模拟氮沉降对温带森林土壤酶活性的影响

张 艺,王春梅,许 可,杨欣桐

北京林业大学环境科学与工程学院, 北京 100083

模拟氮沉降对温带森林土壤酶活性的影响

张 艺,王春梅*,许 可,杨欣桐

北京林业大学环境科学与工程学院, 北京 100083

氮添加；酶活性；温带森林土壤；辽东栎

近年,化石燃料的燃烧和氮肥的使用,使大气氮沉降量明显增加[1-2],我国在2010年的陆地氮沉降量平均达21.1 kg N hm-2a-1,已成为亚洲第一大氮沉降区[3-4]。大量氮输入会改变土壤生态系统中微生物的结构与功能,影响有机质的矿化和腐殖质形成,从而影响了生态系统碳氮循环[1]。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与样地设置

氮添加模拟试验设于北京市海淀区西山林场(110°68′34″E,31°54′52″N),属于北京林业大学的实验基地。地属温带半湿润大陆型季风气候,年平均气温11.7 ℃,最低气温-15.4 ℃,最高气温41.5 ℃；年平均降水量为638.8 mm。平均海拔为133 m,属轻壤褐土,辽东栎(Quercusliaotungensis)作为优势树种,树龄为62a,平均胸径为9.6 cm,平均株高为8.3 m。

1.2 模拟氮添加试验方法

本研究共设置3种处理和两个水平。3种不同形态的氮添加处理为铵态氮((NH4)2SO4)、硝态氮(NaNO3)和混合态氮(NH4NO3)；两种不同的施氮水平为低氮(50 kg N hm-2a-1,N50)和高氮(150 kg N hm-2a-1,N150),同时设置空白对照(0 kg N hm-2a-1,N0)。每个样方为10 m × 10 m,样方之间留有1.5 m宽的缓冲带以防样方间相互干扰,每个样方设置3个重复,采用随机区组设计设置氮添加试验。施氮时间为2011至2012年的3—10月。每月中旬开始向样地中喷洒氮肥。将对应剂量的氮素用等量的水溶于喷壶中,向各个样方中均匀喷施,同时向对照样地中喷施同等剂量的清水,以减少外加水分因子对试验造成的影响。

1.3 土壤样品采集、处理与测定

在模拟施氮2年后,采用多点(5—8点)梅花型采样法随机采集各样方表层(0—10 cm)混合土壤样品,连续采样2a。每次采集完土壤样品后,仔细剔除大于2 mm的石块及动植物残体,过2 mm土壤筛。充分混匀后,置于4 ℃冰箱中保存,迅速完成土壤酶活性测定。剩余土壤风干后常规方法测定其土壤理化性质。

6种酶活性的测定方法如下：采用苯酚-次氯酸钠比色的方法测定脲酶；采用标准硫代硫酸钠滴定法测定β-葡萄糖苷酶；采用磷酸苯二钠比色法测定酸性磷酸酶(用pH=5.0的乙酸盐缓冲液)、碱性磷酸酶(用pH=7.0的乙酸盐缓冲液)；采用碘量滴定法测定多酚氧化酶；采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶[6,23]。

1.4 数据分析

主要采用Origin 9.1和SPSS 19.0进行实验数据的统计和分析。对不同施氮形态和施氮水平的交互作用进行两因素重复测量方差分析(repeated measures ANOVA),没有交互作用的各施氮处理酶活性进行单因素方差分析,显著水平为P<0.05,用LSD多重检验法检验不同处理间的差异显著性。酶活性与环境因子之间采用Pearson相关分析。

2 实验结果分析

2.1 氮添加对土壤理化性质的影响

表1 不同氮处理下土壤基本理化性质

同一列中不同字母表示处理间差异显著(P<0.05),N0：0 kg N hm-2a-1；N50：50 kg N hm-2a-1；N150：150 kg N hm-2a-1

