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土壤酶是一类主要来源于土壤微生物的生物催化剂,是微生物参与生物地球化学循环过程的核心动力[1]。为了获取碳(C)、氮(N)、磷(P)等构成生命有机体的基础元素完成自身新陈代谢的需求,微生物将分泌相应的胞外酶转化土壤有机质中C、N、P元素[2],微生物分泌碳转化酶β-葡萄糖苷酶(BG)、氮转化酶β-乙酰葡糖胺糖苷酶(NAG)和磷转化酶磷酸单酯酶(AP)。通常认为,土壤酶活性变化指示了微生物养分需求特征和土壤养分状况[3-6]。
随着生态化学计量学理论的应用,反映微生物和土壤酶活性内在关系的土壤酶化学计量的概念被提出[7-8]。Sinsabaugh等[9]研究发现,在全球尺度上,土壤C、N、P酶化学计量比总体上呈1∶1∶1的关系,这一理论揭示了土壤微生物养分需求与土壤养分有效性之间生物地球化学平衡模式。土壤酶活性对土壤养分变化和环境胁迫响应极为敏感[3, 10],有研究认为,土壤酶生态化学计量比可以指示土壤微生物能量和养分资源限制状况及土壤质量、生物地球化学循环的特征[11-12]。Xu等[13]调查中国东南地区从南到北森林样带C、N、P养分获得酶活性及其化学计量特征发现,土壤酶C∶N和N∶P较低的比值指示了我国热带森林生态系统土壤微生物受到P养分元素的限制。近些年,从土壤酶化学计量角度分析土壤微生物的养分限制逐渐成为土壤生态学领域研究的热点话题之一。
林分是土壤养分的重要影响因素[14],但目前关于不同林分对土壤酶活性及其生态化学计量比影响特征的研究相对较少,其中,凋落物和根系是土壤养分的主要输入源,不同林分类型(如树种)的凋落物输入和根系变化影响着土壤养分的有效性[15-16]。左巍等[17]对青藏高原不同树种凋落物养分状况的研究发现,华北落叶松、云杉、白桦林之间凋落物养分状况差异显著。弓文艳等[18]对不同林分土壤C、N含量变化的研究表明,落叶松林土壤C、N和C/N比值显著高于油松林和落叶松-油松-刺槐混交林,不同林分类型土壤C、N含量之间的差异与其凋落物有关。另外,不同树种产生的根系分泌物也不相同[19]。土壤是土壤微生物直接的能量和养分来源,不同树种的凋落物和根系分泌物变化所引起的土壤养分变化也会带来土壤微生物对能量和养分需求的变化,那么不同树种土壤微生物能量和养分需求将如何变化?目前相关方面的研究报道相对不足,很大程度上限制了对微生物参与的生物地球化学过程的深入理解。因此,有必要开展林分对土壤酶及其生态化学计量比的研究,以进一步理解土壤微生物的养分需求特征。
神农架地处我国秦巴山地,是湖北境内长江与汉水的分水岭、南水北调中线工程重要的水源涵养地、三峡库区最大的天然绿色屏障,拥有当今世界中纬度地区保持完好的亚热带森林生态系统,生态地位十分重要,因而备受关注。神农架人工林现保存面积42605 hm2,占湖北省森林面积30%左右[20],其中,水杉(Metasequoia glyptostroboides Hu et W. C. Cheng)、柳杉(Cryptomeria japonica var. sinensis Miquel)、落叶松(Larix gmelinii (Ruprecht) Kuzeneva)和华山松(Pinus armandii Franch)是该地区的主要造林树种。因此,本研究选取神农架上述4种典型人工林土壤为研究对象,分析其土壤酶活性及其生态学计量比变化特征,并进一步分析土壤酶活性及其生态学计量比的影响因素,以期更好地认识本区域土壤微生物能量和养分资源的限制状况,为该区域林地养分循环的改善提供一定的理论参考。
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神农架林区地处湖北西北部,由兴山县、房县、巴东县的边缘部分组成(109°56′~110°58′ E,31°15′~31°57′ N),海拔1 755 m。属大巴山脉东延之余脉,为我国中部山地与东部丘陵低山区的过渡地带,相对高差达2 700 m。属北亚热带季风气候,是亚热带气候向温带气候过渡区域,主要受东南季风影响,年平均气温10.6℃,年平均日照率42%,相对湿度73%~75%,平均年蒸发量500~800 mm,年降水量800~2 500 mm。降水多集中于夏季,冬季较少,4—l0月的降水量占全年的70%以上,降水量随海拔的增高而增加。随海拔升高,依次呈现出亚热带、暖温带、中温带等多种气候类型。植被分布具有明显的垂直地带性,随海拔升高依次为常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林、针阔混交林、针叶林及灌丛。土壤具有自然的垂直带,随海拔升高自下而上土壤类型依次为:山地黄棕壤、山地棕壤、山地暗棕壤、山地棕色针叶林土和山地草甸土[21-23]。
本研究选取湖北林科院神农架生态站(31°18′00″~31°42′00″ N、109°56′24″~110°42′36″ E,海拔1 580 m)附近的水杉、柳杉、落叶松和华山松纯林人工林为研究对象,4种林分类型林龄大约40 a,林下植被群落类型相近,人为干扰少,具体林分立地状况见表1。
