魏楓　王慧娟　邱秀文　周桂香　楊麗麗　郭曉敏

摘要：為探究氮沉降對(duì)亞熱帶森林土壤酶活性的影響，在樟樹(shù)人工林中開(kāi)展了野外模擬氮沉降試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照[CK，0 kg/（hm2·年）]、低氮[N1，30 kg/（hm2·年）]和高氮[N2，60 kg/（hm2·年）]3種氮處理，分別在施氮前期（3個(gè)月）、中期（6個(gè)月）、后期（12個(gè)月）采集土壤樣品，測(cè)定土壤酶活性。結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，在0～10 cm土層，過(guò)氧化氫酶活性在3個(gè)月和12個(gè)月后受高氮沉降的顯著促進(jìn)作用;淀粉酶活性在施氮6個(gè)月和12個(gè)月后受氮沉降的顯著促進(jìn)作用;受氮沉降影響，蔗糖酶活性在施氮12個(gè)月后顯著提升。在10～20 cm土層，過(guò)氧化氫酶、淀粉酶、蔗糖酶活性受氮沉降的影響不顯著。從施氮時(shí)間來(lái)看，氮沉降對(duì)酸性磷酸酶活性的影響表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制，在施氮后3個(gè)月時(shí)，0～10 cm土層酸性磷酸酶活性受低氮沉降的顯著促進(jìn)作用;在施氮后6個(gè)月時(shí)，10～20 cm土層酸性磷酸酶活性被氮沉降抑制。氮沉降對(duì)脲酶活性的影響則相反，在施氮后3個(gè)月時(shí)，10～20 cm土層脲酶活性受到顯著抑制;在施氮后12個(gè)月時(shí)，0～10 cm土層脲酶活性受氮沉降的顯著促進(jìn)作用，10～20 cm土層脲酶活性僅受高氮沉降的顯著促進(jìn)作用。土壤蔗糖酶活性與淀粉酶活性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與脲酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤酸性磷酸酶活性與脲酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明不同土壤酶活性之間的相關(guān)性存在差異。

關(guān)鍵詞：氮沉降;樟樹(shù)人工林;土壤酶活性

中圖分類號(hào)：S718.51+6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）19-0129-04

收稿日期：2018-06-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41661068）;江西省自然科學(xué)基金（編號(hào)：20161BAB214150）;江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：20171BBF60057）;土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（編號(hào)：Y20160010）。

作者簡(jiǎn)介：魏 楓（1992—），男，陜西西安人，碩士，主要從事農(nóng)林土壤營(yíng)養(yǎng)恢復(fù)研究。E-mail：wfjxau@163.com。

通信作者：郭曉敏，博士，教授，主要從事經(jīng)濟(jì)林栽培、林木營(yíng)養(yǎng)研究。E-mail：gxmjxau@163.com。

近幾十年來(lái)，我國(guó)工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展、化石能源燃燒量的增加以及含氮化肥的大量生產(chǎn)和使用導(dǎo)致活性氮的排放量明顯增加[1]。眾多研究表明，氮沉降的顯著增加不僅影響著植物物種的多樣性、生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、植物群落的組成和植物的生長(zhǎng)狀況[2]，而且改變了土壤的理化性質(zhì)、微生物群落的功能結(jié)構(gòu)以及土壤酶活性[3]。因而，大氣氮沉降的增加已成為科學(xué)家和公眾關(guān)注的熱點(diǎn)內(nèi)容之一[4]。

土壤酶是土壤微生物和植物的分泌物，在土壤生物化學(xué)過(guò)程中扮演著重要的角色，對(duì)于土壤質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的評(píng)價(jià)具有十分重要的作用。土壤酶對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解速率受氮沉降的干擾，這在很大程度上直接影響到林木的生長(zhǎng)狀況[5]。因此，研究氮沉降對(duì)我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)制及發(fā)展?jié)摿Φ奶骄烤哂兄匾囊饬x。

