模擬氮沉降增加條件下土壤團(tuán)聚體對(duì)酶活性的影響

鐘曉蘭, 李江濤, 李小嘉, 葉永昌, 劉頌頌, 徐國(guó)良, 倪 杰

1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 廣州 510642 2 廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 廣州 510006 3 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210008 4 東莞林業(yè)科學(xué)研究所, 東莞 523106

模擬氮沉降增加條件下土壤團(tuán)聚體對(duì)酶活性的影響

鐘曉蘭1, 李江濤2, 3,*, 李小嘉2, 葉永昌4, 劉頌頌4, 徐國(guó)良2, 倪 杰2

1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 廣州 510642 2 廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 廣州 510006 3 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210008 4 東莞林業(yè)科學(xué)研究所, 東莞 523106

氮沉降增加改變了森林土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)輸入，影響土壤生物及酶活性，而土壤團(tuán)聚體內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的微域生境可能減弱或延緩?fù)寥郎锖兔笇?duì)氮沉降增加的響應(yīng)強(qiáng)度。以廣東省東莞大嶺山森林公園荷木人工林為研究對(duì)象，用模擬N沉降方法，分析了2011年12月到2012年11月一年內(nèi)氮沉降增加條件下表層混合土壤和土壤團(tuán)聚體內(nèi)脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的變化及影響因素，旨在理解氮沉降增加條件下土壤團(tuán)聚體對(duì)酶活性的影響。結(jié)果表明：氮沉降增加對(duì)表層混合土壤中脲酶和蔗糖酶的抑制作用不顯著，而酸性磷酸酶受氮沉降顯著影響，表現(xiàn)為低氮(50 kg N hm-2a-1)促進(jìn)，高氮(300 kg N hm-2a-1)抑制的規(guī)律。表層土壤團(tuán)聚體內(nèi)脲酶活性隨氮沉降增加而降低，N300處理顯著低于對(duì)照；蔗糖酶和酸性磷酸酶活性隨氮沉降增加先降低后增加，N100處理最低，分別比其他處理降低了6.46%—25.53%和42.33%—68.25%。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)各粒徑土壤團(tuán)聚體內(nèi)酶活性高于混合土壤，且隨團(tuán)聚體粒徑增加酶活性均為先增加后降低。不同粒徑土壤團(tuán)聚體的3種酶活性均以2—5 mm最高，但脲酶、酸性磷酸酶在各團(tuán)聚體粒徑間差異不顯著，蔗糖酶活性2—5 mm顯著高于5—8 mm。土壤酶相對(duì)活性指數(shù)和相對(duì)活性綜合指數(shù)結(jié)果顯示，超過(guò)85%的團(tuán)聚體粒徑內(nèi)的相對(duì)酶活性指數(shù)大于1，而土壤酶相對(duì)活性綜合指數(shù)均大于1。以上結(jié)果表明，氮沉降增加條件下土壤團(tuán)聚體對(duì)其團(tuán)聚體內(nèi)的土壤酶活性有隔離保護(hù)作用，但其隔離保護(hù)效果與酶的種類(lèi)和土壤團(tuán)聚體粒徑有關(guān)。

氮沉降; 土壤團(tuán)聚體;酶活性; 相對(duì)活性指數(shù); 林地土壤

隨著石化燃料燃燒、肥料制造和使用、畜牧業(yè)發(fā)展等人類(lèi)活動(dòng)向大氣中排放含氮化合物的迅速增加，大氣氮沉降量成比例增加[1]。1860年全球氮沉降量?jī)H15 Tg N/a，1990年、1995年和2005年則分別達(dá)103，156和187 Tg N/a[2]。目前，我國(guó)已成為世界上最大的氮生產(chǎn)國(guó)和排放國(guó)，劉學(xué)軍等[3]報(bào)道，1980—2010年我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)氮沉降量顯著升高，2010年平均達(dá)21.1 kg N hm-2a-1，較1980年增加60%，其中工業(yè)化和農(nóng)業(yè)集約化程度高的華北、東南和西南地區(qū)已經(jīng)高于北美所有地區(qū)的氮沉降量，并與西歐氮沉降高峰時(shí)數(shù)量相當(dāng)。與此同時(shí)，我國(guó)出現(xiàn)了區(qū)域性大氣活性氮污染、氮沉降及陸地生態(tài)系統(tǒng)“氮富集”加劇的現(xiàn)象[4]。

