不同林齡杉木人工林土壤氮轉化酶活性特征

彭紫薇，焦鵬宇，高李文，郭 文，劉 先，胡亞林，王玉哲

(福建農林大學林學院，福建 福州 350002)

氮是植物生長發育所必需的營養元素，也是全球陸地生態系統生產力的限制元素[1]。特別是在我國亞熱帶地區，雖然氮沉降現象嚴重，氮仍然是速生期人工林的主要限制因子[2-3]。土壤酶主要是由微生物以及植物根系分泌得來的一種生物催化劑，具有催化復雜合成的有機體形成簡單有機分子的作用[4-5]，能反映土壤微生物活性以及對養分的吸收轉化能力[6]。參與土壤氮轉化過程的酶包括β-葡萄糖苷酶（BG）、乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶（NAG）、蛋白水解酶（PRO）、脲酶（URE）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）、硝酸還原酶（NR）等，其中，硝酸還原酶是植物體內氮同化代謝的關鍵酶[7]，能催化硝酸離子，對還原硝酸鹽起調節作用[8]。

影響土壤酶活性的因素包括土壤微環境條件（溫度、含水率等）、養分狀況以及地形地貌條件等[9-10]，一方面通過改變林內環境條件影響土壤微環境，另一方面影響凋落物的形成與分解改變土壤微生物數量和群落組成來影響土壤氮轉化酶活性[11]。由于不同發育階段植物的凋落物質量和數量不同[12]，植物土壤酶活性受林齡影響[13]，如趙海燕[14]研究秦嶺地區華北落葉松人工林地酶活性變化中發現，土壤磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性均隨林齡呈“高—低—高”的趨勢；段春燕等[15]在桂北不同林齡桉樹人工林的研究發現，隨林齡的增加，土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶活性均呈增加趨勢。此外，林齡還可能通過根際效應來影響土壤氮轉化酶活性，根際是受土壤根系影響且范圍狹小的土區[16]，是植物與土壤物質交換能量流動的界面[17]，植物根系通過其分泌物及凋落物和死亡根細胞分裂為土壤提供能量，使根際與非根際土環境條件（如土壤pH 值、微生物量、土壤酶活性、水分含量等）造成差異[18-19]。

杉木（Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.）作為我國重要的用材樹種，其人工林面積居我國首位[20]。然而，長期的集約化經營導致杉木林地養分循環障礙，并引起土壤微生物群落結構和多樣性的改變[21]。氮素是我國亞熱帶杉木生長的限制因子[22]，而土壤中氮素有效性由氮轉化相關的酶調控，為了解不同發育階段杉木林土壤的供氮能力，有必要了解土壤氮轉化酶活性隨林齡的變化規律。為此，本文以我國中亞熱帶不同林齡杉木人工林為研究對象，測定根際與非根際土壤中與氮循環相關的酶活性及土壤基本理化性質，探討土壤氮轉化酶活性及根際效應隨杉木生長發育階段的變化特征，旨為杉木人工林的施肥管理和可持續經營提供科學依據。

1 試驗地概況

試驗地位于福建省南平市延平區，福建農林大學西芹教學林場（26°33′ N，118°06'′ E），屬典型亞熱帶季風氣候，年均降水量 1 817 mm，年平均氣溫 19.4 ℃，海拔多為200～500 m。土壤類型為黃紅壤。

采用空間代替時間方法，選擇不同發育階段的杉木人工林（7 年生幼齡林、15 年生中齡林、24 年生近熟林和34 年生成熟林），在每種林齡杉木林中，設置4 個20 m × 20 m 的樣方，每個林齡共4 個重復。各林齡杉木林基本情況見表1。

