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摘 要 为探究南方人工林生态系统土壤酶活性对硫、氮复合沉降的响应机制,本研究采用二元二次正交回归旋转设计方法,设置16个硫、氮复合沉降处理组和1个空白对照组,研究1 a硫、氮复合沉降下邓恩桉人工幼龄林土壤上层(0~20 cm)和下层(20~40 cm)的酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性与硫、氮复合沉降之间关系,并建立回归模型。对17组数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA),结果显示除上、下层过氧化氢酶活性组间差异均不显著外(p>0.05),酸性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性组间均存在差异显著的土壤分层(p<0.05)。利用土壤分层中差异显著的酸性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性进行分析、建模,结果表明:酸性磷酸酶仅对氮沉降的独立效应响应显著,与空白对照组相比,氮沉降抑制酸性磷酸酶活性;脲酶仅对硫沉降和氮沉降的独立效应响应显著,且脲酶活性在硫、氮沉降下降低,以氮沉降抑制作用最强;蔗糖酶对硫、氮沉降的独立效应和交互作用均响应显著,表现出硫、氮沉降抑制蔗糖酶活性的特征。研究表明,1 a硫、氮沉降抑制邓恩桉人工幼龄林红壤表层(0~40 cm)的土壤酶活性,引起土壤肥力降低。
关键词 硫、氮复合沉降;邓恩桉人工林;二次回归旋转设计;土壤酶
中图分类号 Q143.4;S154.1 文献标识码 A
Abstract In order to explore response mechanism of enzymes activity to sulfur and nitrogen complex depositions in Southern plantation ecosystems, this study used quadratic rotating orthogonal regression designs method and set 16 sulfur, nitrogen complex depositions treatments groups and a control group to explore the relations between soil acid phosphatase, urease, invertase and catalase activity and sulfur, nitrogen depositions in the upper soil stratification(0-20 cm)and lower soil stratification(20-40 cm)of a young Eucalyptus dunnii plantation, and the regression models were established. Using 17 sets of data to make one-way ANOVA, the results showed except the catalase activity differences between groups in upper soil stratification and lower soil stratification were all not significant(p>0.05), acid phosphatase, urease and invertase activity all existed one significant differences stratification between groups in soil(p>0.05). Using acid phosphatase, urease and invertase whose differences were significant in soil stratification to make regression analysis, the results showed acid phosphatase only responded to nitrogen deposition independent effect significantly, compared with the control group, the nitrogen deposition inhibited acid phosphatase activity; urease only responded to sulfur, nitrogen deposition independent effect significantly, and urease activity decreased under sulfur, nitrogen depositions, and independent effect of nitrogen deposition was stronger; invertase activity responded to sulfur, nitrogen deposition independent effects and interactions all significantly, showing sulfur, nitrogen depositions inhibited invertase activity. This study showed 1a sulfur, nitrogen depositions decreased soil enzymes activity in red soil stratification(0-40 cm)in young Eucalyptus dunnii plantation and caused soil fertility to reduce.
