连栽杉木人工林参与土壤碳氮转化过程酶活性及其与土壤理化因子的相关性

刘 先,索沛蘅, 杜大俊, 刘雨晖, 胡亚林, 王玉哲,*

1 福建农林大学林学院, 福州 350002 2 福建农林大学莘口教学林场, 三明 365002

杉木[Cunninghamialanceolate(Lamb.) Hook]是我国南方重要的速生用材树种,在我国种植面积广大(1.21×107hm2),约占全国人工林总面积的25%[1],其在经济、生态价值方面都有不可取代的地位。杉木人工林取代天然林后,由于经营方式单一,杉木纯林和连栽导致了土壤质量退化和生产力下降[2- 4]。研究表明,杉木多代连栽会改变土壤水分、pH、全碳、全氮含量、养分利用有效性以及林地生物地球化学循环过程[5- 7]。以往对杉木连栽的研究多集中于幼龄林和中龄林,发现杉木人工林林分生物量随连栽代数递减[8],土壤物理性质恶化[9-10]且养分含量逐代下降(如土壤全氮、速效氮、速效钾等)[11- 12],但对于连栽后近熟林-成熟林的研究还比较少。

土壤酶不仅参与调控土壤养分循环、有机质的降解和转化,还与土壤结构和有机质形成有重要关系[13- 14]。因为土壤酶对环境变化的敏感性,所以可将其作为评估土壤系统健康状况(如承受胁迫或处于恢复阶段)的指示指标[15- 16]。研究表明,土壤酶是土壤结构和肥力的良好指示因子,如Dick等[17]发现土壤容重和脱氢酶、磷酸酶等几种酶活性有显著的负相关关系,Verstraete和Voets[18]发现土壤磷酸酶、土壤脲酶和β-葡萄糖苷酶与土壤肥力和作物产量显著相关。在森林生态系统中,土壤酶的地位尤其重要,在不施肥的条件下森林土壤中的养分主要来源于凋落物的分解,其主要成分包括纤维素、木质素、几丁质、蛋白、核酸、磷脂等,而目前研究的酶大都参与这些物质的分解过程[19- 20]。土壤酶活性升高有利于凋落物和有机质的分解,加快养分归还的速度,对于提高森林土壤肥力和维持生态系统物质循环和能量流动具有重要意义。

森林生态系统土壤酶活性受多种因子影响,包括土壤因子(土壤pH、含水量、土壤温度和有机质含量等)、气候因子(温度和降雨量)和地理因子(林型、经纬度以及海拔),这些因子相互作用共同调控土壤微生物群落结构,从而影响酶的释放和活性[21]。常绿阔叶林转换为杉木纯林后,随连栽代数增加林下微气候环境发生改变,土壤保水能力下降,凋落物分解缓慢造成养分循环受阻且利用效率下降[22- 23]。大量研究表明连栽会改变杉木林的养分循环特征[6,23],而土壤微生物是土壤碳、氮循环过程的主要驱动力,直接调节土壤有机质和养分的供给和转化[24- 25]。土壤酶是表征微生物活性的重要指标,β-葡萄糖苷酶和N-乙酰氨基葡萄糖苷酶参与土壤碳循环过程,对土壤中不同稳定性碳的分解和转化起重要作用[26],土壤脲酶、蛋白酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和天冬酰胺酶参与土壤氮循环过程,能够将土壤中不同形态N分解为有效态N供植物吸收,对提高N素利用率有重要意义[27]。目前对多代连栽杉木人工林酶活性的研究主要关注脲酶、蛋白酶、蔗糖酶和过氧化氢酶等,且大部分结果表明随杉木栽植代数增加酶活性逐代下降[28- 30],但是对于参与土壤碳氮循环过程的酶如β-葡萄糖苷酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、天冬酰胺酶则较少涉及。大多数研究主要在杉木幼龄林和中龄林中进行,缺乏对成熟林和过熟林的长期跟踪研究。因此,研究不同连栽代数杉木人工林土壤碳(β-葡萄糖苷酶；N-乙酰氨基葡萄糖核苷酶)、氮循环(脲酶、蛋白酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、天冬酰胺酶)过程酶活性变化及其影响因子,对杉木人工林管理和土壤生态恢复有积极的指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与样地设置