土壤酶直接參與土壤生態(tài)系統(tǒng)C、N、P等許多重要生態(tài)過(guò)程，是土壤最活躍的部分。土壤酶對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生境變化非常敏感，具有環(huán)境統(tǒng)一性，其活性強(qiáng)弱可反映土壤中各種生物化學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度和方向。氮沉降對(duì)土壤酶活性影響的研究國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了較多的報(bào)道[13- 16]，但他們均以某一土層碾壓破碎、均勻混合的土壤樣品(簡(jiǎn)稱(chēng)混合土壤，Homogenized soil)[17]為研究對(duì)象，沒(méi)有考慮土壤生態(tài)系統(tǒng)中微域生境對(duì)酶活性的影響。實(shí)際上，土壤是由許多不同粒徑團(tuán)聚體組成的連續(xù)統(tǒng)一體。研究表明，土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤生物群落組成、功能和結(jié)構(gòu)，物質(zhì)循環(huán)和轉(zhuǎn)化過(guò)程等方面有顯著影響[18]。但由于不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的形成環(huán)境和膠結(jié)類(lèi)型不同，導(dǎo)致其穩(wěn)定性及內(nèi)部物質(zhì)組成等出現(xiàn)差異[19]，進(jìn)而導(dǎo)致土壤酶活性的差異。然而，目前相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，提出以下假設(shè)：氮沉降增加影響森林土壤生態(tài)系統(tǒng)中酶活性，但土壤團(tuán)聚體內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的微域生境對(duì)其內(nèi)部生物和生化過(guò)程具有隔離和保護(hù)作用，最終導(dǎo)致氮沉降增加條件下土壤團(tuán)聚體內(nèi)和混合土壤中酶活性出現(xiàn)差異。

本文以廣東省東莞大嶺山森林公園荷木人工林為研究對(duì)象，通過(guò)模擬氮沉降試驗(yàn)研究混合土壤和土壤團(tuán)聚體內(nèi)酶活性的變化及其影響因素。研究結(jié)果將為理解氮沉降增加條件下土壤生態(tài)系統(tǒng)生化過(guò)程與生物生境相互作用提供依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

模擬氮沉降試驗(yàn)設(shè)于廣東省東莞市大嶺山森林公園(E113°42′22″—113°48′12″，N 22°50′00″—22°53′32″)。該地屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，全年暖熱，年平均氣溫21.7 ℃，降雨量1790 mm，夏長(zhǎng)冬短，無(wú)霜期達(dá)350 d，水熱條件好。地貌類(lèi)型為丘陵，海拔高度150—450 m。試驗(yàn)小區(qū)位于森林公園東莞市林業(yè)科學(xué)園內(nèi)的荷木林(Schimasuperba)。荷木林種植于1980年，面積約3 hm2，本試驗(yàn)區(qū)面積0.15 hm2。2011年12月初調(diào)查實(shí)驗(yàn)前林地林分特征和立地條件(表1)，林地土壤為赤紅壤，成土母巖為花崗巖。荷木林林下植被稀疏，以蕨(Pteridiumaquilinumvar.latiusculum)、九節(jié)(Psychotriarubra)、假鷹爪(Desmoschinensis)、三叉苦(Evodialepta)等為主。由于城市化、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)集約化發(fā)展迅速，該地氮沉降量較高。據(jù)環(huán)保部華南環(huán)境科學(xué)研究所報(bào)道，2012年珠江三角洲地區(qū)氮沉降量平均為50.66 kg N hm-2a-1，其中廣州、惠州等經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展城市群地區(qū)的氮沉降量超過(guò)96 kg N hm-2a-1[20]。

表1 試驗(yàn)前林地林分特征和土壤基本性質(zhì)Table 1 Vegetation characteristics and soil properties before treatment

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤; DBH: diameter at breast height; SOC: soil organic carbon

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照氮飽和項(xiàng)目、北美哈佛林和我國(guó)鼎湖山自然保護(hù)區(qū)等研究氮沉降處理的強(qiáng)度和頻度[6, 21- 22]，結(jié)合目前我國(guó)東南沿海地區(qū)[15]及華南地區(qū)[6]等年氮沉降量水平及該地區(qū)未來(lái)可能的氮沉降趨勢(shì)，本試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理。分別為對(duì)照(N0)，低氮沉降量(N50)，中氮沉降量(N100)，中高氮沉降量(N200)和高氮沉降量(N300)處理。年施氮量分別0、50、100、200、300 kg N/hm2，施用的N材料為分析純尿素。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，樣方面積為10 m×10 m，樣方間隔為10 m，以保證相互間受影響很小。自2011年12月開(kāi)始，每月月初天氣較好時(shí)采用噴霧器對(duì)林下土壤直接噴施來(lái)模擬氮沉降，噴施氮溶液量為16升。對(duì)照樣方噴灑等量的水分，以減少因外加水量帶來(lái)的影響。

1.3 樣品采集

1.3.1 混合土壤

2012年12月(噴施1a)，采用多點(diǎn)(8—10點(diǎn))S型采樣法采集各樣方表層(0—5 cm)混合土壤樣品，仔細(xì)剔除大于2 mm的石塊、根系、蚯蚓等動(dòng)植物殘?bào)w，碾壓使其全部過(guò)2 mm土壤篩。充分混勻后，選取200 g土壤鮮樣置于4 ℃冰箱中保存，1星期內(nèi)完成土壤酶活性測(cè)定。其余土壤樣品自然風(fēng)干，測(cè)定其土壤理化性質(zhì)。

