雷 蕾,肖文發(fā),曾立雄,*，黃志霖,簡尊吉,倪妍妍,李 暉

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所 國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091 2 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210037 3 三峽植物園管理處,宜昌 443631

土壤酶作為有機(jī)質(zhì)分解、周轉(zhuǎn)和礦化的主要生物催化劑[1],是土壤中碳、氮、磷等養(yǎng)分循環(huán)的重要參與者[2]。不同的土壤酶參與不同的生態(tài)化學(xué)過程,如廣泛研究的β-葡糖苷酶(β- glucosidase,BG)主要參與碳循環(huán),水解纖維素,釋放葡萄糖[3],N-乙酰-葡糖苷酶(N-acetyl-glucosaminidase,NAG)主要參與氮循環(huán),分解幾丁質(zhì)[4],酸性磷酸酶(Acid phosphatase,AP)則主要影響無機(jī)磷的產(chǎn)生,催化水解有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷[5]。土壤酶受多種因素的影響[1,6-7],且對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的變化非常敏感,其活性的改變可直接引起土壤群落代謝過程和可利用養(yǎng)分的變化[8-9],進(jìn)而影響?zhàn)B分循環(huán)和植物生長,是評價(jià)土壤地力變化的重要指標(biāo)[4,10]。而土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,通過控制不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)的可接觸性、微生物群落組成、水分等因素直接影響著土壤酶的活性[11-12]。團(tuán)聚體分布及其土壤酶活性的高低能夠較未進(jìn)行土壤團(tuán)聚體分級的混合土壤更為有效、快速的反映土壤養(yǎng)分循環(huán)的變化[12- 14]。因此,了解團(tuán)聚體酶活性變化特征,對掌握土壤養(yǎng)分變化和地力維持能力具有重要的指示作用。

馬尾松(Pinusmassoniana)是我國人工林排名第3位的優(yōu)勢樹種,主要分布在南方15個(gè)省(區(qū)),面積達(dá)220萬hm2[15],也是三峽庫區(qū)分布面積最大的森林類型[16]。緣于三峽庫區(qū)復(fù)雜的地形及其所導(dǎo)致的自然氣候特征的巨大空間分異性,以及強(qiáng)烈人為干擾和長期相對落后的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平,本區(qū)域馬尾松林經(jīng)營粗放,林分結(jié)構(gòu)較差,低產(chǎn)林大面積存在,如何有效提高馬尾松地力和生產(chǎn)力對于本區(qū)域森林經(jīng)營十分重要。鑒于土壤團(tuán)聚體酶活性對于環(huán)境變化、植被組成的敏感性[11-12,14],從土壤團(tuán)聚體微生境分析不同馬尾松森林類型酶活性特征,對于深入探索不同馬尾松林地力和生產(chǎn)力差異具有重要意義。然而,目前本區(qū)域馬尾松林的研究多集中于混合土壤養(yǎng)分及其酶活性[15]、土壤碳排放[17-18]、凋落物分解[19]等方面,土壤團(tuán)聚體分布及其酶活性變化特征仍待解答。本研究以三峽庫區(qū)分布面積最廣的馬尾松杉木混交林和馬尾松杉木櫟類混交林為研究對象,分析不同馬尾松混交林類型表層土壤(0—10 cm)團(tuán)聚體分布特征及其酶活性的分布特征,以期為深入認(rèn)識不同馬尾松混交林地力差異和制定營林措施提供科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于湖北省秭歸縣(30°38′14"— 31°11′31"N,110°00′14"—111°18′41"E),海拔156—2030.6 m,年均氣溫16.9℃,年降水量1000—1250 mm,多集中于4—9月,屬于亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候。土壤類型以黃壤、黃棕壤為主[15]。選取本區(qū)域典型馬尾松杉木混交林(MS)和馬尾松杉木櫟類混交林(MH)為研究對象(其中MH混交林中櫟類樹種主要為短柄枹櫟(Quercusserratavar.brevipetiolat)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)),分別設(shè)置3個(gè)20 m×20 m樣地進(jìn)行調(diào)查,共設(shè)置樣地6個(gè),樣地基本情況見表1。調(diào)查樣地內(nèi)灌木主要有火棘(Pyracanthafortuneana)、胡枝子(Lespedezabicolor)、微毛柃(EuryahebecladosLing)等,草本主要有狗脊(Woodwardiajaponica)、魚腥草(HouttuyniacordataThunb.)、苔草(Carextristachya)等。

