森林土壤磷酸酶活性變化特征及其影響因素

劉雅淑 孟春鳳 劉延鵬 等

摘要：以鎮(zhèn)江南山森林公園6種林間土壤為研究對(duì)象，探討磷酸酶活性、磷組分的分布特征及環(huán)境因子對(duì)其的影響。通過(guò)室內(nèi)分析和不同溫度梯度下的培育試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)6種森林土壤肥力較強(qiáng)，磷酸酶活性高，其值為11 676.10～33 271.29 μg/g；磷酸酶活性與有機(jī)碳含量呈正相關(guān)，與總氮含量呈負(fù)相關(guān)，與無(wú)機(jī)磷、有機(jī)磷和總磷含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.94（P<0.01）、0.94（P<0.05）和0.95（P<0.01）；土壤中Zn、Cd含量較低，均與磷酸酶活性呈正相關(guān)。低濃度重金屬脅迫對(duì)磷酸酶活性有一定的刺激作用；溫度的升高能夠促進(jìn)土壤中有機(jī)磷向有效磷的轉(zhuǎn)化。研究結(jié)果表明，南山森林土壤磷循環(huán)過(guò)程活躍，土壤有機(jī)碳、總氮和各形態(tài)磷是磷酸酶活性的主要影響因子。

關(guān)鍵詞：森林土壤；磷酸酶活性；有機(jī)碳；總氮；各形態(tài)磷；重金屬；溫度

中圖分類號(hào)：S154.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）04-0850-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.04.009

Variations of Phosphatase Activity in Forest Soil and Its Influencing Factors

LIU Ya-shu， MENG Chun-feng， LIU Yan-peng， SHI Yi-su， CHEN Chen

（Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， Jiangsu，China）

Abstract： Six types of forest soils in Zhenjiang Nanshan Forest Park were studied. The phosphatase activity was analyzed and the affections of environmental factors on phosphatase activity were discussed. The results showed that Nanshan Forest Park soils were fertility and the phosphatase activity was strong. The phosphatase activity ranged from 11 676.10 μg/g to 33 271.29 μg/g. Soil phosphatase activity was positively correlated with organic carbon content and negatively correlated with total nitrogen content. The phosphatase activity was significantly positively correlated with inorganic phosphorus， organic phosphorus and total phosphorus contents. The correlation coefficient was 0.94（P<0.01）， 0.94（P<0.05） and 0.95（P<0.01）， respectively. Phosphatase activity also was positively correlated with soil Zn and Cd contents. Heavy metal with low concentrations could stimulate the phosphatase activity. And increasing temperature could promote the conversion of organic phosphorus to the available phosphorus in soil. The results showed that the phosphorus recycling process in Nanshan forest soil was active. Soil organic carbon， total nitrogen and various forms of phosphorus were the main influencing factors of phosphatase activity.

Key words：forest soil；phosphatase activity；organic carbon；TN；various forms of phosphorus；heavy metal；temperature

土壤中的微生物和植物根系都能分泌磷酸酶，其中很少的一部分磷酸酶游離于土壤溶液之中，絕大部分則被吸附于土壤膠體和一些黏土礦物上。磷酸酶是生物磷代謝的重要酶類，可水解土壤中的有機(jī)磷化合物，釋放出相應(yīng)的醇類和無(wú)機(jī)磷，其活性高低直接影響土壤有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及生物有效性，在土壤磷循環(huán)過(guò)程中扮演了重要角色。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)田、草地等生態(tài)系統(tǒng)的土壤磷酸酶進(jìn)行了大量研究，主要從單環(huán)境因子角度探討了重金屬、土壤理化性質(zhì)和磷組分等環(huán)境因素對(duì)磷酸酶活性的影響[1-6]。但對(duì)磷酸酶與多環(huán)境因子之間的關(guān)系研究不多，且對(duì)于森林土壤磷循環(huán)進(jìn)行研究。本研究通過(guò)對(duì)鎮(zhèn)江南山森林公園6種不同類型林間土壤的分析，擬了解鎮(zhèn)江南山森林土壤磷酸酶分布特征，研究多種環(huán)境因子對(duì)森林土壤磷酸酶活性的影響，為研究南山森林土壤磷循環(huán)過(guò)程提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域

