三峽庫區(qū)馬尾松人工林土壤酶活性和微生物生物量對氮添加的季節(jié)性響應

王麗君,程瑞梅,2,*,肖文發(fā),2,沈雅飛,2,曾立雄,2,楊 邵 ,孫鵬飛,陳 天

1 中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所,國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室,北京 100091 2 南京林業(yè)大學南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210037

在20世紀里,糧食和能源生產以及其他人類活動使大氣中的氮沉降增加了3到5倍,氮沉降增加已成為全球變化的重要現(xiàn)象之一。目前我國已成為第三大氮沉降區(qū),年總沉降均值約為21.1 kg hm-2a-1,且仍將繼續(xù)增長[1]。氮沉降的增加改變了土壤生態(tài)系統(tǒng)物質輸入,對植物凈初級生產力的提高和土壤固碳具有一定的貢獻,但同時也導致植物多樣性的喪失,加速了土壤酸化[2-3],并對參與碳氮磷循環(huán)關鍵過程的酶活性產生顯著影響[4-5]。

目前,關于氮添加對酶活性的影響研究多集中在北方和溫帶森林,且結果存在差異[6- 11]。研究表明,氮添加顯著提高了溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)和農田生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)水解酶N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶和酸性磷酸酶活性,但是對于熱帶和沙漠生態(tài)系統(tǒng)則影響不顯著[6]。呂來新等[7]研究發(fā)現(xiàn)氮添加提高了溫帶紅松林土壤N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性,而對酸性磷酸酶、β- 1- 4葡萄糖苷酶活性無顯著影響。多數(shù)研究表明,氮沉降通過抑制與氧化酶合成和分泌有關的真菌(如白腐真菌、叢枝菌根真菌)的活性,從而使其活性也下降[8- 10]。但張藝等[4]、周嘉聰?shù)萚11]發(fā)現(xiàn)氮添加顯著促進了土壤氧化酶活性,且低氮水平(50 kg hm-2a-1)添加比高氮水平(150 kg hm-2a-1)添加的促進作用更為明顯。研究表明土壤養(yǎng)分有效性可能是各地研究結果差異的主要原因[12],整合分析也表明不同生態(tài)系統(tǒng)類型,林分類型、氮肥類型、施肥速率和時間都對土壤酶活性具有影響[6,13]。相比于溫帶森林,亞熱帶森林土壤的有效氮相對富集[14],養(yǎng)分循環(huán)較快,對氮沉降的響應可能更加劇烈[11]。因此,研究氮沉降增加對亞熱帶森林土壤酶活性和微生物生物量的影響十分必要。

三峽庫區(qū)作為我國重點敏感生態(tài)區(qū)和長江中下游的生態(tài)屏障,大氣氮沉降通量已達到約30 kg hm-2a-1,超過了我國氮沉降平均值,屬于高氮沉降地區(qū)[15],庫區(qū)有大面積的馬尾松(PinusmassonianaLamb.)人工林[16]。氮沉降的持續(xù)增加對土壤微生物的擾動勢必會影響土壤的養(yǎng)分循環(huán),而目前有關大氣氮沉降增加對三峽庫區(qū)馬尾松人工林土壤酶活性和微生物生物量的影響研究鮮有報道,影響機制也尚未明晰?；诖?本研究以亞熱帶三峽庫區(qū)馬尾松人工林為對象,研究土壤酶活性、微生物生物量和養(yǎng)分含量對氮添加的初期響應規(guī)律,為預測該地區(qū)在大氣氮沉降持續(xù)增加背景下森林土壤養(yǎng)分循環(huán)的響應提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于湖北省秭歸縣茅坪鎮(zhèn)泗溪村,地處于30°46′N,110°55′E,平均海拔825 m,平均坡度20°,屬于亞熱帶大陸性季風氣候,四季分明,年平均氣溫14—22℃,年平均降水量1400 mm,降水集中于每年的4—9月。研究區(qū)內馬尾松林為20世紀80年代飛播造林,平均樹齡40 a,平均樹高16.96 m,平均胸徑18.3 cm,平均密度675株/hm2,樣地內林木分布均勻。土壤類型主要有黃棕壤、紫色土等,土壤深度約40 cm。植被以天然植被為主,林下伴生灌木植物主要有：茶(Camelliasinensis(L.) O.Kuntze)、細齒葉柃(EuryanitidaKorthals)、紫金牛(Ardisiajaponica(Thunb) Blume)、宜昌莢蒾(ViburnumerosumThunb.)等；草本植物有：黑足鱗毛蕨(DryopterisfuscipesC.Chr.)、魚腥草(HouttuyniacordataThunb.)和千里光(SenecioscandensBuch.Ham.ex D.Don)等[17]。

