磷添加對(duì)中亞熱帶米櫧和杉木細(xì)根分解及其酶活性的影響

洪慧濱, 林成芳,*, 彭建勤, 陳岳民, 魏翠翠, 楊玉盛

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 福建師范大學(xué)濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福州 350007

磷添加對(duì)中亞熱帶米櫧和杉木細(xì)根分解及其酶活性的影響

洪慧濱1,2, 林成芳1,2,*, 彭建勤1,2, 陳岳民1,2, 魏翠翠1,2, 楊玉盛1,2

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 福建師范大學(xué)濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福州 350007

為深入探討磷(P)有效性對(duì)中亞熱帶地區(qū)林木細(xì)根分解及其胞外酶活性的影響,選取福建省三明格氏栲自然保護(hù)區(qū)內(nèi)米櫧天然林為分解的實(shí)驗(yàn)樣地,采用網(wǎng)袋法以該區(qū)域較為典型且底物P含量有顯著差異的米櫧和杉木細(xì)根為研究對(duì)象,進(jìn)行P添加試驗(yàn)。各施P水平分別為高磷(HP,360 kg P hm-2a-1)、中磷(MP,240 kg P hm-2a-1)、低磷(LP,120 kg P hm-2a-1)和對(duì)照(CT,0 kg P hm-2a-1)。結(jié)果顯示：在2 a分解期內(nèi),米櫧細(xì)根分解快于杉木細(xì)根,呈先快后慢的變化趨勢(shì);P添加提高了細(xì)根的分解速率,對(duì)分解起促進(jìn)作用,且對(duì)P含量較低的杉木細(xì)根促進(jìn)作用更強(qiáng),但未隨施P水平的提高分解呈加速的現(xiàn)象?？傮w上,米櫧細(xì)根分解各種酶活性及總的累積酶活性均顯著高于杉木細(xì)根;主要降解纖維素的水解酶活性呈先升后降,主要降解木質(zhì)素的氧化酶活性呈增長(zhǎng)趨勢(shì);P添加降低了酸性磷酸酶(AP)活性,而提高了β-葡萄糖苷酶(βG)、纖維素水解酶(CBH)、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、酚氧化酶(PhOx)和過(guò)氧化物酶(PerOx)活性;回歸分析顯示細(xì)根的分解速率與水解酶呈顯著的二次函數(shù)關(guān)系,與氧化酶呈顯著的指數(shù)關(guān)系。研究表明,P是影響中亞帶林木細(xì)根分解的主要因素之一,分解過(guò)程中酶活性的變化可用于解釋細(xì)根的分解速率。對(duì)土壤P有效性低的中亞熱帶地區(qū)林木細(xì)根分解的機(jī)理探討,有助于進(jìn)一步了解森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)并為森林經(jīng)營(yíng)提供決策參考。

磷;細(xì)根;分解;酶活性;中亞熱帶

熱帶亞熱地區(qū)土壤風(fēng)化嚴(yán)重,礦石來(lái)源的P等必要養(yǎng)分處于不斷耗竭狀態(tài),且土壤中鐵鋁氧化物含量高,易與P形成絡(luò)合物,導(dǎo)致土壤P有效性很低[1- 3]。這種低P有效性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)過(guò)程的影響,已經(jīng)引起了生態(tài)學(xué)研究的關(guān)注[4- 6]。已有研究表明低P有效性限制了熱帶、亞熱帶生態(tài)系統(tǒng)的NPP(凈初級(jí)生產(chǎn)力)[7- 8],全球氣候變化下的N/S沉降加劇了系統(tǒng)潛在的P限制[8- 9],前期研究也發(fā)現(xiàn)細(xì)根分解速率常與P及其相聯(lián)系的凋落物質(zhì)量指標(biāo)顯著正相關(guān)[10]。然而,仍然沒(méi)有控制實(shí)驗(yàn)明確表明熱帶亞熱帶生態(tài)系統(tǒng)的分解過(guò)程受P限制。

