阮超越，劉小飛，呂茂奎，李曉杰，付作琴，任寅榜，黃 俊，謝錦升?

杉木人工林凋落物添加與去除對(duì)土壤碳氮及酶活性的影響*

阮超越1，劉小飛1，2，3，呂茂奎1，李曉杰1，付作琴1，任寅榜1，黃 俊1，謝錦升1，2?

（1. 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州 350007；2. 濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福州 350007；3. 福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化研究站，福建三明 365000）

為了解未來(lái)氣候變化過(guò)程中森林生產(chǎn)力增加的背景下，凋落物增加如何影響土壤碳氮過(guò)程，在杉木人工林中通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)研究凋落物添加（一倍）與去除對(duì)土壤中碳氮、碳氮同位素（δ13C、δ15N）、微生物生物量碳氮（MBC、MBN）及酶活性的影響。結(jié)果表明：凋落物添加后土壤中氮獲得酶（β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶）活性顯著上升，加速對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)的分解獲取氮素；凋落物添加與去除處理對(duì)土壤碳的影響較小，土壤有機(jī)碳（SOC）與可溶性有機(jī)碳（DOC）均未發(fā)生顯著變化；土壤中δ13C豐度與凋落物處理之間未呈現(xiàn)出相關(guān)規(guī)律性，而δ15N豐度在凋落物添加處理后顯著上升。這些結(jié)果說(shuō)明，凋落物處理對(duì)杉木林土壤中氮的影響較為敏感，對(duì)土壤碳的影響較小。因此，未來(lái)氣候變化導(dǎo)致森林生產(chǎn)力提高、凋落物輸入增加，可能會(huì)導(dǎo)致土壤中氮素的損失，迫使土壤微生物分泌更多的氮獲得酶同植物競(jìng)爭(zhēng)土壤氮，最終可能會(huì)造成土壤碳氮循環(huán)的不平衡，對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。

凋落物處理；土壤碳氮同位素；酶活性

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體部分，其生物量以及生產(chǎn)量占到陸地生態(tài)系統(tǒng)的90%和70%[1]，儲(chǔ)存著陸地生態(tài)系統(tǒng)45%左右的碳，在維持全球碳氮平衡、減緩大氣的溫室效應(yīng)等方面發(fā)揮著重要的作用。凋落物作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是土壤有機(jī)質(zhì)的重要物質(zhì)源也是土壤碳氮的主要來(lái)源，凋落物每年通過(guò)分解歸還到土壤里的有機(jī)碳約為50 Gt、歸還到土壤中的總氮大約是植物所需氮量的70%～80%[2]。凋落物的輸入深刻影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)過(guò)程。

全球氣候變暖已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。隨著氣溫的升高和大氣CO2濃度增加可能會(huì)導(dǎo)致我國(guó)熱帶亞熱帶地區(qū)森林生產(chǎn)力增加，新陳代謝增強(qiáng)，凋落物增多[3-5]。凋落物的增加會(huì)改變對(duì)土壤中碳氮的輸入，影響土壤中的碳氮過(guò)程。一方面有觀點(diǎn)認(rèn)為，凋落物輸入量的增加促進(jìn)了土壤中有機(jī)碳的積累[6-7]，另一方面有觀點(diǎn)認(rèn)為凋落物量的增加導(dǎo)致向土壤中輸入更多的新鮮可溶性有機(jī)質(zhì)，加速土壤中有機(jī)碳氮的分解，促使土壤有機(jī)碳氮產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)[8-9]，并最終導(dǎo)致土壤有機(jī)碳氮含量的下降。凋落物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響取決于凋落物自身的特性和土壤條件。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)長(zhǎng)期積累主要由難分解（高C/N）植物凋落物形成的，因?yàn)楦哔|(zhì)量（低C/N）的凋落物降解速度更快，不易在土壤中積累，而難分解的凋落物通過(guò)抵抗降解在土壤中積累[10]。然而越來(lái)越多的研究提出了相反的觀點(diǎn)，有研究通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低質(zhì)量的凋落物輸入增多可能會(huì)導(dǎo)致土壤更加缺氮，加劇了微生物對(duì)N素的需求，促進(jìn)微生物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解從而獲取N素，可能不利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累[11]；高質(zhì)量（低C/N）凋落物有利于土壤微生物的轉(zhuǎn)化和吸收，并最終以微生物殘?bào)w的形式進(jìn)入土壤，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累[12]。

