华西雨屏区苦竹林土壤酶活性对模拟氮沉降的响应_图文

1、华西雨屏区苦竹林土壤酶活性对模拟氮沉降的响应3涂利华1胡庭兴133张健1李仁洪1,2戴洪忠1雒守华1向元彬1黄立华1(1四川农业大学林学院林业生态工程省级重点实验室,四川雅安625014;2四川省林业调查规划院,成都610081摘要2007年11月2009年5月,对华西雨屏区苦竹人工林进行了模拟氮沉降试验,氮沉降水平分别为:对照(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.在氮沉降进行半年后,每月采集各样方020cm 土壤样品,测定其土壤酶活性,连续测定1年.结果表明:苦竹人工林样地中6种土壤酶活性的季节

2、变化较明显,蔗糖酶、纤维素酶和酸性磷酸酶活性的高峰期出现在春季,脲酶活性高峰期出现在秋季,而过氧化物酶和多酚氧化酶活性高峰期出现在冬季;氮沉降增加了苦竹林土壤中木质素分解酶和碳、氮、磷分解相关酶(多酚氧化酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和脲酶的活性,抑制了纤维素酶活性,而对过氧化物酶的影响不显著;苦竹林生态系统处于一种氮限制状态,氮沉降刺激了微生物2酶系统对土壤有机质的分解.关键词氮沉降土壤酶苦竹人工林华西雨屏区文章编号1001-9332(200912-2943-06中图分类号Q143.4;S154.1文献标识码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 .化石燃料的燃烧、化肥的使用和固氮作物的大面积种植极大地影响了活性氮的生成和沉降速率1-2.由于绝大多数陆地生态系统都是受氮所限制,氮沉降的增加潜在的影响着初级生产和分解之间的平衡3.分解是生态系统中的关键性过程,同时也是一种多尺度的综合现象4.在所有尺度中,微生物和酶在大量元素的循环和能量流动过程中起着决定性的作用5.长期的氮沉降降低了土壤pH值、盐基饱和度和矿物风化速率,并严重影响了众多应用生态学报2009年12月第20卷第12期Chinese Journal of App lied Ecol ogy,Dec .2009

10、,20(12:2943-2948生物学过程6.同时,氮沉降也可以通过施肥作用使有机质积累,改变微生物的活动7,导致酶活性的变化3,8.通常认为,向氮限制生态系统施加氮时会促进纤维素分解酶活性,抑制木质素降解酶活性3.增加的氮除对碳相关酶活性有影响外,对氮、磷相关酶活性也有着正面或负面的影响9-10.研究证明,生态系统中增加的氮对酶活性的影响能够解释氮沉降对土壤有机质(S OM和凋落物分解的影响4,10-13.因此,氮沉降对森林生态系统碳动态和养分状况的影响很大程度上决定于胞外酶生产过程对氮沉降的响应.但由于土壤酶活性的影响因素众多,如土壤养分可用性14、凋落物木质素含量15、凋落物和土壤C/N

11、9等,因此,不同生态系统土壤酶对氮沉降的响应可能有所差异3.我国是全球三大氮沉降区之一.随着工农业的迅猛发展,我国的氮沉降量还可能继续增加16.目前国内有关氮沉降的研究主要集中在氮沉降对土壤呼吸、凋落物和土壤有机质分解、土壤微生物的影响等方面,而对森林生态系统土壤酶的影响研究只有少量报道17-18.在森林生态系统碳氮循环过程中,土壤酶起到关键性的作用.因此,深入研究土壤酶对大气氮沉降增加的响应具有重要的科学意义.四川盆地西缘的华西雨屏区是受邛崃山脉地形的影响而被抬升降温、空气中的水分达到过饱和状态而形成降水19的一个多雨的狭长地带.该地区氮沉降形式主要为湿沉降,年氮湿沉降量达到81241gm-

12、220,超出了该地区的临界负荷值,并有逐渐增加的趋势.高量并持续增加的氮沉降,势必对该地区森林生态系统的结构和过程造成重大的影响.笔者前期研究表明,在大气氮沉降增加的情况下,华西雨屏区苦竹(P leioblastus am uarus林土壤向大气释放的CO2将增加914%2816%20.本文以试验性氮沉降015年后的苦竹林为研究对象,在持续进行模拟氮沉降的基础上,研究与碳、氮、磷相关的土壤酶对氮沉降增加的响应,进一步探讨苦竹林土壤系统对氮沉降增加的内在响应机理和土壤酶在调控碳及大量元素循环中的作用.1研究地区与研究方法111试验地概况试验地设在四川省洪雅县柳江镇(29°95N, 10

