间伐对杉木人工林土壤多酚氧化酶活性的影响1)

2015-03-06翟凯燕陈信力马婷瑶关庆伟

东北林业大学学报 2015年7期

翟凯燕陈信力马婷瑶关庆伟

(南京林业大学，南京，210037)

责任编辑:任俐。

土壤多酚氧化酶(Polyphenol oxidase，PPO)是一种氧化还原酶，能把土壤中芳香族化合物氧化成醌，完成土壤芳香族化合物循环，促进土壤有机碳的累积［1－4］。目前，已有学者对多酚氧化酶进行了研究。Li et al．［5］通过对毛白杨人工林模拟氮沉降，发现无机氮增加会抑制多酚氧化酶的活性，而有机氮的加入会降低抑制作用，在一定范围内会转变为激发作用。杨承栋等［6］对江西大岗山杉木人工林5～15 cm土壤性质的研究结果表明，土壤多酚氧化酶活性与真菌多样性呈极显著正相关。McDaniel et al．［7］通过对采伐后的栎树山核桃混交林实施增温增湿试验发现，土壤多酚氧化酶与总有机碳呈负相关，可溶性有机碳和总有机碳的比值与多酚氧化酶呈正相关。Wang et al．［8］通过研究紫金山麻栎阔叶林和马尾松针叶林发现，针叶林土壤多酚氧化酶活性显著高于阔叶林。Wang et al．［9］研究证明了天然阔叶林向人工林转变的过程中提高了土壤多酚氧化酶的活性。但是，间伐对人工林土壤多酚氧化酶活性影响的研究还鲜见报道。

有研究表明，酚类物质是引起杉木自毒作用的化感物质之一，杉木自毒作用能够造成杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb．)Hook．)人工林的衰退［10－11］。土壤多酚氧化酶将土壤中酚类物质氧化成醌，因此，研究杉木人工林多酚氧化酶活性具有一定的科学意义。

为了明晰间伐对土壤多酚氧化酶活性的影响程度，文中以南京市溧水区林场间伐6 a后的25年生杉木人工林固定样地为研究对象，测定了土壤多酚氧化酶活性，并分析了PPO与土壤理化性质关系，以期为杉木人工林的科学经营提供参考。

1 研究地概况

研究地为距南京市主城区40 km的溧水区林场(118°59'～119°01'E，31°33'～31°36'N)，隶属于无想寺国家森林公园的秋湖山生态风景林区。该地地处丘陵岗地，平均海拔约100 m，主峰无想山最高海拔209．8 m。气候属亚热带向温带过渡的气候带，年平均气温15．5℃，年平均日照2 146 h，年平均降水量1 005．7 mm，无霜期220 d，四季分明。研究地土壤均为结构疏松的黄棕壤，含石量约为20%，厚度10～100 cm，呈微酸性(pH值4．5～4．8)。林分类型有马尾松(Pinus massoniana Lamb)、杉木、麻栎(Quercus acutissima Carruth)+小叶栎(Quercus chenii Nakai)、杉木+麻栎、马尾松+麻栎等。

2 材料与方法

2．1 样地设置

为长期观测间伐对植被和土壤的影响，2006年在溧水林场杉木人工纯林中设置12块20 m×20 m的固定样地，样地间有5 m的隔离区，对样地实施了不同强度的单株间伐处理:弱度(30%，株数强度，下同)、中度(50%)、强度(70%)，每个处理重复3次，预留3块未间伐样地作为对照。

本次在杉木人工林中土壤取样的同时，调查样地内乔木(直径≥4 cm)的株数，实测胸径和树高。试验样地基本情况如表1所示。

样地杉木林25年生，平均树高11 m，平均胸径10．42 cm。更新层树种主要有刺楸(Kalopanax septemlobus(Thunb．)Koidz)、乌桕(Sapium sebiferum(L．)Roxb．)、朴树(Celtis sinensis Pers．)、盐肤木(Rhus chinensis Mill．)、山胡椒(Lindera glauca(Sieb．＆Zucc．)Bl．)等;灌草层主要有菝葜(Smilax china L．)、豆腐柴(Premna microphylla Turcz．)、山莓(Rubus corchorifolius L．f．)、海金沙(Lygodium japonicum(Thunb．)Sw．)等。

