太岳山油松林土壤活性碳和微生物特性隨外源有機(jī)物的變化規(guī)律

張 巖, 張令珍, 徐美麗, 于一

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083)

太岳山油松林土壤活性碳和微生物特性隨外源有機(jī)物的變化規(guī)律

張 巖, 張令珍, 徐美麗, 于一

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083)

為探討不同外源碳添加對(duì)森林土壤微生物—土壤酶—活性碳庫系統(tǒng)的影響規(guī)律，在山西太岳山油松林展開了外源碳添加的野外控制試驗(yàn).試驗(yàn)設(shè)計(jì)為5種處理，按照250 g·m-2的當(dāng)量，分別向油松林表層土壤中添加了生物炭、玉米秸稈、遼東櫟葉、油松葉和木屑等有機(jī)物，以未添加的樣方作為對(duì)照.研究表明：外源碳的輸入，顯著提高了碳庫各組分的含量和微生物呼吸值(P<0.05).酶活性表現(xiàn)出明顯差異，纖維素酶(BG、CBH)、幾丁質(zhì)酶(NAG)、氧化酶(PO、PER)活性分別在秸稈、木屑、油松處理下活性最高.代謝熵大小表現(xiàn)為：油松針葉>遼東櫟闊葉>空白>木屑>生物炭>秸稈；微生物熵變化趨勢與代謝熵值變化趨勢相反.碳庫活度、微生物代謝特性和酶活性之間的相關(guān)性表現(xiàn)為：纖維素酶和代謝熵成負(fù)相關(guān)關(guān)系，與微生物熵則成正相關(guān)關(guān)系.氧化酶則與此相反.結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果得出：秸稈和生物炭相較于其他三種處理，具備更強(qiáng)的固碳能力，同時(shí)秸稈顯著地提高了森林土壤碳的周轉(zhuǎn)速率.

森林土壤微生物; 土壤酶; 活性碳

土壤碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大碳儲(chǔ)庫[1]，直接影響著大氣中CO2的濃度變化[2].土壤中雖然含有豐富的碳儲(chǔ)量，但決定其源或匯的關(guān)鍵有機(jī)碳卻只占其中較少的一部分.相較于土壤中大部分不易被分解和利用的穩(wěn)態(tài)碳，這部分有機(jī)碳則是微生物生長和繁殖的主要能量來源[3-5].同時(shí)微生物分泌的酶參與土壤中一切的生化過程.因此，土壤微生物—土壤酶—土壤活性碳庫之間復(fù)雜的關(guān)系直接影響著整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng).