13、3°38E.该地区属中亚热带湿润性山地气候,年均气温1416,1月平均气温616,7月平均气温2517.19802000年年均降水量为148918mm,年内降水主要集中于68月,年平均相对空气湿度为82%.试验地为2000年退耕还林工程建成的苦竹林,土壤为紫色土,样地林分结构和土壤特征见表1.112试验设计2007年10月,在苦竹林内选择具有代表性的林地作为氮沉降试验样地.在样地中建立12个3m ×3m的样方,每个样方间设>3m宽的缓冲带.用NH4NO3进行氮沉降处理,共设4个水平:对照(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,每个水平3个重复.将年施用量平均分成12等份,2007年11月2009年5月,每月下旬定量对各样方进行模拟氮沉降处理,具体方法是将各水平所需NH4NO3溶解至1L水中,用喷雾器在该水平样方中来回均匀喷洒,对照只喷洒清水.113样品采集、处理和测定在模拟氮沉降015年后,每月下旬采集各样方020c m土壤样品(每样方取6点,连续取样12个月.每次取回样品后,挑除可见根系,过2mm筛,于4条件下保存待测.分别采用3,52二硝基水杨酸比色法、蒽酮比色法、邻苯三酚比色法、磷酸苯二钠比色法和苯酚2次氯酸钠比色法测定土壤蔗糖酶、纤维素酶、过氧化物酶、多酚氧化酶、酸性磷酸

15、酶和脲酶21.土壤酶活性单位为单位时间单位干土质量中,土壤酶消耗特定底物(或生成特定产物的微摩尔量(或纳摩尔量表示,酸性磷酸酶、蔗糖酶、脲表1苦竹林样地林分结构和020c m层土壤特征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林分结构Forest structure郁闭度Canopy density株数密度Ste m density(treehm-2平均竹高Meanheight(m平均胸径Mean DHB(c m林褥厚度Thic

16、kness off orest fl oor(c m020c m层土壤特征Soil p r operties of0-20cm layerpH总碳Total C(mgg-1总氮Total N(mgg-1有效磷Available P(mgkg-1速效钾Available K(mgkg-1酶、多酚氧化酶和过氧化物酶单位为mol g -1h -1,纤维素酶单位为nmol g -1h -1.所有酶活性指标的测定均采用新鲜土样,取样后一周内测定.114数据处理利用SPSS 1610(SPSS I nc .,US A 软件对各处理土壤酶活性数据进行重复测量单变量方差分析(one 2way R MANOVA

17、 和LS D 多重比较22.2结果与分析211苦竹林土壤酶活性特征由表2可以看出,与对照相比,氮沉降使土壤蔗糖酶活性显著增加(P <0105,在514%2119%;而纤维素酶活性则下降了1411%3216%,受到显著抑制(P <0.05.过氧化物酶和多酚氧化酶为土壤中主要的木质素降解酶,二者的相关性显著(R 2=0.749,P <0101.本试验中,两种酶的活性高峰期均出现在冬季,且过氧化物酶活性是多酚氧化酶活性的514倍.低氮处理的过氧化物酶活性显著高于中氮、高氮处理和对照处理(P <0105,且后三者无显著差异.而氮沉降处理与对照之间的多酚氧化酶活性差异显著(P &

18、lt;0105,低氮、中氮和高氮处理的多酚氧化酶活性分别比对照高出1514%、1916%和3511%.土壤酸性磷酸酶活性除在56月出现一个高峰值外,全年其他月份酶活性均较为恒定.氮处理使酸性磷酸酶活性提高了1210%1312%,且与对照样地存在显著差异(P <0105,而各氮处理水平之间差异不显著.与对照相比,低氮、中氮和高氮处理的样地土壤脲酶活性分别高出1311%、616%和716%,差异显著(P <0105 .图1苦竹林中土壤酶活性动态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:对照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期涂利华等:华西雨屏区苦竹林土壤酶活性对模拟氮沉降的响应表2不同处理土壤酶活性方差分析和多重比较结果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处理Treat m ent蔗糖酶Sucrase activity(molg-1h-1纤维素酶Cellulase activity(nmolg-1h-1过氧化物酶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对照C

21、ontr ol01583a010018c51510a01618a01985a01908a低氮Low N01653b010012a51767b01713b11114b11027c中氮Medium N01615ab010016b51401a01739b11103b01967b高氮H igh N01711c010015a51518a01834c11103b01976b表中数值为20082062009205各次测定平均值,不同字母表示处理间差异显著(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.综上可见,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,抑制了纤维素酶的活性,而对过氧化物酶的影响不明显.3讨论311华西雨屏区苦竹林土壤酶活性特征本研究结果表明,6种土壤酶均具有较明显的季节变化,且活性高峰期各异.蔗糖酶、纤维素酶和酸性磷酸酶活性高峰期出现在春季,脲酶活性高峰期则出现在秋季,过氧化物酶和多酚氧化酶活性高峰期为冬季,与宋学贵等18的研究结果基本一