近年來(lái)，各地關(guān)于氮沉降增加對(duì)土壤酶活性影響的研究較多，但沒(méi)有得到統(tǒng)一的結(jié)論。閆鐘清等研究發(fā)現(xiàn)，氮增加抑制了脲酶活性[6]，而宋學(xué)貴等分別對(duì)川南天然常綠闊葉林和華西雨屏區(qū)苦竹林中土壤進(jìn)行了模擬氮沉降試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氮沉降增加了脲酶的活性[3，7]。由此可見(jiàn)，不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤酶活性對(duì)氮沉降的響應(yīng)存在差異。本研究選擇樟樹(shù)人工林為研究對(duì)象，通過(guò)野外模擬氮沉降試驗(yàn)，研究土壤酶活性對(duì)大氣氮沉降的響應(yīng)，以期為深入開(kāi)展森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氮沉降增加的響應(yīng)機(jī)制研究提供數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國(guó)江西省的九江市（29°68′N，115°98′E），試驗(yàn)站點(diǎn)的年平均溫度為17 ℃，年平均降水量為1 407 mm，該地區(qū)屬于季風(fēng)性亞熱帶氣候，四季分明，每年平均有240個(gè)無(wú)霜日，土壤類型為紅壤。樟樹(shù)樹(shù)齡為6年，平均胸徑為 14.4 cm，平均株高為6.5 m。試驗(yàn)樣地平均pH值為6.0，有機(jī)質(zhì)含量為11.4 g/kg，土壤全氮含量為1.3 g/kg。

1.2 模擬氮沉降試驗(yàn)樣地設(shè)置及取樣方法

2014年11月，在試驗(yàn)區(qū)選擇立地條件基本相似的區(qū)域，設(shè)定了9個(gè)樣地，每個(gè)樣地為2 m×3 m，樣地之間留有5 m寬的緩沖區(qū)域，以防樣地間相互干擾。每個(gè)樣地區(qū)域中的地表植株和凋落物有所保留。將所有樣地分成3個(gè)不同濃度的施氮處理，按施氮量由低到高分別標(biāo)記為N0[0 kg/（hm2·年）]、N1[30 kg/（hm2·年）]、N2[60 kg/（hm2·年）]，每個(gè)施氮處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。模擬氮沉降時(shí)間為2014年11月至2015年11月，將施氮量換算成每月施氮量，每月末將各處理所需的NH4NO3溶解于1 L水中，用噴霧器在樣地均勻噴灑，同時(shí)向?qū)φ諛拥貒娛┩瑯觿┝康那逅詼p少外加水分因子對(duì)試驗(yàn)造成的影響。

分別于2015年的2、5、11月在施氮區(qū)域按照隨機(jī)、等量、多點(diǎn)混合的原則進(jìn)行土壤取樣。土壤取樣時(shí)將中心區(qū)上層土壤結(jié)皮去除，分0～10 cm、10～20 cm 2層取樣。去除大的石塊及根系等雜物后，將土壤樣品裝入取樣箱中帶回實(shí)驗(yàn)室，置于4 ℃冰箱保存，迅速完成土壤酶活性的測(cè)定。

1.3 土壤酶活性的測(cè)定方法

土壤淀粉酶、蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定;過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定;脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測(cè)定;酸性磷酸酶活性采用對(duì)硝基苯磷酸二鈉比色法測(cè)定[8]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行分析。利用單因素方差分析和Tukey多重比較法比較不同處理數(shù)據(jù)的組間差異，不同土壤酶活性之間的相關(guān)關(guān)系采用Pearson相關(guān)分析法進(jìn)行分析，用Origin 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬氮沉降對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響

從圖1可以看出，0～10 cm土層蔗糖酶活性對(duì)施氮響應(yīng)較大，尤其在試驗(yàn)后期（12個(gè)月）表現(xiàn)更加明顯，N1、N2 2理均可顯著提高土層蔗糖酶活性，分別比對(duì)照高279%、295%，但2處理間蔗糖酶活性差異不顯著;10～20 cm 土層，施氮處理對(duì)蔗糖酶活性影響不顯著。各處理酶活性大小會(huì)隨施氮時(shí)間發(fā)生變化，且變化規(guī)律受施氮程度及土層深度的影響。隨著施氮時(shí)間的延長(zhǎng)，0～10 cm土層，N1處理的酶活性先減小后增大，N2處理的酶活性持續(xù)增大;10～20 cm土層，不同處理蔗糖酶活性的變化規(guī)律一致，表現(xiàn)先減小后增大，最大值出現(xiàn)在施氮后期（12個(gè)月）。

2.2 模擬氮沉降對(duì)酸性磷酸酶活性的影響

從圖2可以看出，氮沉降對(duì)土壤酸性磷酸酶活性的影響因施氮時(shí)間和施氮量的不同而產(chǎn)生變化。隨施氮時(shí)間的延長(zhǎng)，氮添加對(duì)酸性磷酸酶活性的作用由促進(jìn)逐漸轉(zhuǎn)為抑制，不同土層出現(xiàn)抑制的時(shí)間不同。0～10 cm土層，N1處理對(duì)酸性磷酸酶活性的顯著促進(jìn)作用體現(xiàn)在施氮前期（3個(gè)月），施氮中期（6個(gè)月）影響不顯著，施氮后期酶活性低于對(duì)照處理;N2處理對(duì)酸性磷酸酶活性無(wú)顯著影響。10～20 cm土層，氮添加對(duì)酸性磷酸酶活性的較大抑制作用體現(xiàn)在施氮中期（6個(gè)月），N2處理對(duì)酸性磷酸酶活性的抑制作用高于N1處理，其他階段氮添加對(duì)酸性磷酸酶活性無(wú)顯著影響。

