外源性氮磷添加及林分密度對大葉相思林土壤酶活性的影響

馮慧芳,余 明,薛 立,*

1 華南農業大學林學與風景園林學院, 廣州 510642

2 廣東省森林資源保育中心, 廣州 510173

工業的發展、化石燃料燃燒和氮(N)肥的大量施用使大氣N沉降日趨嚴重[1],影響了全球N素循環和平衡。我國南方地區是高N沉降區域[2],據報道,廣東韶關地區大氣N沉降量的平均值為3.72 g m-2a-1[3],2004至2005年廣東鼎湖山保護區的大氣無機N和有機N輸入分別達到3.2—3.4 g m-2a-1和1.8 g m-2a-1[4],華南地區的大氣N沉降量約為4 g m-2a-1[5]。N沉降的增加會導致土壤酸化和養分流失,還會引起森林生態系統的磷(P)限制[6]。華南地區林地的土壤普遍缺P而廣泛施用P肥[7],P肥的施加往往超過林木的實際需P量,而該地區的酸性土壤對P的吸附作用較強,外源性P添加會減弱土壤對P的吸附力[6],影響土壤P的富集[8-9]。

土壤酶活性與森林土壤養分特征、理化性質和微生物數量密切相關[10],外源性NP添加會影響森林生態系統中的養分循環和土壤微生物群落[4],從而對碳(C)、N、P 轉換相關的土壤酶活性產生重要的影響[11]。土壤脲酶與土壤動植物的氮獲取有重要關系,能夠將土壤有機氮向揮發態或向植物有效態轉化[12]。土壤磷酸酶能促進土壤中有機磷化合物水解,生成能被植物吸收利用的無機態磷,土壤磷酸酶活性的高低與土壤有效P水平密切相關。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[13]。酶活性反映了土壤營養物和底物的可用性,可以用來評價氮沉降的效果[14]。當前,已有較多學者研究了N沉降和P添加對森林土壤酶活性的影響。例如,朱仕明等[8]研究了外源性N和P對藜蒴(Castanopsisfissa)林的土壤磷酸酶活性的影響。董喜光等[9]發現,外源性P可以增加缺P的南方紅壤的微生物數量和促進酶活性提高。

已有研究表明,土壤酶活性受林分密度的間接影響[15],隨著林分密度的增加,土壤養分含量和酶活性通常呈現減小或者先增后減的趨勢[16- 18]。Lie等[19]對不同密度下山毛豆(Tephrosiacandida)幼林的土壤養分含量和酶活性進行了研究,發現土壤養分含量以及土壤脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性均隨著林分密度的增加而降低。董威等[20]的研究指出,油松(Pinustabulaeformis)林地土壤除全P外,其他養分含量均隨密度增加呈先增后減的變化規律。盡管有學者報道了NP添加或林分密度影響森林土壤養分和酶活性[21- 23],NP添加與不同栽植密度對樟樹(Cinnamomumcamphora)盆栽幼苗的土壤有機質、堿解N和速效鉀含量[24]有顯著的交互作用,尚未見有關外源性NP與不同林分密度交互作用對土壤酶活性影響的報道。大葉相思(Acaciaauriculiformis)屬于含羞草科金合歡屬的速生喬木樹種,廣泛用于華南地區的造林綠化。作者對大葉相思林土壤三種水解酶活性進行研究,探討林分密度和外源性NP添加的交互作用對土壤酶活性的影響,以期為N沉降增加和P肥施用背景下的我國南方人工林土壤養分轉化的酶學機理研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究地點位于惠州市惠城區小金口(114°17′42″—114°32′16″E,22°56′57″—23°16′03″N),屬南亞熱帶季風氣候。年平均氣溫在19.5—22.1℃,7月份平均氣溫28.3℃,1月份平均氣溫13.1℃,極端最高氣溫38.9℃,極端最低氣溫-1.9℃,積溫7620.6℃,無霜期350—357d。年平均降雨量1690—2380 mm,多集中在4—9月,占年降雨量的80%—85%。夏季多吹東南風,冬季多吹東北風,臺風發生在6—10月。大葉相思林下主要植被有玉葉金花Mussaendapubescens、桃金娘Rhodomyrtustomentosa、海金沙Lygodiumjaponicum、芒草Miscanthussinensis、芒萁Dicranopterispedata、梅葉冬青Ilexasprella、米碎花Euryachinensis、了哥王Wikstroemiaindica、野牡丹Melastomacandidum和黑面神Breyniafruticosa等。