外源碳添加會(huì)對(duì)土壤微生物—土壤酶—活性碳庫產(chǎn)生一系列的影響，同時(shí)添加外源碳的形式多樣，如葡萄糖、纖維素等簡單有機(jī)物、森林凋落物、秸稈、生物炭以及不同類型的有機(jī)物.外源碳輸入土壤后有兩種轉(zhuǎn)化方式：一是被土壤生物分解礦化，最終轉(zhuǎn)化為CO2和H2O等簡單的無機(jī)物，這是土壤有機(jī)碳散失的主要途徑.二是部分有機(jī)物在微生物作用下碳鏈解體和重組，形成更為復(fù)雜和頑固的新化合物，這是土壤有機(jī)碳的累積過程[6].上述兩種轉(zhuǎn)化過程，均伴隨著微生物、土壤酶的全程參與.大量研究發(fā)現(xiàn)通常外源碳施入后短期內(nèi)會(huì)引起土壤的激發(fā)效應(yīng)，改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和土壤酶活性[7]，進(jìn)而引起有機(jī)質(zhì)各組分變化，增加土壤向空氣中釋放的碳量[8].研究表明[9]，生物炭施用會(huì)促進(jìn)N、P等礦質(zhì)元素利用相關(guān)的土壤酶活性，而降低土壤碳礦化等生態(tài)學(xué)過程的土壤酶活性.不同質(zhì)量凋落物的輸入能引起土壤酶活性的變化，酶活性的改變反過來又影響凋落物的分解[10].不同秸稈量的輸入試驗(yàn)表明：秸稈的輸入提高了土壤纖維素酶的活性，而降低了氧化酶的活性[11].不同的外源碳添加對(duì)土壤有機(jī)碳各組分的含量和品質(zhì)構(gòu)成長期而復(fù)雜的影響[13].在室內(nèi)模擬試驗(yàn)條件下，碳源的添加導(dǎo)致土壤原有有機(jī)碳的礦化速率增加以及總有機(jī)碳含量的下降[14-15].但在野外試驗(yàn)條件下，添加生物炭、玉米秸稈、凋落物等會(huì)增加土壤有機(jī)碳含量，尤其以土壤表層有機(jī)碳含量的增加最明顯[16-17].Jien et al[18]發(fā)現(xiàn)生物炭添加可以明顯減少土壤有機(jī)碳的損失.而Wardle et al[19]研究表明，添加生物炭會(huì)促進(jìn)微生物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的利用效率，進(jìn)而加快土壤有機(jī)碳的損失.作物秸稈的添加則會(huì)提高土壤有機(jī)質(zhì)的輸入量，增加土壤有機(jī)碳含量[20].Qiao et al[21]對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳源輸入模擬試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，增加碳源輸入處理顯著增加了土壤活性碳庫的含量，額外的凋落物輸入可刺激土壤現(xiàn)存的有機(jī)質(zhì)的分解[22].由于針葉和闊葉的木質(zhì)素含量不同，闊葉為18%～22%、針葉為25%～35%[23]，其對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)的影響程度也有所不同.而不同性狀和質(zhì)量有機(jī)物的添加對(duì)森林土壤活性有機(jī)碳組分的動(dòng)態(tài)調(diào)控，以及土壤酶在這一過程中的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，依然是森林土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)過程中亟需解決的問題.所以本文采取生物炭、秸稈、遼東櫟葉、油松葉、木屑五種添加物，分別對(duì)土壤活性碳庫、土壤酶活性和土壤微生物學(xué)性狀進(jìn)行探究.并對(duì)其微生物作用機(jī)制進(jìn)行了初步的剖析，為探究人為調(diào)控土壤碳源的可利用性，科學(xué)地增加陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力提供一定的參考.

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

該研究是在國家林業(yè)局森林生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中的山西省太岳山生態(tài)站開展的.該生態(tài)站坐落在山西省沁源縣靈空山林場，海拔在1 500～1 800 m，地理范圍在36°31′N—36°66′N和12°01′E—112°15′E，屬于暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫在8.6 ℃，年平均降水量600～700 mm，其中60%的降水集中在7-9月.土壤類型主要為褐土和棕壤土[24].植被類型以油松林(Pinustabulaeformis)和遼東櫟林(Quercusliao-tungensis)為主，其他常見樹種主要有華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、白樺(Betulaplatyphylla)和山楊(Populusdavidiana)等.立地特征：油松的平均胸徑為22.04 cm；其他為9.04 cm.油松密度為920 株·hm-2；其他密度為83 株·hm-2.pH=5.67；N：1.31 g·kg-1；TOC：2.26 g·kg-1.

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 2014年4月下旬，在太岳山生態(tài)站西向約8 km處，選擇一片地勢平坦、長勢良好的油松林，面積約2 400 m2，林齡約70 a.在距林緣至少10 m處，按東西走向布設(shè)30個(gè)2 m×2 m的小樣方，樣方間隔大于4 m.然后，按300 g·m-2的標(biāo)準(zhǔn)，向0～20 cm土壤中分別添加生物炭(Biochar: B)、秸稈(corn straw: C)、遼東櫟葉(leaf debris: LD)、油松葉(Pinustabulaeformis carr. leaf: P)、木屑(sawdust: S).有機(jī)物添加量：C、LD、P、S需要添加500 g·m-2，每個(gè)樣方添加總量為2 000 g；B需要添加320 g·m-2，每個(gè)樣方添加有機(jī)物V的總量為1 280 g.

表1 添加物基本性狀1)Table 1 Basic properties of selected exogenous organic matter

1)B:添加生物炭處理;C:添加玉米秸稈處理;S:添加木屑處理;L:添加遼東櫟葉處理;P:添加油松葉處理.

