模擬氮沉降對苦竹人工林土壤酶活性的影響

模擬氮沉降對苦竹人工林土壤酶活性的影響

巖屑燃燒、化肥的使用和濃縮物的大規(guī)模種植對氮的產(chǎn)生和沉淀率有顯著影響。由于大多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)都受到氮的限制，氮沉降的增加將潛在地影響主要生態(tài)系統(tǒng)和分解之間的平衡。分解是生態(tài)系統(tǒng)的一個重要過程，也是一種多尺度的普遍現(xiàn)象。在所有尺度中，微生物和酶在許多元素的循環(huán)和能量流動過程中起著決定性作用。長期氮沉淀降低了土壤水分、堿性飽和度和礦物風(fēng)化率，并嚴(yán)重影響了許多生物學(xué)過程。此外，氮沉淀還可以通過施肥來積累有機質(zhì)，改變微生物的活動，導(dǎo)致酶活性變化。通常認(rèn)為,向氮限制生態(tài)系統(tǒng)施加氮時會促進纖維素分解酶活性,抑制木質(zhì)素降解酶活性.增加的氮除對碳相關(guān)酶活性有影響外,對氮、磷相關(guān)酶活性也有著正面或負(fù)面的影響.研究證明,生態(tài)系統(tǒng)中增加的氮對酶活性的影響能夠解釋氮沉降對土壤有機質(zhì)(SOM)和凋落物分解的影響.因此,氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)和養(yǎng)分狀況的影響很大程度上決定于胞外酶生產(chǎn)過程對氮沉降的響應(yīng).但由于土壤酶活性的影響因素眾多,如土壤養(yǎng)分可用性、凋落物木質(zhì)素含量、凋落物和土壤C/N等,因此,不同生態(tài)系統(tǒng)土壤酶對氮沉降的響應(yīng)可能有所差異.我國是全球三大氮沉降區(qū)之一.隨著工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展,我國的氮沉降量還可能繼續(xù)增加.目前國內(nèi)有關(guān)氮沉降的研究主要集中在氮沉降對土壤呼吸、凋落物和土壤有機質(zhì)分解、土壤微生物的影響等方面,而對森林生態(tài)系統(tǒng)土壤酶的影響研究只有少量報道.在森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過程中,土壤酶起到關(guān)鍵性的作用.因此,深入研究土壤酶對大氣氮沉降增加的響應(yīng)具有重要的科學(xué)意義.四川盆地西緣的華西雨屏區(qū)是受邛崍山脈地形的影響而被抬升降溫、空氣中的水分達到過飽和狀態(tài)而形成降水的一個多雨的狹長地帶.該地區(qū)氮沉降形式主要為濕沉降,年氮濕沉降量達到8.241g·m-2,超出了該地區(qū)的臨界負(fù)荷值,并有逐漸增加的趨勢.高量并持續(xù)增加的氮沉降,勢必對該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和過程造成重大的影響.筆者前期研究表明,在大氣氮沉降增加的情況下,華西雨屏區(qū)苦竹(Pleioblastusamuarus)林土壤向大氣釋放的CO2將增加9.4%~28.6%.本文以試驗性氮沉降0.5年后的苦竹林為研究對象,在持續(xù)進行模擬氮沉降的基礎(chǔ)上,研究與碳、氮、磷相關(guān)的土壤酶對氮沉降增加的響應(yīng),進一步探討苦竹林土壤系統(tǒng)對氮沉降增加的內(nèi)在響應(yīng)機理和土壤酶在調(diào)控碳及大量元素循環(huán)中的作用.1研究領(lǐng)域和方法1.1樣地林分的年變化、年變化、年變化試驗地設(shè)在四川省洪雅縣柳江鎮(zhèn)(29°95′N,103°38′E).該地區(qū)屬中亞熱帶濕潤性山地氣候,年均氣溫14℃~16℃,1月平均氣溫6.6℃,7月平均氣溫25.7℃.1980—2000年年均降水量為1489.8mm,年內(nèi)降水主要集中于6—8月,年平均相對空氣濕度為82%.試驗地為2000年退耕還林工程建成的苦竹林,土壤為紫色土,樣地林分結(jié)構(gòu)和土壤特征見表1.1.2模擬氮沉降處理2007年10月,在苦竹林內(nèi)選擇具有代表性的林地作為氮沉降試驗樣地.在樣地中建立12個3m×3m的樣方,每個樣方間設(shè)>3m寬的緩沖帶.