模擬氮沉降對溫帶森林土壤酶活性的影響

張 藝,王春梅,許 可,楊欣桐

北京林業大學環境科學與工程學院, 北京 100083

模擬氮沉降對溫帶森林土壤酶活性的影響

張 藝,王春梅*,許 可,楊欣桐

北京林業大學環境科學與工程學院, 北京 100083

氮添加；酶活性；溫帶森林土壤；遼東櫟

近年,化石燃料的燃燒和氮肥的使用,使大氣氮沉降量明顯增加[1-2],我國在2010年的陸地氮沉降量平均達21.1 kg N hm-2a-1,已成為亞洲第一大氮沉降區[3-4]。大量氮輸入會改變土壤生態系統中微生物的結構與功能,影響有機質的礦化和腐殖質形成,從而影響了生態系統碳氮循環[1]。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與樣地設置

氮添加模擬試驗設于北京市海淀區西山林場(110°68′34″E,31°54′52″N),屬于北京林業大學的實驗基地。地屬溫帶半濕潤大陸型季風氣候,年平均氣溫11.7 ℃,最低氣溫-15.4 ℃,最高氣溫41.5 ℃；年平均降水量為638.8 mm。平均海拔為133 m,屬輕壤褐土,遼東櫟(Quercusliaotungensis)作為優勢樹種,樹齡為62a,平均胸徑為9.6 cm,平均株高為8.3 m。

1.2 模擬氮添加試驗方法

本研究共設置3種處理和兩個水平。3種不同形態的氮添加處理為銨態氮((NH4)2SO4)、硝態氮(NaNO3)和混合態氮(NH4NO3)；兩種不同的施氮水平為低氮(50 kg N hm-2a-1,N50)和高氮(150 kg N hm-2a-1,N150),同時設置空白對照(0 kg N hm-2a-1,N0)。每個樣方為10 m × 10 m,樣方之間留有1.5 m寬的緩沖帶以防樣方間相互干擾,每個樣方設置3個重復,采用隨機區組設計設置氮添加試驗。施氮時間為2011至2012年的3—10月。每月中旬開始向樣地中噴灑氮肥。將對應劑量的氮素用等量的水溶于噴壺中,向各個樣方中均勻噴施,同時向對照樣地中噴施同等劑量的清水,以減少外加水分因子對試驗造成的影響。

1.3 土壤樣品采集、處理與測定

在模擬施氮2年后,采用多點(5—8點)梅花型采樣法隨機采集各樣方表層(0—10 cm)混合土壤樣品,連續采樣2a。每次采集完土壤樣品后,仔細剔除大于2 mm的石塊及動植物殘體,過2 mm土壤篩。充分混勻后,置于4 ℃冰箱中保存,迅速完成土壤酶活性測定。剩余土壤風干后常規方法測定其土壤理化性質。

6種酶活性的測定方法如下：采用苯酚-次氯酸鈉比色的方法測定脲酶；采用標準硫代硫酸鈉滴定法測定β-葡萄糖苷酶；采用磷酸苯二鈉比色法測定酸性磷酸酶(用pH=5.0的乙酸鹽緩沖液)、堿性磷酸酶(用pH=7.0的乙酸鹽緩沖液)；采用碘量滴定法測定多酚氧化酶；采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶[6,23]。

1.4 數據分析

主要采用Origin 9.1和SPSS 19.0進行實驗數據的統計和分析。對不同施氮形態和施氮水平的交互作用進行兩因素重復測量方差分析(repeated measures ANOVA),沒有交互作用的各施氮處理酶活性進行單因素方差分析,顯著水平為P<0.05,用LSD多重檢驗法檢驗不同處理間的差異顯著性。酶活性與環境因子之間采用Pearson相關分析。

2 實驗結果分析

2.1 氮添加對土壤理化性質的影響

表1 不同氮處理下土壤基本理化性質

同一列中不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05),N0：0 kg N hm-2a-1；N50：50 kg N hm-2a-1；N150：150 kg N hm-2a-1