添加方法：將5種有機(jī)物分別打碎，過2 mm篩備用，將樣方內(nèi)0～20 cm的土鏟出，分別與有機(jī)物混合均勻，再填回原樣方并還原樣地表面.另設(shè)樣方保持原狀作為對(duì)照(CK)，每種處理重復(fù)5次，一共布設(shè)30個(gè)2 m×2 m的小樣方.外源碳添加物基本性狀如表1所示.

1.2.2 土壤樣品采集 在添加有機(jī)物前，用直徑4 cm的土鉆在每個(gè)小樣方內(nèi)鉆取0～10 cm的土壤，裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行樣地本底值的測定.于2016年5月初，分別對(duì)每塊2 m×2 m的樣方中隨機(jī)選取1個(gè)采樣點(diǎn)，去除表面凋落物，使用內(nèi)徑4 cm的土鉆采集0～10 cm的表層土樣并混合.使用保溫箱當(dāng)天帶回實(shí)驗(yàn)室，去除可見根系，過2 mm篩后分成2份，一部分土樣自然風(fēng)干，另一部分置于零下20 ℃冰箱內(nèi)保存待測.

1.2.3 測定方法 (1)土壤活性碳的測定:土壤有機(jī)碳(SOC)的測定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法[25].可溶性有機(jī)碳(DOC)采用熱水浸提進(jìn)行提取[26].其步驟如下:土∶水=1∶5(土3 g，去離子水15 mL)裝入50 mL離心管中，在100 ℃水浴鍋中加熱1 h，靜止4 h后，配平在3 500 r·min-1離心15 min，離心后的土壤上清液過0.45 μm濾膜得出濾液.濾液加5 mL 0.8 mol·L-1K2Cr2O7和5 mL濃H2SO4，在185 ℃下消煮5 min，0.2 mol·L-1Fe2SO4滴定.

易氧化態(tài)有機(jī)碳:采用333 mol·L-1KMnO4氧化法測定[27].稀釋液利用751或紫外分光光度計(jì)(TU-1810)在565 nm波長處比色測定,按消耗1 mmol KMnO4溶液相當(dāng)于氧化9 mg碳計(jì)算易氧化態(tài)有機(jī)碳含量.

微生物生物量碳(MBC)的測定采用氯仿熏蒸—K2SO4提取方法[28].浸出液用TOC(Jena Multi N/C 2100)測定.微生物生物量碳的換算系數(shù)為0.38.

(2)土壤酶活性的測定:本研究通過測定五種胞外酶活性評(píng)價(jià)微生物在土壤C轉(zhuǎn)化中的功能，分別是水解酶，包括纖維素水解酶(β-1,4葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶)、幾丁質(zhì)酶(N-乙酰-葡萄糖苷酶)；氧化酶包括參與木質(zhì)素降解的酚氧化酶和過氧化物酶.用p-硝基苯酚(p-nitrophneol)作為底物[29].在37 ℃恒溫培養(yǎng)1 h(其中纖維二糖水解酶為2 h)分別用于測定β-1,4-葡萄糖苷酶活性,纖維二糖水解酶和N-乙酰-葡萄糖苷酶活性，在410 nm的紫外分光光度計(jì)下進(jìn)行比色測定.酚氧化酶活性和過氧化物酶活性采用L-DOPA(1-3,4-dihydroxyphenylalanine,左旋多巴胺)作為反應(yīng)基質(zhì)測定[29].在460 nm下比色測定.所有總的酶活性單位為μg·h-1·g-1soil..

(3)土壤微生物活性測定:土壤微生物呼吸(MR)的測定采用靜態(tài)堿液吸收法.稱取相當(dāng)于干土15 g的新鮮土樣，調(diào)節(jié)到土壤最大持水量的40%，將土樣放入呼吸瓶中.將右邊旋口打開通入空氣，注入10 mL 0.1 mol·L-1NaOH溶液，然后關(guān)閉旋口，塞上橡皮塞，于25 ℃黑暗條件下連續(xù)培養(yǎng)6天，此后每2天測1次.土壤微生物呼吸釋放的CO2由10 mL 0.1 mol·L-1NaOH 吸收，吸收后的堿液再用0.1 mol·L-1HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定[30].土壤微生物代謝熵(qCO2)為土壤呼吸與土壤微生物量碳的比值[31]，其計(jì)算公式為：qCO2=MR/MBC.

