氮添加對(duì)沙質(zhì)沿海防護(hù)林土壤微生物量和酶活性的影響初探

摘" 要：為探究沙質(zhì)沿海防護(hù)林土壤微生物量和酶活性對(duì)氮添加的響應(yīng)，以秦皇島市海濱林場(chǎng)7年生毛白楊林為研究對(duì)象，分別設(shè)置N0（對(duì)照：0 kg N·hm-2·a-1）、N1（低氮：27.5 kg N·hm-2·a-1）、N2（中氮：44 kg N·hm-2·a-1）和N3（高氮：66 kg N·hm-2·a-1）4個(gè)處理，施肥一年后采集土樣測(cè)定土壤養(yǎng)分、微生物量和酶活性。結(jié)果表明：（1）各土層土壤pH：低氮＞對(duì)照＞中氮＞高氮。與對(duì)照相比，氮添加增加了土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和微生物量碳氮含量，減少了全磷、全鉀和速效鉀含量；（2）整體上看，氮添加增加了土壤蔗糖酶、蛋白酶和脲酶含量。氮添加對(duì)土壤酸性磷酸酶無(wú)顯著影響。與對(duì)照相比，N1和N2促進(jìn)了土壤多酚氧化酶和過(guò)氧化氫酶活性，而N3處理抑制了二者活性；（3）通過(guò)Pearson分析得出，土壤酶活性與環(huán)境因子相關(guān)性顯著。

關(guān)鍵詞：氮添加；沙質(zhì)沿海防護(hù)林；微生物生物量；酶活性；海濱林場(chǎng)

Effects of nitrogen addition on soil microbial biomass and enzyme activities in sandy coastal shelterbelt

Zhang Chunxue1， Wen Jialu1， Wu Shu2 Mu Liqiang1， Zhao Zhongbao2

（1. College of Forestry， Northeast Forestry University， Harbin 150006， Heilongjiang Province; 2. Department of Ecology， Hebei Institute of Environmental Engineering， Qinhuangdao， Hebei Province 066102）

Abstract：This study investigates the impact of nitrogen addition on soil enzyme activities and microbial biomass within a sandy coastal shelterbelt using 7-year-old Populus tomentosa from Qinhuangdao coastal forest farm as a model system. Four treatments were administered： N0 （control： 0 kg N·hm-2a-1）， N1 （low nitrogen：27.5 kg N·hm-2·a-1）， N2 （medium nitrogen：44 kg N·hm-2·a-1）， and N3 （high nitrogen：66 kg N·hm-2·a-1）. Soil samples were collected for determination of soil nutrients， microbial biomass， and enzyme activity one year after fertilization. The findings revealed that： （1） The soil pH in each soil layer is as follows： low nitrogen gt; control gt; medium nitrogen gt; high nitrogen. Relative to the control， nitrogen supplementation elevated the levels of organic matter， total nitrogen， alkali-hydrolyzed nitrogen， and microbial biomass carbon and nitrogen，while diminishing the concentrations of total phosphorus，total potassium， and available potassium; （2） Nitrogen addition generally enhanced the activities of soil sucrase， protease， and urease. Nitrogen addition had no significant effect on soil acid phosphatase.Relative to the control， N1 and N2 treatments promoted soil polyphenol oxidase and catalase activities， while N3 treatments inhibited the activities of both;（3） The correlation between soil enzyme activity and environmental factors was significant through Pearson analysis.

Key words： nitrogen addition; coastal sandy land protection forest; microbial biomass; enzyme activity; Seaside Forest Farm

氮元素是植物和土壤微生物生長(zhǎng)的必需元素[1]，適量氮添加可以提高植物生產(chǎn)力[2]。氮肥作為林業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的肥料，在改善土壤養(yǎng)分、提高植物產(chǎn)量方面發(fā)揮著重要作用[3]。然而，過(guò)量氮添加會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一些不利的生態(tài)影響，如引起植被退化[4]、降低物種豐富度和凋落物分解速率[5]、改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等[7]，氮肥已成為影響森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)化與植被演替的重要環(huán)境因子[8]。已有研究表明，只有約3%的沉降N固定在森林植被中，其余大部分固定在土壤中。然而，有關(guān)氮添加對(duì)土壤生態(tài)學(xué)過(guò)程的機(jī)理、機(jī)制研究仍不清楚[10]，有待進(jìn)一步研究。

