模擬氮沉降對太岳山油松林土壤酶活性的影響

劉 星, 汪金松, 趙秀海,*

1 北京林業大學森林資源與生態系統過程北京市重點實驗室, 北京 100083 2 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所, 北京 100091

模擬氮沉降對太岳山油松林土壤酶活性的影響

劉 星1, 汪金松2, 趙秀海1,*

1 北京林業大學森林資源與生態系統過程北京市重點實驗室, 北京 100083 2 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所, 北京 100091

為研究土壤酶活性對氮沉降增加的響應，以山西太岳山油松人工林和天然林為研究對象， 于2009年8月開始實施模擬氮沉實驗，試驗設置對照(CK, 0 kg N hm-2a-1)；低氮(LN, 50 kg N hm-2a-1)；中氮(MN, 100 kg N hm-2a-1)；高氮(HN, 150 kg N hm-2a-1)4種氮處理，自2012年起每年5、7、9月在各處理樣方采集表層0—20 cm土壤，測定土壤酶活性(過氧化物酶、多酚氧化酶、纖維素酶、蔗糖酶、脲酶、中性磷酸酶)。研究結果表明：施氮處理下的脲酶與中性磷酸酶活性均有所提高，而低氮處理下天然林中的多酚氧化酶與人工林中的蔗糖酶顯著低于對照，中氮、高氮處理下過氧化物酶、多酚氧化酶、天然林中的纖維素酶以及人工林中的蔗糖酶顯著降低。總的來說，人工模擬氮沉降促進了土壤中脲酶和中性磷酸酶的活性，抑制了過氧化物酶和多酚氧化酶的活性，并降低了天然林土壤中的纖維素酶活性和人工林中的蔗糖酶活性，但對天然林中蔗糖酶和人工林中的纖維素酶無影響。主導木質素降解的多酚氧化酶活性與纖維素酶、蔗糖酶活性顯著相關，纖維素酶與蔗糖酶活性的下降可能是由木質素降解受到抑制，土壤微生物可利用碳源減少所引起。另外，受到天然林土壤含氮量較高的影響，與人工林相比，天然林的多酚氧化酶活性對模擬氮沉降更敏感。由于被抑制的酶均與土壤有機質降解密切相關，氮沉降增加將減緩山西油松林土壤有機質的降解，有利于有機質在土壤中的積累。

氮沉降; 土壤酶活性; 油松林; 太岳山

自工業革命以來，由于氮肥的大量生產與使用及化石能源燃燒排放的活性氮增加，大氣氮沉降量相應增加[1]。目前，包括中國在內的東亞地區已成為僅次于歐洲和北美的第三大氮沉降區域[2-3]。例如，長江三角洲地區的年氮沉降量已達0.2—5.0 g N m-2a-1，這一氮沉降量已經超出了長江三角洲地區的部分生態系統的臨界負荷[4]。氮沉降的增加不僅會對林木生長產生直接影響[5]，還會通過影響土壤微生物對有機質的降解來對土壤碳貯存產生間接影響[6]。因此，在我國研究氮沉降對森林生態系統的影響具有重要意義。

大氣氮沉降的增加對森林生態系統的氮循環、氮流失以及土壤酶活性均有不同程度的影響[7]。其中，土壤酶活性對土壤理化性質等環境因素的變化較敏感，且是土壤微生物作用于土壤生物化學過程的直接媒介，因此可作為表征土壤微生物群落活性的指標之一[8-9]。通過測定土壤酶活性可以了解微生物群落的功能與環境因子的關系。

近年來，眾多研究表明大氣氮沉降的增加對土壤酶活性有顯著影響，但在不同的生態系統土壤酶活性對氮沉降的響應往往有所不同[10-13]，例如Sinsabaugh等研究發現在施氮促進了糖槭林中的氧化酶活性，但抑制了紅櫟林中的氧化酶活性[14]。國內相關研究的結果也有一定差異[15-17]，例如，涂利華等在華西雨屏區的研究發現施氮在苦竹林中提高了土壤多酚氧化酶和過氧化物酶活性，但在光皮樺林中降低了這兩種酶的活性[18-19]。因而氮沉降對森林土壤酶活性的影響有必要結合具體環境進行研究，本研究借助在山西太岳山油松人工林和油松天然林進行的人工模擬氮沉降長期定位試驗，研究土壤酶活性對氮沉降增加的響應，旨在初步了解油松林土壤微生物群落功能對氮沉降的響應，為這一響應機理的研究摸索實驗方向并確立切入點。

