川西亞高山森林土壤碳氮循環(huán)的土壤酶活性

川西亞高山森林土壤碳氮循環(huán)的土壤酶活性

森林土壤酶系統(tǒng)是森林土壤中生物活性的產(chǎn)物，與森林土壤的理化性質(zhì)、土壤水熱、土壤代謝、土壤生物區(qū)系、植物和微生物（動物和微生物）的數(shù)量和生物多樣性密切相關(guān)。它的活性受到各種生態(tài)因素的綜合影響。目前，森林土壤酶系統(tǒng)是最活躍的生物活性物質(zhì)，如物質(zhì)循環(huán)和能量流動，在森林生態(tài)系統(tǒng)的重要過程中發(fā)揮著重要作用。例如，研究表明，不同植物群落的土壤酶活性的季節(jié)變化非常不同。因此，對不同植物群落的土壤酶活性季節(jié)變化進(jìn)行比較，分析和比較不同植物群落的生態(tài)功能之間的差異，理解其生態(tài)系統(tǒng)過程，對其他土壤物理和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究是不可或缺的。川西亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)主要分布在長江上游,是長江上游森林的主體和長江流域的重要生態(tài)屏障,對于維持區(qū)域小氣候、涵養(yǎng)水源和水土保持等具有十分重要的意義.岷江冷杉(Abiesfaxoniana)林和白樺(Betulaplatyphylla)林是川西亞高山的主要植被類型,在川西亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)中占有極其重要的地位.目前有關(guān)川西亞高山植被類型調(diào)查、結(jié)構(gòu)和功能、林窗動態(tài)、森林水文效應(yīng)以及森林凋落物動態(tài)等已經(jīng)做了大量研究工作,但迄今為止,有關(guān)川西亞高山森林土壤酶的系統(tǒng)性研究尚未見報(bào)道.因此,本文擬通過對冷杉林和白樺林中與C、N循環(huán)有關(guān)的土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶以及脫氫酶等酶活性的季節(jié)動態(tài)的比較分析,以及土壤酶活性變化與植物群落類型、凋落物動態(tài)、土壤理化性質(zhì)等生態(tài)因子之間關(guān)系的探討,以期為了解川西亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)過程,并深入研究其生態(tài)系統(tǒng)功能提供依據(jù).1材料和方法1.1研究地區(qū)自然概況和群落特征王朗國家級自然保護(hù)區(qū)位于四川省平武縣境內(nèi),λ(E)103°55′~104°15′,φ(N)32°49′~33°02′,halt2300~4980m,處于青藏高原到四川盆地的過渡地帶,丹巴-松潘半濕潤氣候.樣地年平均降水量為805.2mm,降雨主要集中在4月份到10月份,年平均溫度為2.9℃,≥10℃的年積溫為1056.5℃,1月份平均溫度為-6.1℃,7月份平均溫度為12.7℃.保護(hù)區(qū)內(nèi)的主要林型包括暗針葉林,針闊混交林和闊葉林.本項(xiàng)研究選取的冷杉林和白樺林的實(shí)驗(yàn)樣地的自然概況和群落特征見表1.1.2樣品的采集和采樣在群落內(nèi)挖3個(gè)典型的土壤剖面,分A、B、C三層,分別取每個(gè)土壤層次中央的土樣約500g,立即帶回實(shí)驗(yàn)室,去除石塊、根系和土壤動物,自然風(fēng)干后,碾碎過2mm篩,儲存于廣口瓶中,4℃儲藏保存待測.每次取樣均在同一土壤剖面,但在取樣前對剖面進(jìn)行適當(dāng)修飾,去除表面的一些土壤,然后再采樣(冷杉林地內(nèi)的土壤分化不完全,只分化出了A、C層,所以缺少冷杉林B層土壤的土樣).