表1 試驗地基本情況Table 1 Basic characteristics of experimental plot

2 研究方法

2.1 土壤采集與處理

2019 年7 月，在每個樣方內選擇生長狀況相似（胸徑和樹高接近林分平均值）的3 棵杉木，采集0～20 cm 非根際與根際土壤樣品，根際土壤樣品采集采用抖落法[23]。每個樣方內的3 棵杉木土壤樣品作為該樣方重復，16 個樣方共采集96 個樣品（根際與非根際土各48 個）。去除土壤中的石塊和根等雜物后，過2 mm 篩。過篩后的土分成2 份：一份風干，用于測定土壤pH、全碳和全氮；另一份在4 ℃冰箱冷藏保存，用于土壤含水量、銨態氮、硝態氮、可溶性有機碳含量和酶活性測定。

2.2 土壤樣品分析

土壤含水量采用105 ℃烘干法；土壤pH 采用pH 計測定（土水比1:2.5 混合攪拌）；土壤用2 mol·L-1KCl 液浸提后，浸提液硝態氮和銨態氮含量用全自動間斷化學分析儀（SmartChem200，AMS，意大利）測定[24]，可溶性有機碳含量采用總有機碳分析儀（TOC-LCPH，Shimadzu，日本）測定；測定土壤全碳和全氮用元素分析儀（Vario MICRO cube，Elementar，德國）。β-葡萄糖苷酶（BG）、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、脲酶（URE）、酸性蛋白酶（PRO）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）、硝酸還原酶（NR）酶活性采用比色法，用可見分光光度法測定，測定吸光值升高速率計算各土壤酶活性[25]。土壤酶活性單位用μmol·d-1·g-1土樣表示。

2.3 數據處理

根際效應（RE）是根際與非根際土壤對應特征值的比值[17]，計算公式為：

RE＝根際土壤含量/非根際土壤含量

若RE＞1 為根際正效應，RE＜1 則為根際負效應。

利用SPSS 22.0 軟件對數據統計分析，雙因素方差分析檢驗林齡、根際及其交互作用對土壤理化性質和酶活性的影響，不同林齡杉木根際（非根際）之間的差異用單因素方差分析，采用最小顯著差異法（LSD）和成對t檢驗進行檢驗。土壤酶活性和理化性質之間的關系用Pearson 相關分析，運用多元統計分析軟件Canoco 5.0 對不同林齡土壤酶活性與理化性質之間的關系進行冗余分析（RDA）。

3 結果與分析

3.1 土壤基本理化性質

不同林齡杉木林根際和非根際土壤基本理化性質見表2。不同林齡土壤性質均存在顯著差異（全碳和全氮除外）（p＜0.05），根際土壤pH 值顯著低于非根際土壤（p＜0.05）。7 a 杉木林土壤pH值顯著高于24、34 a 杉木林（p＜0.05），15、24 a杉木林土壤含水量顯著高于7、34 a 杉木林（p＜0.05），7、24 a 杉木林碳氮比顯著高于15 a 杉木林（p＜0.05）。7、24、34 a杉木林土壤銨態氮含量顯著高于15 a 杉木林（p＜0.05），15 a 杉木林土壤硝態氮含量顯著高于7、34 a 杉木林（p＜0.05）。根際與非根際土壤含水量、全碳、全氮、碳氮比、可溶性有機碳、銨態氮和硝態氮含量均差異不顯著（p＞ 0.05）。

表2 不同林齡杉木林土壤基本理化性質Table 2 Soil basic physico-chemical properties in Chinese fir plantations at different stand ages

3.2 土壤氮轉化酶活性及根際效應

圖1 表明：根際和林齡對6 種土壤氮轉化酶活性存在顯著影響（p＜0.05），其交互作用僅對土壤NR 活性存在極顯著影響（p＜0.01）。BG 活性在7 a 杉木林土壤中最高，極顯著高于15、24、34 a 杉木林（p＜0.001）；7、24 a 杉木林土壤NAG活性極顯著高于15、34 a 杉木林（p＜0.001）；土壤PRO、URE 和LAP 活性均在15 a 杉木林最低，且顯著低于7、24、34 a 杉木林（p＜0.01）。不同林齡杉木林根際土壤BG、NAG、PRO、URE和LAP 活性均顯著高于非根際土壤（p＜0.05）。根際土與非根際土的NR 活性也因林齡而異，15、24 a 杉木林根際土壤的NR 活性極顯著高于非根際土壤（p＜0.001）。圖2 表明：不同林齡杉木林土壤NR 活性的根際效應存在顯著差異，在15 a杉木林中最高，顯著高于7、34 a 杉木林（p＜0.05）；BG、NAG、PRO、URE 和LAP 活性的根際效應在林齡間差異不顯著（p＞0.05）。