底物的分解過(guò)程是在酶系統(tǒng)的綜合作用下完成,其活性的高低與分解速率顯著相關(guān)[11- 12],直接影響著物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率。同時(shí)底物質(zhì)量、分解環(huán)境(如溫度、水分、土壤理化性質(zhì)等)及N、P養(yǎng)分有效性都會(huì)影響酶的合成[13- 14],繼而對(duì)分解產(chǎn)生影響。因而通過(guò)測(cè)定分解過(guò)程中酶活性的變化可更好地跟蹤分解對(duì)細(xì)根性質(zhì)和環(huán)境變量的功能響應(yīng),為生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)提供一定的指示作用。

米櫧(Castanopsiscarlesii)是我國(guó)東部濕潤(rùn)亞熱帶典型的地帶性闊葉樹(shù)種,而杉木(Cunninghanialanceolata)為我國(guó)特有的速生針葉用材樹(shù)種,前期研究發(fā)現(xiàn)這兩種樹(shù)種細(xì)根的P含量具有顯著差異[10,15]。本研究選取以上這兩種細(xì)根,通過(guò)野外原位的不同水平的P添加控制試驗(yàn),觀測(cè)細(xì)根分解速率及分解過(guò)程中酶活性的變化,探討P有效性低的中亞熱帶地區(qū)林木細(xì)根分解的機(jī)理,有助于進(jìn)一步了解亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與反饋。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于福建師范大學(xué)三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化研究站的格氏栲自然保護(hù)區(qū)米櫧天然林(26°11′N,117°28′E)內(nèi),與武夷山脈相連,海拔約315 m,坡度約25°—35°,現(xiàn)有面積190 hm2,約200 a無(wú)人為干擾。屬中亞熱帶季風(fēng)氣候,年均氣溫19.1℃,年均降水量1749 mm(集中于3—8月份),相對(duì)濕度達(dá)81%。土壤以花崗巖發(fā)育的酸性紅壤為主,富含鐵鋁氧化物,具強(qiáng)P吸附能力,P有效性低。植被屬中亞熱帶常綠闊葉林帶,以米櫧(Castanopsiscarlesii)為建群樹(shù)種,區(qū)域內(nèi)典型針葉樹(shù)種為杉木(Cunninghamialanceolata),其它樹(shù)種有木荷(Schimasuperba)、桂北木姜子(Litseasubcoriace)、赤楠(Radixsyzygii)、冬青(Ilexpubescens)等,林分平均胸徑20 cm,平均樹(shù)高11.9 m,林下地被層較厚,并散布有枯立木、倒木和死樹(shù)枝桿等,枯枝落葉厚度5—8 cm,細(xì)根生物量達(dá)1.2 kg/m3。

表1 試驗(yàn)地的基本特征和土壤表層(0—20 cm)理化性質(zhì)

1.2 分解樣品的收集

2013年3月在三明格氏栲自然保護(hù)區(qū)以米櫧為主要樹(shù)種的天然林和臨近的杉木人工林內(nèi),采用挖掘法收集新鮮米櫧、杉木細(xì)根(≤2 mm),帶回室內(nèi)風(fēng)干,并將其混合均勻后,分別以每袋(2±0.005) g裝入大小20 cm×20 cm、底部網(wǎng)孔為0.2 mm、上部網(wǎng)孔為0.3 mm的尼龍網(wǎng)袋中備用。選取細(xì)根化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 米櫧和杉木細(xì)根初始化學(xué)性質(zhì)(n=3)

同一列數(shù)字后不同表示差異顯著(P<0.05)

1.3 分解樣地設(shè)計(jì)與處理

2013年4月,在天然米櫧天然林里隨機(jī)各選取3個(gè)重復(fù)小區(qū)(具相同的土壤類型、類似的海拔和坡度),每個(gè)小區(qū)內(nèi)按米櫧和杉木細(xì)根分別進(jìn)行對(duì)照(CT)、低磷(LP)、中磷(MP)、高磷(HP)4個(gè)處理,每種處理間設(shè)置5m的緩沖帶。埋袋時(shí)每個(gè)尼龍網(wǎng)袋間隔20 cm,以45°斜埋置于地表土壤里,并用尼龍繩綁在一起,貼上標(biāo)簽,用鐵釘固定于地表。在2a的分解期內(nèi),施用Ca(H2PO4)2H2O溶液,施P處理分別為0 、120 、240 、360 kg P hm-2a-1,每年3次。分別于埋袋3、6、9、12、18、24個(gè)月后取樣,每次每個(gè)小區(qū)每種細(xì)根各處理各取4袋帶回實(shí)驗(yàn)室,挑去長(zhǎng)入的細(xì)根、泥土和小動(dòng)物等雜物后,其中3袋用于計(jì)算細(xì)根殘留率(60℃烘箱中烘干至恒重,用4位數(shù)電子天平稱量);另1袋裝入保鮮袋于4℃冰箱中保存,并盡快進(jìn)行酶活性測(cè)定。

