集約經(jīng)營毛竹林土壤酶活性對模擬氮沉降的初期響應(yīng)

宋思睿，煙亞萍，宣丹娟，翁 俊，宋新章

（浙江農(nóng)林大學(xué) 亞熱帶森林培育國家重點實驗室培育基地，浙江 臨安 311300）

集約經(jīng)營毛竹林土壤酶活性對模擬氮沉降的初期響應(yīng)

宋思睿，煙亞萍，宣丹娟，翁 俊，宋新章*

（浙江農(nóng)林大學(xué) 亞熱帶森林培育國家重點實驗室培育基地，浙江 臨安 311300）

采用典型樣方法，在浙江省臨安市設(shè)立毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. pubescens）林分條件和環(huán)境狀況較一致的代表性樣方12個，研究了集約經(jīng)營毛竹林蔗糖酶、纖維素酶、脲酶和過氧化氫酶4種土壤酶活性對不同水平的模擬氮沉降（低氮30 kgN·hm-2·a-1、中氮60 kgN·hm-2·a-1、高氮90 kgN·hm-2·a-1和對照）的初期響應(yīng)。結(jié)果表明：模擬的氮沉降顯著降低了集約經(jīng)營毛竹林0～20 cm土壤蔗糖酶、纖維素酶、脲酶和過氧化氫酶的活性，顯著抑制了> 20～40 cm土壤蔗糖酶的活性，對纖維素酶和過氧化氫酶的活性影響不顯著。

氮沉降；土壤酶；毛竹林；集約經(jīng)營

中國已成為繼歐洲和北美之后的全球第三大氮沉降集中區(qū)[1]，并呈現(xiàn)出進(jìn)一步加重的趨勢。預(yù)期到2030年將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上翻一番，成為全球氮沉降增加最快的地區(qū)[2]。多個全球氮沉降預(yù)測模型均估計今后幾十年內(nèi)位于中國中南部的亞熱帶地區(qū)將成為全球大氣氮沉降最嚴(yán)重的區(qū)域之一[3～4]，事實上，目前中南部地區(qū)的氮沉降量就已高達(dá)63.53 kgN·hm-2·a-1[5]，已經(jīng)成為中國氮沉降最嚴(yán)重的區(qū)域。氮沉降的增加將對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生廣泛的影響。氮沉降可以改變微生物群落結(jié)構(gòu)組成，進(jìn)而改變微生物功能，降低土壤酶的活性，使微生物對底物的利用模式發(fā)生改變。

土壤酶是土壤組分中最活躍的有機成分之一，是土壤生物過程的主要調(diào)節(jié)者[6]，其參與了土壤環(huán)境中的一切生物化學(xué)過程，與有機物質(zhì)分解、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)移、環(huán)境質(zhì)量等密切相關(guān)，并且酶的分解作用是物質(zhì)循環(huán)過程的限制性步驟[7]，土壤酶的分解作用參與并控制著土壤中的生物化學(xué)過程在內(nèi)的自然界物質(zhì)循環(huán)過程，酶活性的高低直接影響物質(zhì)轉(zhuǎn)化循環(huán)的速率，因而土壤酶活性對生態(tài)系統(tǒng)功能有很大的影響。土壤酶活性是土壤中生物學(xué)活性的總體現(xiàn)[8]，對環(huán)境等外界因素引起的變化較敏感，因此土壤酶活性可以作為衡量生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量變化的預(yù)警和敏感指標(biāo)。

毛竹（Phyllostachys heterocycla cv. pubescens）是中國分布最廣、栽培和利用歷史最悠久、經(jīng)濟價值最高的竹種，是中國重要的森林資源，也是中國南方山區(qū)農(nóng)民經(jīng)濟收入的重要來源[9]，主要分布在亞熱帶地區(qū)，該地區(qū)目前正面臨著日益嚴(yán)重的氮沉降威脅。高強度的自然氮沉降加上經(jīng)營性施肥帶來的外源氮輸入，勢必進(jìn)一步加重毛竹林的氮輸入量。土壤碳氮狀況是土壤酶活性的基礎(chǔ)，對土壤酶活性有著不可忽視的影響。因此，高強度的氮沉降必將深刻影響到毛竹林土壤酶的活性。

目前國內(nèi)有關(guān)氮沉降的研究主要集中在亞熱帶常綠闊葉林[10]、杉木林[11]、溫帶闊葉林[12]等方面，而毛竹林土壤酶將對氮沉降作出怎樣的響應(yīng)仍不清楚，亟需通過試驗研究加以解答。為此，開展了模擬不同氮沉降強度對毛竹林土壤酶活性影響的野外實驗，以期為解答這一科學(xué)問題提供數(shù)據(jù)和參考。

