周紅娟，耿玉清*，王玲，楊英，楊雨果

1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083；2.北京市八達(dá)嶺林場(chǎng)，北京 102112

油松人工林不同林窗位置凋落物酶活性的變化

周紅娟1，耿玉清1*，王玲2，楊英1，楊雨果1

1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083；2.北京市八達(dá)嶺林場(chǎng)，北京 102112

研究林窗不同位置對(duì)凋落物酶活性變化的影響，可為促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)、森林更新和提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供理論依據(jù)。在北京八達(dá)嶺地區(qū)油松（Pinus tabulaeformis）人工林中，選擇形成時(shí)間為1年、面積為40～50 m2的林冠林窗為研究對(duì)象，分別在林窗中心、林緣和林下樣地，采集未分解凋落物（L層）和半分解凋落物（F層）樣品，分析不同林窗位置的凋落物化學(xué)性質(zhì)和酶活性，并探討不同化學(xué)性質(zhì)凋落物對(duì)酶活性的影響。結(jié)果表明，林窗中心凋落物的水溶性有機(jī)碳、易氧化碳、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于林緣和林下；林緣凋落物的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于林窗中心和林下；而凋落物的pH值和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同林窗位置間的差異不顯著。與林下凋落物酶活性相比，林窗中心的α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、幾丁質(zhì)酶、亮氨酸氨基肽酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶和過氧化物酶活性分別顯著提高了26.75%、31.29%、32.17%、53.41%、11.24%、8.19%和10.03%；而相應(yīng)的林緣凋落物的酶活性則分別顯著提高了20.94%、10.74%、22.25%、26.78%、22.88%、3.55% 和20.32%；凋落物脫氫酶活性在不同林窗位置間的差異不顯著。雙因素方差分析表明，凋落物層次對(duì)凋落物化學(xué)性質(zhì)和酶活性的影響程度大于林窗位置及兩者的交互作用。回歸分析表明，凋落物水溶性有機(jī)碳和銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加可促進(jìn)酶活性的提高?？傮w來說，林窗不同位置對(duì)凋落物化學(xué)性質(zhì)和酶活性具有顯著影響，在研究過程中應(yīng)關(guān)注凋落物層次的作用。

油松人工林；林窗位置；凋落物層次；酶活性；化學(xué)性質(zhì)

林窗是冠層樹木死亡或倒伐后所形成的冠層空間（Muscolo et al.，2014）。林窗特征直接影響到林窗內(nèi)光照、溫濕度等微環(huán)境的變化（管云云等，2016），對(duì)促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)、森林更新和提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有重要作用（Zhu et al.，2015）。因此，有關(guān)林窗效應(yīng)的研究被廣泛關(guān)注。隨著林窗對(duì)植物多樣性、植被恢復(fù)與演替等地上問題研究的深入，林窗特征對(duì)森林土壤性質(zhì)影響的研究日益豐富（Muscolo et al.，2010；Schliemann et al.，2014）。林窗面積是反映林窗特征的重要指標(biāo)之一，而凋落物分解狀況是反映土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)。國內(nèi)外學(xué)者主要圍繞不同大小林窗對(duì)凋落物的分解速率（Lin et al.，2015）、凋落物分解過程中細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)（張明錦等，2015）以及凋落物不同組分如水溶性組分和難降解物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化（徐李亞等，2015；吳慶貴等，2016；張艷等，2015）進(jìn)行了研究。此外，不少學(xué)者也研究了不同大小林窗的土壤水熱狀況（Latif et al.，2010）、土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)（宋小艷等，2014）、土壤養(yǎng)分特征（李建平等，2015）、土壤微生物生物量及酶活性的變化（Hu et al.，2016；Pang et al.，2016）。

在研究林窗大小對(duì)森林土壤效應(yīng)的同時(shí)，也關(guān)注林窗位置效應(yīng)的研究。目前林窗位置的劃分主要是林窗中心、林緣（林冠林緣或擴(kuò)展林緣）或林窗（林冠林窗或擴(kuò)展林窗）和林下（歐江等，2014；徐李亞等，2014）。不同的林窗位置會(huì)導(dǎo)致林冠層光照、熱量和水分的重新分配（He et al.，2015；Duguid et al.，2013）。已有研究表明，林窗中心可加速凋落葉質(zhì)量損失與養(yǎng)分釋放（劉華等，2017），促進(jìn)凋落物半纖維素的降解（李晗等，2015），提高凋落物水溶性氮和磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（徐李亞等，2014）。也有研究發(fā)現(xiàn)，凋落物全碳和總酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同林窗位置間的差異不顯著（李勛等，2016；張艷等，2016）。就森林土壤而言，林窗中心的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（李志萍等，2015）、微生物生物量（歐江等，2014；張明錦等，2016）以及水解酶活性（Muscolo et al.，2007）均顯著高于林下。

