武夷山亚热带常绿阔叶林土壤养分及酶活性对氮沉降的响应

康海军, 李春光

(1.福州外语外贸学院, 福州 350202; 2.河北农业大学 林学院, 河北 保定 071001)

近些年来，大气污染、水污染、全球气温上升等早已经成为困扰人们生活的现实问题，全球环境问题已经深深影响人们的工作和生活，环境问题日益受到关注，但是全球环境问题的影响因素是多方面的，其中人类的生产生活是最主要的影响因素；近年来大气中的含氮化合物数量大幅增加，主要的原因在于煤炭等矿物燃料的大量使用[1-3]，另外，在农业生产中含氮化肥的大量使用也是主要原因之一，含氮化合物的增加加剧了大气氮沉降，在社会生产生活的影响之下，大气氮沉降并无明显减弱的趋势，若不加以控制，将会呈现继续上升的发展态势，18世纪中后期，人们经过一系列的研究发现了氮元素，到20世纪后期实现固氮速率控制，氮控制成为日益关注的研究话题，这是人们对氮元素研究的不断转变[4-6]，在这样的转变过程中，活性氮的增加幅度显然已经超过了10倍，氮含量的增加主要是人为生产及生活过程中导致的，而自然植被产生的氮含量远低于生产生活导致的氮增加[7]。自然及人为活动中难以避免地产生活性氮[8-10]，其中的大部分会通过多种方式沉降至陆地，在大气活性氮排放不断增加的情况下，氮沉降将无法有效大量下降[11]。多种生态系统难以避免地受到了氮沉降的严重制约[12-13]，尤其是对森林土壤的影响较为显著，能够对土壤养分及酶活性产生重要制约作用[14]，就全球来看，我国已经成为第三大氮沉降区，在长期的氮沉降影响之下，森林土壤的矿化速率被提升，进而加剧了土壤酸化，影响森林作物生长及微生物活动[15]。

在土壤生物化学反应过程中，不仅其活动强度受到酶活性的制约，而且其活动方向也受到酶的制约，此外，微生物活动过程对有机质的存储等也明显受到酶活动的影响[16]，其中酶所含的β—葡萄糖及木糖苷酶在土壤多糖类物质的水解过程中起着关键作用，其提供的充足碳源利于微生物的活动及新陈代谢，促进土壤碳循环；在氨基酸物质的降解过程中乙酰氨基葡萄糖苷酶NAG起到了明显作用[17-19]，对于微生物获取氮源起到了重要促进作用，是土壤碳及氮转化的重要参与者；有机磷的分解离不开酸性磷酸酶Phos，Phos活性代表着土壤磷供给的能力[20]；此外，土壤还会发生氧化还原反应，在此过程中酚氧化酶Phox、过氧化物酶Pero成为主要参与者[21-22]，将直接制约土壤有机质的分解，综合来看，在生态系统中，土壤养分和酶活性成为重要的影响因素。目前对于氮沉降的相关研究主要集中在国外，国内对于氮沉降不断上升造成的森林土壤影响方面的研究较少，氮沉降与土壤养分、酶活性之间的关系研究还较为缺乏，基于此，本研究以武夷山亚热带常绿阔叶林为对象，在测定该地区大气氮沉降背景值的情况下，研究土壤养分及酶活性对模拟大气氮沉降的初期响应，并探讨其响应机制，以期为预测该地区在大气氮沉降持续增加的情况下森林土壤的碳动态提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验于武夷山森林观测站开展，该观测站所处位置为北纬27.71°，东经117.75°，海拔约630 m，地势不平，有约31°的坡度，该区域气候具有较明显的亚热带季风特点，夏季年平均温度较高，约为17.5℃，降雨集中；冬季较为温和，年平均气温17.5℃，年平均相对湿度78%～84%，年降水量1 486～2 150 mm，年雾日平均达120 d(福建武夷山森林生态定位观测研究站气象观测数据)。试验样地土壤类型为黄壤，平均土层厚度为60 cm，样地局部区域可达100 cm以上，土壤pH值4～5。

