模擬氮沉降對樟樹人工林土壤酶活性的影響

魏楓　王慧娟　邱秀文　周桂香　楊麗麗　郭曉敏

摘要：為探究氮沉降對亞熱帶森林土壤酶活性的影響，在樟樹人工林中開展了野外模擬氮沉降試驗。試驗設置對照[CK，0 kg/（hm2·年）]、低氮[N1，30 kg/（hm2·年）]和高氮[N2，60 kg/（hm2·年）]3種氮處理，分別在施氮前期（3個月）、中期（6個月）、后期（12個月）采集土壤樣品，測定土壤酶活性。結果表明，與對照組相比，在0～10 cm土層，過氧化氫酶活性在3個月和12個月后受高氮沉降的顯著促進作用;淀粉酶活性在施氮6個月和12個月后受氮沉降的顯著促進作用;受氮沉降影響，蔗糖酶活性在施氮12個月后顯著提升。在10～20 cm土層，過氧化氫酶、淀粉酶、蔗糖酶活性受氮沉降的影響不顯著。從施氮時間來看，氮沉降對酸性磷酸酶活性的影響表現為先促進后抑制，在施氮后3個月時，0～10 cm土層酸性磷酸酶活性受低氮沉降的顯著促進作用;在施氮后6個月時，10～20 cm土層酸性磷酸酶活性被氮沉降抑制。氮沉降對脲酶活性的影響則相反，在施氮后3個月時，10～20 cm土層脲酶活性受到顯著抑制;在施氮后12個月時，0～10 cm土層脲酶活性受氮沉降的顯著促進作用，10～20 cm土層脲酶活性僅受高氮沉降的顯著促進作用。土壤蔗糖酶活性與淀粉酶活性呈極顯著正相關關系，與脲酶活性呈顯著正相關關系，土壤酸性磷酸酶活性與脲酶活性呈顯著負相關關系，表明不同土壤酶活性之間的相關性存在差異。

關鍵詞：氮沉降;樟樹人工林;土壤酶活性

中圖分類號：S718.51+6 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）19-0129-04

收稿日期：2018-06-19

基金項目：國家自然科學基金（編號：41661068）;江西省自然科學基金（編號：20161BAB214150）;江西省重點研發(fā)計劃（編號：20171BBF60057）;土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室開放課題（編號：Y20160010）。

作者簡介：魏 楓（1992—），男，陜西西安人，碩士，主要從事農林土壤營養(yǎng)恢復研究。E-mail：wfjxau@163.com。

通信作者：郭曉敏，博士，教授，主要從事經濟林栽培、林木營養(yǎng)研究。E-mail：gxmjxau@163.com。

近幾十年來，我國工農業(yè)的迅速發(fā)展、化石能源燃燒量的增加以及含氮化肥的大量生產和使用導致活性氮的排放量明顯增加[1]。眾多研究表明，氮沉降的顯著增加不僅影響著植物物種的多樣性、生態(tài)系統的生產力、植物群落的組成和植物的生長狀況[2]，而且改變了土壤的理化性質、微生物群落的功能結構以及土壤酶活性[3]。因而，大氣氮沉降的增加已成為科學家和公眾關注的熱點內容之一[4]。

土壤酶是土壤微生物和植物的分泌物，在土壤生物化學過程中扮演著重要的角色，對于土壤質量和生態(tài)環(huán)境效應的評價具有十分重要的作用。土壤酶對有機質的降解速率受氮沉降的干擾，這在很大程度上直接影響到林木的生長狀況[5]。因此，研究氮沉降對我國森林生態(tài)系統的調節(jié)機制及發(fā)展?jié)摿Φ奶骄烤哂兄匾囊饬x。

