樟子松天然林土壤碳氮含量與水解酶活性坡位差異及月動態(tài)*

Vuong Thi Minh Dien 曾健勇 滿秀玲

(東北林業(yè)大學林學院 森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經營教育部重點實驗室 哈爾濱 150040)

土壤酶在催化森林生態(tài)系統(tǒng)有機物分解和養(yǎng)分循環(huán)方面發(fā)揮著作用，土壤酶活性是土壤生物活性的綜合表現，可直接影響土壤元素循環(huán)與植物生長(趙盼盼等，2019)。土壤酶由植物根系、微生物及動植物殘體分泌或釋放，幾乎參與了土壤中全部的生化反應(李奕霏等，2018)，通過參與土壤元素輸入與轉化，在物質循環(huán)和能量傳遞(王兵等，2010)及維持森林土壤肥力(Adamczyketal.，2015)方面發(fā)揮著重要作用。土壤脲酶是催化水解尿素類有機氮、為植物生長提供可利用氮的關鍵酶之一(王娟等，2008)，其活性可直接反映土壤有機氮礦化能力(陳小錦等，2016)，甚至還可通過調控植物根際的分泌系統(tǒng)來影響根際微生物的種類與豐度，在一定程度上有根部病害防治效果(張知曉等，2018)。土壤蛋白酶主要參與土壤中微生物及動植物殘體中各種蛋白質與肽類物質的水解,為植物生長提供有效氮源(單愛琴等，2008)。蔗糖酶與纖維素酶都是將復雜的多糖類物質水解成葡萄糖和果糖等還原糖類的重要酶類，其活性可直接表征土壤熟化程度及肥力水平(Xiaoetal.，2015)。土壤酶活性與土壤微生物活性和有效碳氮含量有較強相關(Raiesietal.，2014)。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)是歐洲赤松(P.sylvestris)在200多萬年前借助冰山的遷移作用，在中國大興安嶺形成的變種，其根系發(fā)達、材質良好，具有良好的適應能力，成為中國“三北”地區(qū)首選造林樹種之一(尹大川等，2014)。我國樟子松沙地自然分布區(qū)主要集中在呼倫貝爾市森林草原過渡地帶，而山地自然分布區(qū)則主要集中在大興安嶺北部地區(qū)(潘磊磊等，2019)。而大興安嶺地區(qū)樟子松天然林土壤養(yǎng)分含量與水解酶活性二者的坡位分布、土層分布、月變化規(guī)律尚未見報道，土壤溫濕度是否顯著影響二者坡位分布、土層分布、月變化亦未可知。本研究在大興安嶺漠河森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站設立了樟子松林樣地，在2018年5—10月份，每月在不同坡位(上、中、下)和不同土層(0～5、5～10、10～20、20～30 cm)采集1次土壤樣品，測定土壤碳氮含量與脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、淀粉酶和纖維素酶5種水解酶活性的空間分布特征與月動態(tài)規(guī)律，分析土壤溫濕度、土壤水解酶活性和土壤碳氮含量間的關系，以期為土壤碳氮轉化酶學機制研究及森林土壤可持續(xù)利用提供理論依據。

1 研究區(qū)概況

研究地點在黑龍江大興安嶺漠河森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(122°06′—122°27′E，53°17′—53°30′N)內。該地屬寒溫帶大陸性氣候，有明顯的山地氣候特點。氣候寒冷，霜凍期長，一般土壤在5月上旬解凍，10月下旬結凍。年均氣溫 -5～-4 ℃，年均降水量425～435 mm、集中在7—8月份。研究區(qū)高大喬木主要有興安落葉松(Larixgmelinii)、樟子松、白樺(Betulaplatyphylla)和山楊(Populusdavidiana)等。林下灌木以興安杜鵑(Rhododendrondauricum)、杜香(Ledumpalustre)、越桔(Vacciniumvitis-idaea)和篤斯越桔(Vacciniumuliginosum)等為主。試驗地土壤為棕色針葉林土，土層較薄，土壤pH值為4.18～5.94，土壤密度為0.34～0.64 g·cm-3。

