連栽杉木人工林參與土壤碳氮轉化過程酶活性及其與土壤理化因子的相關性

劉 先,索沛蘅, 杜大俊, 劉雨暉, 胡亞林, 王玉哲,*

1 福建農林大學林學院, 福州 350002 2 福建農林大學莘口教學林場, 三明 365002

杉木[Cunninghamialanceolate(Lamb.) Hook]是我國南方重要的速生用材樹種,在我國種植面積廣大(1.21×107hm2),約占全國人工林總面積的25%[1],其在經濟、生態價值方面都有不可取代的地位。杉木人工林取代天然林后,由于經營方式單一,杉木純林和連栽導致了土壤質量退化和生產力下降[2- 4]。研究表明,杉木多代連栽會改變土壤水分、pH、全碳、全氮含量、養分利用有效性以及林地生物地球化學循環過程[5- 7]。以往對杉木連栽的研究多集中于幼齡林和中齡林,發現杉木人工林林分生物量隨連栽代數遞減[8],土壤物理性質惡化[9-10]且養分含量逐代下降(如土壤全氮、速效氮、速效鉀等)[11- 12],但對于連栽后近熟林-成熟林的研究還比較少。

土壤酶不僅參與調控土壤養分循環、有機質的降解和轉化,還與土壤結構和有機質形成有重要關系[13- 14]。因為土壤酶對環境變化的敏感性,所以可將其作為評估土壤系統健康狀況(如承受脅迫或處于恢復階段)的指示指標[15- 16]。研究表明,土壤酶是土壤結構和肥力的良好指示因子,如Dick等[17]發現土壤容重和脫氫酶、磷酸酶等幾種酶活性有顯著的負相關關系,Verstraete和Voets[18]發現土壤磷酸酶、土壤脲酶和β-葡萄糖苷酶與土壤肥力和作物產量顯著相關。在森林生態系統中,土壤酶的地位尤其重要,在不施肥的條件下森林土壤中的養分主要來源于凋落物的分解,其主要成分包括纖維素、木質素、幾丁質、蛋白、核酸、磷脂等,而目前研究的酶大都參與這些物質的分解過程[19- 20]。土壤酶活性升高有利于凋落物和有機質的分解,加快養分歸還的速度,對于提高森林土壤肥力和維持生態系統物質循環和能量流動具有重要意義。

森林生態系統土壤酶活性受多種因子影響,包括土壤因子(土壤pH、含水量、土壤溫度和有機質含量等)、氣候因子(溫度和降雨量)和地理因子(林型、經緯度以及海拔),這些因子相互作用共同調控土壤微生物群落結構,從而影響酶的釋放和活性[21]。常綠闊葉林轉換為杉木純林后,隨連栽代數增加林下微氣候環境發生改變,土壤保水能力下降,凋落物分解緩慢造成養分循環受阻且利用效率下降[22- 23]。大量研究表明連栽會改變杉木林的養分循環特征[6,23],而土壤微生物是土壤碳、氮循環過程的主要驅動力,直接調節土壤有機質和養分的供給和轉化[24- 25]。土壤酶是表征微生物活性的重要指標,β-葡萄糖苷酶和N-乙酰氨基葡萄糖苷酶參與土壤碳循環過程,對土壤中不同穩定性碳的分解和轉化起重要作用[26],土壤脲酶、蛋白酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和天冬酰胺酶參與土壤氮循環過程,能夠將土壤中不同形態N分解為有效態N供植物吸收,對提高N素利用率有重要意義[27]。目前對多代連栽杉木人工林酶活性的研究主要關注脲酶、蛋白酶、蔗糖酶和過氧化氫酶等,且大部分結果表明隨杉木栽植代數增加酶活性逐代下降[28- 30],但是對于參與土壤碳氮循環過程的酶如β-葡萄糖苷酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、天冬酰胺酶則較少涉及。大多數研究主要在杉木幼齡林和中齡林中進行,缺乏對成熟林和過熟林的長期跟蹤研究。因此,研究不同連栽代數杉木人工林土壤碳(β-葡萄糖苷酶；N-乙酰氨基葡萄糖核苷酶)、氮循環(脲酶、蛋白酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、天冬酰胺酶)過程酶活性變化及其影響因子,對杉木人工林管理和土壤生態恢復有積極的指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與樣地設置