采樣時(shí)間分別為:2002年4月16日,5月30日,7月14日,8月28日和10月9日,每次間隔時(shí)間約45d.1.3實(shí)驗(yàn)方法1.3.1開氏定氮法測定總氮含量的測定土壤有機(jī)質(zhì)含量的測定:重鉻酸鉀法;土壤pH值的測定:電位法;土壤全氮含量的測定:開氏定氮法;土壤全磷含量的測定:碳酸鈉熔融法;土壤全鉀含量的測定:氫氧化鈉熔融法;土壤有效氮含量的測定:堿解擴(kuò)散法;有效磷含量的測定:碳酸氫鈉法;速效鉀含量的測定:乙酸銨提取法.測定結(jié)果見表2.1.3.2活性的測定過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定法,活性單位以1g土樣在1h反應(yīng)后消耗的0.1molL-1KMnO4溶液的毫升數(shù)來表示,1U=1mLg-1h-1.蔗糖酶活性的測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法,活性單位以1g土樣在37℃的條件下,經(jīng)過24h反應(yīng)后水解生成的葡萄糖的毫克數(shù)來表示,1U=1mgg-1(24h)-1.蛋白酶活性的測定采用茚三酮比色法,活性單位以1kg土樣在37℃的條件下,經(jīng)過24h反應(yīng)后水解生成的氨基氮的毫克數(shù)來表示,1U=1mgkg-1(24h)-1.多酚氧化酶活性的測定采用碘量滴定法,活性單位以用于滴定相當(dāng)于1g土樣濾液的0.01molL-1碘液的毫升數(shù)來表示,1U=1mLg-1min-1.脲酶活性的測定采用比色法,活性單位以1g土樣在37℃的條件下,經(jīng)過24h反應(yīng)后水解生成的氨基氮的毫克數(shù)來表示,1U=1mgkg-1(24h)-1.脫氫酶活性的測定采用比色法,活性單位用1g土樣在1h后生成的三苯基四唑氯化物的微克數(shù)來表示,1U=1μgg-1h-1).2結(jié)果與討論2.1不同層系土壤酶的季節(jié)動態(tài)土壤酶活性的剖面分布特征可能反映了土壤受干擾的程度.如圖1所示,川西亞高山冷杉林和白樺林的6種土壤酶活性在不同的采樣時(shí)間均以A層土壤明顯高于B、C層的土壤(P<0.05),白樺林中,B層的土壤酶活性高于C層.這與國內(nèi)外絕大多數(shù)研究者關(guān)于未受擾動生態(tài)系統(tǒng)的土壤酶活性隨著土壤深度增加,土壤酶活性降低的研究結(jié)果一致.這可能反映了本項(xiàng)研究的兩個(gè)群落受人類活動的干擾相對較少的特點(diǎn)(考慮到A層土壤酶活性顯著高于B、C層土壤酶活性,因此本文主要討論A層土壤酶活性的季節(jié)變化).(a)脲酶;(b)蛋白酶;(c)蔗糖酶;(d)過氧化氫酶;(e)多酚氧化酶;(f)脫氫酶.圖中(—)代表冷杉林土壤酶活性季節(jié)動態(tài);(--)代表白樺林土壤酶活性季節(jié)動態(tài).其中(Δ)代表腐殖質(zhì)層土壤的酶活性;(●)代表淀積層土壤的酶活性;(○)代表母質(zhì)層土壤的酶活性(a)urease,(b)protease,(c)invertase,(d)catalase,(e)polyphenoloxidase,and(f)dehydrase.(—)and(--)indicatingtheseasonalvariationsofsoilenzymeactivitiesinthefirandbirchforests,respectively,while(Δ),(●)and(○)aretheenzymeactivitiesinhumus,mineralandparentmateriallayersofsoil,respectively2.2個(gè)林型內(nèi)多酚氧化酶活性的比較由圖1可見,冷杉林和白樺林的土壤酶活性存在著不同程度的差異性,但這取決于土壤酶的類型、取樣時(shí)間和土壤層次.A層的6種土壤酶活性均以白樺林高于冷杉林,但其差異性取決于采樣的時(shí)間和土壤酶類本身.