1 材料與方法1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省太岳山國有林管理局靈空山自然保護區(36°18′—37°05′N，111°45′—112°33′E)，平均海拔1 500 m。該地區屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均降水量為662 mm，降雨多集中在7—9月。年均氣溫8.6 ℃，1月平均氣溫-10.4 ℃，7月平均氣溫17.4 ℃。年均相對濕度60 %，年均日照2 600 h，年均無霜期175 d左右。基巖主要為花崗巖和石灰巖，林地土壤類型為山地褐土和棕色森林土。通過收集降雨和降塵，測定自然氮沉降量為21.2 kg N hm-2a-1。

林區的代表性樹種主要有：油松(Pinustabulaeformis)、遼東櫟(Quercusliaotungensis)、山楊(Populusdavidiana)和白樺(Betulaplatyphylla)。灌木主要有胡枝子(Lespedezabicolor)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、黃刺梅(Rosaxanthina)、山桃(Amygdalusdavidiana)等；草類有苔草(Carex)、蒿類(Artemisia)、莎草(Cyperaceae)等。

1.2 試驗設計

于2009年7月在油松天然林和油松人工林中各選取未被破壞且具有代表性的林地分別建立12個2 m×2 m的固定樣方，樣方之間間隔3 m。根據氮施加量不同，試驗共設4個施氮水平：(1)對照(CK, 0 kg N hm-2a-1)；(2)低氮(LN, 50 kg N hm-2a-1)；(3)中氮(MN, 100 kg N hm-2a-1)；(4)高氮(HN, 150 kg N hm-2a-1)，每個處理重復3次。以尿素(CO(NH2)2)為氮源，從2009年8月開始模擬氮沉降處理，每月月初以溶液的形式施加。具體方法為將每個樣方每次需要施加的CO(NH2)2溶解在2 L水中，用噴霧器均勻噴灑在樣方地表，在對照樣方內同樣噴施等量的水。樣方所在的油松天然林與油松人工林的本底值見表1。

表1 油松天然林與油松人工林主要林分和立地特征

1.3 土壤樣品采集與測定

在2012年7、9月和2013年5、7、9月，當月施氮15 d后采集土樣。在每個樣方中隨機選取3個采樣點，去除表面凋落物，使用內徑2.5 cm的土鉆采集0—20 cm的表層土樣并混合。使用保溫箱當天帶回實驗室，去除可見根系，過1 mm篩，4 ℃下保存待測，1周內測定。

參照關松蔭[20]和趙蘭坡等[21]的方法,使用3,5-二硝基水楊酸比色法測定纖維素酶與蔗糖酶；鄰苯三酚比色法測定多酚氧化酶與過氧化物酶；苯酚-次氯酸鈉比色法測定脲酶；磷酸苯二鈉比色法測定中性磷酸酶。酶的活性以單位干土質量在單位時間內所生成的特定產物的質量表示(mg g-1h-1或μg g-1h-1)。具體測定中所用的基質、培養條件和測定產物見表2。所有酶均通過預實驗確定最適培養時間與基質濃度。

另于2012年10月中旬，當月施氮15 d后，以與上文同樣的方法采集土樣，帶回實驗室風干，過0.02 mm篩，用于測定土壤理化性質。土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；全氮測定采用硒粉-硫酸銅-硫酸消化凱氏定氮法；堿解氮測定采用堿解擴散法；速效磷測定采用鉬銻抗比色法；土壤pH值測定采用電位法(水土比為2.5∶1)。

1.4 數據統計

利用SPSS 18.0(SPSS Inc. USA)軟件對數據進行統計分析，不同處理間的差異性顯著檢驗采用LSD多重比較法(P< 0.05)，不同酶活性間的相關性分析采用雙側檢驗。

2 結果與分析

2.1 氮沉降對土壤理化性質的影響

施氮對表層土壤的理化性質產生了一定影響。在天然林中，與對照(CK)相比，施氮處理(LN、MN、HN)的速效磷下降了3.6%—8.4%，pH值下降了6.2%—10.8%；全氮上升了4.6%—9.6%，有機碳上升了12.8%—25.9%。人工林中施氮處理的速效磷的下降幅度更大(較CK降低11.2%—22.7%)，pH值升高了3.1%—13.6%，有機碳升高了10.0%—26.4%；全氮變化不明顯，僅高氮處理比對照升高了22.3%。除人工林的pH值和有機碳指標隨施氮水平的提高而逐步增加以外，其它指標均不因施氮水平的提高而產生規律性的變化(表3)。

