不同林齡杉木人工林土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性特征

彭紫薇，焦鵬宇，高李文，郭 文，劉 先，胡亞林，王玉哲

(福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002)

氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，也是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的限制元素[1]。特別是在我國(guó)亞熱帶地區(qū)，雖然氮沉降現(xiàn)象嚴(yán)重，氮仍然是速生期人工林的主要限制因子[2-3]。土壤酶主要是由微生物以及植物根系分泌得來(lái)的一種生物催化劑，具有催化復(fù)雜合成的有機(jī)體形成簡(jiǎn)單有機(jī)分子的作用[4-5]，能反映土壤微生物活性以及對(duì)養(yǎng)分的吸收轉(zhuǎn)化能力[6]。參與土壤氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的酶包括β-葡萄糖苷酶（BG）、乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶（NAG）、蛋白水解酶（PRO）、脲酶（URE）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）、硝酸還原酶（NR）等，其中，硝酸還原酶是植物體內(nèi)氮同化代謝的關(guān)鍵酶[7]，能催化硝酸離子，對(duì)還原硝酸鹽起調(diào)節(jié)作用[8]。

影響土壤酶活性的因素包括土壤微環(huán)境條件（溫度、含水率等）、養(yǎng)分狀況以及地形地貌條件等[9-10]，一方面通過(guò)改變林內(nèi)環(huán)境條件影響土壤微環(huán)境，另一方面影響凋落物的形成與分解改變土壤微生物數(shù)量和群落組成來(lái)影響土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性[11]。由于不同發(fā)育階段植物的凋落物質(zhì)量和數(shù)量不同[12]，植物土壤酶活性受林齡影響[13]，如趙海燕[14]研究秦嶺地區(qū)華北落葉松人工林地酶活性變化中發(fā)現(xiàn)，土壤磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性均隨林齡呈“高—低—高”的趨勢(shì)；段春燕等[15]在桂北不同林齡桉樹(shù)人工林的研究發(fā)現(xiàn)，隨林齡的增加，土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶活性均呈增加趨勢(shì)。此外，林齡還可能通過(guò)根際效應(yīng)來(lái)影響土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性，根際是受土壤根系影響且范圍狹小的土區(qū)[16]，是植物與土壤物質(zhì)交換能量流動(dòng)的界面[17]，植物根系通過(guò)其分泌物及凋落物和死亡根細(xì)胞分裂為土壤提供能量，使根際與非根際土環(huán)境條件（如土壤pH 值、微生物量、土壤酶活性、水分含量等）造成差異[18-19]。

杉木（Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.）作為我國(guó)重要的用材樹(shù)種，其人工林面積居我國(guó)首位[20]。然而，長(zhǎng)期的集約化經(jīng)營(yíng)導(dǎo)致杉木林地養(yǎng)分循環(huán)障礙，并引起土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的改變[21]。氮素是我國(guó)亞熱帶杉木生長(zhǎng)的限制因子[22]，而土壤中氮素有效性由氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶調(diào)控，為了解不同發(fā)育階段杉木林土壤的供氮能力，有必要了解土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性隨林齡的變化規(guī)律。為此，本文以我國(guó)中亞熱帶不同林齡杉木人工林為研究對(duì)象，測(cè)定根際與非根際土壤中與氮循環(huán)相關(guān)的酶活性及土壤基本理化性質(zhì)，探討土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性及根際效應(yīng)隨杉木生長(zhǎng)發(fā)育階段的變化特征，旨為杉木人工林的施肥管理和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于福建省南平市延平區(qū)，福建農(nóng)林大學(xué)西芹教學(xué)林場(chǎng)（26°33′ N，118°06'′ E），屬典型亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降水量 1 817 mm，年平均氣溫 19.4 ℃，海拔多為200～500 m。土壤類(lèi)型為黃紅壤。

采用空間代替時(shí)間方法，選擇不同發(fā)育階段的杉木人工林（7 年生幼齡林、15 年生中齡林、24 年生近熟林和34 年生成熟林），在每種林齡杉木林中，設(shè)置4 個(gè)20 m × 20 m 的樣方，每個(gè)林齡共4 個(gè)重復(fù)。各林齡杉木林基本情況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地基本情況Table 1 Basic characteristics of experimental plot