Key words Nitrogen and sulfur depositions;Eucalyptus dunnii plantation;Quadratic rotating orthogonal regression design;Soil enzymes doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.03.010
酸沉降是指pH<5.6的大气酸性物质通过降雨、对流和重力作用等降落到地面的过程[1]。酸沉降主要由硫沉降和氮沉降组成。硫沉降以硫氧化物和硫酸盐形式为主,氮沉降主要为铵根化合物和氮氧化物形态[2]。前人研究表明,持续增高的硫、氮沉降对森林生态系统尤其是土壤系统造成深刻影响[3]。为应对酸沉降过量产生的影响,美国和欧洲地区率先施行了酸沉降治理,并有效降低硫沉降,但对氮沉降的影响甚小[4-5]。酸沉降过量已成为一个全球性的问题,我国作为世界第三大氮沉降集中区[3,6],大气氮沉降的增加已造成国内部分工业高速发展区域水域生态系统氮富集和陆地生态系统氮饱和问题,并引起科学家和公众的广泛关注[7],成为当前的研究热点之一。
土壤酶作为土壤中一种具有生物催化能力的高分子蛋白活性物质[8],在森林生态系统物质循环和能量流动过程中发挥重要作用。由于活性与土壤类型、理化性质等密切相关,土壤酶是评价土壤质量及土壤肥力的重要指标之一[9]。因此,研究酸沉降对土壤酶的影响具有重要意义。目前,国内开展了大量的土壤酶对氮沉降响应的研究[10-12],土壤酶对单一硫沉降的报道相对较少,而关于土壤酶对氮、硫复合沉降响应的报道更为少见。由此可见,国内不同酸沉降条件下土壤酶活性的响应特征研究尚存不足。
邓恩桉是福建省主要引进桉树种之一,可耐低温[13],立地条件较好时生长较快,经济价值较高。目前,国内对邓恩桉研究主要集中在引种[13]、林下土壤空间异质性[14]、凋落物[15]等方面,关于邓恩桉人工林土壤酶对酸沉降尤其是硫、氮复合沉降的相关报道较少。本文选择邓恩桉人工幼龄林为研究对象,通过对林地人为喷施外源硫、氮肥,探讨林下土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性对硫、氮复合沉降变化的响应,可丰富硫、氮沉降对中国亚热带人工林森林生态系统影响的相关研究,为邓恩桉的引种和推广等工作提供理论指导和技术支撑。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验样地位于福建省建阳市童游镇林场。建阳市地处武夷山南麓,位于东经117°31′~118°38′,北纬27°06′~27°43′。气候为中亚热带季风气候,温暖湿润,气候适宜,年平均降水量约1 700 mm,日照时数1 802 h,无霜期230~280 d。邓恩桉人工幼龄林种植地为马尾松和毛竹采伐迹地,林下土壤为山地红壤。在调查期邓恩桉林龄为3年生,林分密度1 675株/hm2,平均树高9.1 m,平均胸径8.57 cm。林下覆盖植被稀疏,主要为芒萁(Dicranopteris olichotoma)、 五节芒(Miscanthus floridulus)、 蕨类(Pteridium aquilinum var. latiusculum)等, 盖度3%~4%。样地属阳坡地,坡向为东西向,坡度为5°~20°。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 本试验采用二元二次正交旋转组合法[16]设计试验方案(表1)。依据二元二次正交旋转组合设计要求,本试验设计方案中因素个数P=2,与因子个数有关的参数mc=4,二水平全因子试验点mr=4,零水平变量重复试验点m0=8,即16组复合沉降处理,外加1组空白对照处理,共17组处理。每组处理设置4个重复。样地面积为20 m×20 m,在不同样地间设置缓冲带(带宽3 m)。在试验调查的基础上确认所有样地土壤理化性质相似(表2)。根据现阶段国内酸沉降率急剧上升的趋势和试验样地实际情况,以我国东南部硫沉降临界值与0.5倍森林生态系统最大同化力(33 kg/hm2·a)之和确定硫沉降零水平22 kg/hm2·a[17],参考肖辉林[18]和樊后保[19]的相关研究设计氮沉降零水平为70 kg/hm2·a。由于试验设计的全部处理组是在同一个野外环境下进行,因此忽略其他因素如自然环境中原有的硫、氮沉降对试验结果产生的影响,从而研究模拟硫、氮复合沉降下邓恩桉人工幼龄林土壤酶活性的变化。
1.2.2 模拟试验方法 于2009年7月1日建立模拟试验样地,以Na2SO4分析纯作为硫源、尿素CO(NH2)2(46%含氮量)作为氮源。在各月底,按照模拟沉降组合要求,将各样方需要施加的硫源、氮源混合并溶解于20 L清水,使用背式喷雾器分别在16组处理样地人工均匀喷洒混合溶液。对照组以相同方法喷洒同体积清水,以减小因增加的水造成的试验误差。试验过程中不作除草、翻地等处理。
