酸雨脅迫對桉樹純林及混交林土壤pH和酶活性的影響

劉奎，何正峰，莫日彬，楊梅

(1.廣西大學林學院，廣西 南寧 530004；2. 廣西七坡國有林場，廣西 南寧 530000)

酸雨作為主要的環境問題之一，一直是全球關注的焦點[1]。尤其中國的南方地區受酸雨的危害最為嚴重[2，3]，并且在不斷向我國北方地區蔓延。據研究報道，外源酸雨對土壤pH值和酸性磷酸酶活性影響顯著[4]；脲酶和纖維素酶受到一定的抑制作用，而蔗糖酶存在被激活的趨勢[5]；酸雨能夠抑制轉化酶的活性，但是顯著增強了氧化氫酶活性[6]。由此可知，土壤酶活性與酸雨有著非常密切的內在關聯性，土壤酶作為評價林地肥力和生態環境質量優劣的重要指標之一[7]，而且又可以表征土壤物質能量代謝旺盛的程度[8]，因此研究其對酸雨的響應具有重要的意義。

桉樹是桃金娘科桉屬植物，屬于全球著名的三大速生樹種之一[9]，在中國林業發展中有著舉足輕重的地位[10]。前人對桉樹的研究主要集中在種苗培育[11]、木材加工[12]、生態效益[13]和病蟲害防治[14]等方面，但是酸雨對桉樹純林和混交林土壤酶活性的影響卻鮮見報道。酸沉降是近年來造成森林衰亡的主要原因之一[15]，桉樹作為我國重要的用材樹種來說，酸雨對其生長以及生態環境的影響已經嚴重威脅到生態、經濟、社會的和諧發展。該文以尾巨桉純林與混交林(尾巨桉+大葉櫟)的土壤為研究對象，對比分析兩者在不同強度的酸雨處理下土壤酶活性的響應機制。

1 研究方法

1.1 供試材料

該研究的土壤采樣地點位于廣西南寧市國有高峰林場科技園，108°08′—108°53′ E，22°49′—23°15′ N，處于南寧盆地的北緣，屬大明山山脈南伸的西支，地勢東高西低，主要為丘陵和山地地貌，南亞熱帶季風氣候，年平均溫度21.8 ℃，年積溫約7 200 ℃，年均降雨量約1 350 mm，降雨多集中在5—9月，年蒸發量1 250～1 620 mm。年日照時數1 450～1 650 h，相對濕度80%以上。地形為低丘，海拔為150～400 m，母巖為坡積母質和殘積母質，中、厚土層占80%以上，質地為重壤至輕黏，土壤類型為砂頁巖發育形成的赤紅壤，土層厚度為60～100 cm，保水保肥良好。采樣時間為2016年5月，在廣西南寧市國有高峰林場科技園的5年生尾巨桉人工純林和5年生尾巨桉+大葉櫟人工混交林(混交比例1∶1)兩種林分采集土壤，在每個林分的上坡、中坡、下坡分別設置3個規格為20 m×20 m的樣地，在每個樣地內以對角線法均勻挖取3個土壤剖面，然后分0～10、10～20、20～30和30～40 cm四層采集土樣。剔除植物殘體、石塊等侵入體，放置陰涼處保存，于2016年6月在苗圃進行淋溶試驗。

1.2 試驗設計

根據廣西酸雨發生程度和平均離子組成配比，調配成H2SO4(98%)和HNO3(75%)體積比例為8∶1的酸雨母液，再用蒸餾水稀釋，并劃分為重度酸雨處理組(pH3.0)、中度酸雨處理組(pH4.0)和輕度酸雨處理組(pH5.6)，以蒸餾水(pH6.0)作為對照組，每一處理組設置5個重復。該研究采用土柱淋溶法，取同一林分類型的桉樹人工林土壤混合，分層裝入PVC管(高60 cm，內徑 7.5 cm)，每層中間用窗紗或玻璃棉隔開，以便淋溶完畢后分開取出土壤和防止土粒流失，并在表層土壤層覆蓋桉樹落葉，以達到桉樹人工林的最原始狀態。淋溶裝置是使用能控制流速的樹體專用輸液袋(1 L)倒掛在PVC管上方，下方用直徑大于PVC管的漏斗罩住，且密封接口處，塑料管下方用廣口瓶接取淋洗液。模擬酸雨試驗所用酸雨總量相當于當地年均降水量，并折合樹冠枝葉截留后的70%左右進行計算，進入林地土壤雨量約為910 mm·a-1。淋溶速率控制在30 mm·d-1，試驗歷時30 d。試驗結束后，即刻測定土壤pH值，并將土樣自然風干、磨碎，過0.2mm篩以備土壤酶活性的測定。