1.2 試驗設計

圖1 氮添加實驗樣方示意圖Fig.1 Schematic diagram of nitrogen addition experiment

以馬尾松人工林為研究對象,根據(jù)當?shù)卮髿獾两当尘爸?30 kg hm-2a-1)[16],通過定位氮添加的方式,設置4個不同濃度梯度的氮處理,對照處理N對照(0 kg hm-2a-1),低氮處理N低( 30 kg hm-2a-1),中氮處理N中(60 kg hm-2a-1),高氮處理N高(90 kg hm-2a-1)。在馬尾松人工林內設置3塊20 m×20 m的樣地,在每塊樣地內設置4個2 m×2 m的樣方,樣方之間設10 m緩沖帶(具體樣地設置見圖1),樣方邊緣用PVC板進行隔離,PVC板插入土壤深度為20 cm,共計12個樣方。將NH4NO3的年施用量平均分成12 等份,從2019 年2月起,每月初進行定量氮添加處理：將NH4NO3溶解于2 L水中,用噴霧器在樣方內均勻噴灑,對照組則噴灑相同量的清水[18-19]。

1.3 土壤樣品采集分析

分別在氮添加 3(2019年5月)、6(2019年8月)、9(2019年11月)個月后,在下次氮添加之前,在每個樣方內隨機選擇5點,用土鉆(內徑為5 cm)采集0—20 cm的土壤,混合均勻后放入保溫箱內帶回實驗室。一部分過2 mm篩后置4℃冰箱里用來測定土壤酶活性、微生物生物量碳、微生物生物量氮和微生物生物量磷,一部分室內風干后過2 mm和0.149 mm篩后用于土壤pH、有機碳、全氮、全磷的測定。

本研究共測定了3種水解酶活性,分別是β- 1- 4葡萄糖苷酶(BG)、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、酸性磷酸酶(AP),三者分別在土壤多糖類物質的水解過程和氨基酸物質的降解過程及有機磷的分解過程中起到了重要促進作用,是土壤碳、氮、磷轉化的重要參與者[7],2種氧化酶活性,多酚氧化酶(PPO)和過氧化物酶(POD),二者是土壤氧化還原反應的主要參與者,直接制約土壤有機質的分解[9]。土壤酶活性測定參照Saiya-Cork等[20]的方法,用傘形酮(MUB)作為底物標示水解酶BG、AP、NAG活性,用L-二羥苯丙氨酸(DOPA)為底物標示氧化酶PPO、POD活性。用多功能酶標儀測定熒光度(水解酶)或吸光度(氧化酶)。采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN),氯仿熏蒸-NaHCO3浸提法測定微生物生物量磷(MBP),電極法測定土壤pH值 (水土比2.5∶1.0,pH211酸度計)。高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容重法測定土壤有機碳(SOC),凱氏定氮法測定全氮(TN),利用鉬銻抗比色法測定全磷(TP),烘干法測定土壤含水量(SMC)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016統(tǒng)計處理數(shù)據(jù),用SPSS 24.0軟件中的單因素方差分析(one-way ANONA)的最小顯著差法(LSD)檢驗各項指標之間的差異顯著性(P<0.05)；用雙因素方差分析(two-way ANOVA)分析氮添加和季節(jié)是否存在交互作用,用Pearson相關系數(shù)和逐步回歸分析探索土壤酶活性與理化性質、微生物生物量之間的關系；用Canoco 5.0 軟件,以5種酶活性為響應變量,以土壤理化性質及微生物生物量為解釋變量做冗余分析(RDA)。繪圖由Origin 9.1軟件完成 。