表2 土壤酶活性測定的所用基質、培養條件和測定產物

表3 油松天然林與油松人工林2012年土壤理化性質

2.2 不同林型間的酶活性差異

不同林型之間的土壤酶活性特征差異顯著(表4)。天然林中纖維素酶、蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶的活性高于人工林(依次比人工林高12.3%、33.1%、13.0%、4.9%)，而過氧化物酶和多酚氧化酶的活性低于人工林(分別比人工林低18.8%和12.6%)。不同林型之間的過氧化物酶與蔗糖酶活性為極顯著差異(P< 0.001)，其它均為顯著差異(P< 0.05)。

2.3 模擬氮沉降對土壤酶活性的影響

不同施氮量下土壤酶活性的歷次測定值如圖1—圖3所示，土壤酶活性歷次測定值的平均值(以下簡稱總均值)如表5所示?？梢娛┑幚韺^氧化物酶活性產生了顯著影響，天然林中除2013年5月僅高氮處理的過氧化物酶活性顯著低于對照(P< 0.05)；其它4次測定均為中氮、高氮處理顯著低于對照(P< 0.05，圖1)。人工林中2012年9月與2013年9月的中氮、高氮處理的過氧化物酶活性顯著低于對照(P< 0.05)；2013年7月僅高氮處理顯著低于對照(P< 0.05，圖1)。總的來看，在兩種林型中，中氮和高氮處理的過氧化物酶活性總均值顯著低于對照(P< 0.01)，且天然林中過氧化物酶活性的下降幅度大于人工林(天然林中分別下降了18.2%與21.0%，人工林中分別下降了9.9%與13.2%)，兩種林型的過氧化物酶活性總均值大小關系均為對照≈低氮>中氮≈高氮(表5)。

表4 油松天然林與油松人工林的土壤酶活性比較

圖1 不同施氮量下的氧化酶活性變化

施氮對多酚氧化酶的影響同樣顯著，天然林中2012年與2013年7月各施氮處理的多酚氧化酶活性均顯著低于對照(2012年7月P< 0.05，2013年7月P< 0.01)；2013年5月中氮、高氮處理顯著低于對照(P< 0.05，圖1)。人工林中2012年7、9月中氮、高氮處理的多酚氧化酶活性顯著低于對照(P< 0.05)；2013年7月為中氮、高氮處理顯著低于對照、低氮處理(P< 0.01，圖1)?？偟膩砜?，在天然林中，施氮處理的多酚氧化酶活性總均值比對照降低了26.8%—32.9%，差異顯著(P< 0.01)，不同施氮處理間無顯著差異(P> 0.05)，不同處理間的均值大小關系為對照>低氮>高氮>中氮。而在人工林，僅中氮和高氮處理的多酚氧化酶活性總均值顯著低于對照(分別降低了36.5%和33.2%，P< 0.01)，低氮處理雖低于對照但與對照之間無顯著差異(P> 0.05)，不同處理間的均值大小關系為對照>低氮>高氮>中氮(表5)。

施氮處理對纖維素酶的影響較不明顯，在天然林各次測定中，不同處理之間均無顯著差異(P> 0.05)，但各次測定的纖維素酶活性均值大小關系均為對照>施氮處理(圖2)。人工林各次測定中不同處理之間的纖維素酶活性同樣無顯著差異(P> 0.05)，且歷次測定的均值大小關系無統一規律(圖2)?？偟膩砜?，天然林中中氮、高氮處理的纖維素酶活性總均值分別比對照降低了7.0%和10.3%，差異顯著(P< 0.05)，低氮處理雖低于對照但差異不顯著(P> 0.05)，總均值大小關系為對照>低氮>中氮>高氮；人工林中不同處理之間的纖維素酶活性總均值無顯著差異(P> 0.05)，總均值大小關系為對照>高氮>低氮>中氮(表5)。

