三峽庫區2種馬尾松混交林土壤團聚體酶活性分布特征

雷 蕾,肖文發,曾立雄,*，黃志霖,簡尊吉,倪妍妍,李 暉

1 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所 國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室,北京 100091 2 南京林業大學南方現代林業協同創新中心,南京 210037 3 三峽植物園管理處,宜昌 443631

土壤酶作為有機質分解、周轉和礦化的主要生物催化劑[1],是土壤中碳、氮、磷等養分循環的重要參與者[2]。不同的土壤酶參與不同的生態化學過程,如廣泛研究的β-葡糖苷酶(β- glucosidase,BG)主要參與碳循環,水解纖維素,釋放葡萄糖[3],N-乙酰-葡糖苷酶(N-acetyl-glucosaminidase,NAG)主要參與氮循環,分解幾丁質[4],酸性磷酸酶(Acid phosphatase,AP)則主要影響無機磷的產生,催化水解有機磷轉化為無機磷[5]。土壤酶受多種因素的影響[1,6-7],且對生態環境系統的變化非常敏感,其活性的改變可直接引起土壤群落代謝過程和可利用養分的變化[8-9],進而影響養分循環和植物生長,是評價土壤地力變化的重要指標[4,10]。而土壤團聚體是土壤結構的基本單元,通過控制不同粒徑團聚體有機質的可接觸性、微生物群落組成、水分等因素直接影響著土壤酶的活性[11-12]。團聚體分布及其土壤酶活性的高低能夠較未進行土壤團聚體分級的混合土壤更為有效、快速的反映土壤養分循環的變化[12- 14]。因此,了解團聚體酶活性變化特征,對掌握土壤養分變化和地力維持能力具有重要的指示作用。

馬尾松(Pinusmassoniana)是我國人工林排名第3位的優勢樹種,主要分布在南方15個省(區),面積達220萬hm2[15],也是三峽庫區分布面積最大的森林類型[16]。緣于三峽庫區復雜的地形及其所導致的自然氣候特征的巨大空間分異性,以及強烈人為干擾和長期相對落后的經濟社會發展水平,本區域馬尾松林經營粗放,林分結構較差,低產林大面積存在,如何有效提高馬尾松地力和生產力對于本區域森林經營十分重要。鑒于土壤團聚體酶活性對于環境變化、植被組成的敏感性[11-12,14],從土壤團聚體微生境分析不同馬尾松森林類型酶活性特征,對于深入探索不同馬尾松林地力和生產力差異具有重要意義。然而,目前本區域馬尾松林的研究多集中于混合土壤養分及其酶活性[15]、土壤碳排放[17-18]、凋落物分解[19]等方面,土壤團聚體分布及其酶活性變化特征仍待解答。本研究以三峽庫區分布面積最廣的馬尾松杉木混交林和馬尾松杉木櫟類混交林為研究對象,分析不同馬尾松混交林類型表層土壤(0—10 cm)團聚體分布特征及其酶活性的分布特征,以期為深入認識不同馬尾松混交林地力差異和制定營林措施提供科學依據和基礎數據。

1 研究區概況

研究地點位于湖北省秭歸縣(30°38′14"— 31°11′31"N,110°00′14"—111°18′41"E),海拔156—2030.6 m,年均氣溫16.9℃,年降水量1000—1250 mm,多集中于4—9月,屬于亞熱帶大陸性季風氣候。土壤類型以黃壤、黃棕壤為主[15]。選取本區域典型馬尾松杉木混交林(MS)和馬尾松杉木櫟類混交林(MH)為研究對象(其中MH混交林中櫟類樹種主要為短柄枹櫟(Quercusserratavar.brevipetiolat)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)),分別設置3個20 m×20 m樣地進行調查,共設置樣地6個,樣地基本情況見表1。調查樣地內灌木主要有火棘(Pyracanthafortuneana)、胡枝子(Lespedezabicolor)、微毛柃(EuryahebecladosLing)等,草本主要有狗脊(Woodwardiajaponica)、魚腥草(HouttuyniacordataThunb.)、苔草(Carextristachya)等。