近年來，各地關于氮沉降增加對土壤酶活性影響的研究較多，但沒有得到統一的結論。閆鐘清等研究發(fā)現，氮增加抑制了脲酶活性[6]，而宋學貴等分別對川南天然常綠闊葉林和華西雨屏區(qū)苦竹林中土壤進行了模擬氮沉降試驗，結果發(fā)現，氮沉降增加了脲酶的活性[3，7]。由此可見，不同生態(tài)系統中土壤酶活性對氮沉降的響應存在差異。本研究選擇樟樹人工林為研究對象，通過野外模擬氮沉降試驗，研究土壤酶活性對大氣氮沉降的響應，以期為深入開展森林生態(tài)系統對氮沉降增加的響應機制研究提供數據支撐和理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國江西省的九江市（29°68′N，115°98′E），試驗站點的年平均溫度為17 ℃，年平均降水量為1 407 mm，該地區(qū)屬于季風性亞熱帶氣候，四季分明，每年平均有240個無霜日，土壤類型為紅壤。樟樹樹齡為6年，平均胸徑為 14.4 cm，平均株高為6.5 m。試驗樣地平均pH值為6.0，有機質含量為11.4 g/kg，土壤全氮含量為1.3 g/kg。

1.2 模擬氮沉降試驗樣地設置及取樣方法

2014年11月，在試驗區(qū)選擇立地條件基本相似的區(qū)域，設定了9個樣地，每個樣地為2 m×3 m，樣地之間留有5 m寬的緩沖區(qū)域，以防樣地間相互干擾。每個樣地區(qū)域中的地表植株和凋落物有所保留。將所有樣地分成3個不同濃度的施氮處理，按施氮量由低到高分別標記為N0[0 kg/（hm2·年）]、N1[30 kg/（hm2·年）]、N2[60 kg/（hm2·年）]，每個施氮處理設3個重復。模擬氮沉降時間為2014年11月至2015年11月，將施氮量換算成每月施氮量，每月末將各處理所需的NH4NO3溶解于1 L水中，用噴霧器在樣地均勻噴灑，同時向對照樣地噴施同樣劑量的清水，以減少外加水分因子對試驗造成的影響。

分別于2015年的2、5、11月在施氮區(qū)域按照隨機、等量、多點混合的原則進行土壤取樣。土壤取樣時將中心區(qū)上層土壤結皮去除，分0～10 cm、10～20 cm 2層取樣。去除大的石塊及根系等雜物后，將土壤樣品裝入取樣箱中帶回實驗室，置于4 ℃冰箱保存，迅速完成土壤酶活性的測定。

1.3 土壤酶活性的測定方法

土壤淀粉酶、蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定;過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定;脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定;酸性磷酸酶活性采用對硝基苯磷酸二鈉比色法測定[8]。

1.4 數據處理

所有數據采用SPSS 13.0軟件進行分析。利用單因素方差分析和Tukey多重比較法比較不同處理數據的組間差異，不同土壤酶活性之間的相關關系采用Pearson相關分析法進行分析，用Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 模擬氮沉降對土壤蔗糖酶活性的影響

從圖1可以看出，0～10 cm土層蔗糖酶活性對施氮響應較大，尤其在試驗后期（12個月）表現更加明顯，N1、N2 2理均可顯著提高土層蔗糖酶活性，分別比對照高279%、295%，但2處理間蔗糖酶活性差異不顯著;10～20 cm 土層，施氮處理對蔗糖酶活性影響不顯著。各處理酶活性大小會隨施氮時間發(fā)生變化，且變化規(guī)律受施氮程度及土層深度的影響。隨著施氮時間的延長，0～10 cm土層，N1處理的酶活性先減小后增大，N2處理的酶活性持續(xù)增大;10～20 cm土層，不同處理蔗糖酶活性的變化規(guī)律一致，表現先減小后增大，最大值出現在施氮后期（12個月）。

