華西雨屏區(qū)苦竹林土壤酶活性對模擬氮沉降的響應_圖文

1、華西雨屏區(qū)苦竹林土壤酶活性對模擬氮沉降的響應3涂利華1胡庭興133張健1李仁洪1,2戴洪忠1雒守華1向元彬1黃立華1(1四川農(nóng)業(yè)大學林學院林業(yè)生態(tài)工程省級重點實驗室,四川雅安625014;2四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,成都610081摘要2007年11月2009年5月,對華西雨屏區(qū)苦竹人工林進行了模擬氮沉降試驗,氮沉降水平分別為:對照(0g N m -2a -1、低氮(5g N m -2a -1、中氮(15g N m -2a -1和高氮(30g N m -2a -1.在氮沉降進行半年后,每月采集各樣方020cm 土壤樣品,測定其土壤酶活性,連續(xù)測定1年.結果表明:苦竹人工林樣地中6種土壤酶活性的季節(jié)

2、變化較明顯,蔗糖酶、纖維素酶和酸性磷酸酶活性的高峰期出現(xiàn)在春季,脲酶活性高峰期出現(xiàn)在秋季,而過氧化物酶和多酚氧化酶活性高峰期出現(xiàn)在冬季;氮沉降增加了苦竹林土壤中木質素分解酶和碳、氮、磷分解相關酶(多酚氧化酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和脲酶的活性,抑制了纖維素酶活性,而對過氧化物酶的影響不顯著;苦竹林生態(tài)系統(tǒng)處于一種氮限制狀態(tài),氮沉降刺激了微生物2酶系統(tǒng)對土壤有機質的分解.關鍵詞氮沉降土壤酶苦竹人工林華西雨屏區(qū)文章編號1001-9332(200912-2943-06中圖分類號Q143.4;S154.1文獻標識碼A So il enzy m e acti v iti es i n a P leiob l

3、astus am u rus pl an t a ti on i n Ra i n y Area of W est Ch i n a undersi m ul a ted n itrogen depositi on.T U L i 2hua 1,HU Ting 2xing 1,Z HANG J ian 1,L I Ren 2hong 1,2,DA IHong 2zhong 1,LUO Shou 2hua 1,X I A NG Yuan 2bin 1,HUANG L i 2hua 1(1S ichuan P rovince Key L abo 2ratory of Ecological Eng

4、ineering,College of Forestry,S ichuan A gricultural U niversity,Ya an625014,S ichuan,China;2S ichuan Institu te of Forestry Inventory and P lan,Chengdu 610081,China .2Chin .J.A ppl .Ecol .,2009,20(12:2943-2948.Abstract:Fr om Nove mber 2007t o May 2009,a si m ulati on test was conducted in a P leiobl

5、astus am a rus p lantati on in Rainy A rea ofW est China t o study the effects of nitr ogen depositi on on the ac 2tivities of s oil enzy mes .Four treat m ents were installed,i .e .,contr ol (0g N m -2a -1,l ow ni 2tr ogen (5g N m -2a -1,mediu m nitr ogen (15g N m -2a -1,and high nitr ogen (30g N m

6、 -2a -1.Half year after N depositi on,0-20c m s oil sa mp les were collected monthly,and the ac 2tivities of per oxidase,poly phenol oxidase,cellulase,sucrase,urease,and acid phos phatase were de 2ter m ined .A ll test enzy me activities had apparent seas onal variati on,with the peak of cellulase,s

7、u 2crase,and acid phos phatase activities in s p ring,of urease activity in autu mn,and of per oxidase and poly phenol oxidase activities in winter .N itr ogen depositi on sti m ulated the activities of polyphenol oxi 2dase,sucrase,urease,and acid phos phatase,inhibited cellulase activity,but had no

8、 significant effects on per oxidase activity .The test P .am urus p lantati on ecosyste m was N 2li m ited,and nitr ogen depositi on sti m ulated the decompositi on of s oil organic matter by m icr obe 2enzy me syste m.Key words:nitr ogen depositi on;s oil enzy me activity;P leioblastus am arus p la