試驗地位于福建省三明市福建農林大學莘口教學林場(東經117°28′,北緯26°10′),屬武夷山支脈,海拔175—264 m,為低山丘陵地貌。土壤為粉砂巖發育的山地紅壤,土壤厚度為80—90 cm。該地區屬中亞熱帶季風氣候,年均氣溫19.1 ℃,年積溫5240.2—6677.9 ℃,年均降水量1749 mm,年平均蒸發量1585 mm,年平均相對濕度81%,全年日照時數1840 h,無霜期300 d左右。主要林下植被有狗脊蕨(Woodwardiajaponica(L.f.) Sm.)、江南卷柏(SelaginellamoellendorfiiHieron.)和三葉崖爬藤(TetrastigmahemsleyanumDiels et Gilg)等。天然林研究區喬木層主要由格氏栲、馬尾松和木荷等構成；草本層主要包括芒萁(Dicranopterispedata(Houtt.) Nakaike)、黑莎草(GahniatristisNees)和華山姜(AlpiniaoblongifoliaHayata)等種類。

在經營方式、土壤類型相同以及海拔、坡向、坡度等自然狀況相似的杉木人工林建立12塊固定試驗樣地,每個處理4個重復,樣地面積均為20 m × 20 m。選擇不同連栽代數的杉木人工林(一代 FRP、二代 SRP、三代 TRP)和格氏栲天然林(NF)作為研究對象,不同連栽代數杉木人工林樣地的概況見表1。

表1 試驗地概況

FRP：First rotation plantation;SRP：Second rotation plantation;TRP：Third rotation plantation; NF：Natural forest

1.2 土壤樣品采集

1.3 土壤理化性質和酶活性分析

測定土壤酶活性的鮮土用PBS緩沖液浸提(水土比1∶10)后,采用上海酶聯公司Elisa酶聯免疫分析試劑盒提取,利用多功能酶標儀(BioTek Synergy 2, Gene 5,America)在波長450 nm下測定其OD值,最后用標準物的濃度與OD值計算出標準曲線的回歸方程,將樣品的吸光值(OD)代入方程式,計算出樣品濃度,再乘以稀釋倍數,即為樣品的實際濃度[31]。酶活性結果以單位質量(g-1)干土單位時間(h-1)內生成的酶的摩爾質量(μmol)來表征。該試劑盒原理是應用雙抗體夾心法測定土壤樣本中的酶活性水平,以亞硝酸還原酶為例,用純化的亞硝酸還原酶抗體包被微孔板,制成固相抗體,往包被單抗的微孔中依次加入亞硝酸還原酶,再與辣根過氧化物酶(HRP)標記的亞硝酸還原酶抗體結合,形成抗體-抗原-酶標抗體復合物,經過徹底洗滌后加底物四甲基聯苯胺(TMB)顯色,TMB在HRP酶的催化下轉化成藍色,并在酸的作用下轉化成最終的黃色,顏色的深淺和樣品中的亞硝酸還原酶呈正相關。其他酶均以類似方法測定。

表2 土壤酶名稱、縮寫、國際分類號及功能

1.4 數據分析

首先對所有測得數據進行正態分布和方差齊性檢驗,然后采用一般線性模型中的重復測量方差(repeated measures ANOVA)分析連栽代數、采樣季節和二者交互作用對土壤理化性質和酶活性的影響。每個采樣季節內不同連栽代數土壤理化性質及酶活性變化采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行檢驗,并用LSD法進行多重比較(α=0.05)。土壤酶活性和理化性質的相關性采用Pearson相關分析。以上數據分析均在SPSS 22.0(SPSS Inc., USA)軟件中進行。為探討土壤酶活性的影響因素,利用Canoco 5.0(Microcomputer Power, Inc., Ithaca, NY)對酶活性和環境因子(土壤pH、含水量、全碳、全氮、碳氮比、銨態氮、硝態氮)進行冗余分析(RDA)。