1.3.2 土壤團(tuán)聚體

2012年12月，采用S型多點(diǎn)采樣法采集各樣方表層(0—5 cm)原狀土壤，立即帶回實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)土壤含水量達(dá)到塑限(含水量22%—25% 左右)，沿著土壤自然脆弱帶輕輕掰開(kāi)，形成不同粒徑土壤團(tuán)聚體，并使其全部通過(guò)8 mm土壤篩，采用干篩法[23]分離出粒徑分別為5—8 mm、2—5 mm、1—2 mm和0.25—1 mm的土壤團(tuán)聚體。仔細(xì)剔除混在土壤團(tuán)聚體中的石塊和動(dòng)植物殘?bào)w后，分別選取200 g不同粒徑土壤團(tuán)聚體樣品置于4℃冰箱中保存，1星期內(nèi)完成土壤酶活性測(cè)定。其余土壤樣品自然風(fēng)干，測(cè)定其土壤理化性質(zhì)。

1.4 分析測(cè)定

林地林分特征：各樣方單元內(nèi)進(jìn)行每木調(diào)查，測(cè)定樣方的荷木株數(shù)及樹(shù)高，胸徑測(cè)量上坡根際1.3 m處的荷木直徑。

土壤酶活性：脲酶-苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，以24 h后1 g土壤生成銨態(tài)氮的毫克數(shù)表示；蔗糖酶-3, 5-二硝基水楊酸比色法，以 24 h后1 g土壤生成葡萄糖的毫克數(shù)表示；酸性磷酸酶-磷酸苯二鈉比色法，以24 h后1 g土壤生成酚的毫克數(shù)表示[24]。

土壤理化性質(zhì)[25]： pH值采用電位法；電導(dǎo)率(EC)采用電導(dǎo)率儀測(cè)定；質(zhì)地采用馬爾文激光粒度儀測(cè)定；總有機(jī)碳(SOC)采用 K2Cr2O7-H2SO4氧化外加熱法；全氮(TN)采用半微量凱氏定氮法；銨態(tài)氮采用KCl浸提，靛酚蘭比色法；可溶性有機(jī)碳(DOC)采用Ghani等[26]提取，微量定碳法；微生物生物量采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法提取，微生物生物量碳(SMBC)微量定碳法，微生物生物量氮(SMBN)凱氏定氮法。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

土壤團(tuán)聚體對(duì)酶活性的保護(hù)效果采用土壤酶相對(duì)活性指數(shù)(REAI)和土壤酶相對(duì)活性綜合指數(shù)(REACI)表示：

REAI =EAsa/EAbs

(1)

REACI = (REAIUre+ REAIInv+REAIApp) /3

(2)

式中，REAI表示土壤酶相對(duì)活性指數(shù)，EAsa表示不同粒徑土壤團(tuán)聚體酶活性，EAbs表示混合土壤酶活性，REACI表示土壤酶相對(duì)活性綜合指數(shù)，Ure, Inv和App分別表示脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶。

采用SPSS 19.0軟件統(tǒng)計(jì)分析?；旌贤寥篮屯寥缊F(tuán)聚體內(nèi)不同處理間土壤酶活性差異顯著性采用LSD法檢驗(yàn)；氮沉降對(duì)土壤團(tuán)聚體粒徑分布的差異顯著性采用單因素方差分析，LSD法檢驗(yàn)；氮沉降量與團(tuán)聚體對(duì)土壤酶活性的交互作用采用雙因素方差分析，LSD法檢驗(yàn)；酶與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系采用Pearson相關(guān)分析法。圖形采用Origin 8.5 軟件繪制。

2 結(jié)果

2.1 模擬氮沉降對(duì)表層混合土壤中酶活性的影響

圖1可知，除N200處理外，表層(0—5 cm)混合土壤中脲酶活性均低于對(duì)照，以N300處理最低，降幅達(dá)24.45%，但各處理間差異不顯著(P>0.05)。氮沉降處理蔗糖酶活性均低于對(duì)照，N100和N300處理分別比對(duì)照低16.66%和11.78%，但各處理間差異也不顯著(P>0.05)。與脲酶和蔗糖酶比較，酸性磷酸酶對(duì)氮沉降增加的響應(yīng)更敏感(圖1)。除N300處理外，其他氮沉降處理酸性磷酸酶活性均高于對(duì)照，以N50處理最高，增幅達(dá)43.89%；氮沉降處理的酸性磷酸酶活性隨氮沉降量增加而降低，其中N50處理顯著高于N300處理(P<0.05)，約為N300處理的1.70倍。

圖1 模擬氮沉降對(duì)林地表層(0—5 cm)混合土壤中脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的影響Fig.1 Soil urease, invertase and acid phosphatase activities in surface homogenized soil (0—5 cm)with N deposition

2.2 氮沉降對(duì)表層土壤團(tuán)聚體中酶活性的影響

2.2.1 氮沉降對(duì)表層土壤團(tuán)聚體分布的影響

表2可知，各處理均以5—8 mm的土壤團(tuán)聚體含量最高，達(dá)27.05%—41.61%，分別是2—5 mm，1—2 mm，0.25—1 mm和<0.25 mm粒徑的1.56—2.53倍，1.46—2.36倍，1.01—2.22倍和3.55—7.46倍。各處理<0.25 mm團(tuán)聚體含量最少(<8%)，顯著低于5—8 mm團(tuán)聚體(P<0.05)。對(duì)于同一粒級(jí)的團(tuán)聚體而言，氮沉降并不顯著影響團(tuán)聚體各粒徑的分布。