9、ntati on;Rainy A rea ofW est China .化石燃料的燃燒、化肥的使用和固氮作物的大面積種植極大地影響了活性氮的生成和沉降速率1-2.由于絕大多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)都是受氮所限制,氮沉降的增加潛在的影響著初級生產(chǎn)和分解之間的平衡3.分解是生態(tài)系統(tǒng)中的關鍵性過程,同時也是一種多尺度的綜合現(xiàn)象4.在所有尺度中,微生物和酶在大量元素的循環(huán)和能量流動過程中起著決定性的作用5.長期的氮沉降降低了土壤pH值、鹽基飽和度和礦物風化速率,并嚴重影響了眾多應用生態(tài)學報2009年12月第20卷第12期Chinese Journal of App lied Ecol ogy,Dec .2009

10、,20(12:2943-2948生物學過程6.同時,氮沉降也可以通過施肥作用使有機質積累,改變微生物的活動7,導致酶活性的變化3,8.通常認為,向氮限制生態(tài)系統(tǒng)施加氮時會促進纖維素分解酶活性,抑制木質素降解酶活性3.增加的氮除對碳相關酶活性有影響外,對氮、磷相關酶活性也有著正面或負面的影響9-10.研究證明,生態(tài)系統(tǒng)中增加的氮對酶活性的影響能夠解釋氮沉降對土壤有機質(S OM和凋落物分解的影響4,10-13.因此,氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)和養(yǎng)分狀況的影響很大程度上決定于胞外酶生產(chǎn)過程對氮沉降的響應.但由于土壤酶活性的影響因素眾多,如土壤養(yǎng)分可用性14、凋落物木質素含量15、凋落物和土壤C/N

11、9等,因此,不同生態(tài)系統(tǒng)土壤酶對氮沉降的響應可能有所差異3.我國是全球三大氮沉降區(qū)之一.隨著工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展,我國的氮沉降量還可能繼續(xù)增加16.目前國內(nèi)有關氮沉降的研究主要集中在氮沉降對土壤呼吸、凋落物和土壤有機質分解、土壤微生物的影響等方面,而對森林生態(tài)系統(tǒng)土壤酶的影響研究只有少量報道17-18.在森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過程中,土壤酶起到關鍵性的作用.因此,深入研究土壤酶對大氣氮沉降增加的響應具有重要的科學意義.四川盆地西緣的華西雨屏區(qū)是受邛崍山脈地形的影響而被抬升降溫、空氣中的水分達到過飽和狀態(tài)而形成降水19的一個多雨的狹長地帶.該地區(qū)氮沉降形式主要為濕沉降,年氮濕沉降量達到81241gm-

12、220,超出了該地區(qū)的臨界負荷值,并有逐漸增加的趨勢.高量并持續(xù)增加的氮沉降,勢必對該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的結構和過程造成重大的影響.筆者前期研究表明,在大氣氮沉降增加的情況下,華西雨屏區(qū)苦竹(P leioblastus am uarus林土壤向大氣釋放的CO2將增加914%2816%20.本文以試驗性氮沉降015年后的苦竹林為研究對象,在持續(xù)進行模擬氮沉降的基礎上,研究與碳、氮、磷相關的土壤酶對氮沉降增加的響應,進一步探討苦竹林土壤系統(tǒng)對氮沉降增加的內(nèi)在響應機理和土壤酶在調(diào)控碳及大量元素循環(huán)中的作用.1研究地區(qū)與研究方法111試驗地概況試驗地設在四川省洪雅縣柳江鎮(zhèn)(29°95N, 10

13、3°38E.該地區(qū)屬中亞熱帶濕潤性山地氣候,年均氣溫1416,1月平均氣溫616,7月平均氣溫2517.19802000年年均降水量為148918mm,年內(nèi)降水主要集中于68月,年平均相對空氣濕度為82%.試驗地為2000年退耕還林工程建成的苦竹林,土壤為紫色土,樣地林分結構和土壤特征見表1.112試驗設計2007年10月,在苦竹林內(nèi)選擇具有代表性的林地作為氮沉降試驗樣地.在樣地中建立12個3m ×3m的樣方,每個樣方間設>3m寬的緩沖帶.用NH4NO3進行氮沉降處理,共設4個水平:對照(CK,0g Nm-2a-1、低氮(5g Nm-2a-1、中氮(15g Nm-2a

