酸雨脅迫對(duì)桉樹純林及混交林土壤pH和酶活性的影響

劉奎，何正峰，莫日彬，楊梅

(1.廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 廣西七坡國(guó)有林場(chǎng)，廣西 南寧 530000)

酸雨作為主要的環(huán)境問題之一，一直是全球關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。尤其中國(guó)的南方地區(qū)受酸雨的危害最為嚴(yán)重[2，3]，并且在不斷向我國(guó)北方地區(qū)蔓延。據(jù)研究報(bào)道，外源酸雨對(duì)土壤pH值和酸性磷酸酶活性影響顯著[4]；脲酶和纖維素酶受到一定的抑制作用，而蔗糖酶存在被激活的趨勢(shì)[5]；酸雨能夠抑制轉(zhuǎn)化酶的活性，但是顯著增強(qiáng)了氧化氫酶活性[6]。由此可知，土壤酶活性與酸雨有著非常密切的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，土壤酶作為評(píng)價(jià)林地肥力和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)之一[7]，而且又可以表征土壤物質(zhì)能量代謝旺盛的程度[8]，因此研究其對(duì)酸雨的響應(yīng)具有重要的意義。

桉樹是桃金娘科桉屬植物，屬于全球著名的三大速生樹種之一[9]，在中國(guó)林業(yè)發(fā)展中有著舉足輕重的地位[10]。前人對(duì)桉樹的研究主要集中在種苗培育[11]、木材加工[12]、生態(tài)效益[13]和病蟲害防治[14]等方面，但是酸雨對(duì)桉樹純林和混交林土壤酶活性的影響卻鮮見報(bào)道。酸沉降是近年來造成森林衰亡的主要原因之一[15]，桉樹作為我國(guó)重要的用材樹種來說，酸雨對(duì)其生長(zhǎng)以及生態(tài)環(huán)境的影響已經(jīng)嚴(yán)重威脅到生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的和諧發(fā)展。該文以尾巨桉純林與混交林(尾巨桉+大葉櫟)的土壤為研究對(duì)象，對(duì)比分析兩者在不同強(qiáng)度的酸雨處理下土壤酶活性的響應(yīng)機(jī)制。

1 研究方法

1.1 供試材料

該研究的土壤采樣地點(diǎn)位于廣西南寧市國(guó)有高峰林場(chǎng)科技園，108°08′—108°53′ E，22°49′—23°15′ N，處于南寧盆地的北緣，屬大明山山脈南伸的西支，地勢(shì)東高西低，主要為丘陵和山地地貌，南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度21.8 ℃，年積溫約7 200 ℃，年均降雨量約1 350 mm，降雨多集中在5—9月，年蒸發(fā)量1 250～1 620 mm。年日照時(shí)數(shù)1 450～1 650 h，相對(duì)濕度80%以上。地形為低丘，海拔為150～400 m，母巖為坡積母質(zhì)和殘積母質(zhì)，中、厚土層占80%以上，質(zhì)地為重壤至輕黏，土壤類型為砂頁(yè)巖發(fā)育形成的赤紅壤，土層厚度為60～100 cm，保水保肥良好。采樣時(shí)間為2016年5月，在廣西南寧市國(guó)有高峰林場(chǎng)科技園的5年生尾巨桉人工純林和5年生尾巨桉+大葉櫟人工混交林(混交比例1∶1)兩種林分采集土壤，在每個(gè)林分的上坡、中坡、下坡分別設(shè)置3個(gè)規(guī)格為20 m×20 m的樣地，在每個(gè)樣地內(nèi)以對(duì)角線法均勻挖取3個(gè)土壤剖面，然后分0～10、10～20、20～30和30～40 cm四層采集土樣。剔除植物殘?bào)w、石塊等侵入體，放置陰涼處保存，于2016年6月在苗圃進(jìn)行淋溶試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)廣西酸雨發(fā)生程度和平均離子組成配比，調(diào)配成H2SO4(98%)和HNO3(75%)體積比例為8∶1的酸雨母液，再用蒸餾水稀釋，并劃分為重度酸雨處理組(pH3.0)、中度酸雨處理組(pH4.0)和輕度酸雨處理組(pH5.6)，以蒸餾水(pH6.0)作為對(duì)照組，每一處理組設(shè)置5個(gè)重復(fù)。該研究采用土柱淋溶法，取同一林分類型的桉樹人工林土壤混合，分層裝入PVC管(高60 cm，內(nèi)徑 7.5 cm)，每層中間用窗紗或玻璃棉隔開，以便淋溶完畢后分開取出土壤和防止土粒流失，并在表層土壤層覆蓋桉樹落葉，以達(dá)到桉樹人工林的最原始狀態(tài)。淋溶裝置是使用能控制流速的樹體專用輸液袋(1 L)倒掛在PVC管上方，下方用直徑大于PVC管的漏斗罩住，且密封接口處，塑料管下方用廣口瓶接取淋洗液。模擬酸雨試驗(yàn)所用酸雨總量相當(dāng)于當(dāng)?shù)啬昃邓浚⒄酆蠘涔谥θ~截留后的70%左右進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)入林地土壤雨量約為910 mm·a-1。淋溶速率控制在30 mm·d-1，試驗(yàn)歷時(shí)30 d。試驗(yàn)結(jié)束后，即刻測(cè)定土壤pH值，并將土樣自然風(fēng)干、磨碎，過0.2mm篩以備土壤酶活性的測(cè)定。