2 結果分析

2.1 不同水平氮添加對土壤理化性質的季節(jié)性影響

圖2 不同水平氮添加對土壤理化性質的影響Fig.2 Effects of nitrogen addition at different levels on soil physical and chemical properties不同大寫字母表示同一氮水平不同月份間差異顯著,不同小寫字母表示同一月份不同氮水平間差異顯著(P<0.05);圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準差(n=3);**表示P<0.01,ns表示P>0.05

土壤含水量受季節(jié)的顯著影響(圖2),秋季樣地土壤含水量總體上顯著低于春季和夏季(P<0.05),這與當?shù)亟邓饕杏诿磕甑?—9月有關。土壤pH值和全磷含量隨著氮添加水平的提高先增加后下降,整體呈現(xiàn)N低>N對照>N中>N高,夏季>秋季>春季的特征。土壤有機碳在春季隨著氮添加水平的提高持續(xù)增加,在夏季和秋季則先下降后增加,全氮含量在各個季節(jié)對氮添加的響應均表現(xiàn)為先下降后上升,與對照相比,N高處理使得土壤有機碳、全氮含量均增加,秋季含量略高于春夏兩季,但差異不顯著(P>0.05)。整體來看,在短期氮添加背景下,季節(jié)、施氮及其交互作用對土壤pH值、有機碳、全氮、全磷含量影響不顯著(P>0.05),但低氮(30 kg hm-2a-1)水平添加整體上增加了土壤pH值和全磷含量,高氮(90 kg hm-2a-1)水平添加增加了土壤有機質、全氮含量,降低了土壤pH值和全磷含量。

2.2 不同水平氮添加對土壤酶活性的季節(jié)性影響

2.2.1土壤水解酶活性變化

BG活性受季節(jié)(P<0.01)和施氮(P<0.05)的顯著影響(圖3),呈現(xiàn)秋季>夏季>春季的特征,春季N低和N中處理均提高了BG活性, N高處理降低了BG活性。夏季和秋季,N中處理均使得BG活性增加,而N低和N高處理使得BG活性下降。NAG的活性受季節(jié)的顯著影響(P<0.01),呈現(xiàn)秋季>春季>夏季的特征,且各季節(jié)均表現(xiàn)出N中處理使得NAG活性增加,N低和N高處理使得NAG活性下降。AP活性受季節(jié)(P<0.01)和施氮(P<0.05)的顯著影響,呈現(xiàn)秋季>春季>夏季的特征,各季節(jié)土壤AP活性在N低處理下均有所下降,在N中和N高處理下均增加。

總體來看,土壤水解酶活性存在顯著的季節(jié)差異,即秋季顯著高于春季和夏季(P<0.05)。各季節(jié)土壤酶活性對不同水平氮添加處理的響應不一致,低氮水平(30 kg hm-2a-1)的添加使得土壤NAG、AP活性均下降,高氮水平(90 kg hm-2a-1)的添加提高了各季節(jié)AP活性,抑制了BG和NAG的活性,而中氮水平(60 kg hm-2a-1)的氮添加處理使得各季節(jié)土壤BG、NAG、AP活性均增加。

圖3 不同水平氮添加對土壤水解酶活性的影響Fig.3 Effects of nitrogen addition at different levels on soil hydrolytic enzyme activities 不同大寫字母表示同一氮水平不同月份間差異顯著,不同小寫字母表示同一月份不同氮水平間差異顯著(P<0.05);圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準差(n=3);*,**分別表示P<0.05和P<0.01,ns表示P>0.05

