川西亚高山森林土壤碳氮循环的土壤酶活性

川西亚高山森林土壤碳氮循环的土壤酶活性

森林土壤酶系统是森林土壤中生物活性的产物，与森林土壤的理化性质、土壤水热、土壤代谢、土壤生物区系、植物和微生物（动物和微生物）的数量和生物多样性密切相关。它的活性受到各种生态因素的综合影响。目前，森林土壤酶系统是最活跃的生物活性物质，如物质循环和能量流动，在森林生态系统的重要过程中发挥着重要作用。例如，研究表明，不同植物群落的土壤酶活性的季节变化非常不同。因此，对不同植物群落的土壤酶活性季节变化进行比较，分析和比较不同植物群落的生态功能之间的差异，理解其生态系统过程，对其他土壤物理和化学性质进行研究是不可或缺的。川西亚高山森林生态系统主要分布在长江上游,是长江上游森林的主体和长江流域的重要生态屏障,对于维持区域小气候、涵养水源和水土保持等具有十分重要的意义.岷江冷杉(Abiesfaxoniana)林和白桦(Betulaplatyphylla)林是川西亚高山的主要植被类型,在川西亚高山森林生态系统中占有极其重要的地位.目前有关川西亚高山植被类型调查、结构和功能、林窗动态、森林水文效应以及森林凋落物动态等已经做了大量研究工作,但迄今为止,有关川西亚高山森林土壤酶的系统性研究尚未见报道.因此,本文拟通过对冷杉林和白桦林中与C、N循环有关的土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶以及脱氢酶等酶活性的季节动态的比较分析,以及土壤酶活性变化与植物群落类型、凋落物动态、土壤理化性质等生态因子之间关系的探讨,以期为了解川西亚高山森林生态系统过程,并深入研究其生态系统功能提供依据.1材料和方法1.1研究地区自然概况和群落特征王朗国家级自然保护区位于四川省平武县境内,λ(E)103°55′~104°15′,φ(N)32°49′~33°02′,halt2300~4980m,处于青藏高原到四川盆地的过渡地带,丹巴-松潘半湿润气候.样地年平均降水量为805.2mm,降雨主要集中在4月份到10月份,年平均温度为2.9℃,≥10℃的年积温为1056.5℃,1月份平均温度为-6.1℃,7月份平均温度为12.7℃.保护区内的主要林型包括暗针叶林,针阔混交林和阔叶林.本项研究选取的冷杉林和白桦林的实验样地的自然概况和群落特征见表1.1.2样品的采集和采样在群落内挖3个典型的土壤剖面,分A、B、C三层,分别取每个土壤层次中央的土样约500g,立即带回实验室,去除石块、根系和土壤动物,自然风干后,碾碎过2mm筛,储存于广口瓶中,4℃储藏保存待测.每次取样均在同一土壤剖面,但在取样前对剖面进行适当修饰,去除表面的一些土壤,然后再采样(冷杉林地内的土壤分化不完全,只分化出了A、C层,所以缺少冷杉林B层土壤的土样).采样时间分别为:2002年4月16日,5月30日,7月14日,8月28日和10月9日,每次间隔时间约45d.1.3实验方法1.3.1开氏定氮法测定总氮含量的测定土壤有机质含量的测定:重铬酸钾法;土壤pH值的测定:电位法;土壤全氮含量的测定:开氏定氮法;土壤全磷含量的测定:碳酸钠熔融法;土壤全钾含量的测定:氢氧化钠熔融法;土壤有效氮含量的测定:碱解扩散法;有效磷含量的测定:碳酸氢钠法;速效钾含量的测定:乙酸铵提取法.测定结果见表2.1.3.2活性的测定过氧化氢酶活性的测定采用高锰酸钾滴定法,活性单位以1g土样在1h反应后消耗的0.1molL-1KMnO4溶液的毫升数来表示,1U=1mLg-1h-1.蔗糖酶活性的测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法,活性单位以1g土样在37℃的条件下,经过24h反应后水解生成的葡萄糖的毫克数来表示,1U=1mgg-1(24h)-1.蛋白酶活性的测定采用茚三酮比色法,活性单位以1kg土样在37℃的条件下,经过24h反应后水解生成的氨基氮的毫克数来表示,1U=1mgkg-1(24h)-1.