1.3 指標(biāo)的測(cè)定

土壤的pH是使用便攜式pH計(jì)(PHBJ-260型)測(cè)定；土壤酶活性的測(cè)定參照關(guān)松蔭[16]的測(cè)定方法，土壤蔗糖酶采用3，5二硝基水楊酸比色法，土壤脲酶采用靛酚比色法，土壤過氧化氫酶采用容量法(高錳酸鉀滴定法)，土壤蛋白酶采用茚三酮比色法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)的處理

數(shù)據(jù)的整理、匯總、分析等均由Excel 2010和SPSS 20.0完成，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(LSD法，P<0.01)和Pearson雙側(cè)相關(guān)性檢驗(yàn)(P<0.01)。

2 結(jié)果與分析

2.1 酸雨對(duì)土壤pH的影響

由土壤pH隨酸雨pH的變化趨勢(shì)圖(圖1)可知，兩種林分的土壤酸堿度均隨著酸雨pH的降低而降低，但是尾巨桉純林與尾巨桉+大葉櫟混交林土壤各自對(duì)外源酸的緩沖能力卻不盡相同。

圖1 土壤pH隨酸雨pH的變化趨勢(shì)

供試土壤的初始pH值為4.9，空白對(duì)照組(pH6.0)處理下，尾巨桉純林與尾巨桉+大葉櫟的土壤pH均有略微的上升。當(dāng)酸雨pH降低至4.0時(shí)，尾巨桉純林的土壤pH迅速下降，比空白對(duì)照降低34.0%，而尾巨桉+大葉櫟的土壤pH僅降低10.0%，但是當(dāng)酸雨pH為3.0時(shí)，尾巨桉+大葉櫟的土壤pH也呈現(xiàn)出迅速下降的趨勢(shì)，兩種林分的土壤pH幾乎接近相同。由此可知，尾巨桉+大葉櫟的土壤有較大的酸緩沖容量，對(duì)輕度和中度酸雨的脅迫有較好的抵抗能力，但是重度酸雨(pH3.0)已經(jīng)超出該林分土壤對(duì)外源酸的緩沖能力范圍。

