凍融作用對金川泥炭沼澤土壤酶活性的影響

郭 彤,孫嘉鴻,徐志偉,*,王升忠,董彥民

1 東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,長白山地理過程與生態(tài)安全教育部重點實驗室, 長春 130024

2 東北師范大學(xué)泥炭沼澤研究所,長白山濕地與生態(tài)吉林省聯(lián)合重點實驗室, 長春 130024

3 東北師范大學(xué)國家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點實驗室, 長春 130024

凍融是指土層由于溫度降到0℃以下和升至0℃以上而產(chǎn)生凍結(jié)和融化的一種物理地質(zhì)作用和現(xiàn)象。土壤的凍結(jié)和融化實質(zhì)是水分的相態(tài)變化過程[1],且廣泛存在于中、高緯度以及高海拔地區(qū)[2—3]。全球受凍融作用影響的陸地面積約占陸地總面積的55%—70%,因此凍融作用對人類的生產(chǎn)活動和生存環(huán)境產(chǎn)生重要影響[4—5]。凍融作用強(qiáng)烈地改變土壤理化性質(zhì)[6—7],影響微生物活性[8],從而影響土壤碳、氮生物地球化學(xué)過程[9]。

土壤酶是生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)的重要參與者,對溫度的變化十分敏感。土壤碳庫變化主要發(fā)生在活性碳庫中易被土壤微生物分解礦化,對植物和微生物產(chǎn)生較高有效性的那部分有機(jī)碳,其中可溶性有機(jī)碳(DOC)和微生物量碳(MBC)是重要的表征指標(biāo)[10]。大部分的研究表明,室內(nèi)凍融模擬實驗對活性碳庫的影響比較顯著[10—12]。同時,凍融作用是作用于土壤的非生物應(yīng)力[13],對土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化乃至整個生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)過程具有十分重要的調(diào)控作用[14—15]。土壤碳及養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化速率與土壤酶活性的高低直接相關(guān)[16—18]。先前研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),土壤酶對凍融作用的響應(yīng)受到酶活性的檢測方法、土壤理化性質(zhì)與土壤酶的種類的不同而存在差異[19—21]。沼澤土壤纖維素酶、淀粉酶和轉(zhuǎn)化酶活性在凍融作用影響下呈現(xiàn)出降低或先降低后增加的變化趨勢[22—23]。同時,凍融作用對深層土壤酶活性的影響更大,酶活性強(qiáng)度變幅更大[22]。以往的研究多關(guān)注于與碳循環(huán)有關(guān)的酶如轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶等[23—24],對與碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)的水解酶以及在泥炭地分解中起重要作用的氧化酶關(guān)注較少。在全球變暖趨勢下,季節(jié)性凍土區(qū)泥炭沼澤土壤的凍融頻次、凍融溫度和凍融時間都將產(chǎn)生變化。然而,這些改變將如何影響泥炭沼澤土壤活性有機(jī)碳氮和土壤酶活性,進(jìn)而影響區(qū)域土壤碳庫平衡和氣候變化,仍需進(jìn)一步研究。

長白山地泥炭沼澤區(qū)是我國泥炭沼澤最主要的分布區(qū)之一,該區(qū)泥炭泥炭平均覆蓋度0.19%,最強(qiáng)覆蓋度為0.76%[25]。同時,該地區(qū)位于東北及華北北部溫帶中-深季節(jié)凍土亞區(qū),凍融作用頻繁。本研究以金川泥炭沼澤為研究對象,分別在采樣地采集表層(0—15 cm)和深層(15—30 cm)的土壤樣品,通過室內(nèi)凍融模擬實驗,測定土壤活性有機(jī)碳、氮組分及水解酶和氧化酶活性,揭示不同凍融模式下泥炭沼澤土壤酶活性的的變化特征,并結(jié)合土壤有機(jī)碳、氮組分,探討泥炭沼澤土壤酶活性的影響因素。研究有助于了解全球氣候變化背景下,凍融作用對泥炭沼澤碳排放過程影響的酶學(xué)機(jī)制,為東北地區(qū)泥炭沼澤土壤碳收支估算提供了科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