1.2.3 样品采集、处理和测定 采用模拟硫、氮复合沉降1 a后,随机在68个样点布点,分层(上层0~20 cm,下层20~40 cm)取土样。取等量相同处理组的鲜土混合后放置于4 ℃冰箱中保存留用。
依据文献[20]测定土壤酶活性:采用磷酸苯二钠比色法测定酸性磷酸酶,以1 kg土壤1 h生成的苯酚数量(mg/kg·h)表示其活性;采用苯酚-次氯酸钠比色法测定脲酶,以1 kg土壤1 h生成的NH3-N的数量(mg/kg·h)表示脲酶活性;采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶, 以1 kg土壤1 h生成的葡萄糖数量(g/kg·h)表示蔗糖酶活性;采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶,以滴定过氧化氢用去的高锰酸钾量(mL/g·min)表示其活性。
1.2.4 数据处理 按照二元二次正交旋转组合统计法建立数学模型,对试验测得的17组数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD多重比较,显著性水平α=0.05。本研究利用16个处理组的64个样地的土壤酶数据建立酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶对于模拟硫、氮复合沉降的响应模型。由于NO.9-NO.16为中心点重复处理,所以在单因素方差分析和多重比较分析后对这8组值取平均值合并为一组进行分析、建模。利用SPSS19.0 和Excel2010软件对试验数据进行统计、分析和作图。 2 结果与分析
2.1 土壤酶活性的变化特征
1 a模拟硫、氮复合沉降后,测得的上、下层酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性见表3。试验结果表明上、下层CK组(空白对照组)的土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性均大于对应土壤分层处理组的土壤酶活性,而处理组的上层土壤酶活性均大于下层。
2.2 土壤酶活性对模拟硫、氮复合沉降的响应
单因素方差分析结果表明,仅土壤上层酸性磷酸酶、下层脲酶、下层蔗糖酶活性组间差异显著(p<0.05),上、下层土壤的过氧化氢酶活性组间差异均不显著(p>0.05)。依据二元二次正交旋转设计原理,利用测得的土壤上层酸性磷酸酶、下层脲酶、下层蔗糖酶活性进行分析、建模。
根据方程(5)、 (6)作硫沉降和氮沉降对蔗糖酶活性的主效应图(图3)和交互作用图(图4)。由图3、4可知,二因子对酸性磷酸酶活性的主效应曲线相似。与空白对照组相比,硫、氮沉降降低蔗糖酶活性。经计算得知,在硫、氮沉降编码水平均为0时蔗糖酶活性最低。
3 讨论与结论
本研究表明,1 a模拟硫、氮复合沉降下上层土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性分别大于下层土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性,土壤酶活性表现出随着土壤深度增加而降低的特征。在邓恩桉幼龄林土壤中,硫、氮复合沉降不会逆转这种趋势,这与杨远彪等[21]对连载桉树人工林土壤酶的研究一致。上、下层的土壤酶活性对硫、氮沉降的响应无相同规律,这与沈芳芳等[11]得出的氮沉降下土壤酶活性的响应差异以0~20 cm土层最为明显的结论不同,一方面可能是硫、氮沉降时间较短导致的,另一方面可能是由沉降方案不同引起的。
酸性磷酸酶可矿化有机磷,且酸性磷酸酶活性在反映磷转化和需求量方面发挥重要作用[22]。与Enrique A G等[23]此前得出的氮沉降可能对酸性磷酸酶有毒害作用的结论一致,本试验中酸性磷酸酶仅对氮沉降响应显著,表现出氮沉降抑制酸性磷酸酶活性的特征,这可能是酸沉降导致红壤中P元素流失加重,从而引起酸性磷酸酶活性降低。试验结果表明氮沉降抑制脲酶和蔗糖酶活性,这与宋学贵等[12]提出的氮沉降增强常绿阔叶林土壤脲酶活性的结论不同,也与沈芳芳[11]等得出的7 a氮沉降[240 kg/(hm2·a)]下杉木人工林蔗糖酶增加的结论不同,这可能是本试验沉降时长较短以及选择的树种与他人研究不同导致的。研究显示,氮沉降对脲酶活性的抑制作用大于硫沉降,这是因为脲酶与N元素的转化有关,脲酶活性对氮元素的响应比硫元素更显著。目前国内关于硫沉降对人工林下土壤酶活性的研究还较少,且在硫沉降对土壤养分循环、土壤微生物活性等方面存在争论,因此为摸清硫沉降下脲酶和蔗糖酶活性降低的响应机制,还需要做进一步的、更深层次的探究。试验结果中,仅蔗糖酶对硫、氮复合沉降的交互作用响应显著,说明与N、P等元素相比,硫、氮复合沉降对红壤中C元素的影响可能更显著,因此长期硫、氮沉降很有可能改变与C循环有关的土壤微生物的多样性,引起人工桉树林植株对C的吸收和利用能力发生变化。过氧化氢酶活性可反映土壤腐殖质化、有机质化的强度和速度[24]。试验结果中,硫、氮沉降对上、下层土壤过氧化氢酶活性影响不明显,这与Frey等[25]得出的过氧化氢酶对N沉降响应不显著的结论相似,但Gallo等[26]、杜红霞等[27]指出氮沉降可提高土壤过氧化氢酶活性,这说明不同研究区域、不同土壤类型的过氧化氢酶活性对酸沉降的响应机制不同。本研究中土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性在硫、氮沉降下降低,而土壤酶活性在一定程度上可表征土壤肥力,因此硫、氮沉降在一定范围内降低了邓恩桉人工幼龄林的土壤肥力,在硫、氮沉降量分别为22 kg S/hm2/a、77kg N/hm2/a时,肥力降低最大。