土壤是萬(wàn)物之基，而土壤養(yǎng)分是反映土壤肥力的重要指標(biāo)[11]。在陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)中，土壤微生物扮演著重要角色[12]。土壤酶活性和微生物量是反映土壤環(huán)境的敏感指標(biāo)，而氮添加會(huì)引起二者的顯著變化[12]。土壤酶是土壤生化過(guò)程的積極參與者和催化劑[13]，也是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和肥力變化的敏感指標(biāo)。研究森林土壤酶活性、理化性質(zhì)和微生物量對(duì)氮添加的響應(yīng)，分析三者之間的關(guān)系，對(duì)于掌握森林土壤質(zhì)量的演變具有重要意義。相關(guān)學(xué)者陸續(xù)對(duì)氮添加對(duì)森林土壤微生物量和酶活性的影響進(jìn)行了研究，有研究發(fā)現(xiàn)氮添加增加了土壤微生物量碳氮含量[12]，但也有研究發(fā)現(xiàn)氮添加抑制了MBC和MBN含量[14]；康海軍等[15]，盛基峰等[16]研究發(fā)現(xiàn)氮添加提高了土壤酶活性，但也有研究發(fā)現(xiàn)土壤酶活性受到氮沉降的制約作用[17]；吳建波等[18]研究發(fā)現(xiàn)氮添加顯著降低了蔗糖酶、多酚氧化酶、纖維素酶和過(guò)氧化氫酶活性，但也有研究發(fā)現(xiàn)氮沉降增加了土壤中多酚氧化酶和過(guò)氧化物酶活性[19]。由此可見(jiàn)，氮添加對(duì)土壤微生物量和酶活性的影響還存在一定的不確定性，仍待探討。

秦皇島市海濱林場(chǎng)位于北戴河風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)，是我國(guó)北方典型的沙質(zhì)沿海防護(hù)林體系的一部分，也是北戴河區(qū)防風(fēng)固沙的重要生態(tài)屏障，具有重要的生態(tài)防護(hù)和美化環(huán)境的功能。然而，目前秦皇島市海濱林場(chǎng)內(nèi)主要基干林帶以毛白楊（Populus tomentosa Carrière）純林為主，毛白楊具有水氮需求量高等特點(diǎn)，而且海濱林場(chǎng)內(nèi)土壤為風(fēng)沙土，具有質(zhì)地均一、松軟、結(jié)構(gòu)差、養(yǎng)分含量較低等特征，因此土壤氮肥已成為毛白楊樹(shù)種生長(zhǎng)的主要限制因子。施加氮肥，提高土壤肥力和林分生長(zhǎng)量是森林經(jīng)營(yíng)增匯的主要手段之一。此外，關(guān)于氮添加對(duì)農(nóng)田、草地、濕地等的研究較多，而對(duì)沙質(zhì)沿海防護(hù)林的研究鮮有報(bào)道。鑒于此，本文就秦皇島市海濱林場(chǎng)土壤微生物量和酶活性對(duì)氮添加的響應(yīng)展開(kāi)首次研究，以期為秦皇島市海濱林場(chǎng)土壤和林分質(zhì)量的提升提供理論參考依據(jù)。

1" 材料與方法

1.1" 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于秦皇島市海濱林場(chǎng)（119°29′08″—32′16″E，39°50′03″—53′50″N）毛白楊中幼林地塊內(nèi)。該地屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量601.4 mm，多年平均氣溫11.1℃，無(wú)霜期為200 d。土壤類型為沙質(zhì)土，pH值呈酸性[20]。

1.2" 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2022年3月，在地勢(shì)相對(duì)平坦的區(qū)域，選擇7年生毛白楊人工林進(jìn)行樣地布置。在100 m×70 m的樣地內(nèi)，設(shè)置N0（對(duì)照：0 kg N·hm-2·a-1）、N1（低氮：27.5 kg N·hm-2·a-1）、N2（中氮：44 kg N·hm-2·a-1）和N3（高氮：66 kg N·hm-2·a-1）4個(gè)處理，氮肥為尿素（含N 46%），每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)置樣方，共12個(gè)16 m×16 m的樣方，樣方之間設(shè)10 m寬的隔離帶。用鐵鍬沿著距樹(shù)干0.5 m左右的位置挖一圈約深5 cm的淺溝，將肥料均勻地施撒在淺溝中，然后用土覆肥，將肥料均分四次于每年4～7月撒施（因土壤為沙質(zhì)土，故不宜用噴灑方式施肥）。為減少肥料揮發(fā)，一般選擇在傍晚或者降雨之前施肥，以利用肥料快速溶解并滲透到土壤中[21]。