试验地位于福建省三明市福建农林大学莘口教学林场(东经117°28′,北纬26°10′),属武夷山支脉,海拔175—264 m,为低山丘陵地貌。土壤为粉砂岩发育的山地红壤,土壤厚度为80—90 cm。该地区属中亚热带季风气候,年均气温19.1 ℃,年积温5240.2—6677.9 ℃,年均降水量1749 mm,年平均蒸发量1585 mm,年平均相对湿度81%,全年日照时数1840 h,无霜期300 d左右。主要林下植被有狗脊蕨(Woodwardiajaponica(L.f.) Sm.)、江南卷柏(SelaginellamoellendorfiiHieron.)和三叶崖爬藤(TetrastigmahemsleyanumDiels et Gilg)等。天然林研究区乔木层主要由格氏栲、马尾松和木荷等构成；草本层主要包括芒萁(Dicranopterispedata(Houtt.) Nakaike)、黑莎草(GahniatristisNees)和华山姜(AlpiniaoblongifoliaHayata)等种类。

在经营方式、土壤类型相同以及海拔、坡向、坡度等自然状况相似的杉木人工林建立12块固定试验样地,每个处理4个重复,样地面积均为20 m × 20 m。选择不同连栽代数的杉木人工林(一代 FRP、二代 SRP、三代 TRP)和格氏栲天然林(NF)作为研究对象,不同连栽代数杉木人工林样地的概况见表1。

表1 试验地概况

FRP：First rotation plantation;SRP：Second rotation plantation;TRP：Third rotation plantation; NF：Natural forest

1.2 土壤样品采集

1.3 土壤理化性质和酶活性分析

测定土壤酶活性的鲜土用PBS缓冲液浸提(水土比1∶10)后,采用上海酶联公司Elisa酶联免疫分析试剂盒提取,利用多功能酶标仪(BioTek Synergy 2, Gene 5,America)在波长450 nm下测定其OD值,最后用标准物的浓度与OD值计算出标准曲线的回归方程,将样品的吸光值(OD)代入方程式,计算出样品浓度,再乘以稀释倍数,即为样品的实际浓度[31]。酶活性结果以单位质量(g-1)干土单位时间(h-1)内生成的酶的摩尔质量(μmol)来表征。该试剂盒原理是应用双抗体夹心法测定土壤样本中的酶活性水平,以亚硝酸还原酶为例,用纯化的亚硝酸还原酶抗体包被微孔板,制成固相抗体,往包被单抗的微孔中依次加入亚硝酸还原酶,再与辣根过氧化物酶(HRP)标记的亚硝酸还原酶抗体结合,形成抗体-抗原-酶标抗体复合物,经过彻底洗涤后加底物四甲基联苯胺(TMB)显色,TMB在HRP酶的催化下转化成蓝色,并在酸的作用下转化成最终的黄色,颜色的深浅和样品中的亚硝酸还原酶呈正相关。其他酶均以类似方法测定。

表2 土壤酶名称、缩写、国际分类号及功能

1.4 数据分析

首先对所有测得数据进行正态分布和方差齐性检验,然后采用一般线性模型中的重复测量方差(repeated measures ANOVA)分析连栽代数、采样季节和二者交互作用对土壤理化性质和酶活性的影响。每个采样季节内不同连栽代数土壤理化性质及酶活性变化采用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行检验,并用LSD法进行多重比较(α=0.05)。土壤酶活性和理化性质的相关性采用Pearson相关分析。以上数据分析均在SPSS 22.0(SPSS Inc., USA)软件中进行。为探讨土壤酶活性的影响因素,利用Canoco 5.0(Microcomputer Power, Inc., Ithaca, NY)对酶活性和环境因子(土壤pH、含水量、全碳、全氮、碳氮比、铵态氮、硝态氮)进行冗余分析(RDA)。