我國(guó)亞熱帶地區(qū)屬于海洋性季風(fēng)氣候，分布著世界上面積最大的常綠闊葉林。然而，過(guò)去幾十年來(lái)由于對(duì)木材和其他林產(chǎn)品的需求，大面積天然常綠闊葉林被人工林、特別杉木人工林取代[13]?，F(xiàn)有杉木林面積約900萬(wàn)hm2，占全國(guó)人工林面積的30%[14]。那么未來(lái)氣候變化背景下，杉木人工林土壤碳氮固持能力對(duì)亞熱帶地區(qū)具有重要的影響。假定未來(lái)氣候變化（如氣溫升高，CO2濃度增加）能夠促進(jìn)亞熱帶杉木人工林生產(chǎn)力的提高，從而增加地上凋落物輸入，那么杉木凋落物輸入量增加，對(duì)杉木林中土壤碳氮過(guò)程產(chǎn)生怎樣的影響，土壤中碳氮固持是增多還是減少？針對(duì)這個(gè)科學(xué)問(wèn)題，本研究以亞熱帶杉木人工林為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)林中土壤設(shè)置去除與添加（一倍）凋落物處理為期四年的控制試驗(yàn)，研究杉木林凋落物輸入量的變化對(duì)土壤碳氮循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生的影響，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)全球變化背景下亞熱帶杉木人工林土壤碳氮過(guò)程的響應(yīng)機(jī)制提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究樣地位于福建三明全球變化森林生態(tài)研究站（26o09′24″N，117o28′03″E），地處武夷山東南、戴云山西北，以低山丘陵為主，平均海拔300 m，屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候。實(shí)驗(yàn)3年期間（2013—2015年）年均降水量1 749 mm，主要集中在3—8月份。年均氣溫18.7℃，蒸發(fā)量1 585 mm，相對(duì)濕度81%，無(wú)霜期達(dá)300 d。植被以常綠闊葉林為主，森林覆蓋率可達(dá)67.8%[15]，土壤以花崗巖發(fā)育的紅壤為主。1976年將米櫧天然林皆伐、煉山后營(yíng)造成杉木人工林。樣地林分密度2 858株·hm–2，平均樹(shù)高18.2 m、胸徑15.6 cm，林下植物以毛冬青（）、芒萁（）、狗骨柴（）為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

2012年6月，在杉木人工林設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，在每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)3個(gè)1 m×1 m的小區(qū)作不同處理：（1）CK，保留凋落物，即不做任何處理；（2）LE，去除凋落物，去除小區(qū)地表全部凋落物，并在小區(qū)上方0.5 m高處放置1.5 m×1.5 m大小的正方形尼龍網(wǎng)，阻止凋落物掉入；（3）LA，添加凋落物，每月將LE處理中尼龍網(wǎng)上截留的凋落物移至添加凋落物處理的小區(qū)內(nèi)。每種處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)。

2016年5月，在每個(gè)小區(qū)中隨機(jī)多點(diǎn)采樣，去除凋落物，取0～10 cm的土層樣品并混合。隨后將土壤樣品放置于保溫箱中保存，然后帶回室內(nèi)處理分析。在去除土壤中的根系以及石塊后，取部分新鮮土樣于–20℃保存待測(cè)土壤酶活性，其余土壤過(guò)2 mm篩，取少量鮮土自然風(fēng)干后過(guò)0.154 mm鋼篩，測(cè)定土壤理化性質(zhì)。

1.3 測(cè)定方法

土壤中全碳、全氮含量采用土壤碳氮元素分析儀（Elementar Vario MAX，Germany）進(jìn)行測(cè)定，可溶性有機(jī)碳、氮（DOC、DON）含量采用硫酸鉀提取[16]、TOC-VCPN分析儀測(cè)定，微生物生物量碳、氮（MBC、MBN）采用氯仿熏蒸—硫酸鉀提取[17]、TOC-VCPN、流動(dòng)（QC8000）分析儀測(cè)定，土壤中δ13C、δ15N采用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀（IsoPrime100，Isoprime，Manchester，UK）測(cè)定。