林分类型
Forest type海拔
Altitude/m坡度
Slope/(°)林分密度
Stand density/(株·hm−2)平均树高
Mean height of tree/m平均胸径
Mean diameter/cmMG 1 650 21~27 875±164 19.5 21.74 CF 1 640 9~15 792±206 24.5 20.45 LG 1 790 9~15 843±182 22.4 21.70 PA 1 580 3~7 956±139 12.0 14.68 注:MG: 水杉林;CF: 柳杉林;LG:落叶松林;PA:华山松林。下同
Notes:MG: Metasequoia glyptostroboides forest;CF:Cryptomeria japonica forest;LG:Larix gmelinii forest;PA:华山松林Pinus armandii forest.the same below.Table 1. Basic characteristics of four types of forest stands
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不同林分土壤化学性质间存在差异(表2),其中,柳杉林土壤SOC含量最高,且与水杉林和落叶松林的差异显著(P<0.05),华山松林土壤SOC含量也显著高于水杉林(P<0.05)。柳杉林土壤TN显著高于其他3个林分类型(P<0.05),其他3个林分间土壤TN含量差异不显著(P>0.05);柳杉林和华山松林土壤TP含量显著高于水杉林和落叶松林(P<0.05),柳杉林和华山松林土壤TP间差异显著(P<0.05),水杉林和落叶松林间土壤TP含量差异不显著(P>0.05);华山松林土壤C∶N最高,与其他3个林分C∶N之间差异显著(P<0.05),落叶松林和柳杉林土壤C∶N也显著高于水杉林(P<0.05);落叶松林土壤C∶P、N∶P显著高于其他3个林分(P<0.05),华山松林土壤C∶P、N∶P最低,显著低于水杉林和柳杉林(P<0.05),水杉林和柳杉林之间土壤C∶P、N∶P差异不显著(P>0.05);水杉林和柳杉林土壤pH值较高,与落叶松林和华山松林土壤pH值之间差异显著(P<0.05),落叶松林土壤pH值最低,与华山松林土壤pH值之间差异显著(P<0.05)。
林分类型
Forest type有机碳
SOC/(g·kg−1)全氮
TN/(g·kg−1)全磷
TP/(g·kg−1)碳氮比
C∶N碳磷比
C∶P氮磷比
N∶PpH值 MG 32.08±0.70 a 2.54±0.01 a 0.61±0.01 a 12.61±0.30 a 52.23±1.80 b 4.14±0.05 b 7.10±0.22 c CF 46.91±0.70 c 3.50±0.02 b 0.86±0.01 b 13.42±0.28 b 54.33±0.40 b 4.05±0.09 b 7.13±0.12 c LG 37.00±6.88 ab 2.82±0.53 a 0.57±0.16 a 13.12±0.04 b 66.38±8.31 c 5.06±0.62 c 5.53±0.05 a PA 40.89±0.70 bc 2.70±0.02 a 1.06±0.12 c 15.13±0.05 c 38.98±4.65 a 2.58±0.30 a 6.34±0.07 b 注:不同小写字母代表不同林分类型之间差异性显著(P<0.05),下同。
Notes: Different lowercase letters indicate significant difference among different forest stands (P<0.05). SOC:soil organic carbon;TN: total nitrogen;TP:total phosphorus;C:N:the ratio of carbon and nitrogen;C:P:the ratio of carbon and phosphorus;N:P:the ratio of nitrogen and phosphorus.the same below.Table 2. Soil chemical properties of four types of forest stands
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不同林分类型之间土壤酶活性存在差异(图1),落叶松林土壤酶活性最高,其中,水杉林BG活性显著低于其他3个林分(P<0.05),其他3个林分之间土壤BG活性差异性不显著(P>0.05);落叶松林土壤NAG活性显著高于其他3个林分(P<0.05),但其他3个林分间土壤NAG活性差异不显著(P>0.05);不同林分间土壤AP活性差异不显著(P>0.05)。