表1 樣地概況

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集與土壤團聚體篩分

2017年8月,在2種馬尾松混交林的每個固定樣地內(每種林型3個固定樣地,共計6個固定樣地)按照“S”形隨機設置9個1 m×1 m的觀測小區使用直徑6 cm的PVC管對觀測小區內0—10 cm土壤采取5個原狀土。采樣后12h內帶回實驗室,按照土壤紋理輕柔掰開,去除可見的根系和石礫,過8 mm篩并將同一樣地樣品混合。為減少對土壤酶活性的影響,采用Dornodnikov等[20]改良的干篩法進行土壤團聚體的篩分。將過8 mm的鮮土,每次稱量500 g,采用AS200震篩儀(德國萊遲公司)2 mm,0.25 mm土壤篩以振幅1.5 mm震動3min,根據篩分粒徑,將土壤團聚體從大到小分為大團聚體(>2 mm),中團聚體(0.25—2 mm)與微團聚體(<0.25 mm)3個等級[20],并對各級團聚體進行稱重,用于計算各等級分布。

2.2 土壤有機碳、全氮與酶活性測定

篩分后的各團聚體土壤一部分風干后通過重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳(Soil organic carbon,SOC)[21],凱氏定氮法測定全氮(Total nitrogen,TN)[22]；一部分存于4℃冰箱,于兩周內進行土壤酶活性的測定。土壤酶活性測定方法：把相當于1 g干土的土壤樣品加入至125 mL醋酸鈉緩沖液(50 mmol/L,pH=5.5)中,在攪拌機中處理1min制成均質土壤懸液[23- 25],加入不同酶底物進行培養測定,底物、測定波長等信息詳見表2。本研究共測定了7種參與碳氮磷循環的酶活性,5種水解酶活性采用熒光微孔板方法,25 ℃暗中培養3 h后采用酶標儀(PerkinElmer Enspire,USA)進行測定[23-24]；2種氧化還原酶活性采用比色法,其中,過氧化物酶通過添加底物L- 3,4-二羥基苯丙氨酸(L- 3,4-dihydroxyphenylalanine,DOPA)和過氧化氫(濃度：3%)測定[1],氧化還原酶均室溫震蕩暗中培養1h后,采用酶標儀進行測定[24- 25]。土壤酶活性的幾何平均數[26-27](Geometric mean,GMea)可用來綜合評價土壤酶活性指標,計算公式為：

式中：EBG為β-葡糖苷酶；ECB為纖維二糖水解酶；ENAG為N-乙酰-葡糖苷酶；ELAP為亮氨基酸氨基肽酶；EAP為酸性磷酸酶；EPOX為酚氧化物酶；EPER為過氧化物酶。

表2 測定土壤酶種類、功能以及相應的測定底物

2.3 數據統計分析

利用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗不同等級土壤團聚體酶活性、有機碳、全氮的差異(P<0.05),利用獨立樣本t檢驗對比不同馬尾松混交林同等級團聚體土壤酶活性以及土壤有機碳、全氮的差異,利用Pearson分析團聚體有機碳、全氮與土壤酶活性的相關性。所有分析處理在SPSS 19.0中進行,用SigmaPlot 14.0軟件作圖。

3 結果與分析

3.1 各等級土壤團聚體分布以及碳氮含量

MS與MH各等級土壤團聚體分布均呈現顯著差異(P<0.05),不同等級團聚體所占比例均值由大到小為：大團聚體(>2 mm,59%±2.18%)>中團聚體(0.25—2 mm,35.89%±1.65%)>微團聚體(<0.25 mm,2.56%±0.22%)。不同混交林土壤大團聚體與微團聚體分布并無顯著差異,而MS的中團聚體分布比例(39.53%±1.65%)顯著高于MH的中團聚體(32.24%±2.51%)(圖1)。