土壤酶活性測(cè)定：參照 Saiya-Cork等[18]的方法測(cè)定土壤中6種參與碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)的酶活性。用傘形酮（MUB）作為標(biāo)示底物來(lái)測(cè)定4類(lèi)水解酶活性：包括β-葡萄糖苷酶（βG）（EC3.2.1.21）、纖維素水解酶（CBH）（EC3.2.1.91）、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）（EC3.1.1.14）和酸性磷酸酶（AP）（EC 3.1.3.2）。氧化酶中酚氧化酶（PHO）（EC1.14.18.1）和過(guò)氧化物酶（PEO）（EC 1.11.1.7）測(cè)定采用L-二羥苯丙氨酸（DOPA）為底物，用多功能酶標(biāo)儀（Synergy H4，美國(guó)）測(cè)定熒光度（水解酶）或吸光度（氧化酶），各種酶的縮寫(xiě)、反應(yīng)類(lèi)型及所用底物見(jiàn)表1。

懸浮樣品制備：取1g鮮土置于125 mL、50 mmol·L–1、pH 5.0的醋酸鹽緩沖液中，用磁力攪拌器攪拌使其均質(zhì)化，后用移液器取200 μL移入96孔微孔板，用酶標(biāo)儀進(jìn)行測(cè)定。

表1 研究選取的胞外酶相應(yīng)的底物及功能

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)運(yùn)用SPSS20.0軟件進(jìn)行分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）進(jìn)行差異性分析，運(yùn)用Origin9軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié) 果

2.1 凋落物添加與去除對(duì)土壤碳氮的影響

2.2 凋落物添加與去除對(duì)土壤碳氮同位素的影響

通過(guò)對(duì)土壤C、N同位素自然豐度的分析發(fā)現(xiàn)，添加凋落物較去除凋落物相比，δ13C豐度則顯著上升（<0.05，圖1），與對(duì)照相比，添加與去除凋落物后土壤中δ13C豐度均無(wú)顯著變化（>0.05），但δ13C豐度呈現(xiàn)出隨著凋落物下降而減少的趨勢(shì)。凋落物添加顯著提高土壤δ15N值，而凋落物去除降低了土壤δ15N值，說(shuō)明隨著凋落物輸入增加土壤δ15N值也逐漸升高。

2.3 凋落物添加與去除對(duì)土壤酶活性的影響

凋落物添加后，土壤β葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶活性顯著下降（<0.05），而β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、酚氧化酶、過(guò)氧化物酶活性顯著升高（<0.05），纖維素水解酶呈現(xiàn)下降現(xiàn)象但未達(dá)到顯著水平（>0.05）。去除凋落物處理后，β葡萄糖苷酶、纖維素水解酶、酸性磷酸酶、過(guò)氧化物酶均顯著下降（<0.05），而β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶與酚氧化酶變化不顯著（>0.05）。

表2 凋落物處理下土壤碳氮含量變化

注：CK，對(duì)照；LA，凋落物添加；LE，凋落物去除。下同。同一列中無(wú)相同字母表示處理之間差異顯著（<0.05）。Note：CK，Control；LA，Litter added；LE，Litter excluded. The same below. Different letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level.

圖1 凋落物處理下土壤碳氮同位素的變化

3 討 論

3.1 土壤碳氮對(duì)凋落物處理的響應(yīng)

