王 一,欒軍偉,劉世榮

1 國(guó)際竹藤中心 國(guó)家林業(yè)和草原局/北京市共建竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100102 2 四川長(zhǎng)寧竹林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站, 宜賓 644000 3 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)環(huán)境與自然保護(hù)研究所, 北京 100091

世界范圍內(nèi)工業(yè)的發(fā)展、化石燃料使用以及氮(N)肥施用導(dǎo)致大氣活性N沉降量逐年增加,全球大氣N沉降速率預(yù)計(jì)在2050年會(huì)比工業(yè)革命前增加近3倍[1—2]。盡管近年來(lái)我國(guó)工業(yè)減排和農(nóng)業(yè)減肥使我國(guó)氮沉降量趨于穩(wěn)定,但我國(guó)仍是氮沉降較嚴(yán)重地區(qū)之一[1, 3]。通常來(lái)講,通過沉降作用進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的氮素可作為養(yǎng)分滿足植被對(duì)氮素的需求,增加地上部分生產(chǎn)力[1, 4]。但長(zhǎng)期且過量的氮沉降會(huì)引起土壤酸化、地上植被組成和地下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變、甚至生態(tài)系統(tǒng)功能改變[5—7]。亞熱帶森林常被認(rèn)為我國(guó)重要的N沉降區(qū)且相對(duì)缺乏磷元素(P)[3, 8],持續(xù)的N輸入會(huì)加劇亞熱帶地區(qū)的P限制從而影響生態(tài)系統(tǒng)過程[9—11]?？焖偕L(zhǎng)的植物由于在合成蛋白質(zhì)過程中需要大量的P作為結(jié)構(gòu)支撐[12],因此可能加劇與土壤微生物對(duì)P元素的競(jìng)爭(zhēng)作用。盡管已開展大量氮磷添加試驗(yàn)研究[13],但受限于不同氣候帶生態(tài)系統(tǒng)具有不同氮磷養(yǎng)分狀況,目前很多結(jié)論仍存在爭(zhēng)議。尤其是在具有爆發(fā)式生長(zhǎng)特征的毛竹林生態(tài)系統(tǒng)中,開展N、P添加試驗(yàn)對(duì)我們了解N沉降下毛竹和土壤微生物的響應(yīng)具有重要的作用。

土壤酶作為土壤中植物根系和微生物協(xié)同作用產(chǎn)生的活性物質(zhì),在調(diào)節(jié)土壤碳(C)和養(yǎng)分循環(huán)中發(fā)揮重要的作用,其常被作為參與土壤中C、N、P轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分釋放的重要工具,也被作為土壤微生物對(duì)全球變化響應(yīng)的重要指示因子[14—15]。酶的分泌過程需要能量和養(yǎng)分,因此土壤養(yǎng)分狀況變化會(huì)改變土壤酶產(chǎn)量分配[14]。植物通過根系獲取養(yǎng)分,這可能會(huì)加劇根系和土壤微生物之間對(duì)養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)[16]。根系也會(huì)以分泌物的形式和自身周轉(zhuǎn)為微生物生長(zhǎng)提供必需的能量[17]。因此,根系輸入變化將會(huì)通過改變土壤養(yǎng)分狀況以及底物數(shù)量和質(zhì)量進(jìn)而影響與土壤微生物生長(zhǎng)相關(guān)的C、N、P資源在土壤酶中的分配[18]。在該過程中,土壤微生物通過“優(yōu)化資源配置”協(xié)調(diào)分配與C、N、P循環(huán)相關(guān)的酶產(chǎn)量以滿足其對(duì)能量和養(yǎng)分的需求[15]。目前,已開展了毛竹林土壤酶活性對(duì)N添加響應(yīng)的研究[19],但基于土壤酶的功能多樣性[20],探究土壤C、N、P循環(huán)相關(guān)酶活性對(duì)N、P添加和根系輸入變化的響應(yīng)差異將有助于我們預(yù)測(cè)全球變化對(duì)竹林生態(tài)系統(tǒng)C、N、P循環(huán)的潛在影響。