本模拟试验的时间跨度只有1 a,且土壤酶活性受环境条件如温度、降水、地形等影响较大,因此要想更加精确地探究邓恩桉人工林土壤酶活性对酸沉降的响应,还需要进一步的更长时间、更严格的监测试验。
参考文献
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关键词 硫、氮复合沉降;邓恩桉人工林;二次回归旋转设计;土壤酶
中图分类号 Q143.4;S154.1 文献标识码 A
Abstract In order to explore response mechanism of enzymes activity to sulfur and nitrogen complex depositions in Southern plantation ecosystems, this study used quadratic rotating orthogonal regression designs method and set 16 sulfur, nitrogen complex depositions treatments groups and a control group to explore the relations between soil acid phosphatase, urease, invertase and catalase activity and sulfur, nitrogen depositions in the upper soil stratification(0-20 cm)and lower soil stratification(20-40 cm)of a young Eucalyptus dunnii plantation, and the regression models were established. Using 17 sets of data to make one-way ANOVA, the results showed except the catalase activity differences between groups in upper soil stratification and lower soil stratification were all not significant(p>0.05), acid phosphatase, urease and invertase activity all existed one significant differences stratification between groups in soil(p>0.05). Using acid phosphatase, urease and invertase whose differences were significant in soil stratification to make regression analysis, the results showed acid phosphatase only responded to nitrogen deposition independent effect significantly, compared with the control group, the nitrogen deposition inhibited acid phosphatase activity; urease only responded to sulfur, nitrogen deposition independent effect significantly, and urease activity decreased under sulfur, nitrogen depositions, and independent effect of nitrogen deposition was stronger; invertase activity responded to sulfur, nitrogen deposition independent effects and interactions all significantly, showing sulfur, nitrogen depositions inhibited invertase activity. This study showed 1a sulfur, nitrogen depositions decreased soil enzymes activity in red soil stratification(0-40 cm)in young Eucalyptus dunnii plantation and caused soil fertility to reduce.