2.2 模擬氮沉降對酸性磷酸酶活性的影響

從圖2可以看出，氮沉降對土壤酸性磷酸酶活性的影響因施氮時間和施氮量的不同而產生變化。隨施氮時間的延長，氮添加對酸性磷酸酶活性的作用由促進逐漸轉為抑制，不同土層出現抑制的時間不同。0～10 cm土層，N1處理對酸性磷酸酶活性的顯著促進作用體現在施氮前期（3個月），施氮中期（6個月）影響不顯著，施氮后期酶活性低于對照處理;N2處理對酸性磷酸酶活性無顯著影響。10～20 cm土層，氮添加對酸性磷酸酶活性的較大抑制作用體現在施氮中期（6個月），N2處理對酸性磷酸酶活性的抑制作用高于N1處理，其他階段氮添加對酸性磷酸酶活性無顯著影響。

2.3 模擬氮沉降對脲酶活性的影響

施氮對脲酶活性的影響與酸性磷酸酶相反（圖3），施氮前期（3個月）表現為抑制作用，尤其在10～20 cm土層，抑制作用明顯，N0處理與N1、N2處理的酸性磷酸酶活性差異顯著，而N1、N2處理差別不大。施氮后期（12個月）表現為促進作用，0～10 cm土層，施氮處理對脲酶活性的影響顯著，N1處理與N2處理差別不大;10～20 cm土層，N1處理的促進作用不明顯，而N2處理能顯著提高脲酶活性。N0處理下，脲酶活性在施氮前期出現最大值，而N1、N2處理的脲酶活性均在施氮后期達到最大值。

2.4 模擬氮沉降對過氧化氫酶活性的影響

從圖4可以看出，施氮可以提高土壤過氧化氫酶活性，其促進作用在0～10 cm土層表現更為明顯，施氮3個月后，N2處理的過氧化氫酶活性顯著高于N1、N0處理，隨著施氮時間的延長，N2處理酶活性逐漸下降，且在施氮12個月后，N2處理與N0處理酶活性差異顯著，N2處理的過氧化氫酶活性最大;10～20 cm土層，不同處理的過氧化氫酶活性雖無明顯差異，但N1、N2處理隨施氨時間的延長降幅更大，施氮12個月后，N1、N2處理的過氧化氫酶活性低于N0處理。同時，過氧化氫酶活性變化也與施氮時間有關，在施氮3個月后，0～

10 cm 土層的過氧化氫酶活性比10～20 cm低，而在施氮6個月后，0～10 cm土層的酶活性高于10～20 cm。

2.5 模擬氮沉降對淀粉酶活性的影響

從圖5可以得出，施氮對土壤淀粉酶活性有促進作用，然而其作用的大小與土層深度及施氮時間有關。相比之下，0～10 cm土層受施氮的影響更為明顯，試驗初期（3個月），氮添加對淀粉酶活性的促進作用不明顯，而試驗中期（6個月），氮添加能顯著提高土壤淀粉酶活性，3種處理之間有顯著差異;隨施氮時間的延長，這種促進作用表現得更為明顯，且N2處理>N1處理。10～20 cm土層受施氮影響不顯著（圖5-B）。

2.6 土壤不同酶活性之間的相關性分析

本試驗對氮添加下表層土壤（0～10 cm）酶活性進行了相關性分析。結果（表1）表明，土壤蔗糖酶活性與淀粉酶、脲酶活性均呈顯著正相關關系，相關系數分別為0.57、0.41;土壤酸性磷酸酶活性與脲酶活性呈顯著負相關關系，相關系數為-0.46，說明不同的土壤酶活性之間相關性不一致。

3 討論與結論

一般認為，土壤酶活性受土層深度的影響[9]。在本研究中也發(fā)現了類似現象，蔗糖酶、酸性磷酸酶、淀粉酶活性總體隨土層加深而降低，這可能是因為表層土壤中自然凋落物較多，為微生物提供了充足的能源。本研究還表明，脲酶活性總體隨土層深度的增加而增加，過氧化氫酶在不同土層的活性受施氮量影響差異較明顯，而淀粉酶活性主要受施氮時間的影響，由此可推斷土層的深度、施氮量、施氮時間等因素對土壤酶活性均有影響。

