鄧恩桉Eucalyptus dunnii人工幼齡林土壤酶活性對模擬硫、氮復合沉降的響應

杜錕等

摘 要 為探究南方人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性對硫、氮復合沉降的響應機制，本研究采用二元二次正交回歸旋轉設計方法，設置16個硫、氮復合沉降處理組和1個空白對照組，研究1 a硫、氮復合沉降下鄧恩桉人工幼齡林土壤上層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）的酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性與硫、氮復合沉降之間關系，并建立回歸模型。對17組數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（one-way ANOVA），結果顯示除上、下層過氧化氫酶活性組間差異均不顯著外（p>0.05），酸性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性組間均存在差異顯著的土壤分層（p<0.05）。利用土壤分層中差異顯著的酸性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性進行分析、建模，結果表明：酸性磷酸酶僅對氮沉降的獨立效應響應顯著，與空白對照組相比，氮沉降抑制酸性磷酸酶活性；脲酶僅對硫沉降和氮沉降的獨立效應響應顯著，且脲酶活性在硫、氮沉降下降低，以氮沉降抑制作用最強；蔗糖酶對硫、氮沉降的獨立效應和交互作用均響應顯著，表現(xiàn)出硫、氮沉降抑制蔗糖酶活性的特征。研究表明，1 a硫、氮沉降抑制鄧恩桉人工幼齡林紅壤表層（0～40 cm）的土壤酶活性，引起土壤肥力降低。

關鍵詞 硫、氮復合沉降；鄧恩桉人工林；二次回歸旋轉設計；土壤酶

中圖分類號 Q143.4；S154.1 文獻標識碼 A

Abstract In order to explore response mechanism of enzymes activity to sulfur and nitrogen complex depositions in Southern plantation ecosystems， this study used quadratic rotating orthogonal regression designs method and set 16 sulfur， nitrogen complex depositions treatments groups and a control group to explore the relations between soil acid phosphatase， urease， invertase and catalase activity and sulfur， nitrogen depositions in the upper soil stratification（0-20 cm）and lower soil stratification（20-40 cm）of a young Eucalyptus dunnii plantation， and the regression models were established. Using 17 sets of data to make one-way ANOVA， the results showed except the catalase activity differences between groups in upper soil stratification and lower soil stratification were all not significant（p>0.05）， acid phosphatase， urease and invertase activity all existed one significant differences stratification between groups in soil（p>0.05）. Using acid phosphatase， urease and invertase whose differences were significant in soil stratification to make regression analysis， the results showed acid phosphatase only responded to nitrogen deposition independent effect significantly， compared with the control group， the nitrogen deposition inhibited acid phosphatase activity； urease only responded to sulfur， nitrogen deposition independent effect significantly， and urease activity decreased under sulfur， nitrogen depositions， and independent effect of nitrogen deposition was stronger； invertase activity responded to sulfur， nitrogen deposition independent effects and interactions all significantly， showing sulfur， nitrogen depositions inhibited invertase activity. This study showed 1a sulfur， nitrogen depositions decreased soil enzymes activity in red soil stratification（0-40 cm）in young Eucalyptus dunnii plantation and caused soil fertility to reduce.

Key words Nitrogen and sulfur depositions；Eucalyptus dunnii plantation；Quadratic rotating orthogonal regression design；Soil enzymes

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.03.010

酸沉降是指pH<5.6的大氣酸性物質通過降雨、對流和重力作用等降落到地面的過程[1]。酸沉降主要由硫沉降和氮沉降組成。硫沉降以硫氧化物和硫酸鹽形式為主，氮沉降主要為銨根化合物和氮氧化物形態(tài)[2]。前人研究表明，持續(xù)增高的硫、氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)尤其是土壤系統(tǒng)造成深刻影響[3]。為應對酸沉降過量產生的影響，美國和歐洲地區(qū)率先施行了酸沉降治理，并有效降低硫沉降，但對氮沉降的影響甚小[4-5]。酸沉降過量已成為一個全球性的問題，我國作為世界第三大氮沉降集中區(qū)[3，6]，大氣氮沉降的增加已造成國內部分工業(yè)高速發(fā)展區(qū)域水域生態(tài)系統(tǒng)氮富集和陸地生態(tài)系統(tǒng)氮飽和問題，并引起科學家和公眾的廣泛關注[7]，成為當前的研究熱點之一。

土壤酶作為土壤中一種具有生物催化能力的高分子蛋白活性物質[8]，在森林生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動過程中發(fā)揮重要作用。由于活性與土壤類型、理化性質等密切相關，土壤酶是評價土壤質量及土壤肥力的重要指標之一[9]。因此，研究酸沉降對土壤酶的影響具有重要意義。目前，國內開展了大量的土壤酶對氮沉降響應的研究[10-12]，土壤酶對單一硫沉降的報道相對較少，而關于土壤酶對氮、硫復合沉降響應的報道更為少見。由此可見，國內不同酸沉降條件下土壤酶活性的響應特征研究尚存不足。