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不同林分土壤酶的生态化学计量比存在差异(图2)。不同林分土壤酶BG∶NAG(酶C∶N)大小顺序为柳杉林>华山松林>落叶松林>水杉林,柳杉林和华山松林土壤酶BG∶NAG与落叶松林和水杉林间差异显著(P<0.05),落叶松林和水杉林间土壤酶BG∶NAG差异也显著(P<0.05);水杉林土壤酶BG∶AP显著低于其他3个林分(P<0.05),其他3个林分之间差异不显著(P>0.05);不同林分土壤酶NAG∶AP(酶N∶P)大小顺序为落叶松林>华山松林>水杉林>柳杉林,落叶松林土壤酶NAG∶AP与其他3个林分间差异显著(P<0.05),其他3个林分间差异不显著(P>0.05)。
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不同林分土壤酶活性及其生态化学计量比的主成分分析结果(图3)表明:PCA1轴可以解释不同林分差异的77.73%,该轴与BG酶(R=−0.99)、AP酶(R=−0.72)、BG∶AP(R=−0.99)和BG∶NAG(R=−0.78)具有较高的相关性;水杉林与其他3个林分沿PCA1具有明显的分异。PCA2轴可以解释不同林分类型之间差异的21.78%,该轴与NAG酶(R=0.88)、BG∶NAG(R=−0.62)和NAG∶AP(R=0.93)具有较高的相关性;落叶松林与柳杉林之间沿PCA2轴具有明显的分异。RDA分析结果(图4)显示:7个土壤化学性质指标共解释了土壤酶活性及计量比变异的94.67%。土壤pH(P=0.01)和SOC(P=0.002)是影响土壤酶活性和酶化学计量比的主要因子,分别解释了土壤酶活性和土壤酶化学计量比40.23%和41.42%的变异。
Figure 3. Principle analysis (PCA) of soil enzyme activity and stoichiometry in different forest stands
Figure 4. Redundancy analysis (RDA) of the effect of soil chemical properties on soil enzyme activity and stoichiometry in different forest stands
土壤酶及其化学计量比与土壤化学性质Pearson相关分析(表3)表明:土壤BG和NAG活性与土壤pH显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)负相关;土壤BG∶NAG与土壤SOC极显著(P<0.01)正相关,与TN、TP和C∶N显著正相关(P<0.05);土壤BG∶AP与土壤C∶N显著正相关(P<0.05),与土壤pH显著负相关(P<0.05);土壤NAG∶AP与土壤pH极显著负相关(P<0.01)。
指标 Indicator SOC TN TP C:N C:P N:P pH BG 0.586* 0.363 0.388 0.570 0.071 −0.082 −0.660* NAG −0.121 −0.115 −0.230 −0.023 0.387 0.340 −0.872** AP 0.603* 0.455 0.312 0.240 0.070 0.004 −0.472 BG:NAG 0.814** 0.589* 0.645* 0.648* −0.224 −0.359 −0.009 BG:AP 0.548 0.319 0.389 0.614* 0.054 −0.108 −0.658* NAG:AP −0.313 −0.291 −0.362 −0.097 0.417 0.384 −0.875** 注:*: P <0.05;**: P <0.01. BG:β-葡萄糖甘酶;NAG:β-乙酰葡糖胺糖苷酶;AP:磷酸单酯酶。
Notes:*:P<0.05;**:P<0.01. BG:β-glucosidase;NAG:β-acetylglucosidase;AP:acid phosphatase.Table 3. The relationship between soil enzyme activities or stoichiometry and soil chemical properties.
Soil Enzyme Activity and Its Ecological Stoichiometry in Four Typical Coniferous Planted Forests in Shennongjia National Nature Reserve, China
- Received Date: 2020-01-06
- Accepted Date: 2020-05-19
- Available Online: 2020-08-01
Abstract: