模擬氮沉降增加條件下土壤團聚體對酶活性的影響

鐘曉蘭, 李江濤, 李小嘉, 葉永昌, 劉頌頌, 徐國良, 倪 杰

1 華南農業大學資源環境學院, 廣州 510642 2 廣州大學地理科學學院, 廣州 510006 3 中國科學院南京土壤研究所土壤與農業可持續發展國家重點實驗室, 南京 210008 4 東莞林業科學研究所, 東莞 523106

模擬氮沉降增加條件下土壤團聚體對酶活性的影響

鐘曉蘭1, 李江濤2, 3,*, 李小嘉2, 葉永昌4, 劉頌頌4, 徐國良2, 倪 杰2

1 華南農業大學資源環境學院, 廣州 510642 2 廣州大學地理科學學院, 廣州 510006 3 中國科學院南京土壤研究所土壤與農業可持續發展國家重點實驗室, 南京 210008 4 東莞林業科學研究所, 東莞 523106

氮沉降增加改變了森林土壤生態系統物質輸入，影響土壤生物及酶活性，而土壤團聚體內相對穩定的微域生境可能減弱或延緩土壤生物和酶對氮沉降增加的響應強度。以廣東省東莞大嶺山森林公園荷木人工林為研究對象，用模擬N沉降方法，分析了2011年12月到2012年11月一年內氮沉降增加條件下表層混合土壤和土壤團聚體內脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的變化及影響因素，旨在理解氮沉降增加條件下土壤團聚體對酶活性的影響。結果表明：氮沉降增加對表層混合土壤中脲酶和蔗糖酶的抑制作用不顯著，而酸性磷酸酶受氮沉降顯著影響，表現為低氮(50 kg N hm-2a-1)促進，高氮(300 kg N hm-2a-1)抑制的規律。表層土壤團聚體內脲酶活性隨氮沉降增加而降低，N300處理顯著低于對照；蔗糖酶和酸性磷酸酶活性隨氮沉降增加先降低后增加，N100處理最低，分別比其他處理降低了6.46%—25.53%和42.33%—68.25%。試驗區內各粒徑土壤團聚體內酶活性高于混合土壤，且隨團聚體粒徑增加酶活性均為先增加后降低。不同粒徑土壤團聚體的3種酶活性均以2—5 mm最高，但脲酶、酸性磷酸酶在各團聚體粒徑間差異不顯著，蔗糖酶活性2—5 mm顯著高于5—8 mm。土壤酶相對活性指數和相對活性綜合指數結果顯示，超過85%的團聚體粒徑內的相對酶活性指數大于1，而土壤酶相對活性綜合指數均大于1。以上結果表明，氮沉降增加條件下土壤團聚體對其團聚體內的土壤酶活性有隔離保護作用，但其隔離保護效果與酶的種類和土壤團聚體粒徑有關。

氮沉降; 土壤團聚體;酶活性; 相對活性指數; 林地土壤

隨著石化燃料燃燒、肥料制造和使用、畜牧業發展等人類活動向大氣中排放含氮化合物的迅速增加，大氣氮沉降量成比例增加[1]。1860年全球氮沉降量僅15 Tg N/a，1990年、1995年和2005年則分別達103，156和187 Tg N/a[2]。目前，我國已成為世界上最大的氮生產國和排放國，劉學軍等[3]報道，1980—2010年我國陸地生態系統氮沉降量顯著升高，2010年平均達21.1 kg N hm-2a-1，較1980年增加60%，其中工業化和農業集約化程度高的華北、東南和西南地區已經高于北美所有地區的氮沉降量，并與西歐氮沉降高峰時數量相當。與此同時，我國出現了區域性大氣活性氮污染、氮沉降及陸地生態系統“氮富集”加劇的現象[4]。