1.2 試驗設計

2003年春季在惠州小金口的火燒跡地林地,割除林地上的芒草、桃金娘等雜草和藤類后,塊狀開穴(規格50 cm×50 cm×40 cm),按1667(低密度)、2500(中密度)、4444(較高密度)、10000(高密度)株/hm2栽植苗高約1 m的當年生大葉相思實生苗各2 hm2。2013年4月,在4種種植密度的大葉相思人工林各建立1個面積為0.4 hm2(50 m×80 m)的樣地用于試驗。2013年4月在4種種植密度的樣地內分別設5個5 m×5 m的小樣方 (即5個重復),每個小樣方內設置4種面積為1 m×1 m的處理 (對照、加N、加P、加N+P),各處理間設至少3 m的緩沖帶。2013年4月開始每隔三個月對小樣方進行地表噴灑處理,到2015年3月完成試驗。林分在施肥試驗前,沒有進行施肥除草等經營活動。這些地塊位于彼此相距30m以內,所處環境條件相似。2013年林分特征和施肥處理前后的樣地土壤化學性質分別見表1和表2。

表1 林分的基本特征

表2 施肥處理前后的土壤pH值及養分狀況(平均值±標準差)

我國華南地區氮沉降量約為4 g m-2a-1 [5],由于未來的N沉降持續增加,本研究的N和P添加量根據樣地的氮沉降水平背景值以及參考同類研究方法[13,25],N肥選用氯化銨(NH4Cl),P 肥選用二水合磷酸二氫鈉(NaH2PO4·2H2O),樣方內N、P和N+P的添加量分別為NH4Cl 10 g m-2a-1,NaH2PO4·2H2O 5 g m-2a-1,NH4Cl 10 g m-2a-1+NaH2PO4·2H2O 5 g m-2a-1,將各處理所需的肥料溶解至1 L的水,用噴霧器均勻噴灑在土壤表面, 對照(CK)則噴灑相同體積的水。

1.3 土樣采集和測定指標及方法

2015年4月,試驗結束時將4個密度林分的5個樣方的CK、加N、加P和加N+P處理用直徑2 cm、深10 cm的取土鉆采用五點取樣法取0—10 cm土壤,共80個土壤樣品帶回實驗室用于土壤酶活性的測定。脲酶采用比色法測定,酶活性以37℃下培養24 h后1 kg土釋放的NH3-N的毫克數表示；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定,酶活性以37℃下培養2 h后100 g土消耗五氧化二磷的毫克數表示；過氧化氫酶活性采用0.1 mol/L高錳酸鉀滴定法測定,酶活性以常溫條件培養1 h后1 g土消耗0.1 mol/L KMnO4的毫升數表示[26]。

1.4 數據統計方法

用微軟公司的Microsoft Excel 2003對土壤酶數據作圖, SAS 9.3統計分析軟件對各處理的酶活性進行方差分析,然后對有顯著差異的數據進行Duncan多重檢驗,P<0.05為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 大葉相思林地的土壤脲酶活性

各密度大葉相思林施N和P后土壤的脲酶活性范圍為152—763 mg kg-1d-1(圖1)。隨著林分密度的減小,各處理的土壤脲酶活性均呈現下降的趨勢。與CK相比,N處理的高、較高、中和低密度林分的土壤脲酶活性分別減少了32%、31%、43%和56%,N+P處理的各密度林分分別減少了21%、53%、50%和56%,P處理的高密度和較高密度林分分別增加了15%和3%,中密度和低密度林分分別減少了3%和23%。各密度林分施N和N+P兩種處理的脲酶活性均顯著小于CK(P<0.05)。施P后,低密度林分的土壤脲酶活性顯著低于CK,高密度林分顯著高于CK(P<0.05),其他密度林分與CK無顯著差異。