2 研究方法

2.1 樣地設置及土壤樣品采集

研究地為具有代表性的山地樟子松天然林坡面，坡度為35°～40°,坡長 400 m 左右，林分郁閉度0.6，林齡百年以上。分別在上坡位(海拔>350 m)、中坡位(海拔175～225 m)和下坡位(海拔<50 m)各設置3塊20 m×30 m樣地。2018年5—10月，每月中旬，在每樣地內選3個取樣點，清除枯落物層后挖掘土壤剖面，采集0～5、5～10、10～20和20～30 cm土層樣品。新鮮土樣剔除樹根和石頭等雜質后，置于室內陰涼通風處風干。每樣地樣品研磨過篩并按土層混勻后，采取四分法抽取試驗樣品，重復測定3次。

2.2 土壤溫濕度與碳氮含量及酶活性測定

每樣點清除枯落物層后，采用WDY型號地溫計測定2.5、7.5、15和25 cm深處的土溫，代表各土層地溫(Araghietal.,2019)。土壤含水率采用烘干法(105 ℃，24 h)測定(Barberáetal.，2019)。土壤全氮含量參照Cui等(2012)的方法采用AA3連接流動分析儀測定。土壤有機碳含量參照Grenfell等(2019)的方法，采用Elemntal Vario TOC cube型元素分析儀測定。土壤蛋白酶活性測定參照Ladd等(1972)的方法測定。以每克土壤樣品培養(yǎng)24 h產生的氨基酸毫克數作為酶活性單位(U·g-1)進行蛋白酶活性評價。土壤脲酶活性測定參照Kandeler等(1988)采用的比色法測定，以每克土壤培養(yǎng)24 h生成的銨態(tài)氮毫克數為酶活性單位(U·g-1)進行脲酶活性評價。土壤蔗糖酶與纖維素酶活性參照Ross 等(1970)的方法，采用DNS試劑測定，蔗糖酶活性以每克土壤樣品每小時生成的還原糖毫克數(U·g-1)為單位，纖維素酶活性以每克土培養(yǎng)1 h生成的葡萄糖微克數(U·g-1)為單位。

2.3 數據處理

采用Excel 2016進行原始數據整理與計算。采用SPSS 21.0 軟件進行單因素ANOVA Duncan 檢驗(未展示在折線圖中)與Pearson系數雙側檢驗相關性分析。

3 結果與分析

3.1 土壤有機碳含量坡位差異及月動態(tài)

土壤有機碳含量隨坡位降低而增高，但差異不顯著(P>0.05)，且隨土層加深而顯著降低(P<0.05)，在0～5、5～10、10～20和20～30 cm土層依次為68.53～80.38、40.28～46.66、15.86～21.08和11.91～13.79 g·kg-1，這表明土壤有機碳主要分布在表層土壤中。土壤有機碳含量月動態(tài)分析表明，土壤有機碳含量從5月起逐漸上升，在 9月達到最高，在10月轉而下降(圖1)。

圖1 土壤有機碳含量坡位差異及月動態(tài)Fig.1 Differences among slope positions and monthly dynamics of soil organic carbon contents

3.2 土壤全氮含量坡位差異及月動態(tài)

土壤全氮含量隨土層加深而降低，在0～5、5～10、10～20和20～30 cm土層的全氮含量峰值依次為5.34～5.96、2.98～3.68、2.35～2.61和1.54～1.75 g·kg-1，即土壤全氮與有機碳一樣均主要分布在表層土壤。隨坡位升高而減少，但不同坡位土壤全氮含量差異顯著性不強。全氮含量的月動態(tài)表明，在5—6月期間土壤全氮含量顯著下降(P<0.05)，但從7月起逐漸升至9月的高峰，10月再次小幅下降(圖2)。

3.3 土壤脲酶活性坡位差異及月動態(tài)

土壤脲酶活性隨土層加深而降低，在0～5、5～10、10～20和20～30 cm土層脲酶活性依次為5.90～6.93、5.32～6.62、3.86～5.08和2.00～2.06 U·g-1，這說明表層土壤脲酶活性高于深層土壤。土壤脲酶活性隨坡位降低而增高，但整體來說坡位差異不顯著(P>0.05)。土壤脲酶活性隨月份增加呈先增后降的趨勢。除上坡位0～5 cm土層土壤脲酶活性高峰期為7月以外，其余坡位、土層高峰期均為8月(圖3)。

3.4 土壤蛋白酶活性坡位差異及月動態(tài)