毛竹(Phyllostachysedulis)作為我國(guó)面積最大,分布最廣的竹種,廣泛分布于我國(guó)亞熱帶地區(qū)[21]。毛竹爆發(fā)式生長(zhǎng)階段需要從根系獲取大量養(yǎng)分供應(yīng),根系輸入變化可能會(huì)改變毛竹與土壤微生物之間對(duì)養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng),進(jìn)而影響土壤酶活性的變化。壕溝處理作為一種有效的改變根系輸入的手段,可在對(duì)土壤擾動(dòng)盡量小的情況下切斷植物根系達(dá)到根系去除的效果,進(jìn)而改變植物與微生物之間的養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)作用[22]。我們之前研究發(fā)現(xiàn)四川長(zhǎng)寧地區(qū)毛竹林生態(tài)系統(tǒng)P相對(duì)缺乏[23],根系輸入變化是否會(huì)改變毛竹林土壤酶活性對(duì)N和P添加的響應(yīng)我們?nèi)圆磺宄?。因此開展毛竹林生態(tài)系統(tǒng)N和P添加試驗(yàn)并結(jié)合樣地內(nèi)壕溝樣方試驗(yàn),考察土壤C、N、P循環(huán)相關(guān)酶活性對(duì)氮磷添加和根系去除的響應(yīng),為深入理解N沉降對(duì)亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳和養(yǎng)分循環(huán)的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于四川省宜賓市長(zhǎng)寧縣蜀南竹海景區(qū)(28°15′—28°47′ N,104°44′—105°03′ E),位于云貴高原向四川盆地過渡區(qū),屬中亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候,降水豐富,溫暖濕潤(rùn),年均降雨量1141.7 mm,年均氣溫18.3 ℃[24]。土壤以山地黃壤和紫色土為主(本研究所在區(qū)域?qū)偕降攸S壤)。該區(qū)處于西南叢生竹林區(qū),江南混合竹和西南高山竹的分布交界區(qū)。研究地點(diǎn)的毛竹林是我國(guó)毛竹林成片分布西北緣,林下優(yōu)勢(shì)植物有紅蓋鱗毛蕨(Dryopteriserythrosora)、芒萁(Dicranopterisdichoyoma)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)、烏蕨(Stenolomachusanum)、亮毛蕨(Acystopterisjaponica)、千金子等(Leptochloachinensis)[25]。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016年11月采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)[24],在長(zhǎng)勢(shì)健康的毛竹林設(shè)置4個(gè)區(qū)組,每個(gè)區(qū)組隨機(jī)安排對(duì)照處理(CK: control)、氮添加處理(N: N addition)、磷添加處理(P: P addition)和氮磷添加處理(N+P: N and P addition)。4個(gè)處理安排在4個(gè)區(qū)組內(nèi),共4個(gè)重復(fù),共計(jì)16塊樣地。每個(gè)樣地面積為20 m × 20 m,樣地間至少預(yù)留5 m緩沖帶。同時(shí)為防止毛竹鞭根生理整合效應(yīng),在每個(gè)樣地周圍埋入0.3 cm厚、80 cm寬的PVC軟板。翌年4月在每塊樣地冠層下空地隨機(jī)選擇3個(gè)1 m × 1 m樣方進(jìn)行深60 cm壕溝斷根處理(Trench),去掉樣方內(nèi)灌草的地上部分,并用相同規(guī)格PVC軟板插入以阻隔根系重新長(zhǎng)入,整個(gè)試驗(yàn)期間保持壕溝樣方內(nèi)無(wú)活植物體。同年6月,采用林冠下自動(dòng)噴灌方式進(jìn)行外源氮磷添加。其中,N添加量依據(jù)我國(guó)亞熱帶地區(qū)實(shí)際氮沉降量和未來(lái)增加趨勢(shì)設(shè)置高氮濃度[26],P添加量參考Cleveland方法[27]按照其與N添加量的相同配比進(jìn)行。N添加選用NH4NO3,添加量為10 g N m-2a-1;P添加選用NaH2PO4,添加量為10 g P m-2a-1,添加量在每年平均分成6次隔月進(jìn)行添加。每次添加將NH4NO3或NaH2PO4溶解于100 L水中并通過自動(dòng)噴施系統(tǒng)均勻噴灑于樣地內(nèi),對(duì)照樣地噴施等體積的水,以防止氮磷添加導(dǎo)致的水分效應(yīng)。樣地空間分布圖和植被信息分別見圖1和表1。