1.3" 土壤樣品采集及測(cè)定方法

1.3.1土壤樣品采集

于2023年8月，采用五點(diǎn)取樣法在每個(gè)樣方進(jìn)行土樣采集，每個(gè)采集點(diǎn)選取0～10、10～20、20～40和40～60 cm四個(gè)土層深度（相同土層5個(gè)采樣點(diǎn)混樣），利用四分法對(duì)土壤樣品進(jìn)行取樣并裝入自封袋，然后帶回實(shí)驗(yàn)室，一部分鮮土于4℃冰箱中保存，另一部分風(fēng)干備用。

1.3.2土壤樣品測(cè)定方法

土壤pH采用pH計(jì)（雷磁，PHS-3E）測(cè)定；土壤全氮、堿解氮分別采用凱氏定氮法和堿解擴(kuò)散法[22]；土壤全磷、速效磷分別采用高氯酸-硫酸-鉬銻抗比色法和NH4F-HCl法[23]；土壤全鉀、速效鉀分別采用NaOH高溫熔融-火焰光度計(jì)法和乙酸銨-火焰光度計(jì)法[24]；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法[23]。土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提法[25]。

土壤蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法[26]；土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法[26]；土壤蛋白酶活性采用茚三酮比色法[26]；土壤過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀容量法[26]；土壤多酚氧化酶活性采用碘量滴定法[26]；土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法[26]。

1.4" 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 26軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，并進(jìn)行LSD方差顯著性檢驗(yàn)，土層×氮處理的交互作用下對(duì)土壤酶活性的影響由雙因素方差分析（Two-way ANOVA ）檢驗(yàn)。運(yùn)用Pearson法分析土壤酶活性與土壤微生物量、理化性質(zhì)的相關(guān)性，最后由Origin 2021軟件制圖。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 氮添加對(duì)沙質(zhì)防護(hù)林土壤理化性質(zhì)的影響

由表1可知，氮添加顯著改變了土壤理化性質(zhì)pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀（Plt;0.05）。其中，各土層土壤pH的變化規(guī)律為：N1＞N0＞N2＞N3，且土壤pH隨土層增加呈遞增趨勢(shì)。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量均隨土層加深呈遞減趨勢(shì)。施加氮肥顯著增加了土壤全氮含量，各土層土壤全氮含量：N2＞N3＞N1＞N0。施加氮肥顯著減少了土壤全磷和全鉀含量，各土層土壤全磷和全鉀含量的變化規(guī)律相同：N0＞N1＞N2＞N3。各土層土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化規(guī)律為：隨施氮量增加呈先增大后減少的趨勢(shì)，且在N2處理時(shí)較高。

隨著土層加深，土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量整體呈逐層遞減的趨勢(shì)。整體上看，氮添加增加了土壤堿解氮含量，且N2處理時(shí)顯著高于對(duì)照處理（Plt;0.05）。土壤速效磷含量隨施氮量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，且在N1處理時(shí)最高。施加氮肥顯著減少了土壤速效鉀含量（Plt;0.05）。

2.2" 氮添加對(duì)沙質(zhì)防護(hù)林土壤微生物生物量的影響

如圖1所示，施加氮肥顯著影響了土壤MBC和MBN，且二者隨土層加深呈遞減趨勢(shì)。與對(duì)照相比，施加氮肥增加了土壤微生物量碳含量，各土層微生物量碳含量：N3＞N2＞N1＞N0，且N3處理顯著高于對(duì)照處理（P＜0.05）。與對(duì)照相比，施加氮肥整體上增加了土壤微生物量氮含量，且N1和N2處理顯著高于對(duì)照處理（P＜0.05）。

