華西雨屏區(qū)不同林齡杉木人工林土壤酶活性的動態(tài)變化1)

涂程偉 彭彩云 柳蘋玉 李琪 張亞 李天玲 肖玖金

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，成都，611130)

人工林是我國工業(yè)用材的主要來源，兼具生態(tài)效益，杉木(Cunninghamialanceolata)具有生長快，用途廣等優(yōu)點[1-2]。杉木林多年連栽，面臨著杉木林土壤肥力和生物多樣性降低的現(xiàn)象[3]。在所有的土壤營養(yǎng)循環(huán)過程中，都有土壤酶的直接或間接參與[4-5]。土壤酶是土壤中的一類特殊的具有催化作用的蛋白質(zhì)，其活性與微生物養(yǎng)分需求和土壤養(yǎng)分供給息息相關(guān)，并影響著林木生長的整個過程[6-7]。森林土壤酶活性的影響因素是一個復(fù)雜的綜合體系，許多學(xué)者開展了不同植被下土壤酶活性研究[8-12]，認為不同植被類型下土壤酶活性特征不同。如酸雨區(qū)杉木林氧化還原類酶在不同林齡的土壤中差異顯著，且與pH值顯著相關(guān)[13]；隨杉木人工林林齡的增加，土壤許多理化性質(zhì)的退化會導(dǎo)致酸性磷酸酶、過氧化氫酶、脲酶、蛋白酶活性均有所降低[14]；杉木林根際土壤酶活性計量比與取樣季節(jié)顯著相關(guān)[15]；降水量的減少使參與碳循環(huán)的酶活性提高，并且干濕季土壤酶活性變化的主要驅(qū)動因子不一致[16]?？偟膩碚f，不同林齡與季節(jié)擁有不同的溫度、水分、微生物量、真菌細菌比、植被生長情況等條件，共同驅(qū)動土壤酶活性發(fā)生變化[17-21]。

華西雨屏區(qū)是川西氣候獨特的多雨地帶[22]，而對該地區(qū)不同林齡杉木林土壤酶活性季節(jié)動態(tài)未見報道，因此，研究該區(qū)不同林齡杉木林土壤酶活性特征，以及土壤酶活性的響應(yīng)機制，以期為人工杉木林的經(jīng)營調(diào)整與改造提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于眉山市洪雅縣洪雅林場八面山工區(qū)，地處四川盆地西南邊緣，海拔1 316 m，屬中亞熱帶濕潤氣候，氣候溫和、雨量充沛，年降水量1 435.5 mm，土壤類型為山地黃壤，地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林[23]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在2008年、2001年、1993年營造的杉木純林中，于2017年選擇類似的地形地貌、海拔、母巖、土壤類型、坡度、坡位等分別為設(shè)置3個20 m×20 m重復(fù)固定樣地，分別為樣地1(幼齡林，林齡10 a)、樣地2(中齡林，林齡17 a)、樣地3(近熟林，林齡25 a)。樣地的概況和主要理化性質(zhì)見表1、2。

表1 樣地概況

表2 土壤主要理化性質(zhì)

2.2 土壤酶活性的測定

2018年1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)、10月(秋季)在不同林齡各樣地內(nèi)隨機設(shè)置“品”字形取樣點，去除地表覆蓋物，使用環(huán)刀取0～10 cm土樣，每層重復(fù)3次，帶回實驗室陰干，土樣磨細后過20目篩，放入試劑瓶封好備用。參照文獻[25]，分別測定纖維素水解酶(CBH)、β-葡萄糖苷酶(βG)、酸性磷酸酶(AP)、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、多酚氧化酶(PPO)、過氧化物酶(POD)等土壤酶活性。

2.3 數(shù)據(jù)處理

用EXCEL對數(shù)據(jù)進行收集與整理，SPSS19.0進行數(shù)據(jù)分析。對不同林齡及季節(jié)的土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性進行單因素、雙因素方差分析和最小顯著差異法(LSD)檢驗，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 林齡、季節(jié)以及林齡×季節(jié)交互作用對酶活性的影響