表1 樣地概況

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集與土壤團(tuán)聚體篩分

2017年8月,在2種馬尾松混交林的每個(gè)固定樣地內(nèi)(每種林型3個(gè)固定樣地,共計(jì)6個(gè)固定樣地)按照“S”形隨機(jī)設(shè)置9個(gè)1 m×1 m的觀測小區(qū)使用直徑6 cm的PVC管對觀測小區(qū)內(nèi)0—10 cm土壤采取5個(gè)原狀土。采樣后12h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室,按照土壤紋理輕柔掰開,去除可見的根系和石礫,過8 mm篩并將同一樣地樣品混合。為減少對土壤酶活性的影響,采用Dornodnikov等[20]改良的干篩法進(jìn)行土壤團(tuán)聚體的篩分。將過8 mm的鮮土,每次稱量500 g,采用AS200震篩儀(德國萊遲公司)2 mm,0.25 mm土壤篩以振幅1.5 mm震動3min,根據(jù)篩分粒徑,將土壤團(tuán)聚體從大到小分為大團(tuán)聚體(>2 mm),中團(tuán)聚體(0.25—2 mm)與微團(tuán)聚體(<0.25 mm)3個(gè)等級[20],并對各級團(tuán)聚體進(jìn)行稱重,用于計(jì)算各等級分布。

2.2 土壤有機(jī)碳、全氮與酶活性測定

篩分后的各團(tuán)聚體土壤一部分風(fēng)干后通過重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon,SOC)[21],凱氏定氮法測定全氮(Total nitrogen,TN)[22]；一部分存于4℃冰箱,于兩周內(nèi)進(jìn)行土壤酶活性的測定。土壤酶活性測定方法：把相當(dāng)于1 g干土的土壤樣品加入至125 mL醋酸鈉緩沖液(50 mmol/L,pH=5.5)中,在攪拌機(jī)中處理1min制成均質(zhì)土壤懸液[23- 25],加入不同酶底物進(jìn)行培養(yǎng)測定,底物、測定波長等信息詳見表2。本研究共測定了7種參與碳氮磷循環(huán)的酶活性,5種水解酶活性采用熒光微孔板方法,25 ℃暗中培養(yǎng)3 h后采用酶標(biāo)儀(PerkinElmer Enspire,USA)進(jìn)行測定[23-24]；2種氧化還原酶活性采用比色法,其中,過氧化物酶通過添加底物L(fēng)- 3,4-二羥基苯丙氨酸(L- 3,4-dihydroxyphenylalanine,DOPA)和過氧化氫(濃度：3%)測定[1],氧化還原酶均室溫震蕩暗中培養(yǎng)1h后,采用酶標(biāo)儀進(jìn)行測定[24- 25]。土壤酶活性的幾何平均數(shù)[26-27](Geometric mean,GMea)可用來綜合評價(jià)土壤酶活性指標(biāo),計(jì)算公式為：

式中：EBG為β-葡糖苷酶；ECB為纖維二糖水解酶；ENAG為N-乙酰-葡糖苷酶；ELAP為亮氨基酸氨基肽酶；EAP為酸性磷酸酶；EPOX為酚氧化物酶；EPER為過氧化物酶。

表2 測定土壤酶種類、功能以及相應(yīng)的測定底物

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗(yàn)不同等級土壤團(tuán)聚體酶活性、有機(jī)碳、全氮的差異(P<0.05),利用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對比不同馬尾松混交林同等級團(tuán)聚體土壤酶活性以及土壤有機(jī)碳、全氮的差異,利用Pearson分析團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮與土壤酶活性的相關(guān)性。所有分析處理在SPSS 19.0中進(jìn)行,用SigmaPlot 14.0軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 各等級土壤團(tuán)聚體分布以及碳氮含量

MS與MH各等級土壤團(tuán)聚體分布均呈現(xiàn)顯著差異(P<0.05),不同等級團(tuán)聚體所占比例均值由大到小為：大團(tuán)聚體(>2 mm,59%±2.18%)>中團(tuán)聚體(0.25—2 mm,35.89%±1.65%)>微團(tuán)聚體(<0.25 mm,2.56%±0.22%)。不同混交林土壤大團(tuán)聚體與微團(tuán)聚體分布并無顯著差異,而MS的中團(tuán)聚體分布比例(39.53%±1.65%)顯著高于MH的中團(tuán)聚體(32.24%±2.51%)(圖1)。