2.2 氮添加對土壤酶活性的影響

2.2.1 不同氮素水平和形態的交互作用對土壤酶活性的影響

表 2 不同形態和水平氮添加下土壤酶活性的重復測量方差分析

n=9；a：不同施氮水平；b：不同施氮形態；**P<0.01,表示差異極顯著；*P<0.05,表示差異顯著；P>0.05表示差異不顯著

圖1 不同氮添加下土壤脲酶活性動態變化Fig.1 Effects of different N forms and N levels on soil urease activities

圖2 不同氮添加下土壤酸性磷酸酶活性動態變化Fig.2 Effects of different N forms and N levels on soil acid phosphatase activities

圖3 不同氮添加下土壤堿性磷酸酶活性動態變化Fig.3 Effects of different N forms and N levels on soil alkaline phosphatase activities

圖4 不同氮添加下土壤多酚氧化酶活性動態變化Fig.4 Effects of different N forms and N levels on soil polyphenol oxidase activities

2.2.2 不同水平氮添加對土壤酶活性的影響

將同一施氮水平的不同形態處理取平均值作為不同施氮水平的觀測值。通過單因素分析,不同的施氮水平,顯著促進了堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性(P<0.05)(表2),且低氮處理的促進作用顯著高于高氮處理(P<0.05)。堿性磷酸酶活性在低氮和高氮處理中分別比對照高20.2%和11.5%(圖3)；低氮和高氮處理下的多酚氧化酶活性分別高出對照64.3%和41.8%(圖4,P<0.05)。不同施氮水平對土壤β-葡萄糖苷酶和過氧化氫酶活性沒有產生顯著影響(P>0.05)。

2.2.3 不同形態氮添加對土壤酶活性的影響

2.2.4 氮添加對森林土壤酶活性時間分異規律的影響

圖5 不同氮添加下土壤β-葡萄糖苷酶活性動態變化Fig.5 Effect of different N forms and N levels on soil β-glycosidase activities

圖6 不同氮添加下土壤過氧化氫酶活性動態變化Fig.6 Effect of different N forms and N levels on soil catalase activities

2.2.5 氮添加下森林土壤酶活性與環境因子的相關性

對氮添加下的森林土壤酶活性與環境因子進行相關分析得出(表3),脲酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶均與土壤微生物量碳有顯著正相關(P<0.05),且與脲酶活性的相關系數最大(r=0.402)。過氧化氫酶與多酚氧化酶活性與微生物量碳存在顯著負相關(r=-0.336和r=-0.138,P<0.05)。多酚氧化酶與過氧化氫酶活性與硝態氮的相關性均達到了顯著水平(P<0.05)。此外,堿性磷酸酶活性與土壤銨態氮也表現出了顯著的正相關(P<0.05)。然而土壤酶活性與微生物量氮、全氮和有機碳含量之間不存在顯著相關性。

3 討論

表3 不同土壤酶活性與土壤環境因子的相關關系

**：表示P<0.01,極顯著相關；*：表示P<0.05,顯著相關

多酚氧化酶為土壤中主要的木質素降解酶,與土壤腐殖化程度密切相關。此前對多種生態系統的研究均表明,施氮能夠降低土壤多酚氧化酶活性[10,17,28],尤其在高氮處理下的抑制作用更為明顯,而Zeglin等[36]的研究卻得出氮沉降對氧化酶活性無影響。本實驗與他們研究的結果均有不同,施氮明顯促進了土壤多酚氧化酶活性,此結果也否定了氮沉降抑制土壤氧化酶的表達的假設。不過,也不乏與本研究結果一致的相關研究[21- 22,37]。究其原因,氮沉降對多酚氧化酶活性產生負影響的結論多數由研究白腐真菌得出,氮沉降增加可能會抑制白腐真菌的活性,減少這兩種氧化酶的產量,但是多酚氧化酶活性不僅僅與白腐真菌相關,其他生物如一些軟腐真菌在氮沉降增加時,可能也會提高土壤的多酚氧化酶活性[38]。