圖1 2種馬尾松混交林各粒徑土壤團聚體分布 Fig.1 The distribution of soil aggregate-size classes in two different Pinus massoniana mixed plantationsMS：馬尾松杉木混交林 Mixed plantation of P. massoniana and C. lanceolate；MH：馬尾松杉木櫟類混交林 Mixed plantation of P. massoniana,C. lanceolate and Quercus；大寫字母表示同等級團聚體不同混交林之間的顯著差異；小寫字母表示同種混交林類型不同等級團聚體之間的顯著差異

2種馬尾松混交林土壤團聚體有機碳、全氮、全磷均隨著團聚體等級的降低而呈現增加的趨勢,且微團聚體的有機碳、全氮含量差異高于大團聚體(P<0.05)。不同混交林同等級團聚體的有機碳并無顯著差異,而MH大團聚體與微團聚體的全氮顯著高于MS,MH大團聚體全磷也顯著高于MS,MS各團聚體土壤碳氮比顯著高于MH(圖2)。

3.2 不同馬尾松混交林土壤團聚體酶活性

團聚體分級以及馬尾松混交林類型對2種氧化還原酶活性并無顯著影響。MS不同粒徑團聚體的7種土壤酶活性均無顯著差異。MH微團聚體N-乙酰-葡糖苷酶(NAG,(3276.04±160.63) nmol g-1h-1)顯著高于中團聚體((2214.92±395.56)nmol g-1h-1),微團聚體的亮氨基酸氨基肽酶(Leucine aminopeptidase,LAP,(21.76±0.47) nmol g-1h-1)顯著高于大團聚體((4.33±0.95)nmol g-1h-1)和中團聚體((7.16±2.45)nmol g-1h-1),其余不同等級團聚體的酶活性均無顯著差異。2種馬尾松混交林的中團聚體土壤酶活性均無顯著差異,MH的大團聚體和微團聚體纖維二糖水解酶(Cellobiohydrolase,CB)和LAP均顯著高于MS,同時,MH大團聚體的β-葡糖苷酶(BG)和NAG也顯著高于MS(圖3)。

由表3可知,除酸性磷酸酶(AP)外,MS各團聚體水解酶均值低于MH,而其氧化還原酶均值則高于MH。MS的大團聚體、微團聚體的土壤酶活性幾何平均數顯著高于MH,分別是MH的1.98倍和1.49倍。MS各等級團聚體的土壤酶活性幾何平均數無顯著差異,MH的微團聚體土壤酶活性幾何平均數顯著高于大、中團聚體(表4)。

圖2 馬尾松混交林土壤團聚體養分含量Fig.2 Nutrient content of soil aggregates in two different Pinus massoniana mixed plantations大寫字母表示同等級團聚體不同混交林之間的顯著差異；小寫字母表示同種混交林類型不同等級團聚體之間的顯著差異

圖3 馬尾松混交林土壤團聚體土壤酶活性Fig.3 Enzyme activities of soil aggregates in two different Pinus massoniana mixed plantations大寫字母表示同等級團聚體不同混交林之間的顯著差異；小寫字母表示同種混交林類型不同等級團聚體之間的顯著差異

3.3 土壤團聚體土壤養分與酶活性相關性

測定的2種土壤氧化還原酶活性、以及水解酶AP與土壤團聚體的有機碳、全氮、全磷含量均無顯著相關性。土壤全氮含量與其余4種水解酶呈現顯著的正相關關系。土壤有機碳含量僅與NAG、LAP呈現顯著的正相關關系。土壤全磷與CB和NAG呈現顯著的正相關關系。土壤酶活性幾何平均數隨著有機碳、全氮、全磷的增加而呈現顯著的增加。土壤碳氮比與測定的酶活性以及土壤酶活性幾何平均數均無顯著相關性(表5)。