圖1 2種馬尾松混交林各粒徑土壤團(tuán)聚體分布 Fig.1 The distribution of soil aggregate-size classes in two different Pinus massoniana mixed plantationsMS：馬尾松杉木混交林 Mixed plantation of P. massoniana and C. lanceolate；MH：馬尾松杉木櫟類混交林 Mixed plantation of P. massoniana,C. lanceolate and Quercus；大寫字母表示同等級團(tuán)聚體不同混交林之間的顯著差異；小寫字母表示同種混交林類型不同等級團(tuán)聚體之間的顯著差異

2種馬尾松混交林土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮、全磷均隨著團(tuán)聚體等級的降低而呈現(xiàn)增加的趨勢,且微團(tuán)聚體的有機(jī)碳、全氮含量差異高于大團(tuán)聚體(P<0.05)。不同混交林同等級團(tuán)聚體的有機(jī)碳并無顯著差異,而MH大團(tuán)聚體與微團(tuán)聚體的全氮顯著高于MS,MH大團(tuán)聚體全磷也顯著高于MS,MS各團(tuán)聚體土壤碳氮比顯著高于MH(圖2)。

3.2 不同馬尾松混交林土壤團(tuán)聚體酶活性

團(tuán)聚體分級以及馬尾松混交林類型對2種氧化還原酶活性并無顯著影響。MS不同粒徑團(tuán)聚體的7種土壤酶活性均無顯著差異。MH微團(tuán)聚體N-乙酰-葡糖苷酶(NAG,(3276.04±160.63) nmol g-1h-1)顯著高于中團(tuán)聚體((2214.92±395.56)nmol g-1h-1),微團(tuán)聚體的亮氨基酸氨基肽酶(Leucine aminopeptidase,LAP,(21.76±0.47) nmol g-1h-1)顯著高于大團(tuán)聚體((4.33±0.95)nmol g-1h-1)和中團(tuán)聚體((7.16±2.45)nmol g-1h-1),其余不同等級團(tuán)聚體的酶活性均無顯著差異。2種馬尾松混交林的中團(tuán)聚體土壤酶活性均無顯著差異,MH的大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體纖維二糖水解酶(Cellobiohydrolase,CB)和LAP均顯著高于MS,同時(shí),MH大團(tuán)聚體的β-葡糖苷酶(BG)和NAG也顯著高于MS(圖3)。

由表3可知,除酸性磷酸酶(AP)外,MS各團(tuán)聚體水解酶均值低于MH,而其氧化還原酶均值則高于MH。MS的大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體的土壤酶活性幾何平均數(shù)顯著高于MH,分別是MH的1.98倍和1.49倍。MS各等級團(tuán)聚體的土壤酶活性幾何平均數(shù)無顯著差異,MH的微團(tuán)聚體土壤酶活性幾何平均數(shù)顯著高于大、中團(tuán)聚體(表4)。

圖2 馬尾松混交林土壤團(tuán)聚體養(yǎng)分含量Fig.2 Nutrient content of soil aggregates in two different Pinus massoniana mixed plantations大寫字母表示同等級團(tuán)聚體不同混交林之間的顯著差異；小寫字母表示同種混交林類型不同等級團(tuán)聚體之間的顯著差異

圖3 馬尾松混交林土壤團(tuán)聚體土壤酶活性Fig.3 Enzyme activities of soil aggregates in two different Pinus massoniana mixed plantations大寫字母表示同等級團(tuán)聚體不同混交林之間的顯著差異；小寫字母表示同種混交林類型不同等級團(tuán)聚體之間的顯著差異

3.3 土壤團(tuán)聚體土壤養(yǎng)分與酶活性相關(guān)性

測定的2種土壤氧化還原酶活性、以及水解酶AP與土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳、全氮、全磷含量均無顯著相關(guān)性。土壤全氮含量與其余4種水解酶呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。土壤有機(jī)碳含量僅與NAG、LAP呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。土壤全磷與CB和NAG呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。土壤酶活性幾何平均數(shù)隨著有機(jī)碳、全氮、全磷的增加而呈現(xiàn)顯著的增加。土壤碳氮比與測定的酶活性以及土壤酶活性幾何平均數(shù)均無顯著相關(guān)性(表5)。