作為土壤有機(jī)質(zhì)的主要來源，微生物將地上的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移至土壤表面，對(duì)維持森林生態(tài)系統(tǒng)的生物小循環(huán)具有重要意義。凋落物酶是催化凋落物分解的蛋白質(zhì)，是反映生態(tài)環(huán)境變化的敏感性指標(biāo)（Foudyl-Bey et al.，2016）。研究凋落物酶活性的變化，對(duì)了解凋落物的分解特征、促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)和森林更新具有重要作用。雖然目前對(duì)不同林窗位置凋落物化學(xué)性質(zhì)的研究比較深入，但反映凋落物化學(xué)性質(zhì)變化的酶學(xué)機(jī)理尚不清楚。因此，加強(qiáng)林窗位置對(duì)凋落物酶活性變化影響的研究是非常必要的。凋落物酶種類豐富，目前國際上主要關(guān)注凋落物分解中與碳、氮和磷轉(zhuǎn)化密切相關(guān)的糖苷酶、幾丁質(zhì)酶、肽酶和磷酸酶等（Penne et al.，2010；Toberman et al.，2014）。針對(duì)目前不同林窗位置凋落物酶活性變化研究較少的現(xiàn)狀，以北京山區(qū)油松人工林的林冠林窗為研究對(duì)象，比較不同林窗位置和不同層次凋落物的化學(xué)性質(zhì)和酶活性差異，并分析化學(xué)性質(zhì)對(duì)酶活性的影響，以期為深入探究林窗位置對(duì)森林凋落物分解機(jī)制的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)、森林更新和提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市延慶縣境內(nèi)的八達(dá)嶺林場(chǎng)（115°55′E，40°17′N）。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量為454 mm，降雨主要集中在6—8月，全年總蒸發(fā)量1585.9 mm；年均氣溫為10.8 ℃，最高月氣溫26.9 ℃，最低月氣溫-7.2 ℃，無霜期160 d左右。現(xiàn)有植被類型主要是20世紀(jì)50年代后營造的人工林，以油松林（Pinus tabulaeformis）為主，也有少量的刺槐（Robinia pseudoacacia）、元寶楓（Acer truncatum）和側(cè)柏（Platycladus orientalis）等。土壤為發(fā)育在花崗巖風(fēng)化母質(zhì)上的棕壤。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

研究區(qū)域位于海拔約為780 m的陰坡和半陰坡。油松樹齡約60年，平均樹高為9.36 m，平均胸徑為14.89 cm。林下灌草覆蓋率為25%～30%，主要灌木為三裂繡線菊（Spiraea trilobata）、多花胡枝子（Lespedeza floribunda）和雀兒舌頭（Leptopus chinensis）等；主要草本為銀背鳳毛菊（Saussurea nivea）、披針葉苔草（Carex lanceolata var.subpediformis）和野青茅（Calamagrostis arundinacea）等。針對(duì)油松人工林林分密度和郁閉度過大而引起部分油松生長不良甚至死亡的現(xiàn)象，于2015年6月對(duì)部分林木進(jìn)行砍伐后移出林地。

針對(duì)北京山區(qū)人工針葉林林冠林窗以小面積為主的特點(diǎn)（譚笑等，2000），于2016年6月中旬，在林地中，分別選取坡度、坡向和邊界木等條件基本一致的3個(gè)林冠林窗和與之相鄰的郁閉林作為研究對(duì)象。其中林冠林窗的林齡為1年，形狀近似于橢圓，面積為40～50 m2，且林窗的邊界距離大于10 m。本研究分別設(shè)置林窗中心、林緣和林下3個(gè)不同的林窗位置樣地。每個(gè)樣地設(shè)3次重復(fù)，共9個(gè)樣地。其中林窗中心樣地是以林窗長短軸的交點(diǎn)為中心，向林窗外擴(kuò)展2 m所形成的圓形區(qū)域；林緣樣地是林窗邊界木的樹冠垂線到周圍邊界樹基部所圍成的環(huán)形區(qū)域，其寬度為3～5 m；林下樣地是與林窗相鄰的郁閉林，其面積為100～120 m2。

在林窗中心和林緣樣地中，分別沿林窗長短軸的4個(gè)方向各設(shè)置1個(gè)1 m×1 m的小樣方，而林下樣地4個(gè)1 m×1 m的小樣方則呈隨機(jī)分布。在每個(gè)小樣方中，隨機(jī)布置3個(gè)面積為20 cm×20 cm的采樣點(diǎn)。去除采樣點(diǎn)的灌草植被后，在每個(gè)采樣點(diǎn)按未分解層（L）和半分解層（F）分別采集凋落物樣品，并將同一樣地4個(gè)小樣方的同一層次樣品混合組成1個(gè)分析樣品。本研究共采集18個(gè)分析樣品（3個(gè)林窗位置樣地×2個(gè)凋落物層次×3次重復(fù)）。采集的凋落物分為2份：一份被剪碎成0.5～1.0 cm，置于4 ℃冰箱內(nèi)保存，用于測(cè)定凋落物水溶性有機(jī)碳、易氧化碳、無機(jī)氮和酶活性；另一份經(jīng)60 ℃烘干后粉碎過100目的篩子，用于凋落物pH值、全碳、全氮和全磷的測(cè)定。