土壤蛋白酶活性隨土層加深而降低，在0～5、5～10、10～20和20～30 cm土層蛋白酶活性依次為0.67～0.71、0.50～0.54、0.43～0.44和0.38～0.40 U·g-1。土壤蛋白酶活性隨坡位降低而降低，但整體來說坡位差異并不顯著(P>0.05)。隨月份增加，土壤蛋白酶活性呈先增后降的趨勢，增降幅度在0～5 cm土層比其他土層明顯，0～10 cm土層高峰值出現在7月，10～30 cm土層高峰值出現在8月(圖4)。

3.5 土壤蔗糖酶活性坡位差異及月動態(tài)

土壤蔗糖酶活性隨土層加深而降低，在0～5、5～10、10～20和20～30 cm土層蔗糖酶活性依次為0.57～0.94、0.39～0.76、0.28～0.57和0.19～0.32 U·g-1。土壤蔗糖酶活性隨坡位降低而增高，但整體來說坡位差異不顯著(P>0.05)。隨月份增加呈現先增后降的變化，在上坡和中坡，0～10 cm土層蔗糖酶活性高峰值出現在7月，10～20 cm土層出現在8月，20～30 cm土層出現在9月，在下坡，0～20 cm土層蔗糖酶活性高峰值出現在7月，20～30 cm土層出現在8月(圖5)。

3.6 土壤纖維素酶活性坡位差異及月動態(tài)

土壤纖維素酶活性隨坡位降低而降低，但整體差異不顯著(P>0.05)；隨土層加深而下降。在0～5、5～10、10～20、20～30 cm土層纖維素酶活性依次為0.59～0.72、0.37～0.41、0.34～0.38和0.34～0.38 U·g-1。纖維素酶活性隨月份增加呈先增后降，各坡位、各土層均在8月達到高峰(圖6)。

圖2 土壤全氮含量坡位差異及月動態(tài)Fig.2 Differences among slope positions and monthly dynamics of soil total nitrogen contents

圖3 土壤脲酶活性坡位差異及月動態(tài)Fig.3 Differences among slope positions and monthly dynamics of soil urease activity

3.7 土壤溫濕度、碳氮含量、水解酶活性的相關性

相關性分析結果表明，土壤溫度與含水率顯著正相關(P<0.05)；土壤含水率與土壤碳含量、氮含量、水解酶(蛋白酶、脲酶、蔗糖酶、纖維素酶)活性均極顯著正相關(P<0.01)；土壤溫度與全氮含量顯著負相關(P<0.05)，與土壤有機碳含量不顯著正相關(P>0.05)，與水解酶活性極顯著正相關(P<0.01)；土壤碳、氮含量與水解酶活性均極顯著正相關(P<0.01)(表1)。

圖4 土壤蛋白酶活性坡位差異及月動態(tài)Fig.4 Differences among slope positions and monthly dynamics of soil protease activity

圖5 土壤蔗糖酶活性坡位差異及月動態(tài)Fig.5 Differences among slope positions and monthly dynamics of soil sucrase activity

圖6 土壤纖維素酶活性坡位差異及月動態(tài)Fig.6 Differences among slope positions and monthly dynamics of soil cellulase activity

4 討論

4.1 土壤碳氮含量與水解酶活性的坡位差異

大興安嶺地區(qū)樟子松天然林土壤有機碳和全氮含量均隨坡位下降而上升，隨土層加深而下降，與前人結果一致(Ayoubietal.，2012；Zhangetal.，2013)，但本研究中的坡位差異性并不強。前人研究認為坡度差異導致的土壤侵蝕差異是土壤碳氮含量的影響因素(Shenetal.，2018；Wangetal.，2016)，但本研究的百年生樟子松天然林郁閉度為0.6，不存在顯著土壤侵蝕，因而不會是碳氮含量坡位差異的主要因素。樟子松林表層土壤碳氮含量高于深層，這與前人結果一致(Shenetal.，2018；Wangetal.，2016；Xieetal.，2017；Zhangetal.，2013)，這可能因為地上凋落物是有機碳和氮的主要輸入來源。