2 研究方法

2.1 土壤采集與處理

2019 年7 月，在每個(gè)樣方內(nèi)選擇生長(zhǎng)狀況相似（胸徑和樹(shù)高接近林分平均值）的3 棵杉木，采集0～20 cm 非根際與根際土壤樣品，根際土壤樣品采集采用抖落法[23]。每個(gè)樣方內(nèi)的3 棵杉木土壤樣品作為該樣方重復(fù)，16 個(gè)樣方共采集96 個(gè)樣品（根際與非根際土各48 個(gè)）。去除土壤中的石塊和根等雜物后，過(guò)2 mm 篩。過(guò)篩后的土分成2 份：一份風(fēng)干，用于測(cè)定土壤pH、全碳和全氮；另一份在4 ℃冰箱冷藏保存，用于土壤含水量、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性有機(jī)碳含量和酶活性測(cè)定。

2.2 土壤樣品分析

土壤含水量采用105 ℃烘干法；土壤pH 采用pH 計(jì)測(cè)定（土水比1:2.5 混合攪拌）；土壤用2 mol·L-1KCl 液浸提后，浸提液硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀（SmartChem200，AMS，意大利）測(cè)定[24]，可溶性有機(jī)碳含量采用總有機(jī)碳分析儀（TOC-LCPH，Shimadzu，日本）測(cè)定；測(cè)定土壤全碳和全氮用元素分析儀（Vario MICRO cube，Elementar，德國(guó)）。β-葡萄糖苷酶（BG）、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、脲酶（URE）、酸性蛋白酶（PRO）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）、硝酸還原酶（NR）酶活性采用比色法，用可見(jiàn)分光光度法測(cè)定，測(cè)定吸光值升高速率計(jì)算各土壤酶活性[25]。土壤酶活性單位用μmol·d-1·g-1土樣表示。

2.3 數(shù)據(jù)處理

根際效應(yīng)（RE）是根際與非根際土壤對(duì)應(yīng)特征值的比值[17]，計(jì)算公式為：

RE＝根際土壤含量/非根際土壤含量

若RE＞1 為根際正效應(yīng)，RE＜1 則為根際負(fù)效應(yīng)。

利用SPSS 22.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，雙因素方差分析檢驗(yàn)林齡、根際及其交互作用對(duì)土壤理化性質(zhì)和酶活性的影響，不同林齡杉木根際（非根際）之間的差異用單因素方差分析，采用最小顯著差異法（LSD）和成對(duì)t檢驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。土壤酶活性和理化性質(zhì)之間的關(guān)系用Pearson 相關(guān)分析，運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)分析軟件Canoco 5.0 對(duì)不同林齡土壤酶活性與理化性質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行冗余分析（RDA）。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤基本理化性質(zhì)

不同林齡杉木林根際和非根際土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表2。不同林齡土壤性質(zhì)均存在顯著差異（全碳和全氮除外）（p＜0.05），根際土壤pH 值顯著低于非根際土壤（p＜0.05）。7 a 杉木林土壤pH值顯著高于24、34 a 杉木林（p＜0.05），15、24 a杉木林土壤含水量顯著高于7、34 a 杉木林（p＜0.05），7、24 a 杉木林碳氮比顯著高于15 a 杉木林（p＜0.05）。7、24、34 a杉木林土壤銨態(tài)氮含量顯著高于15 a 杉木林（p＜0.05），15 a 杉木林土壤硝態(tài)氮含量顯著高于7、34 a 杉木林（p＜0.05）。根際與非根際土壤含水量、全碳、全氮、碳氮比、可溶性有機(jī)碳、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均差異不顯著（p＞ 0.05）。

表2 不同林齡杉木林土壤基本理化性質(zhì)Table 2 Soil basic physico-chemical properties in Chinese fir plantations at different stand ages

3.2 土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性及根際效應(yīng)

圖1 表明：根際和林齡對(duì)6 種土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性存在顯著影響（p＜0.05），其交互作用僅對(duì)土壤NR 活性存在極顯著影響（p＜0.01）。BG 活性在7 a 杉木林土壤中最高，極顯著高于15、24、34 a 杉木林（p＜0.001）；7、24 a 杉木林土壤NAG活性極顯著高于15、34 a 杉木林（p＜0.001）；土壤PRO、URE 和LAP 活性均在15 a 杉木林最低，且顯著低于7、24、34 a 杉木林（p＜0.01）。不同林齡杉木林根際土壤BG、NAG、PRO、URE和LAP 活性均顯著高于非根際土壤（p＜0.05）。根際土與非根際土的NR 活性也因林齡而異，15、24 a 杉木林根際土壤的NR 活性極顯著高于非根際土壤（p＜0.001）。圖2 表明：不同林齡杉木林土壤NR 活性的根際效應(yīng)存在顯著差異，在15 a杉木林中最高，顯著高于7、34 a 杉木林（p＜0.05）；BG、NAG、PRO、URE 和LAP 活性的根際效應(yīng)在林齡間差異不顯著（p＞0.05）。

