森林土壤磷酸酶活性變化特征及其影響因素

劉雅淑 孟春鳳 劉延鵬 等

摘要：以鎮江南山森林公園6種林間土壤為研究對象，探討磷酸酶活性、磷組分的分布特征及環境因子對其的影響。通過室內分析和不同溫度梯度下的培育試驗，發現6種森林土壤肥力較強，磷酸酶活性高，其值為11 676.10～33 271.29 μg/g；磷酸酶活性與有機碳含量呈正相關，與總氮含量呈負相關，與無機磷、有機磷和總磷含量呈顯著正相關，相關系數分別為0.94（P<0.01）、0.94（P<0.05）和0.95（P<0.01）；土壤中Zn、Cd含量較低，均與磷酸酶活性呈正相關。低濃度重金屬脅迫對磷酸酶活性有一定的刺激作用；溫度的升高能夠促進土壤中有機磷向有效磷的轉化。研究結果表明，南山森林土壤磷循環過程活躍，土壤有機碳、總氮和各形態磷是磷酸酶活性的主要影響因子。

關鍵詞：森林土壤；磷酸酶活性；有機碳；總氮；各形態磷；重金屬；溫度

中圖分類號：S154.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）04-0850-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.04.009

Variations of Phosphatase Activity in Forest Soil and Its Influencing Factors

LIU Ya-shu， MENG Chun-feng， LIU Yan-peng， SHI Yi-su， CHEN Chen

（Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， Jiangsu，China）

Abstract： Six types of forest soils in Zhenjiang Nanshan Forest Park were studied. The phosphatase activity was analyzed and the affections of environmental factors on phosphatase activity were discussed. The results showed that Nanshan Forest Park soils were fertility and the phosphatase activity was strong. The phosphatase activity ranged from 11 676.10 μg/g to 33 271.29 μg/g. Soil phosphatase activity was positively correlated with organic carbon content and negatively correlated with total nitrogen content. The phosphatase activity was significantly positively correlated with inorganic phosphorus， organic phosphorus and total phosphorus contents. The correlation coefficient was 0.94（P<0.01）， 0.94（P<0.05） and 0.95（P<0.01）， respectively. Phosphatase activity also was positively correlated with soil Zn and Cd contents. Heavy metal with low concentrations could stimulate the phosphatase activity. And increasing temperature could promote the conversion of organic phosphorus to the available phosphorus in soil. The results showed that the phosphorus recycling process in Nanshan forest soil was active. Soil organic carbon， total nitrogen and various forms of phosphorus were the main influencing factors of phosphatase activity.

Key words：forest soil；phosphatase activity；organic carbon；TN；various forms of phosphorus；heavy metal；temperature

土壤中的微生物和植物根系都能分泌磷酸酶，其中很少的一部分磷酸酶游離于土壤溶液之中，絕大部分則被吸附于土壤膠體和一些黏土礦物上。磷酸酶是生物磷代謝的重要酶類，可水解土壤中的有機磷化合物，釋放出相應的醇類和無機磷，其活性高低直接影響土壤有機磷的分解轉化及生物有效性，在土壤磷循環過程中扮演了重要角色。國內外學者對農田、草地等生態系統的土壤磷酸酶進行了大量研究，主要從單環境因子角度探討了重金屬、土壤理化性質和磷組分等環境因素對磷酸酶活性的影響[1-6]。但對磷酸酶與多環境因子之間的關系研究不多，且對于森林土壤磷循環進行研究。本研究通過對鎮江南山森林公園6種不同類型林間土壤的分析，擬了解鎮江南山森林土壤磷酸酶分布特征，研究多種環境因子對森林土壤磷酸酶活性的影響，為研究南山森林土壤磷循環過程提供理論依據。

1 研究區域和研究方法

1.1 研究區域

鎮江南山國家森林公園坐落于江蘇省鎮江市城南，地理位置為東經119°25′00″-119°27′30″，北緯32°08′20″-32°11′40″，總面積達10 km2，核心區域約3 km2。該區域氣候溫暖且濕潤，屬過渡性季風氣候區。南山公園年平均氣溫15.4 ℃，年平均降雨量約1 074 mm；主要風向為東風、東南風；霜期最長為156 d，最短為76 d；平均相對濕度約為76%；山地為角礫砂粉土土質，崗地和坡地為黏土和亞黏土土質，地下水位在3 m以下[7]。在南山森林公園選取6個林木生長和土壤發育較好的人工林區域采集了新鮮森林土壤樣品。采樣點分布如表1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 土樣的采集和預處理 在選定的采樣區域掃除表層枯葉雜草，用竹鏟采集0～10 cm的表層土壤，放入密封袋內帶回實驗室。新鮮土壤除去肉眼可見的植物殘體，取少量風干處理后研磨過1 mm篩，用于理化性質、磷酸酶活性和磷組分的檢測分析，其余新鮮土壤在不同溫度下進行室內培育并檢測培育后的土壤磷酸酶活性。

1.2.2 不同溫度的室內培育 為探討土壤溫度變化對磷酸酶活性的影響，設置了10、20、30、40和50 ℃共5個溫度梯度進行室內培育，以模擬自然條件下土壤溫度狀況。稱取30 g新鮮土樣，置于250 mL的錐形瓶中，在設定好溫度條件的恒溫水浴鍋中培養3 h，設置3個平行樣。培育結束后檢測瓶中土壤的磷酸酶活性。

