N,Mn元素添加及其二者交互作用對金沙江干熱河谷典型植物凋落物土壤酶活性影響

樊 博, 閆幫國,2,3, 方海東, 史亮濤, 何光熊,潘志賢, 岳學(xué)文, 范建成, 李建查

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所, 云南 元謀 651300;2.中國科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 成都 610041; 3.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

金沙江干熱河谷是我國云貴高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境較為脆弱地區(qū)，由于存在著獨(dú)特的地理環(huán)境造成該地區(qū)水熱矛盾較為突出，植被覆蓋度低，降雨量少，水土流失嚴(yán)重，植被恢復(fù)工作成為該地區(qū)研究的熱點(diǎn)問題。因干熱河谷植被的凋落物養(yǎng)分的釋放深刻地影響著土壤理化性質(zhì)、土壤微生物數(shù)量及土壤酶活性，同時(shí)土壤酶活性又能夠在一定程度上反映土壤中進(jìn)行的各種生物化學(xué)過程的強(qiáng)度和方向，所以土壤酶活性可以作為評價(jià)土壤肥力狀況的重要指標(biāo)，是反映土壤品質(zhì)的生物學(xué)活性指標(biāo)[1]。

國外研究中不僅將土壤酶活性作為評價(jià)土壤健康和質(zhì)量的重要指標(biāo)[2]，酶活性也被認(rèn)為是植被恢復(fù)過程中土壤修復(fù)的指示劑[3]。Vestgarden[4]研究發(fā)現(xiàn)外加氮源對針葉林凋落物的分解有促進(jìn)作用；也有研究發(fā)現(xiàn)，添加氮對凋落物的分解有抑制作用或影響不明顯[5-6]；趙玉濤研究者[7]研究了不同氮水平下兩種林型的主要土壤酶活性，氮沉降增加對土壤酶活性的作用與林分類型有關(guān),短期施氮可以顯著影響土壤酶的活性；高氮沉降降低了土壤多酚氧化酶活性,且隨著多酚氧化酶活性的降低,兩種林型土壤纖維素酶和蔗糖酶活性也有降低的趨勢。王光華等[8]研究氮肥對大豆根圈土壤酶活性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同氮肥對大豆根圈土壤酶活性及氮營養(yǎng)狀況影響很大。郭天財(cái)研究者[9]研究在大田冬小麥同生育時(shí)期內(nèi)，隨著施氮水平的提高，土壤蛋白酶、過氧化氫酶及脫氫酶活性均呈先增后降的變化趨勢，以180 kg N/hm2施氮水平的活性最高；脲酶活性則隨氮水平的提高而上升，在360 kg N/hm2施氮水平下達(dá)到最高。錳在植物代謝過程中的作用是多方面的，如直接參與光合作用，促進(jìn)氮素代謝，調(diào)解植物體內(nèi)氧化還原狀況等，這些作用往往是通過錳對酶活性的影響來實(shí)現(xiàn)的[10]。錳主要是36種酶的活化劑，3種酶的成分[11]。錳還參與一系列酶促反應(yīng)，主要包括脫羧基作用、水解反應(yīng)、磷酸化作用等，錳也影響吲哚乙酸的代謝，是吲哚乙酸合成作用的輔因子[12-14]。