圖1 不同林齡杉木人工林土壤氮轉化酶活性Fig.1 Soil nitrogen-cycling enzyme activities of Chinese fir plantations at different stand ages

圖2 不同林齡杉木人工林土壤碳氮轉化酶活性的根際效應Fig.2 Rhizosphere effect on soil nitrogen-cycling enzyme activities of Chinese fir plantations at different stand ages

3.3 土壤理化性質對土壤氮轉化酶活性的影響

表3 表明：根際土壤BG 活性與pH 值呈顯著正相關；PRO 和NR 活性與非根際土壤含水量呈極顯著負相關；根際土壤URE、LAP 活性與C/N顯著正相關，非根際土壤BG、PRO、LAP 活性均與C/N 呈顯著正相關。根際土壤BG、URE、LAP活性及非根際土壤PRO、LAP 活性均與銨態氮含量呈顯著正相關，非根際土壤NR 活性與銨態氮含量呈極顯著正相關；根際土壤BG 活性及非根際土壤NR 活性均與硝態氮含量呈極顯著負相關，非根際土壤BG、PRO 活性均與硝態氮含量呈顯著負相關。

表3 土壤酶活性與土壤理化性質的相關分析Table 3 Pearson correlation coefficients for relationships between soil enzymes and soil physico-chemical properties

土壤酶活性與土壤理化因子之間冗余分析（RDA）結果（圖3）表明：根際土第1 軸和第2 軸分別解釋了酶活性總變異的44.6%和 9.4%；非根際土第1 軸和第2 軸分別解釋了酶活性總變異的31.9%和 13.8%。本研究所選8 個土壤理化因子對根際土壤酶活性有顯著影響，其中，影響較大的有碳氮比和銨態氮含量；選取的土壤理化因子對非根際土壤酶活性均存在顯著影響，銨態氮含量與碳氮比對酶活性影響較大。

圖3 土壤酶活性與土壤理化因子之間的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis (RDA) of soil enzyme activities and soil physico-chemical properties

4 討論

4.1 杉木人工林土壤氮轉化酶活性對生長發育的響應

隨著樹木的不斷生長，林分結構和林內氣候環境發生改變，生態系統的物質循環受到影響，從而影響土壤微生物群落和土壤酶活性[25]。本研究中，杉木林土壤氮轉化酶活性隨林齡增加先下降后上升，隨著杉木林的不斷增長，土壤中的有機質不斷累積，森林凋落物增多，給微生物提供良好的生存條件[26]，提高了酶活性。本試驗中研究的6 種土壤氮轉化酶的活性在15 年生林分中最低，與耿玉清等[27]的研究結果一致。在造林初期，大量的撫育措施使土壤健康水平大大提高，促進了養分的吸收，隨著林齡的增長，植物不斷地吸收土壤養分，土壤養分下降，微生物種類及數量降低，土壤基本理化性質不斷變差[28]，因此，15 年生杉木林的土壤酶活性比7 年生杉木林有所下降。隨著林分不斷成熟，林分內環境條件改善，林下植被生物量和多樣性增加，凋落物不斷增多，土壤微生物數量增多和土壤有機質不斷累積，土壤酶活性逐漸上升。