例如,脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性在絕大多數(shù)時(shí)間均以白樺林顯著高于冷杉林(P<0.05);蛋白酶活性除5月份和10月份無顯著差異外,其余均以白樺林顯著高于冷杉林(P<0.05);過氧化氫酶活性在7、8月份無顯著差異,其余均以白樺林顯著高于冷杉林(P<0.05);而多酚氧化酶活性在溫度較低的4月份和10月份,2個(gè)林型之間無顯著差異,其余均以白樺林顯著高于冷杉林(P<0.05);脫氫酶活性除5月份外均表現(xiàn)為白樺林顯著高于冷杉林(P<0.05).這項(xiàng)研究結(jié)果沒有支持“土壤酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān),并隨凋落物量的增加而增加”的結(jié)論.這是由于土壤酶活性是植物群落的結(jié)構(gòu)、物種組成、物種豐富度和多樣性以及土壤生態(tài)條件和微氣候等綜合作用的結(jié)果.盡管冷杉林的凋落物量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤全氮磷鉀含量均明顯高于白樺林(表2),但由于針葉凋落物纖維素含量高,表皮富被蠟質(zhì)層,透水性差,且C/N比較高,分解速率慢,而白樺葉凋落物含有大量的糖、氨基酸和脂肪酸等易被淋溶且及易分解的化合物,C/N比明顯低于針葉,這更有利于土壤微生物的活動和繁衍,因而白樺林表層土壤酶活性高于冷杉林.這表明,土壤酶活性不僅受到土壤理化性質(zhì)、微氣候、凋落物量和凋落動態(tài)的影響,而且受到植物種類及其化學(xué)特征的影響.這與楊萬勤等(1999)所得出的“森林土壤酶活性不僅與演替階段和土壤理化性質(zhì)相關(guān),而且與植物群落的種類和組成有關(guān)”的結(jié)論相似.除了C層的脲酶和過氧化氫酶活性以冷杉林明顯高于白樺林外,C層的其它4種酶活性沒有明顯差異.這主要是由于C層土壤受植被的影響相對于A層要小的多,而且冷杉林的土壤厚度比白樺林薄,因此,C層受到植被的影響較白樺林的C層土壤更大,導(dǎo)致了與A層土壤相反的變化特點(diǎn).這也表明,植被是影響土壤酶活性的最為重要的因素之一.2.3不同類型土壤酶的季節(jié)變化脲酶能酶促有機(jī)質(zhì)分子中的肽鍵水解,其產(chǎn)物是植物最重要的土壤速效氮;土壤微生物是土壤蛋白酶的主要來源,蛋白酶對土壤中氨基酸、蛋白質(zhì)及含氮有機(jī)化合物的水解發(fā)揮重大作用,最終產(chǎn)物——氨基酸是植物生長發(fā)育所需的重要物質(zhì);蔗糖酶是與土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化相關(guān)的重要水解酶類,是一種重要的土壤質(zhì)量指標(biāo).如圖1(a~c)所示,冷杉林A層土壤的脲酶活性以10月份最高、C層的脲酶活性高峰出現(xiàn)在7月份;白樺林A層土壤脲酶活性以4月份最高,然后酶活性依次降低,但B、C層的酶活性沒有明顯的季節(jié)變化規(guī)律.兩種群落中,A、B、C層的蛋白酶活性均以7月份最高.冷杉林A層的蔗糖酶活性以4月份最低,然后酶活性依次升高,10月份達(dá)到最高,而C層的蔗糖酶活性以7月份最高;白樺林A、B、C層的蔗糖酶活性均以7月份最高.可見,這3種水解酶類的季節(jié)變化規(guī)律存在較大差異,這取決于林型和土壤層次.