(4)土壤碳庫管理指數(shù)(Lefory et al., 1993)計(jì)算公式[32-33]：土壤活性有機(jī)碳含量/(mg·kg-1)=水溶性有機(jī)碳含量+微生物量碳含量+易氧化碳含量;穩(wěn)態(tài)碳UA/(g·kg-1)=土壤有機(jī)碳含量—土壤活性有機(jī)碳含量;碳庫活度A/%=土壤活性有機(jī)碳含量/土壤穩(wěn)態(tài)碳含量.

1.3 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)處理及圖表制作采用Microsoft Excel 2007，方差分析、多重比較及回歸分析均釆用SPSS 16.0，顯著性檢驗(yàn)采用LSD(P<0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1 不同外源碳添加對(duì)活性碳庫的影響

表2說明：外源碳的輸入，顯著提高了碳庫各組分的含量.其中B和C的處理普遍高于其他處理.各處理下SOC含量和穩(wěn)態(tài)碳情況一致，均表現(xiàn)為各處理下SOC和穩(wěn)態(tài)碳顯著高于對(duì)照(P<0.05)，其中SOC分別高出對(duì)照組，B 56.7%、C 40.7%、LD 39.6%、P 42.8%、S 42.9%；穩(wěn)態(tài)碳高于對(duì)照B 57%、C 38.4%、LD 43.1%、P 47.2%、S 49%.但5種處理間SOC含量和穩(wěn)態(tài)碳并無顯著性差異.不同處理下DOC含量為B>C>LD>P>S>CK，5種外源碳添加處理均顯著高于對(duì)照(P<0.05),其中B和C處理下的DOC顯著高于對(duì)照和P、S處理.不同處理下MBC和ROC的情況基本一致，均表現(xiàn)為B和C處理顯著高于對(duì)照和其他處理,其中LD、P和S處理下的MBC含量也顯著高于對(duì)照.碳庫強(qiáng)度順序?yàn)镃>CK>B>LD>P>S，其中C處理顯著高于除B處理和對(duì)照外的其他處理.

表2 不同外源碳處理間土壤活性碳庫變化Table 2 Changes in labile carbon pools in treatments with different exogenous organic carbon

2.2 不同外源碳添加對(duì)土壤生物化學(xué)性狀的影響

2.2.1 不同外源碳添加對(duì)土壤酶活性的影響 各外源碳添加處理對(duì)不同的土壤酶活性影響不同(圖1).整體上纖維素酶BG、CBH不同處理下活性的大小順序一致，均表現(xiàn)為C>B>LD>S>P>CK，其中B和C處理下的BG活性和CBH活性均顯著高于對(duì)照和其他處理(P<0.05).不同處理下幾丁質(zhì)酶NAG活性則表現(xiàn)為S>C>LD>P>CK>B，S和C處理下的NAG活性顯著高于對(duì)照和其他處理，其中S處理下的NAG活性最高(P<0.05).C處理則顯著高于B、P、CK處理(P<0.05).氧化酶活性PO、PER活性大小順序均表現(xiàn)為P>LD>S>CK>B>C，其中P處理下的PO、PER活性最高.其中P處理下的PO活性顯著高于B、C處理和對(duì)照；而P處理下的PER的活性只顯著高于B、C處理(P<0.05).