凋落物可以通過(guò)兩種途徑來(lái)影響著土壤養(yǎng)分，一方面是通過(guò)淋溶、分解作用直接為土壤提供可溶性養(yǎng)分，N的含量是凋落物分解過(guò)程中主要的影響因素；另一方面通過(guò)影響土壤微生物來(lái)改變土壤的養(yǎng)分[19-20]。本研究中，杉木林凋落物處理四年后，添加凋落物處理土壤DON、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮均發(fā)生顯著下降現(xiàn)象，而且凋落物添加處理后，DOC/DON明顯升高，表明杉木凋落物增多時(shí)土壤氮含量下降，而土壤微生物生物量碳氮未發(fā)生顯著變化，表明微生物量未發(fā)生變化，這與Wisconsin的橡樹(shù)林中添加凋落物導(dǎo)致土壤氮增加的結(jié)論相反[21]，可能是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)中未對(duì)杉木根系做出處理。凋落物添加后可能對(duì)土壤中杉木細(xì)根產(chǎn)生了影響，凋落物作為土壤養(yǎng)分源，添加后會(huì)對(duì)細(xì)根的覓養(yǎng)行為產(chǎn)生影響，部分根系延伸至凋落物層及凋落物層與表層土壤連接處，導(dǎo)致細(xì)根生物量[22]和菌根侵染率[23]增加，更好地吸收凋落物層中淋溶出的及土壤中的養(yǎng)分，因此，添加凋落物可能會(huì)影響植物與微生物之間的養(yǎng)分利用關(guān)系。杉木作為內(nèi)生菌根樹(shù)種，其菌根無(wú)法分解有機(jī)質(zhì)，只能通過(guò)向腐生微生物提供光合產(chǎn)物，刺激腐生微生物分解土壤有機(jī)質(zhì)，為其提供氮素，從而導(dǎo)致土壤中氮素消耗增加、土壤氮含量下降。數(shù)據(jù)顯示凋落物添加后土壤中氮獲得酶顯著升高，這進(jìn)一步印證了由于土壤中氮素的損失導(dǎo)致微生物為滿(mǎn)足自身需求不得不增強(qiáng)β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶的分泌來(lái)獲取氮素（圖2）。此外，凋落物添加后導(dǎo)致土壤含水率增加[24]，可能增強(qiáng)了土壤中氮的硝化-反硝化作用，提高了土壤氮?dú)鈶B(tài)損失的風(fēng)險(xiǎn)。而無(wú)論是凋落物添加還是去除處理，對(duì)土壤有機(jī)碳的影響均不明顯，可能是因?yàn)榈蚵湮锓纸鈱?duì)于土壤中總有機(jī)碳的改變需要較長(zhǎng)的時(shí)間[25]；孫麗娟等[26]在2010年鼎湖山地區(qū)針闊葉混交林中通過(guò)添加凋落物后發(fā)現(xiàn)，添加凋落物對(duì)土壤碳的影響不明顯。相比土壤氮而言，土壤有機(jī)碳本身的背景值較大，短期的控制實(shí)驗(yàn)很難對(duì)土壤有機(jī)碳產(chǎn)生顯著的影響。

圖2 凋落物處理下土壤酶活性的變化

3.2 土壤C、N同位素對(duì)凋落物處理的響應(yīng)

