降水和氮沉降增加對草地土壤酶活性的影響

閆鐘清,齊玉春,彭 琴,董云社,*,郭樹芳,賀云龍,王麗芹,李兆林

1 中國科學院地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬重點實驗室, 北京 100101 2 中國科學院大學, 北京 100049

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降水和氮沉降增加對草地土壤酶活性的影響

閆鐘清1,2,齊玉春1,彭 琴1,董云社1,*,郭樹芳1,2,賀云龍1,2,王麗芹1,2,李兆林1,2

1 中國科學院地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬重點實驗室, 北京 100101 2 中國科學院大學, 北京 100049

降水；氮沉降；草地生態(tài)系統(tǒng)；酶活性

土壤酶主要來源于土壤微生物和植物分泌物,是土壤中所有生物化學過程的主要催化劑,是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的組分之一,其活性大小不僅反映土壤質量狀態(tài),而且體現(xiàn)了土壤中生物化學反應的方向和強度[1],同時,由于土壤酶反應靈敏、測定便捷,且具有專一性和綜合性的特點,一些研究者將其視為極具潛力的土壤質量變化指示劑[2]。氮作為最易耗竭和限制植物生長的營養(yǎng)元素,在其轉化的每一階段,均有專性的酶類參與,這些專性的土壤酶直接參與土壤中氮元素的有效化過程[3]。

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,面積約占地球陸地面積的40%[4]。降水格局改變和氮沉降增加是未來全球變化的重要趨勢[5]。IPCC共13個氣候系統(tǒng)模式對我國未來100年氣候變化的預測結果表明：21世紀中國氣候預估顯著變暖、變濕,其中70%以上模式的預估年降水量增加范圍在14—155 mm之間[6]。同時,由于化石燃料的燃燒以及化肥的大量使用也帶來大氣氮沉降量的日趨增加,并且這種趨勢在未來的數(shù)十年內還將持續(xù)下去,勢必會帶來陸地生態(tài)系統(tǒng)氮素供應狀態(tài)的顯著改變[7]。土壤微生物以及土壤酶活性不僅反映了土壤氮循環(huán)的進程、強度和方向,而且對氣候等外界因素引起的環(huán)境變化十分敏感[8],是公認的土壤系統(tǒng)變化的預警及敏感性指標[9]。本研究基于IPCC預測的降水和氮沉降增加的全球變化情景,利用野外原位控制試驗探討了不同水、氮變化背景下我國溫帶半干旱典型羊草草地土壤蛋白酶、脲酶、硝酸還原酶和亞硝酸還原酶等氮循環(huán)相關酶活性的變化趨勢,以期為深入了解草地氮循環(huán)過程對降水、氮沉降增加的響應及其機制奠定數(shù)據(jù)基礎,為全球變化背景下草地生態(tài)系統(tǒng)的科學管理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

內蒙中緯度溫帶半干旱草原是國際地圈-生物圈計劃(IGBP)陸地樣帶-中國東北陸地生態(tài)系統(tǒng)樣帶(NECT)的重要組成部分,不僅在中國溫帶草原區(qū)具有較強的典型性,而且在整個歐亞大陸草原區(qū)也有明顯的代表性[10]。本研究在NECT樣帶內選擇內蒙古錫林河流域分布最廣、面積最大的草原群落類型-羊草草原中的自由放牧地作為實驗樣地,建立控制試驗小區(qū)(43°33′51.3″ N, 116°40′44.1″ E,海拔約1225 m)。所選草地建群種為根莖禾草羊草(Leymuschinensis),優(yōu)勢種為大針茅(Stipagrandis)和冰草(Agropyroncristatum)等密叢禾草。土壤為暗栗鈣土,土層深度可達0—150 cm,土壤有機層厚達0—30 cm,年降水量350—450 mm,年均氣溫-0.3—1℃,≥10℃積溫1800—2000℃。