由表3可知，林齡、季節(jié)以及林齡×季節(jié)交互作用對纖維素水解酶(CBH)及β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性影響均極顯著(P<0.01)；林齡對β-葡萄糖苷酶與酸性磷酸酶活性的影響達極顯著(P<0.01)，季節(jié)對β-葡萄糖苷酶(βG)和酸性磷酸酶(AP)活性的影響小于林齡的影響，也達顯著水平(P<0.05)；林齡對多酚氧化酶(PPO)的影響不顯著，但季節(jié)以及林齡×季節(jié)交互作用對多酚氧化酶(PPO)活性的影響達極顯著(P<0.01)；林齡及季節(jié)均對過氧化物酶(POD)活性有顯著影響(P<0.05)，但林齡×季節(jié)交互作用對過氧化物酶(POD)活性的影響不顯著。纖維素水解酶(CBH)、β-葡萄糖苷酶(βG)、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、多酚氧化酶(PPO)等受雙因素交互作用影響極顯著(P<0.01)，即說明不同林齡的酶活性隨季節(jié)變化趨勢有所不同。

表3 酶活性的雙因素方差分析(F值)

3.2 不同林齡不同季節(jié)的杉木林土壤酶活性

由表4可知，林齡10 a的杉木林土壤的纖維素水解酶(CBH)活性顯著高于林齡17 a和25 a杉木林土壤(P<0.05)，林齡25 a的杉木林土壤的纖維素水解酶(CBH)活性大于林齡17 a的杉木林土壤，但差異不顯著(P>0.05)，表明幼齡林土壤CBH酶活性較高；春季CBH酶活性均極顯著高于其它季節(jié)(P<0.01)；25 a杉木林土壤CBH酶活性在春季高于17 a杉木林土壤，但夏季卻顯著低于17 a杉木林土壤(P<0.05)。

表4 各林齡不同月份土壤CBH酶活性

由表5可知，10 a杉木林土壤的β-葡萄糖苷酶(βG)活性顯著高于25 a杉木林土壤(P<0.05)，25 a杉木林土壤的β-葡萄糖苷酶(βG)活性顯著高于17 a杉木林土壤(P<0.05)，βG酶活性隨林齡增長呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢；17 a杉木林土壤下，春季βG酶活性顯著低于其它季節(jié)(P<0.05)，其它林齡中βG酶活性的季節(jié)差異均不顯著(P>0.05)。17 a杉木林土壤βG酶活性在春季均較低，且3種林齡下土壤酶活性由夏至秋的變化趨勢均不同。

表5 各林齡不同月份土壤βG酶活性

由表6可知，10 a杉木林土壤的酸性磷酸酶(AP)活性極顯著高于17 a杉木林土壤(P<0.01)，17 a杉木林土壤的酸性磷酸酶(AP)活性顯著高于25 a杉木林土壤(P<0.05)，AP酶活性隨林齡增長呈現(xiàn)出持續(xù)降低的趨勢。10 a林齡中夏季土壤AP酶活性顯著高于其它季節(jié)(P<0.05)，17 a、25 a杉木林土壤AP酶活性除秋季較低外，季節(jié)性變化不大。

表6 各林齡不同月份土壤AP酶活性

由表7可知，10 a杉木林土壤的β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性顯著高于17 a和25 a杉木林土壤(P<0.05)，17 a與25 a杉木林之間的土壤β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性差異不顯著(P>0.05)，說明幼齡林下土壤NAG酶活性較高。10 a杉木林下夏季土壤NAG酶活性顯著高于其它季(P<0.05)，17 a杉木林土壤中夏季NAG酶活性亦顯著高于春秋季(P<0.05)，25 a杉木林土壤NAG酶活性在夏秋季顯著低于冬春季(P<0.05)，但17 a、25 a林齡下土壤NAG酶活性隨季節(jié)變化幅度明顯較10 a林齡下的變化幅度小。