表2 氮沉降對(duì)表層(0—5 cm)土壤團(tuán)聚體顆粒分布的影響Table 2 Soil aggregate size distribution in N deposition treatments

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，不同小寫(xiě)字母表示P< 0.05水平下同一團(tuán)聚體粒徑下氮沉降量對(duì)團(tuán)聚體分布的差異顯著性，不同大寫(xiě)字母表示P< 0.05水平下同一氮沉降量團(tuán)聚體分布的差異顯著性

2.2.2 土壤團(tuán)聚體中酶活性

同一粒徑土壤團(tuán)聚體中，團(tuán)聚體內(nèi)脲酶活性除1—2 mm粒徑中N50處理外，其余粒徑均表現(xiàn)為氮沉降處理低于對(duì)照，降幅達(dá)14.28%—21.93%，以N300處理最低(圖2)，但各處理間差異未達(dá)顯著水平。土壤團(tuán)聚體內(nèi)蔗糖酶活性各粒徑均表現(xiàn)為N300處理與對(duì)照相當(dāng)，其他氮沉降量處理低于對(duì)照，以N100處理最低(圖2)，降幅達(dá)18.40%—31.65%，但各處理也差異不顯著。土壤團(tuán)聚體內(nèi)酸性磷酸酶活性在0.25—1 mm粒徑中以N50處理最高(圖2)，顯著高于對(duì)照和N300處理(P<0.05)，其余氮沉降量處理與對(duì)照差異不顯著。1—2 mm、2—5 mm和5—8 mm粒徑中酸性磷酸酶活性氮沉降量處理與對(duì)照無(wú)明顯差異，但均以N100處理為最低，分別僅為對(duì)照和N300處理的0.48—0.66倍和0.38—0.61倍(圖2)，且顯著低于N300處理(P<0.05)。

同一氮沉降量下，土壤團(tuán)聚體內(nèi)脲酶活性除N100處理外，其余氮沉降處理均以2—5 mm最高，較其他粒徑高1%—17.83%，但各粒徑間差異不顯著。各氮沉降處理的蔗糖酶活性均以2—5 mm時(shí)最大，5—8 mm時(shí)最小，兩者間變幅達(dá)8.97%—43.99%，但各粒徑間差異也不顯著。酸性磷酸酶活性N100和N200處理在團(tuán)聚體各粒徑間差異顯著， 其中N100處理 2—5 mm時(shí)活性最小，低于其他粒徑17.69%—55.92%，與0.25—1 mm的酶活性差異顯著；而N200處理則表現(xiàn)為2—5 mm顯著高于其他3個(gè)粒徑，增幅達(dá)21.79%—31.15%(圖2)。

圖2 模擬氮沉降對(duì)表層(0—5 cm)土壤團(tuán)聚體內(nèi)脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的影響Fig.2 Soil urease, invertase and acid phosphatase activities in aggregated soil with N deposition

表3可知，氮沉降量和團(tuán)聚體粒徑對(duì)土壤脲酶和蔗糖酶活性影響均不顯著，但酸性磷酸酶受氮沉降量顯著影響(P<0.05)，而受團(tuán)聚體粒徑影響較小。由于氮沉降量和土壤團(tuán)聚體粒徑對(duì)3種酶的交互影響很小(P>0.5)(表3)，因此，本研究將分別分析氮沉降量和土壤團(tuán)聚體對(duì)酶活性的影響，而不考慮兩者間的交互作用。

2.2.3 氮沉降量對(duì)土壤酶活性的影響

由于氮沉降量與土壤團(tuán)聚體粒徑間交互作用較小(表3)，為更好比較不同氮沉降量間土壤酶活性的差異，本研究將相同氮沉降量所有團(tuán)聚體粒徑酶活性的平均值作為觀測(cè)值，而不考慮土壤團(tuán)聚體粒徑的影響。圖3可知，土壤團(tuán)聚體內(nèi)脲酶活性表現(xiàn)為隨氮沉降量增加而減小，N300處理最低，顯著低于N0和N50處理(P<0.05)，降幅分別達(dá)18.72%和19.52%。與對(duì)照相比，各氮沉降處理的蔗糖酶活性均有下降，以N100處理最低，降幅達(dá)20.34%，顯著低于對(duì)照和N300處理(P<0.05)。酸性磷酸酶活性表現(xiàn)隨氮沉降量增加而先降低后增加，其中，N100處理顯著低于其他處理(P<0.05)。

表3 氮沉降量、團(tuán)聚體粒徑對(duì)土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的雙因素方差分析Table 3 Effect of N deposition amount, soil aggregate size and its interaction on soil enzyme activities

氮沉降量樣本數(shù)n= 12, 土壤團(tuán)聚體樣本數(shù)n= 15; *表示P< 0.05水平下的顯著性

圖3 氮沉降量對(duì)表層土壤(0—5 cm)團(tuán)聚體內(nèi)脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的影響Fig.3 Effect of N deposition on soil urease, invertase and acid phosphatase activities in surface aggregated soil