土壤酶直接參與土壤生態系統C、N、P等許多重要生態過程，是土壤最活躍的部分。土壤酶對生態系統生境變化非常敏感，具有環境統一性，其活性強弱可反映土壤中各種生物化學過程的強度和方向。氮沉降對土壤酶活性影響的研究國內外學者進行了較多的報道[13- 16]，但他們均以某一土層碾壓破碎、均勻混合的土壤樣品(簡稱混合土壤，Homogenized soil)[17]為研究對象，沒有考慮土壤生態系統中微域生境對酶活性的影響。實際上，土壤是由許多不同粒徑團聚體組成的連續統一體。研究表明，土壤團聚體對土壤生物群落組成、功能和結構，物質循環和轉化過程等方面有顯著影響[18]。但由于不同粒級土壤團聚體的形成環境和膠結類型不同，導致其穩定性及內部物質組成等出現差異[19]，進而導致土壤酶活性的差異。然而，目前相關研究鮮見報道。因此，提出以下假設：氮沉降增加影響森林土壤生態系統中酶活性，但土壤團聚體內相對穩定的微域生境對其內部生物和生化過程具有隔離和保護作用，最終導致氮沉降增加條件下土壤團聚體內和混合土壤中酶活性出現差異。

本文以廣東省東莞大嶺山森林公園荷木人工林為研究對象，通過模擬氮沉降試驗研究混合土壤和土壤團聚體內酶活性的變化及其影響因素。研究結果將為理解氮沉降增加條件下土壤生態系統生化過程與生物生境相互作用提供依據和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

模擬氮沉降試驗設于廣東省東莞市大嶺山森林公園(E113°42′22″—113°48′12″，N 22°50′00″—22°53′32″)。該地屬南亞熱帶季風氣候，全年暖熱，年平均氣溫21.7 ℃，降雨量1790 mm，夏長冬短，無霜期達350 d，水熱條件好。地貌類型為丘陵，海拔高度150—450 m。試驗小區位于森林公園東莞市林業科學園內的荷木林(Schimasuperba)。荷木林種植于1980年，面積約3 hm2，本試驗區面積0.15 hm2。2011年12月初調查實驗前林地林分特征和立地條件(表1)，林地土壤為赤紅壤，成土母巖為花崗巖。荷木林林下植被稀疏，以蕨(Pteridiumaquilinumvar.latiusculum)、九節(Psychotriarubra)、假鷹爪(Desmoschinensis)、三叉苦(Evodialepta)等為主。由于城市化、工業化和農業集約化發展迅速，該地氮沉降量較高。據環保部華南環境科學研究所報道，2012年珠江三角洲地區氮沉降量平均為50.66 kg N hm-2a-1，其中廣州、惠州等經濟快速發展城市群地區的氮沉降量超過96 kg N hm-2a-1[20]。

表1 試驗前林地林分特征和土壤基本性質Table 1 Vegetation characteristics and soil properties before treatment

表中數據為平均值±標準誤; DBH: diameter at breast height; SOC: soil organic carbon

1.2 試驗設計

參照氮飽和項目、北美哈佛林和我國鼎湖山自然保護區等研究氮沉降處理的強度和頻度[6, 21- 22]，結合目前我國東南沿海地區[15]及華南地區[6]等年氮沉降量水平及該地區未來可能的氮沉降趨勢，本試驗共設置5個處理。分別為對照(N0)，低氮沉降量(N50)，中氮沉降量(N100)，中高氮沉降量(N200)和高氮沉降量(N300)處理。年施氮量分別0、50、100、200、300 kg N/hm2，施用的N材料為分析純尿素。每個處理設置3個重復，樣方面積為10 m×10 m，樣方間隔為10 m，以保證相互間受影響很小。自2011年12月開始，每月月初天氣較好時采用噴霧器對林下土壤直接噴施來模擬氮沉降，噴施氮溶液量為16升。對照樣方噴灑等量的水分，以減少因外加水量帶來的影響。

1.3 樣品采集

1.3.1 混合土壤

2012年12月(噴施1a)，采用多點(8—10點)S型采樣法采集各樣方表層(0—5 cm)混合土壤樣品，仔細剔除大于2 mm的石塊、根系、蚯蚓等動植物殘體，碾壓使其全部過2 mm土壤篩。充分混勻后，選取200 g土壤鮮樣置于4 ℃冰箱中保存，1星期內完成土壤酶活性測定。其余土壤樣品自然風干，測定其土壤理化性質。