這項(xiàng)研究并沒有完全支持“土壤酶活性高峰主要出現(xiàn)在溫度較高的季節(jié)”的結(jié)論.兩個(gè)林型的土壤蛋白酶活性高峰都出現(xiàn)在溫度較高的7月份,這可能是由于蛋白酶主要來源于土壤微生物的分泌,較高的土壤溫度增強(qiáng)了與土壤蛋白酶有關(guān)的土壤微生物的活動,因而蛋白酶的活性高峰出現(xiàn)在7月份.脲酶和蔗糖酶的反應(yīng)底物是含C、N元素的有機(jī)化合物.冷杉林的脲酶和蔗糖酶的活性高峰出現(xiàn)在10月份,這可能是由于10月份是冷杉林凋落物的凋落高峰,其“起爆劑效應(yīng)”(primingeffect)導(dǎo)致了與土壤脲酶和蔗糖酶分泌有關(guān)的微生物活動,從而使這兩種酶活性顯著升高.而白樺林的脲酶和蔗糖酶的活性卻沒有呈現(xiàn)出這種變化,白樺林蔗糖酶活性的變化規(guī)律則表現(xiàn)為從4月份開始,隨溫度的上升而增強(qiáng),直到7月份最高峰,然后酶活性逐漸減弱,似乎蔗糖酶活性隨著凋落物高峰期的到來反而降低了,這可能就是因?yàn)橹参锶郝涞牟町悓?dǎo)致同一種土壤酶的季節(jié)動態(tài)明顯不同;而白樺林的脲酶活性的季節(jié)變化則與冷杉林完全相反,目前的研究還不能完全解釋它們的變化規(guī)律,尚需作進(jìn)一步研究.2.4土壤酶活性的季節(jié)變化土壤過氧化氫酶能酶促土壤中過氧化氫的分解,有利于防止過氧化氫的毒害作用;多酚氧化酶活性能夠反映土壤腐殖質(zhì)化狀況,它參與土壤有機(jī)組分中芳香族化合物的轉(zhuǎn)化作用,能進(jìn)行去甲基化反應(yīng),對于木質(zhì)素降解具有重要作用;脫氫酶可以作為一種測量土壤呼吸強(qiáng)度的媒質(zhì),其活性能夠象征土壤微組織的生物呼吸強(qiáng)度,可以代表各種微生物區(qū)系的大小和活性.如圖1(d~f)所示,土壤氧化還原酶活性也存在明顯的季節(jié)變化規(guī)律,但酶活性高峰則與林型和土壤酶類本身有關(guān).冷杉林的土壤過氧化氫酶活性高峰都出現(xiàn)在7月份,而白樺林的土壤過氧化氫酶活性高峰出現(xiàn)在4月份,兩種林型的土壤多酚氧化酶活性高峰都出現(xiàn)在10月份,脫氫酶活性高峰都出現(xiàn)在8月份.可見,不同的氧化還原酶類,由于其參與氧化還原作用的途徑和催化底物不同,因而在不同的林型和土壤層次有較大差異.冷杉林和白樺林的土壤過氧化氫酶活性高峰分別出現(xiàn)在7月份和4月份,對于防止過量的過氧化氫對土壤的毒害,維持土壤健康水平具有重要意義.土壤多酚氧化酶活性高峰出現(xiàn)在10月份,對于促進(jìn)凋落物高峰時(shí)產(chǎn)生的大量凋落物中的木質(zhì)素降解和有機(jī)物質(zhì)的腐殖質(zhì)化具有重要作用.脫氫酶的酶活性高峰出現(xiàn)在溫度較高的7、8月份,即土壤微生物活性最強(qiáng)的時(shí)期,這印證了脫氫酶可以作為一種測量土壤呼吸強(qiáng)度的媒質(zhì),其活性能夠象征土壤微組織的生物呼吸強(qiáng)度,可以代表各種微生物區(qū)系的大小和活性的觀點(diǎn).3冷杉林a層土壤酶活性的季節(jié)動態(tài)土壤酶活性在森林土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)中扮演著重要的角色.對冷杉林和白樺林中土壤脲酶、蛋白酶、轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶和脫氫酶活性的研究表明:在兩個(gè)植物群落中6種土壤酶活性均以A層土壤高于B、C層土壤.白樺林A層土壤酶活性普遍高于冷杉林腐殖質(zhì)層的土壤酶活性,而C層的脲酶和過氧化氫酶活性以冷杉林明顯高于白樺林,C層的其它4種酶活性沒有顯著