圖2 不同施氮量下參與碳循環的水解酶活性變化

蔗糖酶對施氮處理的響應同樣較不明顯，天然林各次測定中不同處理之間的蔗糖酶活性均無顯著差異(P> 0.05)，且歷次測定的均值大小關系無統一規律(圖2)。人工林中2012年7月與2013年9月施氮處理的蔗糖酶活性顯著低于對照(P< 0.05)；2013年5月為中氮、高氮處理顯著低于對照、低氮處理(P< 0.05)；2013年7月為低氮處理顯著低于對照(P< 0.05)，中氮、高氮處理顯著低于低氮處理(P< 0.05)；各次測定的蔗糖酶活性均值大小關系均為對照>施氮處理(圖2)?？偟膩砜矗烊涣种胁煌幚碇g的蔗糖酶活性總均值無顯著差異，總均值大小關系為對照≈高氮>低氮>中氮；人工林中施氮處理的蔗糖酶活性總均值比對照降低了12.1%—17.7%，差異顯著(P< 0.05)，總均值大小關系為對照>低氮>高氮>中氮(表5)。

施氮處理在一定程度上促進了土壤中性磷酸酶活性，天然林歷次測定的不同處理之間無顯著差異(P> 0.05)，但各次測定的中性磷酸酶活性均值大小關系均為對照<施氮處理(圖3)。人工林中2013年5月中氮、高氮處理的中性磷酸酶活性顯著高于對照(P< 0.05)；其它4次測定不同處理間無顯著差異(P> 0.05)，除2012年9月的均值大小關系為高氮>中氮≈對照>低氮外，其它均為高氮>中氮>低氮>對照(圖3)?？偟膩砜矗┑幚淼闹行粤姿崦富羁偩翟谔烊涣种刑岣吡?.1%—6.2%，在人工林中提高了1.2%—9.9%，但兩種林型不同處理之間均無顯著差異(P> 0.05)，兩種林型的總均值大小關系均為高氮>中氮>低氮>對照(表5)。

表5 不同施氮量下油松天然林與油松人工林的土壤酶活性

圖3 不同施氮量下參與氮、磷循環的水解酶活性變化

施氮促進了土壤脲酶活性，天然林中2013年5月中氮處理的脲酶活性顯著高于對照、低氮處理(P<0.05)；2013年7月中氮、高氮處理顯著高于對照、低氮處理(P< 0.05)；其它3次測定不同處理間無顯著差異(P> 0.05)，除2012年7月外，脲酶活性歷次測定的均值大小關系均為高氮>中氮>低氮≈對照(圖3)。人工林中2012年7月中氮、高氮處理的脲酶活性顯著高于對照(P< 0.05)；2013年7月低氮處理顯著高于對照(P< 0.05)，中氮、高氮處理顯著高于低氮處理(P< 0.05)；其它3次測定中不同處理之間差異不顯著(P> 0.05)，除2012年9月與2013年5月酶活性的均值大小關系均為高氮>中氮>低氮≈對照外，另外3次測定的均值大小關系均為高氮>中氮>低氮>對照(圖3)?？偟膩砜?，天然林各處理之間的脲酶活性總均值差異不顯著(P> 0.05)，僅高氮處理明顯升高，比對照高出13.5%；人工林中施氮處理比對照高了9.9%—21.7%，其中高氮處理與對照之間差異顯著(P< 0.05)，兩種林型中的脲酶活性總均值大小關系均為高氮>中氮>低氮>對照(表5)。

綜上可見，在天然林中，氮沉降的增加抑制了過氧化物酶、多酚氧化酶和纖維素酶的活性，提高了中性磷酸酶的活性，對蔗糖酶與脲酶無明顯影響；在人工林中，氮沉降的增加抑制了過氧化物酶、多酚氧化酶和蔗糖酶的活性，提高了中性磷酸酶和脲酶的活性，對纖維素酶無明顯影響。

2.4 土壤酶活性之間的相關性

對土壤酶活性進行相關性分析的結果表明，天然林中過氧化物酶與多酚氧化酶之間呈顯著正相關(P< 0. 05)，Pearson相關系數為0.344,；纖維素酶與多酚氧化酶、蔗糖酶之間呈極顯著正相關(P< 0. 01)，相關系數分別為0.482和.544，脲酶與蔗糖酶呈極顯著正相關(P< 0. 01)，相關系數為0.507，中性磷酸酶與過氧化物酶呈顯著負相關(P< 0. 05)，與蔗糖酶呈顯著正相關，相關系數分別為-0.421和0.336(表6)。