1.3 樣品分析與測(cè)定

用梅特勒FE20K pH計(jì)測(cè)定凋落物pH值（凋落物質(zhì)量與蒸餾水體積的比為1∶20）。用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定凋落物全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。凋落物經(jīng)硫酸-過氧化氫消煮后，用凱氏定氮儀測(cè)定全氮，用鉬銻鈧比色法測(cè)定全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)（鮑士旦，2000）。凋落物經(jīng)去離子水浸提離心過0.45 μm濾膜后，用德國Multi N/C 3100 分析儀測(cè)定濾液中水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。采用0.02 mol?L-1的KMnO4氧化法測(cè)定易氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。經(jīng)2 mol?L-1氯化鉀溶液浸提，其濾液用意大利SmartChem 200全自動(dòng)化學(xué)分析儀測(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

凋落物酶活性的測(cè)定主要參考土壤酶活性的測(cè)定方法：通過在懸浮液（凋落物質(zhì)量與緩沖液體積的比為1∶16）中添加不同類型的底物，經(jīng)培養(yǎng)后測(cè)定其生成物含量（?najdr et al.，2008a）。在測(cè)定的水解酶中，除凋落物亮氨酸氨基肽酶的緩沖液是pH值為8.0的 Tris溶液外，α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、幾丁質(zhì)酶和酸性磷酸酶活性的緩沖液均是pH值為5.0的乙酸鈉溶液。相對(duì)應(yīng)的底物分別是L-亮氨酸-4-硝基苯胺、對(duì)硝基苯-α-D-吡喃葡萄糖苷、對(duì)硝基苯-β-D-吡喃葡萄糖苷、對(duì)硝基氨基苯葡萄糖苷和對(duì)硝基苯磷酸二鈉鹽（Verchot et al.，2005；Sinsabaugh et al.，1999）。其活性用每小時(shí)每克烘干凋落物催化產(chǎn)生的對(duì)硝基苯酚的物質(zhì)的量（mmol?h-1?g-1）表示。以pH值為5.0的乙酸鈉溶液為緩沖液，分別以左旋多巴（DOPA）和DOPA加H2O2（0.3%）為底物（Sinsabaugh et al.，1999），測(cè)定多酚氧化酶和過氧化物酶活性。其活性用每小時(shí)每克烘干凋落物氧化底物的物質(zhì)的量（mmol?h-1?g-1）表示。脫氫酶活性的測(cè)定采用碘硝基氯化四氮唑藍(lán)（INT）為底物（Margesin et al.，2005），用每小時(shí)每克烘干凋落物催化產(chǎn)生的INTF的質(zhì)量（μg?h-1?g-1）表示。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用IBM SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。用單因素方差分析法（One-way ANOVA）對(duì)不同林窗位置和凋落物層次中的凋落物化學(xué)性質(zhì)和酶活性進(jìn)行差異分析，差異顯著性用鄧肯法（Duncan）檢驗(yàn)。用一般線性模型中的兩因素方差分析方法（Two-way ANOVA），分析林窗位置和凋落物層次及其交互作用對(duì)凋落物化學(xué)性質(zhì)和酶活性的影響，并將其化學(xué)性質(zhì)和酶活性的均值進(jìn)行比較，其中林窗位置間的差異用Duncan多重比較實(shí)現(xiàn)，而凋落物層次間的均值比較采用對(duì)比檢驗(yàn)法。為進(jìn)一步解釋凋落物化學(xué)性質(zhì)對(duì)酶活性的影響，對(duì)其進(jìn)行逐步線性回歸分析。

表1 不同林窗位置中凋落物的化學(xué)性質(zhì)Table 1 Chemical properties of forest floor at different gap positions

2 結(jié)果與分析

2.1 凋落物化學(xué)性質(zhì)的變化

不同林窗位置間的凋落物化學(xué)性質(zhì)有一定的差異，且不同化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的變化與凋落物的層次有關(guān)（表1）。無論是L層還是F層，凋落物的pH值、全碳和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在林窗位置間的差異不顯著。各個(gè)林窗位置間L層的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異；但林緣F層的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于林窗中心和林下。林窗中心F層的水溶性有機(jī)碳和L層的易氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，且顯著高于林緣和林下。就F層的易氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)而言，林窗中心顯著高于林緣和林下，且不同林窗位置間的差異均達(dá)顯著水平。L層的水溶性有機(jī)碳和硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)與F層的易氧化碳一致。相對(duì)林下的銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)來說，林窗中心和林緣均處于較高的水平，但林窗中心和林緣的差異不顯著。F層的硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)與銨態(tài)氮一致。