14、-1和高氮(30g Nm-2a-1,每個水平3個重復.將年施用量平均分成12等份,2007年11月2009年5月,每月下旬定量對各樣方進行模擬氮沉降處理,具體方法是將各水平所需NH4NO3溶解至1L水中,用噴霧器在該水平樣方中來回均勻噴灑,對照只噴灑清水.113樣品采集、處理和測定在模擬氮沉降015年后,每月下旬采集各樣方020c m土壤樣品(每樣方取6點,連續(xù)取樣12個月.每次取回樣品后,挑除可見根系,過2mm篩,于4條件下保存待測.分別采用3,52二硝基水楊酸比色法、蒽酮比色法、鄰苯三酚比色法、磷酸苯二鈉比色法和苯酚2次氯酸鈉比色法測定土壤蔗糖酶、纖維素酶、過氧化物酶、多酚氧化酶、酸性磷酸

15、酶和脲酶21.土壤酶活性單位為單位時間單位干土質量中,土壤酶消耗特定底物(或生成特定產(chǎn)物的微摩爾量(或納摩爾量表示,酸性磷酸酶、蔗糖酶、脲表1苦竹林樣地林分結構和020c m層土壤特征Tab.1Forest structure and so il properti es of0-20c m l ayer i n a P leioblastus am a rus pl an t a ti on林分結構Forest structure郁閉度Canopy density株數(shù)密度Ste m density(treehm-2平均竹高Meanheight(m平均胸徑Mean DHB(c m林褥厚度Thic

16、kness off orest fl oor(c m020c m層土壤特征Soil p r operties of0-20cm layerpH總碳Total C(mgg-1總氮Total N(mgg-1有效磷Available P(mgkg-1速效鉀Available K(mgkg-1酶、多酚氧化酶和過氧化物酶單位為mol g -1h -1,纖維素酶單位為nmol g -1h -1.所有酶活性指標的測定均采用新鮮土樣,取樣后一周內(nèi)測定.114數(shù)據(jù)處理利用SPSS 1610(SPSS I nc .,US A 軟件對各處理土壤酶活性數(shù)據(jù)進行重復測量單變量方差分析(one 2way R MANOVA

17、 和LS D 多重比較22.2結果與分析211苦竹林土壤酶活性特征由表2可以看出,與對照相比,氮沉降使土壤蔗糖酶活性顯著增加(P <0105,在514%2119%;而纖維素酶活性則下降了1411%3216%,受到顯著抑制(P <0.05.過氧化物酶和多酚氧化酶為土壤中主要的木質素降解酶,二者的相關性顯著(R 2=0.749,P <0101.本試驗中,兩種酶的活性高峰期均出現(xiàn)在冬季,且過氧化物酶活性是多酚氧化酶活性的514倍.低氮處理的過氧化物酶活性顯著高于中氮、高氮處理和對照處理(P <0105,且后三者無顯著差異.而氮沉降處理與對照之間的多酚氧化酶活性差異顯著(P &

18、lt;0105,低氮、中氮和高氮處理的多酚氧化酶活性分別比對照高出1514%、1916%和3511%.土壤酸性磷酸酶活性除在56月出現(xiàn)一個高峰值外,全年其他月份酶活性均較為恒定.氮處理使酸性磷酸酶活性提高了1210%1312%,且與對照樣地存在顯著差異(P <0105,而各氮處理水平之間差異不顯著.與對照相比,低氮、中氮和高氮處理的樣地土壤脲酶活性分別高出1311%、616%和716%,差異顯著(P <0105 .圖1苦竹林中土壤酶活性動態(tài)F i g .1Dyna m ics of s oil enzy me activities in Pleioblastus am urus p