2 結果與分析

2.1 連栽杉木林土壤理化性質

表3 不同連栽代數和季節變化對土壤理化性質的重復方差測量分析結果

表中數值是重復測量方差的P值,*P< 0.05,**P< 0.01,***P< 0.001

表4 不同連栽代數杉木人工林和天然林土壤理化性質比較

Table 4 Comparisons of soil physiochemical properties in different generations of continuously-cropped Chinese fir plantation and natural forest

采樣季節Sampling season連栽代數Planting generationpH含水量/%Moisture全碳 Total carbon/(g/kg)全氮Total nitrogen/(g/kg)銨態氮Ammonium/(mg/kg)硝態氮Nitrate/(mg/kg)冬季FRP4.00±0.03c21.43±0.45b22.45±2.18ab1.54±0.09ab5.81±0.28b4.96±1.00aWinterSRP4.19±0.03ab27.46±1.23a25.58±1.79a1.77±0.05a6.38±0.68b4.58±0.48aTRP4.07±0.03bc20.51±0.13bc27.15±1.66a1.75±0.12a7.97±1.00b4.81±0.44aNF4.30±0.02a17.06±0.65c15.83±1.60b1.13±0.15b30.69±5.05a0.76±0.13b夏季FRP4.23±0.02b29.05±0.28a21.72±0.91b1.54±0.04a5.70±2.59a13.49±1.00aSummerSRP4.26±0.03b32.78±2.04a26.00±1.78ab1.79±0.09a7.40±0.18a2.97±0.57cTRP4.14±0.04b31.06±0.64a29.82±2.22a1.88±0.15a3.16±0.35a10.58±0.58abNF4.42±0.05a28.41±1.62a28.60±2.25ab1.81±0.07a6.65±1.47a8.61±1.40b

FRP,連栽第一代杉木林；SRP,連栽第二代杉木林；TRP,連栽第三代杉木林；NF,格氏栲天然闊葉林;表中數值為平均值±標準誤(n=4),不同字母代表同一季節不同連栽代數之間存在顯著性差異(P< 0.05)

2.2 參與土壤碳氮轉化過程酶活性

不同連栽代數對參與土壤碳氮循環酶活性無顯著影響(表5,P> 0.05),不同采樣季節對除亞硝酸還原酶之外的其他6種土壤酶活性均有顯著影響(表5,P< 0.01),而采樣季節和連栽代數的交互作用對土壤天冬酰胺酶和亞硝酸還原酶活性有顯著影響(表5,P≤ 0.05)。天然林和不同連栽代數杉木林土壤酶的測定結果表明,無論12月還是6月,連栽對大多數土壤酶的活性并無顯著影響(圖1,蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶)。 只有在12月,天然林的土壤脲酶活性(0.018—0.025 μmol h-1g-1)顯著高于連栽杉木人工林(0.005—0.014 μmol h-1g-1),約為后者的2—5倍,而不同代數連栽杉木林土壤脲酶活性并無顯著差異；天然林土壤天冬酰胺酶活性(22.09—30.92 μmol h-1g-1)顯著高于三代連栽杉木林(10.84—25.61 μmol h-1g-1),與一代、二代連栽杉木林并無顯著差異；在6月,4種林地的土壤脲酶和天冬酰胺酶活性均無顯著差異(圖1)。

圖1 不同連栽代數杉木人工林與天然林土壤酶活性冬夏兩季變化Fig.1 Changes of soil enzyme activities in different rotations of Chinese fir plantation and natural forest in December and June不同小寫字母表示同一季節土壤酶活性在不同連栽代數間存在顯著差異(P < 0.05)

