模擬氮沉降對天山云杉林土壤酶活性的季節性影響

李吉玫 張毓濤

( 1. 新疆林業科學院森林生態研究所，新疆 烏魯木齊 830063；2. 新疆天山森林生態系統國家定位觀測研究站，新疆 烏魯木齊 830063)

干旱區溫帶森林通常表現為氮缺乏型生態系統[1]，然而在過去一個世紀中，受人類活動的干擾，通過大氣干濕沉降進入陸地生態系統的含氮化合物大量增加，而且氮沉降量在未來幾十年將繼續增加，還呈現出全球化趨勢[2-3]。氮沉降增加對森林生態系統物質循環和能量流動及轉換有顯著影響。土壤酶在物質循環和能量流動中起著決定性的作用，能敏感地預警土壤生態系統發生的微小變化，土壤酶活性反映土壤中進行各種生化過程的方向和強度，氮沉降通過改變土壤有機質積累及分解、土壤礦化過程等改變土壤酶活性變化。土壤水解酶（蔗糖酶和脲酶）及氧化酶（過氧化物酶和多酚氧化酶）能很好地表征土壤碳、氮的供應程度、土壤腐殖化程度及有機質的積累程度，對這幾種土壤酶活性的研究有助于深入了解土壤微環境對人類活動干擾的響應[4-5]。通常認為，長期氮沉降對氮缺乏型的生態系統中與木質素降解等有關的多酚氧化酶活性有抑制作用，但在氮飽和型生態系統得出了相反的結論。氮沉降的增加除對與碳相關酶活性有影響外，對氮相關酶活性也有正面或負面的影響[5]。但由于土壤酶活性受多種復雜因素的影響，如土壤水分、凋落物基質等。因此，不同生態系統土壤酶對氮沉降的響應可能有差異[6-8]。盡管如此，在干旱區森林生態系統中，有關氮沉降增加如何影響土壤酶的變化仍知之甚少。

天山云杉（Picea schrenkiana） 林是新疆山地森林的主要組成部分，在干旱區涵養水源、保育土壤、保護生物多樣性和固碳釋氧等方面發揮著重要的生態功能。有研究表明天山中部氮沉降量約 為 6.82～ 3.85 kg/（ hm2·a）， 平 均 達 5.33 kg/（hm2·a）[9-10]。同時，天山中部天山云杉林分布的部分區域由于重大工程的施工，如煤礦開采、水泥廠的修建等造成該區域氮沉降量有逐漸增加的趨勢。本研究以天山森林生態系統國家定位觀測研究站為依托，通過2 a的野外模擬試驗，研究氮沉降對天山云杉林林下土壤酶活性的影響，為了解氮沉降對生態系統變化的影響提供參考。

1 試驗區概況

試驗區設在天山森林生態系統國家定位觀測研究站，地處天山山脈中段北坡，位于東經87°27′28.5″～87°28′47.7″，北緯 43°24′48.3″～43°26′17.9″，海拔 1 908～2 960 m。該地區屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫2.0 ℃，年降水量400～600 mm，雨季集中在6—8月份，年蒸發量980～1 150 mm，年均相對濕度65%，干燥度1.4，無霜期89 d，大于等于10 ℃積溫1 170.5 ℃。林下土壤為山地灰褐色森林土，腐殖質層較厚。該區植被類型是以天山云杉為主的溫帶針葉林，森林覆蓋率達60%。

2 試驗方法

2.1 樣地設置

2015年秋季（9月底）在研究區設置3 m×3 m的固定樣地12個，每個樣地間設置1 m的緩沖帶，并進行林分狀況和土壤養分等調查，基本情況見表1。樣地內主要地被植物有：天山羽衣草（Alchemilla tianshanica）、羊角芹（Aegopodium podagraria）、天藍巖苣（Cicerbita azurea）、木地膚（Kochia prostrata）、羊茅（Festuca ovina）、粗根老鶴草（Geranium dahuricum）等。