1.4 酶活性測(cè)定

參照Saiya-Cork[16]的研究方法測(cè)定細(xì)根中6種參與分解纖維素和木質(zhì)素的胞外酶活性,并做改進(jìn)[17],各種酶的縮寫(xiě)、編號(hào)、功能及所用底物見(jiàn)表3。分析樣品前處理：取0.50 g細(xì)根(剪碎,≈0.5 cm)加入125 mL醋酸鈉緩沖液(50 mmol/L、pH 5.0),用磁力攪拌器攪拌約10 min至均質(zhì)化。待溶液澄清后倒入玻璃皿中,用8孔移液槍取200 μL移入96孔微孔板。分析樣品都有16個(gè)重復(fù)(200 μL樣液+50 μL 200 μmol/L底物溶液),8個(gè)陰性控制(200 μL緩沖液+50 μL底物溶液)及空白(200 μL樣液+50 μL緩沖液)作以對(duì)照,而過(guò)氧化物酶(PerOx)在酚氧化酶(PhOx)基礎(chǔ)上,每個(gè)孔再添加10 μL的0.3% H2O2;水解酶加以8個(gè)淬火標(biāo)準(zhǔn)液(200 ul樣液+50 μL標(biāo)準(zhǔn)液)及淬火標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照液(200 μL緩沖液+50 μL標(biāo)準(zhǔn)液)進(jìn)行校正。

水解酶(βG、CBH、NAG、AP)微孔板在20 ℃培養(yǎng)箱黑暗中孵育4 h后,向每個(gè)微孔中加入10 μL NaOH(1.0 mol/L)使其反應(yīng)停止,5min左右后用Synergy H4多功能酶標(biāo)儀(美國(guó)Bio-Tek產(chǎn))配備的365 nm激發(fā)光譜和450 nm熒光掃描濾片的微孔板熒光光度計(jì)測(cè)定其熒光度,用陰性對(duì)照和淬火標(biāo)準(zhǔn)液校正后,酶活性以每小時(shí)每克干物質(zhì)產(chǎn)生底物的摩爾數(shù)(nmol g-1h-1)計(jì)算;而氧化酶(PhOx、PerOx)微孔板則置于相同條件下孵育18 h后,用微孔板分光光度計(jì)測(cè)定其在450 nm處的吸光度,以μmol g-1h-1為單位表示。

表3 細(xì)根中測(cè)定的幾類重要的胞外酶、功能及其相應(yīng)的底物和縮寫(xiě)

4-MUB: 4-methylumbelliferyl; DOPA: L- 3,4-dihydroxyphenylalanine

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)均基于SPSS 19.0和Microsoft Excel 2003及Origin 8.5軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)、相關(guān)性分析(Pearson 法)和最小顯著性差異法(LSD)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異,顯著性水平設(shè)為P<0.05。網(wǎng)袋法細(xì)根干重殘留率=Xt/X0×100%,式中X0為細(xì)根的初始質(zhì)量(g),Xt為時(shí)間t時(shí)細(xì)根殘留干重(g)。細(xì)根分解速率用Olson指數(shù)衰減模型計(jì)算：Xt/X0=exp-kt,式中k為分解常數(shù)。由分解模型可得到細(xì)根分解的半衰期(50%分解)計(jì)算式,t0.05=ln 0.5/(-k);完全分解時(shí)間( 95%分解) 計(jì)算式為：t0.95=ln 0.05/(-k)。累積酶活性值是根據(jù)梯形積分法,計(jì)算隨分解時(shí)間所繪制的酶活性曲線圖的面積而得[18];總累積酶活性即為同個(gè)處理所有分解累積酶活性值之和(μmol g-1h-1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 P添加對(duì)中亞帶樹(shù)種細(xì)根干重殘留率的影響