B:添加生物炭處理；C：添加玉米秸稈處理；S:添加木屑處理；L:添加遼東櫟葉處理；P:添加油松葉處理.圖1 不同外源碳處理下土壤酶活性變化Fig.1 Variations in soil enzyme activity in treatments with different exogenous organic carbon

2.2.2 不同外源碳添加對(duì)土壤微生物性狀的影響 各外源碳的輸入整體上提高了微生物的呼吸值(MB)，各處理下的代謝熵和微生物熵也在一定程度上高于對(duì)照.表3結(jié)果表明：5種處理下微生物呼吸值(MB)均顯著高于對(duì)照(P<0.05)，但B和C處理下的微生物呼吸值又顯著低于其他3種處理(P<0.05)；LD、P、S處理下的代謝熵(qCO2)顯著高于B、C處理和對(duì)照組(P<0.05)，其中qCO2的順序?yàn)镻>LD>CK>S>B>C.而微生物熵(Cbio/Corg)的變化趨勢與qCO2值變化趨勢相反，即為C>CK>B>LD>S>P，其中B和C處理下的微生物熵是最高的，顯著高于P、S處理和對(duì)照(P<0.05).

表3 不同外源碳處理間土壤微生物學(xué)性狀的變化Table 3 Changes in soil microbial properties in treatments with different exogenous organic carbon

2.3 不同外源碳添加下碳庫活度、土壤微生物代謝特性和酶活性之間的相關(guān)

表4結(jié)果可見：碳庫活度、代謝熵和微生物熵與參與碳循環(huán)的酶活性之間的整體相關(guān)性不強(qiáng)，但仍能在一定程度上反應(yīng)之間緊密的相關(guān)性.其中PO與碳庫活性存在著一定程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系；BG和BCH活性和代謝熵存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系；而PO與PER和代謝熵存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(R=0.744，R=0.536)，微生物熵與代謝熵結(jié)果相反，即BG和BCH活性和微生物熵存在正相關(guān)關(guān)系(R=0.594，0.508)；PO與微生物熵存在負(fù)相關(guān)關(guān)系(R=0.539).不難得出：水解酶和代謝熵成負(fù)相關(guān)關(guān)系；與微生物熵則成正相關(guān)關(guān)系.氧化酶則與此相反.

表4 不同外源碳處理下土壤酶活性與土壤微生物代謝特性關(guān)系函數(shù)(n=15)1)Table 4 Relationship between soil microbial metabolic features and soil enzymes in treatments with different exogenous organic carbon

1)x為各酶活性，y1為土壤碳庫活度，y2為代謝熵(qCO2)，y3為微生物熵(Cbio/Corg).

3 討論

3.1 不同外源碳添加對(duì)活性碳庫的影響

土壤有機(jī)C含量及其動(dòng)態(tài)主要取決于土壤原有有機(jī)質(zhì)分解，以及外源有機(jī)質(zhì)輸入與降解之間的平衡[32].外源碳輸入土壤后通常情況下會(huì)提高有機(jī)碳含量，但由于外源碳的質(zhì)與量的差異，其對(duì)土壤活性碳庫各組分的影響存在很大的差異[35].本研究中各處理下有機(jī)碳和穩(wěn)態(tài)碳含量均顯著高于對(duì)照，這與前人的研究結(jié)果基本一致[16,36].其中，DOC含量在5種處理下均顯著高于對(duì)照，由于DOC可作為碳源來促進(jìn)微生物的周轉(zhuǎn)，而在周轉(zhuǎn)過程中微生物又通過分解有機(jī)物及本身的新陳代謝來增加DOC的含量[38]，一定程度上DOC既是土壤微生物呼吸的底物來源，又是土壤中微生物呼吸的產(chǎn)物[39].因此，外源碳的輸入對(duì)DOC的影響相對(duì)顯著.同時(shí)本研究中MBC和ROC對(duì)5種外源碳輸入的響應(yīng)表現(xiàn)基本一致，其中生物炭增加的有機(jī)碳形式主要是微生物量碳[40]，秸稈增加的有機(jī)碳形式主要是易氧化有機(jī)碳[41].這與本試驗(yàn)結(jié)果相符合.不同的外源碳輸入土壤后對(duì)土壤微生物量影響存在很大差異，其原因主要有兩個(gè)方面，其一是不同微生物群落對(duì)碳源利用能力的不同，碳源輸入后導(dǎo)致不同微生物群落數(shù)量的增加或者減少；另一方面則是輸入的外源碳有效性低于原土壤有機(jī)質(zhì)，外源碳輸入后微生物量沒有明顯變化[42].