雙因素方差分析顯示，林窗位置和凋落物層次均顯著影響凋落物的化學(xué)性質(zhì)，但二者的影響程度不同（表2）。其中，林窗位置極顯著影響凋落物全氮、水溶性有機(jī)碳、易氧化碳、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但對(duì)pH值、全碳和全磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不顯著；凋落物層次顯著影響全磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且極顯著影響其他化學(xué)性質(zhì)；而兩者的交互作用對(duì)凋落物化學(xué)性質(zhì)的影響均不顯著。因此，凋落物層次是影響凋落物化學(xué)性質(zhì)的主要因子。結(jié)合雙因素分析可知（表2），不同林窗位置間的凋落物pH值和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異不顯著；林緣凋落物的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，且顯著高于林窗中心和林下；林窗中心凋落物的水溶性有機(jī)碳、易氧化碳、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于林緣和林下。

2.2 凋落物酶活性的變化

圖1 不同林窗位置中凋落物的酶活性Fig.1 Enzyme activities of forest floor at different gap positions

凋落物酶活性在不同的林窗位置間有一定的差異（圖1）。無論是L層還是F層，林窗中心和林緣凋落物的α-葡萄糖苷酶活性顯著高于林下，但林窗中心和林緣的差異不顯著。F層幾丁質(zhì)酶活性的變化趨勢(shì)與α-葡萄糖苷酶一致。林窗中心L層β-葡萄糖苷酶活性顯著高于林緣和林下，但林緣和林下差異不顯著。F層亮氨酸氨基肽酶活性的變化趨勢(shì)與L層β-葡萄糖苷酶一致。圖1顯示，L層幾丁質(zhì)酶、亮氨酸氨基肽酶和F層多酚氧化酶活性的變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為林窗中心＞林緣＞林下；而L層酸性磷酸酶和F層過氧化物酶活性的變化趨勢(shì)則表現(xiàn)為林緣＞林窗中心＞林下，且不同林窗位置間的差異均達(dá)顯著水平。脫氫酶活性在不同林窗位置間的差異不顯著。

表2 林窗位置和凋落物層次對(duì)凋落物化學(xué)性質(zhì)影響的雙因素方差分析Table 2 A two-way ANOVA for analysis the effects of gap position and forest floor layer on chemical properties of the forest floor

表3 林窗位置和凋落物層次對(duì)凋落物酶活性影響的雙因素方差分析Table 3 A two-way ANOVA for analysis the effects of gap position and forest floor layer on enzyme activities of forest floor

雙因素方差結(jié)果表明，除脫氫酶外，林窗位置和凋落物層次均極顯著影響凋落物的酶活性（表3）；而兩者的交互作用極顯著影響凋落物葡萄糖苷酶和幾丁質(zhì)酶活性，顯著影響過氧化物酶活性，但對(duì)亮氨酸氨基肽酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶和脫氫酶活性影響不顯著。以上結(jié)果表明，林窗位置和凋落物層次是影響凋落物酶活性的主導(dǎo)因素。除亮氨酸肽酶和脫氫酶外，凋落物層次的F值均大于林窗位置，因此，凋落物層次對(duì)凋落物酶活性的影響較林窗位置明顯。結(jié)合雙因素分析可知（表3），不同林窗位置凋落物的酶活性存在顯著性差異。與林下凋落物酶活性相比，林窗中心的α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、幾丁質(zhì)酶、亮氨酸氨基肽酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶和過氧化物酶活性分別顯著提高了26.75%、31.29%、32.17%、53.41%、11.24%、8.19%和10.03%；而相應(yīng)的林緣凋落物的酶活性則分別顯著提高了20.94%、10.74%、22.25%、26.78%、22.88%、3.55%和20.32%（數(shù)據(jù)未列出）；而凋落物脫氫酶活性在林窗位置間的差異不顯著。

2.3 凋落物化學(xué)性質(zhì)和酶活性的線性回歸分析

凋落物的化學(xué)性質(zhì)影響著酶活性的變化（表4）。其中凋落物的α-葡萄糖苷酶活性主要受全氮、易氧化碳和銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的共同影響，其變化可解釋酶活性變異的98%。凋落物的pH值、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化極顯著影響了β-葡萄糖苷酶活性的變化。而凋落物幾丁質(zhì)酶的活性主要受全氮和水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。就亮氨酸氨基肽酶而言，其活性主要受水溶性有機(jī)碳、易氧化碳和銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，三者可以解釋其變異的98%。凋落物的酸性磷酸酶活性主要受全氮和銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的共同影響。凋落物多酚氧化酶活性的變化除了受全碳影響外，還受水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。影響凋落物過氧化物酶活性變化的因素較多，其活性主要受pH值、全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的共同影響。凋落物的全磷、水溶性有機(jī)碳和硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化顯著影響了脫氫酶活性的變化。

表4 凋落物化學(xué)性質(zhì)與酶活性的線性回歸分析解釋變量Table 4 Linear regression analysis between enzyme activities and chemical properties of forest floor