4 討論

不同等級團聚體通過控制水分、溫度、空氣以及有機質的可接觸性影響土壤酶活性[11,29],各粒徑團聚體的分布對于酶活性影響顯著。本研究中,森林植被類型的不同并未造成各等級團聚體分布的顯著差異,2種馬尾松混交林團聚體分布比例均隨著團聚體等級的增加而顯著增加,大團聚體最高,占據土壤60%左右,這與相關研究結果一致[12,30],如Fang等對3種亞熱帶森林類型的土壤團聚體等級分布研究結果表明各等級團聚體分布差異顯著,大團聚體(58.5%±2.6%)>中團聚體(35.6%±3.0%)>微團聚體(6.0%±0.7%)[12]。而馬尾松杉木混交林的中團聚體分布顯著高于馬尾松杉木櫟類混交林,可能是由于地上植被組成的影響,闊葉林真菌生物量高于針葉林[31],且其根系的高分子黏質高,根系分布廣,能夠促進較小等級團聚體膠結成大團聚體[32],因此,馬尾松杉木櫟類混交林的大團聚體分布比例高于馬尾松杉木混交林,而中團聚體則低于馬尾松杉木混交林。

表3 馬尾松混交林土壤團聚體酶活性均值

表4 馬尾松混交林土壤團聚體土壤酶幾何平均數

表5 團聚體酶活性與養分含量相關性

本研究發現,2種馬尾松混交林土壤微團聚體的5種水解酶活性均高于大團聚體,其中,馬尾松杉木櫟類混交林的微團聚體亮氨基酸氨基肽酶活性顯著高于大團聚體(P<0.05,圖3)。由于研究區域、土壤類型、植被類型以及土壤團聚體篩分方法的差異,土壤酶活性在團聚體中的分布特征并無定論[10,12,33]。本研究微團聚體酶活性高于大團聚體可能主要源于團聚體物理結構越差異的影響,因為團聚體粒徑小,水分和養分通過擴散作用進入的速度越快[34],能夠為酶促反應提供更多利用的物質[35],酶活性越高；而大團聚體孔徑大,穩定性低,土壤酶活性易受環境影響[36]。此外,本區域2種馬尾松混交林的土壤質地是黏壤土,該土壤質地吸附力大,較小粒徑的團聚體具有較高的比表面積,會吸附更多的土壤有機質[37- 38],能夠為酶活性提供充足的養分。與水解酶不同的是,氧化還原酶主要是由真菌產生[39],而真菌因其菌絲無法穿透土壤微團聚體的氣孔,主要存在于大團聚體中[40],因此本研究中大團聚體的2種氧化還原酶活性最高(圖3)。

對比2種混交林團聚體土壤酶活性發現,馬尾松杉木櫟類混交林的大團聚體β-葡糖苷酶、纖維二糖水解酶、N-乙酰-葡糖苷酶、亮氨基酸氨基肽酶活性顯著高于馬尾松杉木混交林,同時其微團聚體纖維二糖水解酶、亮氨基酸氨基肽酶活性也顯著高于馬尾松杉木混交林(圖3)。這4種酶活性主要參與土壤碳氮循環[3,4,24]。然而,究竟是較高的碳循環酶活性(氮循環酶活性)造成了土壤有機碳(或氮)含量的增加,還是較大的土壤有機質庫為土壤酶活性提供了充足的底物從而促進了酶活性的提高并無定論[6]。目前多數學者認為,土壤酶活性同時受到土壤關鍵理化性質、土壤微生物量、土壤有機質含量的共同影響[4,41]。本研究中,所測得的β-葡糖苷酶、纖維二糖水解酶、N-乙酰-葡糖苷酶、亮氨基酸氨基肽酶活性均與土壤全氮呈極顯著的相關性(表5),馬尾松杉木混交林與馬尾松杉木櫟類混交林的大團聚體與微團聚體全氮的顯著差異可能是造成上述土壤酶活性差異的主要原因(圖2)。而與上述4種水解酶不同的是,團聚體水解酶酸性磷酸酶與土壤碳氮磷關系并不顯著,這主要是因為相較于養分的影響,團聚體酸性磷酸酶更易受到土壤水分的影響[42]。2種馬尾松混交林土壤水分相近(表1),所以其酸性磷酸酶活性并無顯著差異。同時,本研究也發現馬尾松杉木櫟類混交林各團聚體土壤C/N比顯著低于馬尾松杉木混交林(圖2),而低C/N比更適宜主要產生水解酶的細菌生存[39,43-44],高C/N比則利于主要產生氧化還原酶的真菌生存[39,43- 44],雖然土壤C/N比與各土壤酶活性并無顯著相關關系(表5),但其通過影響微生物進而調節土壤酶活性的變化[44],所以馬尾松杉木混交林的各團聚體氧化還原酶均值略高于馬尾松杉木櫟類混交林,而其水解酶活性(除酸性磷酸酶外)則低于馬尾松杉木櫟類混交林。

