武夷山亞熱帶常綠闊葉林土壤養分及酶活性對氮沉降的響應

康海軍, 李春光

(1.福州外語外貿學院, 福州 350202; 2.河北農業大學 林學院, 河北 保定 071001)

近些年來，大氣污染、水污染、全球氣溫上升等早已經成為困擾人們生活的現實問題，全球環境問題已經深深影響人們的工作和生活，環境問題日益受到關注，但是全球環境問題的影響因素是多方面的，其中人類的生產生活是最主要的影響因素；近年來大氣中的含氮化合物數量大幅增加，主要的原因在于煤炭等礦物燃料的大量使用[1-3]，另外，在農業生產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劇了大氣氮沉降，在社會生產生活的影響之下，大氣氮沉降并無明顯減弱的趨勢，若不加以控制，將會呈現繼續上升的發展態勢，18世紀中后期，人們經過一系列的研究發現了氮元素，到20世紀后期實現固氮速率控制，氮控制成為日益關注的研究話題，這是人們對氮元素研究的不斷轉變[4-6]，在這樣的轉變過程中，活性氮的增加幅度顯然已經超過了10倍，氮含量的增加主要是人為生產及生活過程中導致的，而自然植被產生的氮含量遠低于生產生活導致的氮增加[7]。自然及人為活動中難以避免地產生活性氮[8-10]，其中的大部分會通過多種方式沉降至陸地，在大氣活性氮排放不斷增加的情況下，氮沉降將無法有效大量下降[11]。多種生態系統難以避免地受到了氮沉降的嚴重制約[12-13]，尤其是對森林土壤的影響較為顯著，能夠對土壤養分及酶活性產生重要制約作用[14]，就全球來看，我國已經成為第三大氮沉降區，在長期的氮沉降影響之下，森林土壤的礦化速率被提升，進而加劇了土壤酸化，影響森林作物生長及微生物活動[15]。

在土壤生物化學反應過程中，不僅其活動強度受到酶活性的制約，而且其活動方向也受到酶的制約，此外，微生物活動過程對有機質的存儲等也明顯受到酶活動的影響[16]，其中酶所含的β—葡萄糖及木糖苷酶在土壤多糖類物質的水解過程中起著關鍵作用，其提供的充足碳源利于微生物的活動及新陳代謝，促進土壤碳循環；在氨基酸物質的降解過程中乙酰氨基葡萄糖苷酶NAG起到了明顯作用[17-19]，對于微生物獲取氮源起到了重要促進作用，是土壤碳及氮轉化的重要參與者；有機磷的分解離不開酸性磷酸酶Phos，Phos活性代表著土壤磷供給的能力[20]；此外，土壤還會發生氧化還原反應，在此過程中酚氧化酶Phox、過氧化物酶Pero成為主要參與者[21-22]，將直接制約土壤有機質的分解，綜合來看，在生態系統中，土壤養分和酶活性成為重要的影響因素。目前對于氮沉降的相關研究主要集中在國外，國內對于氮沉降不斷上升造成的森林土壤影響方面的研究較少，氮沉降與土壤養分、酶活性之間的關系研究還較為缺乏，基于此，本研究以武夷山亞熱帶常綠闊葉林為對象，在測定該地區大氣氮沉降背景值的情況下，研究土壤養分及酶活性對模擬大氣氮沉降的初期響應，并探討其響應機制，以期為預測該地區在大氣氮沉降持續增加的情況下森林土壤的碳動態提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本試驗于武夷山森林觀測站開展，該觀測站所處位置為北緯27.71°，東經117.75°，海拔約630 m，地勢不平，有約31°的坡度，該區域氣候具有較明顯的亞熱帶季風特點，夏季年平均溫度較高，約為17.5℃，降雨集中；冬季較為溫和，年平均氣溫17.5℃，年平均相對濕度78%～84%，年降水量1 486～2 150 mm，年霧日平均達120 d(福建武夷山森林生態定位觀測研究站氣象觀測數據)。試驗樣地土壤類型為黃壤，平均土層厚度為60 cm，樣地局部區域可達100 cm以上，土壤pH值4～5。