3 討論

3.1 林窗位置對(duì)凋落物酶活性的影響

由于受到太陽輻射、林緣熱力效應(yīng)和林冠密度的影響，不同林窗位置構(gòu)成了不同的微環(huán)境，并顯著影響微生物的變化，進(jìn)而影響到酶活性的變化（He et al.，2015）。然而這種變化的程度，受林窗特征多因素的影響。已有研究表明，林窗年齡的不同可導(dǎo)致不同林窗位置的微生物和酶活性變化趨勢(shì)的不同。形成時(shí)間為2年的林窗，其林窗中心的土壤微生物數(shù)量和磷酸酶活性均顯著高于林緣（Muscolo et al.，2007）；而形成時(shí)間為6～9年的林窗，其林緣土壤微生物數(shù)量則顯著高于林窗中心和林下（Scharenbroch et al.，2008）。也有研究表明，林窗大小顯著影響不同林窗位置的微生物和酶的活性。林窗面積較小，可導(dǎo)致凋落物的葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶（Penne et al.，2010）、土壤的酸性磷酸酶和過氧化物酶活性在不同林窗位置間差異不顯著（Xu et al.，2016）；而林窗面積較大，其林緣土壤的磷酸酶和過氧化物酶活性則顯著高于林窗中心（Xu et al.，2016）。此外，從采樣時(shí)期來看，6月中旬處于植被生長旺盛初期，森林中生物循環(huán)過程比較強(qiáng)烈，且此階段土壤的酶活性常出現(xiàn)峰值（萬忠梅等，2010；張鵬等，2007）。因此，本研究中林窗位置對(duì)酶活性的影響在林木生長季有一定的代表性。但由于取樣的季節(jié)也可導(dǎo)致不同林窗位置的土壤酶活性變化趨勢(shì)的不同（李志萍等，2015；He et al.，2015），故今后應(yīng)結(jié)合酶活性的動(dòng)態(tài)變化，研究林窗位置對(duì)凋落物酶活性的影響機(jī)制。

本研究的林窗大小在北京山區(qū)針葉林中有一定的代表性，其林窗的年齡為1年。研究結(jié)果表明，林窗位置顯著影響了凋落物的酶活性。林窗中心凋落物的β-葡萄糖苷酶、幾丁質(zhì)酶、亮氨酸氨基肽酶和多酚氧化酶活性均顯著高于林緣和林下（表3），這與Muscolo et al（2007）的研究結(jié)果相一致。其原因可能是林窗中心的光照及降雨到達(dá)凋落物層的強(qiáng)度增大和時(shí)間延長（劉華等，2017），導(dǎo)致凋落物的水溶性有機(jī)碳、易氧化碳、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高（表2），從而促進(jìn)了微生物生長與繁殖。此外，回歸分析也表明凋落物水溶性有機(jī)碳和銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加促進(jìn)了酶活性的提高（表4）。值得注意的是，林緣凋落物的酸性磷酸酶顯著高于林窗中心和林下（表3），究其原因可能是林緣的凋落物有較低的pH值（表1），有利于酸性磷酸酶活性的提高。與林下相比，林窗中心和林緣促進(jìn)凋落物的可溶性碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和與碳氮磷相關(guān)的酶的活性的提高，從而加速了凋落物在林窗中心和林緣的分解。由此看來，在森林經(jīng)營過程中，通過創(chuàng)造林窗可改善凋落物的生物學(xué)性質(zhì)，加速森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)。

3.2 凋落物層次對(duì)凋落物酶活性的影響

隨著凋落物的分解，凋落物的化學(xué)組成存在很大差異（Foudyl-Bey et al.，2016），從而導(dǎo)致凋落物微生物的數(shù)量及結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，最終改變酶的活性（?najdr et al.，2008b）。已有研究表明，L層β-葡萄糖苷酶（張鵬等，2007；陳亞梅等，2014）、幾丁質(zhì)酶（牛小云等，2015）和酸性磷酸酶活性（?najdr et al.，2008b）均顯著高于F層，這與本研究的結(jié)果是一致的（表3）。L層酶活性高的原因與該層含有較多碳、氮和磷等微生物營養(yǎng)源有關(guān)（Foudyl-Bey et al.，2016）。L層養(yǎng)分含量水平的提高，可促進(jìn)酶活性的提高，而酶活性的提高可加快凋落物的分解速度，進(jìn)一步促進(jìn)森林土壤生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)，為促進(jìn)森林植物的更新提供有利條件。