表6 油松天然林中土壤酶活性的相關性分析結果

油松人工林中土壤酶活性的相關性分析結果如表7所示。人工林中多酚氧化酶與纖維素酶、蔗糖酶之間呈極顯著正相關(P< 0. 01)，相關系數分別為0.446和0.519，纖維素酶與蔗糖酶、中性磷酸酶之間呈顯著正相關(P< 0. 05)，相關系數為分別0.402和0.337，脲酶與過氧化物酶呈顯著負相關(P< 0. 05)，相關系數為-0.347。

表7 油松人工林中土壤酶活性的相關性分析結果

3 討論

3.1 模擬氮沉降對土壤理化性質的影響

雖然土壤對pH值的變化有一定的緩沖能力[22]，但本實驗中的長時間施氮處理還是對土壤pH值產生了影響。研究表明尿素的水解過程會使土壤pH上升，但由于銨態氮被硝化時會產生質子，尿素的施加最終會使土壤pH值下降[23]。在本實驗中出現了兩種不同的情況，天然林中施氮處理樣方的pH值下降，Guo等[17]， Zeglin等[24]，和Fox[25]關于林地施氮的研究也得到了相似的結果；但人工林中施氮處理樣方的pH值高于對照，且隨施氮量的增加而逐步增高，這可能是因為人工林中土壤硝化作用較弱，施氮后土壤pH值的變化以尿素水解作用為主導， Allison等在阿拉斯加寒帶森林中的施氮實驗也發現了類似現象[26]。Zeglin等[24]的研究還表明，施氮會促進地表植被的生長，使植物從土壤中吸收更多的磷，因而兩種林型中施氮處理樣方的速效磷含量降低。

3.2 兩種林型間土壤酶活性的差異

纖維素和木質素是森林生態系統土壤的主要有機質來源，氮沉降通過改變與纖維素和木質素降解有關的土壤酶活性，對森林生態系統的碳循環產生影響[32]。通過兩種林型之間對應酶活性的差異，可以推斷出兩種林型土壤有機質輸入的組分的差異。而凋落物是森林土壤有機物質輸入的主要來源，由天然林的過氧化物酶和多酚氧化酶活性低于人工林，而纖維素酶、蔗糖酶活性高于人工林，可以推斷出在天然林的凋落物中木質素所占的比例低于人工林，相對的，纖維素，多聚糖等有機物所占的比例高于人工林。汪金松[33]在同一林地研究發現天然林凋落物中的闊葉比例遠大于人工林凋落物中的闊葉比例，以及陳法霖等[34]發現針葉中的木質素含量大于闊葉，兩者均與本實驗中的結果一致。

3.3 模擬氮沉降對土壤酶活性的影響

由國內外有關研究可知，土壤酶活性對氮沉降較為敏感，但受到土壤水氣熱條件、土壤理化性質、土壤微生物群落組成和生態系統結構的影響，在不同的森林生態系統中土壤酶活性對氮沉降的響應往往有所不同[6,17,35-38]。在本研究中，過氧化物酶與多酚氧化酶均對氮沉降表現出負響應，已有分子層面的研究發現，這種負響應主要是由于施氮使得土壤中無機氮富集，氧化酶的基因表達受到抑制所造成的[38-41]，另外Allison等[26]和Compton等[42]的研究發現，施氮樣地真菌的相對豐度有所降低，而多酚氧化酶與過氧化物酶均由真菌分泌。但是Lü等[35]和Deforest等[36]的研究發現，施氮促進了過氧化物酶與多酚氧化酶活性。Cusack等研究發現，氮沉降抑制了熱帶雨林中過氧化物酶與多酚氧化酶的活性，但促進了熱帶山地森林中這兩種酶的活性[31]。氮沉降對這兩種酶活性的影響差異可能是由生態系統中本底氮含量與氮輸入量不同和土壤微生物群落結構不同兩方面造成的。Kim等[28]與Cusack等[31]的研究表明，當生態系統本底氮沉降或者本底土壤氮含量較高時，氮沉降的增加傾向于抑制過氧化物酶與多酚氧化酶的活性，反之則傾向于提高其活性。另一方面，不同微生物對氮沉降的響應不同，例如，目前大多數多酚氧化酶受氮沉降抑制的結論是通過對白腐真菌的研究得出的，但一些軟腐真菌在氮沉降增加時其多酚氧化酶活性有所升高[16]，所以微生物群落結構的不同也可能導致整個微生物群落對氮沉降響應的不同。