表1 试验林分的基本状况

2．2 样品采集

2012年9月份(秋季)、2012年12月份(冬季)、2013年3月份(春季)、2013年6月份(夏季)，在设置好的12块固定样地内采样。采样时除去土壤表层未分解的凋落物层，用土壤取样器分别采集土壤深度(H)0＜H≤10 cm及10 cm＜H≤25 cm的混合样品，每次每个样地取6个样品，3个间伐强度和一个对照，共24个土样，共获取样品96个。样品使用冷冻箱带回实验室。样品风干后，用于测定土壤酶活性及土壤的基本理化性质。

2．3 测定方法

土壤理化性质的测定:土壤含水量用烘干法测定;温度用电子地温计原位测定;总有机碳、全氮质量分数及碳氮比用VARIOEL元素分析仪测定;全磷质量分数用氢氧化钠碱熔－钼锑抗比色法测定;pH值用电位法测定(V(水)∶W(土)=2．5(mL)∶1(g))。

土壤多酚氧化酶的测定采用比色法测定:称取1 g土于50 mL容量瓶中，加入10 mL 1%邻苯三酚溶液，充分振荡混合均匀，30℃恒温箱培养3 h;加入4 mL pH值4．5柠檬酸－磷酸盐缓冲液，加入乙醚至刻度，充分振荡，萃取30 min;吸取乙醚相液体在430 nm处比色。多酚氧化酶的活性，以3 h后1 g土壤中紫色没食子素的毫克数表示［12］。

2．4 数据处理

利用EXCEL 2003图表处理软件和SPSS 13．0统计分析软件进行数据处理分析。

3 结果与分析

3．1 间伐对土壤多酚氧化酶活性的影响

由表2可以看出，在0＜H≤10 cm土层，与对照相比，弱度间伐下的土壤多酚氧化酶活性在秋季和冬季分别为对照的119．6%和120．5%，弱度间伐提高多酚氧化酶的活性。在秋季，中度间伐下的土壤多酚氧化酶活性为0．180 8 mg·g－1·h－1，与弱度间伐差异显著(p＜0．05)。3种间伐强度在春季和夏季均降低土壤多酚氧化酶的活性，降低速率由小到大顺序分别为强度间伐、中度间伐、弱度间伐和弱度间伐、中度间伐、强度间伐。在10 cm＜H≤25 cm土层，与对照相比，弱度间伐下，多酚氧化酶的活性在秋季、冬季和春季分别为对照的121．1%、115．3%和111．1%。在春季，中度间伐下多酚氧化酶活性为0．592 6 mg·g－1·h－1，中度间伐降低多酚氧化酶活性，与弱度间伐差异显著(p＜0．05)。

表2 间伐强度对土壤多酚氧化酶活性的影响

3．2 不同间伐强度下土壤多酚氧化酶活性的季节动态

由表3可知，在0＜H≤10 cm土层，弱度间伐下，夏季多酚氧化酶活性达到最大值，分别为秋季、冬季和春季的229．0%、273．7%和108．2%。中度间伐与弱度间伐的季节变化规律一致。强度间伐下，春季多酚氧化酶活性达到最大值，分别为秋季、冬季和夏季的288．9%、297．7%和109．4%;在10 cm＜H≤25 cm土层，弱度间伐下，春季多酚氧化酶活性达到最大值，分别为秋季、冬季和夏季的224．1%、279．0%和114．6%，强度间伐与弱度间伐的季节变化具有一致性。中度间伐下，夏季多酚氧化酶活性达到最大值，分别为秋季、冬季和春季的334．3%、289．7%和107．4%。间伐对土壤多酚氧化酶活性的季节变化并无显著影响。土壤多酚氧化酶活性在春季和夏季较高，秋季和冬季较低，且多酚氧化酶活性春夏季节与秋冬季节差异显著(p＜0．05)。

表3 土壤多酚氧化酶活性的季节变化

3．3 土壤多酚氧化酶活性与土壤理化性质的关系

土壤多酚氧化酶活性与土壤理化性质的相关性分析表明(表4):土壤多酚氧化酶活性与土壤温度，全磷、全氮质量分数均呈极显著正相关(p＜0．01)，与土壤含水量呈显著正相关，与碳氮比呈显著负相关(p＜0．01)，与总有机碳质量分数、pH值均不存在显著相关关系。