2.2.4 土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤酶活性的影響

將所有氮沉降處理相同粒徑土壤團(tuán)聚體酶活性的平均值作為觀測(cè)值，比較不同粒徑土壤團(tuán)聚體內(nèi)酶活性的差異。圖4可知，土壤脲酶、酸性磷酸酶活性均以2—5 mm團(tuán)聚體粒徑最高，5—8 mm次之，0.25—1 mm和1—2 mm最小，但各粒徑間差異未達(dá)顯著水平，2種酶各粒徑間變異系數(shù)僅為4.14%和5.74%。蔗糖酶活性以2—5 mm粒徑最高，高出其它粒徑4.10%—21.34%，其中，與5—8 mm 粒徑的酶活性差異顯著(P<0.05)。

圖4 土壤團(tuán)聚體對(duì)表層土壤(0—5 cm)脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的影響Fig.4 Effect of soil aggregates on soil urease, invertase and acid phosphatase activities

圖5 氮沉降條件下土壤酶相對(duì)活性指數(shù)變化Fig.5 Changes of relative enzyme activity index in soil aggregates with N deposition

不同粒徑土壤團(tuán)聚體內(nèi)脲酶活性均顯著高于混合土壤(P<0.05)，增幅達(dá)20.64%—31.20%(圖4)。除5—8 mm外，各粒徑團(tuán)聚體內(nèi)蔗糖酶活性均高于混合土壤，但差異不顯著(圖4)。土壤團(tuán)聚體內(nèi)酸性磷酸酶活性均高于混合土壤，其中2—5 mm和5—8 mm團(tuán)聚體內(nèi)土壤酶活性與混合土壤差異顯著(P<0.05)，分別比混合土壤提高32.87%和21.30%(圖4)。

2.3 土壤酶的相對(duì)活性指數(shù)

相對(duì)活性指數(shù)(REAI)將混合土壤酶活性和團(tuán)聚體酶活性統(tǒng)一考慮，可更客觀準(zhǔn)確地反映土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)酶活性的保護(hù)效果。當(dāng)REAI>1表明土壤團(tuán)聚體對(duì)酶活性有保護(hù)作用，其值越大保護(hù)作用越強(qiáng)。圖5可知，脲酶REAI在1.10—1.40之間，變異系數(shù)以0.25—1 mm最大(9.19%)，且隨團(tuán)聚體粒徑增加而降低。蔗糖酶REAI在0.84—1.30之間。氮沉降處理以N300處理REAI最高，不同粒徑團(tuán)聚體間以2—5 mm蔗糖酶REAI最高，5—8 mm最低。酸性磷酸酶REAI在不同粒徑團(tuán)聚體內(nèi)差異較大，1—2 mm，2—5 mm和5—8 mm的變異系數(shù)分別為32.65%，47.61%和39.45%，約為0.25—1 mm的5.18—7.56倍。不同氮沉降量下土壤團(tuán)聚體酸性磷酸酶REAI先降低后增加，其中N300處理REAI最高，N100處理最小(圖5)。

相對(duì)活性綜合指數(shù)(REACI)表征了不同粒徑團(tuán)聚體對(duì)3種酶活性保護(hù)的整體效果。圖5可知，各粒徑團(tuán)聚體內(nèi)土壤酶REACI均大于1，以N300處理最大，其次是N0處理，N100處理最小。各粒徑團(tuán)聚體的REACI差異較大，變異系數(shù)表現(xiàn)為2—5 mm(21.11%)> 5—8 mm(19.54%)> 1—2 mm(12.49%)> 0.25—1 mm(7.16%)。

綜合3種酶的REAI及REACI，超過(guò)85%樣品的土壤酶REAI大于1，所有粒徑團(tuán)聚體中土壤酶REACI均大于1，表明土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)土壤酶有一定隔離保護(hù)作用。

2.4 土壤酶活性影響因素分析

混合土壤的脲酶、蔗糖酶及酸性磷酸酶均與土壤SOC、DOC和SMBC呈顯著或極顯著正相關(guān)，其中蔗糖酶的相關(guān)系數(shù)均達(dá)極顯著水平(r>0.7,P<0.01)，且大于脲酶與酸性磷酸酶(表4)。土壤pH值與3種酶均呈負(fù)相關(guān)，其中，脲酶和蔗糖酶達(dá)顯著水平(P<0.05)。銨態(tài)氮與蔗糖酶和酸性磷酸酶負(fù)相關(guān)不明顯，但與脲酶呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

表4 表層混合土壤和團(tuán)聚體內(nèi)酶活性與土壤性質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系Table 4 Coefficients between soil enzyme activities and soil properties in homogenized soil and aggregated soil

*, ** 分別表示P< 0.05和P< 0.01水平下的顯著性; EC: electrical conductivity; SOC: soil organic carbon; DOC: dissolved organic carbon; SMBC: soil microbial biomass carbon; SMBN: soil microbial biomass nitrogen