試驗樣地為中亞熱帶常綠闊葉米櫧(Castanopsiscarlesii)林，這里植被保存相對完好，層次分明，物種豐富。森林垂直結構分為3層：第一是喬木層，其高度在5 m以上，主要分布植被是米櫧、刨花潤楠(Machiluspauhoi)、杉木(CunninghamiaLanceolata)等；第二是灌木層，高度為0.3～5 m分布，主要的植被是樹參(Dendropanaxdentiger)、榕葉冬青(Ilexficoidea)等；第三是草本層，分布在0.3 m以下，物種并不多，主要是砂仁(Amomumvillosum)、狗脊(Woodwardiajaponica)[23]。

1.2 試驗設計

武夷山氮沉降試驗開始于2016年7月開始，并設置對照樣地，根據氮添加含量的不同，為3個梯度：低氮樣地N1，氮添加為50 kg/(hm2·a)；中氮樣地N2，氮添加為100 kg/(hm2·a)；高氮樣地N3，氮添加為150 kg/(hm2·a)。為了保證試驗的均一性，每種氮添加樣地設置3次重復，合計12塊試驗樣地，樣地長寬均為20 m，重復樣地之間的間隔要求在5 m以上，而不重復樣地的間隔為10～15 m。在每個月的月初，根據設置的樣地氮添加要求進行釋氮處理，在30 L水中溶入NH4NO3，通過噴霧器進行均勻噴灑，同時在對照樣地噴灑等量的蒸餾水。

1.3 土壤養分和酶活性測定方法

土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)的測定分別利用重鉻酸鉀氧化法、半微量凱式法、比色法；對于土壤有效氮(AK)進行測定之前首先通過KCl溶液進行浸提，之后方利用流動注射分析儀開展相應的指標測定[24]；在本研究過程中主要通過氯仿熏蒸—K2SO4浸提法開展土壤微生物量碳(MBC)、氮(MBN)、磷(MBCP)的相關指標測定。

氧化酶主要包括Phox和Pero，采取以下方法：首先稱重1克樣品土壤，然后置于體積為125 ml、密度為50 mmol/L的乙酸鈉緩沖液之中，經過均勻混合后置于25℃下進行兩個小時的培養；4種水解酶(Bglu，NAG，Bxyl和Phos)通過微孔板熒光法測定，要求激發光、發射光波長分別達到365，450 nm；對于氧化酶首先加入左旋多巴DOPA，然后再加入過氧化氫H2O2，之后利用比色法進行對比分析。

2 結果與分析

2.1 常綠闊葉林土壤溫度和含水量動態特征

由于對照樣地(N0)沒有進行任何模擬氮沉降處理，故其在一定程度上反映了本研究森林生態系統內未經處理下的土壤養分及酶活性特征。在試驗期內常綠闊葉林土壤溫度表現出先增后減的變化趨勢；土壤溫度的最小值均出現在1月、12月，此時0—5，5—10 cm土壤溫度分別為15.1，15.2℃；土壤溫度最大值則出現在8月，此時0—5，5—10 cm深處的土壤溫度分別為23.5，19.8℃。土壤含水量與土壤溫度呈一致的變化趨勢(圖1)。4—7月，本試驗區土壤溫度不斷升高，降雨量也逐漸增多，良好的水熱條件不僅有利于植物的生長發育，促進植物根系呼吸，而且可以加快凋落物分解速度，增強微生物種群數量及其活性，進而提高土壤養分；8月份正好處于伏旱期，降雨量明顯減少，土壤含水量在整個試驗期處于最高值，8月正好是全年最熱月，此時土壤溫度也達到最高。