1.2 試驗設計

試驗于2014年5月到9月進行,采用完全隨機區(qū)組設計,共設降水增加和氮沉降增加兩個因素,其中降水設置2個水平(W0,自然降水；W15,增加15%的多年平均降水量),氮沉降設置4個水平(對照,CK,0 g kg N hm-2a-1；低氮,LN,25 kg N hm-2a-1；中氮,MN,50 kg N hm-2a-1；高氮,HN,100 kg N hm-2a-1),共8個處理,每個處理設3個重復,樣地共劃分24個面積均為8 m×8 m的固定樣方,樣方之間設有1m寬的緩沖隔離帶。降水增加幅度主要基于IPCC第四次評價報告對我國北方降水變化幅度的預測結果(增加12%—18%)以及研究區(qū)域降水的年變率而定,根據(jù)內蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站30年降水資料,多年平均年降水量為344.5mm,計算得出降水年均增加15%所增加降水量為51.68 mm,由于降水主要集中在夏秋季節(jié)牧草生長旺盛的6—9月,因此,假設增加的降水全部增加到這4個月份,且降水時間分配規(guī)律并未改變。根據(jù)多年氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算得出研究區(qū)6—9月降水量分別占4個月降水總量的權重,然后將需增加的總水量按權重比例在這4個月份分別添加到設計小區(qū)中,每個月在月中與月底避開自然降雨日分兩次添加該月需加水量的1/2,增加的降水采用具有流量控制的噴灌裝置進行。氮輸入水平設置主要考慮當前我國大氣氮沉降量及其未來50年變化趨勢,兼顧參考國際上同類研究以及國內溫帶草地已有施肥試驗,氮肥類型選擇兼有銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的中性氮肥硝酸銨鈣。氮素添加主要分兩次人工均勻撒施,分別選擇在每年的6月底與7月底進行(研究表明雨季施肥具有較好的增產(chǎn)效果,且6—7月處于牧草旺盛生長期,養(yǎng)分需求量大[11]),每次施肥量均為全年添加量的1/2。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集與預處理

1.3.2 樣品分析方法

表1 土壤酶活性測定所用基質、培養(yǎng)條件和測定產(chǎn)物

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Microsoft Excel 2010軟件和originPro2016進行數(shù)據(jù)整理與作圖,利用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。其中,不同處理間的差異顯著性檢驗采用方差分析、獨立樣本t檢驗、LSD和Tamhane多重比較法,不同酶活性間的相關性分析采用pearson雙側檢驗。

2 結果與分析

2.1 降水與氮沉降增加條件下土壤基本理化特征的差異

表2 水、氮添加對土壤理化性質的影響

表中數(shù)值為 2014-05—2014-09 各次測定的平均值;同列不同小寫字母表示降水相同、不同氮素處理間差異顯著(P<0.05,LSD和Tamhane法)；同列不同大寫字母表示降水變化、相同氮素處理間差異顯著(P<0.05,獨立樣本t檢驗)

2.2 降水與氮沉降增加對土壤酶活性變化的影響

實驗期內土壤酶活性在植物生長季5次測定值的平均值如表3所示。在自然降水條件下,不同施氮處理蛋白酶、脲酶和硝酸還原酶活性無顯著差異,亞硝酸還原酶活性相比于對照分別顯著降低了55.57%、57.76%和65.45%；在增加降水條件下,不同施氮水平對蛋白酶和硝酸還原酶活性依然未產(chǎn)生顯著性影響,高氮水平則使脲酶和亞硝酸還原酶活性分別顯著降低了16.87%和67.23%。

由表3中可以看出,不同施氮水平是否添加降水對亞硝酸還原酶活性無影響,增添降水使低氮處理的蛋白酶活性和中、高氮處理水平的硝酸還原酶活性顯著增加,使高氮處理的脲酶活性降低。

表3 水、氮添加條件下土壤酶活性比較

表中數(shù)值為 2014-05—2014-09 各次測定的平均值;同列不同小寫字母表示降水相同、不同氮素處理間差異顯著(P<0.05,LSD和Tamhane法)；同列不同大寫字母表示降水變化、相同氮素處理間差異顯著(P<0.05,獨立樣本t檢驗)