表 1 各處理樣地的林分和土壤養分基本情況Table 1 Basic conditions of forest stand and soil nutrients in each treatment plot

2.2 氮沉降增加模擬

結合已有學者對天山中部氮沉降監測的結果，本試驗設計4種氮處理，分別為CK （對照，不施氮）、LN（低氮，5 kg/（hm2·a））、MN（中氮，10 kg/（hm2·a））、HN（高氮，15 kg/（hm2·a）），每種處理重復 3 次。將 NH4Cl溶于30 L水中，每月月初無雨時均勻噴灑，于2015年9月底、2016—2017年5月初、7月初和9月初將尿素與細沙充分攪拌并均勻地灑在各個樣地中。

2.3 取樣方法

2016—2017年各次施完肥后的第3～5天，在每個樣地沿2條對角線取土樣，即每個樣地5個樣品，同一樣地同層土樣均勻混合，共取6次樣。在取樣時將凋落物層去除，分0～10 cm和10～20 cm 2層，將土壤樣品裝入有冰袋的采樣箱，帶回實驗室，在4 ℃下保存，進行土壤酶活性和土壤養分測定。

2.4 土壤養分和酶活性測定方法

土壤堿解氮、速效磷及速效鉀分別采用堿解擴散法、浸提-鉬銻抗比色法及火焰光度法測定[11]。土壤脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定，用每克土樣每小時生成的NH3-N的數量表示脲酶活性；土壤多酚氧化酶與過氧化物酶活性采用鄰苯三酚比色法測定，用每克土樣每小時生成的紫色沒食子素量表示酶活性；蔗糖酶用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，用每克土樣每小時生成的葡萄糖數表示蔗糖酶活性[12]。所有的土壤樣品均送至中國科學院新疆生態與地理研究所中心實驗室測定。

2.5 數據處理

各氮沉降處理間土壤酶活性及不同季節土壤酶活性的差異用單因素方差分析（one way ANOVA），用最小極差法（LSD）進行各個處理間的多重比較。所有的統計和作圖采用Origin 7.5完成。

3 結果與分析

3.1 氮沉降增加對天山云杉林土壤脲酶活性的影響

不同氮沉降處理下土壤脲酶活性特征見表2。由表2可知，不同處理土壤脲酶活性表現為HN＞MN＞LN＞CK，但無顯著差異。與CK處理的0～10 cm土層相比，LN、MH和HN處理土壤脲酶活性提高了8.82%～35.29%；10～20 cm土層提高了20.83%～54.17%。說明土壤脲酶活性受到底物刺激，提高了土壤脲酶活性。

表 2 不同氮沉降處理下土壤脲酶活性特征Table 2 Characteristics of soil urease activity under different nitrogen deposition treatments mg/g

不同季節氮沉降處理對土壤脲酶活性的影響見圖1。季節不同，氮沉降處理對不同土層土壤脲酶活性的影響有差異，其中春季氮沉降增加對0～10 cm和10～20 cm土層土壤脲酶活性均沒有顯著影響。但與CK相比，LN、MN和HN處理0～10 cm土層土壤脲酶活性分別增加了6.54%、13.88%和15.44%；10～20 cm土層脲酶活性分別增加了10.81%、17.95%和19.44%。夏季氮沉降增加后，0～10 cm土層除CK與LN差異顯著外，其余處理土壤脲酶活性差異顯著（P＜0.05），但10～20 cm土層差異不顯著。與CK相比，LN、MN和HN處理0～10 cm土層土壤酶活性分別增加了11.71%、16.44%和27.31%，10～20 cm增加了4.13%、6.93%和7.48%。秋季模擬氮沉降增加后，0～10 cm土層，除了MN和HN處理的差異不顯著外，其余處理差異均顯著（P＜0.05），但10～20 cm土層各處理的脲酶活性差異均不顯著。與CK相比，LN、MN和HN處理0～10 cm土層土壤酶活性分別增加了20.68%、36.06%和40.77%；10～20 cm土壤分別增加了5.30%、8.41%和8.86%。