各粒徑土壤團(tuán)聚體內(nèi)酶活性與SOC、DOC和SMBC等形態(tài)碳均呈正相關(guān)，但相關(guān)性小于混合土壤。團(tuán)聚體內(nèi)蔗糖酶活性與SOC正相關(guān)顯著，而脲酶只有1—2 mm粒徑，酸性磷酸酶只有1—2 mm和5—8 mm與SOC顯著相關(guān)。DOC與團(tuán)聚體內(nèi)酶活性正相關(guān)不顯著。SMBC與0.25—1 mm 和1—2 mm脲酶、0.25—1 mm蔗糖酶及1—2 mm酸性磷酸酶顯著正相關(guān)。土壤團(tuán)聚體內(nèi)酶活性與pH值、銨態(tài)氮、粘粒和粉粒負(fù)相關(guān)，與SMBN、電導(dǎo)率、砂粒正相關(guān)，但均未達(dá)顯著水平。

3 討論

3.1 氮沉降對(duì)土壤酶活性的影響

土壤蔗糖酶直接參與有機(jī)質(zhì)的代謝過(guò)程，能為土壤生物體提供充分能源，是參與土壤碳循環(huán)過(guò)程的一種重要酶。表層混合土壤中蔗糖酶活性與SOC、MBC、DOC等有機(jī)碳庫(kù)呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)(表4)，進(jìn)一步證實(shí)了蔗糖酶在土壤有機(jī)碳累積與分解轉(zhuǎn)化方面重要作用。但本研究結(jié)果顯示氮沉降增加對(duì)表層混合土壤中蔗糖酶活性沒(méi)有顯著影響，這主要與短期內(nèi)氮沉降未能對(duì)表層土壤有機(jī)碳庫(kù)含量產(chǎn)生顯著影響[31]有密切關(guān)系。

土壤磷酸酶參與了土壤有機(jī)磷的活化，其活性高低直接影響著土壤中有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性。Keeler等[7]研究表明，氮沉降能夠促進(jìn)土壤磷酸酶的活性。然而本研究中，低氮沉降量(50 kg N hm-2a-1)對(duì)表層混合土壤中酸性磷酸酶有促進(jìn)作用，而高氮(300 kg N hm-2a-1)卻有抑制作用，且低氮處理顯著高于高氮處理(圖1)，周曉兵等[32]也有相似地結(jié)果。高氮沉降量環(huán)境條件下，高氮鹽毒害導(dǎo)致專(zhuān)性土壤微生物群落活性降低或功能改變、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)改變等可能是土壤酸性磷酸活性下降的主要原因[33]。本研究中表層混合土壤中N200和N300處理的微生物C/N比分別比其他處理降低7.67%—56.46%和50.75%—119.06%，說(shuō)明高氮沉降確實(shí)改變了土壤微生物群落組成。

土壤團(tuán)聚體內(nèi)脲酶活性隨氮沉降量增加而降低(圖3)，其中N300處理顯著低于對(duì)照和N50處理，說(shuō)明短期高氮沉降量能抑制土壤團(tuán)聚體內(nèi)脲酶活性。這主要與本試驗(yàn)研究對(duì)象為> 0.25 mm的土壤大團(tuán)聚體有關(guān)。因?yàn)橥寥牢F(tuán)聚體(粒徑< 0.25 mm)和粘粉粒物質(zhì)(粒徑< 0.05 mm)比土壤大團(tuán)聚體具有更大的比表面積和更低的疏水性[34]，能夠優(yōu)先吸附外源活性氮。因此，低氮沉降量時(shí)土壤大團(tuán)聚體中吸附的外源氮較少，只有高氮沉降量時(shí)才會(huì)有較多的外源活性氮進(jìn)入土壤大團(tuán)聚體，研究中土壤團(tuán)聚體內(nèi)銨態(tài)氮含量與氮沉降量間表現(xiàn)出顯著的指數(shù)函數(shù)關(guān)系就是證明(r= 0.987,P<0.001)。土壤團(tuán)聚體內(nèi)蔗糖酶和酸性磷酸酶活性隨著氮沉降增加而先降低后增加，其中N100處理顯著低于對(duì)照和N300處理(圖3)。這可能與氮沉降增加改變土壤團(tuán)聚體內(nèi)微生物C/N比，從而影響團(tuán)聚體內(nèi)微生物群落組成有關(guān)[33]。另外，相對(duì)于脲酶和蔗糖酶活性來(lái)說(shuō)，土壤酸性磷酸酶活性對(duì)氮沉降量變化更敏感(表3)。這與土壤團(tuán)聚體吸持態(tài)磷的有效性以及土壤團(tuán)聚體內(nèi)N∶P有關(guān)。適當(dāng)?shù)牡两盗磕芴岣邎F(tuán)聚體內(nèi)無(wú)機(jī)氮含量，進(jìn)而提高團(tuán)聚體內(nèi)磷的有效性[29]，部分滿足了生物對(duì)磷的需求，從而降低土壤酸性磷酸酶活性。但當(dāng)?shù)两盗坷^續(xù)增加，土壤N∶P提高，團(tuán)聚體內(nèi)磷的限制性加劇[35]，為緩解這種限制作用，土壤微生物群落必須分泌大量的磷酸酶以利用無(wú)效態(tài)的磷，從而表現(xiàn)出中氮沉降量處理(N100)團(tuán)聚體內(nèi)土壤酸性磷酸酶最低的現(xiàn)象。