表1 樣地信息

圖1 樣地空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of the plots

2.2 土壤樣品采集和化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

2.3 土壤酶活性測(cè)定

采用熒光微平板法測(cè)定土壤酶活性[29]:把1.00 — 1.25 g鮮土加入125ml的醋酸鈉緩沖液中(50 mmol/L pH=4.2),在攪拌機(jī)中均質(zhì)1 min制成土壤懸液。將參與土壤C、N、P循環(huán)相關(guān)的共7種水解酶底物(表2)取50 μL加入已有200 μL土壤懸液的96孔微平板中作為樣品控制,樣品控制采用200 μL土壤懸液和50 μL酶底物,對(duì)照控制采用200 μL土壤懸液和50μL醋酸鈉緩沖液,淬火控制為200 μL土壤懸液和50 μL標(biāo)準(zhǔn)底物,底物控制為200 μL醋酸鈉緩沖液和50 μL酶底物。每個(gè)土壤樣品的每種控制設(shè)置1列,共計(jì)8個(gè)孔。在25 ℃培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)3 h后加入5 μL NaOH(0.5 N)停止反應(yīng),并使用酶標(biāo)儀(LAMBDA 35,PerkinElmer,USA)進(jìn)行熒光掃描讀數(shù)。

表2 土壤酶活性、功能和底物信息表

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)German等人[30]方法計(jì)算AG、BG、BX、CB、NAG、AP和LAP活性,根據(jù)Moorhead等人[20]和Jing等人[13]方法進(jìn)行土壤酶活性矢量分析,以明確土壤微生物受到碳限制還是養(yǎng)分限制。其中:矢量長(zhǎng)度(VL,Vector length)表示土壤微生物碳和養(yǎng)分的相對(duì)限制,矢量角度(VD,Vector degree)表示土壤微生物N和P的相對(duì)限制,矢量角度>45°表示P限制,矢量角度<45°表示N限制。計(jì)算公式如下:

X=(BG+CB)/[(BG+CB)+AP]

Y=(BG+CB)/[(BG+CB)+(NAG+LAP)]

Vector length=SQRT(X2+Y2)

Vector degree=DEGREES(ATAN2(X,Y))

采用一般線性模型將氮添加(N)、磷添加(P)和根系去除(Trench)作為固定效應(yīng),將區(qū)組作為隨機(jī)效應(yīng),檢驗(yàn)氮磷添加和根系輸入變化的主效應(yīng)(N、P、Trench)及交互效應(yīng)(N×P、N×Trench、P×Trench以及N×P×Trench)對(duì)未壕溝樣地和壕溝樣方土壤和細(xì)根化學(xué)性質(zhì)、土壤酶活性、和土壤酶活性矢量特征的影響,采用Pearson相關(guān)分析分別檢驗(yàn)未壕溝樣地和壕溝樣方土壤酶活性與土壤和細(xì)根化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性。以AG、BG、BX、CB、AP、NAG和LAP作為物種,使用Canoco 4.5進(jìn)行主成分分析,并以土壤化學(xué)性質(zhì)作為環(huán)境因子,使用Canoco 4.5進(jìn)行冗余分析。所有統(tǒng)計(jì)分析均采用SPSS 17.0(SPSS Inc., Chicago, USA)進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 氮磷添加和根系去除對(duì)土壤和細(xì)根化學(xué)性質(zhì)的影響