相對于不施氮處理的對照樣地，施氮12個月后蔗糖酶活性在不同施氮水平下均得到提高，該結果與宋學貴等得出的氮沉降增加了川南天然常綠闊葉林土壤蔗糖酶活性的結論[3]相似，但卻不同于沈芳芳等的中-低程度的氮沉降對蔗糖酶無影響的結論[10]。這可能是因為不同研究區(qū)域的植株對碳的吸收和利用能力不同[11]。白春華等研究表明，土壤中充足的養(yǎng)分供應有助于提高微生物活性，增加動植物分泌物，進而提高蔗糖酶活性[12]。此外，長期施氮會改變表層土壤微生物的功能多樣性[13]。

本研究發(fā)現，施氮對土壤淀粉酶活性有促進作用，且該促進作用和土層深度及施氮時間等因素有關，0～10 cm土層淀粉酶活性更易受施氮的影響，施氮時間越長，對酶活性的促進作用越顯著。在試驗前期（3個月），低氮處理下，0～10 cm土層酸性磷酸酶活性受到顯著促進作用，而高氮處理對酸性磷酸酶活性無顯著影響，在試驗中期（6個月），高氮處理下0～10 cm土層中酸性磷酸酶活性低于對照處理，而低氮處理下的酸性磷酸酶活性高于對照處理，說明低氮對土壤酸性磷酸酶具有一定的促進作用，高氮沉降則會抑制酶的活性，該結果與周曉兵等的研究結論[11]一致。

氮添加可以增加土壤中氮的含量，從而使脲酶活性增加，這可能與脲酶參與土壤中尿素的分解和氮素的循環(huán)有關[14]。在試驗后期（12個月），氮沉降顯著促進了0～10 cm土層脲酶活性，高氮處理顯著促進了10～20 cm土層的脲酶活性，這與長期施氮能增加土壤和凋落物層脲酶活性的結論[15-16]一致。蘇潔瓊等的研究結果表明，施氮降低了土壤脲酶的活性[17]。氮添加對脲酶活性影響不一致的結果可能是由于不同研究區(qū)域的土壤理化性質、微生物群落結構和植被類型差異較大。

劉建國等認為，過氧化氫酶參與腐殖質的合成，其活性的提高有利于腐殖質的合成，其活性變化反映了土壤腐殖化和有機質的積累程度[18]。本研究結果顯示，試驗后期（12個月），在0～10 cm土層，不同施氮水平處理均促進了過氧化氫酶活性，其中高氮處理的促進作用更顯著，這與眾多前人研究結果[7，19]一致。氮沉降對10～20 cm土層過氧化氫酶活性無顯著影響，杜錕等同樣發(fā)現，氮添加對土壤過氧化氫酶活性無顯著影響[20]。還有研究表明，氮添加對過氧化氫酶活性有抑制作用[21]。以上研究結果表明，不同水平氮沉降對不同土層的過氧化氫酶活性的影響存在差異，這可能與地域、植被、微生物群落結構等環(huán)境因素有關。

綜上所述，氮沉降對樟樹人工林土壤酶活性有重要影響。隨著時間延長，氮沉降促進了0～10 cm土層過氧化氫酶、淀粉酶、蔗糖酶的活性，對酸性磷酸酶活性表現為先促進后抑制，對脲酶活性則表現為先抑制后促進。高氮沉降對過氧化氫酶、淀粉酶、脲酶活性的促進作用更為明顯，而在低氮沉降下，酸性磷酸酶能總體保持更高的酶活性。另外，施氮水平對蔗糖酶活性的影響不大。不同氮沉降水平下，淀粉酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶活性隨土層深度的增加而降低，脲酶活性隨土層深度的增加而增加，不同土層的過氧化氫酶活性受施氮時間的影響。

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