2.2 氮添加对土壤酶活性的影响

2.2.1 不同氮素水平和形态的交互作用对土壤酶活性的影响

表 2 不同形态和水平氮添加下土壤酶活性的重复测量方差分析

n=9；a：不同施氮水平；b：不同施氮形态；**P<0.01,表示差异极显著；*P<0.05,表示差异显著；P>0.05表示差异不显著

图1 不同氮添加下土壤脲酶活性动态变化Fig.1 Effects of different N forms and N levels on soil urease activities

图2 不同氮添加下土壤酸性磷酸酶活性动态变化Fig.2 Effects of different N forms and N levels on soil acid phosphatase activities

图3 不同氮添加下土壤碱性磷酸酶活性动态变化Fig.3 Effects of different N forms and N levels on soil alkaline phosphatase activities

图4 不同氮添加下土壤多酚氧化酶活性动态变化Fig.4 Effects of different N forms and N levels on soil polyphenol oxidase activities

2.2.2 不同水平氮添加对土壤酶活性的影响

将同一施氮水平的不同形态处理取平均值作为不同施氮水平的观测值。通过单因素分析,不同的施氮水平,显著促进了碱性磷酸酶和多酚氧化酶活性(P<0.05)(表2),且低氮处理的促进作用显著高于高氮处理(P<0.05)。碱性磷酸酶活性在低氮和高氮处理中分别比对照高20.2%和11.5%(图3)；低氮和高氮处理下的多酚氧化酶活性分别高出对照64.3%和41.8%(图4,P<0.05)。不同施氮水平对土壤β-葡萄糖苷酶和过氧化氢酶活性没有产生显著影响(P>0.05)。

2.2.3 不同形态氮添加对土壤酶活性的影响

2.2.4 氮添加对森林土壤酶活性时间分异规律的影响

图5 不同氮添加下土壤β-葡萄糖苷酶活性动态变化Fig.5 Effect of different N forms and N levels on soil β-glycosidase activities

图6 不同氮添加下土壤过氧化氢酶活性动态变化Fig.6 Effect of different N forms and N levels on soil catalase activities

2.2.5 氮添加下森林土壤酶活性与环境因子的相关性

对氮添加下的森林土壤酶活性与环境因子进行相关分析得出(表3),脲酶、酸性磷酸酶、碱性磷酸酶均与土壤微生物量碳有显著正相关(P<0.05),且与脲酶活性的相关系数最大(r=0.402)。过氧化氢酶与多酚氧化酶活性与微生物量碳存在显著负相关(r=-0.336和r=-0.138,P<0.05)。多酚氧化酶与过氧化氢酶活性与硝态氮的相关性均达到了显著水平(P<0.05)。此外,碱性磷酸酶活性与土壤铵态氮也表现出了显著的正相关(P<0.05)。然而土壤酶活性与微生物量氮、全氮和有机碳含量之间不存在显著相关性。

3 讨论

表3 不同土壤酶活性与土壤环境因子的相关关系

**：表示P<0.01,极显著相关；*：表示P<0.05,显著相关

多酚氧化酶为土壤中主要的木质素降解酶,与土壤腐殖化程度密切相关。此前对多种生态系统的研究均表明,施氮能够降低土壤多酚氧化酶活性[10,17,28],尤其在高氮处理下的抑制作用更为明显,而Zeglin等[36]的研究却得出氮沉降对氧化酶活性无影响。本实验与他们研究的结果均有不同,施氮明显促进了土壤多酚氧化酶活性,此结果也否定了氮沉降抑制土壤氧化酶的表达的假设。不过,也不乏与本研究结果一致的相关研究[21- 22,37]。究其原因,氮沉降对多酚氧化酶活性产生负影响的结论多数由研究白腐真菌得出,氮沉降增加可能会抑制白腐真菌的活性,减少这两种氧化酶的产量,但是多酚氧化酶活性不仅仅与白腐真菌相关,其他生物如一些软腐真菌在氮沉降增加时,可能也会提高土壤的多酚氧化酶活性[38]。