氮添加處理(N)導(dǎo)致土壤碳磷比和氮磷比分別顯著降低17.5%和16.2%(P=0.035,P=0.006)(表3),磷添加處理(P)導(dǎo)致細(xì)根全磷含量顯著增加88.6%(P<0.001),二者交互作用(N×P)顯著改變了細(xì)根有機(jī)碳含量(P=0.003),其中P處理降低了N處理對(duì)細(xì)根有機(jī)碳含量的促進(jìn)作用。根系去除處理(Trench)導(dǎo)致土壤全氮含量和銨態(tài)氮含量分別顯著降低33.6%(P=0.004)和66.0%(P=0.014),土壤全磷含量和碳氮比分別顯著增加74.4%(P=0.008)和38.8%(P=0.001)。根系去除處理與氮添加交互作用(N×Trench)顯著改變了土壤銨態(tài)氮(P=0.034)、土壤碳磷比(P=0.003)和土壤氮磷比(P=0.001),Trench處理抑制了N處理對(duì)土壤銨態(tài)氮的增加,但進(jìn)一步增加了土壤碳磷比和土壤氮磷比。P處理與Trench處理(P×Trench)及二者與N處理的交互作用(N×P×Trench)對(duì)土壤和細(xì)根化學(xué)性質(zhì)無(wú)顯著影響(表3,圖2—3)。

圖3 不同處理細(xì)根化學(xué)性質(zhì)Fig.3 Fine root properties in different treatments

表3 氮磷添加和根系去除及其交互作用對(duì)土壤和細(xì)根化學(xué)性質(zhì)的影響(P值)

3.2 氮磷添加和根系去除對(duì)土壤酶活性和矢量特征的影響

N處理導(dǎo)致土壤α-糖苷酶(AG)活性顯著增加了29.7%(P=0.048),P處理導(dǎo)致土壤酸性磷酸酶(AP)活性顯著降低34.0%(P=0.004),二者交互作用顯著改變了β-糖苷酶(BG)(P=0.032)和纖維二糖水解酶(CB)(P=0.002)活性,其中P處理降低了N處理對(duì)BG和CB的促進(jìn)作用。Trench處理導(dǎo)致土壤AG、纖維二糖水解酶(CB)和亮氨酸氨基肽酶(LAP)活性分別顯著增加了313.4%(P=0.003)、113.7%(P=0.023)和25.6%(P=0.020),AP活性顯著降低了62.3%(P=0.024)。Trench處理與N處理(N×Trench)及其與P處理(P×Trench)的交互作用分別顯著改變了AG(P=0.011)和AP活性(P=0.048),其中,與未壕溝樣地相比,N處理在壕溝樣方增加了AG活性而P處理在壕溝樣方降低了AP活性。P處理和Trench處理分別導(dǎo)致土壤酶活性矢量角度顯著降低4.7%(P=0.013)和11.1%(P=0.005),N處理與P處理交互作用(N×P)顯著改變了土壤酶活性矢量長(zhǎng)度(P=0.027)和角度(P=0.027),P處理將N處理對(duì)矢量長(zhǎng)度的促進(jìn)作用轉(zhuǎn)為抑制作用,而將N處理對(duì)矢量角度的抑制作用轉(zhuǎn)為促進(jìn)作用。N處理與Trench處理交互作用(N×Trench)(P=0.036)及其與P處理三者交互作用(N×P×Trench)(P=0.032)顯著改變了土壤酶活性矢量角度(表4,圖4)。

表4 氮磷添加和根系去除及其交互作用對(duì)土壤酶活性和矢量特征的影響(P值)

3.3 土壤和細(xì)根化學(xué)性質(zhì)對(duì)土壤酶活性的影響

綜合7種參與土壤C、N、P循環(huán)相關(guān)酶活性發(fā)現(xiàn):未壕溝樣地和壕溝樣方以第一主成分軸顯著分開,解釋率為55.1%,而N處理與其他三種處理以第二主成分軸分開,解釋率為30.8%(圖5)。RDA分析發(fā)現(xiàn):土壤化學(xué)性質(zhì)共揭示土壤酶活性整體變異的93.6%,其中土壤碳氮比(P=0.001)、有機(jī)碳(P=0.007)、硝態(tài)氮(P=0.009)、銨態(tài)氮(P=0.026)和全氮(P=0.043)含量是影響土壤酶活性變異的主要原因(圖6)。通過進(jìn)一步相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)(表5):在未壕溝樣地,土壤養(yǎng)分含量(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)和細(xì)根化學(xué)性質(zhì)(全氮和全磷)是影響土壤酶活性的主要因子;而在壕溝樣方,土壤有機(jī)碳和全氮含量則是影響土壤酶活性的主要因子。