氧化還原酶主要催化具有芳香結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素聚合物，使木質(zhì)素組織分解。有研究認(rèn)為，隨著凋落物深度的增加，過氧化物酶活性降低（Alarcón-Gutiérrez et al.，2009）。也有研究表明，多酚氧化酶和過氧化物酶活性在凋落物層次中沒有明顯的規(guī)律（?najdr et al.，2008a）。而本研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)層氧化還原酶活性均高于L層（表3）。其原因可能是F層中含有大量木質(zhì)素、脂肪、角質(zhì)和蠟質(zhì)等，這些難降解化合物促進(jìn)了木質(zhì)素降解微生物群落的增加，從而導(dǎo)致多酚氧化酶等木質(zhì)素分解酶活性的增加（Fujii et al.，2013）。雙因素分析結(jié)果顯示，不同凋落物層次酶活性的差異較不同林窗位置明顯，表明凋落物酶活性可能對(duì)凋落物層次變化更為敏感，因此在林窗效應(yīng)研究過程中不可忽視凋落物層次的作用。

4 結(jié)論

林窗位置顯著影響了凋落物的化學(xué)性質(zhì)和酶活性。林窗中心凋落物的水溶性有機(jī)碳、易氧化碳、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于林緣和林下；林緣凋落物的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于林窗中心和林下；而凋落物的pH值和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在林窗位置間的差異不顯著。林窗中心凋落物的β-葡萄糖苷酶、幾丁質(zhì)酶、亮氨酸氨基肽酶和多酚氧化酶活性均顯著高于林緣和林下；林緣凋落物的酸性磷酸酶和過氧化物酶活性顯著高于林窗中心和林下；而脫氫酶活性在不同林窗位置間差異不顯著。雙因素方差分析表明，凋落物層次對(duì)凋落物化學(xué)性質(zhì)和酶活性的影響程度大于林窗位置及兩者的交互作用的?；貧w分析表明，凋落物水溶性有機(jī)碳和銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加可促進(jìn)凋落物酶活性的提高。本研究旨在為深入認(rèn)識(shí)凋落物分解過程中林窗不同位置對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和森林更新等過程的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于林窗特征和酶活性的變化是動(dòng)態(tài)的，而本研究僅分析了林齡為1年的林窗并進(jìn)行了1次采樣，今后應(yīng)注重林窗位置對(duì)凋落物酶活性影響的長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

ALARCóN-GUTIéRREZ E, FLOCH C, AUGUR C, et al.2009.Spatial variations of chemical composition, microbial functional diversity, and enzyme activities in a Mediterranean litter (Quercus ilex, L.) profile [J].Pedobiologia, 52(6): 387-399.

DUGUID M C, FREY B R, ELLUM D S, et al.2013.The influence of ground disturbance and gap position on understory plant diversity in upland forests of southern New England [J].Forest Ecology and Management, 303(5): 148-159.

FOUDYL-BEY S, BRAIS S, DROUIN P.2016.Litter heterogeneity modulates fungal activity, C mineralization and N retention in the boreal forest floor [J].Soil Biology and Biochemistry, 100: 264-275.

FUJII K, UEMURA M, HAYAKAWA C, et al.2013.Environmental control of lignin peroxidase, manganese peroxidase, and laccase activities in forest floor layers in humid Asia [J].Soil Biology and Biochemistry, 57(3): 109-115.

HE W, WU F, ZHANG D, et al.2015.The effects of forest gaps on cellulose degradation in the foliar litter of two shrub species in an alpine fir forest [J].Plant and Soil, 393(1-2): 153-159.

HU B, YANG B, PANG X, et al.2016.Responses of soil phosphorus fractions to gap size in a reforested spruce forest [J].Geoderma, 279: 61-69.

LATIF Z A, BLACKBURN G A.2010.The effects of gap size on some microclimate variables during late summer and autumn in a temperate broadleaved deciduous forest [J].International Journal of Biometeorology, 54(2): 119-129.

LIN N, BARTSCH N, HEINRICHS S, et al.2015.Long-term effects of canopy opening and liming on leaf litter production, and on leaf litter and fine-root decomposition in a European beech (Fagus sylvatica, L.) forest [J].Forest Ecology and Management, 338: 183-190.

MARGESIN R, SCHINNER F.2005.Manual for soil analysis monitoring and assessing soil bioremediation [M].Berlin Heidelberg: Springer-Verlag: 316-318.

MUSCOLO A, BAGNATO S, SIDARI M, et al.2014.A review of the roles of forest canopy gaps [J].Journal of Forestry Research, 25(4): 725-736.MUSCOLO A, SIDARI M, BAGNATO S, et al.2010.Gap size effects on above- and below-ground processes in a silver fir stand [J].European Journal of Forest Research, 129(3): 355-365.

MUSCOLO A, SIDARI M, MERCURIO R.2007.Influence of gap size on organic matter decomposition, microbial biomass and nutrient cycle in Calabrian pine (Pinus laricio, Poiret) stands [J].Forest Ecology and Management, 242(2):412-418.

PANG X, HU B, BAO W, et al.2016.Effect of thinning-induced gap size on soil CO2efflux in a reforested spruce forest in the eastern Tibetan Plateau [J].Agricultural and Forest Meteorology, 220: 1-9.