對降水和氮沉降處理下土壤理化性質和酶活性變化進行雙因素方差分析(表4)。降水在影響蛋白酶和硝酸還原酶活性方面具有主效應,氮沉降在影響土壤碳氮比、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝酸還原酶活性方面具有主效應,而降水和施氮處理僅對于土壤硝態(tài)氮含量變化表現(xiàn)出明顯地交互作用。

表4 土壤理化性質與酶活性受水、氮變化影響的雙因素方差分析(F值)

** 代表顯著水平為 0.01,*** 代表顯著水平為 0.001

羊草草原植物生長季土壤酶活性的動態(tài)變化如圖 1所示,由于降水和氮添加實驗分別是從6月上旬和七月初開始進行,所以5月份只有自然樣地酶活性測定值,6月底取樣除對照外測定了降水增加樣地土壤酶活性。總體來看,不同梯度的水、氮處理間酶活性表現(xiàn)出了不同程度的差異性,但變化規(guī)律不明顯。

蛋白酶活性在自然降水條件下,對照與低氮處理在7、8、9月表現(xiàn)為先降低后增高,而中、高氮處理水平則表現(xiàn)為相反的變化趨勢,即先增高后降低；降水增加時不同的施氮處理表現(xiàn)為相同的變化趨勢與幅度,均是先增高后降低,在8月底活性最大。

脲酶活性在自然降水條件下,不同氮處理間從7月開始均表現(xiàn)為上升趨勢；而增加降水使脲酶在不同的施氮水平下未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。

硝酸還原酶活性在自然降水條件下,低氮和高氮處理表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律,7、8、9月份依次降低,對照和中氮水平變化規(guī)律一致,先降低后增高；在增加降水條件下,不同施氮處理,對照和中氮水平變化規(guī)律依然一致,先增高然后降低,而低氮和高氮處理則分別表現(xiàn)出持續(xù)增高或持續(xù)降低的變化趨勢。

亞硝酸還原酶活性在自然降水條件下,7月份不同氮處理之間活性表現(xiàn)為對照>低氮>中氮>高氮。8、9月份不同處理之間幾乎無差異；增加降水進行不同施氮處理的亞硝酸還原酶活性在7月份表現(xiàn)出和自然降水條件下相同的大小關系,8、9月不同施氮的活性值之間幾乎無差異且有共同的降低趨勢。

2.3 土壤酶活性之間及其與土壤理化因子的相關性分析

土壤酶在促進及參與土壤物質轉化和能量交換中, 不僅有其專有特性, 同時還存在著共性關系。對土壤酶活性進行相關性分析的結果表明,在自然降水條件下進行施氮處理(表5),蛋白酶和脲酶極顯著正相關,相關系數(shù)為0.478,硝酸還原酶和亞硝酸還原酶的活性也呈現(xiàn)極顯著正相關,相關系數(shù)為0.431。蛋白酶和脲酶同屬于水解酶類,硝酸還原酶和亞硝酸還原酶同屬于氧化還原酶類,說明同類土壤酶對氮沉降增加的響應存在共性關系；增加降水處理條件(表6)下的不同施氮處理,蛋白酶和硝酸還原酶、亞硝酸還原酶呈極顯著正相關和顯著負相關,相關系數(shù)分別為0.629和-0.325,說明增加降水改變了不同種類酶活性之間的相關程度。

圖1 水、氮添加對土壤酶活性季節(jié)動態(tài)的影響Fig.1 Effects of Precipitation increase and nitrogen addition on seasonal dynamics of soil enzyme activities

表5 自然降水樣地中土壤酶活性的相關性分析結果

*為P<0.05顯著相關,**為P<0.01極顯著相關.

表6 增加降水樣地中土壤酶活性的相關性分析結果

*為P<0.05顯著相關,**為P<0.01極顯著相關.