3.2 團(tuán)聚體對(duì)土壤酶活性的影響

由于研究區(qū)域、土壤類(lèi)型以及團(tuán)聚體粒徑不一致，土壤酶活性在團(tuán)聚體中的分布特征的研究結(jié)果不盡相同。例如：曹良元等[36]發(fā)現(xiàn)紫色土上0.25—2 mm大團(tuán)聚體中脲酶活性最高，0.053—0.25 mm土壤微團(tuán)聚體中最低，并認(rèn)為大團(tuán)聚結(jié)構(gòu)和孔隙分布有利于微生物生長(zhǎng)和活性提高是主因。邱莉萍等[37]在黃土高原重壤土上發(fā)現(xiàn)土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶均隨土壤團(tuán)聚體粒徑增大而降低，并認(rèn)為團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷等肥力因子差異是主要原因。牛文靜等[38]發(fā)現(xiàn)太湖地區(qū)水稻土中不同粒徑團(tuán)聚體中土壤酶活性有差異，但未表現(xiàn)明顯規(guī)律。研究，僅5—8 mm團(tuán)聚體中蔗糖酶活性顯著低于2—5 mm，其余粒徑土壤團(tuán)聚體內(nèi)脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性沒(méi)有明顯差異(圖4)。由此可見(jiàn)，土壤酶在團(tuán)聚體中分布規(guī)律較復(fù)雜，土壤利用方式、土壤類(lèi)型、物質(zhì)組成及生物群落組成等均可能影響其分布規(guī)律[37, 39]。研究對(duì)象為種植30a的荷木林地表層土壤中不同粒徑土壤大團(tuán)聚體，其形成和穩(wěn)定機(jī)制相對(duì)一致，從而未表現(xiàn)顯著的酶活性差異。但是，土壤團(tuán)聚體內(nèi)脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均表現(xiàn)為隨團(tuán)聚體粒徑增大而先增后降，其中2—5 mm團(tuán)聚體最大(圖4)，說(shuō)明土壤大團(tuán)聚體粒徑對(duì)酶活性有潛在影響。因?yàn)橥寥缊F(tuán)聚體粒徑越小，水分和養(yǎng)分通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入團(tuán)聚體內(nèi)速度越快[40]，因此越容易受到外界影響；而土壤團(tuán)聚體粒徑越大，較新的顆粒有機(jī)物相對(duì)越多[41]，這為酶促反應(yīng)提供了更多易利用的基質(zhì)，從而增強(qiáng)酶活性；但土壤團(tuán)聚體粒徑越大，大孔隙比例越高，團(tuán)聚體穩(wěn)定性也越低[42- 43]，因此，當(dāng)土壤團(tuán)聚體粒徑超過(guò)5 mm時(shí)，反而易受環(huán)境變化影響[43]，從而導(dǎo)致體內(nèi)酶活性降低(圖4)。

各粒徑土壤大團(tuán)聚體中脲酶和酸性磷酸酶活性略高于或顯著高于混合土壤，蔗糖酶略高于混合土壤(圖4)。土壤酶相對(duì)活性指數(shù)將混和土壤酶活性和不同粒徑團(tuán)聚體土壤酶活性統(tǒng)一考慮，能更客觀準(zhǔn)確地反映土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)土壤酶活性的影響程度。結(jié)果顯示，超過(guò)85%的大團(tuán)聚體內(nèi)土壤酶相對(duì)活性指數(shù)大于1，各粒徑團(tuán)聚體內(nèi)酶相對(duì)活性綜合指數(shù)均大于1(圖5)。這表明土壤團(tuán)聚體對(duì)酶起到了一定的保護(hù)作用。與混合土壤比較，土壤團(tuán)聚體容積密度更大，土壤孔隙更小且更彎曲，從而減少或延緩了水分和養(yǎng)分離子進(jìn)入團(tuán)聚體內(nèi)[17]，也降低了外部土壤微生物進(jìn)入團(tuán)聚體的機(jī)會(huì)，從而對(duì)土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)物質(zhì)和生物等起到物理隔離作用[19]。另外，土壤大團(tuán)聚體主要是微團(tuán)聚體顆粒與有機(jī)碳的膠結(jié)、根系和菌絲纏繞作用而逐漸形成，其中包裹著較多的顆粒有機(jī)碳[44]，這為團(tuán)聚體內(nèi)酶提供了更充足的基質(zhì)，從而表現(xiàn)出土壤團(tuán)聚體內(nèi)酶活性高于混合土壤(圖4)。土壤pH值、EC、土壤有機(jī)碳庫(kù)及礦質(zhì)氮等指標(biāo)與混合土壤中脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的相關(guān)性均明顯高于其與土壤團(tuán)聚體的相關(guān)性(表4)，也進(jìn)一步證實(shí)土壤團(tuán)聚體確實(shí)在某種程度上對(duì)團(tuán)聚體內(nèi)酶活性有一定的保護(hù)作用。