23、致.这是因为苦竹林凋落高峰期在45月,大量新鲜凋落物中富含的可溶性有机质和纤维素等物质,可能刺激了蔗糖酶、纤维素酶和酸性磷酸酶的活性.也有学者研究认为,土壤酶活性与温度相关,酶活性的高峰期出现在夏季23.这可能是由于土壤酶的来源及其对环境响应的敏感性不同所致18.另外,土壤酶活性的强弱受控于分泌该酶的微生物活动以及土壤条件(如温度、水分、养分、pH等、微生物种群和土壤理化性质共同决定了底物利用模式和土壤酶活性24.312苦竹林土壤酶活性对模拟氮沉降的响应木质素和纤维素是地球上两个最主要的有机质源,氮沉降将通过对木质素、纤维素分解相关酶的改变强烈影响全球碳循环过程8.本研究中,氮沉降促进了木质素

24、分解酶(多酚氧化酶活性,而抑制了纤维素分解酶活性.以往研究认为,增施氮显著降低了木质素降解酶活性8,25,增施的N和木质素降解过程中的次生产物以及其他的多酚化合物之间会发生一系列非生物反应,形成抗分解物质并降低分解速率26-27.也有研究发现,增施氮使与木质素降解相关的微生物胞外酶活性减少,从而使高木质素含量的凋落物种类对氮沉降的负响应更强烈8,11-12,15,28.但这些研究多是针对凋落物分解过程中的酶活性,由于土壤和凋落物中木质素积累量和相关微生物群落的巨大差异,可能导致凋落物层和土壤木质素分解酶对氮沉降的响应不同.如Saiya2Cork等9发现,氮沉降使土壤中多酚氧化酶活性降低了40%

25、,而凋落物层多酚氧化酶活性增加了63%.另外,不同的生态系统木质素分解酶对氮沉降的响应可能不同.如Keeler等3对8种森林和草原生态系统的研究发现,氮沉降对不同的生态系统土壤过氧化物酶和土壤多酚氧化酶呈现出促进、抑制和无作用3种影响.近期许多研究也发现氮沉降促进了氧化酶(多酚氧化酶、过氧化物酶等活性或对其活性无影响3,9-10,29-30,这说明木质素降解酶对氮沉降的负响应并不是一个普遍现象.由于多酚氧化酶在腐殖化过程中扮演着重要角色,其活性的增加表明氮沉降可能加速了苦竹林土壤腐殖质的形成.研究结果表明,氮沉降对苦竹林土壤碳、氮、磷相关分解酶(蔗糖酶、酸性磷酸酶、脲酶活性均有促进作用.土壤蔗

26、糖酶广泛存在于土壤中,直接参与土壤有机质的代谢过程,对土壤微生物数量、土壤呼吸强度有直接依赖性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学活性强度和土壤肥力32.本研究中,氮沉降显著增加了土壤酸性磷酸酶活性,这与Johns ona等33在草原和石南生态系统及Keeler等3在8种森林和草原生态系统的模拟氮沉降研究结果一致.Carreir o等8也发现,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适应于低氮环境,氮沉降导致胞外酶从氮限制向磷限制方向转变34.通常在氮限制生态系统中,增加的氮刺激了微生物活性并增加其对磷和碳的需求,使得碳、磷相关酶活性增加3.以往

27、研究发现氮沉降促进了土壤脲酶活性9,18,本研究结果证实了这一点.脲酶活性的增加表明总氮矿化速率具有增加的可能性.6492应用生态学报20卷氮沉降抑制了纤维素分解酶活性,这与宋学贵等18和Deforest等25,31的研究结果一致,但也有研究表明,氮沉降增加了纤维素酶活性3,8-9或无明显影响11.这可能是因为不同生态系统中不同的微生物区系对氮的响应各异.由于苦竹林土壤纤维素酶活性比其余5种酶活性低3个数量级,因此该酶在土壤有机物分解过程中的作用相对较弱.通常来说,影响土壤酶活性对氮沉降响应差异的主要原因有土壤养分可用性14、凋落物木质素含量15、凋落物和土壤C/N11等.由于影响土壤酶活性的

28、因素众多,增加了土壤酶对大气氮沉降响应的复杂性,不同生态系统土壤酶对氮沉降的响应可能不同3.有机质在酶催化下分解成简单矿质化合物的过程称为有机质分解过程21,有机质分解直接受酶活性的调控.因此,氮沉降对森林生态系统碳库和养分库的影响很大程度上反映为氮沉降对胞外酶生产过程的影响.本研究中6种土壤酶在模拟氮沉降下响应方式各异,但总体上是一种正响应.由于各种酶的底物不同,氮沉降对苦竹林土壤碳库和养分库的影响很大程度上决定于各底物的比例.在氮沉降1年后,氮沉降使得土壤微生物生物量和异养呼吸速率分别增加了16%22%和32%147%20,表明土壤微生物2酶系统对有机质的分解加速,从宏观上表现为土壤碳排放

29、的增加.由于大气氮沉降的持续性和长期性,以及酶对氮沉降响应的复杂性,在长期并不断增加的氮沉降情况下,各土壤酶及其相关微生物群落的变化及其适应性,尚有待进一步研究.参考文献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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