1.2.3 分析測定 土壤pH采用水提法測定；土壤TOC的測定采用水合熱重鉻酸鉀氧化-分光光度法；總氮測定采用納氏試劑分光光度法；土壤中無機磷、有機磷以及總磷的測定均采用鉬酸銨分光光度法；土壤磷酸酶活性測定采用對硝基苯磷酸二鈉比色法[5]；土壤重金屬（銅、鋅和鎘）含量測定使用原子吸收分光光度法[8]。

2 結果與分析

2.1 土壤基本理化性質和磷酸酶分布特征

6種南山森林土壤基本理化性質如表2所示，表中的磷酸酶數值為酸性和堿性磷酸酶活性總和。南山森林土壤總有機碳（TOC）含量為6～17 g/kg，總氮含量為0.32～1.96 g/kg；土壤有機磷含量均低于無機磷。NS5土壤的各形態磷含量明顯較高，其余5種森林土壤中各形態磷（無機磷、有機磷和總磷）含量接近。南山森林土壤磷酸酶活性較高，為11 676.10～33 271.29 μg/g，顯著高于人工草地表層10 cm的磷酸酶活性[6]。森林土壤表層積累了大量腐殖質，有充分的營養源保證微生物的生長，且表層水熱條件和土壤透氣性好，利于微生物的生長繁殖，使得表層土壤酶活性較高[9]。

2.2 影響森林土壤磷酸酶活性的主要環境因素

2.2.1 土壤有機碳（TOC）和總氮（TN）含量對磷酸酶活性的影響 如圖1所示，磷酸酶活性和有機碳、總氮含量之間均具有顯著相關性。磷酸酶活性與TOC含量呈極顯著正相關關系（r=0.39，P<0.01），與TN含量呈顯著負相關（r=0.45，P<0.05）。

土壤有機碳是生物殘體等有機物質的輸入與以土壤微生物分解作用為主的有機物質損失之間的平衡[10]，對于森林生態系統而言，有機碳主要來自于森林落葉等形成的腐殖質。由于多數微生物都是從有機碳獲得能源物質，有機碳對土壤微生物群落和活性有很大影響。土壤中微生物和植物都能夠產生礦化有機營養成分的酶，豐富的有機質可以提供更多碳源供微生物和植物生命活動所需，從而產生更多數量的土壤酶。同時，酶活性的增強又能促進有機磷的分解和轉化，加速有機磷向無機磷的轉化，為植被提供更多可利用磷。所以磷酸酶活性與TOC含量之間具有較好的正相關關系。

與之相反，南山森林土壤磷酸酶活性與TN之間則呈負相關關系。南山森林土壤TN含量為0.32～1.96 g/kg，含量較低。當土壤可利用的營養物含量低時，生物能夠提高土壤酶的產量以增加無機氮、磷的供給[11]。低濃度的氮含量能刺激森林土壤中根系和微生物加快分泌磷酸酶，使磷酸酶活性增強，從而出現總氮和磷酸酶活性負相關的結果。有學者研究發現表層0～5 cm森林土壤中磷酸酶活性顯著高于底層土壤，與土壤TOC和TN含量均呈顯著正相關[5，6]，與本研究結果不同，這可能與土壤類型、管理措施、pH和水熱等因素有關。

2.2.2 土壤各形態磷對磷酸酶活性的影響 南山森林土壤各形態磷和磷酸酶活性的關系如圖2所示，磷酸酶活性與無機磷和總磷含量呈極顯著正相關，與有機磷含量呈顯著正相關，相關系數分別為0.94（P<0.01）、0.95（P<0.01）和0.94（P<0.05）。

植物生長發育過程中需要吸收一定的磷，土壤有機磷是植物生長所需磷元素的重要來源，但其不能被植物直接吸收，大部分有機磷需要礦化為無機態磷才能被植被吸收利用。有機磷能通過誘導作用提高土壤磷酸酶活性，與磷酸酶活性之間有很好的正相關性。當土壤中供給植物所需的磷含量不足時，植物會在這種脅迫環境下分泌一些能夠分解有機磷的根際分泌物，比如低分子量有機酸、磷酸酶，降低土壤中有機磷含量[12]。另一方面，植物殘體進入土壤腐爛后來不及分解會常年積累下來，因此有機磷也會積累。有機磷含量是消耗和積累兩個過程動態平衡的結果。南山森林土壤磷酸酶和有機磷含量之間呈顯著正相關關系，與文獻報道結果一致[5，13]。磷酸酶大量產生后，將有機磷轉化為無機磷，所以磷酸酶活性與無機磷產率呈正比，即酶活性越強，無機磷含量越高。有機磷和無機磷總和即是總磷。總磷含量是土壤養分的一個重要指標，對磷酸酶活性也有重要影響。

2.2.3 土壤重金屬對磷酸酶活性的影響 本研究檢測了森林土壤中銅（Cu）、鋅（Zn）和鎘（Cd）3種重金屬含量，其中銅未檢測到，鋅含量變化范圍為3.7～73.6 mg/kg，鎘含量為0.18～1.56 mg/kg。鋅、鎘與磷酸酶活性的關系如圖3所示，其中鎘元素對磷酸酶活性的影響更顯著。

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