圖1 不同密度和NP處理下大葉相思林的土壤脲酶活性

2.2 大葉相思林地的土壤磷酸酶活性

各密度大葉相思林施N和P后的土壤磷酸酶活性范圍為421—1197 mg kg-1h-1(圖2)。隨著林分密度的減小,土壤磷酸酶活性均呈現下降的趨勢。與CK相比,N、P和N+P處理的高密度林分的土壤磷酸酶活性分別增加了1%和減少了16%、9%,較高密度林分分別增加了6%和減少了42%、42%,中密度林分分別減少了6%、28%和30%,低密度林分分別增加了10%和減少了32%、19%。在同一密度下,施P和N+P兩種處理的磷酸酶活性均顯著小于CK(P<0.05),施N處理對不同林分密度的土壤磷酸酶活性影響存在差異,但沒有表現出明顯規律。

圖2 不同密度和NP處理下大葉相思林的土壤磷酸酶活性

2.3 大葉相思林地的土壤過氧化氫酶活性

各密度大葉相思林施N和P后的土壤過氧化氫酶活性范圍為0.73—2.37 ml g-1h-1(圖3)。施N和N+P處理的土壤過氧化氫酶活性隨著林分密度的減小而升高,CK和施P處理則有降低的趨勢。與CK相比,N和N+P處理的高密度林分的土壤過氧化氫酶活性分別減少了60%和64%,較高密度林分分別減少了49%和47%,中密度林分分別減少了23%和31%,低密度林分分別減少了14%和16%；P處理的高、較高、中和低林分密度的過氧化氫酶活性分別增加了15%、9%、11%和14%。各個密度林分施N和N+P后,土壤的過氧化氫酶活性均顯著低于CK,施P處理均顯著高于CK(P<0.05)。

圖3 不同密度和NP處理下大葉相思林的土壤過氧化氫酶活性

2.4 NP添加和林分密度的交互作用對土壤酶活性的影響

大葉相思林地的三種酶活性在各林分密度間和不同NP添加處理間均有顯著性差異。林分密度對脲酶、磷酸酶以及CK和施P處理的過氧化氫酶活性具有顯著正效應,對施N和N+P處理的過氧化氫酶則具有負效應,且對土壤脲酶活性的作用較強,而NP添加處理對土壤過氧化氫酶活性的影響較大。林分密度和NP添加處理的交互作用對大葉相思林地的三種酶活性均有顯著影響(表3)。

表3 氮磷添加和林分密度對土壤酶活性的交互作用

3 討論

3.1 NP添加和林分密度對土壤脲酶活性的影響

有研究指出,外源性N添加能夠增大土壤脲酶的活性[27]。如涂利華等[28]對華西雨屏區光皮樺(Betulaluminifera) 人工林的土壤酶活性的研究中發現,N添加處理下的脲酶活性比對照增加了11.3%—44.9%。另一些研究則報道了N添加對脲酶活性有抑制作用[29]。本研究結果顯示,各林分密度下施N和N+P處理的土壤脲酶活性均低于對照。首先,使用NH4Cl作為N 肥增加了土壤中的氨根離子濃度,提高了土壤中的Al3+、Fe3+等金屬陽離子的活性,對土壤微生物群落造成一定的毒害作用[30]。其次,本研究中各林分密度下N添加處理的土壤堿解氮含量均明顯高于對照和其他處理(P<0.05,表2),這增加了土壤N元素的可利用性,緩解了土壤中的N限制,導致土壤微生物群落對土壤脲酶的分泌減少,其活性也隨之降低[13]。最后,本研究中的施N處理通常顯著降低了土壤pH值(P<0.05,表2),增強了土壤酸性而抑制了脲酶活性。