2.2.2土壤氧化酶活性變化

各季節(jié)PPO活性均呈現(xiàn)隨氮添加水平的提高先上升后下降的趨勢(圖4)。其中,春季N低水平處理使得PPO活性增加到最大,夏季和秋季N中水平處理使得土壤PPO活性增加到最大,與N對照相比,PPO活性分別增加了36.0%和43.0%。春季和夏季N中處理使得POD活性增加,N低和N高處理則使得土壤POD活性下降,秋季各水平氮添加處理均使得POD活性上升,且POD活性隨氮添加水平的提高而增加。整體來看,在短期氮添加背景下,施氮對PPO和POD活性的影響沒有達到顯著水平(P>0.05),但不同水平氮添加處理均提高了各季節(jié)土壤PPO活性,表現(xiàn)為隨氮添加水平的提高先上升后下降,中氮(60 kg hm-2a-1)水平的氮添加處理使得各季節(jié)土壤POD活性均增加。PPO和POD活性均呈春季>夏季>秋季的特征,其中PPO活性受季節(jié)的顯著影響差異較大(P<0.05),而POD活性季節(jié)間差異不顯著(P>0.05)。

圖4 不同水平氮添加對土壤氧化酶活性的影響Fig.4 Effects of nitrogen addition at different levels on soil oxidase enzyme activities **表示P<0.01

2.3 不同水平氮添加對土壤微生物生物量的季節(jié)性影響

土壤MBC、MBN含量對氮添加的季節(jié)響應表現(xiàn)一致(圖5)。春季,各水平氮添加處理均使得MBC、MBN含量增加,且隨氮添加水平的提高呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢,其中N中處理增加最為顯著,分別達到30.5%、37.7%。夏季,N低和N中處理使得MBC、MBN含量分別下降39.3%、34.7%和20.9%、27.3%,而N高處理使得MBC、MBN含量增加。秋季,N低處理使得MBC、MBN含量下降,而N中和N高處理使得其含量略有增加,變化均不顯著(P>0.05)。各季節(jié)土壤MBP含量對氮添加的響應一致,均表現(xiàn)為N低和N中處理使得MBP含量顯著下降(P<0.05),N高處理使得MBP含量上升。

圖5 不同水平氮添加對土壤微生物生物量的影響Fig.5 Effects of nitrogen addition at different levels on soil microbial biomass**表示P<0.01

整體來看,土壤MBC、MBN含量受季節(jié)的顯著影響(P<0.01),分別呈現(xiàn)出秋季>春季>夏季,夏季>春季>秋季的特征,MBP含量呈現(xiàn)秋季>夏季>春季的特征,氮添加整體上沒有改變這種季節(jié)差異,但高氮(90 kg hm-2a-1)水平的添加處理使得各季節(jié)土壤微生物生物量碳、氮、磷的含量都上升。

2.4 土壤酶活性與微生物生物量及環(huán)境因子的關系

相關性分析可知(表1),BG、NAG活性均與全氮(P<0.05)、MBC(P<0.01)和MBP(P<0.05,P<0.01)存在顯著正相關,與MBN(P<0.05)和土壤含水量(P<0.01)存在顯著負相關。AP活性與MBC、MBP存在極顯著正相關(P<0.01),與MBN和土壤含水量存在極顯著負相關(P<0.01)。PPO活性與MBN存在顯著正相關(P<0.05),POD活性與MBN(P<0.05)和全磷(P<0.01)存在顯著正相關。除了POD外,其余4種酶活性均與季節(jié)存在極顯著相關性(P<0.01),說明季節(jié)變化可能是酶活性變化的主要因素之一。此外,土壤全磷含量與氮添加水平存在顯著負相關(P<0.05)。整體來看,土壤水解酶活性與土壤含水量,全氮、微生物生物量碳氮磷含量相關性較高,氧化酶活性和微生物生物量氮和全磷含量相關性較高。