多酚氧化酶與過氧化物酶這兩種氧化酶活性比水解酶變異性更強[4],主要影響土壤惰性碳的形成,分解木質素以及芳香類復合物,形成腐殖質[1]。多酚氧化酶與過氧化物酶活性與土壤有機碳、全氮無顯著的相關性[4],而是隨著pH的增加而呈現增加的趨勢[4],本研究也發現,團聚體多酚氧化酶與過氧化物酶與有機碳、全氮并無顯著的相關性(表4)。由于馬尾松杉木混交林與馬尾松杉木櫟類混交林的土壤pH分別為5.65±0.06和5.62±0.03(表1),所以各團聚體的2種氧化還原酶酶活性相近(圖3)。

土壤酶活性幾何平均數GMea是基于所測的5種水解酶和2種氧化還原酶活性計算得出的,作為反應土壤質量的綜合指標[26- 27],GMea能夠反應整體酶活性的變化以及微生物活性變化[45-46]。相較于馬尾松杉木針葉混交林,馬尾松杉木櫟類針闊葉混交林的凋落物C/N比低(表1),分解快[47],能夠為土壤微生物提供豐富的營養,同時不同樹種的根系相互作用,根系的代謝也能直接影土壤酶活性[48-49],這可能是造成馬尾松杉木櫟類混交林土壤大團聚體和微團聚體酶活性綜合指數GMea顯著高于馬尾松杉木混交林的主要原因(表4)。此外,土壤酶活性一般隨著溫度的增加而增加[2],相較于馬尾松杉木混交林,馬尾松杉木櫟類混交林海拔低,土壤溫度較高(根據2019年8月表層土壤溫度連續監測結果),從而增加了土壤酶活性綜合指數GMea(表4)。而為何2種混交林土壤中團聚體酶活性無顯著差異仍需進一步對其微生物等指標進行分析。

5 結論

林型對土壤團聚體分布、團聚體氧化還原酶、酸性磷酸酶活性并沒有顯著影響,而馬尾松杉木櫟類混交林大團聚體的β-葡糖苷酶、纖維二糖水解酶、N-乙酰-葡糖苷酶、亮氨基酸氨基肽酶顯著高于馬尾松杉木混交林,同時其微團聚體纖維二糖水解酶、亮氨基酸氨基肽酶也顯著高于馬尾松杉木混交林。2種馬尾松混交林團聚體全氮是造成上述4種酶活性不同的主要原因。馬尾松杉木混交林大團聚體和微團土壤酶活性幾何平均數GMea顯著低于馬尾松杉木櫟類混交林,櫟類闊葉樹種的增加顯著增加了土壤團聚體酶活性,有利于土壤養分質量的提高。

致謝：感謝湖北秭歸三峽庫區森林生態系統國家定位觀測研究站對本研究的幫助。