fā)生在0—5 cm的表層土壤[41]。研究結(jié)果表明,火燒后馬尾松林地表層土壤的pH值顯著升高,這與Fisher等[42]的結(jié)論一致,可能是由于火燒后土壤表層陽(yáng)離子交換總量增加導(dǎo)致土壤堿度增加。本研究表明,火燒后土壤總碳和全氮含量降低,土壤全磷含量沒(méi)有顯著變化。土壤碳、氮含量降低是由于土壤有機(jī)碳、氮經(jīng)過(guò)燃燒直接轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氮氧化物排放進(jìn)入大氣中[43],而本研究中氧化酶活性的升高也可能是土壤碳降低的重要原因。土壤全磷含量變化不大原因可能是火燒樣地經(jīng)過(guò)雨水的沖刷和風(fēng)力等自然力的作用導(dǎo)致灰燼中磷很少滲入到土壤中,或者是由于地表采伐物較少,沒(méi)有對(duì)土壤磷元素產(chǎn)生影響[44- 46]。

土壤酶是評(píng)價(jià)土壤微生物生態(tài)功能的重要指標(biāo)。本研究結(jié)果表明,火燒后土壤β-葡萄糖苷酶活性降低,吳波波等[47]也認(rèn)為火燒會(huì)降低米櫧天然更新次生林土壤水解酶活性。目前關(guān)于火燒對(duì)土壤纖維素酶的研究相對(duì)較少[48],本研究表明火燒后纖維素酶活性降低,而酚氧化物酶活性和過(guò)氧化物酶活性在表層土壤中升高,這也與吳波波等[47]、Boerner等[49]和Tas等[50]對(duì)米櫧次生林,白櫟闊葉林和針葉林的土壤酶活性研究結(jié)果一致。已有研究表明,導(dǎo)致土壤β-葡萄糖苷酶活性和纖維素酶活性降低的原因是土壤中活性有機(jī)碳含量降低,容易被微生物分解利用的活性有機(jī)碳減少導(dǎo)致微生物對(duì)水解酶的分泌減少[51],本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示火燒后土壤微生物量碳、水溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳含量降低,微生物分泌的水解酶(β-葡萄糖苷酶和纖維素酶)含量也降低,這表明火燒后微生物易利用的底物減少,從而可能導(dǎo)致土壤微生物分泌的酶減少,進(jìn)而降低土壤水解酶活性。土壤氧化酶(酚氧化物酶和過(guò)氧化物酶)主要分解土壤難分解碳[52],火燒后土壤活性碳含量降低,微生物可能改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)分泌更多的氧化酶。

火燒會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生變化。如韓春蘭等[53]研究表明,輕度火燒后大興安嶺興安落葉松林區(qū)土壤有機(jī)碳含量降低,本文的研究結(jié)果與此一致。但也有研究表明火燒后土壤有機(jī)碳含量升高[54],尹云峰等[55]發(fā)現(xiàn),火燒后杉木人工林土壤有機(jī)碳含量變化不顯著。導(dǎo)致上述結(jié)果的原因可能是林火的類型,強(qiáng)度以及地質(zhì)因素的不同[54]。Wang等[56]Meta分析發(fā)現(xiàn),火燒后土壤微生物量碳含量減少40.5%,也與本研究結(jié)果相似,Fritze等[57]也發(fā)現(xiàn),針葉林火燒后土壤微生物量碳需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)到火燒前水平。土壤溶解性有機(jī)碳與土壤微生物量碳含量具有很高的正相關(guān)性,因此火燒后其變化與土壤微生物量碳相似[22]。本研究中顆粒有機(jī)碳含量減少,且0—10 cm土層土壤顆粒有機(jī)碳含量變動(dòng)較大,可能是火燒破壞了表層土壤結(jié)構(gòu),使受團(tuán)聚體保護(hù)的碳裸露于空氣中,微生物對(duì)其利用效率更高[58]。對(duì)于易氧化碳,研究結(jié)果中0—10 cm土層土壤易氧化碳含量降低,這與張茂增等[29]研究發(fā)現(xiàn)火燒后樟子松林土壤易氧化碳含量減少結(jié)果一致,原因是由于土壤易氧化碳在火燒條件下發(fā)生氧化分解而損失。本研究發(fā)現(xiàn),火燒后微生物量碳、溶解性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳和易氧化碳與總碳的比例在0—10 cm土層土壤中降低,而粘粒有機(jī)碳與總碳的比例升高,原因是土壤不穩(wěn)定有機(jī)碳對(duì)火燒高溫過(guò)程更加敏感,而土壤惰性有機(jī)碳性質(zhì)穩(wěn)定不易被短時(shí)快速的林火破壞[29]。10—20 cm土層土壤幾種碳與總碳的比例趨勢(shì)相似,原因可能是林火對(duì)淺層土壤有機(jī)碳影響較大,對(duì)深層土壤有機(jī)碳的擾動(dòng)較小?；馃龔?qiáng)度的不同以及實(shí)驗(yàn)樣地土壤條件的不同,可能是本研究結(jié)果與其他研究結(jié)果不同的重要因素[54]。

5 結(jié)論

火燒后馬尾松人工林0—20 cm土層土壤的水解酶(β-葡萄糖苷酶和纖維素酶)活性顯著降低,而0—10 cm土層土壤的酚氧化物酶和過(guò)氧化物酶活性顯著升高。

馬尾松人工林土壤的微生物量碳,顆粒有機(jī)碳、溶解性有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳在火燒后一年含量明顯降低;但是土壤粘粒有機(jī)碳含量變化不顯著。