4 結(jié)論

短期(1a)模擬氮沉降增加對(duì)表層混合土壤脲酶和蔗糖酶活性沒(méi)有明顯影響，但顯著影響了酸性磷酸酶活性。土壤團(tuán)聚體內(nèi)脲酶活性隨模擬氮沉降量增加而降低，且高氮處理(300 kg N hm-2a-1)顯著低于對(duì)照和低氮處理(50 kg N hm-2a-1)；土壤團(tuán)聚體內(nèi)蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均表現(xiàn)為隨氮沉降量增加先降低后增加，中氮處理(100 kg N hm-2a-1)活性最低，顯著低于對(duì)照和高氮處理。除5—8 mm土壤團(tuán)聚體內(nèi)蔗糖酶活性外，其余粒徑土壤團(tuán)聚體內(nèi)脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均高于混合土壤?；旌贤寥?種酶活性與總有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳及微生物生物量碳均顯著正相關(guān)，高于其與土壤團(tuán)聚體的相關(guān)性。以上結(jié)果表明，土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤酶活性具有隔離保護(hù)作用，但保護(hù)效果受土壤團(tuán)聚體粒徑和土壤酶種類(lèi)等因素影響。

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Early effect of soil aggregates on enzyme activities in a forest soil with simulated N deposition elevation

ZHONG Xiaolan1, LI Jiangtao2, 3,*, LI Xiaojia2, YE Yongchang4, LIU Songsong4, XU Guoliang2, NI Jie2

1CollegeofNaturalResourcesandEnvironments,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China2SchoolofGeographicalSciences,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China3StateKeyLaboratoryofSoilandSustainableAgriculture,InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China4DongguanInstituteofForestryResearch,Dongguan523106,China

Soil biota and enzyme activities would be impacted under elevated nitrogen deposition condition. However, the relative stability of micro habitat within soil aggregates could also decrease or delay the response intensity of soil enzyme activities. This study was conducted in aSchimasuperbaplantation, which located in Dalingshan forest park, Dongguan city, Guangdong, China in 2011.12—2012.11 by simulated nitrogen deposition treatments. Soil urease, invertase and acid phosphatase activities in surface homogenized soil (0—5 cm), as well as in soil aggregates (0.25—1 mm, 1—2 mm, 2—5 mm, and 5—8 mm) were analyzed to study the impacts of soil aggregates on soil enzyme activities under elevated N deposition. It showed that no significant effects of N deposition on soil urease and invertase activities were observed in the surface homogenized soil, while the soil acid phosphatase activities were dramatically impacted by N deposition with promotion in the low N deposition treatment (50 kg N hm-2a-1) and inhibition in the high N deposition treatment (300 kg N hm-2a-1). The urease activities in surface soil aggregates decreased with the increase of N deposition addition, and there were significant differences of urease activity in surface soil aggregates between N300 treatment and N0 treatment. With the increase amount of N deposition, the invertase and acid phosphatase activities in soil aggregates decreased at first and then increased. There were the lowest invertase and acid phosphatase activities in N100 treatment, 6.46%—25.53% and 42.33%—68.25% lower than that in other N deposition treatments, respectively. Almost all enzyme activities in soil aggregates were higher than that in homogenized soils, and the activities increased at first and then decreased with the soil aggregate size increase. In this study, the highest soil enzyme activities were found in the 2—5 mm size aggregates. No significant differences of urease and acid phosphatase activities were observed among different soil aggregate sizes, while the invertase activities in 2—5 mm aggregates were significantly higher than that in 5—8 mm aggregates. The relative enzyme activity indexes in more than 85% soil aggregates were higher than 1, and the relative enzyme activity composite index were all higher than 1. The results suggested that stimulated N deposition changed the soil enzyme activities both in homogenized soils and aggregated soils; soil aggregates could protect the internal soil enzyme activities under N deposition addition to a certain extent, which were related to the kinds of soil enzymes and soil aggregate sizes.

nitrogen deposition; soil aggregate; enzyme activity; relative enzyme activity index; forest soil

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41101278, 41101302); 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(Y052010035); 廣州市高?？蒲许?xiàng)目(10A033); 東莞市高等院?？蒲袡C(jī)構(gòu)科技計(jì)劃(200910810174)

2013- 10- 09;

日期:2014- 07- 14

10.5846/stxb201310092422

*通訊作者Corresponding author.E-mail: ljtgzhu@163.com

鐘曉蘭, 李江濤, 李小嘉, 葉永昌, 劉頌頌, 徐國(guó)良, 倪杰.模擬氮沉降增加條件下土壤團(tuán)聚體對(duì)酶活性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(5):1422- 1433.

Zhong X L, Li J T, Li X J, Ye Y C, Liu S S, Xu G L, Ni J.Early effect of soil aggregates on enzyme activities in a forest soil with simulated N deposition elevation.Acta Ecologica Sinica,2015,35(5):1422- 1433.