19、 lantati on (20082062009205(mean ±S D,n =8.CK:對照Contr ol (0g N m -2a -1;L:低氮Low nitr ogen (5g N m -2a -1;M:中氮Medium nitr ogen (15g N m -2a -1;H:高氮H igh nitr ogen (30g N m -2a -1.549212期涂利華等:華西雨屏區(qū)苦竹林土壤酶活性對模擬氮沉降的響應表2不同處理土壤酶活性方差分析和多重比較結果Tab.2Results of one2way R M AN O VA and m ulti ple co m par i

20、son s(L S Dof so il enzy m e acti v iti es i n of d i fferan t trea t m en t處理Treat m ent蔗糖酶Sucrase activity(molg-1h-1纖維素酶Cellulase activity(nmolg-1h-1過氧化物酶Per oxidase activity(molg-1h-1多酚氧化酶Polyphenol oxidaseactivity(molg-1h-1酸性磷酸酶Acidic phos phataseactivity(molg-1h-1脲酶U rease activity(molg-1h-1對照C

21、ontr ol01583a010018c51510a01618a01985a01908a低氮Low N01653b010012a51767b01713b11114b11027c中氮Medium N01615ab010016b51401a01739b11103b01967b高氮H igh N01711c010015a51518a01834c11103b01976b表中數(shù)值為20082062009205各次測定平均值,不同字母表示處理間差異顯著(P<0105Figures in the table are means of several tests(fr om June2008t o Ma

22、y2009,and different letters denoted treat m ent means are significantly different(one2way RMANOVA,P<0105.綜上可見,氮沉降增加了苦竹林土壤多酚氧化酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和脲酶的活性,抑制了纖維素酶的活性,而對過氧化物酶的影響不明顯.3討論311華西雨屏區(qū)苦竹林土壤酶活性特征本研究結果表明,6種土壤酶均具有較明顯的季節(jié)變化,且活性高峰期各異.蔗糖酶、纖維素酶和酸性磷酸酶活性高峰期出現(xiàn)在春季,脲酶活性高峰期則出現(xiàn)在秋季,過氧化物酶和多酚氧化酶活性高峰期為冬季,與宋學貴等18的研究結果基本一

23、致.這是因為苦竹林凋落高峰期在45月,大量新鮮凋落物中富含的可溶性有機質和纖維素等物質,可能刺激了蔗糖酶、纖維素酶和酸性磷酸酶的活性.也有學者研究認為,土壤酶活性與溫度相關,酶活性的高峰期出現(xiàn)在夏季23.這可能是由于土壤酶的來源及其對環(huán)境響應的敏感性不同所致18.另外,土壤酶活性的強弱受控于分泌該酶的微生物活動以及土壤條件(如溫度、水分、養(yǎng)分、pH等、微生物種群和土壤理化性質共同決定了底物利用模式和土壤酶活性24.312苦竹林土壤酶活性對模擬氮沉降的響應木質素和纖維素是地球上兩個最主要的有機質源,氮沉降將通過對木質素、纖維素分解相關酶的改變強烈影響全球碳循環(huán)過程8.本研究中,氮沉降促進了木質素

24、分解酶(多酚氧化酶活性,而抑制了纖維素分解酶活性.以往研究認為,增施氮顯著降低了木質素降解酶活性8,25,增施的N和木質素降解過程中的次生產(chǎn)物以及其他的多酚化合物之間會發(fā)生一系列非生物反應,形成抗分解物質并降低分解速率26-27.也有研究發(fā)現(xiàn),增施氮使與木質素降解相關的微生物胞外酶活性減少,從而使高木質素含量的凋落物種類對氮沉降的負響應更強烈8,11-12,15,28.但這些研究多是針對凋落物分解過程中的酶活性,由于土壤和凋落物中木質素積累量和相關微生物群落的巨大差異,可能導致凋落物層和土壤木質素分解酶對氮沉降的響應不同.如Saiya2Cork等9發(fā)現(xiàn),氮沉降使土壤中多酚氧化酶活性降低了40%