但已有研究主要側(cè)重于長期施肥及不同耕作方式下的土壤酶活性變化[15-16]，對于氮、錳元添加對其干熱河谷的植被凋落物酶活性影響研究較少。氮肥、錳肥作為常用的肥料，盲目施用肥料會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)惡化、肥力下降，破壞了生態(tài)系統(tǒng)[17]。為此本研究通過野外模擬試驗(yàn)，添加N，Mn元素研究干熱河谷典型植物凋落物的土壤酶活性變化,探討出不同植物凋落物土壤酶活性對N，Mn元素添加及二者交互作用的響應(yīng)，揭示干熱河谷植物凋落物土壤酶活性變化，旨在為干熱河谷的水土保持工作及生態(tài)恢復(fù)方面治理提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于金沙江干熱河谷元謀縣云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所試驗(yàn)基地。金沙江干熱河谷是我國西南地區(qū)最為干旱的地區(qū)之一，水熱矛盾較為突出，平均年蒸發(fā)量約為平均年降雨量的6倍，存在明顯的干濕季之分,年均溫大于20℃，干季可達(dá)6個(gè)月，漫長少雨，多年平均降雨量613.8 mm，其降水量僅為全年的10.0%～22.2%[18]。土壤類型主要為變性土、燥紅土、紫色土以及薄層土[19]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選擇在金沙江干熱河谷元謀試驗(yàn)基地開展試驗(yàn)，所有的試驗(yàn)樣方均位于山坡上。共選擇了15個(gè)2 m×2 m樣地,每個(gè)樣地之間有足夠的隔離帶，以避免小區(qū)之間水分和養(yǎng)分的橫向運(yùn)輸。2013年、2014年在金沙江干熱河谷區(qū)域野外采集5種典型干熱河谷植物的葉片凋落物作為試驗(yàn)材料，包括攀枝花(Bombaxmalabaricum)、橡皮樹(Ficuselastic)、車桑子(Dodonaeaviscosa)、小花扁擔(dān)木(Grewiabiloba)、象草(Ennisetumpurpureum)的凋落物各200 g，并將這些采回的凋落物裝入尼龍網(wǎng)袋(孔徑為1.0 mm×1.0 mm，大小為15 cm×10 cm)中，每個(gè)試驗(yàn)樣方中放入各個(gè)物種的凋落袋1袋。2014年6月16日將凋落袋放入樣方中，并在2014年6月19日、2014年8月10日以及2015年6月10日對試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行元素添加，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4處理，即對照組(CK)、N添加(0.9 mol/m2NH4NO3)、Mn添加(0.009 mol/m2MnSO4)和N，Mn(NM)同時(shí)添加，各處理的小區(qū)在空間上隨機(jī)排列，每種處理3個(gè)重復(fù)。