鎮(zhèn)江南山國(guó)家森林公園坐落于江蘇省鎮(zhèn)江市城南，地理位置為東經(jīng)119°25′00″-119°27′30″，北緯32°08′20″-32°11′40″，總面積達(dá)10 km2，核心區(qū)域約3 km2。該區(qū)域氣候溫暖且濕潤(rùn)，屬過(guò)渡性季風(fēng)氣候區(qū)。南山公園年平均氣溫15.4 ℃，年平均降雨量約1 074 mm；主要風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)、東南風(fēng)；霜期最長(zhǎng)為156 d，最短為76 d；平均相對(duì)濕度約為76%；山地為角礫砂粉土土質(zhì)，崗地和坡地為黏土和亞黏土土質(zhì)，地下水位在3 m以下[7]。在南山森林公園選取6個(gè)林木生長(zhǎng)和土壤發(fā)育較好的人工林區(qū)域采集了新鮮森林土壤樣品。采樣點(diǎn)分布如表1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 土樣的采集和預(yù)處理 在選定的采樣區(qū)域掃除表層枯葉雜草，用竹鏟采集0～10 cm的表層土壤，放入密封袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室。新鮮土壤除去肉眼可見(jiàn)的植物殘?bào)w，取少量風(fēng)干處理后研磨過(guò)1 mm篩，用于理化性質(zhì)、磷酸酶活性和磷組分的檢測(cè)分析，其余新鮮土壤在不同溫度下進(jìn)行室內(nèi)培育并檢測(cè)培育后的土壤磷酸酶活性。

1.2.2 不同溫度的室內(nèi)培育 為探討土壤溫度變化對(duì)磷酸酶活性的影響，設(shè)置了10、20、30、40和50 ℃共5個(gè)溫度梯度進(jìn)行室內(nèi)培育，以模擬自然條件下土壤溫度狀況。稱取30 g新鮮土樣，置于250 mL的錐形瓶中，在設(shè)定好溫度條件的恒溫水浴鍋中培養(yǎng)3 h，設(shè)置3個(gè)平行樣。培育結(jié)束后檢測(cè)瓶中土壤的磷酸酶活性。

1.2.3 分析測(cè)定 土壤pH采用水提法測(cè)定；土壤TOC的測(cè)定采用水合熱重鉻酸鉀氧化-分光光度法；總氮測(cè)定采用納氏試劑分光光度法；土壤中無(wú)機(jī)磷、有機(jī)磷以及總磷的測(cè)定均采用鉬酸銨分光光度法；土壤磷酸酶活性測(cè)定采用對(duì)硝基苯磷酸二鈉比色法[5]；土壤重金屬（銅、鋅和鎘）含量測(cè)定使用原子吸收分光光度法[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本理化性質(zhì)和磷酸酶分布特征

6種南山森林土壤基本理化性質(zhì)如表2所示，表中的磷酸酶數(shù)值為酸性和堿性磷酸酶活性總和。南山森林土壤總有機(jī)碳（TOC）含量為6～17 g/kg，總氮含量為0.32～1.96 g/kg；土壤有機(jī)磷含量均低于無(wú)機(jī)磷。NS5土壤的各形態(tài)磷含量明顯較高，其余5種森林土壤中各形態(tài)磷（無(wú)機(jī)磷、有機(jī)磷和總磷）含量接近。南山森林土壤磷酸酶活性較高，為11 676.10～33 271.29 μg/g，顯著高于人工草地表層10 cm的磷酸酶活性[6]。森林土壤表層積累了大量腐殖質(zhì)，有充分的營(yíng)養(yǎng)源保證微生物的生長(zhǎng)，且表層水熱條件和土壤透氣性好，利于微生物的生長(zhǎng)繁殖，使得表層土壤酶活性較高[9]。

2.2 影響森林土壤磷酸酶活性的主要環(huán)境因素

2.2.1 土壤有機(jī)碳（TOC）和總氮（TN）含量對(duì)磷酸酶活性的影響 如圖1所示，磷酸酶活性和有機(jī)碳、總氮含量之間均具有顯著相關(guān)性。磷酸酶活性與TOC含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.39，P<0.01），與TN含量呈顯著負(fù)相關(guān)（r=0.45，P<0.05）。