多酚氧化酶活性的测定采用碘量滴定法,活性单位以用于滴定相当于1g土样滤液的0.01molL-1碘液的毫升数来表示,1U=1mLg-1min-1.脲酶活性的测定采用比色法,活性单位以1g土样在37℃的条件下,经过24h反应后水解生成的氨基氮的毫克数来表示,1U=1mgkg-1(24h)-1.脱氢酶活性的测定采用比色法,活性单位用1g土样在1h后生成的三苯基四唑氯化物的微克数来表示,1U=1μgg-1h-1).2结果与讨论2.1不同层系土壤酶的季节动态土壤酶活性的剖面分布特征可能反映了土壤受干扰的程度.如图1所示,川西亚高山冷杉林和白桦林的6种土壤酶活性在不同的采样时间均以A层土壤明显高于B、C层的土壤(P<0.05),白桦林中,B层的土壤酶活性高于C层.这与国内外绝大多数研究者关于未受扰动生态系统的土壤酶活性随着土壤深度增加,土壤酶活性降低的研究结果一致.这可能反映了本项研究的两个群落受人类活动的干扰相对较少的特点(考虑到A层土壤酶活性显著高于B、C层土壤酶活性,因此本文主要讨论A层土壤酶活性的季节变化).(a)脲酶;(b)蛋白酶;(c)蔗糖酶;(d)过氧化氢酶;(e)多酚氧化酶;(f)脱氢酶.图中(—)代表冷杉林土壤酶活性季节动态;(--)代表白桦林土壤酶活性季节动态.其中(Δ)代表腐殖质层土壤的酶活性;(●)代表淀积层土壤的酶活性;(○)代表母质层土壤的酶活性(a)urease,(b)protease,(c)invertase,(d)catalase,(e)polyphenoloxidase,and(f)dehydrase.(—)and(--)indicatingtheseasonalvariationsofsoilenzymeactivitiesinthefirandbirchforests,respectively,while(Δ),(●)and(○)aretheenzymeactivitiesinhumus,mineralandparentmateriallayersofsoil,respectively2.2个林型内多酚氧化酶活性的比较由图1可见,冷杉林和白桦林的土壤酶活性存在着不同程度的差异性,但这取决于土壤酶的类型、取样时间和土壤层次.A层的6种土壤酶活性均以白桦林高于冷杉林,但其差异性取决于采样的时间和土壤酶类本身.例如,脲酶和转化酶活性在绝大多数时间均以白桦林显著高于冷杉林(P<0.05);蛋白酶活性除5月份和10月份无显著差异外,其余均以白桦林显著高于冷杉林(P<0.05);过氧化氢酶活性在7、8月份无显著差异,其余均以白桦林显著高于冷杉林(P<0.05);而多酚氧化酶活性在温度较低的4月份和10月份,2个林型之间无显著差异,其余均以白桦林显著高于冷杉林(P<0.05);脱氢酶活性除5月份外均表现为白桦林显著高于冷杉林(P<0.05).这项研究结果没有支持“土壤酶活性与土壤有机质含量呈显著正相关,并随凋落物量的增加而增加”的结论.这是由于土壤酶活性是植物群落的结构、物种组成、物种丰富度和多样性以及土壤生态条件和微气候等综合作用的结果.尽管冷杉林的凋落物量、土壤有机质含量、土壤全氮磷钾含量均明显高于白桦林(表2),但由于针叶凋落物纤维素含量高,表皮富被蜡质层,透水性差,且C/N比较高,分解速率慢,而白桦叶凋落物含有大量的糖、氨基酸和脂肪酸等易被淋溶且及易分解的化合物,C/N比明显低于针叶,这更有利于土壤微生物的活动和繁衍,因而白桦林表层土壤酶活性高于冷杉林.这表明,土壤酶活性不仅受到土壤理化性质、微气候、凋落物量和凋落动态的影响,而且受到植物种类及其化学特征的影响.这与杨万勤等(1999)所得出的“森林土壤酶活性不仅与演替阶段和土壤理化性质相关,而且与植物群落的种类和组成有关”的结论相似.除了C层的脲酶和过氧化氢酶活性以冷杉林明显高于白桦林外,C层的其它4种酶活性没有明显差异.这主要是由于C层土壤受植被的影响相对于A层要小的多,而且冷杉林的土壤厚度比白桦林薄,因此,C层受到植被的影响较白桦林的C层土壤更大,导致了与A层土壤相反的变化特点.