表7 土壤酶活性及土壤理化性質的相關性分析

*為P<0.05顯著相關,**為P<0.01極顯著相關

3 討論

3.1 降水與氮沉降增加對土壤基本理化特征的影響

3.2 降水與氮沉降增加對土壤酶活性變化的影響

有研究指出土壤蛋白酶隨著土壤水分的下降其活性下降[25- 26],本研究也發(fā)現(xiàn)土壤水分在影響蛋白酶活性方面具有主效應,降水顯著增加了低氮水平處理下蛋白酶活性。肥料增加使土壤中蛋白酶活性降低[27],本文中兩個降水梯度處理下施氮對蛋白酶活性未表現(xiàn)出明顯影響。

sardans等[28]指出減少10%—20%的土壤含水量很大程度上降低了脲酶的活性。本研究發(fā)現(xiàn)除高氮處理增加降水后脲酶活性有所降低。施肥可提高土壤中脲酶活性[29- 31],Ajwa等[32]的研究卻得出氮肥的添加會降低土壤脲酶的活性,本研究在自然降水條件下不同施氮水平未表現(xiàn)出對脲酶活性的顯著影響,而增加降水時高氮處理抑制脲酶活性,分析原因可能是施氮量過高產(chǎn)生的劑量效應[33]。

已有研究表明反硝化酶活性主要受土壤溫度、水分、氧氣、底物濃度和有機碳含量等因素影響[34],反硝化酶與溫室氣體N2O的排放有顯著正相關關系[23]。對稻田土壤施肥顯著增加了土壤反硝化細菌的多樣性和豐度,相應提高了反硝化作用[35],而對于本研究所在的干旱半干旱草地,在增加水、氮條件下可能會加速植物與微生物之間的養(yǎng)分競爭,使微生物活性降低,從而導致在自然降水條件下,不同施氮處理亞硝酸還原酶活性顯著降低；在增加降水條件下,高氮水平則使亞硝酸還原酶活性顯著降低。在中、高氮處理水平增加降水可能起到了緩解作用而使硝酸還原酶活性顯著增加。

3.3 降水和氮沉降增加下土壤酶與土壤理化因子的關系

在自然降水條件下進行施氮處理,蛋白酶和脲酶極顯著正相關,硝酸還原酶和亞硝酸還原酶的活性也呈現(xiàn)極顯著正相關。增加降水處理條件下的不同施氮處理,蛋白酶和硝酸還原酶、亞硝酸還原酶呈極顯著正相關和顯著負相關,說明增加降水改變了不同種類酶活性之間的相關程度。

4 結論

研究期間,水、氮變化及其交互作用對酶活性的促進或抑制作用表現(xiàn)出一定的復雜性和不穩(wěn)定性,這可能與野外試驗條件的空間異質性較高、取樣頻率、N處理時間長短以及不同季節(jié)環(huán)境因子的變化等有關,有待進一步開展深入的研究,這對嘗試建立草地土壤酶學評價指標體系具有重要的指導意義。

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Effects of increased precipitation and nitrogen deposition on soil enzyme activities

YAN Zhongqing1,2,QI Yuchun1, PENG Qin1, DONG Yunshe1,*, GUO Shufang1,2,He Yunlong1,2, Wang Liqin1,2,Li Zhaolin1,2

1KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

precipitation; nitrogen deposition; grassland ecosystem; enzyme activity

國家自然科學基金(41330528，41573131,41373084,41203054)；公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201203012- 6)

2016- 01- 26; 網(wǎng)絡出版日期:2016- 12- 19

10.5846/stxb201601260184

*通訊作者Corresponding author.E-mail: dongys@igsnrr.ac.cn

閆鐘清,齊玉春,彭琴,董云社,郭樹芳,賀云龍,王麗芹,李兆林.降水和氮沉降增加對草地土壤酶活性的影響.生態(tài)學報,2017,37(9):3019- 3027.

Yan Z Q,Qi Y C, Peng Q, Dong Y S, Guo S F,He Y L, Wang L Q,Li Z L.Effects of increased precipitation and nitrogen deposition on soil enzyme activities.Acta Ecologica Sinica,2017,37(9):3019- 3027.