注:折線代表土壤含水量，柱狀圖代表土壤溫度。

圖1常綠闊葉林土壤溫度和含水量動態特征

2.2 氮沉降對常綠闊葉林土壤養分的影響

由表1可知，氮沉降對常綠闊葉林土壤養分具有顯著的影響；與對照N0相比，隨著氮濃度的增加，土壤養分呈先增加后降低的趨勢；對于土壤有機碳，其變化范圍為15.32～18.62 g/kg，N2顯著高于其他處理(p<0.05)，N1和N3差異并不顯著(p>0.05)；與N0相比，N1，N2和N3土壤有機碳分別增加了7.77%，21.54%，5.93%。對于土壤全氮，其變化范圍在1.03～1.45 g/kg，N2和N3差異不顯著(p>0.05)，二者顯著高于N0和N1(p<0.05)；與N0相比，N1，N2和N3土壤全氮分別增加了8.74%，40.78%，46.60%。對于土壤全磷，其變化范圍為1.03～1.15 g/kg，氮處理與對照之間差異不顯著(p>0.05)；與N0相比，N1，N2和N3土壤全磷分別增加了2.91%，11.65%，9.71%。對于土壤全鉀、有效磷和有效氮，N2顯著高于其他處理(p<0.05)，N1和N3差異并不顯著(p>0.05)；與N0相比，N1，N2和N3土壤全鉀分別增加了9.87%，37.38%，6.39%；土壤有效磷分別增加了89.71%，279.41%，90.44%；土壤有效氮分別增加了14.61%，63.42%，12.53%。

雙因素方差分析表明(表2)：氮濃度和氮處理時間對土壤有機碳、全氮、全鉀、有效磷和有效氮具有顯著的影響(p<0.05)，對土壤全磷沒有顯著的影響(p>0.05)；氮處理濃度×時間對有機碳、全氮和有效氮具有顯著的影響(p<0.05)，對土壤全磷、全鉀和有效磷沒有顯著的影響(p>0.05)。

2.3 氮沉降對常綠闊葉林土壤微生物量的影響

由表3可知，氮沉降對常綠闊葉林土壤微生物量具有顯著的影響，氮沉降對土壤微生物量起到一定的增加作用；與對照N0相比，隨著氮濃度的增加，土壤微生物量呈先增加后降低的趨勢；對于土壤微生物量碳，其變化范圍為210.36～285.87 mg/kg，N2顯著高于其他處理(p<0.05)，N1和N3差異并不顯著(p>0.05)；與N0相比，N1，N2和N3土壤有機碳分別增加了12.29%，35.90%，6.43%。對于土壤微生物量氮，其變化范圍為55.17～105.78 mg/kg，不同濃度處理之間差異均顯著(p<0.05)；與N0相比，N1，N2和N3土壤全氮分別增加了24.96%，69.55%，91.73%。對于土壤微生物量磷，其變化范圍為15.03～16.24 mg/kg，氮處理與對照之間差異不顯著(p>0.05)；與N0相比，N1，N2和N3土壤全磷分別增加了8.58%，5.72%，8.05%。

雙因素方差分析表明(表4)：氮濃度和氮處理時間對土壤微生物量碳和微生物量氮具有顯著的影響(p<0.05)，對微生物量磷沒有顯著的影響(p>0.05)；氮處理濃度×時間對微生物量碳和微生物量氮具有顯著的影響(p<0.05)，對微生物量磷沒有顯著的影響(p>0.05)。