金川泥炭沼澤(42°20′42.58″—42°21′9.27″N,126°21′48.61″—126°22′37.74″E)位于長白山西麓龍崗山脈中段,海拔為613—616 m,泥炭層厚度一般為4—6 m。該區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候,年均溫為3.3℃,年降水量為1054 mm,降水集中在7—8月,7月最高平均氣溫為22.4℃,1月最低平均氣溫為-18℃。該區(qū)一般初霜在9月中旬,終霜在5月中下旬,無霜110—120 d,5—9月積溫2500—2600℃。受到水文條件的制約,主要植物群落類型為居中且占優(yōu)勢的臌囊薹草群落和分布在外緣的油樺群落[26—27]。

1.2 樣品采集與處理

在金川泥炭沼澤中心部位設(shè)置3個間隔50 m的5 m×5 m采樣點,采用多點混合法于2019年1月份利用泥炭鉆(油氣鉆),采集0—15 cm和15—30 cm的土壤樣品,裝入自封袋,盡快帶回實驗室并放4℃冷藏保存。培養(yǎng)實驗前,去除土壤中的雜草和植物根系,并分別將兩個土層的樣品混合均勻,4℃冷藏備用。另取一部分土壤自然風(fēng)干,研磨后過100目篩,用于土壤理化性質(zhì)的測定,土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

1.3 培養(yǎng)實驗與測試

稱取50 g(相當(dāng)于風(fēng)干土重)混合均勻的土壤樣品置于500 mL玻璃培養(yǎng)瓶中,用去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量為最大持水量的60%,為使微生物恢復(fù)到正常狀態(tài),在室溫(20℃)條件下預(yù)培養(yǎng)1周,同時定期稱重并補(bǔ)充損失的水分。根據(jù)凍融期間金川泥炭沼澤實際溫度,設(shè)置(-5—5℃)與(-10—10℃)兩個凍融幅度,根據(jù)全球氣候變暖的背景下氣溫升高幅度設(shè)定-5℃,-10℃則與當(dāng)?shù)囟镜钠骄鶜鉁剌^為接近。即把土壤樣品分別放入-5℃和-10℃低溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h,再分別調(diào)節(jié)溫度為5℃和10℃使其融化24 h,作為一次凍融循環(huán)。本實驗設(shè)置15次凍融循環(huán),共培養(yǎng)30 d。準(zhǔn)備好足夠數(shù)量的培養(yǎng)瓶土壤樣品,培養(yǎng)過程中,分別在凍融循環(huán)的第0、1、3、5、7、15次后不放回的取出培養(yǎng)瓶,每次取出每個土層每個凍融處理的3個培養(yǎng)瓶,作為3個重復(fù)。取出培養(yǎng)瓶的時間前后不超過5 min,各凍融處理的時間保持一致。測定土壤酶活性(水解酶和氧化酶)、土壤可溶性有機(jī)碳、氮(DOC和DON)和微生物碳、氮(MBC和MBN)指標(biāo)。

土壤β- 1,4-葡萄糖苷酶(BG)、β- 1,4-N-乙酰葡糖胺糖苷酶(NAG)和酸性磷酸酶(AP)等3種水解酶活性采用微孔板熒光法測定[28],利用多功能酶標(biāo)儀(Cytation 5,BioTek)。采用4-甲基傘形酮酰-B-D-吡喃葡糖酸苷為BG酶的底物,采用4-甲基傘形酮酰-B-D-吡喃葡糖酸為NAG酶的底物,采用4-甲基傘形酮磷酸酯為AP酶的底物。首先,稱取培養(yǎng)后的鮮土樣0.5 g加入燒杯中,加入125 mL的50 mmol/L醋酸鈉緩沖液(pH=5),用磁力攪拌器攪拌均勻,以制備土壤懸浮液。吸取200 μL土壤懸浮液和以上3種土壤酶對應(yīng)的底物50 μL,加入微孔板中于20℃黑暗條件下培養(yǎng)4 h。培養(yǎng)結(jié)束后,在每個孔中加入10 μL的1 mol/L的NaOH 溶液,1 min后進(jìn)行熒光檢測。標(biāo)準(zhǔn)物為4-甲基傘形酮,在365 nm波長處激發(fā),在450 nm波長處測定。每個樣品重復(fù)測定8次。