表1 土壤酶活性、微生物生物量和土壤環(huán)境因子的相關性分析

以5種酶活性為響應變量,以土壤理化性質及微生物生物量為解釋變量進行逐步回歸分析和冗余分析(表2,圖6),可以看出,土壤含水量和全氮共同解釋了BG活性46.8%的變異,MBC和土壤含水量共同解釋了NAG活性65.3%的變異,以MBC、MBN、土壤含水量和全磷為主的因子共同解釋了AP活性變化的84.5%,MBN和MBP共同解釋了PPO活性變化的24.9%,MBN和全磷則共同解釋了POD活性37.3%的變異。兩軸共同解釋了土壤酶活性變異的59.08%,且土壤含水量、MBC、MBN、MBP和全氮是解釋度較高的5個環(huán)境因子,其中,土壤含水量與MBC分別解釋了土壤酶活性變異的28.1%和26%(P<0.05)?？梢姷两当尘跋?土壤酶活性的變異是多因子綜合作用的結果,不同酶活性變異的主導因子不同。

3 討論

3.1 不同水平氮添加對土壤理化性質的季節(jié)性影響

表2 土壤酶活性與微生物生物量及土壤環(huán)境因子的回歸分析模型

圖6 土壤酶活性與微生物生物量及環(huán)境因子的冗余分析Fig.6 Redundancy analysis of soil enzyme activities and environmental factorsBG：β- 1- 4葡萄糖苷酶 β- 1- 4 glucosidase;NAG：N-乙酰氨基葡萄糖苷酶 N-acetylglucosaminosidase;AP：酸性磷酸酶 Acid phosphatase;PPO：多酚氧化酶 Polyphenol oxidase;POD：過氧化物酶 Peroxidase;MBC：微生物生物量 Microbial biomass carbon;MBN：微生物生物量氮 Microbial biomass nitrogen;MBP：微生物生物量磷 Microbial biomass phosphorus;SOC：土壤有機碳 Soil organic carbon;TN：全氮 Total nitrogen;TP：全磷 Total phosphorus;SMC：土壤含水量 Soil moisture content

3.2 不同水平氮添加對土壤酶活性的季節(jié)性影響

一般認為,土壤微生物生產酶遵循經濟學原則,氮添加減少了微生物對氮的需求,轉而增加對碳、磷的需求,因而使得氮水解酶NAG活性下降,碳、磷水解酶BG、AP活性升高[31]。但是,經濟學原則并非適用于所有森林系統(tǒng),如有研究表明,氮添加抑制了溫帶地區(qū)土壤中碳、氮、磷水解酶活性[32],但卻顯著提高了亞熱帶地區(qū)土壤水解酶活性[6,11,13],可見氮添加對土壤水解酶活性的影響結果因地域類型、林分的不同存在較大差異[33]。本文發(fā)現(xiàn),低氮水平(30 kg hm-2a-1)和高氮水平(90 kg hm-2a-1)的添加使得BG和NAG的活性下降,而中氮水平(60 kg hm-2a-1)的氮添加處理卻使得各季節(jié)土壤BG、NAG、AP活性均增加,這與陳倩妹等人的研究結果相似,可能是由于中氮水平是增加當?shù)伛R尾松人工林土壤有效氮的最適濃度,在此水平下,土壤水解酶BG和NAG的活性達到最大,低于或者高于此濃度,酶活性均會下降,這有待進一步驗證[34-35]。