表5 不同連栽代數和季節變化對土壤酶活性的重復方差測量分析結果

Table 5 Repeated measures ANOVA on the effects of planting generations and seasonal changes on soil enzyme activities

來源Source蛋白酶Proteaseβ-葡萄糖苷酶β-Glucosidase脲酶Urease天冬酰胺酶ASPG硝酸還原酶NAR亞硝酸還原酶NIRN-乙酰葡萄糖核苷酶NAG季節 Time (T)<0.001???<0.001???<0.001???<0.001???0.008??0.253<0.001???栽植代數 Generation (G)0.5130.556<0.001???0.4660.4620.5560.241季節 × 栽植代數 T × G0.0650.6640.1240.017?0.3340.036?0.075

表中數值是重復測量方差的P值,*P< 0.05,**P< 0.01,***P< 0.001

2.3 土壤酶活性與土壤理化性質的相關性

表6 土壤酶活性與環境因子的Pearson相關分析(n=32)

表中數值是皮爾遜相關系數P值,所用數據為12月和6月兩次采樣的數據;*P< 0.5;**P< 0.01;***P< 0.001

圖2 土壤酶活性與環境因子相關性的典范冗余分析(RDA),分析所用數據為12月和6月兩次采樣的數據Fig.2 Redundancy analysis (RDA) of relationships between soil enzyme activities and the environmental factors, using the bulked December and June dataASPG, Asparaginase， 天冬酰胺酶；BG，β-1,4-glucosidase, β-葡萄糖苷酶；NAG，N-acetyl-β-D-glucosaminidase，幾丁質酶；urease，脲酶；protease，蛋白酶；NAR，Nitrate reductase，硝酸還原酶；NIR，Nitrite reductase，亞硝酸還原酶。TC，total carbon， 全碳；TN，total nitrogen， 全氮；C/N ratio，土壤碳氮比，moisture，土壤含水量

3 討論

本研究中除脲酶活性和天冬酰胺酶活性在天然林和杉木人工林中有顯著差異(圖1),連栽并未改變參與土壤碳、氮循環的幾種主要酶活性,這與前人報道中杉木連栽顯著降低土壤脲酶活性的結果并不一致[30, 43- 44]。這可能與杉木所處的發育階段不同有關,杉木林進入成熟林-過熟林階段后很多土壤理化指標已經恢復,間伐等整地措施使林下植被環境變好,微生物活性增強,因此土壤狀況有所恢復[45]。前人研究表明,中度間伐(保留1200株/hm2)能顯著提高土壤過氧化氫酶、堿性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶的活性[46],本研究中杉木人工林造林密度在2700—3000株/hm2,間伐后密度為1050—1845株/hm2,介于輕度間伐與中度間伐之間。間伐后,林下植被多樣性增加,促進土壤微生物種類和數量增加,加快土壤養分循環速度,另一方面使林分郁閉度降低,透光性增強,從而提高土壤酶活性[46]。本研究所涉及的參與土壤碳氮轉化過程酶活性在其他杉木連栽林中報道較少,雖然蛋白酶和β-葡萄糖苷酶在4種林地間無顯著差異,季節差異卻很明顯,這可能與微生物活躍程度或植物養分需求的季節性差異有關。

4 結論

由以上分析可知,杉木人工林進入成熟林-過熟林階段后,不同連栽代數林地許多土壤理化指標及酶活性均有不同程度恢復。2代和3代連栽杉木人工林的養分含量并不比1代杉木林低,有的(如全氮和硝態氮)甚至超過了天然林。參與土壤碳氮轉化過程酶活性并未呈現出隨連栽下降的趨勢,季節性變化大于連栽影響。土壤pH、含水量和養分含量是決定土壤碳氮循環過程酶活性的重要因子,但是由于不同酶對土壤條件響應機制的復雜性,想要精確建立土壤酶活性與土壤理化性質和養分有效性的關系,還需進一步長期研究。如果能建立這種關系,對于預測森林生態系統土壤質量的改變,探究人工林土壤退化及恢復過程中的酶學機理,有著重要的生態學意義。