1.3 樣品采集、測定項(xiàng)目及分析

2015年6月20日，取出試驗(yàn)小區(qū)中的尼龍網(wǎng)袋，帶回實(shí)驗(yàn)室處理樣品，將尼龍網(wǎng)袋外部的雜草、植物根系、無脊椎動(dòng)物、雜草等小心的剝?nèi)?，將尼龍網(wǎng)袋剪開取出凋落物及土壤作為測試樣品，并保存在4℃的冰箱中保存。測定凋落物土壤中的酸性磷酸酶(AP)、葡萄糖苷酶(BG)、多酚氧化酶(POP)、過氧化物酶(PER)、脲酶(U)等指標(biāo)，所有酶活性均表示為單位有機(jī)質(zhì)(g)下的底物分解速率，具體測定方法參照[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2003，SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件完成。其中，元素添加對凋落物質(zhì)量損失率采用SPSS 20.0進(jìn)行方差分析，用最小顯著差異法(LSD)多重比較變量間的差異顯著性;用SPSS 20.0分析凋落物酶活性的相關(guān)性。數(shù)據(jù)的變異性用標(biāo)準(zhǔn)差(SD)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 N，Mn元素添加及其二者交互作用對干熱河谷植物凋落物土壤酶活性影響

土壤酶以穩(wěn)定的蛋白質(zhì)形式存在與土壤中,參與了包括土壤生物化學(xué)過程在內(nèi)的自然界物質(zhì)循環(huán)[21]。土壤酶在土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化中起著非常重要的作用，它催化土壤中的一切生物化學(xué)反應(yīng)，其活性大小是土壤肥力的重要標(biāo)志[22]。從圖1可以看出，不同植物的凋落物土壤酶活性是存在差異性。DV在不同處理方式下5種的土壤酶活性均差異性顯著。其中：(1) AP：PP在四種處理方式下植物凋落物土壤磷酸酶活性整體高于其他植物。其中，BM，GB在N處理下的土壤酸性磷酸酶活性較高，分別為26.86 mmol/g OM，61.34 mmol/g OM，DV在CK處理下與氮錳同時(shí)添加處理下的土壤磷酸酶活性存在顯著性差異。(2) BG：GB在N處理下高于同處理下其他植物凋落物土壤葡萄糖苷酶活性，其酶活性達(dá)到了124.89 mmol/g OM，是CK的5.17倍。DV在CK處理與N，NM同時(shí)添加酶活性呈顯著性差異；F在EN與NM，CK下酶活性存在顯著差異，其他處理無顯著性差異。(3) POP：DV在N，Mn同時(shí)添加下凋落物土壤酶活性高于其他處理。DV，F(xiàn)E，GB在Mn處理下的活性>N處理，BM，PP的酶活性表現(xiàn)一致，均為NM>N>Mn處理的土壤多酚氧化酶活性。DVN處理下與氮錳同時(shí)添加下存在顯著性差異。(4) PER：PP在4種處理下均高于其他植物的凋落物土壤酶活性，N處理下:PP的酶活性分別是BM，DV，F(xiàn)E，GB凋落物土壤酶活性的18.33倍、2.57倍、2.84倍、2.99倍。Mn處理下:PP的酶活性分別是BM，DV，F(xiàn)E，GB凋落物土壤酶活性的2.66倍、2.93倍、3.68倍、1.47倍；NM處理下：PP的酶活性分別是BM，DV，F(xiàn)E，GB凋落物土壤酶活性的2.10倍、1.24倍、2.48倍、1.66倍。FE的CK處理與N處理之間存在顯著性差異。(5) U：PP在各處理下均表現(xiàn)脲酶活性較高。其中，BM在氮錳同時(shí)添加下含量較高，達(dá)到了13.49 mg/g OM，DV在Mn處理下酶活性響應(yīng)明顯，分別是是對照組、氮添加下酶活性的1.48倍、4.80倍，GB在氮錳同時(shí)添加下土壤酶活性較高，酶活性分別比CK，N，Mn處理下多7.66 mg/g OM，15.89 mg/g OM，10.79 mg/g OM。FE在CK處理與Mn處理之間差異性顯著，PP的CK處理與N處理之間存在顯著性差異。整體看來，PP在四種處理方式下植物凋落物AP，PER，U活性整體高于其他植物。又從分析結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，每種植物對N，Mn和NM同時(shí)添加后的土壤酶活性變化是不一致的，影響著生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化，其植被凋落下的土壤養(yǎng)分也會(huì)隨之發(fā)生變化。

2.2 元素、物種對元謀干熱河谷植物凋落物土壤酶活性的方差分析

從表1中可以看出，元素添加和物種對植物凋落物土壤酶活性產(chǎn)生了一定影響。其中，物種對土壤磷酸酶活性呈顯著差異(p<0.05)；物種與過氧化物酶之間呈極顯著性差異，p值達(dá)到了0.001水平。元素添加只對葡萄糖苷酶影響很大，它們之間呈顯著性差異(p=0.0438)。元素和物種對土壤酶活性影響是多方面的，諸如土壤磷酸酶活性受到土壤基本理化性質(zhì)、植被覆蓋以及存在于土壤中能夠激發(fā)或抑制酶活性的無機(jī)或者有機(jī)物等的影響[23]。

2.3 N，Mn元素添加及其二者交互作用對元謀干熱河谷植物凋落物土壤酶活性相關(guān)性分析

從表2中可以看出，添加元素后土壤酶活性存在一定程度的相關(guān)性。土壤酸性磷酸酶與土壤葡萄糖苷酶、多酚氧化酶之間存在極顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.75，0.39；葡萄萄糖苷酶與多酚氧化酶之間存在極顯著相關(guān)性，多酚氧化酶與過氧化物酶之間存在極顯著相關(guān)性，其他土壤酶之間存在弱相關(guān)性。