试验样地为中亚热带常绿阔叶米槠(Castanopsiscarlesii)林，这里植被保存相对完好，层次分明，物种丰富。森林垂直结构分为3层：第一是乔木层，其高度在5 m以上，主要分布植被是米槠、刨花润楠(Machiluspauhoi)、杉木(CunninghamiaLanceolata)等；第二是灌木层，高度为0.3～5 m分布，主要的植被是树参(Dendropanaxdentiger)、榕叶冬青(Ilexficoidea)等；第三是草本层，分布在0.3 m以下，物种并不多，主要是砂仁(Amomumvillosum)、狗脊(Woodwardiajaponica)[23]。

1.2 试验设计

武夷山氮沉降试验开始于2016年7月开始，并设置对照样地，根据氮添加含量的不同，为3个梯度：低氮样地N1，氮添加为50 kg/(hm2·a)；中氮样地N2，氮添加为100 kg/(hm2·a)；高氮样地N3，氮添加为150 kg/(hm2·a)。为了保证试验的均一性，每种氮添加样地设置3次重复，合计12块试验样地，样地长宽均为20 m，重复样地之间的间隔要求在5 m以上，而不重复样地的间隔为10～15 m。在每个月的月初，根据设置的样地氮添加要求进行释氮处理，在30 L水中溶入NH4NO3，通过喷雾器进行均匀喷洒，同时在对照样地喷洒等量的蒸馏水。

1.3 土壤养分和酶活性测定方法

土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)的测定分别利用重铬酸钾氧化法、半微量凯式法、比色法；对于土壤有效氮(AK)进行测定之前首先通过KCl溶液进行浸提，之后方利用流动注射分析仪开展相应的指标测定[24]；在本研究过程中主要通过氯仿熏蒸—K2SO4浸提法开展土壤微生物量碳(MBC)、氮(MBN)、磷(MBCP)的相关指标测定。

氧化酶主要包括Phox和Pero，采取以下方法：首先称重1克样品土壤，然后置于体积为125 ml、密度为50 mmol/L的乙酸钠缓冲液之中，经过均匀混合后置于25℃下进行两个小时的培养；4种水解酶(Bglu，NAG，Bxyl和Phos)通过微孔板荧光法测定，要求激发光、发射光波长分别达到365，450 nm；对于氧化酶首先加入左旋多巴DOPA，然后再加入过氧化氢H2O2，之后利用比色法进行对比分析。

2 结果与分析

2.1 常绿阔叶林土壤温度和含水量动态特征

由于对照样地(N0)没有进行任何模拟氮沉降处理，故其在一定程度上反映了本研究森林生态系统内未经处理下的土壤养分及酶活性特征。在试验期内常绿阔叶林土壤温度表现出先增后减的变化趋势；土壤温度的最小值均出现在1月、12月，此时0—5，5—10 cm土壤温度分别为15.1，15.2℃；土壤温度最大值则出现在8月，此时0—5，5—10 cm深处的土壤温度分别为23.5，19.8℃。土壤含水量与土壤温度呈一致的变化趋势(图1)。4—7月，本试验区土壤温度不断升高，降雨量也逐渐增多，良好的水热条件不仅有利于植物的生长发育，促进植物根系呼吸，而且可以加快凋落物分解速度，增强微生物种群数量及其活性，进而提高土壤养分；8月份正好处于伏旱期，降雨量明显减少，土壤含水量在整个试验期处于最高值，8月正好是全年最热月，此时土壤温度也达到最高。