这也表明,植被是影响土壤酶活性的最为重要的因素之一.2.3不同类型土壤酶的季节变化脲酶能酶促有机质分子中的肽键水解,其产物是植物最重要的土壤速效氮;土壤微生物是土壤蛋白酶的主要来源,蛋白酶对土壤中氨基酸、蛋白质及含氮有机化合物的水解发挥重大作用,最终产物——氨基酸是植物生长发育所需的重要物质;蔗糖酶是与土壤有机碳转化相关的重要水解酶类,是一种重要的土壤质量指标.如图1(a~c)所示,冷杉林A层土壤的脲酶活性以10月份最高、C层的脲酶活性高峰出现在7月份;白桦林A层土壤脲酶活性以4月份最高,然后酶活性依次降低,但B、C层的酶活性没有明显的季节变化规律.两种群落中,A、B、C层的蛋白酶活性均以7月份最高.冷杉林A层的蔗糖酶活性以4月份最低,然后酶活性依次升高,10月份达到最高,而C层的蔗糖酶活性以7月份最高;白桦林A、B、C层的蔗糖酶活性均以7月份最高.可见,这3种水解酶类的季节变化规律存在较大差异,这取决于林型和土壤层次.这项研究并没有完全支持“土壤酶活性高峰主要出现在温度较高的季节”的结论.两个林型的土壤蛋白酶活性高峰都出现在温度较高的7月份,这可能是由于蛋白酶主要来源于土壤微生物的分泌,较高的土壤温度增强了与土壤蛋白酶有关的土壤微生物的活动,因而蛋白酶的活性高峰出现在7月份.脲酶和蔗糖酶的反应底物是含C、N元素的有机化合物.冷杉林的脲酶和蔗糖酶的活性高峰出现在10月份,这可能是由于10月份是冷杉林凋落物的凋落高峰,其“起爆剂效应”(primingeffect)导致了与土壤脲酶和蔗糖酶分泌有关的微生物活动,从而使这两种酶活性显著升高.而白桦林的脲酶和蔗糖酶的活性却没有呈现出这种变化,白桦林蔗糖酶活性的变化规律则表现为从4月份开始,随温度的上升而增强,直到7月份最高峰,然后酶活性逐渐减弱,似乎蔗糖酶活性随着凋落物高峰期的到来反而降低了,这可能就是因为植物群落的差异导致同一种土壤酶的季节动态明显不同;而白桦林的脲酶活性的季节变化则与冷杉林完全相反,目前的研究还不能完全解释它们的变化规律,尚需作进一步研究.2.4土壤酶活性的季节变化土壤过氧化氢酶能酶促土壤中过氧化氢的分解,有利于防止过氧化氢的毒害作用;多酚氧化酶活性能够反映土壤腐殖质化状况,它参与土壤有机组分中芳香族化合物的转化作用,能进行去甲基化反应,对于木质素降解具有重要作用;脱氢酶可以作为一种测量土壤呼吸强度的媒质,其活性能够象征土壤微组织的生物呼吸强度,可以代表各种微生物区系的大小和活性.如图1(d~f)所示,土壤氧化还原酶活性也存在明显的季节变化规律,但酶活性高峰则与林型和土壤酶类本身有关.冷杉林的土壤过氧化氢酶活性高峰都出现在7月份,而白桦林的土壤过氧化氢酶活性高峰出现在4月份,两种林型的土壤多酚氧化酶活性高峰都出现在10月份,脱氢酶活性高峰都出现在8月份.可见,不同的氧化还原酶类,由于其参与氧化还原作用的途径和催化底物不同,因而在不同的林型和土壤层次有较大差异.冷杉林和白桦林的土壤过氧化氢酶活性高峰分别出现在7月份和4月份,对于防止过量的过氧化氢对土壤的毒害,维持土壤健康水平具有重要意义.土壤多酚氧化酶活性高峰出现在10月份,对于促进凋落物高峰时产生的大量凋落物中的木质素降解和有机物质的腐殖质化具有重要作用.脱氢酶的酶活性高峰出现在温度较高的7、8月份,即土壤微生物活性最强的时期,这印证了脱氢酶可以作为一种测量土壤呼吸强度的媒质,其活性能够象征土壤微组织的生物呼吸强度,可以代表各种微生物区系的大小和活性的观点.3冷杉林a层土壤酶活性的季节动态土壤酶活性在森林土壤生态系统的物质循环中扮演着重要的角色.对冷杉林和白桦林中土壤脲酶、蛋白酶、转化酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶和脱氢酶活性的研究表明:在两个植物群落中6种土壤酶活性均以A层土壤高于B、C层土壤.白桦林A层土壤酶活性普遍高于冷杉林腐殖质层的土壤酶活性,而C层的脲酶和过氧化氢酶活性以冷杉林明显高于白桦林,C层的其它4种酶活性没有显著