目前多數(shù)研究利用土壤C、N同位素自然豐度值的變化從微觀的角度來(lái)揭示土壤碳氮的變化[27-28]。因?yàn)橥凰鼐哂蟹逐s效應(yīng)，所以不同物質(zhì)之間C、N同位素豐度有差異[29]。土壤中δ13C、δ15N組成能較好的闡明土壤中有機(jī)碳與全氮的遷移、轉(zhuǎn)化并能夠?qū)ν寥乐杏袡C(jī)質(zhì)的分解程度進(jìn)行評(píng)估，是研究土壤碳氮循環(huán)的重要工具[30]。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，影響土壤有機(jī)碳中δ13C值的主要因素是土壤微生物的分解作用和植物凋落物及其根系的δ13C值[31]。本研究中土壤δ13C豐度與凋落物量并沒(méi)有呈現(xiàn)出相關(guān)規(guī)律性：凋落物添加與去除處理后δ13C相對(duì)于對(duì)照來(lái)說(shuō)均未產(chǎn)生顯著變化。因此，從土壤δ13C的角度進(jìn)一步說(shuō)明了凋落物量的變化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響較小。而且，凋落物添加處理后，土壤β葡萄糖苷酶顯著降低，一定程度上反應(yīng)了土壤中活性碳組分的分解減少，因?yàn)榈蚵湮锾砑犹幚砗笪⑸锞哂胸S富碳源，微生物不需要分泌多余的胞外酶來(lái)獲取碳源。土壤δ15N豐度在凋落物添加后顯著升高，凋落物去除后顯著降低，說(shuō)明土壤中氮對(duì)凋落物的處理更為敏感，而土壤碳受其影響較小。有研究顯示[32]，表層土壤氮同位素與植物體氮同位素具有顯著相關(guān)性，地上植被對(duì)土壤氮同位素具有重要影響，本研究中，凋落物添加后顯著提高了土壤δ15N豐度值，一般而言，土壤δ15N豐度值越高，說(shuō)明這個(gè)系統(tǒng)越開(kāi)放，土壤中N較容易損失[33]，所以，凋落物添加后δ15N豐度的升高一定程度上反映了土壤中可能發(fā)生了氮素的轉(zhuǎn)移或損失，如土壤中DON、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮顯著降低。杉木凋落物輸入增加導(dǎo)致β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶上升，主要與土壤中氮素的減少有關(guān)，凋落物添加后可能導(dǎo)致的植物細(xì)根生物量的增加會(huì)使得植物進(jìn)一步吸收土壤氮素，微生物需要同植物共同競(jìng)爭(zhēng)土壤氮素，從而使微生物分泌更多的氮獲得酶來(lái)滿(mǎn)足自身需求。微生物具有自身相對(duì)穩(wěn)定的碳氮比，當(dāng)土壤中氮素減少時(shí)，微生物就會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)自身對(duì)不同胞外酶的分泌，即分泌更多的氮獲得酶來(lái)獲取自身穩(wěn)定的碳氮比。此外，凋落物添加處理后，土壤微生物C/N無(wú)顯著變化；但去除凋落物處理顯著降低了微生物C/N，這可能是因?yàn)榈蚵湮锶コ环矫鏈p少了有機(jī)碳的輸入，同時(shí)也會(huì)去除凋落物層中的微生物，導(dǎo)致了微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，造成微生物C/N下降[34]。

3.3 土壤酶活性對(duì)凋落物處理的響應(yīng)

從土壤中酚氧化酶和過(guò)氧化氫酶的變化也可以證實(shí)上述推理，凋落物添加處理，酚氧化酶和過(guò)氧化氫酶活性均增加，而凋落物去除后兩種酶活性降低。相比C/N比較高的杉木凋落物，微生物會(huì)偏向選擇利用土壤中的有機(jī)質(zhì)，而凋落物添加處理后，微生物碳源充足，氮素不足，微生物會(huì)利用新鮮凋落物作為碳源來(lái)獲取能量，去分解土壤有機(jī)質(zhì)獲取氮素；由于杉木凋落物C/N比較高，木質(zhì)素/N較高，那么微生物利用杉木凋落物時(shí)則需要分泌更多的酚氧化酶或者過(guò)氧化氫酶。因此，凋落物添加后酚氧化酶和過(guò)氧化氫酶活性增加是因?yàn)槲⑸镄枰纸馍寄镜蚵湮铽@取碳源而滿(mǎn)足自身能量需求，并非反應(yīng)微生物分解土壤難分解有機(jī)質(zhì)。同理，凋落物去除后酚氧化酶和過(guò)氧化氫酶活性降低，則說(shuō)明微生物對(duì)難分解有機(jī)物的分解減少，即相比對(duì)照而言，凋落物去除等于去除了供給微生物較高C/N比的底物，微生物失去了分解對(duì)象，沒(méi)有新鮮碳源作為能量來(lái)源，那么微生物的分解作用也降低，導(dǎo)致酚氧化酶和過(guò)氧化氫酶活性降低。而且，在凋落物去除處理后，土壤δ15N值顯著降低，說(shuō)明土壤氮循環(huán)變得更加封閉和緩慢[25，27]；同時(shí)土壤β葡萄糖苷酶、纖維素水解酶均出現(xiàn)不同程度下降現(xiàn)象；由于β葡萄糖苷酶、纖維素水解酶都參與土壤中碳的分解與循環(huán)[34]，所以凋落物去除可能會(huì)減緩?fù)寥捞嫉h(huán)速率。