選取的細(xì)根初始化學(xué)性質(zhì)有明顯的差異(表2)。米櫧細(xì)根N、P養(yǎng)分顯著高于杉木細(xì)根,與杉木相比,米櫧細(xì)根有更低的木質(zhì)素濃度、C/N、C/P、N/P、木質(zhì)素/N與木質(zhì)素/P(P<0.001),而纖維素濃度(22.45%)顯著高于杉木細(xì)根(14.90%)(P<0.01)(表2)。

圖1 細(xì)根分解干重?fù)p失動(dòng)態(tài)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)(n=9)Fig.1 Percentage of dry- mass remaining over time in decomposing fine roots (Mean±SD)(n=9)

2 a分解期內(nèi),各處理米櫧細(xì)根干重殘留率均顯著低于杉木(P<0.05),細(xì)根分解呈前期(0—180 d)分解快,后期(360—720 d)分解慢的變化特點(diǎn),P添加提高了細(xì)根的損失,但處理間沒(méi)有顯著差異(P>0.05),分解后期米櫧細(xì)根差異不明顯(圖1)。不同細(xì)根分解干重?fù)p失率均呈現(xiàn)出指數(shù)衰減過(guò)程(表4),利用Olson模型求得的米櫧和杉木細(xì)根分解系數(shù)k大小分別為MP(0.3811)>LP(0.3771)>HP(0.3655)>CT(0.3549)、MP(0.3048)>LP(0.2565)>HP(0.2436)>CT(0.2212),說(shuō)明在2 a的分解期內(nèi),米櫧細(xì)根分解快于杉木細(xì)根,P添加提高了細(xì)根的分解速率,對(duì)其分解起促進(jìn)作用,不同P處理因分解時(shí)間而異,與米櫧相比,P添加對(duì)P含量較低的杉木細(xì)根促進(jìn)作用更強(qiáng)。

表4 不同P水平細(xì)根分解干重?fù)p失率及其分解常數(shù)(k)

2.2 P添加對(duì)細(xì)根分解過(guò)程中分解酶活性的影響

圖2 不同P水平米櫧細(xì)根酶活性的動(dòng)態(tài)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)(n=3)Fig.2 Dynamic of different levels of phosphorus in root enzyme activity (Mean±SD) (n=3)酸性磷酸酶(AP, Acid phosphatase); β-葡萄糖苷酶(βG, β- 1,4-glucosidase); 纖維素水解酶(CBH, Cellobiohydrolase); β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG, β- 1,4-N-acetylglucosaminidase); 酚氧化酶(PhOx, Phenol Oxidase); 過(guò)氧化物酶(PerOx, Peroxidase)

細(xì)根分解酶活性與細(xì)根種類和分解時(shí)間極顯著相關(guān)(P<0.001)。2 a 分解期內(nèi),四類主要分解纖維素的水解酶：酸性磷酸酶(AP,主要在酸性條件下將復(fù)雜的有機(jī)P水解轉(zhuǎn)化為可利用的無(wú)機(jī)P,參與生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)[19])、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG,主要分解含氮的高分子有機(jī)物如幾丁質(zhì)以獲得N,參與系統(tǒng)氮循環(huán))及與碳循環(huán)有關(guān)的β-葡萄糖苷酶(βG)和纖維素水解酶(CBH),在分解初期(90—270 d)酶活性值有上升趨勢(shì),在270—360 d分解期間(夏秋季)達(dá)到最高值而后下降,后期(540—720 d)分解過(guò)程中活性值變化幅度變小;而兩類主要分解木質(zhì)素的氧化酶(主要獲得C,參與系統(tǒng)的碳循環(huán))：酚氧化酶(PhOx)和過(guò)氧化物酶(PerOx)活性各處理均隨分解時(shí)間呈上升趨勢(shì)(圖2—圖3)?？傮w上,各處理米櫧的分解酶活性顯著高于杉木,P 添加顯著降低了細(xì)根AP的活性(P<0.01),提高了βG、CBH、NAG、PhOx和PerOx活性(P<0.01),并隨分解時(shí)間進(jìn)行其變化幅度不一致,而磷處理對(duì)杉木細(xì)根PerOx活性沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的意義(P>0.05),說(shuō)明分解是由多種酶綜合作用的結(jié)果(圖2—圖3)。