表1 氮沉降對常綠闊葉林土壤養分的影響

表2 時間和氮沉降處理對土壤養分的雙因子方差分析

表3 氮沉降對常綠闊葉林土壤微生物量的影響

表4 時間和氮沉降處理對土壤微生物量的雙因子方差分析

2.4 氮沉降對常綠闊葉林土壤酶活性的影響

由表5可知，氮沉降對常綠闊葉林土壤酶活性具有顯著的影響，氮沉降對土壤酶活性起到一定的增加作用；與對照N0相比，隨著氮濃度的增加，土壤酶活性呈先增加后降低的趨勢；對于Bglu活性，其變化范圍為5.26～13.02 mol/(h·g)，N2顯著高于其他處理(p<0.05)，N0和N3差異并不顯著(p>0.05)；與N0相比，N1，N2和N3土壤有機碳分別增加了7.77%，21.54%和5.93%。對于Bxyl活性，其變化范圍為0.98～3.25 mol/(h·g)，N2顯著高于其他處理(p<0.05)，N0，N1和N3差異并不顯著(p>0.05)；與N0相比，N1，N2和N3土壤全氮分別增加了8.74%，40.78%，46.60%。對于NAG活性，其變化范圍為2.26～6.14 mol/(h·g)，N2顯著高于其他處理(p<0.05)，N0，N1和N3差異并不顯著(p>0.05)；與N0相比，N1，N2和N3土壤全氮分別增加了8.74%，40.78%，46.60%。對于Phos活性，其變化范圍為13.65～53.14 mol/(h·g)，不同氮處理下差異均顯著(p<0.05)；與N0相比，N1，N2和N3土壤全氮分別增加了8.74%，40.78%，46.60%。對于Phox活性，其變化范圍為0.36～0.49 mol/(h·g)，不同氮處理下差異均不顯著(p>0.05)；與N0相比，N1，N2和N3土壤全氮分別增加了8.74%，40.78%，46.60%。對于Pero活性，其變化范圍為0.79～2.56 mol/(h·g)，N2顯著高于其他處理(p<0.05)，N0，N1和N3差異并不顯著(p>0.05)；與N0相比，N1，N2和N3土壤全氮分別增加了8.74%，40.78%，46.60%。

雙因素方差分析表明(表6)：氮濃度對Bglu活性、Bxyl活性、NAG活性、Phos活性和Pero活性具有顯著的影響(p<0.05)，對Phox活性沒有顯著的影響(p>0.05)；氮處理時間對Bglu活性、Phos活性和Pero活性具有顯著的影響(p<0.05)，對Bxyl活性、NAG活性和Phox活性沒有顯著的影響(p>0.05)。氮處理濃度×時間對Bglu活性、Phos活性和Pero活性具有顯著的影響(p<0.05)，對Bxyl活性、NAG活性和Phox活性沒有顯著的影響(p>0.05)。

表5 氮沉降對常綠闊葉林土壤酶活性的影響 mol/(h·g)

表6 時間和氮沉降處理對土壤酶活性的雙因子方差分析 mol/(h·g)

3 討 論

本研究表明氮沉降對常綠闊葉林土壤養分具有一定的影響，常綠闊葉林微環境對于氮素的反應較為敏感，土壤含水量受大氣降水、地表蒸發、植物吸收蒸騰及土壤特性等影響[25]。本研究的結果說明了氮沉降在一定程度上增加了常綠闊葉林土壤養分含量，土壤養分循環過程較為復雜，受施氮量、頻率、方式、時間、土壤特性以及環境因子等綜合影響，本研究保證了相同的土壤基質和環境條件，從氮沉降1 a后的試驗來看，氮沉降對常綠闊葉林土壤養分起到了一定的增加效應，以中水平的氮沉降[100 g/(m2·a)]對常綠闊葉林土壤養分各指標的增加效應達到最大，促進了土壤養分的吸收和利用，而高水平的氮沉降則導致常綠闊葉林土壤養分的微弱減小，一定程度上降低了土壤養分含量，其中以土壤速效養分對于氮沉降的響應最為明顯，也說明了土壤有效養分可以看作不同水平氮沉降處理后土壤養分變化的敏感指標。這可能是由于氮沉降后常綠闊葉林需要吸收較多的土壤養分以供生長繁殖，從而導致常綠闊葉林土壤養分明顯增加，同時，植物根系產生一些有機分泌物和部分腐爛根系，增加土壤中的養分[26-27]。除了土壤全磷以外，不同水平的氮沉降處理下土壤養分均與N0達到差異顯著或極其顯著差異水平，說明氮沉降能夠增加土壤養分，但對土壤全磷沒有顯著的增加效應。氮含量增加的情況下[高氮，150 g/(m2·a)]，可能會引起植物營養單一而生長受阻，超出了常綠闊葉林吸收養分的閾限，導致土壤養分開始退化。也有可能造成試驗區土壤氮素飽和，引起土壤酸化等多種負面效應[28]。

