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化率，并嚴重影響了許多生物學過程。此外，氮沉淀還可以通過施肥來積累有機質，改變微生物的活動，導致酶活性變化。通常認為,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,抑制木質素降解酶活性.增加的氮除對碳相關酶活性有影響外,對氮、磷相關酶活性也有著正面或負面的影響.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(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過程對氮沉降的響應.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可能有所差異.我國是全球三大氮沉降區(qū)之一.隨著工農業(yè)的迅猛發(fā)展,我國的氮沉降量還可能繼續(xù)增加.目前國內有關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具有重要的科學意義.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)的結構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上,研究與碳、氮、磷相關的土壤酶對氮沉降增加的響應,進一步探討苦竹林土壤系統(tǒng)對氮沉降增加的內在響應機理和土壤酶在調控碳及大量元素循環(huán)中的作用.1研究領域和方法1.1樣地林分的年變化、年變化、年變化試驗地設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,樣地林分結構和土壤特征見表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>3m寬的緩沖帶.用NH4NO3進行氮沉降處理,共設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.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量中,土壤酶消耗特定底物(或生成特定產物)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.所有酶活性指標的測定均采用新鮮土樣,取樣后一周內測定.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)進行重復測量單變量方差分析(one-wayRMANOVA)和LSD多重比較.2結果與分析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素降解酶,二者的相關性顯著(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,與宋學貴等的研究結果基本一致.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和纖維素等物質,可能刺激了蔗糖酶、纖維素酶和酸性磷酸酶的活性.也有學者研究認為,土壤酶活性與溫度相關,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素和纖維素是地球上兩個最主要的有機質源,氮沉降將通過對木質素、纖維素分解相關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.以往研究認為,增施氮顯著降低了木質素降解酶活性,增施的N和木質素降解過程中的次生產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,形成抗分解物質并降低分解速率.也有研究發(fā)現(xiàn),增施氮使與木質素降解相關的微生物胞外酶活性減少,從而使高木質素含量的凋落物種類對氮沉降的負響應更強烈.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素積累量和相關微生物群落的巨大差異,可能導致凋落物層和土壤木質素分解酶對氮沉降的響應不同.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)木質素分解酶對氮沉降的響應可能不同.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)活性或對其活性無影響,這說明木質素降解酶對氮沉降的負響應并不是一個普遍現(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的形成.研究結果表明,氮沉降對苦竹林土壤碳、氮、磷相關分解酶(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于低氮環(huán)境,氮沉降導致胞外酶從氮限制向磷限制方向轉變.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,這與宋學貴等和Deforest等的研究結果一致,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差異的主要原因有土壤養(yǎng)分可用性、凋落物木質素含量、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的復雜性,不同生態(tài)系統(tǒng)土壤酶對氮沉降的響應可能不同.有機質在酶催化下分解成簡單礦質化合物的過程稱為有機質分解過程,有機質分解直接受酶活性的調控.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過程的影響.本研究中6種土壤酶在模擬氮沉降下響