多酚氧化酶和過氧化物酶是土壤氧化還原反應的主要參與者,直接制約土壤有機質的分解。PPO能夠氧化酚類化合物中的苯環(huán),POD能夠氧化木質素大分子得到簡單的酚類,并能反映土壤的腐殖化和有機化的程度[9]。多數(shù)研究中,氮添加抑制了森林土壤氧化酶的活性,主要是因為氮添加抑制了與其合成和分泌有關的真菌(如白腐真菌、叢枝菌根真菌)的活性,從而使其活性也下降[8- 10,36]。但本文發(fā)現(xiàn),中氮(60 kg hm-2a-1)水平的氮添加處理使得各季節(jié)土壤POD活性均增加,不同水平的氮添加處理均增加了各季節(jié)土壤PPO的活性,可見氮添加對土壤氧化酶活性的影響并不都是負效應。事實上,白腐真菌并不是唯一一種和多酚氧化酶活性相關的生物,而且其他生物對氮沉降增加的響應可能與白腐真菌差異很大,如一些軟腐真菌在氮沉降增加時,多酚氧化酶活性明顯提高[37- 38]。還有研究發(fā)現(xiàn),環(huán)境中氮有效性的高低使得氮添加對氧化酶活性的影響不同,在不同林型中甚至得到相反的結果,如研究發(fā)現(xiàn),施氮1年后,在黑橡和白橡混交林中,多酚氧化酶活性降低,而在糖槭和紅橡及糖槭和椴木混交林中,氮沉降增加則使多酚氧化酶活性增加[37]。由于土壤氧化酶在腐殖化過程中扮演重要作用,其活性的增加表明氮沉降可能會加速當?shù)伛R尾松人工林土壤腐殖質的形成[34]。

范艷春等[39]研究發(fā)現(xiàn),土壤酶活性呈現(xiàn)明顯的季節(jié)動態(tài)。本研究中,土壤水解酶BG、AP、NAG和氧化酶PPO活性均存在顯著的季節(jié)差異。秋季土壤水解酶活性顯著高于春季和夏季(P<0.05),PPO和POD活性均呈現(xiàn)春季>夏季>秋季的特征,而氮添加對森林土壤酶活性的時間分異規(guī)律沒有顯著影響,這與前人研究結果一致[4]。

3.3 不同水平氮添加對土壤微生物生物量的季節(jié)性影響

土壤微生物生物量對推動土壤物質轉換和能量流動起著重要作用,是衡量土壤微生物對養(yǎng)分循環(huán)影響的重要指標,也是土壤質量評價的有效指標[40]。研究表明,超過微生物耐受范圍的氮沉降必然導致土壤微生物生物量下降[41],而本研究發(fā)現(xiàn)高氮(90 kg hm-2a-1)水平的添加處理使得各季節(jié)土壤微生物生物量碳、氮、磷的含量都上升,可能由于短期高氮水平的添加試驗并沒有使土壤中的氮超過微生物耐受范圍,達到飽和狀態(tài),土壤中的微生物能夠及時將輸入的氮吸收利用[42]。眾多研究表明,土壤微生物生物量含量存在明顯的月動態(tài)變化特征[43-44],本研究發(fā)現(xiàn),土壤微生物生物量碳、氮、磷含量存在顯著的季節(jié)差異,微生物生物量氮含量在春夏季偏高,秋季較低,而微生物生物量碳、磷含量均在秋季最高,氮添加沒有改變這種季節(jié)差異。這與前人的研究結果有一定差別,如宋蕾等[43]研究發(fā)現(xiàn)微生物生物量碳、氮含量的最大值在夏季,而周世興等[45]研究得出微生物生物量碳、氮含量在秋季最高。這些結論差異與土壤溫濕度、林分類型、地域氣候類型等環(huán)境因子綜合作用有關[46],有研究發(fā)現(xiàn)不同海拔梯度帶土壤微生物生物量氮的季節(jié)變化與其對應的土壤濕度顯著相關,土壤濕度是調控森林土壤微生物生物量氮季節(jié)變異的重要生態(tài)因子[47],本研究中秋季土壤含水量顯著低于春夏兩季(圖2),因而造成土壤微生物生物量氮含量也偏低。也有研究發(fā)現(xiàn)地處高緯度的森林,春季和秋季溫度較低,土壤微生物主要受到溫度的限制,生物量低；夏季氣溫升高,適合微生物生長,因而土壤微生物生物量增加。而亞熱帶和熱帶地區(qū)土壤微生物生物量受溫度影響較小,主要與土壤養(yǎng)分含量有關[44]。秋季植物生長緩慢,對土壤養(yǎng)分的吸收相對較少,土壤中積累的碳氮含量較高(圖2),微生物有充足的碳源、氮源用于生長,因而秋季微生物生物量較多。