注:折线代表土壤含水量，柱状图代表土壤温度。

图1常绿阔叶林土壤温度和含水量动态特征

2.2 氮沉降对常绿阔叶林土壤养分的影响

由表1可知，氮沉降对常绿阔叶林土壤养分具有显著的影响；与对照N0相比，随着氮浓度的增加，土壤养分呈先增加后降低的趋势；对于土壤有机碳，其变化范围为15.32～18.62 g/kg，N2显著高于其他处理(p<0.05)，N1和N3差异并不显著(p>0.05)；与N0相比，N1，N2和N3土壤有机碳分别增加了7.77%，21.54%，5.93%。对于土壤全氮，其变化范围在1.03～1.45 g/kg，N2和N3差异不显著(p>0.05)，二者显著高于N0和N1(p<0.05)；与N0相比，N1，N2和N3土壤全氮分别增加了8.74%，40.78%，46.60%。对于土壤全磷，其变化范围为1.03～1.15 g/kg，氮处理与对照之间差异不显著(p>0.05)；与N0相比，N1，N2和N3土壤全磷分别增加了2.91%，11.65%，9.71%。对于土壤全钾、有效磷和有效氮，N2显著高于其他处理(p<0.05)，N1和N3差异并不显著(p>0.05)；与N0相比，N1，N2和N3土壤全钾分别增加了9.87%，37.38%，6.39%；土壤有效磷分别增加了89.71%，279.41%，90.44%；土壤有效氮分别增加了14.61%，63.42%，12.53%。

双因素方差分析表明(表2)：氮浓度和氮处理时间对土壤有机碳、全氮、全钾、有效磷和有效氮具有显著的影响(p<0.05)，对土壤全磷没有显著的影响(p>0.05)；氮处理浓度×时间对有机碳、全氮和有效氮具有显著的影响(p<0.05)，对土壤全磷、全钾和有效磷没有显著的影响(p>0.05)。

2.3 氮沉降对常绿阔叶林土壤微生物量的影响

由表3可知，氮沉降对常绿阔叶林土壤微生物量具有显著的影响，氮沉降对土壤微生物量起到一定的增加作用；与对照N0相比，随着氮浓度的增加，土壤微生物量呈先增加后降低的趋势；对于土壤微生物量碳，其变化范围为210.36～285.87 mg/kg，N2显著高于其他处理(p<0.05)，N1和N3差异并不显著(p>0.05)；与N0相比，N1，N2和N3土壤有机碳分别增加了12.29%，35.90%，6.43%。对于土壤微生物量氮，其变化范围为55.17～105.78 mg/kg，不同浓度处理之间差异均显著(p<0.05)；与N0相比，N1，N2和N3土壤全氮分别增加了24.96%，69.55%，91.73%。对于土壤微生物量磷，其变化范围为15.03～16.24 mg/kg，氮处理与对照之间差异不显著(p>0.05)；与N0相比，N1，N2和N3土壤全磷分别增加了8.58%，5.72%，8.05%。

双因素方差分析表明(表4)：氮浓度和氮处理时间对土壤微生物量碳和微生物量氮具有显著的影响(p<0.05)，对微生物量磷没有显著的影响(p>0.05)；氮处理浓度×时间对微生物量碳和微生物量氮具有显著的影响(p<0.05)，对微生物量磷没有显著的影响(p>0.05)。