1.3.2 土壤團聚體

2012年12月，采用S型多點采樣法采集各樣方表層(0—5 cm)原狀土壤，立即帶回實驗室。當土壤含水量達到塑限(含水量22%—25% 左右)，沿著土壤自然脆弱帶輕輕掰開，形成不同粒徑土壤團聚體，并使其全部通過8 mm土壤篩，采用干篩法[23]分離出粒徑分別為5—8 mm、2—5 mm、1—2 mm和0.25—1 mm的土壤團聚體。仔細剔除混在土壤團聚體中的石塊和動植物殘體后，分別選取200 g不同粒徑土壤團聚體樣品置于4℃冰箱中保存，1星期內完成土壤酶活性測定。其余土壤樣品自然風干，測定其土壤理化性質。

1.4 分析測定

林地林分特征：各樣方單元內進行每木調查，測定樣方的荷木株數及樹高，胸徑測量上坡根際1.3 m處的荷木直徑。

土壤酶活性：脲酶-苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，以24 h后1 g土壤生成銨態氮的毫克數表示；蔗糖酶-3, 5-二硝基水楊酸比色法，以 24 h后1 g土壤生成葡萄糖的毫克數表示；酸性磷酸酶-磷酸苯二鈉比色法，以24 h后1 g土壤生成酚的毫克數表示[24]。

土壤理化性質[25]： pH值采用電位法；電導率(EC)采用電導率儀測定；質地采用馬爾文激光粒度儀測定；總有機碳(SOC)采用 K2Cr2O7-H2SO4氧化外加熱法；全氮(TN)采用半微量凱氏定氮法；銨態氮采用KCl浸提，靛酚蘭比色法；可溶性有機碳(DOC)采用Ghani等[26]提取，微量定碳法；微生物生物量采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法提取，微生物生物量碳(SMBC)微量定碳法，微生物生物量氮(SMBN)凱氏定氮法。

1.5 數據處理與統計分析

土壤團聚體對酶活性的保護效果采用土壤酶相對活性指數(REAI)和土壤酶相對活性綜合指數(REACI)表示：

REAI =EAsa/EAbs

(1)

REACI = (REAIUre+ REAIInv+REAIApp) /3

(2)

式中，REAI表示土壤酶相對活性指數，EAsa表示不同粒徑土壤團聚體酶活性，EAbs表示混合土壤酶活性，REACI表示土壤酶相對活性綜合指數，Ure, Inv和App分別表示脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶。

采用SPSS 19.0軟件統計分析?；旌贤寥篮屯寥缊F聚體內不同處理間土壤酶活性差異顯著性采用LSD法檢驗；氮沉降對土壤團聚體粒徑分布的差異顯著性采用單因素方差分析，LSD法檢驗；氮沉降量與團聚體對土壤酶活性的交互作用采用雙因素方差分析，LSD法檢驗；酶與土壤理化性質的相關關系采用Pearson相關分析法。圖形采用Origin 8.5 軟件繪制。

2 結果

2.1 模擬氮沉降對表層混合土壤中酶活性的影響

圖1可知，除N200處理外，表層(0—5 cm)混合土壤中脲酶活性均低于對照，以N300處理最低，降幅達24.45%，但各處理間差異不顯著(P>0.05)。氮沉降處理蔗糖酶活性均低于對照，N100和N300處理分別比對照低16.66%和11.78%，但各處理間差異也不顯著(P>0.05)。與脲酶和蔗糖酶比較，酸性磷酸酶對氮沉降增加的響應更敏感(圖1)。除N300處理外，其他氮沉降處理酸性磷酸酶活性均高于對照，以N50處理最高，增幅達43.89%；氮沉降處理的酸性磷酸酶活性隨氮沉降量增加而降低，其中N50處理顯著高于N300處理(P<0.05)，約為N300處理的1.70倍。

圖1 模擬氮沉降對林地表層(0—5 cm)混合土壤中脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的影響Fig.1 Soil urease, invertase and acid phosphatase activities in surface homogenized soil (0—5 cm)with N deposition

2.2 氮沉降對表層土壤團聚體中酶活性的影響

2.2.1 氮沉降對表層土壤團聚體分布的影響

表2可知，各處理均以5—8 mm的土壤團聚體含量最高，達27.05%—41.61%，分別是2—5 mm，1—2 mm，0.25—1 mm和<0.25 mm粒徑的1.56—2.53倍，1.46—2.36倍，1.01—2.22倍和3.55—7.46倍。各處理<0.25 mm團聚體含量最少(<8%)，顯著低于5—8 mm團聚體(P<0.05)。對于同一粒級的團聚體而言，氮沉降并不顯著影響團聚體各粒徑的分布。