表4 土壤多酚氧化酶活性与土壤理化性质的相关分析

4 结论与讨论

不同土层的土壤多酚氧化酶对间伐强度的响应有相似性。总体上，与对照地相比，弱度间伐在秋季和冬季提高土壤多酚氧化酶的活性，而中度和强度间伐在一定程度上降低土壤多酚氧化酶的活性。土壤多酚氧化酶主要氧化芳香族化合物(酚类物质)为醌，从而与有机质分解形成的简单化合物缩合。木质素降解和微生物是酚类化合物的来源，秋季和冬季伴随着大量植物凋落物，木质素含量增加，提供了多酚氧化酶酶促反应所需的基质，新鲜基质的加入会促进酶活性，符合“起爆效应”［13］。杨承栋等［6］的研究表明，多酚氧化酶活性与真菌多样性呈极显著正相关。林下植被盖度大的杉木林相对于植被盖度低的杉木林，真菌的数量有所下降。植被盖度大的杉木林间伐强度高于植被盖度低的林地。真菌是土壤多酚氧化酶的来源之一［14］。有研究表明，弱度间伐对林内气候影响较小，林内温度往往接近对照区［15］。杉木人工林林下植被有多种生态功能并参与生态系统物质循环，其养分元素质量分数远高于杉木，特别是草本［16］。王祖华等［17］在本固定样地对间伐了4 a的杉木人工林林下植被的生物量和生物多样性进行了调查和分析，结果表明，弱度间伐下草本生物量显著增加。王东［18］对本固定样地的研究结果显示，秋季弱度间伐显著提高了土壤温度、含水量;冬季，弱度间伐显著增加了土壤含水量。因此，弱度间伐在一定程度上改变了土壤的温度和含水量，提高了真菌的数量，相对充足的养分也利于微生物的生长，以上因素共同作用提高了土壤多酚氧化酶的活性。而在春季和夏季，3种间伐强度均降低了土壤多酚氧化酶的活性。究其原因，可能与土壤中的养分相关。首先，与对照相比，间伐使杉木人工林密度下降，枯落物明显减少，伴随着分解作用而进入土壤的养分随之减少;其次，春季和夏季是植物生长的季节，大量的养分被植物吸收利用，养分归还与养分利用达不到平衡，使得土壤中的养分质量分数降低，在一定程度上会影响微生物的群落。

季节对土壤多酚氧化酶活性会产生影响。李国雷等［19］对油松林地土壤酶活性的研究表明，土壤多酚氧化酶的活性以6月份最大，10月份最低。陈强龙等［20］研究发现，秸秆还田对土壤多酚氧化酶产生影响，四五月份土壤多酚氧化酶的活性迅速提高，收获期下降。本次研究中，春季和夏季土壤多酚氧化酶活性较强，秋季和冬季多酚氧化酶活性则相对较弱。与前面的研究具有一致性。郝建朝等［21］的研究表明，多酚氧化酶在湿土中的活性高于干土中的，温度在17～45℃时多酚氧化酶浓度逐渐升高。春季和夏季温度逐步升高，湿度较大，植物生长趋于旺盛，根系生长力强，微生物活跃［13］，因此，土壤多酚氧化酶活性较高。秋季虽然气温相对较高，但林木旺盛生长刚刚停止，消耗大量的水分，造成土壤含水量较低［22］，这和研究结果中出现的土壤多酚氧化酶与土壤含水量显著相关一致。冬季则气温较低，植被、微生物及土壤状况都有所改变。

土壤多酚氧化酶与土壤理化性质相关性并不具有规律性。有研究表明，多酚氧化酶与氮、磷和有机质等相关性不显著［23－24］;刘秀清等［25］的研究则表明，多酚氧化酶活性与全磷、全氮、有机质质量分数呈极显著负相关，与速效磷质量分数呈显著负相关。本次对不同间伐强度下杉木林的研究结果表明:土壤多酚氧化酶活性与土壤温度、全磷、全氮质量分数均呈极显著正相关(p＜0．01)，与土壤含水量呈显著正相关(p＜0．05)，这与邱莉萍［23］、耿玉清［24］和刘秀清［25］等的研究结果不一致。原因可能是不同的立地条件和杉木人工林自身的生物学特性及其相应的林下植被等共同造成了研究结果的差异。土壤多酚氧化酶与碳氮比呈显著负相关(p＜0．05)，碳氮比的大小直接关系着凋落物分解的速率，其含量越高则会降低杉木养分归还的速率，不利于微生物对养分的吸收利用，进一步降低了土壤多酚氧化酶的活性。此外，由于碳氮比例不够协调和有机物质的分解，影响了土壤空气的氧分压和氧化还原电位，从而造成了土壤多酚氧化酶活性的差异［23］。