土壤氧化酶(多酚氧化酶(PPO)和過氧化物酶(PER))活性也利用多功能酶標(biāo)儀進(jìn)行測定。采用L- 3,4-二羥基苯丙氨酸(L-dihydroxyphenylalanine,L-DOPA)為兩種氧化酶的底物。首先,稱取培養(yǎng)后的鮮土樣1.5 g,制備土壤懸浮液的其余步驟與水解酶相同。吸取600 μL土壤懸浮液和150 μL底物于深孔板內(nèi)用于測定PPO酶活性,PER酶活性還需另加30 μL 0.3%的H2O2,在20℃黑暗條件下培養(yǎng)5 h。停止培養(yǎng),以3000 r/min離心5 min后,轉(zhuǎn)移上清液250 μL至淺口透明板中,在460 nm波長下測定吸光值。

土壤微生物量碳氮采用氯仿熏蒸 0.5 mol/L K2SO4浸提法[29—30]。取10 g土壤樣品用三氯甲烷熏蒸24 h,用0.5 mol/L的K2SO4浸提熏蒸與未熏蒸的樣品30 min,采用總有機(jī)碳分析儀(Multi N/C 2100 TOC,德國耶拿)測定浸提液總有機(jī)碳濃度,由熏蒸與未熏蒸土樣浸提液的濃度差值計算得到MBC,轉(zhuǎn)換系數(shù)0.45[31],熏蒸與未熏蒸土樣浸提液的濃度差值計算得到MBN,轉(zhuǎn)換系數(shù) 0.54[31]。土壤可溶性有機(jī)碳氮：稱取1 g新鮮土樣置于50 mL離心管,加入50 mL去離子水后充分震蕩5 h,用離心機(jī)轉(zhuǎn)速8000 r/min離心5min,取上清液過0.45 μm濾膜進(jìn)行真空抽濾,采用總有機(jī)碳分析儀(Multi N/C 2100 TOC,德國耶拿)測定[32]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析方法,分析不同凍融模式下土壤活性有機(jī)碳、氮組分和酶活性的差異,并輔以Levene方差齊性檢驗。采用雙因素方差分析法,分析不同深度下,凍融幅度和凍融頻次對土壤酶活性及土壤活性有機(jī)碳、氮組分的交互影響。采用 Pearson相關(guān)分析法,分析土壤酶活性與土壤活性有機(jī)碳、氮組分的關(guān)系。在 SPSS 22.20 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析,并利用Origin 2019繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融作用下土壤活性有機(jī)碳、氮變化特征

-5—5℃凍融模式下,隨著凍融頻次的增加,兩層土壤DOC和DON 含量均表現(xiàn)為先增加、后減少、再增加的變化趨勢。-10—10℃凍融模式下則表現(xiàn)為先增加后減小的變化趨勢,并在3次凍融循環(huán)后達(dá)到最大值。-5—5℃凍融模式下,與凍融前相比,15次凍融循環(huán)結(jié)束后0—15 cm和15—30 cm土壤DOC含量分別增加了33.2%和138.5%,而DON含量分別增加了36.4%和33.9%(圖1)。-10—10℃凍融模式下,與凍融前相比,0—15 cm土壤DOC含量減少了33.2%,15—30 cm土壤DOC含量增加了30.2%,0—15 cm土壤DON含量增加了41.9%,15—30 cm土壤DON含量減少了9.2%(圖1)。凍融幅度、凍融頻次以及二者的交互作用均對土壤DOC與DON含量有顯著影響(P<0.05)(表2)。實驗結(jié)果表明,-5—5℃的凍融作用對DOC與DON的影響大于-10—10℃的凍融作用。隨著土層深度的增加,土壤DOC的變化幅度表現(xiàn)為0—15 cm<15—30 cm,但對DON的影響表現(xiàn)為0—15 cm>15—30 cm。

表2 凍融幅度和凍融頻次對土壤活性有機(jī)碳、氮含量影響的方差分析

圖1 -5—5℃和-10—10℃處理下不同凍融頻次土壤可溶性有機(jī)碳、氮的變化Fig.1 Variations in the soil dissolved organic carbon and nitrogen concentrations under different freezing-thawing times in -5—5℃ and -10—10℃不同大寫字母表示同一次取樣兩種深度之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一深度在凍融頻次上的差異顯著(P<0.05)；圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)；DOC：可溶性有機(jī)碳 dissolved organic carbon；DON：可溶性有機(jī)氮dissolved organic nitrogen