圖1 不同林齡杉木人工林土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性Fig.1 Soil nitrogen-cycling enzyme activities of Chinese fir plantations at different stand ages

圖2 不同林齡杉木人工林土壤碳氮轉(zhuǎn)化酶活性的根際效應(yīng)Fig.2 Rhizosphere effect on soil nitrogen-cycling enzyme activities of Chinese fir plantations at different stand ages

3.3 土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性的影響

表3 表明：根際土壤BG 活性與pH 值呈顯著正相關(guān)；PRO 和NR 活性與非根際土壤含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)；根際土壤URE、LAP 活性與C/N顯著正相關(guān)，非根際土壤BG、PRO、LAP 活性均與C/N 呈顯著正相關(guān)。根際土壤BG、URE、LAP活性及非根際土壤PRO、LAP 活性均與銨態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)，非根際土壤NR 活性與銨態(tài)氮含量呈極顯著正相關(guān)；根際土壤BG 活性及非根際土壤NR 活性均與硝態(tài)氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，非根際土壤BG、PRO 活性均與硝態(tài)氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)。

表3 土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析Table 3 Pearson correlation coefficients for relationships between soil enzymes and soil physico-chemical properties

土壤酶活性與土壤理化因子之間冗余分析（RDA）結(jié)果（圖3）表明：根際土第1 軸和第2 軸分別解釋了酶活性總變異的44.6%和 9.4%；非根際土第1 軸和第2 軸分別解釋了酶活性總變異的31.9%和 13.8%。本研究所選8 個(gè)土壤理化因子對(duì)根際土壤酶活性有顯著影響，其中，影響較大的有碳氮比和銨態(tài)氮含量；選取的土壤理化因子對(duì)非根際土壤酶活性均存在顯著影響，銨態(tài)氮含量與碳氮比對(duì)酶活性影響較大。

圖3 土壤酶活性與土壤理化因子之間的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis (RDA) of soil enzyme activities and soil physico-chemical properties

4 討論

4.1 杉木人工林土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育的響應(yīng)

隨著樹(shù)木的不斷生長(zhǎng)，林分結(jié)構(gòu)和林內(nèi)氣候環(huán)境發(fā)生改變，生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)受到影響，從而影響土壤微生物群落和土壤酶活性[25]。本研究中，杉木林土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性隨林齡增加先下降后上升，隨著杉木林的不斷增長(zhǎng)，土壤中的有機(jī)質(zhì)不斷累積，森林凋落物增多，給微生物提供良好的生存條件[26]，提高了酶活性。本試驗(yàn)中研究的6 種土壤氮轉(zhuǎn)化酶的活性在15 年生林分中最低，與耿玉清等[27]的研究結(jié)果一致。在造林初期，大量的撫育措施使土壤健康水平大大提高，促進(jìn)了養(yǎng)分的吸收，隨著林齡的增長(zhǎng)，植物不斷地吸收土壤養(yǎng)分，土壤養(yǎng)分下降，微生物種類(lèi)及數(shù)量降低，土壤基本理化性質(zhì)不斷變差[28]，因此，15 年生杉木林的土壤酶活性比7 年生杉木林有所下降。隨著林分不斷成熟，林分內(nèi)環(huán)境條件改善，林下植被生物量和多樣性增加，凋落物不斷增多，土壤微生物數(shù)量增多和土壤有機(jī)質(zhì)不斷累積，土壤酶活性逐漸上升。

4.2 杉木人工林土壤碳氮轉(zhuǎn)化酶活性的根際效應(yīng)