鄧恩桉是福建省主要引進桉樹種之一，可耐低溫[13]，立地條件較好時生長較快，經濟價值較高。目前，國內對鄧恩桉研究主要集中在引種[13]、林下土壤空間異質性[14]、凋落物[15]等方面，關于鄧恩桉人工林土壤酶對酸沉降尤其是硫、氮復合沉降的相關報道較少。本文選擇鄧恩桉人工幼齡林為研究對象，通過對林地人為噴施外源硫、氮肥，探討林下土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性對硫、氮復合沉降變化的響應，可豐富硫、氮沉降對中國亞熱帶人工林森林生態(tài)系統(tǒng)影響的相關研究，為鄧恩桉的引種和推廣等工作提供理論指導和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗樣地位于福建省建陽市童游鎮(zhèn)林場。建陽市地處武夷山南麓，位于東經117°31′～118°38′，北緯27°06′～27°43′。氣候為中亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，氣候適宜，年平均降水量約1 700 mm，日照時數(shù)1 802 h，無霜期230～280 d。鄧恩桉人工幼齡林種植地為馬尾松和毛竹采伐跡地，林下土壤為山地紅壤。在調查期鄧恩桉林齡為3年生，林分密度1 675株/hm2，平均樹高9.1 m，平均胸徑8.57 cm。林下覆蓋植被稀疏，主要為芒萁（Dicranopteris olichotoma）、 五節(jié)芒（Miscanthus floridulus）、 蕨類（Pteridium aquilinum var. latiusculum）等， 蓋度3%～4%。樣地屬陽坡地，坡向為東西向，坡度為5°～20°。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 本試驗采用二元二次正交旋轉組合法[16]設計試驗方案（表1）。依據(jù)二元二次正交旋轉組合設計要求，本試驗設計方案中因素個數(shù)P=2，與因子個數(shù)有關的參數(shù)mc=4，二水平全因子試驗點mr=4，零水平變量重復試驗點m0=8，即16組復合沉降處理，外加1組空白對照處理，共17組處理。每組處理設置4個重復。樣地面積為20 m×20 m，在不同樣地間設置緩沖帶（帶寬3 m）。在試驗調查的基礎上確認所有樣地土壤理化性質相似（表2）。根據(jù)現(xiàn)階段國內酸沉降率急劇上升的趨勢和試驗樣地實際情況，以我國東南部硫沉降臨界值與0.5倍森林生態(tài)系統(tǒng)最大同化力（33 kg/hm2·a）之和確定硫沉降零水平22 kg/hm2·a[17]，參考肖輝林[18]和樊后保[19]的相關研究設計氮沉降零水平為70 kg/hm2·a。由于試驗設計的全部處理組是在同一個野外環(huán)境下進行，因此忽略其他因素如自然環(huán)境中原有的硫、氮沉降對試驗結果產生的影響，從而研究模擬硫、氮復合沉降下鄧恩桉人工幼齡林土壤酶活性的變化。

1.2.2 模擬試驗方法 于2009年7月1日建立模擬試驗樣地，以Na2SO4分析純作為硫源、尿素CO（NH2）2（46%含氮量）作為氮源。在各月底，按照模擬沉降組合要求，將各樣方需要施加的硫源、氮源混合并溶解于20 L清水，使用背式噴霧器分別在16組處理樣地人工均勻噴灑混合溶液。對照組以相同方法噴灑同體積清水，以減小因增加的水造成的試驗誤差。試驗過程中不作除草、翻地等處理。

1.2.3 樣品采集、處理和測定 采用模擬硫、氮復合沉降1 a后，隨機在68個樣點布點，分層（上層0～20 cm，下層20～40 cm）取土樣。取等量相同處理組的鮮土混合后放置于4 ℃冰箱中保存留用。

依據(jù)文獻[20]測定土壤酶活性：采用磷酸苯二鈉比色法測定酸性磷酸酶，以1 kg土壤1 h生成的苯酚數(shù)量（mg/kg·h）表示其活性；采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定脲酶，以1 kg土壤1 h生成的NH3-N的數(shù)量（mg/kg·h）表示脲酶活性；采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定蔗糖酶， 以1 kg土壤1 h生成的葡萄糖數(shù)量（g/kg·h）表示蔗糖酶活性；采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶，以滴定過氧化氫用去的高錳酸鉀量（mL/g·min）表示其活性。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 按照二元二次正交旋轉組合統(tǒng)計法建立數(shù)學模型，對試驗測得的17組數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（one-way ANOVA）和LSD多重比較，顯著性水平α=0.05。本研究利用16個處理組的64個樣地的土壤酶數(shù)據(jù)建立酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶對于模擬硫、氮復合沉降的響應模型。由于NO.9-NO.16為中心點重復處理，所以在單因素方差分析和多重比較分析后對這8組值取平均值合并為一組進行分析、建模。利用SPSS19.0 和Excel2010軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤酶活性的變化特征