3.2 氮沉降增加對天山云杉林土壤蔗糖酶活性的影響

不同氮沉降處理下土壤蔗糖酶活性特征見表3。由表3可知，隨著氮添加量的增加，土壤蔗糖酶活性呈現先增加后降低的趨勢，即MN＞LN＞HN＞CK。但方差分析表明，氮添加僅對0～10 cm土層土壤蔗糖酶活性有顯著影響，對10～20 cm土層的影響不顯著。

不同季節氮沉降處理對土壤蔗糖酶活性的影響見圖2。春季模擬氮沉降增加后，LN和MN處理0～10 cm土層蔗糖酶活性分別比CK增加了3.96%和 9.23%，HN處理降低了14.73%；10～20 cm土層分別增加了27.61%和49.45%，HN處理降低了16.67%。夏季模擬氮沉降增加后，LN和MN處理0～10 cm土層蔗糖酶活性分別比CK增加了14.59%和19.37%，HN處理降低了3.40%；10～20 cm土層分別增加了13.88%和19.21%，HN處理降低了13.40%。秋季模擬氮沉降增加后，LN和MN處理0～10 cm土層蔗糖酶活性分別比CK增加了7.38%和10.66%，HN處理降低了7.36%；10～20 cm土層分別增加了20.45%和29.79%，HN處理降低了11.79%。

圖 1 不同季節氮沉降處理對土壤脲酶活性的影響Fig. 1 Effects of nitrogen deposition treatment on soil urease activity in different seasons

表 3 不同氮沉降處理下土壤蔗糖酶活性特征Table 3 Characteristics of soil sucrase activity under different nitrogen deposition treatments mg/g

圖 2 不同季節氮沉降處理對土壤蔗糖酶活性的影響Fig. 2 Effects of nitrogen deposition treatment on soil sucrase activity in different seasons

3.3 氮沉降增加對天山云杉林土壤過氧化物酶活性的影響

不同氮沉降處理下土壤過氧化物酶活性特征見表4。由表4可知，不同處理土壤過氧化物酶活性表現為CK＞LN＞ MN＞ HN（表4）。且0～10 cm土層除了LN和MN處理間，差異不顯著外，其余處理差異均顯著（P＜0.05）；10～20 cm土層除了HN與其余的差異顯著（P＜0.05）外，其余處理間差異不顯著。與CK處理的0～10 cm土層相比，LN、MH和HN處理土壤過氧化物酶活性降低了21.83%～37.21%；10～20 cm土層相比，降低了8.04%～31.98%。

表 4 不同氮沉降處理下土壤過氧化物酶活性特征Table 4 Characteristics of soil peroxidase activity under different nitrogen deposition treatments mg/g

不同季節氮沉降處理對土壤過氧化物酶活性的影響見圖3。春季模擬氮沉降增加后，4種氮處理間0～10 cm和10～20 cm土層土壤過氧化物酶活性均沒有顯著差異（圖3）。但與CK相比，LN、MN和HN處理0～10 cm土層土壤過氧化物酶活性分別降低了5.60%、16.79%和23.55%，10～20 cm土層分別降低了5.96%、19.58%和30.67%。夏季模擬氮沉降增加后，2層土壤過氧化物酶活性影響顯著（P＜0.05）。其中0～10 cm土層，CK和LN之間的差異不顯著，但均與MN和HN差異顯著（P＜0.05）；10～20 cm土層除了HN與其他處理的差異顯著（P＜0.05）外，其余處理間差異均不顯著。與CK相比，LN、MN和HN處理0～10 cm土層土壤過氧化物酶活性分別降低了7.56%、20.21%和22.90%，10～20 cm降低了12.95%、21.34%%和28.46%。秋季模擬氮沉降增加后，0～10 cm土層土壤過氧化物酶活性差異顯著（P＜0.05），但對10～20 cm影響不顯著。與CK相比，LN、MN和HN處理0～10 cm土層土壤過氧化物酶活性分別降低了23.45%、29.65%和57.37%，10～20 cm土層分別降低了4.25%、12.35%和42.61%。表明氮添加起到了抑制土壤過氧化物酶活性的作用，且隨著土層的加深，抑制作用不斷降低。