β-葡萄糖苷酶作为纤维素水解酶,参与纤维素的代谢以及多种生化过程,该酶活性的变化会影响以葡萄糖为底物的一系列微生物活动。该研究并未得出β-葡萄糖苷酶活性对施氮水平有显著影响的结论,相关研究[10,39]也表明施氮剂量的增加并没有明显促进土壤β-葡萄糖苷酶的活性。但是有研究却发现随氮素的增加,森林土壤纤维素酶或β-葡萄糖苷酶酶活性的促进作用明显[7,31,40],这可能与植株对碳的吸收和利用能力不同[35],或者取样频率、氮处理时间长短以及不同季节环境因子的变化等有关。

过氧化氢酶活性可反映土壤腐殖质化、有机质化的强度和速度。该研究表明,氮添加对土壤过氧化氢酶活性没有显著影响,这与Frey等[11]和杜锟等[35]的研究相似。但多数学者[22,38,41]发现氮沉降可提高土壤过氧化氢酶活性,而氮沉降对川南常绿阔叶林土壤过氧化氢酶活性却有抑制作用[9]。氮添加对土壤过氧化氢酶活性产生不同影响的原因也许是土壤类型、植被种类不同导致,也可能是土壤有机碳浓度对施氮不敏感所致,或者该森林土壤中的微生物群落结构与其他研究区域有差异使得土壤氧化酶活性对施氮的响应不同。从时间格局上看,不同氮添加下的过氧化氢酶活性峰值出现在冬季,此结论与涂丽华等[24]的研究类似。由于冬季积雪使土壤透气性减弱,易于生成化合物过氧化氢,限制了微生物的生长与繁殖,土壤通过增加过氧化氢酶活性来缓解过氧化氢对土壤的毒害,厌氧环境使得微生物发生反硝化,增加了土壤中铵态氮含量,此解释正好说明了过氧化氢酶活性与微生物量碳含量呈显著负相关、与铵态氮呈显著正相关的现象。

4 结论

(2)氮添加没有改变森林土壤酶活性的时间分异规律。土壤脲酶、酸性磷酸酶、碱性磷酸酶和多酚氧化酶活性均呈夏季高,冬季低,春秋居中的规律,β-葡萄糖苷酶活性却呈现冬季高于夏季的变化动态,过氧化氢酶活性则在秋季处于低谷。

(3)氮添加通过改变土壤环境因子,影响了森林土壤酶活性。脲酶、酸性磷酸酶、碱性磷酸酶均与土壤微生物量碳有显著正相关,过氧化氢酶与多酚氧化酶活性与微生物量碳含量存在显著负相关。多酚氧化酶与过氧化氢酶活性与硝态氮含量呈现显著正相关。碱性磷酸酶活性与土壤铵态氮有显著正相关。pH、全氮、有机碳和微生物量氮与6种酶活性均无显著相关性。

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Effect of simulated nitrogen deposition on soil enzyme activities in a temperate forest

ZHANG Yi, WANG Chunmei*, XU Ke, YANG Xintong

CollegeofEnvironmentalScience&Engineering,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China

nitrogen deposition; soil enzymes activities; temperate forest soil;Quercusliaotungensis

中央高校基本科研业务费专项资金(2016JX02)；国家自然科学基金(41373069)

2015- 10- 23;

日期:2016- 08- 02

10.5846/stxb201510232140

*通讯作者Corresponding author.E-mail: sdwcm@126.com

张艺,王春梅,许可,杨欣桐.模拟氮沉降对温带森林土壤酶活性的影响.生态学报,2017,37(6):1956- 1965.

Zhang Y, Wang C M, Xu K, Yang X T. Effect of simulated nitrogen deposition on soil enzyme activities in a temperate forest.Acta Ecologica Sinica,2017,37(6):1956- 1965.