2.2 酸雨對(duì)土壤酶活性的影響

2.2.1 土壤蛋白酶 在不同強(qiáng)度酸雨處理下，尾巨桉純林與尾巨桉+大葉櫟的土壤蛋白酶活性變化可知(見圖2)，隨著酸雨pH的下降，兩種林分的土壤酶活性明顯降低，而且相同強(qiáng)度的酸雨下，尾巨桉+大葉櫟的土壤蛋白酶活性始終比尾巨桉純林的高。在空白對(duì)照(pH6.0)，輕度酸雨(pH5.6)和中度酸雨(pH4.0)三種處理下，尾巨桉+大葉櫟的土壤酶活性差異不顯著，而與重度酸雨(pH3.0)處理達(dá)到極顯著差異(P<0.01，下同)。輕中度酸雨處理下的尾巨桉純林土壤酶活性與空白對(duì)照組差異極顯著，并且與重度酸雨處理也達(dá)到極顯著水平。由此說明酸雨pH低至5.6時(shí)，尾巨桉純林的土壤蛋白酶活性就會(huì)受到抑制，而尾巨桉+大葉櫟的土壤蛋白酶活性受到明顯影響的酸雨pH在4.0左右。

圖2 酸雨對(duì)土壤蛋白酶活性的影響

2.2.2 土壤脲酶 由圖3可知，桉樹純林與桉樹+大葉櫟的土壤脲酶活性會(huì)隨著酸雨pH值的降低而降低，變化趨勢(shì)也基本一致。輕度酸雨(pH5.6)處理與空白對(duì)照組(pH6.0)對(duì)比，桉樹+大葉櫟土壤脲酶活性基本不變，而桉樹純林的土壤脲酶活性略有降低，但是均未達(dá)到顯著水平。中度酸雨和重度酸雨處理下，桉樹純林和桉樹+大葉櫟的土壤酶活性與輕度酸雨處理和空白對(duì)照組達(dá)到差異極顯著水平，并且桉樹純林與桉樹+大葉櫟的土壤脲酶活性也大致相同。由此可知，土壤脲酶活性隨著酸雨pH值的變化趨勢(shì)基本不受兩種林分類型的影響。

圖3 酸雨對(duì)土壤脲酶活性的影響

2.2.3 土壤蔗糖酶 由土壤蔗糖酶對(duì)不同強(qiáng)度酸雨的響應(yīng)可知(見圖4)，桉樹純林與桉樹+大葉櫟的土壤蔗糖酶活性會(huì)隨著酸雨pH值的減小而呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)?？瞻讓?duì)照組(pH6.0)處理下，桉樹純林與桉樹+大葉櫟的土壤蔗糖酶活性分別為10.36 mg·g-1·d-1和11.99 mg·g-1·d-1，輕度酸雨(pH5.6)處理比空白對(duì)照分別高出30.8%和14.1%。中度酸雨(pH4.0)處理下，桉樹純林與桉樹+大葉櫟的土壤蔗糖酶活性分別比空白對(duì)照高出44.6%和16.3%，說明中度酸雨和輕度酸雨有利于提高土壤蔗糖酶活性，提升效果最為明顯的是桉樹純林。但是當(dāng)重度酸雨(pH3.0)處理時(shí)，兩種林分的土壤蔗糖酶活性又迅速下降，極顯著低于空白對(duì)照組，這可能是高濃度的H+直接或者間接的抑制土壤蔗糖酶活性。

圖4 酸雨對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響

2.2.4 土壤過氧化氫酶 由兩種林分在不同強(qiáng)度酸雨處理下土壤過氧化氫酶活性的變化可知(見圖5)，土壤過氧化氫酶活性會(huì)隨著酸雨pH值的降低而減弱。空白對(duì)照組(pH6.0)與輕度酸雨(pH5.6)處理相比，桉樹純林和桉樹+大葉櫟的土壤過氧化氫酶活性差異不顯著，與中度酸雨處理和重度酸雨處理達(dá)到極顯著水平，說明中重度酸雨能夠顯著抑制土壤的過氧化氫酶活性。兩種林分的土壤過氧化氫酶活性之間的差異不明顯。