4 討論

不同等級團(tuán)聚體通過控制水分、溫度、空氣以及有機(jī)質(zhì)的可接觸性影響土壤酶活性[11,29],各粒徑團(tuán)聚體的分布對于酶活性影響顯著。本研究中,森林植被類型的不同并未造成各等級團(tuán)聚體分布的顯著差異,2種馬尾松混交林團(tuán)聚體分布比例均隨著團(tuán)聚體等級的增加而顯著增加,大團(tuán)聚體最高,占據(jù)土壤60%左右,這與相關(guān)研究結(jié)果一致[12,30],如Fang等對3種亞熱帶森林類型的土壤團(tuán)聚體等級分布研究結(jié)果表明各等級團(tuán)聚體分布差異顯著,大團(tuán)聚體(58.5%±2.6%)>中團(tuán)聚體(35.6%±3.0%)>微團(tuán)聚體(6.0%±0.7%)[12]。而馬尾松杉木混交林的中團(tuán)聚體分布顯著高于馬尾松杉木櫟類混交林,可能是由于地上植被組成的影響,闊葉林真菌生物量高于針葉林[31],且其根系的高分子黏質(zhì)高,根系分布廣,能夠促進(jìn)較小等級團(tuán)聚體膠結(jié)成大團(tuán)聚體[32],因此,馬尾松杉木櫟類混交林的大團(tuán)聚體分布比例高于馬尾松杉木混交林,而中團(tuán)聚體則低于馬尾松杉木混交林。

表3 馬尾松混交林土壤團(tuán)聚體酶活性均值

表4 馬尾松混交林土壤團(tuán)聚體土壤酶幾何平均數(shù)

表5 團(tuán)聚體酶活性與養(yǎng)分含量相關(guān)性

本研究發(fā)現(xiàn),2種馬尾松混交林土壤微團(tuán)聚體的5種水解酶活性均高于大團(tuán)聚體,其中,馬尾松杉木櫟類混交林的微團(tuán)聚體亮氨基酸氨基肽酶活性顯著高于大團(tuán)聚體(P<0.05,圖3)。由于研究區(qū)域、土壤類型、植被類型以及土壤團(tuán)聚體篩分方法的差異,土壤酶活性在團(tuán)聚體中的分布特征并無定論[10,12,33]。本研究微團(tuán)聚體酶活性高于大團(tuán)聚體可能主要源于團(tuán)聚體物理結(jié)構(gòu)越差異的影響,因?yàn)閳F(tuán)聚體粒徑小,水分和養(yǎng)分通過擴(kuò)散作用進(jìn)入的速度越快[34],能夠?yàn)槊复俜磻?yīng)提供更多利用的物質(zhì)[35],酶活性越高；而大團(tuán)聚體孔徑大,穩(wěn)定性低,土壤酶活性易受環(huán)境影響[36]。此外,本區(qū)域2種馬尾松混交林的土壤質(zhì)地是黏壤土,該土壤質(zhì)地吸附力大,較小粒徑的團(tuán)聚體具有較高的比表面積,會吸附更多的土壤有機(jī)質(zhì)[37- 38],能夠?yàn)槊富钚蕴峁┏渥愕酿B(yǎng)分。與水解酶不同的是,氧化還原酶主要是由真菌產(chǎn)生[39],而真菌因其菌絲無法穿透土壤微團(tuán)聚體的氣孔,主要存在于大團(tuán)聚體中[40],因此本研究中大團(tuán)聚體的2種氧化還原酶活性最高(圖3)。

對比2種混交林團(tuán)聚體土壤酶活性發(fā)現(xiàn),馬尾松杉木櫟類混交林的大團(tuán)聚體β-葡糖苷酶、纖維二糖水解酶、N-乙酰-葡糖苷酶、亮氨基酸氨基肽酶活性顯著高于馬尾松杉木混交林,同時(shí)其微團(tuán)聚體纖維二糖水解酶、亮氨基酸氨基肽酶活性也顯著高于馬尾松杉木混交林(圖3)。這4種酶活性主要參與土壤碳氮循環(huán)[3,4,24]。然而,究竟是較高的碳循環(huán)酶活性(氮循環(huán)酶活性)造成了土壤有機(jī)碳(或氮)含量的增加,還是較大的土壤有機(jī)質(zhì)庫為土壤酶活性提供了充足的底物從而促進(jìn)了酶活性的提高并無定論[6]。目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)為,土壤酶活性同時(shí)受到土壤關(guān)鍵理化性質(zhì)、土壤微生物量、土壤有機(jī)質(zhì)含量的共同影響[4,41]。本研究中,所測得的β-葡糖苷酶、纖維二糖水解酶、N-乙酰-葡糖苷酶、亮氨基酸氨基肽酶活性均與土壤全氮呈極顯著的相關(guān)性(表5),馬尾松杉木混交林與馬尾松杉木櫟類混交林的大團(tuán)聚體與微團(tuán)聚體全氮的顯著差異可能是造成上述土壤酶活性差異的主要原因(圖2)。而與上述4種水解酶不同的是,團(tuán)聚體水解酶酸性磷酸酶與土壤碳氮磷關(guān)系并不顯著,這主要是因?yàn)橄噍^于養(yǎng)分的影響,團(tuán)聚體酸性磷酸酶更易受到土壤水分的影響[42]。2種馬尾松混交林土壤水分相近(表1),所以其酸性磷酸酶活性并無顯著差異。同時(shí),本研究也發(fā)現(xiàn)馬尾松杉木櫟類混交林各團(tuán)聚體土壤C/N比顯著低于馬尾松杉木混交林(圖2),而低C/N比更適宜主要產(chǎn)生水解酶的細(xì)菌生存[39,43-44],高C/N比則利于主要產(chǎn)生氧化還原酶的真菌生存[39,43- 44],雖然土壤C/N比與各土壤酶活性并無顯著相關(guān)關(guān)系(表5),但其通過影響微生物進(jìn)而調(diào)節(jié)土壤酶活性的變化[44],所以馬尾松杉木混交林的各團(tuán)聚體氧化還原酶均值略高于馬尾松杉木櫟類混交林,而其水解酶活性(除酸性磷酸酶外)則低于馬尾松杉木櫟類混交林。