本研究中各處理下的穩(wěn)態(tài)碳含量均顯著高于對(duì)照組，同時(shí)結(jié)合碳庫強(qiáng)度數(shù)據(jù)不難得出：生物炭和秸稈的處理在一定程度上加快了土壤碳的周轉(zhuǎn)速率.而秸稈處理對(duì)土壤活性碳庫的影響相對(duì)顯著.五種處理中，唯有秸稈處理既提高了穩(wěn)態(tài)碳，又提高碳庫活度.充分表明秸稈外源碳的輸入加快了碳的周轉(zhuǎn)速率.其可能是由于秸稈是非森林的土著碳源，對(duì)森林土壤中與碳相關(guān)的微生物刺激相對(duì)較大，同時(shí)秸稈又是C4植物，其本身含有與CO2的親和力極強(qiáng)的PEP(CO2的受體)，故對(duì)土壤中碳周轉(zhuǎn)過程起著某種促進(jìn)作用.其次，生物炭的輸入也很大程度上提高了活性碳庫的含量.

3.2 不同外源碳添加對(duì)酶活性的影響

Tateno[43]研究表明，限制酶的反應(yīng)的因素不是酶的總數(shù)，而是可作為能源的物質(zhì)供應(yīng).作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳周轉(zhuǎn)過程中的最主要的3類聚合體，即纖維素、木質(zhì)素和幾丁質(zhì)，它們既是碳的主要存在與轉(zhuǎn)化形式，也是碳循環(huán)過程中主要的基質(zhì)和產(chǎn)物[44].因此與這3類聚合體相關(guān)的酶活性的格局變化，在一定程度上代表著碳循環(huán)過程的強(qiáng)度和方向.

有研究發(fā)現(xiàn)：有機(jī)物輸入對(duì)纖維素酶變化的影響，無論是低量輸入還是高量輸入，土壤酶活性均增強(qiáng).其中，β-葡糖苷酶和纖維酶增強(qiáng)30%[45].本研究中纖維素酶(BG、CBH)在生物炭和秸稈處理下的活性均顯著高于對(duì)照和其他處理，其中秸稈處理下BG、CBH活性情況與Zhao et al[46]的研究結(jié)論一致.秸稈為非森林土著碳源，本身可能對(duì)土壤微生物的刺激較大，其輸入后微生物要分泌更多C獲取酶從而用于降解有機(jī)質(zhì)[47].關(guān)于生物炭的輸入有研究發(fā)現(xiàn)：生物炭對(duì)酶分子的吸附對(duì)酶促反應(yīng)結(jié)合位點(diǎn)形成保護(hù)，而阻止了酶促反應(yīng)的進(jìn)行[48].本研究結(jié)果表明：生物炭的添加提高了纖維素酶的活性，這與Wang et al[50,51]的研究結(jié)果相一致.由于生物炭特殊的物理特性(疏松多孔、較大比表面積、吸附性)，其施用后必然會(huì)改變土壤的理化性狀，并為微生物代謝提供了易分解的碳化合物，因此毫無疑問它將改變微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能[53].凋落物對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生不同的影響，其主要原因可能是凋落物的不同導(dǎo)致土壤微生物量、區(qū)系組成以及代謝過程改變，致使主要由土壤微生物產(chǎn)生的土壤酶的數(shù)量和活性發(fā)生變化[54,55].本研究中凋落物輸入(P、LD處理)下的纖維素酶活性無顯著性變化.這可能是由于凋落物是森林中的土著碳源，其碳素對(duì)于土壤微生物有著極強(qiáng)的利用性，微生物群落無需分泌過多的水解酶(BG和CBH)來獲取碳源；加之土壤本身對(duì)熟悉的外源物質(zhì)具有一定的緩沖作用，因此凋落物的添加對(duì)土壤纖維酶格局并沒有產(chǎn)生劇烈影響.