4 結(jié) 論

土壤氮對(duì)杉木人工林中添加、減少凋落物的影響較為敏感，土壤碳受其影響不顯著。凋落物添加增強(qiáng)了植物對(duì)土壤中氮素的吸收，導(dǎo)致土壤中氮素的減少，而土壤微生物為了維持自身碳氮比，會(huì)分泌更多的氮獲得酶去分解土壤中的有機(jī)質(zhì)來(lái)獲取氮素，使得微生物與植物之間競(jìng)爭(zhēng)土壤氮，導(dǎo)致土壤中氮素的循環(huán)加快，最終可能導(dǎo)致土壤碳氮失衡。

［1］ Post W M，Emanuel W R，Zinke P J，et al. Soil carbon pools and world life zones[J]. Nature，1982，298（5870）：156—159.

［2］ Gholz H L，F(xiàn)isher R F，Prichett W L. Nutrient dynamics in slash pine plantation ecosystems[J]. Ecology，1985，66（3）：647—659.

［3］ Sombroek W，Nachtergaele F O，Hebel A. Amounts，dynamics and sequestering of carbon in tropical and subtropical soils[J]. Ambio，1993，22（7）：417—426.

［4］ Finzi A C，Allen A S，DeLucia E H，et al. Forest litter production，chemistry，and decomposition following two years of free-air CO2enrichment[J]. Ecology，2001，82（2）：470—484.

［5］ Ellsworth D S，Thomas R，Crous K Y，et al. Elevated CO2affects photosynthetic responses in canopy pine and subcanopy deciduous trees over 10 years：A synthesis from Duke FACE[J]. Global Change Biology，2012，18（1）：223—242.

［6］ Fang X，Zhao L，Zhou G Y，et al. Increased litter input increases litter decomposition and soil respiration but has minor effects on soil organic carbon in subtropical forests[J]. Plant and Soil，2015，392（1/2）：139—153.

［7］ Leff J W，Wieder W R，Taylor P G，et al. Experimental litterfall manipulation drives large and rapid changes in soil carbon cycling in a wet tropical forest[J]. Global Change Biology，2012，18（9）：2969—2979.

［8］ Fontaine S，Barot S，Barré P，et al. Stability of organic carbon in deep soil layers controlled by fresh carbon supply[J]. Nature，2007，450（7167）：277—280.

［9］ Kuzyakov Y. Priming effects：Interactions between living and dead organic matter[J]. Soil Biology & Biochemistry，2010，42（9）：1363—1371.

［10］ Zhang D Q，Hui D F，Luo Y Q，et al. Rates of litter decomposition in terrestrial ecosystems：Global patterns and controlling factors[J]. Journal of Plant Ecology，2008，1（2）：85—93.

［11］ Wang Q K，Wang S L，He T X，et al. Response of organic carbon mineralization and microbial community to leaf litter and nutrient additions in subtropical forest soils[J]. Soil Biology & Biochemistry，2014，71：13—20.

［12］ Cotrufo M F，Wallenstein M D，Boot C M，et al. The Microbial Efficiency-Matrix Stabilization（MEMS）framework integrates plant litter decomposition with soil organic matter stabilization：Do labile plant inputs form stable soil organic matter?[J]. Global Change Biology，2013，19（4）：988—995.

［13］ Yang Y S，Xie J S，Sheng H，et al. The impact of land use/cover change on storage and quality of soil organic carbon in midsubtropical mountainous area of Southern China[J]. Journal of Geographical Sciences，2009，19（1）：49—57.

［14］ Li M X.A study on the restoration of the hydrological functions in the second generation Chinese fir plantation[D]. Changsha：Central South University of Forestry & Technology，2007. [李明學(xué). 第二代杉木人工林水文功能恢復(fù)研究[D]. 長(zhǎng)沙：中南林業(yè)科技大學(xué)，2007.]

［15］ Liu X F，Lin T C，Yang Z J，et al. Increased litter in subtropical forests boosts soil respiration in natural forests but not plantations of[J]. Plant and Soil，2017，418（1/2）：141—151.