施P顯著提高了高密度林分的土壤脲酶活性,卻降低了低密度林分的土壤脲酶活性。原因是外源性P添加顯著提高了土壤全P和有效P含量(P<0.05,表2),緩解了高密度林分土壤P限制,提高了微生物數量和活性。與此同時,P添加促進了林木的生長發育,因而對土壤N的吸收增加,引起土壤全N下降,微生物和植物根系會分泌更多的脲酶來增加對土壤N的獲取[6]。對于低密度林分而言,P添加處理的土壤全P和有效P含量均低于其他林分密度(表2),因為較大的P添加量減弱了南地區的酸性紅壤對P的吸附力,土壤中過量的P與Fe、Al或Ca等離子結合而降低了P的利用效率[9]。外源性NP添加對森林土壤脲酶活性的作用效果不同,可能是不同生態系統的土壤理化性質、養分狀況、森林類型和微生物群落結構差異所導致的[31]。

3.2 NP添加和林分密度對土壤磷酸酶活性的影響

本研究中P和N+P添加兩種處理下,各林分密度土壤磷酸酶活性均顯著小于對照(P<0.05)。已有較多研究指出P添加對土壤磷酸酶活性有抑制作用,如鄭棉海等[32]在廣東鼎湖山自然保護區森林的研究中指出P添加能夠顯著降低混交林和馬尾松林的土壤磷酸酶活性。P添加緩解了林地土壤的P限制,降低了植物和土壤微生物對P的競爭[33],土壤微生物減少了以獲取P為目的去合成磷酸酶的能量投入[34]。因此,P添加使土壤微生物和植物根系減少了磷酸酶的分泌量[35]。與此同時,動植物在土壤P充足時對其他養分的需求也相應增加,微生物和植物增加了對獲取C、N 等其他重要養分的投資,相關的胞外酶活性隨之升高,而磷酸酶活性則降低[36]。此外,C和N是合成磷酸酶蛋白的重要原材料[37],P添加還可能導致土壤可利用性C和N的供應量不足,土壤中異養微生物的生長和磷酸酶活性隨之受到限制[10]。

本研究中N添加處理對大葉相思林地土壤磷酸酶活性的影響較小,且沒有明顯規律。一方面,N添加處理增加了土壤全N和堿解N含量,而降低了較高密度、中密度和低密度林分的土壤有效P含量(表2),這促進了樹木的蓬勃生長和對土壤養分的吸收利用,加劇了土壤P的缺乏。當土壤P含量偏低時,土壤微生物或植物會通過調整生物量分配和生理生化反應等方式繼續獲取土壤中的有效P,而土壤P的缺乏也將促進微生物或者植物釋放出更多的磷酸酶來增加P的可利用性[32]。N是構成磷酸酶蛋白的重要元素, N添加有利于磷酸酶的合成[38]。另一方面, N添加造成的土壤酸化不利于土壤微生物繁衍,過量的N會對植物和土壤微生物有毒害作用[39],會改變微生物的群落結構而影響土壤酶的分泌[35]。此外,本研究的N添加處理造成了土壤pH降低,這對土壤酸、堿性磷酸酶的活性有重要影響[40]。以上原因均導致了大葉相思林地土壤磷酸酶活性的波動性變化。

3.3 NP添加和林分密度對土壤過氧化氫酶活性的影響

有的研究表明,N添加對不同植物群落土壤過氧化氫酶活性的影響存在差異。如劉星等[10]的研究指出,模擬N沉降對山西太岳山油松林的土壤過氧化氫酶活性有抑制作用。 Lv等[41]則發現了N添加顯著提高了土壤過氧化氫酶的活性。本研究結果顯示N和N+P添加能夠抑制土壤過氧化氫酶活性并且降低土壤pH,而P添加則對土壤過氧化氫酶活性有促進作用。土壤酸化抑制了植物根系的活性和土壤碳的有效性,外源性N與土壤中的C縮合,導致微生物難以利用C源, 不利于相關微生物的發育,還可能減少微生物群落的多樣性而改變微生物群落的結構[30]。另外,有研究表明,外源性N添加會減少土壤動物數量和真菌的相對豐度,而過氧化氫酶大都由真菌分泌[37]。Blackwood等[42]研究了N添加分子層面的作用機理,指出N添加使得土壤中無機氮富集,抑制了包括過氧化氫酶在內土壤氧化酶的基因表達。而研究所在地的土壤P含量較低,P添加通過平衡土壤養分促進了植物生長發育和微生物生命活動,提高了過氧化氫酶的活性。