用NH4NO3進行氮沉降處理,共設(shè)4個水平:對照(CK,0gN·m-2·a-1)、低氮(5gN·m-2·a-1)、中氮(15gN·m-2·a-1)和高氮(30gN·m-2·a-1),每個水平3個重復(fù).將年施用量平均分成12等份,2007年11月—2009年5月,每月下旬定量對各樣方進行模擬氮沉降處理,具體方法是將各水平所需NH4NO3溶解至1L水中,用噴霧器在該水平樣方中來回均勻噴灑,對照只噴灑清水.1.3土壤酶活性測定在模擬氮沉降0.5年后,每月下旬采集各樣方0~20cm土壤樣品(每樣方取6點),連續(xù)取樣12個月.每次取回樣品后,挑除可見根系,過2mm篩,于4℃條件下保存待測.分別采用3,5-二硝基水楊酸比色法、蒽酮比色法、鄰苯三酚比色法、磷酸苯二鈉比色法和苯酚-次氯酸鈉比色法測定土壤蔗糖酶、纖維素酶、過氧化物酶、多酚氧化酶、酸性磷酸酶和脲酶.土壤酶活性單位為單位時間單位干土質(zhì)量中,土壤酶消耗特定底物(或生成特定產(chǎn)物)的微摩爾量(或納摩爾量)表示,酸性磷酸酶、蔗糖酶、脲酶、多酚氧化酶和過氧化物酶單位為μmol·g-1·h-1,纖維素酶單位為nmol·g-1·h-1.所有酶活性指標(biāo)的測定均采用新鮮土樣,取樣后一周內(nèi)測定.1.4數(shù)據(jù)處理方法利用SPSS16.0(SPSSInc.,USA)軟件對各處理土壤酶活性數(shù)據(jù)進行重復(fù)測量單變量方差分析(one-wayRMANOVA)和LSD多重比較.2結(jié)果與分析2.1季節(jié)動態(tài)明顯苦竹林中6種土壤酶均具有較明顯的季節(jié)變化(圖1).土壤蔗糖酶、纖維素酶和酸性磷酸酶的活性高峰期出現(xiàn)在春季,季節(jié)動態(tài)十分明顯,脲酶活性高峰期出現(xiàn)在秋季,過氧化物酶和多酚氧化酶活性高峰期出現(xiàn)在冬季.其中纖維素酶活性最低.2.2林分氮沉降對苦竹林土壤酶活性的影響由表2可以看出,與對照相比,氮沉降使土壤蔗糖酶活性顯著增加(P<0.05),在5.4%~21.9%;而纖維素酶活性則下降了14.1%~32.6%,受到顯著抑制(P<0.05).過氧化物酶和多酚氧化酶為土壤中主要的木質(zhì)素降解酶,二者的相關(guān)性顯著(R2=0.749,P<0.01).本試驗中,兩種酶的活性高峰期均出現(xiàn)在冬季,且過氧化物酶活性是多酚氧化酶活性的5~14倍.低氮處理的過氧化物酶活性顯著高于中氮、高氮處理和對照處理(P<0.05),且后三者無顯著差異.而氮沉降處理與對照之間的多酚氧化酶活性差異顯著(P<0.05),低氮、中氮和高氮處理的多酚氧化酶活性分別比對照高出15.4%、19.6%和35.1%.土壤酸性磷酸酶活性除在5—6月出現(xiàn)一個高峰值外,全年其他月份酶活性均較為恒定.氮處理使酸性磷酸酶活性提高了12.0%~13.2%,且與對照樣地存在顯著差異(P<0.05),而各氮處理水平之間差異不顯著.與對照相比,低氮、中氮和高氮處理的樣地土壤脲酶活性分別高出13.1%、6.6%和7.6%,差異顯著(P<0.05).綜上可見,氮沉降增加了苦竹林土壤多酚氧化酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和脲酶的活性,抑制了纖維素酶的活性,而對過氧化物酶的影響不明顯.3討論3.1苦竹林凋落期各季節(jié)和土壤酶活性特征本研究結(jié)果表明,6種土壤酶均具有較明顯的季節(jié)變化,且活性高峰期各異.蔗糖酶、纖維素酶和酸性磷酸酶活性高峰期出現(xiàn)在春季,脲酶活性高峰期則出現(xiàn)在秋季,過氧化物酶和多酚氧化酶活性高峰期為冬季,與宋學(xué)貴等的研究結(jié)果基本一致.這是因為苦竹林凋落高峰期在4—5月,大量新鮮凋落物中富含的可溶性有機質(zhì)和纖維素等物質(zhì),可能刺激了蔗糖酶、纖維素酶和酸性磷酸酶的活性.也有學(xué)者研究認(rèn)為,土壤酶活性與溫度相關(guān),酶活性的高峰期出現(xiàn)在夏季.這可能是由于土壤酶的來源及其對環(huán)境響應(yīng)的敏感性不同所致.另外,土壤酶活性的強弱受控于分泌該酶的微生物活動以及土壤條件(如溫度、水分、養(yǎng)分、pH等)、微生物種群和土壤理化性質(zhì)共同決定了底物利用模式和土壤酶活性.3.2氮沉降對苦竹林土壤酶活性的影響木質(zhì)素和纖維素是地球上兩個最主要的有機質(zhì)源,氮沉降將通過對木質(zhì)素、纖維素分解相關(guān)酶的改變強烈影響全球碳循環(huán)過程.