杉木人工林不同发育阶段土壤纤维素酶活性变化规律及机理的研究

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以江西省大岗山国家级森林生态定位站不同发育阶段杉木人工林作为研究对象,在比较幼龄林、中龄林、成熟林和过熟林土壤理化性质和微生物数量变化的基础上,分析了不同发育阶段下表层土壤的纤维素酶活性和动力学参数特征,利用相关分析、主成分分析等数学方法,进一步分析了纤维素酶绝对活性与其他土壤指标的关系,并从酶的比活性概念和动力学角度,深入探讨了纤维素酶绝对活性变化的内在机理。结果表明:1)在杉木人工林的整个发育过程中,总孔隙度、有机碳含量、全氮含量、有效磷含量和微生物数量均表现出从幼龄林到中龄林阶段显著下降,从中龄林阶段后显著上升,并一直持续到过熟林阶段;土壤密度则表现出相反的变化趋势。主成分分析结果进一步表明,杉木人工林的不同发育阶段的土壤肥力水平不同,为过熟林>幼龄林>成熟林>中龄林。纤维素酶活性特证是土壤肥力水平变化的重要影响因素之一,属于影响土壤肥力的第一主成分。因此,研究纤维素酶活性的变化机理对了解和掌握杉木人工林不同发育阶段土壤肥力变化具有一定指导意义。2)杉木人工林土壤纤维素酶催化酶促反应的速率在0到4小时之间最快,之后逐渐降低,到24小时反应速度已经接近于0。因此0到4小时之间是土壤纤维素酶酶促反应的初速度阶段。在杉木人工林的整个发育过程中,土壤纤维素酶活性表现出幼龄林到中龄林阶段显著下降,中龄林到成熟林显著上升,成熟林到过熟林继续上升的变化特征。纤维素酶的活性与除土壤速效钾含量外的其他土壤理化指标均表现出显著或极显著相关,且与土壤中微生物数量和细菌数量极显著相关,反映出在杉木人工林的土壤中,纤维素酶活性对土壤质量的变化十分敏感,可以和其他土壤理化性质共同作为衡量杉木人工林土壤质量状况的指标之一。3)杉木人工林不同发育阶段土壤纤维素酶绝对活性变化机理不同。在幼龄-中龄林阶段,酶底物亲和力的增加虽然在相当程度上阻碍绝对活性的降低,但酶量的大量减少仍然导致绝对活性的大幅下降,这是由于杉木林快速生长消耗了土壤中大量的养分,同时掉落物不足,导敏土壤质量下降,产生纤维素酶的土壤微生物减少。在中龄-成熟林阶段,酶量的变化仍是影响绝对活性的主导因素,因为土壤质量的恢复,林下微生物增加,产生的纤维素酶增加。在过熟林阶段,酶量的增加和酶-底物亲和力的增强共同促进了绝对活性的提高,使其达到整个阶段的最高值。在整个发育过程中,土壤微生物是纤维素酶的主要来源,微生物数量决定了土壤中纤维素酶的数量。土壤粘粒含量通过改变酶在土壤中的存在状态,影响着酶与底物的亲和力。
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