3.4 林分密度及密度與NP添加的交互作用對土壤酶活性的影響

土壤脲酶、磷酸酶以及對照和P添加處理下的過氧化氫酶活性均隨著林分密度的升高而增大,過氧化氫酶活性在N和N+P添加處理下隨著林分密度的減小而升高。因為林木個體間的競爭情況隨著種植密度的增加而愈加激烈,高密度林分的蓬勃生長吸收了更多的土壤營養物質,從而導致了土壤養分的可獲得性降低[43],促進了土壤微生物和植物釋放更多的胞外酶來獲得限制養分。此外,高密度林分的根系生物量[44]和凋落物量較大,而Kang等[45]的研究發現, 養分失衡和較高的年凋落物量可能是導致林地土壤有較高酶活性的原因。因為大量的凋落物和根系死物提供給土壤豐富的有機質和分解底物,增加了微生物對土壤胞外酶的分泌。

本研究中,三種土壤酶活性在各林分密度間和不同NP添加處理間均有顯著性差異。林分密度對土壤脲酶和酸性磷酸酶的作用大于NP添加,所以二者的交互作用以林分密度的影響為主,故交互作用提高了土壤脲酶和酸性磷酸酶活性；林分密度對土壤過氧化氫酶的活性的作用小于氮磷添加,因此各個密度林分施N和N+P后,二者的交互作用抑制了土壤的過氧化氫酶活性,而施P后二者的交互作用提高了土壤的過氧化氫酶活性。根據生態學的最優分配原則,微生物和植物傾向于投入更多能量去增加獲取迫切所需資源的胞外酶活性。NP添加處理能夠在一定程度上緩解高密度帶來的養分限制[8],影響土壤的酸堿性和養分可利用性,從而影響相關的酶活性。林分密度能夠影響幼苗對土壤營養物質的吸收利用,引起了土壤養分含量的變化,從而影響NP添加對土壤酶活性的效果。林分密度的增大導致植物個體對土壤C、N、P等重要營養元素的大量吸收引起了養分限制,增大了土壤酶的分泌量和活性[36,39],也能夠在一定程度上緩解過大的土壤NP含量對植物和土壤微生物的毒害與限制作用。因此,NP添加和林分密度的交互作用對三種土壤酶活性有顯著影響。

4 結論

綜合分析表明,外源性NP添加和不同林分密度處理顯著影響了華南地區大葉相思人工林的土壤化學性質,從而影響三種土壤酶的活性。N添加對各林分密度下的土壤脲酶和過氧化氫酶活性均有抑制作用,施P顯著提高了過氧化氫酶活性和高密度林分大葉相思林地的土壤脲酶活性,卻降低了低密度林分的土壤脲酶活性。施P和N+P處理的土壤磷酸酶活性顯著降低。隨著林分密度的升高,土壤脲酶、磷酸酶以及對照和P添加處理的過氧化氫酶活性均增大,而過氧化氫酶活性在N和N+P添加處理下減小。此外,NP添加和林分密度的交互作用對三種土壤酶活性均有顯著影響。

在當前全球N沉降和P肥廣泛施用的背景下,研究林分密度和外源性NP添加對土壤酶活性的影響,對探討不同種植密度和管理措施影響我國南方人工林土壤養分轉化的酶學機制有重要意義。N沉降和P添加能夠影響土壤的化學性質,而林分密度則通過改變林地環境和土壤微生物特性而對土壤酶活性產生重要影響。研究NP添加和林分密度交互作用對人工林土壤酶活性的影響,有利于根據不同林分密度和當地N沉降水平,選擇合理的施肥方式和養分管理措施。