2 结果与分析

2.1 连栽杉木林土壤理化性质

表3 不同连栽代数和季节变化对土壤理化性质的重复方差测量分析结果

表中数值是重复测量方差的P值,*P< 0.05,**P< 0.01,***P< 0.001

表4 不同连栽代数杉木人工林和天然林土壤理化性质比较

Table 4 Comparisons of soil physiochemical properties in different generations of continuously-cropped Chinese fir plantation and natural forest

采样季节Sampling season连栽代数Planting generationpH含水量/%Moisture全碳 Total carbon/(g/kg)全氮Total nitrogen/(g/kg)铵态氮Ammonium/(mg/kg)硝态氮Nitrate/(mg/kg)冬季FRP4.00±0.03c21.43±0.45b22.45±2.18ab1.54±0.09ab5.81±0.28b4.96±1.00aWinterSRP4.19±0.03ab27.46±1.23a25.58±1.79a1.77±0.05a6.38±0.68b4.58±0.48aTRP4.07±0.03bc20.51±0.13bc27.15±1.66a1.75±0.12a7.97±1.00b4.81±0.44aNF4.30±0.02a17.06±0.65c15.83±1.60b1.13±0.15b30.69±5.05a0.76±0.13b夏季FRP4.23±0.02b29.05±0.28a21.72±0.91b1.54±0.04a5.70±2.59a13.49±1.00aSummerSRP4.26±0.03b32.78±2.04a26.00±1.78ab1.79±0.09a7.40±0.18a2.97±0.57cTRP4.14±0.04b31.06±0.64a29.82±2.22a1.88±0.15a3.16±0.35a10.58±0.58abNF4.42±0.05a28.41±1.62a28.60±2.25ab1.81±0.07a6.65±1.47a8.61±1.40b

FRP,连栽第一代杉木林；SRP,连栽第二代杉木林；TRP,连栽第三代杉木林；NF,格氏栲天然阔叶林;表中数值为平均值±标准误(n=4),不同字母代表同一季节不同连栽代数之间存在显著性差异(P< 0.05)

2.2 参与土壤碳氮转化过程酶活性

不同连栽代数对参与土壤碳氮循环酶活性无显著影响(表5,P> 0.05),不同采样季节对除亚硝酸还原酶之外的其他6种土壤酶活性均有显著影响(表5,P< 0.01),而采样季节和连栽代数的交互作用对土壤天冬酰胺酶和亚硝酸还原酶活性有显著影响(表5,P≤ 0.05)。天然林和不同连栽代数杉木林土壤酶的测定结果表明,无论12月还是6月,连栽对大多数土壤酶的活性并无显著影响(图1,蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶)。 只有在12月,天然林的土壤脲酶活性(0.018—0.025 μmol h-1g-1)显著高于连栽杉木人工林(0.005—0.014 μmol h-1g-1),约为后者的2—5倍,而不同代数连栽杉木林土壤脲酶活性并无显著差异；天然林土壤天冬酰胺酶活性(22.09—30.92 μmol h-1g-1)显著高于三代连栽杉木林(10.84—25.61 μmol h-1g-1),与一代、二代连栽杉木林并无显著差异；在6月,4种林地的土壤脲酶和天冬酰胺酶活性均无显著差异(图1)。

图1 不同连栽代数杉木人工林与天然林土壤酶活性冬夏两季变化Fig.1 Changes of soil enzyme activities in different rotations of Chinese fir plantation and natural forest in December and June不同小写字母表示同一季节土壤酶活性在不同连栽代数间存在显著差异(P < 0.05)

表5 不同连栽代数和季节变化对土壤酶活性的重复方差测量分析结果

Table 5 Repeated measures ANOVA on the effects of planting generations and seasonal changes on soil enzyme activities