有學者指出，楊樹的林齡不同，其土壤微生物量碳對氮沉降的反應也存在較大差異[21]。土壤中的微生物能夠及時將少量的氮吸收利用，因此低水平的氮沉降并不會顯著影響土壤養分，相反，短期內的高氮將使得微生物數量下降[7-9]，多余的氮無法被微生物充分利用，最終導致淋溶至土壤，進而導致土壤發生酸化現象，在這種情況下，一些有毒離子被激發出來，諸如Al3+等，這將不可避免地產生鋁毒問題，嚴重制約微生物的生長發育及代謝活動[22]。在長期氮沉降的影響之下，土壤微生物量碳將會降低，在氮沉降作用之下，植物的生物量分配被改變，土壤的養分及活性也被改變，較高水平的氮沉降會使得土壤生物量減少，這樣會使得土壤微生物的生長發育受限，降低土壤肥力等。在氮沉降的作用之下，植物以及腐殖質等碳氮庫會增加，在這種情況下，土壤的碳氮含量會相應提升，從而利于微生物對碳氮的利用，進而利于微生物的生長發育和代謝活動。

對于水解酶來說，在氮濃度不斷增加的情況下，其活性先增加，但是當氮含量超過一定限度后酶活性逐漸下降，這說明不同的氮濃度對微生物活動的影響存在較大差距[29-30]；Phox具有較好的氧化還原能力，能夠對有機質和腐殖質產生降解作用，同時形成礦化作用；在水解酶Pero的作用之下，過氧化氫和酚類物質經過氧化作用后會形成水、醌，這樣能夠顯著降低其對活細胞的危害。在高氮水平的影響之下，有機質的積累受到限制，進而影響土壤的物質循環，進而對深層微生物產生影響[31]；0—5 cm土壤含水量相關系數R2高于5—10 cm土壤含水量相關系數，這表明土壤養分、酶活性與土壤含水量具有一定的相關性。同樣地，0—5 cm土壤溫度決定系數R2高于5—10 cm土壤溫度決定系數(表7)，這表明土壤養分、酶活性與土壤溫度具有一定的相關性。并且土壤溫度的相關系數高于土壤含水量與土壤養分、酶活性的相關系數。其主要原因可能是該區屬于亞熱帶季風濕潤性氣候特征，降水比較豐富，林地蓄水持水能力較強，從整個試驗期來看土壤含水量保持在相對較高的狀態，導致水分不是限制土壤養分及酶活性的關鍵因子，土壤含水量對土壤養分及酶活性的影響遠小于土壤溫度的影響。

表7 土壤溫度和含水量對土壤養分、酶活性的影響

注：ns (no significance)，無顯著性差異(p>0.05)。

4 結 論

(1) 氮沉降對常綠闊葉林土壤有機碳、全氮、全鉀、有效磷和有效氮含量起到一定的增加作用，對土壤全磷沒有顯著的影響(p>0.05)，而高濃度氮沉降會引起土壤養分的降低，其中土壤有效養分(有效磷和有效氮)對氮濃度的響應較大；

(2) 土壤微生物量碳和氮隨氮濃度的增加呈先增加后降低的趨勢，大致表現為：N2>N1>N3>N0，模擬氮沉降處理下土壤微生物量磷差異均不顯著(p>0.05)；

(3) 氮沉降對常綠闊葉林土壤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，對對Phox活性沒有顯著的影響(p>0.05)；

(4) 相關性分析表明：土壤養分、酶活性與土壤含水量具有一定的相關性，其中0—5 cm土壤含水量相關系數R2高于5—10 cm土壤含水量相關系數；土壤養分、酶活性與土壤溫度具有一定的相關性，其中0—5 cm土壤溫度相關系數R2高于5—10 cm土壤溫度相關系數，說明表層(0—5 cm)土壤溫度和水分對土壤養分、酶活性的影響較大。