圖3 不同P水平杉木細(xì)根酶活性的動(dòng)態(tài)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)(n=3)Fig.3 Dynamic of different levels of phosphorus in root enzyme activity (Mean±SD) (n=3)酸性磷酸酶(AP, Acid phosphatase); β-葡萄糖苷酶(βG, β- 1,4-glucosidase); 纖維素水解酶(CBH, Cellobiohydrolase); β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG, β- 1,4-N-acetylglucosaminidase); 酚氧化酶(PhOx, Phenol Oxidase); 過(guò)氧化物酶(PerOx, Peroxidase)

分解2 a后,兩細(xì)根 βG、PhOx和PerOx活性大小順序均為HP > MP > LP > CT,CBH為HP > LP > MP > CT,而米櫧和杉木細(xì)根NAG活性大小順序依次為L(zhǎng)P > MP > HP > CT、HP > LP > MP > CT,表現(xiàn)出對(duì)共同處理的敏感性差異。相對(duì)于CT,P添加抑制了細(xì)根分解AP活性的積累,與磷水平梯度呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4);但促進(jìn)了βG、CBH、NAG、PhOx和PerOx活性的積累。與CT相比,各處理βG和CBH活性累積比率最大,HP處理酶活性累積量遠(yuǎn)高于其它組處理,βG、PhOx和PerOx活性累積量與磷水平梯度顯著正相關(guān)(P<0.01),而杉木細(xì)根的CBH和NAG活性與米櫧細(xì)根NAG活性的累積量與P處理呈正相關(guān),但關(guān)系不顯著(P>0.05)(圖4)。

其次,總累積酶活性可綜合表征微生物的生命活動(dòng)強(qiáng)度[20]。米櫧細(xì)根分解過(guò)程中總累積酶活性量顯著多于杉木細(xì)根,P添加水平與總累積酶活性量呈正相關(guān),說(shuō)明P添加增強(qiáng)了微生物的整體活動(dòng)強(qiáng)度。各處理的米櫧分解總累積酶活性有顯著差異(P<0.05),而LP和MP處理間的杉木分解總累積酶活性量無(wú)明顯區(qū)別(圖4),但P添加后,相比CT,各處理下杉木總累積酶活性的累積量均多于米櫧細(xì)根。

圖4 細(xì)根分解累積酶活性增長(zhǎng)率(相對(duì)CT)與總累積酶活性的變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)(n=3)Fig.4 Dynamic of fine root net rate of CT and total cumulative enzyme activity-days (Mean±SD) (n=3)不同大寫(xiě)字母表示不同處理同種樹(shù)種細(xì)根間總累積酶活性值差異顯著,小寫(xiě)字母表示不同樹(shù)種細(xì)根間差異顯著(P<0.05);酸性磷酸酶(AP, Acid phosphatase); β-葡萄糖苷酶(βG, β- 1,4-glucosidase); 纖維素水解酶(CBH, Cellobiohydrolase); β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG, β- 1,4-N-acetylglucosaminidase); 酚氧化酶(PhOx, Phenol Oxidase); 過(guò)氧化物酶(PerOx, Peroxidase)

2.3 細(xì)根分解與其酶活性的相互關(guān)系

米櫧和杉木細(xì)根分解速率與PhOx和PerOx活性呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與AP活性呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);并與βG和CBH活性呈正相關(guān),與NAG活性呈負(fù)相關(guān),但米櫧的βG和NAG與杉木的βG和CBH活性與其分解速率均無(wú)顯著差異(P>0.05)(表5);細(xì)根分解速率與水解酶活性呈極顯著的二次函數(shù)關(guān)系,與氧化酶活性呈極顯著的指數(shù)關(guān)系(P<0.01)(表6),表明后期分解主要受氧化酶影響。

表5 細(xì)根分解速率與其酶活性的相關(guān)關(guān)系

*P<0.05; **P<0.01. 酸性磷酸酶(AP, Acid phosphatase); β-葡萄糖苷酶(βG, β- 1,4-glucosidase); 纖維素水解酶(CBH, Cellobiohydrolase); β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG, β- 1,4-N-acetylglucosaminidase); 酚氧化酶(PhOx, Phenol Oxidase); 過(guò)氧化物酶(PerOx, Peroxidase)