来源Source蛋白酶Proteaseβ-葡萄糖苷酶β-Glucosidase脲酶Urease天冬酰胺酶ASPG硝酸还原酶NAR亚硝酸还原酶NIRN-乙酰葡萄糖核苷酶NAG季节 Time (T)<0.001∗∗∗<0.001∗∗∗<0.001∗∗∗<0.001∗∗∗0.008∗∗0.253<0.001∗∗∗栽植代数 Generation (G)0.5130.556<0.001∗∗∗0.4660.4620.5560.241季节 × 栽植代数 T × G0.0650.6640.1240.017∗0.3340.036∗0.075

表中数值是重复测量方差的P值,*P< 0.05,**P< 0.01,***P< 0.001

2.3 土壤酶活性与土壤理化性质的相关性

表6 土壤酶活性与环境因子的Pearson相关分析(n=32)

表中数值是皮尔逊相关系数P值,所用数据为12月和6月两次采样的数据;*P< 0.5;**P< 0.01;***P< 0.001

图2 土壤酶活性与环境因子相关性的典范冗余分析(RDA),分析所用数据为12月和6月两次采样的数据Fig.2 Redundancy analysis (RDA) of relationships between soil enzyme activities and the environmental factors, using the bulked December and June dataASPG, Asparaginase， 天冬酰胺酶；BG，β-1,4-glucosidase, β-葡萄糖苷酶；NAG，N-acetyl-β-D-glucosaminidase，几丁质酶；urease，脲酶；protease，蛋白酶；NAR，Nitrate reductase，硝酸还原酶；NIR，Nitrite reductase，亚硝酸还原酶。TC，total carbon， 全碳；TN，total nitrogen， 全氮；C/N ratio，土壤碳氮比，moisture，土壤含水量

3 讨论

本研究中除脲酶活性和天冬酰胺酶活性在天然林和杉木人工林中有显著差异(图1),连栽并未改变参与土壤碳、氮循环的几种主要酶活性,这与前人报道中杉木连栽显著降低土壤脲酶活性的结果并不一致[30, 43- 44]。这可能与杉木所处的发育阶段不同有关,杉木林进入成熟林-过熟林阶段后很多土壤理化指标已经恢复,间伐等整地措施使林下植被环境变好,微生物活性增强,因此土壤状况有所恢复[45]。前人研究表明,中度间伐(保留1200株/hm2)能显著提高土壤过氧化氢酶、碱性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶的活性[46],本研究中杉木人工林造林密度在2700—3000株/hm2,间伐后密度为1050—1845株/hm2,介于轻度间伐与中度间伐之间。间伐后,林下植被多样性增加,促进土壤微生物种类和数量增加,加快土壤养分循环速度,另一方面使林分郁闭度降低,透光性增强,从而提高土壤酶活性[46]。本研究所涉及的参与土壤碳氮转化过程酶活性在其他杉木连栽林中报道较少,虽然蛋白酶和β-葡萄糖苷酶在4种林地间无显著差异,季节差异却很明显,这可能与微生物活跃程度或植物养分需求的季节性差异有关。

4 结论

由以上分析可知,杉木人工林进入成熟林-过熟林阶段后,不同连栽代数林地许多土壤理化指标及酶活性均有不同程度恢复。2代和3代连栽杉木人工林的养分含量并不比1代杉木林低,有的(如全氮和硝态氮)甚至超过了天然林。参与土壤碳氮转化过程酶活性并未呈现出随连栽下降的趋势,季节性变化大于连栽影响。土壤pH、含水量和养分含量是决定土壤碳氮循环过程酶活性的重要因子,但是由于不同酶对土壤条件响应机制的复杂性,想要精确建立土壤酶活性与土壤理化性质和养分有效性的关系,还需进一步长期研究。如果能建立这种关系,对于预测森林生态系统土壤质量的改变,探究人工林土壤退化及恢复过程中的酶学机理,有着重要的生态学意义。