1.3 指標的測定

土壤的pH是使用便攜式pH計(PHBJ-260型)測定；土壤酶活性的測定參照關松蔭[16]的測定方法，土壤蔗糖酶采用3，5二硝基水楊酸比色法，土壤脲酶采用靛酚比色法，土壤過氧化氫酶采用容量法(高錳酸鉀滴定法)，土壤蛋白酶采用茚三酮比色法測定。

1.4 數據的處理

數據的整理、匯總、分析等均由Excel 2010和SPSS 20.0完成，并對數據進行顯著性檢驗(LSD法，P<0.01)和Pearson雙側相關性檢驗(P<0.01)。

2 結果與分析

2.1 酸雨對土壤pH的影響

由土壤pH隨酸雨pH的變化趨勢圖(圖1)可知，兩種林分的土壤酸堿度均隨著酸雨pH的降低而降低，但是尾巨桉純林與尾巨桉+大葉櫟混交林土壤各自對外源酸的緩沖能力卻不盡相同。

圖1 土壤pH隨酸雨pH的變化趨勢

供試土壤的初始pH值為4.9，空白對照組(pH6.0)處理下，尾巨桉純林與尾巨桉+大葉櫟的土壤pH均有略微的上升。當酸雨pH降低至4.0時，尾巨桉純林的土壤pH迅速下降，比空白對照降低34.0%，而尾巨桉+大葉櫟的土壤pH僅降低10.0%，但是當酸雨pH為3.0時，尾巨桉+大葉櫟的土壤pH也呈現出迅速下降的趨勢，兩種林分的土壤pH幾乎接近相同。由此可知，尾巨桉+大葉櫟的土壤有較大的酸緩沖容量，對輕度和中度酸雨的脅迫有較好的抵抗能力，但是重度酸雨(pH3.0)已經超出該林分土壤對外源酸的緩沖能力范圍。

2.2 酸雨對土壤酶活性的影響

2.2.1 土壤蛋白酶 在不同強度酸雨處理下，尾巨桉純林與尾巨桉+大葉櫟的土壤蛋白酶活性變化可知(見圖2)，隨著酸雨pH的下降，兩種林分的土壤酶活性明顯降低，而且相同強度的酸雨下，尾巨桉+大葉櫟的土壤蛋白酶活性始終比尾巨桉純林的高。在空白對照(pH6.0)，輕度酸雨(pH5.6)和中度酸雨(pH4.0)三種處理下，尾巨桉+大葉櫟的土壤酶活性差異不顯著，而與重度酸雨(pH3.0)處理達到極顯著差異(P<0.01，下同)。輕中度酸雨處理下的尾巨桉純林土壤酶活性與空白對照組差異極顯著，并且與重度酸雨處理也達到極顯著水平。由此說明酸雨pH低至5.6時，尾巨桉純林的土壤蛋白酶活性就會受到抑制，而尾巨桉+大葉櫟的土壤蛋白酶活性受到明顯影響的酸雨pH在4.0左右。

圖2 酸雨對土壤蛋白酶活性的影響

2.2.2 土壤脲酶 由圖3可知，桉樹純林與桉樹+大葉櫟的土壤脲酶活性會隨著酸雨pH值的降低而降低，變化趨勢也基本一致。輕度酸雨(pH5.6)處理與空白對照組(pH6.0)對比，桉樹+大葉櫟土壤脲酶活性基本不變，而桉樹純林的土壤脲酶活性略有降低，但是均未達到顯著水平。中度酸雨和重度酸雨處理下，桉樹純林和桉樹+大葉櫟的土壤酶活性與輕度酸雨處理和空白對照組達到差異極顯著水平，并且桉樹純林與桉樹+大葉櫟的土壤脲酶活性也大致相同。由此可知，土壤脲酶活性隨著酸雨pH值的變化趨勢基本不受兩種林分類型的影響。

圖3 酸雨對土壤脲酶活性的影響

2.2.3 土壤蔗糖酶 由土壤蔗糖酶對不同強度酸雨的響應可知(見圖4)，桉樹純林與桉樹+大葉櫟的土壤蔗糖酶活性會隨著酸雨pH值的減小而呈現出先增后減的趨勢。空白對照組(pH6.0)處理下，桉樹純林與桉樹+大葉櫟的土壤蔗糖酶活性分別為10.36 mg·g-1·d-1和11.99 mg·g-1·d-1，輕度酸雨(pH5.6)處理比空白對照分別高出30.8%和14.1%。中度酸雨(pH4.0)處理下，桉樹純林與桉樹+大葉櫟的土壤蔗糖酶活性分別比空白對照高出44.6%和16.3%，說明中度酸雨和輕度酸雨有利于提高土壤蔗糖酶活性，提升效果最為明顯的是桉樹純林。但是當重度酸雨(pH3.0)處理時，兩種林分的土壤蔗糖酶活性又迅速下降，極顯著低于空白對照組，這可能是高濃度的H+直接或者間接的抑制土壤蔗糖酶活性。