表1 氮沉降对常绿阔叶林土壤养分的影响

表2 时间和氮沉降处理对土壤养分的双因子方差分析

表3 氮沉降对常绿阔叶林土壤微生物量的影响

表4 时间和氮沉降处理对土壤微生物量的双因子方差分析

2.4 氮沉降对常绿阔叶林土壤酶活性的影响

由表5可知，氮沉降对常绿阔叶林土壤酶活性具有显著的影响，氮沉降对土壤酶活性起到一定的增加作用；与对照N0相比，随着氮浓度的增加，土壤酶活性呈先增加后降低的趋势；对于Bglu活性，其变化范围为5.26～13.02 mol/(h·g)，N2显著高于其他处理(p<0.05)，N0和N3差异并不显著(p>0.05)；与N0相比，N1，N2和N3土壤有机碳分别增加了7.77%，21.54%和5.93%。对于Bxyl活性，其变化范围为0.98～3.25 mol/(h·g)，N2显著高于其他处理(p<0.05)，N0，N1和N3差异并不显著(p>0.05)；与N0相比，N1，N2和N3土壤全氮分别增加了8.74%，40.78%，46.60%。对于NAG活性，其变化范围为2.26～6.14 mol/(h·g)，N2显著高于其他处理(p<0.05)，N0，N1和N3差异并不显著(p>0.05)；与N0相比，N1，N2和N3土壤全氮分别增加了8.74%，40.78%，46.60%。对于Phos活性，其变化范围为13.65～53.14 mol/(h·g)，不同氮处理下差异均显著(p<0.05)；与N0相比，N1，N2和N3土壤全氮分别增加了8.74%，40.78%，46.60%。对于Phox活性，其变化范围为0.36～0.49 mol/(h·g)，不同氮处理下差异均不显著(p>0.05)；与N0相比，N1，N2和N3土壤全氮分别增加了8.74%，40.78%，46.60%。对于Pero活性，其变化范围为0.79～2.56 mol/(h·g)，N2显著高于其他处理(p<0.05)，N0，N1和N3差异并不显著(p>0.05)；与N0相比，N1，N2和N3土壤全氮分别增加了8.74%，40.78%，46.60%。

双因素方差分析表明(表6)：氮浓度对Bglu活性、Bxyl活性、NAG活性、Phos活性和Pero活性具有显著的影响(p<0.05)，对Phox活性没有显著的影响(p>0.05)；氮处理时间对Bglu活性、Phos活性和Pero活性具有显著的影响(p<0.05)，对Bxyl活性、NAG活性和Phox活性没有显著的影响(p>0.05)。氮处理浓度×时间对Bglu活性、Phos活性和Pero活性具有显著的影响(p<0.05)，对Bxyl活性、NAG活性和Phox活性没有显著的影响(p>0.05)。

表5 氮沉降对常绿阔叶林土壤酶活性的影响 mol/(h·g)

表6 时间和氮沉降处理对土壤酶活性的双因子方差分析 mol/(h·g)

3 讨 论

本研究表明氮沉降对常绿阔叶林土壤养分具有一定的影响，常绿阔叶林微环境对于氮素的反应较为敏感，土壤含水量受大气降水、地表蒸发、植物吸收蒸腾及土壤特性等影响[25]。本研究的结果说明了氮沉降在一定程度上增加了常绿阔叶林土壤养分含量，土壤养分循环过程较为复杂，受施氮量、频率、方式、时间、土壤特性以及环境因子等综合影响，本研究保证了相同的土壤基质和环境条件，从氮沉降1 a后的试验来看，氮沉降对常绿阔叶林土壤养分起到了一定的增加效应，以中水平的氮沉降[100 g/(m2·a)]对常绿阔叶林土壤养分各指标的增加效应达到最大，促进了土壤养分的吸收和利用，而高水平的氮沉降则导致常绿阔叶林土壤养分的微弱减小，一定程度上降低了土壤养分含量，其中以土壤速效养分对于氮沉降的响应最为明显，也说明了土壤有效养分可以看作不同水平氮沉降处理后土壤养分变化的敏感指标。这可能是由于氮沉降后常绿阔叶林需要吸收较多的土壤养分以供生长繁殖，从而导致常绿阔叶林土壤养分明显增加，同时，植物根系产生一些有机分泌物和部分腐烂根系，增加土壤中的养分[26-27]。除了土壤全磷以外，不同水平的氮沉降处理下土壤养分均与N0达到差异显著或极其显著差异水平，说明氮沉降能够增加土壤养分，但对土壤全磷没有显著的增加效应。氮含量增加的情况下[高氮，150 g/(m2·a)]，可能会引起植物营养单一而生长受阻，超出了常绿阔叶林吸收养分的阈限，导致土壤养分开始退化。也有可能造成试验区土壤氮素饱和，引起土壤酸化等多种负面效应[28]。