表6 細(xì)根分解速率與其酶活性的回歸擬合

*P<0.05; **P<0.01. 酸性磷酸酶(AP, Acid phosphatase); β-葡萄糖苷酶(βG, β- 1,4-glucosidase); 纖維素水解酶(CBH, Cellobiohydrolase); β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG, β- 1,4-N-acetylglucosaminidase); 酚氧化酶(PhOx, Phenol Oxidase); 過(guò)氧化物酶(PerOx, Peroxidase)

3 討論

3.1 不同細(xì)根基質(zhì)質(zhì)量對(duì)細(xì)根分解及其酶活性的影響

本研究中細(xì)根分解具有階段性,呈先快后慢的變化趨勢(shì),且分解速率與與水解酶活性呈極顯著的二次函數(shù)關(guān)系,與氧化酶活性呈極顯著的指數(shù)關(guān)系,與已有關(guān)于分解的研究結(jié)果基本一致[10,15,21- 24]。主要原因是分解酶為細(xì)根分解過(guò)程的重要驅(qū)動(dòng)力,但不同分解階段分解酶各有分工。即分解初期的淋溶階段,與可溶性糖類有關(guān)的纖維素分解酶活性發(fā)揮優(yōu)勢(shì)作用,隨分解進(jìn)行易達(dá)到峰值,纖維素等多糖類物質(zhì)被優(yōu)先分解,細(xì)根中可萃取物濃度迅速下降并逐漸淋失,隨后其活性也顯著下降;而后期酸不溶性物質(zhì)等難分解的化合物濃度不斷累積,與該類化合物有關(guān)的木質(zhì)素分解酶活性在分解過(guò)程中逐漸提高,成為分解快慢的主導(dǎo)因素。且已有研究表明只有少數(shù)微生物能產(chǎn)生分解后期物質(zhì)所需的酶,并只會(huì)在得不到其它更易分解底物時(shí)才產(chǎn)生[25],微生物生物量及養(yǎng)分會(huì)隨細(xì)根底物的逐漸減少而下降[26],不適宜細(xì)菌、真菌和放線菌等微生物定居[27],從而抑制后期分解的速率。此外,季節(jié)性降雨也會(huì)極顯著影響亞熱帶常綠闊葉林樹(shù)種凋落物的纖維素和木質(zhì)素的降解率[28],適宜的水熱等條件下土壤動(dòng)物與微生物活性增強(qiáng),更有利于細(xì)根的分解。而本試驗(yàn)中水解酶活性值在夏秋季達(dá)到最高,氧化酶活性基本不受季節(jié)性影響,與分解時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系,表明分解是多種分解酶共同作用的結(jié)果。

細(xì)根基質(zhì)質(zhì)量是調(diào)控分解的內(nèi)在因素,細(xì)根中的N、P、C/N、木質(zhì)素含量、木質(zhì)素/N和木質(zhì)素/N也常作為分解速率的衡量指標(biāo)[16,29]。本研究結(jié)果顯示,米櫧細(xì)根分解快于杉木細(xì)根。這是因?yàn)殚熑~樹(shù)種(米櫧)細(xì)根品質(zhì)高,比針葉樹(shù)種(杉木)具有更高的養(yǎng)分濃度,更低的酸不溶性物質(zhì)濃度、C/N和酸不溶性物質(zhì)/N,因此分解速率更快[21,30]。且本研究結(jié)果顯示細(xì)根分解速率與氧化酶活性呈極顯著的正相關(guān),米櫧細(xì)根各分解酶活性及其累積量與總的酶活性累積量均顯著多于杉木細(xì)根,這可能也是米櫧細(xì)根分解快于杉木的重要原因。然而B(niǎo)randt等[31]認(rèn)為凋落物分解過(guò)程中微生物新陳代謝能形成木質(zhì)素類似物,其代謝產(chǎn)物與分解酶活性次生產(chǎn)物會(huì)間接影響分解。如杉木細(xì)根中具有的較高多酚類物質(zhì)在分解后期產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物,可能不利于土壤生物群落生長(zhǎng)和繁衍,限制微生物降解木質(zhì)素酶的分泌[32];且杉木細(xì)根中較低的初始N、P養(yǎng)分可能不足以提供微生物更多的能量,菌根真菌通過(guò)與根交換N、P得到C的能力受阻,進(jìn)而也會(huì)限制其分解的速率[6,33]。此外,Sinsabaugh等[34]研究發(fā)現(xiàn),過(guò)氧化物酶和酚氧化酶的活性隨凋落物木質(zhì)素濃度和次生化合物含量的增加而升高;與米櫧相比,杉木中富含的木質(zhì)素和酸難溶性化合物等遮蔽酶對(duì)底物的作用可能更強(qiáng),降低酶催化效率,進(jìn)而降低分解的速率。同時(shí),不同酶之間的相互作用也會(huì)影響分解。凋落物分解中存在“主場(chǎng)優(yōu)勢(shì)(Home-field advantage)”特征[35],本研究中米櫧細(xì)根在米櫧天然林里分解,具有主場(chǎng)優(yōu)勢(shì),這也可能是導(dǎo)致其比杉木分解快的原因之一。