1 a模擬硫、氮復合沉降后，測得的上、下層酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性見表3。試驗結果表明上、下層CK組（空白對照組）的土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性均大于對應土壤分層處理組的土壤酶活性，而處理組的上層土壤酶活性均大于下層。

2.2 土壤酶活性對模擬硫、氮復合沉降的響應

單因素方差分析結果表明，僅土壤上層酸性磷酸酶、下層脲酶、下層蔗糖酶活性組間差異顯著（p<0.05），上、下層土壤的過氧化氫酶活性組間差異均不顯著（p>0.05）。依據(jù)二元二次正交旋轉設計原理，利用測得的土壤上層酸性磷酸酶、下層脲酶、下層蔗糖酶活性進行分析、建模。

根據(jù)方程（5）、 （6）作硫沉降和氮沉降對蔗糖酶活性的主效應圖（圖3）和交互作用圖（圖4）。由圖3、4可知，二因子對酸性磷酸酶活性的主效應曲線相似。與空白對照組相比，硫、氮沉降降低蔗糖酶活性。經計算得知，在硫、氮沉降編碼水平均為0時蔗糖酶活性最低。

3 討論與結論

本研究表明，1 a模擬硫、氮復合沉降下上層土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性分別大于下層土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性，土壤酶活性表現(xiàn)出隨著土壤深度增加而降低的特征。在鄧恩桉幼齡林土壤中，硫、氮復合沉降不會逆轉這種趨勢，這與楊遠彪等[21]對連載桉樹人工林土壤酶的研究一致。上、下層的土壤酶活性對硫、氮沉降的響應無相同規(guī)律，這與沈芳芳等[11]得出的氮沉降下土壤酶活性的響應差異以0～20 cm土層最為明顯的結論不同，一方面可能是硫、氮沉降時間較短導致的，另一方面可能是由沉降方案不同引起的。

酸性磷酸酶可礦化有機磷，且酸性磷酸酶活性在反映磷轉化和需求量方面發(fā)揮重要作用[22]。與Enrique A G等[23]此前得出的氮沉降可能對酸性磷酸酶有毒害作用的結論一致，本試驗中酸性磷酸酶僅對氮沉降響應顯著，表現(xiàn)出氮沉降抑制酸性磷酸酶活性的特征，這可能是酸沉降導致紅壤中P元素流失加重，從而引起酸性磷酸酶活性降低。試驗結果表明氮沉降抑制脲酶和蔗糖酶活性，這與宋學貴等[12]提出的氮沉降增強常綠闊葉林土壤脲酶活性的結論不同，也與沈芳芳[11]等得出的7 a氮沉降[240 kg/（hm2·a）]下杉木人工林蔗糖酶增加的結論不同，這可能是本試驗沉降時長較短以及選擇的樹種與他人研究不同導致的。研究顯示，氮沉降對脲酶活性的抑制作用大于硫沉降，這是因為脲酶與N元素的轉化有關，脲酶活性對氮元素的響應比硫元素更顯著。目前國內關于硫沉降對人工林下土壤酶活性的研究還較少，且在硫沉降對土壤養(yǎng)分循環(huán)、土壤微生物活性等方面存在爭論，因此為摸清硫沉降下脲酶和蔗糖酶活性降低的響應機制，還需要做進一步的、更深層次的探究。試驗結果中，僅蔗糖酶對硫、氮復合沉降的交互作用響應顯著，說明與N、P等元素相比，硫、氮復合沉降對紅壤中C元素的影響可能更顯著，因此長期硫、氮沉降很有可能改變與C循環(huán)有關的土壤微生物的多樣性，引起人工桉樹林植株對C的吸收和利用能力發(fā)生變化。過氧化氫酶活性可反映土壤腐殖質化、有機質化的強度和速度[24]。試驗結果中，硫、氮沉降對上、下層土壤過氧化氫酶活性影響不明顯，這與Frey等[25]得出的過氧化氫酶對N沉降響應不顯著的結論相似，但Gallo等[26]、杜紅霞等[27]指出氮沉降可提高土壤過氧化氫酶活性，這說明不同研究區(qū)域、不同土壤類型的過氧化氫酶活性對酸沉降的響應機制不同。本研究中土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性在硫、氮沉降下降低，而土壤酶活性在一定程度上可表征土壤肥力，因此硫、氮沉降在一定范圍內降低了鄧恩桉人工幼齡林的土壤肥力，在硫、氮沉降量分別為22 kg S/hm2/a、77kg N/hm2/a時，肥力降低最大。

本模擬試驗的時間跨度只有1 a，且土壤酶活性受環(huán)境條件如溫度、降水、地形等影響較大，因此要想更加精確地探究鄧恩桉人工林土壤酶活性對酸沉降的響應，還需要進一步的更長時間、更嚴格的監(jiān)測試驗。

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