圖 3 不同季節氮沉降處理對土壤過氧化物酶活性的影響Fig. 3 Effects of nitrogen deposition treatment on soil peroxidase activity in different seasons

3.4 氮沉降增加對天山云杉林土壤多酚氧化酶活性的影響

不同氮沉降處理下土壤多酚氧化酶活性特征見表5。由表5可知，不同處理間土壤多酚氧化酶活性的變化趨勢與過氧化物酶活性的趨勢基本一致，即表現為 CK＞LN＞ MN＞ HN（表 5）。且方差分析表明氮沉降僅對其影響顯著（P＜0.05），說明氮添加對土壤多酚氧化酶活性起到了明顯的抑制作用。與CK處理的0～10 cm土層相比，LN、MH和HN處理土壤多酚氧化酶活性降低了5.03%～23.19%；10～20 cm土層相比，降低了5.86%～14.52%。

處理 0～10 cm 10～20 cm CK 34.37±10.58a 27.83±8.76a LN 32.64±10.13a 26.20±8.74a MN 28.74±8.16b 25.20±8.35a HN 26.40±8.20b 23.79±8.38a

不同季節氮沉降處理對土壤多酚氧化酶活性的影響見圖4。只有春季模擬氮沉降增加后，各處理土壤多酚氧化酶活性差異不顯著（P＜0.05）。春季模擬氮沉降增加后，LN、MN和HN處理0～10 cm土層多酚氧化酶活性分別比CK降低了7.66%、13.84%和19.17%；10～20 cm土層分別降低了6.14%、11.80%和13.92%%。夏季模擬氮沉降增加后，LN、MN和HN處理0～10 cm土層多酚氧化酶活性分別比CK降低了5.73%、12.27%和24.11%，10～20 cm土層降低了18.91%、22.24%和33.94%。秋季模擬氮沉降增加后，LN、MN和 HN處理 0～10 cm土層分別比 CK降低了10.98%、40.92%和52.33%；10～20 cm分別降低了15.97%、46.43%和58.33%。

圖 4 不同季節氮沉降處理對土壤多酚氧化酶活性的影響Fig. 4 Effects of nitrogen deposition on soil polyphenol oxidase activity in different seasons

4 結論與討論

土壤酶活性的季節變化可能是由土壤水分、溫度、土壤養分及凋落物生態化學劑量比的直接作用和間接作用共同影響的。有研究結果表明，高溫、降雨量豐富的季節土壤酶活性最高[13-14]，而也有研究表明過高或過低的土壤溫度和水分含量均會引起土壤酶活性的降低[15]。本研究結果顯示，土壤脲酶和蔗糖酶活性最高值均出現在夏季，說明土壤水分和溫度是這2種酶關鍵性的驅動因子。夏季為天山林區的雨季，林地內土壤濕潤，凋落物分解加速[16-19]，促進了微生物的繁殖和生長及酶活性的升高。李紅琴[20]研究表明脲酶峰值出現在春季，這可能是由于春季微生物開始活動，但是此時植被生長剛剛開始，因此能量物質如新鮮的有機碳輸入不足，從而導致對應的酶活性增強。本研究中，多酚氧化酶和過氧化物酶活性最高值出現在秋季，可能與秋季為天山云杉凋落物輸入的高峰期有關。秋季大量新鮮凋落物中富含的可溶性有機質和纖維素等物質[17]，可能刺激了氧化酶的活性，這對于促進凋落物高峰時產生的大量凋落物中的木質素降解和有機物質的腐殖質化具有重要作用[21]，與羅飛[22]的研究結果基本一致。且氮沉降增加后脲酶和蔗糖酶活性季節變化特征未改變，而氧化酶活性季節變化規律發生了改變。