注：以上數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，小寫字母代表在5%顯著水平。BM：攀枝花，DV:車桑子，F(xiàn)E:橡皮樹，GB：小花扁擔(dān)木，PP：象草。

圖1 元素添加對干熱河谷植物凋落物土壤酶活性影響

注：AP：酸性磷酸酶；BG：葡萄糖苷酶；POP：多酚氧化酶；PER：過氧化物酶；U：脲酶。*代表在5%水平下顯著差異，**代表在1%水平下極顯著差異。下同。

3 結(jié)論與討論

在以往的研究中主要集中在土壤養(yǎng)分與土壤酶活性之間的關(guān)系研究方面[24-26]。本研究以干熱河谷植被凋落物入手，探討不同植被凋落物土壤酶活性，探明了研究區(qū)域添加N，Mn元素后不同植物的凋落物土壤酶活性的差異性及相關(guān)性。

(1) 本研究發(fā)現(xiàn)N添加顯著提高了干熱河谷典型植被下土壤磷酸酶活性。其原因可能是土壤磷酸酶蛋白由C，N等基本元素構(gòu)成，添加N元素在一定程度上促進(jìn)了磷酸酶合成[27]；或是由于添加了N元素后，提高了土壤中的微生物對其他養(yǎng)分的需求(尤其是P)，所以微生物通過分泌更多的磷酸酶來獲取有效P[28]。

(2) N，Mn元素添加及其二者同時(shí)添加對植物凋落物酶活性產(chǎn)生很大的影響。攀枝花和車桑子在N處理下凋落物土壤酸性磷酸酶、土壤葡萄糖苷酶活性高于對照。土壤酶活性對N 元素較為敏感，但受到土壤水氣熱條件、土壤理化性質(zhì)、土壤微生物群落組成和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響，在不同的生態(tài)系統(tǒng)中土壤酶活性對氮元素的響應(yīng)往往有所不同[29,30]，就造成過氧化物酶、脲酶等土壤酶活性變化加氮后不顯著。本研究中，Mn處理下5種植物的土壤酶活性變化不大，這可能是由于本研究的試驗(yàn)周期較短，可能無法顯示出其對植物凋落物土壤酶活性的影響，這與Aponte C.研究者對Mn的研究結(jié)果相一致，Mn對凋落物土壤酶活性的影響主要限于分解后期[31]，Mn能促進(jìn)種子和幼苗的早期生長，Mn對試驗(yàn)前期影響不顯著。

(3) 物種對植物凋落物土壤酶活性存在顯著性差異，主要是不同物種在凋落物分解中產(chǎn)生的化學(xué)組分不同。如，小花扁擔(dān)木的分解速率比其他幾種植物的凋落物分解快，木質(zhì)素、礦質(zhì)養(yǎng)分釋放到土壤中的養(yǎng)分較多，造成土壤微生物數(shù)量增多、土壤酶活性等增加，土壤酸性磷酸酶、多酚氧化酶差異性顯著。同時(shí)，一些元素添加也會(huì)改變凋落物土壤酶活性，如Mn元素的添加可刺激與木質(zhì)素降解有關(guān)的微生物活動(dòng)[32],有利于凋落物分解后期木質(zhì)素的解體，從而加快了凋落物的分解影響了土壤酶活性。

(4) 添加元素后土壤酶活性存在一定程度的相關(guān)性。土壤過氧化氫酶、脲酶和磷酸酶都可加速土壤營養(yǎng)元素循環(huán),所以酶活性的變化趨勢與土壤營養(yǎng)元素具有一定相關(guān)性[33-34]。土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)有密切聯(lián)系，特別是N元素與土壤磷酸酶、過氧化氫酶的相關(guān)性較好；Mn可以活化許多脫氫酶，對呼吸有重要的意義，Mn能促進(jìn)碳水化合物的水解，還可以激活羧化酶[35]，因此，可用凋落物土壤酶活性來反映干熱河谷凋落物對土壤酶活性的影響，同時(shí)為干熱河谷的生態(tài)恢復(fù)方面的研究提供理論指導(dǎo)。

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