幾丁質(zhì)酶(NAG)與土壤有機(jī)碳和氮的轉(zhuǎn)化關(guān)系密切，能將幾丁質(zhì)轉(zhuǎn)化為氨基酸，是土壤礦質(zhì)氮的主要來源[56].不同外源碳處理下，其活性表現(xiàn)為秸稈處理與木屑處理顯著高于對(duì)照組，其中木屑添加物的C/N較高，一方面是其含碳量較高，另一方面又因其含氮量較低，因此木屑處理組相較其他處理的可利用氮素偏少，微生物不得不分泌更多與N素相關(guān)的酶，所以造成了木屑處理下的NAG顯著高于對(duì)照組和其他處理.生物炭添加下的NAG活性顯著降低，與Award et al[57]研究結(jié)果一致.

兩種氧化酶(PO、PER)不同處理下的活性情況基本一致.均表現(xiàn)出秸稈和生物炭的添加顯著抑制了PO、PER的活性，同時(shí)油松處理又顯著促進(jìn)了它們的活性.很多報(bào)道指出：氧化酶活性(PO、PER)源于真菌，在高土壤肥力條件下被抑制，主要是由于真菌不需要通過分解頑固化合物獲取C或N[46].秸稈和生物炭一定程度上較其他處理C/N更均衡，微生物所必需的營養(yǎng)元素容易獲得，因此很大程度上減少了氧化酶的分泌.有研究表明：酚氧化酶與過氧化物酶活性與凋落物C/N比呈負(fù)相關(guān)[58].這正與本研究情況相一致.同時(shí)土壤酚氧化酶活性在春季最高(與本研究土壤取樣時(shí)間一致)，加速木質(zhì)素降解、腐殖化、碳礦化、溶解性有機(jī)碳的輸出等，同時(shí)其活性低則會(huì)促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累[59].由此，可推測生物炭、秸稈處理下的低酚氧化酶活性表征著其促進(jìn)土壤有機(jī)碳的累積.

3.3 不同外源碳添加對(duì)微生物呼吸、qCO2、Cbio/Corg的影響

微生物呼吸是土壤向大氣中排放CO2的主要形式.外源碳輸入對(duì)土壤微生物呼吸具有一定的激發(fā)效應(yīng)[61].已有研究表明：向土壤中添加生物炭、秸稈、凋落物等均會(huì)提高土壤的呼吸速率.本研究中五種外源碳輸入也均提高了微生物呼吸值.土壤微生物代謝熵(qCO2)，是土壤微生物呼吸與微生物量碳的比值.反映微生物利用土壤有機(jī)成分的效率和土壤生態(tài)系統(tǒng)演化的程度，qCO2值越低，表征著微生物碳利用效率越高[64].在本研究中生物炭和秸稈處理下的代謝熵顯著低于其他處理，因此，生物炭和秸稈的輸入較其他外源碳更能提高微生物碳的利用效率.微生物商是土壤微生物量碳占土壤有機(jī)碳含量的百分比.其中微生物商值越大，說明土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)越快[12].生物炭和秸稈處理下的微生物熵顯著高于對(duì)照和其他處理，說明秸稈和生物炭的添加處理使土壤微生物呼吸消耗的碳比較少，能更有效的利用有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為微生物量碳.

3.4 不同外源碳添加下土壤酶與碳庫活度、土壤微生物代謝特征之間的相關(guān)性

土壤酶系統(tǒng)是土壤中一切生化過程中的參與者，研究土壤微生物代謝—土壤活性有機(jī)碳庫—土壤酶之間的相關(guān)性，對(duì)整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)有著重要的作用[63].纖維素酶BG和CBH是參與土壤C獲取過程中的相關(guān)酶，通常CBH以葡聚糖鏈暴露出的非還原性末端為基質(zhì)水解產(chǎn)生纖維二糖，再由裂解二聚糖和多聚糖的BG將底物水解成葡萄糖，纖維素酶BG和CBH在降解有機(jī)碳復(fù)合的過程發(fā)揮重要作用，其水解產(chǎn)物(糖類)是土壤微生物的主要能量來源[62].在本研究中BG和CBH均與微生物熵成正比，而與微生物代謝熵成反比；與碳庫活度相關(guān)性不明顯.這意味著BG和CBH含量越高，微生物呼吸消耗的碳比例較小，建造微生物量碳的比例就越高.有研究得出β-葡萄糖苷酶等水解酶等對(duì)土壤有機(jī)碳的累積有著直接的正效應(yīng)[30].因此，β-葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶對(duì)土壤的碳匯功能有著積極的正作用.