根系是林木吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，同時(shí)也是進(jìn)行物質(zhì)交換和能量運(yùn)輸?shù)闹匾獔?chǎng)所[29]。根系附近的微生物含量高于周?chē)寥?，根際可分泌大量的胞外酶類(lèi)物質(zhì)，引起土壤根際酶活性與非根際存在差異[30]。本研究中，土壤氮轉(zhuǎn)化酶的根際效應(yīng)均為正效應(yīng)（圖2），表明不同林齡的杉木均可以通過(guò)根系分泌物為根際微生物提供能量和養(yǎng)分，改善根際環(huán)境[18]。林齡和根際對(duì)所測(cè)6 種土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性均存在顯著影響，其交互作用僅對(duì)NR 活性影響顯著，說(shuō)明根際與非根際土壤NR 活性差異與林齡有關(guān)，15、24 年生根際土的NR 活性顯著高于非根際土，其原因是15、24 年生是杉木生長(zhǎng)旺盛的階段，對(duì)N 需求量相對(duì)較高[31]，根際土周?chē)拿富钚蕴岣撸歉H土酶的活性受根系影響較小，受土壤微生物影響較大，這導(dǎo)致了根際與非根際土酶活性的差異，本研究中NR 的根際效應(yīng)在不同林齡段有顯著差異的結(jié)果也體現(xiàn)了這一點(diǎn)。隨林齡的增長(zhǎng)，根際也會(huì)影響酶活性，不同林齡根際土的NR 活性差異不顯著，而非根際土7、34 年生的NR 活性顯著高于15、24 年生（圖1），主要是因?yàn)榉歉H土酶活性主要受土壤微生物、凋落物等影響。前人[3]研究發(fā)現(xiàn)，杉木人工林速生期氮素可利用性低于幼林期和老林期，由于15、24 年生林分受到氮素的限制，NR 活性也受影響，與7、34 年生林分相比有較大差異。

本研究中，除土壤硝酸還原酶外，不同林齡杉木的土壤酶活性的根際效應(yīng)均沒(méi)有顯著差異，15 年生杉木林土壤硝酸還原酶的根際效應(yīng)顯著高于7 年生和34 年生，與范媛媛等[29]在研究油松的結(jié)果不完全一致。杉木的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，中齡林階段耗氮量明顯高于其他階段[32]，這一階段是從腐殖質(zhì)分解獲得有機(jī)質(zhì)為主轉(zhuǎn)變到通過(guò)根產(chǎn)物獲得有機(jī)質(zhì)為主的過(guò)程[29]。地下根系需要吸收更多的氮以供植物生長(zhǎng)，促使硝酸還原酶的活性增強(qiáng)，而非根際部分受到養(yǎng)分需求的反饋較低，還因?yàn)榱謨?nèi)郁閉度大，林地內(nèi)溫度、濕度條件減弱等原因使得非根際土酶活性降低。

4.3 杉木人工林土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性的影響因素

土壤酶作為生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵因子[33]，影響著土壤的生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程，環(huán)境與土壤理化性質(zhì)的改變也會(huì)影響土壤酶活性[34]。冗余分析結(jié)果表明，碳氮比與銨態(tài)氮含量均對(duì)根際與非根際土壤酶活性影響較大。碳氮比在根際土壤與URE 和LAP 活性呈顯著正相關(guān)，銨態(tài)氮含量則是與BG、URE 和LAP 呈顯著正相關(guān)，與前人[35]研究結(jié)果不太一致。有研究表明，氮轉(zhuǎn)化酶的活性隨著可利用碳的增加而提高[36]，中亞熱帶地區(qū)雖然是氮相對(duì)富集的地區(qū)[37]，但土壤中可供植物直接利用的氮很少，這就需要微生物分解土壤的有機(jī)物，為植物提供充足的氮促進(jìn)其生長(zhǎng)，更多的碳也被固定到了土壤中。無(wú)論是根際土還是非根際土的氮轉(zhuǎn)化酶活性與全氮含量不顯著相關(guān)，這與前人[38]研究沙地樟子松人工林土壤脲酶活性與土壤全氮含量呈正相關(guān)的結(jié)論不一致，這可能是由于供試土壤質(zhì)地不同導(dǎo)致的，沙地土壤的氮含量較低，而本研究的土壤類(lèi)型為花崗片麻巖上發(fā)育而成的黃紅壤，與沙地土壤相比土壤中氮含量相對(duì)較高。

5 結(jié)論

中亞熱帶杉木不同發(fā)育階段人工林土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性隨林齡呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，在15 年生林分中酶活性最低，表明在受氮沉降影響嚴(yán)重的中亞熱帶地區(qū)，氮仍可能是杉木速生期的主要限制因素之一。土壤氮轉(zhuǎn)化酶活性的根際效應(yīng)顯著，其中，15 年生杉木林土壤硝酸還原酶的根際效應(yīng)顯著高于7 年生和34 年生，表明中齡林階段杉木人工林對(duì)N 需求量仍較大，且非根際土受N 限制更嚴(yán)重。在今后的營(yíng)林施肥措施上，應(yīng)把重點(diǎn)放在中齡林階段，以滿(mǎn)足杉木對(duì)于氮的需求，達(dá)到可持續(xù)經(jīng)營(yíng)管理的目的。