1 研究區(qū)概況

試驗在浙江省臨安市的毛竹林長期實驗基地進(jìn)行（119° 42′ E，30° 14′ N）。該區(qū)地處中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的北緣，四季分明，溫和濕潤，熱量豐富，雨量充沛，年平均降水量約1 420 mm，年平均氣溫15.6℃，≥10℃年有效積溫2 696.2℃，全年無霜期230 d。土壤為黃壤。地形地貌為低山丘陵。研究區(qū)內(nèi)的毛竹林主要為集約經(jīng)營（Intensive Management, IM）類型，經(jīng)營歷史10 a左右，經(jīng)營措施主要為除去林下灌木和雜草，每年9月深翻1次，并結(jié)合翻耕施用化肥。本研究采用典型選樣方法，在研究區(qū)設(shè)立林分條件和環(huán)境狀況較一致的代表性樣方12個，進(jìn)行外加氮處理試驗。每個樣方面積為20 m×20 m，樣方之間間隔20 m以上以防相互影響。樣地的林分和土壤特征見表1。

表1 毛竹林樣地的林分和土壤特征Table 1 Stand and soil characteristics of sample plots

2 材料與方法

2.1 實驗設(shè)計

本研究通過外加氮模擬氮沉降實現(xiàn)對生態(tài)系統(tǒng)的氮控制。參考莫江明、韓士杰等氮沉降模擬研究的試驗方法及歐洲NITREX項目和北美HarvardForest試驗方法[10,13～16]，依據(jù)我國亞熱帶地區(qū)的實際氮沉降量及未來增加趨勢[4～5]，氮沉降處理設(shè)置 4個梯度水平：對照（0 kgN·hm-2·a-1)、低氮（30 kgN·hm-2·a-1）、中氮（60 kgN·hm-2·a-1）和高氮（90 kgN·hm-2·a-1），每個梯度3個樣方即3個重復(fù)。根據(jù)氮處理梯度水平，每月進(jìn)行模擬氮沉降噴施一次，每年 12次。具體方法為：每月月初將每個樣方所需噴施的一定量的 NH4NO3溶解在10 L自來水中（年增加水量相當(dāng)于新增降水0.3 mm），以背式噴霧器人工來回均勻噴灑在林地上。對照處理樣方則噴灑同樣多的水但不加任何氮，以減少處理間因外加水不同而造成的影響[10,13]。

2.2 樣品采集、處理和測定

噴氮處理7個月后，于2013 年7月在每個樣地內(nèi)沿S形用直徑3.5 cm 的土鉆鉆取0～20 cm土層土樣6個，混合后帶回實驗室，風(fēng)干處理后用于土壤酶活性測定。采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定脲酶活性，采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶活性，采用3, 5-二硝基水楊酸比色法測定蔗糖酶和纖維素酶活性[17]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，對各處理土壤酶活性數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)單因素方差分析，然后以LSD多重檢驗法檢驗處理間的差異顯著性。

3 結(jié)果與分析

3.1 氮沉降對土壤蔗糖酶活性的影響

由圖1可知，施氮處理顯著抑制了0～20 cm土壤和 > 20～40 cm土壤的蔗糖酶活性。在0～20 cm，低氮處理下蔗糖酶的活性下降幅度最大，達(dá)52.60%。在> 20～40 cm，中氮處理下蔗糖酶的活性下降幅度最大，達(dá)30.19%。除低氮處理外，其他處理條件下0～20 cm土壤的蔗糖酶活性皆高于 > 20～40 cm土壤。

注：不同小寫字母表示同一土層不同施氮水平之間土壤蔗糖酶活性的差異性顯著（p < 0.05）；下同。

3.2 氮沉降對土壤纖維素酶活性的影響

由圖2可知，盡管低強度的施氮處理降低了0～20 cm土壤和20～40 cm土壤的纖維素酶活性，而高強度的施氮處理增加了兩個土層深度的纖維素酶活性，但均未達(dá)到顯著水平。在每種施氮處理條件下，0～20 cm土壤的纖維素酶活性皆大于20～40 cm土壤。3.3 氮沉降對土壤脲酶的影響

圖2 施氮量對不同深度土壤纖維素酶活性的影響Figure 2 Effect of different nitrogen deposition on soil cellulase activitiesat the depth of 0-20 cm and 20-40 cm

由圖3 可以看出，施氮對0～20 cm土壤和 > 20～40 cm土壤的脲酶活性的影響存在明顯差異。在0～20 cm土層，除低氮處理外，均表現(xiàn)為抑制酶活性，且在中氮處理下作用顯著，酶活性降低了42.41%。在 > 20～40 cm 土層，高氮處理顯著提高了脲酶活性，達(dá)33.41%，相反，低氮處理顯著抑制了脲酶活性，達(dá)16.96%。

3.4 氮沉降對土壤過氧化氫酶活性的影響

由圖4可知，在0～20 cm土層，低氮處理顯著抑制了過氧化氫酶的活性，酶活性降低了18.73%，中氮和高氮處理的影響不顯著。在 > 20～40 cm土層，不同強度的氮處理雖然降低了過氧化氫酶的活性，但作用不顯著。

圖3 施氮量對不同深度土壤脲酶活性的影響Figure 3 Effects of different nitrogen deposition on soil urease activities at the depth of 0-20 cm and 20-40 cm

圖4 施氮量對不同深度土壤過氧化氫酶活性的影響Figure 4 Effects of different nitrogen deposition on soil catalase activities at the depth of 0-20 cm and 20-40 cm