本研究只是对土壤多酚氧化酶的活性与土壤理化性质进行了测定与分析，但是关于本试验样地的土壤有机碳积累、腐殖质合成、枯落物分解以及真菌数量等方面需进行补充研究，从而完善对不同间伐强度杉木人工林土壤多酚氧化酶活性的认识，为杉木人工林的可持续经营提供科学依据。

［1］Durán N，Esposito E．Potential applications of oxidative enzymes and phenoloxidase like compounds in wastewater and soil treatment a review［J］．Applied Catalysis B:Environmental，2000，28(2):83－99．

［2］Insam H．Developments in soil microbiology since the mid 1960s［J］．Geoderma，2001，100:389－402．

［3］杨万勤，王开运．土壤酶研究动态与展望［J］．应用与环境生物学报，2002，8(5):564－570．

［4］张咏梅，周国逸，吴宁．土壤酶学的研究进展［J］．热带亚热带植物学报，2004，12(1):83－90．

［5］Li Shushan，Du Yuhan，Guo Peng，et al．Effects of different types of N deposition on the fungal decomposition activities of temperate forest soils［J］．Science of The Total Environment，2014(497/498):91－96．

［6］杨承栋，焦如珍，屠星南，等．杉木林下植被对5～15 cm土壤性质的改良［J］．林业科学研究，1995，8(5):514－519．

［7］McDaniel M D，Kaye J P，Kaye M W．Increased temperature and precipitation had limited effects on soil extracellular enzyme activities in a post-harvest forest［J］．Soil Biology and Biochemistry，2013，56:90－98．

［8］Wang Congyan，Han Guomin，Jia Yong，et al．Insight into the temperature sensitivity of forest litter decomposition and soil enzymes in subtropical forest in China［J］．Journal of Plant Ecology，2012，5(3):279－286．

［9］Wang Qingkui，Xiao Fuming，He Tongxin，et al．Responses of labile soil organic carbon and enzyme activity in mineral soils to forest conversion in the subtropics［J］．Annals of Forest Science，2013，70(6):579－587．

［10］黄志群，廖利平，汪思龙，等．杉木根桩和周围土壤酚含量的变化及其化感效应［J］．应用生态学报，2000，11(2):191－192．

［11］汪思龙，陈龙池，廖利平，等．几种化感物质对杉木幼苗生长的影响［J］．应用与环境生物学报，2002，8(6):588－596．

［12］林先贵．土壤微生物研究原理与方法［M］．北京:高等教育出版社，2010，248－249．

［13］关松荫．土壤酶及其研究方法［M］．北京:农业出版社，1986．

［14］Mclaren A D．Soil Biochemistry［M］．New York:Marcel Dekker Inc，1975．

［15］胡建伟，朱成秋．抚育间伐对森林环境的影响［J］．东北林业大学学报，1999，27(3):65－67．

［16］盛炜彤，范少辉．杉木及其人工林自身特性对长期立地生产力的影响［J］．林业科学研究，2002，15(6):629－636．

［17］王祖华，李瑞霞，王晓杰，等．间伐对杉木人工林林下植被多样性及生物量的影响［J］．生态环境学报，2010，19(12):2778－2782．

［18］王东．间伐对杉木人工林细根形态与养分及周转的影响［D］．南京:南京林业大学，2013．

［19］李国雷，刘勇，李瑞生，等．飞播油松林地土壤酶活性对间伐强度的季节响应［J］．北京林业大学学报，2008，30(2):83－87．

［20］陈强龙，谷洁，高华，等．秸秆还田对土壤脱氢酶和多酚氧化酶活性动态变化的影响［J］．干旱地区农业研究，2009，27(4):147－150．

［21］郝建朝，吴沿友，连宾，等．土壤多酚氧化酶性质研究及意义［J］．土壤通报，2006，37(3):471－473．