表2 氮沉降對表層(0—5 cm)土壤團聚體顆粒分布的影響Table 2 Soil aggregate size distribution in N deposition treatments

表中數據為平均值±標準誤，不同小寫字母表示P< 0.05水平下同一團聚體粒徑下氮沉降量對團聚體分布的差異顯著性，不同大寫字母表示P< 0.05水平下同一氮沉降量團聚體分布的差異顯著性

2.2.2 土壤團聚體中酶活性

同一粒徑土壤團聚體中，團聚體內脲酶活性除1—2 mm粒徑中N50處理外，其余粒徑均表現為氮沉降處理低于對照，降幅達14.28%—21.93%，以N300處理最低(圖2)，但各處理間差異未達顯著水平。土壤團聚體內蔗糖酶活性各粒徑均表現為N300處理與對照相當，其他氮沉降量處理低于對照，以N100處理最低(圖2)，降幅達18.40%—31.65%，但各處理也差異不顯著。土壤團聚體內酸性磷酸酶活性在0.25—1 mm粒徑中以N50處理最高(圖2)，顯著高于對照和N300處理(P<0.05)，其余氮沉降量處理與對照差異不顯著。1—2 mm、2—5 mm和5—8 mm粒徑中酸性磷酸酶活性氮沉降量處理與對照無明顯差異，但均以N100處理為最低，分別僅為對照和N300處理的0.48—0.66倍和0.38—0.61倍(圖2)，且顯著低于N300處理(P<0.05)。

同一氮沉降量下，土壤團聚體內脲酶活性除N100處理外，其余氮沉降處理均以2—5 mm最高，較其他粒徑高1%—17.83%，但各粒徑間差異不顯著。各氮沉降處理的蔗糖酶活性均以2—5 mm時最大，5—8 mm時最小，兩者間變幅達8.97%—43.99%，但各粒徑間差異也不顯著。酸性磷酸酶活性N100和N200處理在團聚體各粒徑間差異顯著， 其中N100處理 2—5 mm時活性最小，低于其他粒徑17.69%—55.92%，與0.25—1 mm的酶活性差異顯著；而N200處理則表現為2—5 mm顯著高于其他3個粒徑，增幅達21.79%—31.15%(圖2)。

圖2 模擬氮沉降對表層(0—5 cm)土壤團聚體內脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的影響Fig.2 Soil urease, invertase and acid phosphatase activities in aggregated soil with N deposition

表3可知，氮沉降量和團聚體粒徑對土壤脲酶和蔗糖酶活性影響均不顯著，但酸性磷酸酶受氮沉降量顯著影響(P<0.05)，而受團聚體粒徑影響較小。由于氮沉降量和土壤團聚體粒徑對3種酶的交互影響很小(P>0.5)(表3)，因此，本研究將分別分析氮沉降量和土壤團聚體對酶活性的影響，而不考慮兩者間的交互作用。

2.2.3 氮沉降量對土壤酶活性的影響

由于氮沉降量與土壤團聚體粒徑間交互作用較小(表3)，為更好比較不同氮沉降量間土壤酶活性的差異，本研究將相同氮沉降量所有團聚體粒徑酶活性的平均值作為觀測值，而不考慮土壤團聚體粒徑的影響。圖3可知，土壤團聚體內脲酶活性表現為隨氮沉降量增加而減小，N300處理最低，顯著低于N0和N50處理(P<0.05)，降幅分別達18.72%和19.52%。與對照相比，各氮沉降處理的蔗糖酶活性均有下降，以N100處理最低，降幅達20.34%，顯著低于對照和N300處理(P<0.05)。酸性磷酸酶活性表現隨氮沉降量增加而先降低后增加，其中，N100處理顯著低于其他處理(P<0.05)。

表3 氮沉降量、團聚體粒徑對土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的雙因素方差分析Table 3 Effect of N deposition amount, soil aggregate size and its interaction on soil enzyme activities