盡管施氮可使氮元素的營養限制減輕或解除，但隨著多酚氧化酶活性的降低，土壤中木質素等復雜有機物降解不充分，土壤中的可溶性有機碳減少[31]，碳可能成為土壤微生物群落的營養限制因子，土壤中異養微生物的生長隨之受到限制[42]。Deforest等研究認為這種限制可能會對分泌纖維素酶或者蔗糖酶的微生物產生影響，且當凋落物以木質素含量較高的針葉為主時，這種影響更加顯著[36]。本實驗中，天然林中的纖維素酶活性和人工林中的蔗糖酶活性受到施氮處理的抑制，且與多酚氧化酶活性呈顯著相關，這與Deforest等[36]的研究結果類似。宋學貴等在川南常綠闊葉林研究同樣發現人工模擬氮沉降抑制了土壤纖維素酶活性[43]。另外，郭依秋等在與本實驗同一林地進行的施氮實驗發現模擬氮沉降顯著提高了土壤微生物氮，但對土壤微生物碳無顯著影響[44]，這說明在太岳山油松林，氮輸入的增加沒有使土壤微生物群落從環境中獲取更多的碳。

在本研究中，施氮處理對土壤脲酶和中性磷酸酶活性都有一定的促進作用，這與Lv等[35]在林地進行多種形態氮施加實驗中的發現一致。脲酶是與植物和微生物的氮獲取相關的一種酶，其活性的增加可以使土壤有機氮礦化速率加快[45]。一般認為，土壤活性氮含量增加后，土壤微生物對其它營養元素(如碳和磷)的需求相應增加，相關的酶活性也隨之升高，例如Keeler等研究發現施氮提高了土壤磷酸酶和纖維素酶活性[46]。本研究中的磷酸酶活性雖然隨施氮水平的增加而升高，但差異不顯著，同時纖維素酶和蔗糖酶的活性下降或者無變化，這表明在本研究中施氮樣地的土壤生態系統可能由氮限制向碳限制方向轉換。另外，土壤磷酸酶可分為堿性、酸性和中性3種，Guo等[17]和Kim等[28]的研究發現，土壤pH值變化對土壤酸、堿性磷酸酶的活性有顯著影響。目前與氮沉降相關的土壤酶研究往往集中于酸性或者堿性磷酸酶，其中施氮造成土壤pH值變化的影響不可忽視。

生態系統差異性造成的土壤酶活性對氮沉降響應的差異，不僅與生態系統的氣候、結構差異有關[16,24]，也與樣地本底土壤氮含量，本底氮沉降以及施氮量密切相關[28,31]。Cusack等[31]和Kim等[28]的研究認為，當生態系統中本底土壤氮含量較低或本底氮沉降較低時，土壤酶活性對施氮多表現為正響應，反之，則可能表現為負響應。在本研究中，過氧化物酶活性僅在中氮和高氮處理中顯著下降，這說明在本研究中，低氮處理的施氮量(50 kg N hm-2a-1)尚不足以對土壤中的過氧化物酶產生抑制作用。天然林中所有施氮處理的多酚氧化酶活性均有顯著下降，而人工林中僅中氮和高氮處理顯著下降，這可能是因為天然林的土壤本底氮含量略高于人工林的土壤本底氮含量(表1，表3)。

4 結論

綜上所述，模擬氮沉降對山西太岳山油松林的土壤酶活性產生了顯著影響，表現在抑制了土壤中過氧化物酶和多酚氧化酶的活性，促進了脲酶和中性磷酸酶的活性，并降低了天然林中的纖維素酶活性和人工林中的蔗糖酶活性，但對天然林中的蔗糖酶和人工林中的纖維素酶無影響。另外，由于天然林土壤含氮量較高，致使多酚氧化酶活性對氮沉降更敏感。氮沉降對多酚氧化酶等土壤酶活性的抑制作用將減緩土壤有機質的降解，有利于有機質在土壤中的積累。

本文研究以土壤酶活性為主要研究對象，但土壤酶活性變化的背后往往是土壤微生物群落結構的變化，施氮對土壤微生物群落結構的影響仍需進一步研究。另外從土壤酶活性的變化可以看出，氮沉降的增加會改變土壤有機碳庫的組成結構，本研究僅測定了土壤有機碳的總量，有必要對土壤有機碳組分的變化開展進一步研究。