表7 各林齡不同月份土壤NAG酶活性

由表8可知，各杉木林齡間的土壤多酚氧化酶(PPO)活性差異不顯著(P>0.05)。各樣地中冬季土壤多酚氧化酶(PPO)活性均顯著高于春季(P<0.05)，10 a、17 a杉木林夏秋季的土壤多酚氧化酶(PPO)活性差異不顯著(P>0.05)，25 a杉木林下土壤多酚氧化酶(PPO)活性在秋季顯著高于春夏季(P<0.05)，PPO酶活性由春至冬總體呈現(xiàn)上升趨勢。

表8 各林齡不同月份土壤PPO酶活性

由表9可知，10 a與17 a杉木林土壤中過氧化物酶(POD)活性未有顯著差異(P>0.05)，但顯著低于25 a杉木林土壤(P<0.05)，說明杉木近熟林下POD酶活性較高。各樣地夏季土壤POD酶活性均顯著低于其它季節(jié)(P<0.05)，POD酶活性由春至冬呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。

表9 各林齡不同月份土壤POD酶活性

4 討論

本試驗中各土壤養(yǎng)分隨林齡增長均有不同程度下降，與許多學(xué)者研究結(jié)果一致[24，26-29]，說明研究地杉木在成熟前的迅速生長階段，土壤養(yǎng)分消耗大于養(yǎng)分歸還。林齡對土壤理化性質(zhì)，水熱狀況和生物區(qū)系有著重要影響，同時影響土壤酶活性狀況[21]。對比不同林齡發(fā)現(xiàn)，幼齡林土壤的4種水解酶類活性較高，表明其有機質(zhì)分解迅速。耿玉清等[30]研究發(fā)現(xiàn)，隨著林齡的增長，土壤酸性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶和脲酶等多種酶活性皆下降。由于初期人工造林措施對土壤的改造，改善了土壤健康狀況，促進了養(yǎng)分循環(huán)。但隨著林木生長，土壤養(yǎng)分消耗，土壤緊實度增加，林內(nèi)光照及土壤水熱等條件變差，進一步導(dǎo)致微生物數(shù)量及酶活性顯著降低[31-32]。而多酚氧化酶(PPO)、過氧化物酶(POD)的活性表現(xiàn)與水解酶有所不同，水解酶分解土壤中的活性有機質(zhì)，而氧化酶分解土壤頑固的有機質(zhì)[33-34]，因此，不同酶的功能存在較大差異，這也部分支持了本研究的結(jié)果。多酚氧化酶(PPO)活性在林齡25 a的杉木林土壤顯著高于林齡10 a的的杉木林土壤，且過氧化物酶(POD)活性在林齡25 a的杉木林土壤顯著高于林齡10 a和17 a的杉木林土壤。多酚氧化酶(PPO)和過氧化物酶(POD)主要作用于木質(zhì)素等難降解碳組分，其活性的變化說明林齡25 a杉木林土壤惰性碳庫的分解較活躍，由于土壤惰性碳變化需要較長時間，這也是林齡10 a和17 a的林地之間未有顯著差異的原因。在森林演替到后期才便于惰性有機碳的積累[35-36]，印證了本研究的結(jié)果。