表5 土壤和細(xì)根化學(xué)性質(zhì)與土壤酶活性相關(guān)分析

圖5 土壤酶活性主成分分析Fig.5 Principle component analysis of soil enzyme activities

圖6 土壤酶活性與土壤化學(xué)計(jì)量特征冗余分析(RDA)Fig.6 Redundancy analysis of soil enzyme activity and soil characteristicsAG:α-葡糖苷酶;BG:β-葡糖苷酶;BX:木糖苷酶;CB:纖維二糖水解酶;NAG:N-乙酰-葡糖苷酶;AP:酸性磷酸酶;LAP:亮氨酸氨基肽酶;TOCsoil:土壤有機(jī)碳;TNsoil:土壤全氮;TPsoil:土壤全磷;Soil C:N:土壤碳氮比;Soil C:P:土壤碳磷比;Soil N:P:土壤氮磷比;NO3:土壤硝態(tài)氮;NH4:土壤銨態(tài)氮;pH:土壤pH值

4 討論與結(jié)論

4.1 氮磷添加對(duì)土壤酶活性的影響

氮添加和磷添加主效應(yīng)對(duì)參與土壤C循環(huán)相關(guān)酶(BG、CB和BX)無(wú)顯著影響(除AG外)。與Chen等人[31]研究一致,認(rèn)為短期的養(yǎng)分添加尚未引起土壤C循環(huán)相關(guān)酶活性的改變[32]。與C循環(huán)相關(guān)酶活性響應(yīng)相似,氮添加和磷添加主效應(yīng)對(duì)土壤N循環(huán)相關(guān)酶活性亦未產(chǎn)生顯著影響,這可能是因?yàn)樵诜荖限制型生態(tài)系統(tǒng)繼續(xù)添加N素(10 g N m-2a-1)超過了生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植物和微生物對(duì)N的吸收[33],故對(duì)土壤氮循環(huán)過程無(wú)影響;此外,趙陽(yáng)等人[34]研究亦發(fā)現(xiàn)短期磷添加尚未改變熱帶森林土壤氮循環(huán)過程。鑒于N獲取策略的多樣性及其與C循環(huán)過程的耦合關(guān)系,土壤N循環(huán)相關(guān)酶分泌將受到土壤底物數(shù)量、質(zhì)量和微生物等多因素調(diào)控[31,35],這也會(huì)增加N循環(huán)相關(guān)酶對(duì)養(yǎng)分添加響應(yīng)的不確定性,故養(yǎng)分添加未對(duì)NAG和LAP產(chǎn)生顯著影響。與土壤C和N循環(huán)相關(guān)酶活性不同,磷添加主效應(yīng)顯著降低了AP活性。已有大量研究表明磷添加對(duì)土壤磷酸酶活性有顯著的抑制作用[36—37]。這是因?yàn)镻添加緩解了生態(tài)系統(tǒng)磷元素限制作用,降低了土壤微生物和植物對(duì)P的競(jìng)爭(zhēng)性利用[36],因此土壤微生物和植物的協(xié)同互作關(guān)系會(huì)降低以獲取磷為目的的AP分泌量?！百Y源配置理論”和“最優(yōu)分配原則”認(rèn)為養(yǎng)分添加會(huì)改變土壤酶活性,且優(yōu)先分配給缺乏的資源以緩解土壤養(yǎng)分的限制作用[15, 20,38]。研究發(fā)現(xiàn)P循環(huán)相關(guān)酶活性比C和N循環(huán)相關(guān)酶活性對(duì)氮磷添加的響應(yīng)更敏感,且AP活性遠(yuǎn)高于C和N循環(huán)相關(guān)酶活性。這可能是因?yàn)槲覀兊难芯繀^(qū)域?qū)儆赑缺乏型生態(tài)系統(tǒng)[23],所以在C、N、P資源分配中優(yōu)先滿足用于磷酸酶的分泌,以保證在植物和微生物在低磷環(huán)境的生長(zhǎng)發(fā)育。氮添加和磷添加二者交互作用顯著影響了土壤BG和CB活性,主要表現(xiàn)為氮磷共添加降低了單一氮或磷添加對(duì)BG和CB的促進(jìn)作用。這可能是因?yàn)閱我坏蛄滋砑涌赡軙?huì)相應(yīng)造成磷和氮元素的限制作用,進(jìn)而引發(fā)土壤微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)氮磷養(yǎng)分的開采作用[39—40],微生物在該過程中分泌更多的酶以降解大分子有機(jī)物并從中獲取更多的能量和養(yǎng)分。因此,當(dāng)?shù)坠蔡砑訒r(shí),氮磷養(yǎng)分的協(xié)調(diào)供應(yīng)可能會(huì)降低土壤微生物以養(yǎng)分開采為目的的酶產(chǎn)量。