兩種凍融模式下,隨著凍融次數(shù)的增加,0—15 cm和15—30 cm土壤MBC含量均表現(xiàn)為逐漸增加的變化趨勢。在-5—5℃凍融模式下,與凍融前相比,0—15 cm和15—30 cm土壤MBC含量分別增加了80.2%和100.6%,而土壤MBN含量分別減少了5.6%和60.6%(圖2)。在-10—10℃凍融模式下,與凍融前相比,0—15 cm和15—30 cm土壤MBC含量分別增加了434.8%和479.0%,而土壤MBN含量分別減少了63.0%和54.4%(圖2)。凍融幅度和凍融頻次以及二者的交互作用均對土壤MBC和MBN含量具有顯著影響(P<0.05)(表2)。實驗結(jié)果表明,凍融幅度對土壤MBC和MBN含量的影響表現(xiàn)為-5—5℃<-10—10℃。隨著土層深度的增加,土壤MBC和MBN含量的變化幅度均表現(xiàn)為0—15 cm<15—30 cm。

圖2 -5—5℃和-10—10℃處理下不同凍融頻次的土壤微生物量碳、氮的變化Fig.2 Variations in the soil microbial biomass carbon and nitrogen concentrations under different freezing-thawing times in -5—5℃ and -10—10℃不同大寫字母表示同一次取樣兩種深度之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一深度在凍融頻次上的差異顯著(P<0.05)；圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)；MBC：微生物量碳microbial biomass carbon;MBN：微生物量氮 microbial biomass nitrogen

2.2 凍融作用下土壤水解酶活性變化特征

-5—5℃凍融作用下,與凍融前相比,0—15 cm和15—30 cm土壤BG酶活性在凍融循環(huán)作用的初期顯著降低；在15次凍融循環(huán)結(jié)束后,土壤BG酶活性再次增加,但最高值仍低于凍融前土壤BG酶活性。-5—5℃凍融模式下,與凍融前相比,0—15 cm和15—30 cm土壤BG酶活性分別降低了42.9%和58.3%,土壤NAG酶活性分別降低了16.2%和39.3%,土壤AP酶活性分別降低了36.7%和32.4%(圖3)。凍融頻次對0—15 cm土壤水解酶活性均有顯著影響 (P<0.0001),而凍融幅度僅對0—15 cm土壤的NAG酶活性及15—30 cm的AP酶活性影響顯著,而凍融頻次和凍融幅度的交互作用對土壤水解酶活性均產(chǎn)生顯著影響(P<0.05)(表3)。綜上,15次-5—5℃凍融循環(huán)后,土壤水解酶活性顯著降低。

-10—10℃凍融模式下,兩層土壤水解酶活性在凍融作用初期顯著降低,而在凍融循環(huán)后期又再次增加。-10—10℃凍融模式下,與凍融前相比,0—15 cm和15—30 cm土壤BG酶活性分別降低了21.2%和12.8%,而土壤NAG酶活性分別增加了17.6%和7.3%。0—15 cm土壤AP酶活性增加了14.7%,15—30 cm土壤AP酶活性降低了28.4%(圖3)。數(shù)據(jù)分析顯示,-5—5℃的凍融循環(huán)對水解酶的影響略大。隨著土層深度的增加,土壤水解酶活性變化的幅度表現(xiàn)為0—15 cm<15—30 cm。

圖3 -5—5℃和-10—10℃處理下不同凍融頻次的土壤水解酶活性的變化Fig.3 Variations in the soil hydrolytic enzyme activities under different freezing-thawing times in -5—5℃ and -10—10℃不同大寫字母表示同一次取樣兩種深度之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一深度在凍融頻次上的差異顯著(P<0.05)；圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)；BG：β- 1,4-葡萄糖苷酶 β- 1, 4-glucosidase；NAG：β- 1,4-N-乙酰葡糖胺糖苷酶 4-N-acetylglucosaminosidase；AP：酸性磷酸酶 acid phosphatase