土壤有機(jī)碳是生物殘?bào)w等有機(jī)物質(zhì)的輸入與以土壤微生物分解作用為主的有機(jī)物質(zhì)損失之間的平衡[10]，對(duì)于森林生態(tài)系統(tǒng)而言，有機(jī)碳主要來(lái)自于森林落葉等形成的腐殖質(zhì)。由于多數(shù)微生物都是從有機(jī)碳獲得能源物質(zhì)，有機(jī)碳對(duì)土壤微生物群落和活性有很大影響。土壤中微生物和植物都能夠產(chǎn)生礦化有機(jī)營(yíng)養(yǎng)成分的酶，豐富的有機(jī)質(zhì)可以提供更多碳源供微生物和植物生命活動(dòng)所需，從而產(chǎn)生更多數(shù)量的土壤酶。同時(shí)，酶活性的增強(qiáng)又能促進(jìn)有機(jī)磷的分解和轉(zhuǎn)化，加速有機(jī)磷向無(wú)機(jī)磷的轉(zhuǎn)化，為植被提供更多可利用磷。所以磷酸酶活性與TOC含量之間具有較好的正相關(guān)關(guān)系。

與之相反，南山森林土壤磷酸酶活性與TN之間則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。南山森林土壤TN含量為0.32～1.96 g/kg，含量較低。當(dāng)土壤可利用的營(yíng)養(yǎng)物含量低時(shí)，生物能夠提高土壤酶的產(chǎn)量以增加無(wú)機(jī)氮、磷的供給[11]。低濃度的氮含量能刺激森林土壤中根系和微生物加快分泌磷酸酶，使磷酸酶活性增強(qiáng)，從而出現(xiàn)總氮和磷酸酶活性負(fù)相關(guān)的結(jié)果。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)表層0～5 cm森林土壤中磷酸酶活性顯著高于底層土壤，與土壤TOC和TN含量均呈顯著正相關(guān)[5，6]，與本研究結(jié)果不同，這可能與土壤類型、管理措施、pH和水熱等因素有關(guān)。

2.2.2 土壤各形態(tài)磷對(duì)磷酸酶活性的影響 南山森林土壤各形態(tài)磷和磷酸酶活性的關(guān)系如圖2所示，磷酸酶活性與無(wú)機(jī)磷和總磷含量呈極顯著正相關(guān)，與有機(jī)磷含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.94（P<0.01）、0.95（P<0.01）和0.94（P<0.05）。

植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中需要吸收一定的磷，土壤有機(jī)磷是植物生長(zhǎng)所需磷元素的重要來(lái)源，但其不能被植物直接吸收，大部分有機(jī)磷需要礦化為無(wú)機(jī)態(tài)磷才能被植被吸收利用。有機(jī)磷能通過(guò)誘導(dǎo)作用提高土壤磷酸酶活性，與磷酸酶活性之間有很好的正相關(guān)性。當(dāng)土壤中供給植物所需的磷含量不足時(shí)，植物會(huì)在這種脅迫環(huán)境下分泌一些能夠分解有機(jī)磷的根際分泌物，比如低分子量有機(jī)酸、磷酸酶，降低土壤中有機(jī)磷含量[12]。另一方面，植物殘?bào)w進(jìn)入土壤腐爛后來(lái)不及分解會(huì)常年積累下來(lái)，因此有機(jī)磷也會(huì)積累。有機(jī)磷含量是消耗和積累兩個(gè)過(guò)程動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。南山森林土壤磷酸酶和有機(jī)磷含量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致[5，13]。磷酸酶大量產(chǎn)生后，將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷，所以磷酸酶活性與無(wú)機(jī)磷產(chǎn)率呈正比，即酶活性越強(qiáng)，無(wú)機(jī)磷含量越高。有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷總和即是總磷?？偭缀渴峭寥鲤B(yǎng)分的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)磷酸酶活性也有重要影響。

2.2.3 土壤重金屬對(duì)磷酸酶活性的影響 本研究檢測(cè)了森林土壤中銅（Cu）、鋅（Zn）和鎘（Cd）3種重金屬含量，其中銅未檢測(cè)到，鋅含量變化范圍為3.7～73.6 mg/kg，鎘含量為0.18～1.56 mg/kg。鋅、鎘與磷酸酶活性的關(guān)系如圖3所示，其中鎘元素對(duì)磷酸酶活性的影響更顯著。

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