25、,而凋落物層多酚氧化酶活性增加了63%.另外,不同的生態(tài)系統(tǒng)木質素分解酶對氮沉降的響應可能不同.如Keeler等3對8種森林和草原生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn),氮沉降對不同的生態(tài)系統(tǒng)土壤過氧化物酶和土壤多酚氧化酶呈現(xiàn)出促進、抑制和無作用3種影響.近期許多研究也發(fā)現(xiàn)氮沉降促進了氧化酶(多酚氧化酶、過氧化物酶等活性或對其活性無影響3,9-10,29-30,這說明木質素降解酶對氮沉降的負響應并不是一個普遍現(xiàn)象.由于多酚氧化酶在腐殖化過程中扮演著重要角色,其活性的增加表明氮沉降可能加速了苦竹林土壤腐殖質的形成.研究結果表明,氮沉降對苦竹林土壤碳、氮、磷相關分解酶(蔗糖酶、酸性磷酸酶、脲酶活性均有促進作用.土壤蔗

26、糖酶廣泛存在于土壤中,直接參與土壤有機質的代謝過程,對土壤微生物數(shù)量、土壤呼吸強度有直接依賴性31.氮沉降增加了土壤蔗糖酶活性,表明氮沉降增加了土壤生物學活性強度和土壤肥力32.本研究中,氮沉降顯著增加了土壤酸性磷酸酶活性,這與Johns ona等33在草原和石南生態(tài)系統(tǒng)及Keeler等3在8種森林和草原生態(tài)系統(tǒng)的模擬氮沉降研究結果一致.Carreir o等8也發(fā)現(xiàn),氮沉降下凋落物中酸性磷酸酶活性增加.由于土壤中的微生物分解者常常適應于低氮環(huán)境,氮沉降導致胞外酶從氮限制向磷限制方向轉變34.通常在氮限制生態(tài)系統(tǒng)中,增加的氮刺激了微生物活性并增加其對磷和碳的需求,使得碳、磷相關酶活性增加3.以往

27、研究發(fā)現(xiàn)氮沉降促進了土壤脲酶活性9,18,本研究結果證實了這一點.脲酶活性的增加表明總氮礦化速率具有增加的可能性.6492應用生態(tài)學報20卷氮沉降抑制了纖維素分解酶活性,這與宋學貴等18和Deforest等25,31的研究結果一致,但也有研究表明,氮沉降增加了纖維素酶活性3,8-9或無明顯影響11.這可能是因為不同生態(tài)系統(tǒng)中不同的微生物區(qū)系對氮的響應各異.由于苦竹林土壤纖維素酶活性比其余5種酶活性低3個數(shù)量級,因此該酶在土壤有機物分解過程中的作用相對較弱.通常來說,影響土壤酶活性對氮沉降響應差異的主要原因有土壤養(yǎng)分可用性14、凋落物木質素含量15、凋落物和土壤C/N11等.由于影響土壤酶活性的

28、因素眾多,增加了土壤酶對大氣氮沉降響應的復雜性,不同生態(tài)系統(tǒng)土壤酶對氮沉降的響應可能不同3.有機質在酶催化下分解成簡單礦質化合物的過程稱為有機質分解過程21,有機質分解直接受酶活性的調(diào)控.因此,氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫和養(yǎng)分庫的影響很大程度上反映為氮沉降對胞外酶生產(chǎn)過程的影響.本研究中6種土壤酶在模擬氮沉降下響應方式各異,但總體上是一種正響應.由于各種酶的底物不同,氮沉降對苦竹林土壤碳庫和養(yǎng)分庫的影響很大程度上決定于各底物的比例.在氮沉降1年后,氮沉降使得土壤微生物生物量和異養(yǎng)呼吸速率分別增加了16%22%和32%147%20,表明土壤微生物2酶系統(tǒng)對有機質的分解加速,從宏觀上表現(xiàn)為土壤碳排放

29、的增加.由于大氣氮沉降的持續(xù)性和長期性,以及酶對氮沉降響應的復雜性,在長期并不斷增加的氮沉降情況下,各土壤酶及其相關微生物群落的變化及其適應性,尚有待進一步研究.參考文獻1V it ousek P M,Aber JD,Howarth R W,et al.Human al2terati on of the gl obal nitr ogen cycle:Sources and conse2quences.Ecological A pplications,1997,7:737-750 2Gall oway JN,Dentener FJ,Capone DG,et al.N itr ogencycle

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