2.3 模擬氮沉降對(duì)脲酶活性的影響

施氮對(duì)脲酶活性的影響與酸性磷酸酶相反（圖3），施氮前期（3個(gè)月）表現(xiàn)為抑制作用，尤其在10～20 cm土層，抑制作用明顯，N0處理與N1、N2處理的酸性磷酸酶活性差異顯著，而N1、N2處理差別不大。施氮后期（12個(gè)月）表現(xiàn)為促進(jìn)作用，0～10 cm土層，施氮處理對(duì)脲酶活性的影響顯著，N1處理與N2處理差別不大;10～20 cm土層，N1處理的促進(jìn)作用不明顯，而N2處理能顯著提高脲酶活性。N0處理下，脲酶活性在施氮前期出現(xiàn)最大值，而N1、N2處理的脲酶活性均在施氮后期達(dá)到最大值。

2.4 模擬氮沉降對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響

從圖4可以看出，施氮可以提高土壤過(guò)氧化氫酶活性，其促進(jìn)作用在0～10 cm土層表現(xiàn)更為明顯，施氮3個(gè)月后，N2處理的過(guò)氧化氫酶活性顯著高于N1、N0處理，隨著施氮時(shí)間的延長(zhǎng)，N2處理酶活性逐漸下降，且在施氮12個(gè)月后，N2處理與N0處理酶活性差異顯著，N2處理的過(guò)氧化氫酶活性最大;10～20 cm土層，不同處理的過(guò)氧化氫酶活性雖無(wú)明顯差異，但N1、N2處理隨施氨時(shí)間的延長(zhǎng)降幅更大，施氮12個(gè)月后，N1、N2處理的過(guò)氧化氫酶活性低于N0處理。同時(shí)，過(guò)氧化氫酶活性變化也與施氮時(shí)間有關(guān)，在施氮3個(gè)月后，0～

10 cm 土層的過(guò)氧化氫酶活性比10～20 cm低，而在施氮6個(gè)月后，0～10 cm土層的酶活性高于10～20 cm。

2.5 模擬氮沉降對(duì)淀粉酶活性的影響

從圖5可以得出，施氮對(duì)土壤淀粉酶活性有促進(jìn)作用，然而其作用的大小與土層深度及施氮時(shí)間有關(guān)。相比之下，0～10 cm土層受施氮的影響更為明顯，試驗(yàn)初期（3個(gè)月），氮添加對(duì)淀粉酶活性的促進(jìn)作用不明顯，而試驗(yàn)中期（6個(gè)月），氮添加能顯著提高土壤淀粉酶活性，3種處理之間有顯著差異;隨施氮時(shí)間的延長(zhǎng)，這種促進(jìn)作用表現(xiàn)得更為明顯，且N2處理>N1處理。10～20 cm土層受施氮影響不顯著（圖5-B）。

2.6 土壤不同酶活性之間的相關(guān)性分析

本試驗(yàn)對(duì)氮添加下表層土壤（0～10 cm）酶活性進(jìn)行了相關(guān)性分析。結(jié)果（表1）表明，土壤蔗糖酶活性與淀粉酶、脲酶活性均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.57、0.41;土壤酸性磷酸酶活性與脲酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.46，說(shuō)明不同的土壤酶活性之間相關(guān)性不一致。

3 討論與結(jié)論

一般認(rèn)為，土壤酶活性受土層深度的影響[9]。在本研究中也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，蔗糖酶、酸性磷酸酶、淀粉酶活性總體隨土層加深而降低，這可能是因?yàn)楸韺油寥乐凶匀坏蚵湮镙^多，為微生物提供了充足的能源。本研究還表明，脲酶活性總體隨土層深度的增加而增加，過(guò)氧化氫酶在不同土層的活性受施氮量影響差異較明顯，而淀粉酶活性主要受施氮時(shí)間的影響，由此可推斷土層的深度、施氮量、施氮時(shí)間等因素對(duì)土壤酶活性均有影響。