影響土壤酶活性對氮沉降響應差異的主要原因有土壤和植物初始氮水平、氮添加量、氮添加周期、外源氮類型[23]。目前研究普遍認為，長期施氮對氮“飽和型”森林土壤酶活性有顯著的抑制作用，在氮增加的條件下，氮“缺乏型”不同森林生態系統土壤酶的反應有所不同[24-25]。宋學貴等[26]、涂利華等[8]及杜紅霞等[27]的研究均認為氮沉降能夠增加常綠闊葉林、苦竹（Pleioblastus amarus）林、連香樹（Cercidiphyllum japonicum）林等林下土壤脲酶活性，與本研究結果一致。本研究中，尤其是夏季和秋季的表層土壤脲酶活性對氮沉降有正響應。這可能與土壤脲酶的主要來源及凋落物的分解有關。因為土壤脲酶主要來自植物根系分泌物[24]，由于氮添加促進了植株的生長，進而導致根系分泌物的增加。而且夏季凋落物分解較快，根系分泌物也相應增加，導致土壤脲酶活性增加。另一方面，在氮缺乏的森林生態系統中，微生物與植物對氮的競爭激烈，微生物得不到充分的氮用于自身繁殖，當施氮量增加后，二者間的競爭逐漸減弱，微生物可利用的氮素增加，尤其是施高氮后，緩解了土壤微生物的氮素限制[25]。也有大量研究證明，土壤脲酶活性與土壤氮素水平為正相關。但也有研究表明，增氮抑制土壤脲酶活性，如周曉兵等[28]的研究發現，與對照相比，3.0、6.0 g/（m2·a）和24.0 g/（m2·a）處理使0～5 cm土層土壤脲酶活性降低了23.6%、37.1%和67.2%。這可能與施氮后，土壤無需礦化更多的有機物來滿足植物和微生物生長的營養需求有關，也可能是施氮后導致土壤酸化，土壤脲酶活性降低。

多酚氧化酶和過氧化物酶是主要的木質素分解酶，施氮能夠降低其活性[29]。如Saiya等[30]通過2 a的試驗也發現，與對照相比，氮增加的處理多酚氧化酶活性降低了40%。這種增氮處理對2種氧化酶的抑制作用同樣見于其他生態系統的研究[27]。目前，大量研究表明，多酚氧化酶和過氧化物酶是由白腐真菌產生，氮沉降增加能夠抑制白腐真菌的活性，減少了這2種氧化酶的產量[31-32]。同時，已有分子層面的研究發現，這種負響應主要是由于施氮使得土壤中無機氮富集，氧化酶的基因表達受到抑制所造成的[13]。本研究結果表明，氧化酶的抑制作用在0～10 cm土層很顯著，10～20 cm土層在低氮和中氮處理時不顯著，僅在高氮處理抑制作用才顯著。也有研究結果發現，氮添加對森林土壤氧化酶活性表現出無影響。如Ma等[33]在河北塞罕壩2種不同林齡華北落葉松進行2 a的氮添加試驗，結果發現，氮添加對土壤多酚氧化酶活性沒有顯著影響。造成以上不同的結論的主要原因可能是生態系統中本底氮含量與氮輸入量不同和土壤微生物群落結構不同。

土壤蔗糖酶可能影響土壤有機物質及營養元素的循環代謝、土壤-植物復合系統的碳、氮源匯動態及土壤質量[33]。涂利華等[8]研究發現，氮沉降促進了苦竹林土壤蔗糖酶活性。劉星等[34]的研究發現，氮沉降抑制了人工林中的蔗糖酶活性，對天然林沒有影響，這可能是因為天然林的土壤本底氮含量略高于人工林的土壤本底氮含量。在本研究中，中氮和低氮處理對天山云杉林土壤蔗糖酶活性有促進作用，而高氮處理對其具有抑制作用。Eurasian Soil Science， 2016， 49(10): 1149-1160.