β-葡萄糖苷酶作為纖維素水解酶,參與纖維素的代謝以及多種生化過程,該酶活性的變化會影響以葡萄糖為底物的一系列微生物活動。該研究并未得出β-葡萄糖苷酶活性對施氮水平有顯著影響的結論,相關研究[10,39]也表明施氮劑量的增加并沒有明顯促進土壤β-葡萄糖苷酶的活性。但是有研究卻發現隨氮素的增加,森林土壤纖維素酶或β-葡萄糖苷酶酶活性的促進作用明顯[7,31,40],這可能與植株對碳的吸收和利用能力不同[35],或者取樣頻率、氮處理時間長短以及不同季節環境因子的變化等有關。

過氧化氫酶活性可反映土壤腐殖質化、有機質化的強度和速度。該研究表明,氮添加對土壤過氧化氫酶活性沒有顯著影響,這與Frey等[11]和杜錕等[35]的研究相似。但多數學者[22,38,41]發現氮沉降可提高土壤過氧化氫酶活性,而氮沉降對川南常綠闊葉林土壤過氧化氫酶活性卻有抑制作用[9]。氮添加對土壤過氧化氫酶活性產生不同影響的原因也許是土壤類型、植被種類不同導致,也可能是土壤有機碳濃度對施氮不敏感所致,或者該森林土壤中的微生物群落結構與其他研究區域有差異使得土壤氧化酶活性對施氮的響應不同。從時間格局上看,不同氮添加下的過氧化氫酶活性峰值出現在冬季,此結論與涂麗華等[24]的研究類似。由于冬季積雪使土壤透氣性減弱,易于生成化合物過氧化氫,限制了微生物的生長與繁殖,土壤通過增加過氧化氫酶活性來緩解過氧化氫對土壤的毒害,厭氧環境使得微生物發生反硝化,增加了土壤中銨態氮含量,此解釋正好說明了過氧化氫酶活性與微生物量碳含量呈顯著負相關、與銨態氮呈顯著正相關的現象。

4 結論

(2)氮添加沒有改變森林土壤酶活性的時間分異規律。土壤脲酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性均呈夏季高,冬季低,春秋居中的規律,β-葡萄糖苷酶活性卻呈現冬季高于夏季的變化動態,過氧化氫酶活性則在秋季處于低谷。

(3)氮添加通過改變土壤環境因子,影響了森林土壤酶活性。脲酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶均與土壤微生物量碳有顯著正相關,過氧化氫酶與多酚氧化酶活性與微生物量碳含量存在顯著負相關。多酚氧化酶與過氧化氫酶活性與硝態氮含量呈現顯著正相關。堿性磷酸酶活性與土壤銨態氮有顯著正相關。pH、全氮、有機碳和微生物量氮與6種酶活性均無顯著相關性。

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Effect of simulated nitrogen deposition on soil enzyme activities in a temperate forest

ZHANG Yi, WANG Chunmei*, XU Ke, YANG Xintong

CollegeofEnvironmentalScience&Engineering,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China

nitrogen deposition; soil enzymes activities; temperate forest soil;Quercusliaotungensis

中央高校基本科研業務費專項資金(2016JX02)；國家自然科學基金(41373069)

2015- 10- 23;

日期:2016- 08- 02

10.5846/stxb201510232140

*通訊作者Corresponding author.E-mail: sdwcm@126.com

張藝,王春梅,許可,楊欣桐.模擬氮沉降對溫帶森林土壤酶活性的影響.生態學報,2017,37(6):1956- 1965.

Zhang Y, Wang C M, Xu K, Yang X T. Effect of simulated nitrogen deposition on soil enzyme activities in a temperate forest.Acta Ecologica Sinica,2017,37(6):1956- 1965.