氮沉降量樣本數n= 12, 土壤團聚體樣本數n= 15; *表示P< 0.05水平下的顯著性

圖3 氮沉降量對表層土壤(0—5 cm)團聚體內脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的影響Fig.3 Effect of N deposition on soil urease, invertase and acid phosphatase activities in surface aggregated soil

2.2.4 土壤團聚體對土壤酶活性的影響

將所有氮沉降處理相同粒徑土壤團聚體酶活性的平均值作為觀測值，比較不同粒徑土壤團聚體內酶活性的差異。圖4可知，土壤脲酶、酸性磷酸酶活性均以2—5 mm團聚體粒徑最高，5—8 mm次之，0.25—1 mm和1—2 mm最小，但各粒徑間差異未達顯著水平，2種酶各粒徑間變異系數僅為4.14%和5.74%。蔗糖酶活性以2—5 mm粒徑最高，高出其它粒徑4.10%—21.34%，其中，與5—8 mm 粒徑的酶活性差異顯著(P<0.05)。

圖4 土壤團聚體對表層土壤(0—5 cm)脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的影響Fig.4 Effect of soil aggregates on soil urease, invertase and acid phosphatase activities

圖5 氮沉降條件下土壤酶相對活性指數變化Fig.5 Changes of relative enzyme activity index in soil aggregates with N deposition

不同粒徑土壤團聚體內脲酶活性均顯著高于混合土壤(P<0.05)，增幅達20.64%—31.20%(圖4)。除5—8 mm外，各粒徑團聚體內蔗糖酶活性均高于混合土壤，但差異不顯著(圖4)。土壤團聚體內酸性磷酸酶活性均高于混合土壤，其中2—5 mm和5—8 mm團聚體內土壤酶活性與混合土壤差異顯著(P<0.05)，分別比混合土壤提高32.87%和21.30%(圖4)。

2.3 土壤酶的相對活性指數

相對活性指數(REAI)將混合土壤酶活性和團聚體酶活性統一考慮，可更客觀準確地反映土壤團聚體結構對酶活性的保護效果。當REAI>1表明土壤團聚體對酶活性有保護作用，其值越大保護作用越強。圖5可知，脲酶REAI在1.10—1.40之間，變異系數以0.25—1 mm最大(9.19%)，且隨團聚體粒徑增加而降低。蔗糖酶REAI在0.84—1.30之間。氮沉降處理以N300處理REAI最高，不同粒徑團聚體間以2—5 mm蔗糖酶REAI最高，5—8 mm最低。酸性磷酸酶REAI在不同粒徑團聚體內差異較大，1—2 mm，2—5 mm和5—8 mm的變異系數分別為32.65%，47.61%和39.45%，約為0.25—1 mm的5.18—7.56倍。不同氮沉降量下土壤團聚體酸性磷酸酶REAI先降低后增加，其中N300處理REAI最高，N100處理最小(圖5)。

相對活性綜合指數(REACI)表征了不同粒徑團聚體對3種酶活性保護的整體效果。圖5可知，各粒徑團聚體內土壤酶REACI均大于1，以N300處理最大，其次是N0處理，N100處理最小。各粒徑團聚體的REACI差異較大，變異系數表現為2—5 mm(21.11%)> 5—8 mm(19.54%)> 1—2 mm(12.49%)> 0.25—1 mm(7.16%)。

綜合3種酶的REAI及REACI，超過85%樣品的土壤酶REAI大于1，所有粒徑團聚體中土壤酶REACI均大于1，表明土壤團聚體結構對土壤酶有一定隔離保護作用。

2.4 土壤酶活性影響因素分析

混合土壤的脲酶、蔗糖酶及酸性磷酸酶均與土壤SOC、DOC和SMBC呈顯著或極顯著正相關，其中蔗糖酶的相關系數均達極顯著水平(r>0.7,P<0.01)，且大于脲酶與酸性磷酸酶(表4)。土壤pH值與3種酶均呈負相關，其中，脲酶和蔗糖酶達顯著水平(P<0.05)。銨態氮與蔗糖酶和酸性磷酸酶負相關不明顯，但與脲酶呈顯著負相關(P<0.05)。

表4 表層混合土壤和團聚體內酶活性與土壤性質間的相關關系Table 4 Coefficients between soil enzyme activities and soil properties in homogenized soil and aggregated soil