2.3" 氮添加對(duì)沙質(zhì)防護(hù)林土壤酶活性的影響

如圖2所示，土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、酸性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶活性均隨土層加深呈遞減趨勢(shì)。與對(duì)照相比，施加氮肥整體上增加了土壤蔗糖酶和脲酶含量，二者隨施氮量增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，且均在N1處理時(shí)最高。此外，蔗糖酶含量在N1處理時(shí)顯著高于對(duì)照處理（Plt;0.05）。氮添加對(duì)土壤酸性磷酸酶含量無(wú)顯著影響（圖2c）。各土層土壤蛋白酶含量變化規(guī)律為：隨著施氮量增加而增加，且N2和N3差異不顯著（圖2d）。與對(duì)照相比，N1和N2處理增加了土壤多酚氧化酶和過(guò)氧化氫酶含量，而N3處理減少了土壤多酚氧化酶和過(guò)氧化氫酶含量。各土層多酚氧化酶含量變化規(guī)律為：N1＞N2＞N0＞N3（圖2e），各土層過(guò)氧化氫酶含量變化規(guī)律為：N2＞N1＞N0＞N3（圖2f）。

由表2可知，土層和氮處理分別對(duì)蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、蛋白酶、多酚氧化酶和過(guò)氧化氫酶具極顯著影響（P＜0.001），土層×氮處理對(duì)蔗糖酶、脲酶、多酚氧化酶和過(guò)氧化氫酶具極顯著影響（P＜0.001），對(duì)蛋白酶具顯著影響（P＜0.05）。

2.4" 不同施肥處理土壤理化性質(zhì)、微生物生物量與酶活性相關(guān)性分析

為了探討氮添加條件下土壤環(huán)境因子、微生物生物量和酶活性之間的關(guān)系，將土壤環(huán)境因子、微生物生物量和酶活性進(jìn)行相關(guān)性分析。如圖3所示，土壤蔗糖酶和脲酶活性與pH、TN和AN呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與SOM、AP呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。酸性磷酸酶活性與AN、AP呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與SOM、TN、TP和AK呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。蛋白酶與pH呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），而與SOM、TN、AN和MBC呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與MBN呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。多酚氧化酶與pH、AP呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與MBN呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。過(guò)氧化氫酶活性與SOM、TN、AN、AP、AK和MBN均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與TP呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

3" 討論

3.1" 氮添加對(duì)沙質(zhì)防護(hù)林土壤理化性質(zhì)的影響

通過(guò)研究土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮等土壤基本理化性質(zhì)，可以更好地了解土壤特點(diǎn)，為土壤的合理利用和科學(xué)管理提供科學(xué)依據(jù)[27]。本研究中，低氮提高了土壤pH，而中氮和高氮降低了土壤pH，這可能是因?yàn)檫^(guò)量的氮素在土壤中因硝化作用轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，形成H+，從而導(dǎo)致土壤酸化加劇[28]；而劉星等[29]研究發(fā)現(xiàn)施加尿素提高了土壤pH；呂來(lái)新等[30]研究發(fā)現(xiàn)氮添加對(duì)土壤pH沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響。造成這種差異的原因可能與施肥量、施肥種類和施肥季節(jié)等有關(guān)[31]。本研究中，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層加深呈遞減趨勢(shì)，且在表層（0～10cm）顯著高于其它土層（Plt;0.05），這可能與地表枯落物分解形成腐殖質(zhì)有關(guān)；而王志波等[32]研究發(fā)現(xiàn)氮添加顯著降低了土壤有機(jī)質(zhì)含量；王玲等[33]研究發(fā)現(xiàn)施肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量無(wú)顯著影響。整體上看，氮添加不同程度地增加了土壤堿解氮和全氮含量，這與張水清等[34]的長(zhǎng)期試驗(yàn)一致，但也有研究發(fā)現(xiàn)，施氮肥處理與對(duì)照處理之間全氮含量差異并不顯著[35]。此外，土壤堿解氮和全氮含量隨施氮量增加均呈先增大后減小的趨勢(shì)，這可能與施加氮肥量的大小有關(guān)。本研究中，施加氮肥減少了土壤全磷含量，且全磷含量隨著施氮量增加而減少，這與大部分研究結(jié)果一致[17]，此外，王麗君等[28]認(rèn)為氮添加對(duì)土壤全磷含量沒(méi)有顯著影響。本文研究發(fā)現(xiàn)施氮肥減少了土壤速效鉀和全鉀含量，這可能是因?yàn)榈视绊懙搅送寥乐锈涬x子的吸附和逆境反應(yīng)的發(fā)生，而張玉琪等[37]研究發(fā)現(xiàn)土壤速效鉀含量與施氮水平?jīng)]有顯著相關(guān)性。