圖5 酸雨對(duì)土壤過氧化氫酶活性的影響

2.3 相關(guān)性分析

由酸雨pH與土壤酶活性的相關(guān)性分析可知(見表1，表2)，桉樹純林和桉樹+大葉櫟的土壤過氧化氫酶活性與酸雨pH呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)0.992和0.995，說明酸雨對(duì)土壤過氧化氫酶活性的影響最為顯著。桉樹純林的土壤過氧化氫酶活性與土壤脲酶活性呈顯著正相關(guān)(R=0.972)，而土壤蔗糖酶活性與酸雨pH相關(guān)性最低，相關(guān)系數(shù)僅為0.387。酸雨pH與桉樹+大葉櫟土壤脲酶活性顯著正相關(guān)，與土壤蛋白酶活性也高度相關(guān)(R=0.947)，但是并未達(dá)到顯著水平。桉樹+大葉櫟土壤過氧化氫酶活性與土壤蛋白酶活性呈顯著正相關(guān)(R=0.995)。

表1 桉樹純林的酸雨pH與土壤酶活性的相關(guān)性分析

表2 桉樹+大葉櫟混交林的酸雨pH與土壤酶活性的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

不同土壤對(duì)酸化的緩沖能力有所不同，主要取決于土壤的無機(jī)物含量、組分、結(jié)構(gòu)、pH值、堿飽和度、含鹽量等。酸性較強(qiáng)的赤紅壤、紅壤的緩沖能力較弱，相對(duì)來說偏中性的土壤對(duì)酸的緩沖能力較強(qiáng)[17]。該研究表明，桉樹純林與桉樹混交林的土壤pH隨著酸雨pH的降低呈現(xiàn)出先上升后降低的趨勢(shì)；桉樹+大葉櫟混交林對(duì)酸雨的緩沖能力較強(qiáng)；重度酸雨(pH3.0)時(shí)已經(jīng)超出兩種林分土壤對(duì)外源酸的緩沖能力范圍。這種結(jié)果可能是因?yàn)殍駱?大葉櫟混交林的土壤中的無機(jī)物含量、含鹽量和組分等維持在相對(duì)合理的范圍，并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有較好的抵抗逆境的能力。該研究結(jié)果與梁駿[18]等人的研究結(jié)果一致。

土壤酶作為土壤肥力的重要指標(biāo)，眾多有關(guān)酸雨對(duì)土壤酶的影響也是不盡相同。何偉靜[19]等人模擬酸雨噴淋，研究其對(duì)青岡幼苗3種土壤酶活性的影響，結(jié)果表明酸雨的pH越低，對(duì)土壤蔗糖酶活性激活作用越明顯，土壤脲酶活性也呈下降趨勢(shì)。與本研究結(jié)果相似，但是也有不同之處。本研究結(jié)果表明，蔗糖酶活性隨著酸雨pH的降低是先上升后下降，這種結(jié)果可能是由于供試土壤的不同造成的。土壤的過氧化氫酶活性與酸雨pH極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與蛋白酶活性呈正相關(guān)，但未達(dá)到顯著水平。王涵[20]等人的研究結(jié)果也表明，土壤過氧化氫酶活性和蛋白酶活性都呈現(xiàn)出酸化抑制的規(guī)律。桉樹純林與混交林的土壤過氧化氫酶活性都與酸雨pH極顯著正相關(guān)，說明酸雨對(duì)土壤的過氧化氫酶活性的影響最為顯著，這與徐冬梅[4]等人的研究結(jié)果相吻合。但是土壤酸化導(dǎo)致土壤酶活性降低的原因有多種，如改變酶的肽鏈構(gòu)象、影響其與底物的結(jié)合過程等，何種原因?qū)е麓私Y(jié)果仍不明確，還有待于進(jìn)一步的研究和探討。在相同pH酸雨處理下，桉樹+大葉櫟混交林土壤酶活性一般都比桉樹純林高，這反映了混交造林模式比純林模式抗外界環(huán)境脅迫能力更強(qiáng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

營(yíng)造混交林或許能夠成為抵抗酸雨脅迫的另一種有效措施，當(dāng)然今后還將對(duì)其他混交模式進(jìn)行綜合研究，探討酸雨對(duì)林木生長(zhǎng)以及土壤環(huán)境的影響機(jī)理，以期能夠?yàn)樗嵊陞^(qū)桉樹人工林退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和改造提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)參考。