*, ** 分別表示P< 0.05和P< 0.01水平下的顯著性; EC: electrical conductivity; SOC: soil organic carbon; DOC: dissolved organic carbon; SMBC: soil microbial biomass carbon; SMBN: soil microbial biomass nitrogen

各粒徑土壤團聚體內酶活性與SOC、DOC和SMBC等形態碳均呈正相關，但相關性小于混合土壤。團聚體內蔗糖酶活性與SOC正相關顯著，而脲酶只有1—2 mm粒徑，酸性磷酸酶只有1—2 mm和5—8 mm與SOC顯著相關。DOC與團聚體內酶活性正相關不顯著。SMBC與0.25—1 mm 和1—2 mm脲酶、0.25—1 mm蔗糖酶及1—2 mm酸性磷酸酶顯著正相關。土壤團聚體內酶活性與pH值、銨態氮、粘粒和粉粒負相關，與SMBN、電導率、砂粒正相關，但均未達顯著水平。

3 討論

3.1 氮沉降對土壤酶活性的影響

土壤蔗糖酶直接參與有機質的代謝過程，能為土壤生物體提供充分能源，是參與土壤碳循環過程的一種重要酶。表層混合土壤中蔗糖酶活性與SOC、MBC、DOC等有機碳庫呈極顯著(P<0.01)正相關(表4)，進一步證實了蔗糖酶在土壤有機碳累積與分解轉化方面重要作用。但本研究結果顯示氮沉降增加對表層混合土壤中蔗糖酶活性沒有顯著影響，這主要與短期內氮沉降未能對表層土壤有機碳庫含量產生顯著影響[31]有密切關系。

土壤磷酸酶參與了土壤有機磷的活化，其活性高低直接影響著土壤中有機磷的分解轉化及其生物有效性。Keeler等[7]研究表明，氮沉降能夠促進土壤磷酸酶的活性。然而本研究中，低氮沉降量(50 kg N hm-2a-1)對表層混合土壤中酸性磷酸酶有促進作用，而高氮(300 kg N hm-2a-1)卻有抑制作用，且低氮處理顯著高于高氮處理(圖1)，周曉兵等[32]也有相似地結果。高氮沉降量環境條件下，高氮鹽毒害導致專性土壤微生物群落活性降低或功能改變、土壤微生物群落結構改變等可能是土壤酸性磷酸活性下降的主要原因[33]。本研究中表層混合土壤中N200和N300處理的微生物C/N比分別比其他處理降低7.67%—56.46%和50.75%—119.06%，說明高氮沉降確實改變了土壤微生物群落組成。

土壤團聚體內脲酶活性隨氮沉降量增加而降低(圖3)，其中N300處理顯著低于對照和N50處理，說明短期高氮沉降量能抑制土壤團聚體內脲酶活性。這主要與本試驗研究對象為> 0.25 mm的土壤大團聚體有關。因為土壤微團聚體(粒徑< 0.25 mm)和粘粉粒物質(粒徑< 0.05 mm)比土壤大團聚體具有更大的比表面積和更低的疏水性[34]，能夠優先吸附外源活性氮。因此，低氮沉降量時土壤大團聚體中吸附的外源氮較少，只有高氮沉降量時才會有較多的外源活性氮進入土壤大團聚體，研究中土壤團聚體內銨態氮含量與氮沉降量間表現出顯著的指數函數關系就是證明(r= 0.987,P<0.001)。土壤團聚體內蔗糖酶和酸性磷酸酶活性隨著氮沉降增加而先降低后增加，其中N100處理顯著低于對照和N300處理(圖3)。這可能與氮沉降增加改變土壤團聚體內微生物C/N比，從而影響團聚體內微生物群落組成有關[33]。另外，相對于脲酶和蔗糖酶活性來說，土壤酸性磷酸酶活性對氮沉降量變化更敏感(表3)。這與土壤團聚體吸持態磷的有效性以及土壤團聚體內N∶P有關。適當的氮沉降量能提高團聚體內無機氮含量，進而提高團聚體內磷的有效性[29]，部分滿足了生物對磷的需求，從而降低土壤酸性磷酸酶活性。但當氮沉降量繼續增加，土壤N∶P提高，團聚體內磷的限制性加劇[35]，為緩解這種限制作用，土壤微生物群落必須分泌大量的磷酸酶以利用無效態的磷，從而表現出中氮沉降量處理(N100)團聚體內土壤酸性磷酸酶最低的現象。