Key words Nitrogen and sulfur depositions;Eucalyptus dunnii plantation;Quadratic rotating orthogonal regression design;Soil enzymes doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.03.010
酸沉降是指pH<5.6的大气酸性物质通过降雨、对流和重力作用等降落到地面的过程[1]。酸沉降主要由硫沉降和氮沉降组成。硫沉降以硫氧化物和硫酸盐形式为主,氮沉降主要为铵根化合物和氮氧化物形态[2]。前人研究表明,持续增高的硫、氮沉降对森林生态系统尤其是土壤系统造成深刻影响[3]。为应对酸沉降过量产生的影响,美国和欧洲地区率先施行了酸沉降治理,并有效降低硫沉降,但对氮沉降的影响甚小[4-5]。酸沉降过量已成为一个全球性的问题,我国作为世界第三大氮沉降集中区[3,6],大气氮沉降的增加已造成国内部分工业高速发展区域水域生态系统氮富集和陆地生态系统氮饱和问题,并引起科学家和公众的广泛关注[7],成为当前的研究热点之一。
土壤酶作为土壤中一种具有生物催化能力的高分子蛋白活性物质[8],在森林生态系统物质循环和能量流动过程中发挥重要作用。由于活性与土壤类型、理化性质等密切相关,土壤酶是评价土壤质量及土壤肥力的重要指标之一[9]。因此,研究酸沉降对土壤酶的影响具有重要意义。目前,国内开展了大量的土壤酶对氮沉降响应的研究[10-12],土壤酶对单一硫沉降的报道相对较少,而关于土壤酶对氮、硫复合沉降响应的报道更为少见。由此可见,国内不同酸沉降条件下土壤酶活性的响应特征研究尚存不足。
邓恩桉是福建省主要引进桉树种之一,可耐低温[13],立地条件较好时生长较快,经济价值较高。目前,国内对邓恩桉研究主要集中在引种[13]、林下土壤空间异质性[14]、凋落物[15]等方面,关于邓恩桉人工林土壤酶对酸沉降尤其是硫、氮复合沉降的相关报道较少。本文选择邓恩桉人工幼龄林为研究对象,通过对林地人为喷施外源硫、氮肥,探讨林下土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性对硫、氮复合沉降变化的响应,可丰富硫、氮沉降对中国亚热带人工林森林生态系统影响的相关研究,为邓恩桉的引种和推广等工作提供理论指导和技术支撑。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验样地位于福建省建阳市童游镇林场。建阳市地处武夷山南麓,位于东经117°31′~118°38′,北纬27°06′~27°43′。气候为中亚热带季风气候,温暖湿润,气候适宜,年平均降水量约1 700 mm,日照时数1 802 h,无霜期230~280 d。邓恩桉人工幼龄林种植地为马尾松和毛竹采伐迹地,林下土壤为山地红壤。在调查期邓恩桉林龄为3年生,林分密度1 675株/hm2,平均树高9.1 m,平均胸径8.57 cm。林下覆盖植被稀疏,主要为芒萁(Dicranopteris olichotoma)、 五节芒(Miscanthus floridulus)、 蕨类(Pteridium aquilinum var. latiusculum)等, 盖度3%~4%。样地属阳坡地,坡向为东西向,坡度为5°~20°。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 本试验采用二元二次正交旋转组合法[16]设计试验方案(表1)。依据二元二次正交旋转组合设计要求,本试验设计方案中因素个数P=2,与因子个数有关的参数mc=4,二水平全因子试验点mr=4,零水平变量重复试验点m0=8,即16组复合沉降处理,外加1组空白对照处理,共17组处理。每组处理设置4个重复。样地面积为20 m×20 m,在不同样地间设置缓冲带(带宽3 m)。在试验调查的基础上确认所有样地土壤理化性质相似(表2)。根据现阶段国内酸沉降率急剧上升的趋势和试验样地实际情况,以我国东南部硫沉降临界值与0.5倍森林生态系统最大同化力(33 kg/hm2·a)之和确定硫沉降零水平22 kg/hm2·a[17],参考肖辉林[18]和樊后保[19]的相关研究设计氮沉降零水平为70 kg/hm2·a。由于试验设计的全部处理组是在同一个野外环境下进行,因此忽略其他因素如自然环境中原有的硫、氮沉降对试验结果产生的影响,从而研究模拟硫、氮复合沉降下邓恩桉人工幼龄林土壤酶活性的变化。
1.2.2 模拟试验方法 于2009年7月1日建立模拟试验样地,以Na2SO4分析纯作为硫源、尿素CO(NH2)2(46%含氮量)作为氮源。在各月底,按照模拟沉降组合要求,将各样方需要施加的硫源、氮源混合并溶解于20 L清水,使用背式喷雾器分别在16组处理样地人工均匀喷洒混合溶液。对照组以相同方法喷洒同体积清水,以减小因增加的水造成的试验误差。试验过程中不作除草、翻地等处理。
1.2.3 样品采集、处理和测定 采用模拟硫、氮复合沉降1 a后,随机在68个样点布点,分层(上层0~20 cm,下层20~40 cm)取土样。取等量相同处理组的鲜土混合后放置于4 ℃冰箱中保存留用。
依据文献[20]测定土壤酶活性:采用磷酸苯二钠比色法测定酸性磷酸酶,以1 kg土壤1 h生成的苯酚数量(mg/kg·h)表示其活性;采用苯酚-次氯酸钠比色法测定脲酶,以1 kg土壤1 h生成的NH3-N的数量(mg/kg·h)表示脲酶活性;采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶, 以1 kg土壤1 h生成的葡萄糖数量(g/kg·h)表示蔗糖酶活性;采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶,以滴定过氧化氢用去的高锰酸钾量(mL/g·min)表示其活性。