3.2" 氮添加對(duì)沙質(zhì)防護(hù)林土壤微生物生物量的影響

土壤微生物生物量對(duì)土壤養(yǎng)分含量和循環(huán)利用起到重要作用[38]。本研究中，施加氮肥整體上增加了土壤微生物量碳和微生物量氮含量，這與胡洋等[12]研究結(jié)果一致。這可能是因?yàn)榈砑哟龠M(jìn)了枯枝落葉的分解，從而提供給微生物更多的養(yǎng)分，使微生物量增加[12]。但也有研究表明氮添加降低了土壤的MBC和MBN[14]，這與施肥類型、施肥時(shí)間和環(huán)境因素等都有關(guān)系。

3.3" 氮添加對(duì)沙質(zhì)防護(hù)林土壤酶活性的影響

土壤酶活性能夠很大程度上反映土壤生物化學(xué)的強(qiáng)度[39]、土壤微生物的生長(zhǎng)狀況和作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用情況[40]，其中蔗糖酶活性可以評(píng)估土壤中有機(jī)碳的分解和循環(huán)[23]。本文研究發(fā)現(xiàn)土壤蔗糖酶含量隨著施氮量增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，這可能因?yàn)檫m量氮素添加刺激了與碳循環(huán)相關(guān)的微生物活性，而過(guò)量則抑制其活性[12]。此外，土壤蔗糖酶含量隨土層增加呈遞減趨勢(shì)，這與馬嵩科等[41]的研究成果相似。本文施加氮肥整體上增加了土壤脲酶和蛋白酶含量，這可能是因?yàn)槭┑岣吡伺c氮相關(guān)酶的底物濃度。脲酶和蛋白酶活性和全氮、堿解氮含量呈顯著正相關(guān)也證實(shí)了這一點(diǎn)；而蘇潔瓊等[42]研究表明氮添加抑制了土壤脲酶活性；也有研究發(fā)現(xiàn)土壤脲酶活性在各施N處理間差異不顯著[43]。有研究發(fā)現(xiàn)，施肥可以提高土壤過(guò)氧化氫酶活性[44]；而黃瑞靈等[45]研究發(fā)現(xiàn)氮添加抑制了土壤過(guò)氧化氫酶活性；張藝等[46]研究發(fā)現(xiàn)土壤過(guò)氧化氫酶活性對(duì)氮添加響應(yīng)不大；而本文研究發(fā)現(xiàn)低氮和中氮提高了土壤過(guò)氧化氫酶活性，而高氮抑制了其活性。造成差異的原因可能與肥料用量和施肥年限有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)施氮肥對(duì)土壤酸性磷酸酶活影響不大；而黃路婷等[17][17]研究表明施氮可以促進(jìn)酸性磷酸酶活性。這可能是由于土壤磷酸酶活性受多種因素的共同調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致研究結(jié)果不一致。本研究中，低氮和中氮促進(jìn)了土壤多酚氧化酶活性，而高氮抑制了其活性。這可能是由于過(guò)量氮添加導(dǎo)致土壤環(huán)境改變，從而限制了微生物的生長(zhǎng)。此外，有研究發(fā)現(xiàn)氮添加降低了多酚氧化酶活性[28]，而馬偉偉等[47]研究發(fā)現(xiàn)氮添加對(duì)多酚氧化酶活性無(wú)顯著影響。

4" 結(jié)論

（1）氮添加增加了土壤TN、AN、SOC、MBC、MBN含量、蔗糖酶、脲酶和蛋白酶活性，減少了土壤TP、TK、AK含量。低氮提高了土壤pH，中氮和高氮降低了土壤pH。低氮和中氮增加了土壤AP、過(guò)氧化氫酶和多酚氧化酶含量，而高氮起到抑制作用。氮添加對(duì)土壤酸性磷酸酶活性無(wú)顯著影響。（2）不同土層和氮處理的交互作用對(duì)蔗糖酶、脲酶、多酚氧化酶、蛋白酶和過(guò)氧化氫酶具顯著影響（3）氮添加通過(guò)改變土壤環(huán)境因子，顯著影響了土壤酶活性。今后應(yīng)進(jìn)一步研究多年氮肥添加對(duì)土壤微生物量和酶活性的影響，為秦皇島市海濱林場(chǎng)森林經(jīng)營(yíng)管理提供理論依據(jù)。

5" 參考文獻(xiàn)

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