多酚氧化酶與過氧化物酶這兩種氧化酶活性比水解酶變異性更強(qiáng)[4],主要影響土壤惰性碳的形成,分解木質(zhì)素以及芳香類復(fù)合物,形成腐殖質(zhì)[1]。多酚氧化酶與過氧化物酶活性與土壤有機(jī)碳、全氮無顯著的相關(guān)性[4],而是隨著pH的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢[4],本研究也發(fā)現(xiàn),團(tuán)聚體多酚氧化酶與過氧化物酶與有機(jī)碳、全氮并無顯著的相關(guān)性(表4)。由于馬尾松杉木混交林與馬尾松杉木櫟類混交林的土壤pH分別為5.65±0.06和5.62±0.03(表1),所以各團(tuán)聚體的2種氧化還原酶酶活性相近(圖3)。

土壤酶活性幾何平均數(shù)GMea是基于所測的5種水解酶和2種氧化還原酶活性計(jì)算得出的,作為反應(yīng)土壤質(zhì)量的綜合指標(biāo)[26- 27],GMea能夠反應(yīng)整體酶活性的變化以及微生物活性變化[45-46]。相較于馬尾松杉木針葉混交林,馬尾松杉木櫟類針闊葉混交林的凋落物C/N比低(表1),分解快[47],能夠?yàn)橥寥牢⑸锾峁┴S富的營養(yǎng),同時(shí)不同樹種的根系相互作用,根系的代謝也能直接影土壤酶活性[48-49],這可能是造成馬尾松杉木櫟類混交林土壤大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體酶活性綜合指數(shù)GMea顯著高于馬尾松杉木混交林的主要原因(表4)。此外,土壤酶活性一般隨著溫度的增加而增加[2],相較于馬尾松杉木混交林,馬尾松杉木櫟類混交林海拔低,土壤溫度較高(根據(jù)2019年8月表層土壤溫度連續(xù)監(jiān)測結(jié)果),從而增加了土壤酶活性綜合指數(shù)GMea(表4)。而為何2種混交林土壤中團(tuán)聚體酶活性無顯著差異仍需進(jìn)一步對其微生物等指標(biāo)進(jìn)行分析。

5 結(jié)論

林型對土壤團(tuán)聚體分布、團(tuán)聚體氧化還原酶、酸性磷酸酶活性并沒有顯著影響,而馬尾松杉木櫟類混交林大團(tuán)聚體的β-葡糖苷酶、纖維二糖水解酶、N-乙酰-葡糖苷酶、亮氨基酸氨基肽酶顯著高于馬尾松杉木混交林,同時(shí)其微團(tuán)聚體纖維二糖水解酶、亮氨基酸氨基肽酶也顯著高于馬尾松杉木混交林。2種馬尾松混交林團(tuán)聚體全氮是造成上述4種酶活性不同的主要原因。馬尾松杉木混交林大團(tuán)聚體和微團(tuán)土壤酶活性幾何平均數(shù)GMea顯著低于馬尾松杉木櫟類混交林,櫟類闊葉樹種的增加顯著增加了土壤團(tuán)聚體酶活性,有利于土壤養(yǎng)分質(zhì)量的提高。

致謝：感謝湖北秭歸三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站對本研究的幫助。