3.2 外源P添加對(duì)細(xì)根分解及其酶活性的影響

本研究中2 a的P添加提高了細(xì)根的分解速率,對(duì)細(xì)根分解起促進(jìn)作用。P添加提高了βG、CBH、NAG、PhOx和PerOx活性,降低了AP活性。細(xì)根分解速率與PhOx和PerOx活性呈極顯著正相關(guān),與AP活性呈極顯著負(fù)相關(guān),與多數(shù)研究結(jié)果一致[7,36- 37]。因而P是影響中亞熱帶林木細(xì)根分解的重要因素。盡管本研究試驗(yàn)地土壤中富含的鐵鋁氧化物,具強(qiáng)P吸附能力,然而本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)P添加促進(jìn)了細(xì)根分解。有研究表明微生物可迅速利用外源添加的P,在生物吸收和土壤吸附有效P的競(jìng)爭(zhēng)中起支配作用[26,38],并促進(jìn)微生物量和參與分解的胞外酶活性提高,有利于細(xì)根中纖維素和木質(zhì)素的降解[39],從而促進(jìn)細(xì)根的分解。根據(jù)生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)的“最優(yōu)配置”模型原理[40](即建立在酶的生產(chǎn)對(duì)養(yǎng)分資源有效性敏感的假設(shè)基礎(chǔ)上,微生物將更多的目標(biāo)放在最需求的資源),外源P添加后,P的有效性提高,微生物將投資更少的能量獲得P,重新分配資源,轉(zhuǎn)向提高獲得C、N的胞外酶活性[7,11,41]。另一方面,P輸入能夠直接影響到植物、土壤動(dòng)物和微生物的新陳代謝活動(dòng),影響土壤酶分泌的數(shù)量,影響凋落物分解酶的活性,酶活性的提高也有助于凋落物中有機(jī)質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)換及養(yǎng)分元素的釋放[42]。

各P添加水平下杉木細(xì)根分解干重殘留率的變化幅度均比米櫧的明顯,說(shuō)明P含量較低的杉木細(xì)根分解對(duì)P的添加敏感性更高,促進(jìn)作用更強(qiáng)。另外,P添加也大大促進(jìn)了分解過(guò)程中的總累積酶活性量,呈現(xiàn)HP>MP>LP>CT,HP處理酶活性累積量遠(yuǎn)高于其它組處理。利用Olson模型求得細(xì)根分解系數(shù)k為MP>LP>HP>CT,且HP處理半分解時(shí)間顯著多于LP和MP處理,說(shuō)明高酶活性的積累量有利于分解。酶活性積累量隨施P水平提高而增加,但未呈現(xiàn)隨P添加量提高細(xì)根分解加速的現(xiàn)象,可能是由于P添加增強(qiáng)了微生物總體活性,但微生物作用于分解的能量以及應(yīng)對(duì)P添加水平的策略不同[19]。而過(guò)量的P添加可能引起分解中所需碳氮磷比例失調(diào)而導(dǎo)致土壤酸化,分解反而受C或N等其他因子的調(diào)控[6]。這為森林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)與管理提供了有益的參考。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)米櫧細(xì)根分解快于杉木細(xì)根,隨分解進(jìn)行呈先快后慢的變化趨勢(shì)。P添加提高了細(xì)根的分解速率,對(duì)分解起促進(jìn)作用,對(duì)P含量較低的杉木細(xì)根促進(jìn)作用更強(qiáng),但未呈現(xiàn)隨P水平提高分解加快的規(guī)律。結(jié)果表明P是影響中亞帶林木細(xì)根分解的主要因素之一,而分解過(guò)程中酶活性的變化可用于解釋分解速率的變化。為深入了解P有效性對(duì)細(xì)根分解影響,未來(lái)研究應(yīng)結(jié)合室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn),并運(yùn)用PCR、PLFA技術(shù)觀測(cè)分解過(guò)程中微生物結(jié)構(gòu)變化,同位素示蹤法追蹤分解產(chǎn)物的去向。