3.2 團聚體對土壤酶活性的影響

由于研究區域、土壤類型以及團聚體粒徑不一致，土壤酶活性在團聚體中的分布特征的研究結果不盡相同。例如：曹良元等[36]發現紫色土上0.25—2 mm大團聚體中脲酶活性最高，0.053—0.25 mm土壤微團聚體中最低，并認為大團聚結構和孔隙分布有利于微生物生長和活性提高是主因。邱莉萍等[37]在黃土高原重壤土上發現土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶均隨土壤團聚體粒徑增大而降低，并認為團聚體中有機質、全氮、全磷等肥力因子差異是主要原因。牛文靜等[38]發現太湖地區水稻土中不同粒徑團聚體中土壤酶活性有差異，但未表現明顯規律。研究，僅5—8 mm團聚體中蔗糖酶活性顯著低于2—5 mm，其余粒徑土壤團聚體內脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性沒有明顯差異(圖4)。由此可見，土壤酶在團聚體中分布規律較復雜，土壤利用方式、土壤類型、物質組成及生物群落組成等均可能影響其分布規律[37, 39]。研究對象為種植30a的荷木林地表層土壤中不同粒徑土壤大團聚體，其形成和穩定機制相對一致，從而未表現顯著的酶活性差異。但是，土壤團聚體內脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均表現為隨團聚體粒徑增大而先增后降，其中2—5 mm團聚體最大(圖4)，說明土壤大團聚體粒徑對酶活性有潛在影響。因為土壤團聚體粒徑越小，水分和養分通過擴散作用進入團聚體內速度越快[40]，因此越容易受到外界影響；而土壤團聚體粒徑越大，較新的顆粒有機物相對越多[41]，這為酶促反應提供了更多易利用的基質，從而增強酶活性；但土壤團聚體粒徑越大，大孔隙比例越高，團聚體穩定性也越低[42- 43]，因此，當土壤團聚體粒徑超過5 mm時，反而易受環境變化影響[43]，從而導致體內酶活性降低(圖4)。

各粒徑土壤大團聚體中脲酶和酸性磷酸酶活性略高于或顯著高于混合土壤，蔗糖酶略高于混合土壤(圖4)。土壤酶相對活性指數將混和土壤酶活性和不同粒徑團聚體土壤酶活性統一考慮，能更客觀準確地反映土壤團聚體結構對土壤酶活性的影響程度。結果顯示，超過85%的大團聚體內土壤酶相對活性指數大于1，各粒徑團聚體內酶相對活性綜合指數均大于1(圖5)。這表明土壤團聚體對酶起到了一定的保護作用。與混合土壤比較，土壤團聚體容積密度更大，土壤孔隙更小且更彎曲，從而減少或延緩了水分和養分離子進入團聚體內[17]，也降低了外部土壤微生物進入團聚體的機會，從而對土壤團聚體內有機物質和生物等起到物理隔離作用[19]。另外，土壤大團聚體主要是微團聚體顆粒與有機碳的膠結、根系和菌絲纏繞作用而逐漸形成，其中包裹著較多的顆粒有機碳[44]，這為團聚體內酶提供了更充足的基質，從而表現出土壤團聚體內酶活性高于混合土壤(圖4)。土壤pH值、EC、土壤有機碳庫及礦質氮等指標與混合土壤中脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的相關性均明顯高于其與土壤團聚體的相關性(表4)，也進一步證實土壤團聚體確實在某種程度上對團聚體內酶活性有一定的保護作用。