4.2 根系去除對(duì)土壤酶活性的影響

與氮磷添加對(duì)土壤酶活性的影響不同,壕溝處理顯著改變了土壤C、N、P循環(huán)相關(guān)酶活性(表4)。其中,根系去除顯著增加了AG、CB和LAP的活性,但顯著降低了AP活性(表4,圖4)。作為土壤中重要的生物組分,根系通過自身周轉(zhuǎn)和分泌物的形式向土壤提供底物以供微生物利用[41—42]。壕溝切斷根系勢(shì)必會(huì)降低細(xì)根周轉(zhuǎn)和根系分泌物等活性有機(jī)碳輸入,進(jìn)而改變降解纖維素的CB活性和分解可溶性糖的AG活性[18,43]。根系去除引起土壤活性底物輸入減少降低了土壤質(zhì)量,增加了土壤碳氮比(表3,圖2)。土壤微生物需要分泌更多的酶分解較難利用的底物以應(yīng)對(duì)土壤質(zhì)量降低,故導(dǎo)致AG和CB活性增加。RDA分析(圖6)亦表明根系去除引起土壤碳氮比的增加是促使未壕溝樣地和壕溝樣方土壤酶活性產(chǎn)生分異的主要原因。土壤中含C底物輸入的減少也會(huì)伴隨著含N底物輸入的減少[44],可以從壕溝樣方中土壤全氮和銨態(tài)氮含量的降低得到驗(yàn)證(表3,圖2)。土壤氮素狀態(tài)作為調(diào)控LAP活性的重要影響因子[43],根系去除引起土壤全氮和銨態(tài)氮含量降低亦是影響土壤酶活性變異的主要原因(圖6)。根系去除一定程度降低了土壤氮磷比(表3,P=0.055),增加了土壤氮限制作用,微生物需要分泌更多的LAP酶開采有機(jī)質(zhì)中的氮素供吸收利用。與土壤C和N循環(huán)相關(guān)酶不同,根系去除顯著降低了AP活性(表4,圖4)。這主要是因?yàn)楦等コ档土烁祵?duì)土壤中磷元素的吸收,進(jìn)而間接增加了土壤中全磷含量(表3,圖2)。在土壤中磷含量增加的情況下,土壤微生物會(huì)降低AP的分泌量以降低其對(duì)有機(jī)質(zhì)中磷元素的開采作用[39],故壕溝樣方中AP活性顯著降低。

4.3 土壤酶活性變異的生物和非生物驅(qū)動(dòng)因素

冗余分析表明除土壤碳氮比外,土壤有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量也是影響土壤酶變化的重要原因(圖6)。通過進(jìn)一步的相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳和全氮是影響壕溝樣方土壤C、N循環(huán)相關(guān)酶(BG、CB和LAP)活性的重要因子,而在未壕溝樣地,土壤養(yǎng)分含量(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)和細(xì)根養(yǎng)分含量(全氮和全磷)則是影響土壤C、N循環(huán)相關(guān)酶(AG、BG、CB和NAG)活性的重要因子(表5)。這可能是因?yàn)楦等コ觿×送寥赖孜镙斎氲南拗谱饔肹17],故土壤底物性質(zhì)(有機(jī)碳和全氮)主要調(diào)控酶活性變化;而在未壕溝樣地內(nèi),土壤底物輸入并非主要限制因子,毛竹細(xì)根和土壤微生物對(duì)養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)作用可能造成土壤和細(xì)根養(yǎng)分在調(diào)控酶活性變化中的重要作用[43]。土壤酶活性對(duì)氮添加和磷添加的中性響應(yīng)主要是因?yàn)槎唐诘酿B(yǎng)分添加并未顯著改變土壤有機(jī)碳、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量(表3)。而根系去除顯著降低了土壤全氮含量和銨態(tài)氮含量,故根系輸入變化對(duì)土壤酶活性的影響整體上大于氮磷添加效應(yīng)(表3和4)。