圖4 酸雨對土壤蔗糖酶活性的影響

2.2.4 土壤過氧化氫酶 由兩種林分在不同強度酸雨處理下土壤過氧化氫酶活性的變化可知(見圖5)，土壤過氧化氫酶活性會隨著酸雨pH值的降低而減弱。空白對照組(pH6.0)與輕度酸雨(pH5.6)處理相比，桉樹純林和桉樹+大葉櫟的土壤過氧化氫酶活性差異不顯著，與中度酸雨處理和重度酸雨處理達到極顯著水平，說明中重度酸雨能夠顯著抑制土壤的過氧化氫酶活性。兩種林分的土壤過氧化氫酶活性之間的差異不明顯。

圖5 酸雨對土壤過氧化氫酶活性的影響

2.3 相關性分析

由酸雨pH與土壤酶活性的相關性分析可知(見表1，表2)，桉樹純林和桉樹+大葉櫟的土壤過氧化氫酶活性與酸雨pH呈極顯著正相關(P<0.01)，相關系數分別高達0.992和0.995，說明酸雨對土壤過氧化氫酶活性的影響最為顯著。桉樹純林的土壤過氧化氫酶活性與土壤脲酶活性呈顯著正相關(R=0.972)，而土壤蔗糖酶活性與酸雨pH相關性最低，相關系數僅為0.387。酸雨pH與桉樹+大葉櫟土壤脲酶活性顯著正相關，與土壤蛋白酶活性也高度相關(R=0.947)，但是并未達到顯著水平。桉樹+大葉櫟土壤過氧化氫酶活性與土壤蛋白酶活性呈顯著正相關(R=0.995)。

表1 桉樹純林的酸雨pH與土壤酶活性的相關性分析

表2 桉樹+大葉櫟混交林的酸雨pH與土壤酶活性的相關性分析

3 結論與討論

不同土壤對酸化的緩沖能力有所不同，主要取決于土壤的無機物含量、組分、結構、pH值、堿飽和度、含鹽量等。酸性較強的赤紅壤、紅壤的緩沖能力較弱，相對來說偏中性的土壤對酸的緩沖能力較強[17]。該研究表明，桉樹純林與桉樹混交林的土壤pH隨著酸雨pH的降低呈現出先上升后降低的趨勢；桉樹+大葉櫟混交林對酸雨的緩沖能力較強；重度酸雨(pH3.0)時已經超出兩種林分土壤對外源酸的緩沖能力范圍。這種結果可能是因為桉樹+大葉櫟混交林的土壤中的無機物含量、含鹽量和組分等維持在相對合理的范圍，并且結構穩定，具有較好的抵抗逆境的能力。該研究結果與梁駿[18]等人的研究結果一致。

土壤酶作為土壤肥力的重要指標，眾多有關酸雨對土壤酶的影響也是不盡相同。何偉靜[19]等人模擬酸雨噴淋，研究其對青岡幼苗3種土壤酶活性的影響，結果表明酸雨的pH越低，對土壤蔗糖酶活性激活作用越明顯，土壤脲酶活性也呈下降趨勢。與本研究結果相似，但是也有不同之處。本研究結果表明，蔗糖酶活性隨著酸雨pH的降低是先上升后下降，這種結果可能是由于供試土壤的不同造成的。土壤的過氧化氫酶活性與酸雨pH極顯著正相關(P<0.01)，與蛋白酶活性呈正相關，但未達到顯著水平。王涵[20]等人的研究結果也表明，土壤過氧化氫酶活性和蛋白酶活性都呈現出酸化抑制的規律。桉樹純林與混交林的土壤過氧化氫酶活性都與酸雨pH極顯著正相關，說明酸雨對土壤的過氧化氫酶活性的影響最為顯著，這與徐冬梅[4]等人的研究結果相吻合。但是土壤酸化導致土壤酶活性降低的原因有多種，如改變酶的肽鏈構象、影響其與底物的結合過程等，何種原因導致此結果仍不明確，還有待于進一步的研究和探討。在相同pH酸雨處理下，桉樹+大葉櫟混交林土壤酶活性一般都比桉樹純林高，這反映了混交造林模式比純林模式抗外界環境脅迫能力更強，內部結構更加穩定。

營造混交林或許能夠成為抵抗酸雨脅迫的另一種有效措施，當然今后還將對其他混交模式進行綜合研究，探討酸雨對林木生長以及土壤環境的影響機理，以期能夠為酸雨區桉樹人工林退化生態系統的恢復和改造提供基礎的數據參考。