4 小結(jié)與討論

一般來說，土壤中水解酶類活性的變化與有機質(zhì)的分解過程有關(guān)，而土壤中氧化酶類的活性變化與有機質(zhì)再合成過程有關(guān)[17～18]。本實驗所研究的蔗糖酶、纖維素酶和脲酶屬于水解酶類，而過氧化氫酶屬于氧化酶類。土壤蔗糖酶廣泛存在于土壤中，直接參與含碳有機物的代謝過程，對土壤微生物數(shù)量、土壤呼吸強度有直接依賴性[19]。本實驗結(jié)果表明，氮沉降顯著降低了集約經(jīng)營毛竹林0～20 cm土壤和 > 20～40 cm土壤蔗糖酶的活性，而涂利華等[18,20]觀測到模擬氮沉降促進(jìn)了苦竹林和光皮樺人工林土壤蔗糖酶的活性，表明不同植被下土壤酶活性對外源氮輸入的響應(yīng)不同。

涂利華等[18]觀測到模擬氮沉降增加了光皮樺人工林土壤纖維素酶的活性，Carreiro等[21]和Gallo等[22]報道氮沉降促進(jìn)了北方溫帶森林中土壤纖維素酶的活性。其原因在于在氮可獲得性增加后，微生物的活性提高了，使相關(guān)酶的活性增強。并且由于酶自身是一種富氮物質(zhì)（蛋白質(zhì)），其生產(chǎn)也受到活性氮的調(diào)節(jié)[23]。但也有研究發(fā)現(xiàn)氮沉降抑制了纖維素酶活性[19～20,24～25]。本研究也發(fā)現(xiàn)氮沉降顯著降低了0～20 cm土壤纖維素酶的活性，這些實驗結(jié)果間的差異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(yīng)各異。由于集約經(jīng)營毛竹林土壤中纖維素酶活性比其余3種酶活性低2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。

脲酶是微生物或植物進(jìn)行氮獲取生產(chǎn)的一種酶。Ajwa等[26]發(fā)現(xiàn)施氮抑制了高草草原土壤脲酶的活性（約15%），本研究也觀測到施氮顯著降低了0～20 cm土壤的脲酶活性。但Saiya-Cork等[27]、宋學(xué)貴等[24]和涂利華等[20]均觀測到模擬氮沉降顯著增加了脲酶的活性。這可能與微生物所處的植被類型與林下環(huán)境不同有關(guān)。脲酶、蔗糖酶和纖維素酶是三種重要的水解酶，集約經(jīng)營毛竹林0～20 cm土層這三種酶活性在施氮條件下的顯著下降意味著在未來氮沉降增強情景下土壤微生物將大大降低對碳元素的需求。

Sinsabaugh等[28]觀測到氮沉降顯著降低了北方溫帶森林土壤氧化酶的活性，涂利華等[18]發(fā)現(xiàn)氮沉降顯著抑制了光皮樺人工林土壤過氧化物酶的活性，Caeeriro等[21]、Sinsabaugh等[29]和DeForest等[19]也觀測到相似的研究結(jié)果。本研究發(fā)現(xiàn)施氮處理顯著抑制了0～20 cm土壤過氧化氫酶的活性，主要原因可能在于氮的富集減少了氧化酶的基因表達(dá)量所致[30～32]。過氧化氫酶是一種重要的氧化酶，所以認(rèn)為氮沉降對過氧化氫酶活性的抑制作用可能導(dǎo)致凋落物和土壤有機質(zhì)的分解受到抑制，從而增加了土壤碳貯量。

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Effect of Simulated Nitrogen Deposition on Soil Enzyme Activities in Phyllostachys heterocycla cv. pubescens Stand

SONG Si-rui，YAN Ya-ping，XUAN Dan-juan，WENG Jun，SONG Xin-zhang*
（The Nurturing Station for State Key Laboratory of Subtropical Silviculture, Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China）

Twelve selective sample quadrats were established at Phyllostachys heterocycla cv. pubescens stands in Lin’an, Zhejiang province, with similar stand condition and environment. Experiments were conducted of simulated nitrogen deposition with three treatments of 30 kgN/ha·a-1, 60 kgN/ha·a-1, 90 kgN/ha·a-1, and no treatment(control) on soil enzyme activities. The short-term responses of soil enzymes, including invertase, cellulase, urease and catalase were detected. The results showed that simulated N deposition decreased significantly the activities of the four tested enzymes at layer of 0-20 cm, as well as invertase activities at 20-40 cm, but had no significant effect on activities of cellulase and catalase at 20-40cm.

nitrogen deposition; soil enzymes; Phyllostachys heterocycla cv. pubescens stand; intensive management

S714.3

B

1001-3776（2015）02-0062-05

2014-09-16；

2015-01-20

國家自然科學(xué)基金項目（31270517，31270497）；國家林業(yè)局“948”項目（2013-4-55）；浙江農(nóng)林大學(xué)人才啟動項目（2012FR023）；浙江省教育廳項目（Y201327008）資助

宋思睿（1993-），女，云南石林人，從事森林生態(tài)、土壤生態(tài)研究；*通訊作者。