除土壤C和N循環(huán)相關(guān)酶活性外,我們發(fā)現(xiàn)磷添加和根系去除主效應(yīng)及二者交互效應(yīng)均顯著改變了土壤P循環(huán)相關(guān)酶活性(表4),其中磷添加主效應(yīng)和根系去除主效應(yīng)均顯著降低AP活性,但二者交互效應(yīng)(P×Trench)則表現(xiàn)出在磷添加背景下未壕溝樣地AP活性顯著高于壕溝樣方,說明毛竹根系可加劇土壤磷元素對(duì)微生物的限制作用,故未壕溝樣地土壤微生物分泌更多的AP酶。這是因?yàn)橥庠答B(yǎng)分添加的磷元素被毛竹細(xì)根吸收,磷添加主效應(yīng)顯著增加了毛竹細(xì)根全磷含量(圖3)。我們亦發(fā)現(xiàn)未壕溝樣地AP活性與細(xì)根全磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表5),磷添加在增加毛竹細(xì)根全磷含量的同時(shí)降低了AP活性,且壕溝樣方磷添加使AP活性降低了73.4%,未壕溝樣地磷添加使AP活性降低了58.4%(圖3和圖4),壕溝樣方AP活性降低的更多說明毛竹根系和土壤微生物在對(duì)土壤中磷元素競(jìng)爭(zhēng)性利用中具有優(yōu)勢(shì),因此當(dāng)有毛竹根系存在時(shí),土壤微生物仍需分泌更多的AP以保證對(duì)磷元素的需求。此外,磷添加主效應(yīng)和根系去除主效應(yīng)均顯著降低矢量角度,但矢量角度仍大于45°(圖4),說明短期磷添加和根系去除一定程度緩解了磷缺乏[32],但研究區(qū)毛竹林生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物仍然受到磷限制作用。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了研究區(qū)毛竹根系比土壤微生物具有更強(qiáng)的磷競(jìng)爭(zhēng)能力,因此短期磷添加并未徹底改變土壤微生物的磷限制作用。

短期氮添加和磷添加對(duì)毛竹林土壤C、N循環(huán)相關(guān)酶活性影響較小,但根系去除顯著改變了土壤C、N循環(huán)相關(guān)酶活性。其中,土壤有機(jī)碳、全氮和銨態(tài)氮含量對(duì)短期氮添加和磷添加的中性響應(yīng)是土壤C、N循環(huán)相關(guān)酶活性無(wú)變化的主要原因,而根系去除降低土壤全氮和銨態(tài)氮含量則是調(diào)控土壤酶活性變異的主要原因。短期磷添加和根系去除雖顯著降低了土壤P循環(huán)相關(guān)酶活性,但研究區(qū)土壤微生物仍受到磷限制作用。這主要是因?yàn)樵诹兹狈Φ拿窳稚鷳B(tài)系統(tǒng)中,毛竹根系比土壤微生物具有更強(qiáng)的磷吸收能力。在磷缺乏的毛竹林生態(tài)系統(tǒng)中,土壤C、N、P循環(huán)相關(guān)酶活性對(duì)土壤環(huán)境因子(氮磷養(yǎng)分添加)和生物因子(根系去除)變化的響應(yīng)具有不同的敏感性。因此,應(yīng)注重區(qū)分環(huán)境和生物因子協(xié)調(diào)調(diào)控的土壤酶活性變異,以進(jìn)一步認(rèn)識(shí)不同功能土壤酶在參與調(diào)控土壤碳和養(yǎng)分循環(huán)中的作用。