1.2.4 数据处理 按照二元二次正交旋转组合统计法建立数学模型,对试验测得的17组数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD多重比较,显著性水平α=0.05。本研究利用16个处理组的64个样地的土壤酶数据建立酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶对于模拟硫、氮复合沉降的响应模型。由于NO.9-NO.16为中心点重复处理,所以在单因素方差分析和多重比较分析后对这8组值取平均值合并为一组进行分析、建模。利用SPSS19.0 和Excel2010软件对试验数据进行统计、分析和作图。 2 结果与分析
2.1 土壤酶活性的变化特征
1 a模拟硫、氮复合沉降后,测得的上、下层酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性见表3。试验结果表明上、下层CK组(空白对照组)的土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性均大于对应土壤分层处理组的土壤酶活性,而处理组的上层土壤酶活性均大于下层。
2.2 土壤酶活性对模拟硫、氮复合沉降的响应
单因素方差分析结果表明,仅土壤上层酸性磷酸酶、下层脲酶、下层蔗糖酶活性组间差异显著(p<0.05),上、下层土壤的过氧化氢酶活性组间差异均不显著(p>0.05)。依据二元二次正交旋转设计原理,利用测得的土壤上层酸性磷酸酶、下层脲酶、下层蔗糖酶活性进行分析、建模。
根据方程(5)、 (6)作硫沉降和氮沉降对蔗糖酶活性的主效应图(图3)和交互作用图(图4)。由图3、4可知,二因子对酸性磷酸酶活性的主效应曲线相似。与空白对照组相比,硫、氮沉降降低蔗糖酶活性。经计算得知,在硫、氮沉降编码水平均为0时蔗糖酶活性最低。
3 讨论与结论
本研究表明,1 a模拟硫、氮复合沉降下上层土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性分别大于下层土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性,土壤酶活性表现出随着土壤深度增加而降低的特征。在邓恩桉幼龄林土壤中,硫、氮复合沉降不会逆转这种趋势,这与杨远彪等[21]对连载桉树人工林土壤酶的研究一致。上、下层的土壤酶活性对硫、氮沉降的响应无相同规律,这与沈芳芳等[11]得出的氮沉降下土壤酶活性的响应差异以0~20 cm土层最为明显的结论不同,一方面可能是硫、氮沉降时间较短导致的,另一方面可能是由沉降方案不同引起的。
酸性磷酸酶可矿化有机磷,且酸性磷酸酶活性在反映磷转化和需求量方面发挥重要作用[22]。与Enrique A G等[23]此前得出的氮沉降可能对酸性磷酸酶有毒害作用的结论一致,本试验中酸性磷酸酶仅对氮沉降响应显著,表现出氮沉降抑制酸性磷酸酶活性的特征,这可能是酸沉降导致红壤中P元素流失加重,从而引起酸性磷酸酶活性降低。试验结果表明氮沉降抑制脲酶和蔗糖酶活性,这与宋学贵等[12]提出的氮沉降增强常绿阔叶林土壤脲酶活性的结论不同,也与沈芳芳[11]等得出的7 a氮沉降[240 kg/(hm2·a)]下杉木人工林蔗糖酶增加的结论不同,这可能是本试验沉降时长较短以及选择的树种与他人研究不同导致的。研究显示,氮沉降对脲酶活性的抑制作用大于硫沉降,这是因为脲酶与N元素的转化有关,脲酶活性对氮元素的响应比硫元素更显著。目前国内关于硫沉降对人工林下土壤酶活性的研究还较少,且在硫沉降对土壤养分循环、土壤微生物活性等方面存在争论,因此为摸清硫沉降下脲酶和蔗糖酶活性降低的响应机制,还需要做进一步的、更深层次的探究。试验结果中,仅蔗糖酶对硫、氮复合沉降的交互作用响应显著,说明与N、P等元素相比,硫、氮复合沉降对红壤中C元素的影响可能更显著,因此长期硫、氮沉降很有可能改变与C循环有关的土壤微生物的多样性,引起人工桉树林植株对C的吸收和利用能力发生变化。过氧化氢酶活性可反映土壤腐殖质化、有机质化的强度和速度[24]。试验结果中,硫、氮沉降对上、下层土壤过氧化氢酶活性影响不明显,这与Frey等[25]得出的过氧化氢酶对N沉降响应不显著的结论相似,但Gallo等[26]、杜红霞等[27]指出氮沉降可提高土壤过氧化氢酶活性,这说明不同研究区域、不同土壤类型的过氧化氢酶活性对酸沉降的响应机制不同。本研究中土壤酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性在硫、氮沉降下降低,而土壤酶活性在一定程度上可表征土壤肥力,因此硫、氮沉降在一定范围内降低了邓恩桉人工幼龄林的土壤肥力,在硫、氮沉降量分别为22 kg S/hm2/a、77kg N/hm2/a时,肥力降低最大。
本模拟试验的时间跨度只有1 a,且土壤酶活性受环境条件如温度、降水、地形等影响较大,因此要想更加精确地探究邓恩桉人工林土壤酶活性对酸沉降的响应,还需要进一步的更长时间、更严格的监测试验。
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