從不同季節(jié)看，纖維素水解酶(CBH)活性以春季顯著高于其它季，說明其春季纖維素分解旺盛，由春至秋持續(xù)走低，這與陳光升[37]及宋學(xué)貴等[38]在華西雨屏區(qū)的研究結(jié)果一致；降水減少后參與碳循環(huán)的水解酶活性有所提高，這意味著降水量過大引起酶活性的降低，華西雨屏區(qū)夏秋季大量集中降水導(dǎo)致土壤持水量過高，水氣熱不協(xié)調(diào)，影響對纖維素的分解，加之試驗地較為缺氮，集中降水對土壤表層氮磷的淋失[39]，對纖維素水解酶(CBH)活性也有較大影響。而纖維素水解酶(CBH)活性在4月份(春季)最強，由于研究地氣候非常濕潤，盡管在4月份，水分仍未達限制水平，而此時土壤理化性質(zhì)較適宜，植物根系和微生物活躍等因素，對纖維素水解酶(CBH)活性有較大的促進作用。β-葡萄糖苷酶(βG)主要降解富含纖維的細胞壁，釋放其胞內(nèi)營養(yǎng)，本試驗中，β-葡萄糖苷酶(βG)多數(shù)情況下隨季節(jié)變化并不顯著，與鮑勇等[6]研究結(jié)果不完全一致，原因是研究區(qū)立地、林分及氣候的差異。但βG酶在林齡17 a杉木土壤中，春季顯著低于其它季，原因是土壤微環(huán)境不同，目前對βG酶相關(guān)研究較少，還很難完全解釋βG酶在土壤中的變化規(guī)律。酸性磷酸酶(AP)和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)在林齡10 a杉木林土壤中，隨季節(jié)變化趨勢較林齡17 a和25 a的林地明顯，林齡10 a的杉木林土壤內(nèi)，酸性磷酸酶(AP)和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)酶活性均表現(xiàn)為夏季顯著高于其它季，說明夏季土壤中有機氮磷分解較為活躍。研究區(qū)夏秋降水集中，土壤濕度增加，酸性磷酸(AP)酶以及N-乙酰氨基葡糖苷(NAG)酶活性有顯著提高，同時夏季土壤動物及微生物量迅速增長，提高AP及NAG酶活性，而秋季酶活性降低則是土壤濕度過大，透氣性差[40-42]；而林齡17 a和25 a的杉木林土壤中，AP與NAG酶未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律性變化，原因是隨林齡增長，森林生態(tài)系統(tǒng)自我反饋調(diào)節(jié)機制的成熟，林內(nèi)環(huán)境趨于穩(wěn)定。多酚氧化酶(PPO)、過氧化物酶(POD)活性總體表現(xiàn)為秋冬季大于春夏季，與相關(guān)研究結(jié)果一致[37，43]，同時在與本試驗區(qū)氣候相近地區(qū)對杉木凋落物量的研究表明，杉木林凋落物量總體亦為秋冬季大于春夏季[44-45]，因而PPO與POD酶活性的差異主要是植物殘體增加，微生物、土壤動物活動加劇并向土壤中釋放酶類，這對于促進秋季大量凋落物的木質(zhì)素降解和腐殖化具有積極作用。

林齡及季節(jié)雙因素交互作用對酶活性亦有顯著影響，但不同林齡的土壤酶活性隨季節(jié)變化的趨勢有所區(qū)別。林齡25 a的杉木林土壤中，CBH酶活性由春季至夏季下降速度明顯比林齡17 a杉木林迅速；AP酶與NAG酶在林齡10 a的杉木林土壤中，隨季節(jié)變化而顯著變化，在林齡17 a和25 a的杉木林土壤中變化幅度明顯較小。進一步說明土壤酶受多種復(fù)雜因素的共同作用，很難完全解釋其變化規(guī)律，還需進一步研究。

5 結(jié)論

研究區(qū)杉木人工林在成熟之前地力有不同程度的衰退，杉木林土壤中氮素較低。幼齡林土壤中，4種水解酶類活性均顯著高于其它齡級，土壤條件總體較為優(yōu)越，養(yǎng)分循環(huán)較為迅速；而兩種氧化酶則相反，在近熟林才表現(xiàn)出顯著提高。土壤酶活性季節(jié)動態(tài)方面，CBH酶活性春季顯著高于其它季，βG酶多數(shù)情況下隨季節(jié)變化并不顯著，但總體春季有所降低；AP酶與NAG酶在杉木幼齡林土壤中變化顯著，酶活性均為夏季顯著高于其它季；PPO酶總體呈現(xiàn)出冬季顯著高于其它季，POD酶活性亦為冬季最高，夏季顯著低于其它季。不同林齡和季節(jié)對土壤酶活性存在明顯交互作用的影響，說明不同林齡下立地條件的差異都有可能改變酶活性隨季節(jié)變化的趨勢。