本研究中,氮沉降促進了木質(zhì)素分解酶(多酚氧化酶)活性,而抑制了纖維素分解酶活性.以往研究認(rèn)為,增施氮顯著降低了木質(zhì)素降解酶活性,增施的N和木質(zhì)素降解過程中的次生產(chǎn)物以及其他的多酚化合物之間會發(fā)生一系列非生物反應(yīng),形成抗分解物質(zhì)并降低分解速率.也有研究發(fā)現(xiàn),增施氮使與木質(zhì)素降解相關(guān)的微生物胞外酶活性減少,從而使高木質(zhì)素含量的凋落物種類對氮沉降的負(fù)響應(yīng)更強烈.但這些研究多是針對凋落物分解過程中的酶活性,由于土壤和凋落物中木質(zhì)素積累量和相關(guān)微生物群落的巨大差異,可能導(dǎo)致凋落物層和土壤木質(zhì)素分解酶對氮沉降的響應(yīng)不同.如Saiya-Cork等發(fā)現(xiàn),氮沉降使土壤中多酚氧化酶活性降低了40%,而凋落物層多酚氧化酶活性增加了63%.另外,不同的生態(tài)系統(tǒng)木質(zhì)素分解酶對氮沉降的響應(yīng)可能不同.如Keeler等對8種森林和草原生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn),氮沉降對不同的生態(tài)系統(tǒng)土壤過氧化物酶和土壤多酚氧化酶呈現(xiàn)出促進、抑制和無作用3種影響.近期許多研究也發(fā)現(xiàn)氮沉降促進了氧化酶(多酚氧化酶、過氧化物酶等)活性或?qū)ζ浠钚詿o影響,這說明木質(zhì)素降解酶對氮沉降的負(fù)響應(yīng)并不是一個普遍現(xiàn)象.由于多酚氧化酶在腐殖化過程中扮演著重要角色,其活性的增加表明氮沉降可能加速了苦竹林土壤腐殖質(zhì)的形成.研究結(jié)果表明,氮沉降對苦竹林土壤碳、氮、磷相關(guān)分解酶(蔗糖酶、酸性磷酸酶、脲酶)活性均有促進作用.土壤蔗糖酶廣泛存在于土壤中,直接參與土壤有機質(zhì)的代謝過程,對土壤微生物數(shù)量、土壤呼吸強度有直接依賴性.氮沉降增加了土壤蔗糖酶活性,表明氮沉降增加了土壤生物學(xué)活性強度和土壤肥力.本研究中,氮沉降顯著增加了土壤酸性磷酸酶活性,這與Johnsona等在草原和石南生態(tài)系統(tǒng)及Keeler等在8種森林和草原生態(tài)系統(tǒng)的模擬氮沉降研究結(jié)果一致.Carreiro等也發(fā)現(xiàn),氮沉降下凋落物中酸性磷酸酶活性增加.由于土壤中的微生物分解者常常適應(yīng)于低氮環(huán)境,氮沉降導(dǎo)致胞外酶從氮限制向磷限制方向轉(zhuǎn)變.通常在氮限制生態(tài)系統(tǒng)中,增加的氮刺激了微生物活性并增加其對磷和碳的需求,使得碳、磷相關(guān)酶活性增加.以往研究發(fā)現(xiàn)氮沉降促進了土壤脲酶活性,本研究結(jié)果證實了這一點.脲酶活性的增加表明總氮礦化速率具有增加的可能性.氮沉降抑制了纖維素分解酶活性,這與宋學(xué)貴等和Deforest等的研究結(jié)果一致,但也有研究表明,氮沉降增加了纖維素酶活性或無明顯影響.這可能是因為不同生態(tài)系統(tǒng)中不同的微生物區(qū)系對氮的響應(yīng)各異.由于苦竹林土壤纖維素酶活性比其余5種酶活性低3個數(shù)量級,因此該酶在土壤有機物分解過程中的作用相對較弱.通常來說,影響土壤酶活性對氮沉降響應(yīng)差異的主要原因有土壤養(yǎng)分可用性、凋落物木質(zhì)素含量、凋落物和土壤C/N等.由于影響土壤酶活性的因素眾多,增加了土壤酶對大氣氮沉降響應(yīng)的復(fù)雜性,不同生態(tài)系統(tǒng)土壤酶對氮沉降的響應(yīng)可能不同.有機質(zhì)在酶催化下分解成簡單礦質(zhì)化合物的過程稱為有機質(zhì)分解過程,有機質(zhì)分解直接受酶活性的調(diào)控.因此,氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫和養(yǎng)分庫的影響很大程度上反映為氮沉降對胞外酶生產(chǎn)過程的影響.本研究中6種土壤酶在模擬氮沉降下響