2.3 凍融作用下土壤氧化酶活性變化特征

與凍融循環(huán)前相比,凍融初期土壤氧化酶活性顯著降低,隨著凍融次數(shù)的增加,土壤氧化酶活性逐漸增加,但仍低于凍融前的酶活性。-5—5℃凍融模式下,與凍融前相比,15次凍融循環(huán)后0—15 cm和15—30 cm土壤PPO酶活性分別減少了49.6%和21.9%,土壤PER酶活性分別減少了91.0%和60.1%(圖4)。-10—10℃凍融模式下,與凍融前相比,0—15 cm和15—30 cm土壤PPO酶活性分別減少了46.2%和43.0%,土壤PER酶活性分別減少了83.8%和62.7%(圖4)。凍融頻次對0—15 cm及15—30 cm土壤氧化酶活性均有顯著影響(P<0.05),凍融幅度及其與凍融頻次的交互作用對土壤氧化酶活性均無顯著影響(表3)。實驗結(jié)果表明,-10—10℃的凍融幅度對土壤氧化酶活性的影響略大。隨著土壤深度的增加,土壤氧化酶活性的變化幅度表現(xiàn)為0—15 cm>15—30 cm。

圖4 -5—5℃和-10—10℃處理下不同凍融頻次的土壤氧化酶活性的變化Fig.4 Variations in the soil oxidase activities under different freezing-thawing times in -5—5℃ and -10—10℃不同大寫字母表示同一次取樣兩種深度之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一深度在凍融頻次上的差異顯著(P<0.05)；圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)；PPO：多酚氧化酶 polyphenol oxidase；PER：過氧化物酶peroxidase

表3 凍融幅度和凍融次數(shù)對土壤水解酶和氧化酶活性影響的方差分析

2.4 土壤酶活性與土壤活性有機(jī)碳、氮的關(guān)系

相關(guān)性分析顯示,0—15 cm土壤AP酶活性與土壤MBC與MBN含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，土壤PPO酶活性與DOC含量呈負(fù)相關(guān)(P<0.05)(表4)。15—30 cm土壤BG酶活性與土壤MBN含量呈顯著正相關(guān)(P<0.01)(表4)。15—30 cm土壤AP酶活性與土壤DOC與DON含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)(表4)。15—30 cm土壤PER酶活性與土壤DOC含量和MBC含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),但與土壤MBN含量呈顯著正相關(guān)(P<0.01)(表4)。土壤NAG與土壤DOC和DON含量呈負(fù)相關(guān),但不顯著(表4)。

3 討論

3.1 凍融交替作用對土壤活性有機(jī)碳、氮的影響

在土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化和微生物代謝活動中,會產(chǎn)生土壤DOC與DON,其含量的高低能夠反映土壤微生物分解與利用有機(jī)物的情況[33]。本實驗結(jié)果表明,隨著凍融次數(shù)的增加,大幅凍融環(huán)境下DOC和DON含量先增加后減少,說明短期凍融過程對土壤DOC和DON的釋放有促進(jìn)作用。已有研究表明,凍融過程可改變土壤團(tuán)聚體的大小和穩(wěn)定性,凍融初期,土壤孔隙中冰晶的膨脹打破顆粒之間的聯(lián)結(jié),破碎大團(tuán)聚體,釋放小分子有機(jī)質(zhì)[34],同時凍融交替對微生物有滅殺作用,即會降低土壤微生物數(shù)量,造成微生物死亡。在分解菌的作用下,死亡的微生物會釋放出小分子糖和氨基酸等,進(jìn)而增加了土壤中DOC與DON含量[35]。同時,大幅度的凍融作用對團(tuán)聚體的破碎作用更強(qiáng),釋放出的小分子有機(jī)質(zhì)速度更快[36],因此,本研究中在-10—10℃凍融作用下,土壤DOC和DON含量在3次凍融循環(huán)后達(dá)到最大值,而在-5—5℃凍融幅度下,養(yǎng)分釋放緩慢,DOC和DON在15次凍融循環(huán)后依舊較高。隨著凍融次數(shù)的增加,土壤微生物開始適應(yīng)凍融作用,而釋放DOC和DON為微生物提供能量和養(yǎng)分,促進(jìn)微生物的生長,使得凍融后期土壤DOC和DON出現(xiàn)下降趨勢[11,13]。同時,由于礦化作用,土壤中原有的DOC與DON在不斷被利用分解,因此經(jīng)多次凍融后土壤DOC與DON含量減少[35,37—38]。此外,本研究發(fā)現(xiàn)兩種凍融幅度對比,小幅度凍融幅度對DOC與DON含量的影響更大,這可能是因為大幅度凍融作用中融化溫度較高,在相對較高溫度的融化時期加速 DOC和DON的消耗,從而導(dǎo)致小幅度凍融循環(huán)下DOC和DON含量變幅更大[24]。研究發(fā)現(xiàn),0—15 cm土壤DOC和DON受凍融頻次及凍融幅度的影響不顯著,可能是因為0—15 cm土壤受微生物影響較大,表層土壤的微生物群落數(shù)量多于深層土壤,表層土壤微生物對DOC、DON的利用也就更強(qiáng)[36]。