PENNE C, AHRENDS B, DEURER M, et al.2010.The impact of the canopy structure on the spatial variability in forest floor carbon stocks [J].Geoderma, 158(3-4): 282-297.

SCHARENBROCH B, BOCKHEIM J.2008.Gaps and soil C dynamics in old growth northern hardwood–hemlock forests [J].Ecosystems, 11(3): 426-441.

SCHLIEMANN S A, BOCKHEIM J.2014.Influence of gap size on carbon and nitrogen biogeochemical cycling in Northern hardwood forests of the Upper Peninsula, Michigan [J].Plant and Soil, 377(1-2): 323-335.

SINSABAUGH R L, KLUG M J, COLLINS H P, et al.1999.Characterizing soil microbial communities//Robertson GP, Coleman DC, Bledsoe CS, Sollins P.Standard Soil Methods for Long-term Ecological Research [M].New York: Oxford University Press: 329-338.

?NAJDR J, VALá?KOVá V, MERHAUTOVá V, et al.2008b.Activity and spatial distribution of lignocellulose-degrading enzymes during forest soil colonization by saprotrophic basidiomycetes [J].Enzyme and Microbial Technology, 43(2): 186-192.

?NAJDR J, VALá?KOVá V, MERHAUTOVá V, et al.2008a.Spatial variability of enzyme activities and microbial biomass in the upper layers of Quercus petraea forest soil [J].Soil Biology and Biochemistry, 40(9): 2068-2075.

TOBERMAN H, CHEN C, LEWIS T, et al.2014.High-frequency fire alters C∶N∶P stoichiometry in forest litter [J].Global Change Biology, 20(7): 2321-2331.

VERCHOT L V, BORELLI T.2005.Application of para-nitrophenol (pNP) enzyme assays in degraded tropical soils [J].Soil Biology and Biochemistry, 37(4): 625-633.

XU J, XUE L, SU Z.2016.Impacts of forest gaps on soil properties after a severe ice storm in a Cunninghamia lanceolata Stand [J].Pedosphere, 26(3): 408-416.

ZHU J, ZHANG G, WANG G G, et al.2015.On the size of forest gaps: Cantheir lower and upper limits be objectively defined? [J].Agricultural and Forest Meteorology, 213(2): 64-76.

鮑士旦.2000.土壤農(nóng)化分析(第三版)[M].北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社: 263-268.

陳亞梅, 和潤蓮, 鄧長春, 等.2014.川西高山林線交錯(cuò)帶凋落物纖維素分解酶活性研究[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào), 38(4): 334-342.

管云云, 費(fèi)菲, 關(guān)慶偉, 等.2016.林窗生態(tài)學(xué)研究進(jìn)展[J].林業(yè)科學(xué), 52(4): 91-99.

李晗, 吳福忠, 楊萬勤, 等.2015.亞高山森林林窗對(duì)凋落物分解過程中半纖維素動(dòng)態(tài)的影響[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào), 39(3): 229-238.

李建平, 歐江, 宋小艷, 等.2015.馬尾松人工林林窗土壤有效氮和氮轉(zhuǎn)化酶活性的季節(jié)動(dòng)態(tài)[J].生態(tài)學(xué)雜志, 34(9): 2598-2604.

李勛, 張健, 楊萬勤, 等.2016.紅椿凋落葉全碳釋放的林窗效應(yīng)[J].自然資源學(xué)報(bào), 31(7): 1114-1126.

李志萍, 吳福忠, 楊萬勤, 等.2015.川西亞高山森林林窗不同時(shí)期土壤轉(zhuǎn)化酶和脲酶活性的特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào), 35(12): 3919-3925.

劉華, 張丹桔, 張健, 等.2017.馬尾松人工林林窗大小對(duì)四種凋落葉質(zhì)量損失和養(yǎng)分釋放的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào), 37(2): 1-10.

牛小云, 孫曉梅, 陳東升, 等.2015.日本落葉松人工林枯落物土壤酶活性[J].林業(yè)科學(xué), 51(4): 16-25.

歐江, 張捷, 崔寧潔, 等.2014.采伐林窗對(duì)馬尾松人工林土壤微生物生物量的初期影響[J].自然資源學(xué)報(bào), 29(12): 2036-2047.

宋小艷, 張丹桔, 張健, 等.2014.馬尾松人工林林窗對(duì)土壤團(tuán)聚體及有機(jī)碳分布的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 25(11): 3083-3090.

譚笑, 孫向陽, 閻海平, 等.2000.北京西山地區(qū)人工針葉林林窗特征的研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 22(6): 64-66.

萬忠梅, 宋長春.2010.三江平原小葉章濕地土壤酶活性的季節(jié)動(dòng)態(tài)[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 19(5): 1215-1220.

吳慶貴, 譚波, 楊萬勤, 等.2016.亞高山森林林窗大小對(duì)凋落葉木質(zhì)素降解的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào), 36(18): 1-11.