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Effects of simulated nitrogen deposition on the soil enzyme activities in aPinustabulaeformisforest at the Taiyue Mountain

LIU Xing1, WANG Jinsong2, ZHAO Xiuhai1，*

1KeyLaboratoryforForestResources&EcosystemProcessesofBeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2InstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China

Human activities had dramatically increased the quantity of atmospheric nitrogen deposition since the industrial revolution. Increased nitrogen deposition in forest ecosystems would not only have a direct impact on tree growth, but also indirect effects of soil carbon storage influencing the microbial degradation of soil organic matter. Soil enzymes produced by microbes play a key role in the biochemical functioning of soil organic matter decomposition and nutrient cycling. Soil enzyme activity is one of the indicators of soil microbial community activity. In recent years, numerous studies have shown that increasing atmospheric nitrogen deposition had significant effects on soil enzyme activities. However, soil enzyme activities in different ecosystems always showed different responses to increasing nitrogen deposition. Thus, it was necessary to assess the impact of nitrogen deposition on forest soil enzyme activities in two different ecosystems. In this study, four treatments were installed in a plantation and a natural forest ofPinustabulaeformisat the Taiyue Mountain of Shanxi Province China, starting in August 2009 and including four treatments: a) control (CK, 0 kg N hm-2a-1), b) low nitrogen (LN, 50 kg N hm-2a-1), c) medium nitrogen (MN, 100 kg N hm-2a-1), and d) high nitrogen (HN, 150 kg N hm-2a-1). Each treatment comprised three replicate plots of 2m×2m which were sprayed with CO(NH2)2solutions at the beginning of each month. Soil samples were collected at a depth of 0—20 cm in May, July and September since 2012, and the activities of invertase, cellulase, peroxidase, polyphenol oxidase, urease and neutral phosphatase were determined. Soil invertase and cellulase were assessed using the 3,5-dinitrosalicylic acid colorimetric method, peroxidase and polyphenol oxidase by pyrogallol colorimetric method, urease by phenol-sodium hypochlorite colorimetric method and neutral phosphatase by di-sodium phenyl phosphate colorimetric method. Urease and neutral phosphatase activities increased with increasing nitrogen levels; polyphenol oxidase activity of the natural forest and invertase activity of the plantation decreased significantly in the low nitrogen treatment (P< 0.05); medium and high nitrogen treatments significantly inhibited peroxidase and polyphenol oxidase in both ecosystems, and cellulase in the natural forest and invertase in the plantation (P<0.05). In conclusion, simulated N deposition inhibited the activities of soil peroxidase and polyphenol oxidase, and stimulated urease and neutral phosphatase activities. Cellulase activity in the natural forest and invertase activity in the plantation were reduced by simulated N deposition, yet invertase activity in the natural forest and cellulase activity in the plantation had no significant variation. The polyphenol oxidase activity which plays a key role in the degradation of lignin significantly associated with activities of cellulase and invertase (P< 0.05) and the inhibition of lignin degradation would decrease soil dissolved organic matter. Therefore the inhibition of cellulase and invertase may be caused by the reduction of the carbon source which can be utilized by soil microbes. Furthermore, polyphenol oxidase activity was more sensitive in the natural forest than in the plantation because the natural forest had a higher soil nitrogen content. Because the enzymes which were inhibited were related to degradation of soil organic matter, the inhibition of soil activities under simulated nitrogen deposition could slow down the degradation of soil organic matter, leading to the increase of soil organic matter.

nitrogen deposition; soil enzyme activity;Pinustabulaeformisforest; Taiyue Mountain

國家林業公益性行業科研專項項目(201104009); 國家自然科學基金項目(31340022)

2013-12-09;

2014-09-09

10.5846/stxb201312092918

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhaoxh@bjfu.edu.cn

劉星, 汪金松, 趙秀海.模擬氮沉降對太岳山油松林土壤酶活性的影響.生態學報,2015,35(14):4613-4624.

Liu X, Wang J S, Zhao X H.Effects of simulated nitrogen deposition on the soil enzyme activities in aPinustabulaeformisforest at the Taiyue Mountain.Acta Ecologica Sinica,2015,35(14):4613-4624.