表4 土壤活性有機(jī)碳氮組分與土壤酶活性之間的相關(guān)性

凍融強(qiáng)度、凍融循環(huán)次數(shù)對土壤微生物量有顯著影響[39]。土壤MBC和MBN含量主要受到土壤微生物的數(shù)量與種類的決定性影響,同時還受土壤水分、土壤溫度、土壤通氣性等各生態(tài)因子的作用[40—41]。隨著凍融頻次的增加,與凍融前相比,15次凍融循環(huán)后土壤MBC含量增加。凍融交替作用和氯仿熏蒸會殺死土壤中的微生物,在凍融作用的初期,死亡微生物的細(xì)胞可作為存活微生物的底物,進(jìn)而增加了土壤微生物活性；此外,死亡的微生物在分解過程中釋放小分子物質(zhì),提高了土壤中有機(jī)質(zhì)含量,同時也增加了土壤的微生物量[42]。然而,凍融循環(huán)短期內(nèi)改變了泥炭土壤基本理化性質(zhì),低溫環(huán)境抑制了土壤微生物的活性,土壤中微生物的生物量隨之受到影響[43]。因此,隨著凍融頻次的增加,土壤MBN含量下降,MBC在7次-10—10℃凍融作用后也開始下降,在其他濕地中也發(fā)現(xiàn)類似的研究結(jié)果[43—44]。土壤MBC與以往研究結(jié)果有所差異,這可能是受采樣時間及采樣時溫度的影響,采樣時研究區(qū)土壤平均溫度為-7.3℃,能夠存活的土壤微生物對低溫有一定的適應(yīng)性可以很好存活,并在釋放的DOC和DON的作用下,呈現(xiàn)增加趨勢。土壤MBN與MBC含量變化不一致,可能是因為氮在土壤中不穩(wěn)定,極易發(fā)生礦化,凍融作用加劇了氮的礦化[45]。本研究發(fā)現(xiàn),隨著土壤深度的增加,凍融作用對深層土壤MBC和MBN含量變化影響更大,可能是因為在整個凍融循環(huán)中,凍土下界面稍晚于表層開始融化,已有研究表明,凍融交替主要發(fā)生在凍土近地表層,在該層產(chǎn)生單向的土壤解凍與雙向的土壤凍結(jié),即同時從地面和活動層的底部開始凍結(jié),因此深層土壤凍結(jié)時間更長,從而導(dǎo)致微生物活性受到更強(qiáng)烈的抑制作用。此外,兩種凍融幅度對比,大幅度凍融幅度對土壤MBC與MBN含量的影響更大,這可能是因為大幅度凍融循環(huán)作用下釋放養(yǎng)分更快,微生物充分利用周圍有機(jī)質(zhì)維持自身生命活動使MBC、MBN含量變幅更大。