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Effects of phosphorus addition on fine root decomposition and enzyme activity ofCastanopsiscarlesiiandCunninghamialanceolatain subtropical forest

HONG Huibin1,2, LIN Chengfang1,2,*, PENG Jianqin1,2, CHEN Yuemin1,2, WEI Cuicui1,2, YANG Yusheng1,2

1CollegeofGeographicalSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2StateKeyLaboratoryofSubtropicalMountainEcology(FoundedbyMinistryofScienceandTechnologyandFujianProvince),FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China

It is well known that phosphorus (P) is one of the most important elements frequently limiting primary productivity in tropical and subtropical ecosystems. However, the effect of P availability on the decomposition rate of fine roots has yet to be confirmed by experimental manipulation. In order to examine fine root decomposition in response to P addition, we conducted litterbag experiments using the fine roots ofCastanopsiscarlesiiandCunninghamialanceolata, which are two tree species typical of subtropical forests. The experimental site is located in Sanming Castanopsis Kawakamii nature reserve of Fujian. We examined the effects of four levels of P addition: high P (HP, 360 kg P hm-2a-1), medium P (MP, 240 kg P hm-2a-1), low P (LP, 120 kg P hm-2a-1), and control (CT, 0 kg P hm-2a-1). During the 2-year experimental period, it was found thatC.carlesiifine roots decomposed faster than those ofC.lanceolata, and that the decomposition rates were relatively rapid during the initial phase and slow during the later phase. P addition increased the fine root decomposition rates in both species, although it had a greater stimulatory effect onC.lanceolatafine roots. However, the decomposition rates did not accelerate with increasing P addition level. During the decomposition process, the enzyme and accumulated enzyme activities inC.carlesiifine roots were significantly higher than those inC.lanceolata. The pattern of cellulose-degrading enzyme activity showed an initial increase, but subsequently decreased after reaching a peak. In contrast, degradation of recalcitrant lignin gradually increased during the decomposition process. There was a significant correlation between hydrolase activity and the fine root decomposition rate (P< 0.05), and an exponential relationship between oxidase activity and the fine root decomposition rate. P addition decreased acid phosphatase activity, but significantly increased the activities of β- 1,4-glucosidase, cellobiohydrolase, β- 1,4-N-acetylglucosaminidase, phenol oxidase, and peroxidase during fine root decomposition. The results show that P is one of the main factors affecting subtropical tree fine root decomposition, and that changes in enzyme activities during the decomposition process can explain the observed decomposition rates. The present study reveals the mechanism of fine root decomposition in a subtropical forest with low soil phosphorus availability, which is conducive to both understanding nutrient cycling and decision making in forest management.

phosphorus; fine root; decomposition; enzyme activity; subtropical region

國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(31270584);國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(31130013)

2016- 08- 08;

2016- 10- 27

10.5846/stxb201608081625

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tonylcf99@163.com

洪慧濱, 林成芳, 彭建勤, 陳岳民, 魏翠翠, 楊玉盛.磷添加對(duì)中亞熱帶米櫧和杉木細(xì)根分解及其酶活性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(1):136- 146.

Hong H B, Lin C F, Peng J Q, Chen Y M, Wei C C, Yang Y S.Effects of phosphorus addition on fine root decomposition and enzyme activity ofCastanopsiscarlesiiandCunninghamialanceolatain subtropical forest.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):136- 146.