相對(duì)于不施氮處理的對(duì)照樣地，施氮12個(gè)月后蔗糖酶活性在不同施氮水平下均得到提高，該結(jié)果與宋學(xué)貴等得出的氮沉降增加了川南天然常綠闊葉林土壤蔗糖酶活性的結(jié)論[3]相似，但卻不同于沈芳芳等的中-低程度的氮沉降對(duì)蔗糖酶無(wú)影響的結(jié)論[10]。這可能是因?yàn)椴煌芯繀^(qū)域的植株對(duì)碳的吸收和利用能力不同[11]。白春華等研究表明，土壤中充足的養(yǎng)分供應(yīng)有助于提高微生物活性，增加動(dòng)植物分泌物，進(jìn)而提高蔗糖酶活性[12]。此外，長(zhǎng)期施氮會(huì)改變表層土壤微生物的功能多樣性[13]。

本研究發(fā)現(xiàn)，施氮對(duì)土壤淀粉酶活性有促進(jìn)作用，且該促進(jìn)作用和土層深度及施氮時(shí)間等因素有關(guān)，0～10 cm土層淀粉酶活性更易受施氮的影響，施氮時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)酶活性的促進(jìn)作用越顯著。在試驗(yàn)前期（3個(gè)月），低氮處理下，0～10 cm土層酸性磷酸酶活性受到顯著促進(jìn)作用，而高氮處理對(duì)酸性磷酸酶活性無(wú)顯著影響，在試驗(yàn)中期（6個(gè)月），高氮處理下0～10 cm土層中酸性磷酸酶活性低于對(duì)照處理，而低氮處理下的酸性磷酸酶活性高于對(duì)照處理，說(shuō)明低氮對(duì)土壤酸性磷酸酶具有一定的促進(jìn)作用，高氮沉降則會(huì)抑制酶的活性，該結(jié)果與周曉兵等的研究結(jié)論[11]一致。

氮添加可以增加土壤中氮的含量，從而使脲酶活性增加，這可能與脲酶參與土壤中尿素的分解和氮素的循環(huán)有關(guān)[14]。在試驗(yàn)后期（12個(gè)月），氮沉降顯著促進(jìn)了0～10 cm土層脲酶活性，高氮處理顯著促進(jìn)了10～20 cm土層的脲酶活性，這與長(zhǎng)期施氮能增加土壤和凋落物層脲酶活性的結(jié)論[15-16]一致。蘇潔瓊等的研究結(jié)果表明，施氮降低了土壤脲酶的活性[17]。氮添加對(duì)脲酶活性影響不一致的結(jié)果可能是由于不同研究區(qū)域的土壤理化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)和植被類型差異較大。

劉建國(guó)等認(rèn)為，過(guò)氧化氫酶參與腐殖質(zhì)的合成，其活性的提高有利于腐殖質(zhì)的合成，其活性變化反映了土壤腐殖化和有機(jī)質(zhì)的積累程度[18]。本研究結(jié)果顯示，試驗(yàn)后期（12個(gè)月），在0～10 cm土層，不同施氮水平處理均促進(jìn)了過(guò)氧化氫酶活性，其中高氮處理的促進(jìn)作用更顯著，這與眾多前人研究結(jié)果[7，19]一致。氮沉降對(duì)10～20 cm土層過(guò)氧化氫酶活性無(wú)顯著影響，杜錕等同樣發(fā)現(xiàn)，氮添加對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性無(wú)顯著影響[20]。還有研究表明，氮添加對(duì)過(guò)氧化氫酶活性有抑制作用[21]。以上研究結(jié)果表明，不同水平氮沉降對(duì)不同土層的過(guò)氧化氫酶活性的影響存在差異，這可能與地域、植被、微生物群落結(jié)構(gòu)等環(huán)境因素有關(guān)。

綜上所述，氮沉降對(duì)樟樹(shù)人工林土壤酶活性有重要影響。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，氮沉降促進(jìn)了0～10 cm土層過(guò)氧化氫酶、淀粉酶、蔗糖酶的活性，對(duì)酸性磷酸酶活性表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制，對(duì)脲酶活性則表現(xiàn)為先抑制后促進(jìn)。高氮沉降對(duì)過(guò)氧化氫酶、淀粉酶、脲酶活性的促進(jìn)作用更為明顯，而在低氮沉降下，酸性磷酸酶能總體保持更高的酶活性。另外，施氮水平對(duì)蔗糖酶活性的影響不大。不同氮沉降水平下，淀粉酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶活性隨土層深度的增加而降低，脲酶活性隨土層深度的增加而增加，不同土層的過(guò)氧化氫酶活性受施氮時(shí)間的影響。

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