有学者指出，杨树的林龄不同，其土壤微生物量碳对氮沉降的反应也存在较大差异[21]。土壤中的微生物能够及时将少量的氮吸收利用，因此低水平的氮沉降并不会显著影响土壤养分，相反，短期内的高氮将使得微生物数量下降[7-9]，多余的氮无法被微生物充分利用，最终导致淋溶至土壤，进而导致土壤发生酸化现象，在这种情况下，一些有毒离子被激发出来，诸如Al3+等，这将不可避免地产生铝毒问题，严重制约微生物的生长发育及代谢活动[22]。在长期氮沉降的影响之下，土壤微生物量碳将会降低，在氮沉降作用之下，植物的生物量分配被改变，土壤的养分及活性也被改变，较高水平的氮沉降会使得土壤生物量减少，这样会使得土壤微生物的生长发育受限，降低土壤肥力等。在氮沉降的作用之下，植物以及腐殖质等碳氮库会增加，在这种情况下，土壤的碳氮含量会相应提升，从而利于微生物对碳氮的利用，进而利于微生物的生长发育和代谢活动。

对于水解酶来说，在氮浓度不断增加的情况下，其活性先增加，但是当氮含量超过一定限度后酶活性逐渐下降，这说明不同的氮浓度对微生物活动的影响存在较大差距[29-30]；Phox具有较好的氧化还原能力，能够对有机质和腐殖质产生降解作用，同时形成矿化作用；在水解酶Pero的作用之下，过氧化氢和酚类物质经过氧化作用后会形成水、醌，这样能够显著降低其对活细胞的危害。在高氮水平的影响之下，有机质的积累受到限制，进而影响土壤的物质循环，进而对深层微生物产生影响[31]；0—5 cm土壤含水量相关系数R2高于5—10 cm土壤含水量相关系数，这表明土壤养分、酶活性与土壤含水量具有一定的相关性。同样地，0—5 cm土壤温度决定系数R2高于5—10 cm土壤温度决定系数(表7)，这表明土壤养分、酶活性与土壤温度具有一定的相关性。并且土壤温度的相关系数高于土壤含水量与土壤养分、酶活性的相关系数。其主要原因可能是该区属于亚热带季风湿润性气候特征，降水比较丰富，林地蓄水持水能力较强，从整个试验期来看土壤含水量保持在相对较高的状态，导致水分不是限制土壤养分及酶活性的关键因子，土壤含水量对土壤养分及酶活性的影响远小于土壤温度的影响。

表7 土壤温度和含水量对土壤养分、酶活性的影响

注：ns (no significance)，无显著性差异(p>0.05)。

4 结 论

(1) 氮沉降对常绿阔叶林土壤有机碳、全氮、全钾、有效磷和有效氮含量起到一定的增加作用，对土壤全磷没有显著的影响(p>0.05)，而高浓度氮沉降会引起土壤养分的降低，其中土壤有效养分(有效磷和有效氮)对氮浓度的响应较大；

(2) 土壤微生物量碳和氮随氮浓度的增加呈先增加后降低的趋势，大致表现为：N2>N1>N3>N0，模拟氮沉降处理下土壤微生物量磷差异均不显著(p>0.05)；

(3) 氮沉降对常绿阔叶林土壤Bglu活性、Bxyl活性、NAG活性、Phos活性和Pero活性起到一定的增加作用，对对Phox活性没有显著的影响(p>0.05)；

(4) 相关性分析表明：土壤养分、酶活性与土壤含水量具有一定的相关性，其中0—5 cm土壤含水量相关系数R2高于5—10 cm土壤含水量相关系数；土壤养分、酶活性与土壤温度具有一定的相关性，其中0—5 cm土壤温度相关系数R2高于5—10 cm土壤温度相关系数，说明表层(0—5 cm)土壤温度和水分对土壤养分、酶活性的影响较大。