本研究的樟子松林土壤脲酶與蔗糖酶活性隨坡位下降而增高，但蛋白酶和纖維素酶活性則隨坡位下降而降低。以上結果可能因為地形能通過對局部氣候、土壤屬性與非土壤屬性因子的影響而影響土壤酶活性(羅攀等，2017)，只是對不同酶的影響方向和程度不同。此外，除蔗糖酶活性的坡位差異較顯著外，蛋白酶、脲酶和纖維素酶活性的坡位差異均不顯著，這與Jin等(2009)的研究結果類似。本研究的樟子松林土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶和纖維素酶活性在0～30 cm土層隨土層加深而降低，這與馬云波等(2016)、孫英杰等(2018)和Li等(2018)的研究結果一致。土壤表層酶活性高，可能與表層土壤植物根系密度大、透氣性好、水熱狀況適宜、動植物殘體豐富有關，為土壤微生物創(chuàng)造了良好環(huán)境，促進了相關酶的分泌(李媛媛等，2010)。

4.2 土壤碳氮含量與水解酶活性的月動態(tài)

大興安嶺樟子松林土壤碳氮含量和水解酶活性均呈顯著月變化，有機碳和全氮含量在9月達到峰值，脲酶、蛋白酶、蔗糖酶和纖維素酶活性的高峰期集中在7—9月。季節(jié)變化的原因是溫度、降水等明顯影響土壤酶活性(Baldrianetal.，2011)，研究地點土壤一般在5月開始解凍，7—8月氣溫最高和降水最多，植物生長旺盛，9月開始降溫，10月開始結凍。與大興安嶺樟子松林類似，華北地區(qū)油松(Pinustabulaeformis)人工林的土壤水解酶活性在夏季顯著高于春秋季(Wangetal.，2016)，但黃土高原馬銜山的土壤酶活性高峰期未在夏季，而是在春、秋二季(李紅琴等，2017)。本研究表明土壤脲酶和蛋白酶活性均與全氮含量極顯著正相關，這與Yang等(2012)、王曉鋒等(2015)的研究結果一致，驗證了脲酶與蛋白酶在土壤氮素轉化中的重要作用。本研究樣地的土壤有機碳含量與蔗糖酶、纖維素酶活性極顯著正相關，驗證了土壤蔗糖酶與纖維素酶在土壤碳循環(huán)中的重要作用(Shenetal.，2018；吳傳敬等，2019)(表1)。總而言之，大興安嶺樟子松林土壤的水解酶在土壤碳氮循環(huán)中有重要作用，水解酶活性高峰期在7—9月，而土壤碳氮含量高峰期滯后出現在9月。

表1 土壤碳氮含量、水解酶活性、溫濕度Pearson相關性①Tab.1 Pearson correlation of hydrolase activities,carbon/nitrogen content,temperature,and moisture

①**：α=0.01；α =0.05.

4.3 土壤溫濕度與土壤碳氮含量、水解酶活性的關系

前人研究表明，土壤酶活性受土壤溫度、濕度及酸堿度等環(huán)境因子顯著影響(Bobul’skáetal.，2015；Venkatesanetal.，2006)，同時還可受到微生物種類與豐度的影響(聶文翰等，2017)。本研究相關性分析結果表明，土壤含水率與土壤碳氮含量、水解酶(蛋白酶、脲酶、蔗糖酶、纖維素酶)活性均極顯著正相關(P<0.01)；土壤溫度與全氮含量負相關(P<0.05)，與土壤有機碳含量及水解酶活性極顯著正相關(P<0.01)。適宜的溫濕度利于微生物繁殖與水解酶分泌(解雪峰等，2018)，從而提高枯枝落葉分解速率和對土壤的碳氮輸入；但適宜的溫濕度也會促進植物的光合作用(錢楊等，2018)和生長(王艷梅等，2016)及對氮素的吸收(丁咸慶等，2015)和碳氮的淋溶或氣態(tài)逸失。生長季內的植物氮吸收大于氮輸入可能是土壤全氮含量與土壤溫度負相關的原因。

5 結論

對大興安嶺地區(qū)的樟子松天然林的研究表明：土壤有機碳和全氮含量隨土層加深而顯著降低；隨坡位降低而不顯著增高(P>0.05)；土壤有機碳和全氮含量在生長季內隨月份增加而變化，土壤有機碳和全氮含量的高峰期在9月；土壤溫度與土壤有機碳含量正相關(P>0.05)，與全氮含量顯著負相關(P<0.05)；隨土層加深，土壤水解酶活性降低；隨坡位降低，脲酶、蔗糖酶的活性增高，但蛋白酶、纖維素酶活性降低；土壤酶活性高峰期集中在7—8月；土壤水解酶(脲酶、蔗糖酶、纖維素酶、蛋白酶)活性與土壤碳氮含量、土壤含水率極顯著正相關(P<0.01)。