氧化酶PO和PER是土壤C氧化過程中的相關(guān)酶，同為土壤中主要木質(zhì)素降解酶.其中酚氧化酶的活性與土壤腐殖質(zhì)化程度密切相關(guān)[60]，它能催化腐殖質(zhì)中難以利用的芳香化合物轉(zhuǎn)化分解為易被利用的化合物[52].而過氧化物酶參與著土壤腐殖質(zhì)的合成過程[49]，利用微生物和某些氧化酶的作用而在土壤中形成的H2O2和其他有機(jī)過氧化物中的氧，氧化土壤有機(jī)質(zhì)，對(duì)腐殖質(zhì)的形成具有重要作用.在本研究中，氧化酶與纖維素酶恰好相反，即與代謝熵成正比，與微生物熵成反比，與活性碳庫相關(guān)性不明顯.其中酚氧化酶與土壤代謝熵呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，即酚氧化酶越高，微生物利用養(yǎng)分的能力越低.同時(shí)有研究表明：酚氧化酶與土壤腐殖質(zhì)化程度呈負(fù)相關(guān)，并對(duì)微生物量碳的調(diào)控存在負(fù)相關(guān)作用[30]，其含量越高，越降低土壤肥力質(zhì)量[37].這正與本研究不謀而和.但也有研究認(rèn)為：土壤酚氧化酶和過氧化物酶廣泛參與土壤有機(jī)質(zhì)的腐殖化和礦化過程而被認(rèn)為是土壤有機(jī)質(zhì)平衡的限速酶類，在土壤有機(jī)質(zhì)積累中同樣發(fā)揮著重要作用[34].由于土壤活性碳庫和微生物代謝本身的復(fù)雜性，加之其變化還受到土壤性質(zhì)、環(huán)境條件等多方面的影響，使得酶活性與“活性碳庫—微生物代謝”之間的調(diào)控機(jī)制存在著很大的不確定性.因此，對(duì)土壤微生物代謝—土壤活性有機(jī)碳庫—土壤酶之間的機(jī)理，仍需進(jìn)一步探索.

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(責(zé)任編輯:吳顯達(dá))

Variations in labile soil carbon and microbial activity by organic matter input inPinusforest in Taiyue mountain

ZHANG Yan, ZHANG Lingzhen, XU Meili, YU Yi

( Forestry College, Beijing Forestry University, Beijing 100083)

To explore the feasibility of exogenous carbon on improving soil microbial organism, enzyme and labile soil carbon pool in forest, 5 types of carbon sources including biochar, corn stem, oak leaf,pinusleaf and sawdust were added at 250 g·m-2inpinusforest in Shanxi, with no addition as control. The results indicated that all constituents of soil organic carbon and microbial respiration were greatly affected by organic matter additions (P<0.05). Corn stem, wood stem andpinusleaf significantly increased cellulose enzyme activities (BG, CBH), chitinase (NAG) and oxidase (PO, PER). Level of soil microbial metabolic quotient (qCO2) of various input declined sequentially in the following order ofpinusleaf, oak leaf, the control, sawdust, biochar and corn stem, with microbial quotient (Cbio/Corg) being in the opposite sequence. Cellulose level was negatively correlated withqCO2, but positively correlated with Cbio/Corg. To summarize, corn stem and biochar demonstrated higher sequestration ability than 3 other materials. What′s more, straw improves the turnover rate of forest soil carbon significantly.

soil microbial organism; enzyme; labile soil carbon pool

2016-10-09

2016-11-22

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題項(xiàng)目(2016YFD0600205).

張巖(1992-)，女，碩士研究生.研究方向：森林土壤碳循環(huán)微生物作用機(jī)制.Email:623263587@qq.com.

S718.5

A

1671-5470(2017)03-0284-09

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.03.009