徐李亞, 楊萬勤, 李晗, 等.2014.高山森林林窗對(duì)凋落物分解過程中水溶性氮和磷的影響[J].水土保持學(xué)報(bào), 28(3): 214-221.

徐李亞, 楊萬勤, 李晗, 等.2015.長江上游高山森林林窗對(duì)凋落物分解過程中可溶性碳的影響[J].長江流域資源與環(huán)境, 24(5): 882-891.

張明錦, 陳良華, 張健, 等.2016.馬尾松人工林林窗內(nèi)土壤動(dòng)物對(duì)凋落物微生物生物量的影響[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào), 22(1): 35-42.

張明錦, 張健, 紀(jì)托未, 等.2015.林窗對(duì)凋落物分解過程中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 24(8): 1287-1294.

張鵬, 田興軍, 何興兵, 等.2007.亞熱帶森林凋落物層土壤酶活性的季節(jié)動(dòng)態(tài)[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 16(3): 1024-1029.

張艷, 張丹桔, 李勛, 等.2016.馬尾松人工林林窗邊緣效應(yīng)對(duì)樟和紅椿凋落葉難降解物質(zhì)分解的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 27(4): 1116-1124.

張艷, 張丹桔, 張健, 等.2015.馬尾松人工林林窗大小對(duì)兩種凋落葉難降解物質(zhì)含量的影響[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào), 39(8): 785-796.

Variation in Forest Floor Enzyme Activities among Different Forest Gap Positions in Pinus tabulaeformis Plantations

ZHOU Hongjuan1, GENG Yuqing1*, WANG Ling2, YANG Ying1, YANG Yuguo1
1.College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2.Beijing Badaling Forest Farm, Beijing 102112, China

Studies on the influence of different gap positions on the enzyme activities of forest floor can provide the basis for accelerating nutrient cycling and forest regeneration, and enhancing the ecosystem services.A forest gap of 1-year age and area of 40～50 m2in Pinus tabulaeformis plantations was selected in the Beijing mountainous areas.Forest floor samples (L and F layer) were collected at different gap positions, including gap center, gap edge, and under-canopy, and their chemical properties and enzyme activities were assessed, as well as the relationship between the chemical properties and enzyme activities were analyzed.The results showed that the concentrations of dissolved organic carbon, readily oxidized organic carbon, ammonium nitrogen, and nitrate nitrogen of the forest floor at the gap center were significantly higher than those at the gap edge and under-canopy; the total nitrogen concentration of the forest floor at the gap edge was significantly higher than that at the gap center and under-canopy; while there was no significant differences in pH value and total phosphorus concentration among different gap positions.Compared to under-canopy, the activities of α-glucosidase, β-glucosidase, β-N-acetylglucosaminidase, leucine aminopeptidase, acid phosphatase, polyphenol oxidase, and peroxidase at the gap center significantly increased by 26.75%, 31.29%, 32.17%, 53.41%, 11.24%, 8.19%, and 10.03%, respectively; at the gap edge, the corresponding individual enzyme activity significantly increased by 20.94%, 10.74%, 22.25%, 26.78%, 22.88%, 3.55%, and 20.32%, respectively; while no significant difference was found in the dehydrogenase activity among different gap positions.A two-way ANOVA demonstrated that forest floor layers have more significant effect on the chemical properties and enzyme activities of the forest floor than on the gap positions and interactions between them.Regression analysis indicated that the increase in dissolved organic carbon and ammonium nitrogen might enhance enzyme activities in the forest floor.In general, our study demonstrated that gap positions had a significant influence on the chemical properties and enzyme activities of the forest floor; thus, future studies on the role of forest floor layers should focus on the effect of forest gap on the chemical properties and enzyme activities of the forest floor.

Pinus tabulaeformis plantation; gap position; forest floor layer; enzyme activity; chemical property

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.10.005

S791.254; X17

A

1674-5906（2016）10-1621-08

周紅娟, 耿玉清, 王玲, 楊英, 楊雨果.2016.油松人工林不同林窗位置凋落物酶活性的變化[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 25(10): 1621-1628.

ZHOU Hongjuan, GENG Yuqing, WANG Ling, YANG Ying, YANG Yuguo.2016.Variation in forest floor enzyme activities among different forest gap positions in Pinus tabulaeformis plantations [J].Ecology and Environmental Sciences, 25(10): 1621-1628.基金項(xiàng)目：北京市教育委員會(huì)科學(xué)研究與研究生培養(yǎng)共建項(xiàng)目（BLCXY201626）；北京市財(cái)政項(xiàng)目（PXM2016-154309-0000006）作者簡介：周紅娟（1989年生），女，碩士研究生，研究方向?yàn)橥寥澜】蹬c修復(fù)。E-mail: 1258393176@qq.com

*通信作者：耿玉清（1965年生），女，副教授，研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)。E-mail: gengyuqing@bjfu.edu.cn

2016-09-09