4.2 杉木人工林土壤碳氮轉化酶活性的根際效應

根系是林木吸收水分和養分的主要器官，同時也是進行物質交換和能量運輸的重要場所[29]。根系附近的微生物含量高于周圍土壤，根際可分泌大量的胞外酶類物質，引起土壤根際酶活性與非根際存在差異[30]。本研究中，土壤氮轉化酶的根際效應均為正效應（圖2），表明不同林齡的杉木均可以通過根系分泌物為根際微生物提供能量和養分，改善根際環境[18]。林齡和根際對所測6 種土壤氮轉化酶活性均存在顯著影響，其交互作用僅對NR 活性影響顯著，說明根際與非根際土壤NR 活性差異與林齡有關，15、24 年生根際土的NR 活性顯著高于非根際土，其原因是15、24 年生是杉木生長旺盛的階段，對N 需求量相對較高[31]，根際土周圍的酶活性提高，而非根際土酶的活性受根系影響較小，受土壤微生物影響較大，這導致了根際與非根際土酶活性的差異，本研究中NR 的根際效應在不同林齡段有顯著差異的結果也體現了這一點。隨林齡的增長，根際也會影響酶活性，不同林齡根際土的NR 活性差異不顯著，而非根際土7、34 年生的NR 活性顯著高于15、24 年生（圖1），主要是因為非根際土酶活性主要受土壤微生物、凋落物等影響。前人[3]研究發現，杉木人工林速生期氮素可利用性低于幼林期和老林期，由于15、24 年生林分受到氮素的限制，NR 活性也受影響，與7、34 年生林分相比有較大差異。

本研究中，除土壤硝酸還原酶外，不同林齡杉木的土壤酶活性的根際效應均沒有顯著差異，15 年生杉木林土壤硝酸還原酶的根際效應顯著高于7 年生和34 年生，與范媛媛等[29]在研究油松的結果不完全一致。杉木的整個生長過程中，中齡林階段耗氮量明顯高于其他階段[32]，這一階段是從腐殖質分解獲得有機質為主轉變到通過根產物獲得有機質為主的過程[29]。地下根系需要吸收更多的氮以供植物生長，促使硝酸還原酶的活性增強，而非根際部分受到養分需求的反饋較低，還因為林內郁閉度大，林地內溫度、濕度條件減弱等原因使得非根際土酶活性降低。

4.3 杉木人工林土壤氮轉化酶活性的影響因素

土壤酶作為生態系統中物質循環的關鍵因子[33]，影響著土壤的生物化學循環過程，環境與土壤理化性質的改變也會影響土壤酶活性[34]。冗余分析結果表明，碳氮比與銨態氮含量均對根際與非根際土壤酶活性影響較大。碳氮比在根際土壤與URE 和LAP 活性呈顯著正相關，銨態氮含量則是與BG、URE 和LAP 呈顯著正相關，與前人[35]研究結果不太一致。有研究表明，氮轉化酶的活性隨著可利用碳的增加而提高[36]，中亞熱帶地區雖然是氮相對富集的地區[37]，但土壤中可供植物直接利用的氮很少，這就需要微生物分解土壤的有機物，為植物提供充足的氮促進其生長，更多的碳也被固定到了土壤中。無論是根際土還是非根際土的氮轉化酶活性與全氮含量不顯著相關，這與前人[38]研究沙地樟子松人工林土壤脲酶活性與土壤全氮含量呈正相關的結論不一致，這可能是由于供試土壤質地不同導致的，沙地土壤的氮含量較低，而本研究的土壤類型為花崗片麻巖上發育而成的黃紅壤，與沙地土壤相比土壤中氮含量相對較高。

5 結論

中亞熱帶杉木不同發育階段人工林土壤氮轉化酶活性隨林齡呈現先下降后上升的趨勢，在15 年生林分中酶活性最低，表明在受氮沉降影響嚴重的中亞熱帶地區，氮仍可能是杉木速生期的主要限制因素之一。土壤氮轉化酶活性的根際效應顯著，其中，15 年生杉木林土壤硝酸還原酶的根際效應顯著高于7 年生和34 年生，表明中齡林階段杉木人工林對N 需求量仍較大，且非根際土受N 限制更嚴重。在今后的營林施肥措施上，應把重點放在中齡林階段，以滿足杉木對于氮的需求，達到可持續經營管理的目的。