4 結論

短期(1a)模擬氮沉降增加對表層混合土壤脲酶和蔗糖酶活性沒有明顯影響，但顯著影響了酸性磷酸酶活性。土壤團聚體內脲酶活性隨模擬氮沉降量增加而降低，且高氮處理(300 kg N hm-2a-1)顯著低于對照和低氮處理(50 kg N hm-2a-1)；土壤團聚體內蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均表現為隨氮沉降量增加先降低后增加，中氮處理(100 kg N hm-2a-1)活性最低，顯著低于對照和高氮處理。除5—8 mm土壤團聚體內蔗糖酶活性外，其余粒徑土壤團聚體內脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均高于混合土壤。混合土壤3種酶活性與總有機碳、可溶性有機碳及微生物生物量碳均顯著正相關，高于其與土壤團聚體的相關性。以上結果表明，土壤團聚體對土壤酶活性具有隔離保護作用，但保護效果受土壤團聚體粒徑和土壤酶種類等因素影響。

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Early effect of soil aggregates on enzyme activities in a forest soil with simulated N deposition elevation

ZHONG Xiaolan1, LI Jiangtao2, 3,*, LI Xiaojia2, YE Yongchang4, LIU Songsong4, XU Guoliang2, NI Jie2

1CollegeofNaturalResourcesandEnvironments,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China2SchoolofGeographicalSciences,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China3StateKeyLaboratoryofSoilandSustainableAgriculture,InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China4DongguanInstituteofForestryResearch,Dongguan523106,China

Soil biota and enzyme activities would be impacted under elevated nitrogen deposition condition. However, the relative stability of micro habitat within soil aggregates could also decrease or delay the response intensity of soil enzyme activities. This study was conducted in aSchimasuperbaplantation, which located in Dalingshan forest park, Dongguan city, Guangdong, China in 2011.12—2012.11 by simulated nitrogen deposition treatments. Soil urease, invertase and acid phosphatase activities in surface homogenized soil (0—5 cm), as well as in soil aggregates (0.25—1 mm, 1—2 mm, 2—5 mm, and 5—8 mm) were analyzed to study the impacts of soil aggregates on soil enzyme activities under elevated N deposition. It showed that no significant effects of N deposition on soil urease and invertase activities were observed in the surface homogenized soil, while the soil acid phosphatase activities were dramatically impacted by N deposition with promotion in the low N deposition treatment (50 kg N hm-2a-1) and inhibition in the high N deposition treatment (300 kg N hm-2a-1). The urease activities in surface soil aggregates decreased with the increase of N deposition addition, and there were significant differences of urease activity in surface soil aggregates between N300 treatment and N0 treatment. With the increase amount of N deposition, the invertase and acid phosphatase activities in soil aggregates decreased at first and then increased. There were the lowest invertase and acid phosphatase activities in N100 treatment, 6.46%—25.53% and 42.33%—68.25% lower than that in other N deposition treatments, respectively. Almost all enzyme activities in soil aggregates were higher than that in homogenized soils, and the activities increased at first and then decreased with the soil aggregate size increase. In this study, the highest soil enzyme activities were found in the 2—5 mm size aggregates. No significant differences of urease and acid phosphatase activities were observed among different soil aggregate sizes, while the invertase activities in 2—5 mm aggregates were significantly higher than that in 5—8 mm aggregates. The relative enzyme activity indexes in more than 85% soil aggregates were higher than 1, and the relative enzyme activity composite index were all higher than 1. The results suggested that stimulated N deposition changed the soil enzyme activities both in homogenized soils and aggregated soils; soil aggregates could protect the internal soil enzyme activities under N deposition addition to a certain extent, which were related to the kinds of soil enzymes and soil aggregate sizes.

nitrogen deposition; soil aggregate; enzyme activity; relative enzyme activity index; forest soil

國家自然科學基金項目(41101278, 41101302); 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室開放基金(Y052010035); 廣州市高?？蒲许椖?10A033); 東莞市高等院校科研機構科技計劃(200910810174)

2013- 10- 09;

日期:2014- 07- 14

10.5846/stxb201310092422

*通訊作者Corresponding author.E-mail: ljtgzhu@163.com

鐘曉蘭, 李江濤, 李小嘉, 葉永昌, 劉頌頌, 徐國良, 倪杰.模擬氮沉降增加條件下土壤團聚體對酶活性的影響.生態學報,2015,35(5):1422- 1433.

Zhong X L, Li J T, Li X J, Ye Y C, Liu S S, Xu G L, Ni J.Early effect of soil aggregates on enzyme activities in a forest soil with simulated N deposition elevation.Acta Ecologica Sinica,2015,35(5):1422- 1433.