3.4 氮添加背景下土壤酶活性和微生物生物量及土壤環(huán)境因子的關系

周嘉聰?shù)萚11]研究發(fā)現(xiàn),可溶性有機碳是驅動土壤酶活性的重要環(huán)境因子,本研究發(fā)現(xiàn)土壤酶活性和季節(jié)、土壤含水量、養(yǎng)分含量及微生物生物量碳氮磷均存在顯著的相關性,其活性變化是多因子綜合作用的結果,不同酶活性變異的主導因子不同。其中,土壤含水量、微生物生物量碳、氮、磷和全氮是解釋度較高的5個環(huán)境因子(表1、表2,圖6)。研究表明,環(huán)境因子綜合作用會掩蓋了單一環(huán)境因子對土壤養(yǎng)分、酶活性和微生物的作用[46],不同生態(tài)系統(tǒng)類型、氮肥類型、施肥速率和施肥試驗時間都對土壤酶活性和微生物群落組成具有影響,土壤酶化學計量比與土壤養(yǎng)分化學計量比也可能存在動態(tài)平衡關系[6,13]。多數(shù)研究中,在同一氮水平處理下,水解酶和氧化酶活性變化不同[7- 8,10],而在本研究中,中氮水平(60 kg hm-2a-1)添加在各個季節(jié)都提高了土壤水解酶和氧化酶活性,且使大多數(shù)酶活性達到最大值,由此可提出進一步的研究方向,目前的氮添加速率和中氮水平的添加是否是增加當?shù)伛R尾松人工林土壤有效氮和微生物活性的最適濃度？這有待結合區(qū)域環(huán)境條件,通過控制變量進行長期實驗來進一步探討。

4 結論

(1)氮添加對土壤pH值、有機碳、全氮和全磷含量沒有形成顯著的季節(jié)間差異,但高氮(90 kg hm-2a-1)水平添加增加了土壤有機碳、全氮含量和酸性磷酸酶活性,降低了土壤pH值和全磷含量,且全磷與氮添加水平顯著負相關(P<0.05),這預測了氮沉降的持續(xù)增加可能會導致當?shù)伛R尾松人工林土壤酸化,促進磷酸鹽的釋放,引起磷限制。

(2)各季節(jié)土壤酶活性、微生物生物量對不同水平氮添加處理的響應不一致,但不同水平氮添加處理均提高了土壤PPO活性,且中氮水平(60 kg hm-2a-1)的氮添加處理使得各季節(jié)土壤BG、NAG、AP、PPO、POD活性均增加,高氮(90 kg hm-2a-1)水平的添加處理提高了各季節(jié)土壤微生物生物量碳、氮、磷含量,抑制了BG、NAG活性。水解酶活性下降,氧化酶活性的增加表明氮沉降會加速當?shù)伛R尾松人工林土壤腐殖質的形成,增加有機碳的積累。

(3)土壤酶活性和微生物生物量存在顯著的季節(jié)差異,秋季水解酶活性和微生物生物量碳、磷含量顯著高于春夏兩季,而氧化酶活性和微生物生物量氮含量則是春夏季較高,氮添加對這種季節(jié)分異規(guī)律沒有顯著影響。

(4)氮沉降增加背景下,土壤酶活性和季節(jié)、土壤含水量、養(yǎng)分含量及微生物生物量碳氮磷含量存在顯著的相關性,其活性變化是多因子綜合作用的結果,不同酶活性變異的主導因子不同。冗余分析表明土壤含水量、微生物生物量碳、氮、磷和全氮是驅動土壤酶活性的主要環(huán)境因子。