3.2 凍融交替作用對土壤酶活性的影響

土壤BG、NAG和AP酶在土壤有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化過程中具有重要作用,表征土壤碳、氮、磷元素的生物有效性[46—48]。土壤PER酶主要氧化酚類、胺類為醌,能夠反應(yīng)土壤腐殖化狀況,而土壤PPO酶是一種非特異性酶,可分解木質(zhì)素和腐殖酸等難降解聚合物[49]。本研究發(fā)現(xiàn),凍融頻次顯著影響了土壤胞外酶活性。兩種凍融模式下,上述5種土壤胞外酶活性在凍融交替作用初期顯著降低,而凍融作用后期有所增加,這與先前的研究相一致[50]。土壤酶大部分是土壤微生物的產(chǎn)物,因此影響土壤微生物活性或組成結(jié)構(gòu)的條件也會改變土壤酶活性[51]。雙因素方差分析表明,凍融頻次對0—15 cm土壤氧化酶與水解酶均有顯著影響。土壤酶由微生物分泌,0—15 cm土壤微生物數(shù)量高于15—30 cm土壤。然而,在-5—5℃凍融模式下,不同頻次下各種酶的變化趨勢有差異,在凍融循環(huán)初始階段,凍融循環(huán)殺死了微生物,導(dǎo)致土壤水解酶和氧化酶活性降低；另一方面,凍融作用下土壤DOC含量增加,不需要微生物釋放過多的酶滿足其對能量的需求。在凍融作用后期,土壤團(tuán)聚體的破碎和微生物細(xì)胞的破裂增加了胞內(nèi)酶向土壤的釋放[52],同時也增加了土壤微生物與活性有機(jī)質(zhì)的接觸面積,促進(jìn)了土壤酶活性后期的增加。土壤NAG酶和AP酶呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢,表明在-5—5℃凍融作用下,這2種土壤酶活性并未完全鈍化[53]。凍結(jié)作用下,土壤中DOC快速釋放,同時磷元素的有效性降低,促使微生物釋放更多的NAG和AP酶來緩解自身氮、磷限制[54]。本研究中,土壤AP酶與土壤MBC和MBN的顯著正相關(guān)關(guān)系驗證了這一結(jié)論。

凍融循環(huán)初期,相對于-5—5℃,-10—10℃的大幅凍融作用下土壤氧化酶活性下降更為明顯,且在凍融作用后期增加也更為顯著。這意味著大幅度凍融作用下土壤可溶性養(yǎng)分的釋放及吸收更為迅速,促使土壤酶做出快速的反應(yīng),這與本研究中大幅度凍融作用對土壤DOC和DON的影響更為顯著的研究結(jié)果相一致。此外,凍融作用對0—15 cm的土壤氧化酶活性變化比對15—30 cm的影響更加顯著,其原因可能是土壤表層覆蓋大量植物殘體,同時具有利于微生物繁殖的較為良好的水氣環(huán)境,使得土壤有效養(yǎng)分較高,因此表層土壤有較高的土壤酶活性[55],且表層土壤直接應(yīng)力于凍融循環(huán),由于溫度、水分的變化表層土壤酶活性而產(chǎn)生相應(yīng)的變化；而深層土壤對于凍融循環(huán)的響應(yīng)較上層土壤而遲緩[56]。

4 結(jié)論

(1)通過凍融模擬實驗結(jié)果得知,凍融作用顯著改變泥沼澤土壤活性有機(jī)碳氮含量。-10—10℃凍融作用下土壤養(yǎng)分釋放更為迅速,土壤DOC和DON呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。-5—5℃凍融作用下土壤養(yǎng)分釋放緩慢,在15次凍融循環(huán)后土壤DOC和DON含量高于-10—10℃凍融作用。

(2)凍融作用增加了土壤MBC含量,降低了土壤MBN含量,且-10—10℃凍融作用下對土壤微生物量碳氮的影響更為顯著。-5—5℃和-10—10℃凍融幅度均對15—30 cm土壤微生物量碳氮的影響更強(qiáng)。

(3)凍融作用凍融作用顯著降低了土壤水解酶和氧化酶活性,且-5—5℃凍融作用下對土壤水解酶活性變化影響更加顯著,而-10—10℃凍融作用下土壤氧化酶活性的變化更為劇烈。隨著土層深度的增加,土壤水解酶活性變化的幅度表現(xiàn)為0—15 cm<15—30 cm,土壤氧化酶活性變化的幅度表現(xiàn)為0—15 cm>15—30 cm。凍融作用下土壤酶活性的變化與土壤活性有機(jī)碳、氮組分的變化密切相關(guān)。