［16］ Jones D，Willett V. Experimental evaluation of methods to quantify Dissolved organic nitrogen（DON）and Dissolved organic carbon（DOC）in soil[J]. Soil Biology& Biochemistry，2006，38（5）：991—999.

［17］ Vance E D，Brookes P C，Jenkinson D S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C[J]. Soil Biology & Biochemistry，1987，19（6）：703—707.

［18］ Saiya-Cork K R，Sinsabaugh R L，Zak D R. The effects of long term nitrogen deposition on extracellular enzyme activity in anforest soil[J]. Soil Biology & Biochemistry，2002，34（9）：1309—1315.

［19］ Liao L P，Lindley D K，Yang Y H. Decomposition of mixed foliar litter I. A microcosm study[J]. Chinese Journal of Applied Ecology，1997，8（5）：459—464. [廖利平，D. K. Lindley，楊永輝. 森林葉凋落物混合分解的研究I.縮微（Microcosm）實(shí)驗(yàn)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1997，8（5）：459—464.]

［20］ Tu Y，You Y M，Sun J X. Effects of forest floor litter and nitrogen addition on soil microbial biomass C and N and microbial activity in a mixedandliaotungensis forest stand in Shanxi Province of China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology，2012，23（9）：2325—2331. [涂玉，尤業(yè)明，孫建新. 油松-遼東櫟混交林地表凋落物與氮添加對(duì)土壤微生物生物量碳、氮及其活性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，23（9）：2325—2331.]

［21］ Nielsen G E，Hole F D. A study of the natural processes of incorporation of organic matter into soil in the University of Wisconsin Arboretum[J]. Arts and Letters，1963，52：213—227.

［22］ Wang W，Wu X G，Hu K，et al. Increased litterfall regulates fine root biomass and distribution in three typical forests in subtropical China[J]. Acta Ecologica Sinica，2016，36（11）：3391—3401. [王微，伍小剛，胡凱，等. 凋落物輸入對(duì)中亞熱帶不同森林細(xì)根生物量及分布的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，36（11）：3391—3401.]

［23］ Brzostek E R，Dragoni D，Brown Z A，et al. Mycorrhizal type determines the magnitude and direction of root-induced changes in decomposition in a temperate forest[J]. New Phytologist，2015，206（4）：1274—1282.

［24］ Li X J，Liu X F，Xiong D C，et al. Impact of litterfall addition and exclusion on soil respiration inplantation and secondaryforest in mid-subtropical China[J]. Chinese Journal of Plant Ecology，2016，40（5）：447—457. [李曉杰，劉小飛，熊德成，等. 中亞熱帶杉木人工林和米櫧次生林凋落物添加與去除對(duì)土壤呼吸的影響[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，40（5）：447—457.]

［25］ Berg B. Litter decomposition and organic matter turnover in northern forest soils[J]. Forest Ecology & Management，2000，133（1/2）：13—22.

［26］ Sun L J，Zeng H，Guo D L. Effects of litter and mineral nitrogen input on soil organic carbon decomposition in subtropical mixed forest in Dinghu Mountain，South China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology，2011，22（12）：3087—3093. [孫麗娟，曾輝，郭大立. 鼎湖山亞熱帶常綠針闊葉混交林凋落物及礦質(zhì)氮輸入對(duì)土壤有機(jī)碳分解的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，22（12）：3087—3093.]

［27］ Duan Z H，Qiao Y M，Quan X L，et al. Analysis of nitrogen and carbon composition and stable isotope characteristics and physicochemical properties of wetland and grassland soil in source region of the Yellow River[J]. Journal of Soil and Water Conservation，2015，29（4）：247—252，315. [段中華，喬有明，全小龍，等. 黃河源區(qū)濕地、草地土壤理化性質(zhì)和碳氮組成及其穩(wěn)定同位素特征分析[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2015，29（4）：247—252，315.]

［28］ Wang M L，Lai J P，Hu K T，et al. Compositions of stable organic carbon and nitrogen isotopes in wetland soil of Poyang Lake and its environmental implications[J]. China Environmental Science，2016，36（2）：500—505. [王毛蘭，賴(lài)建平，胡珂圖，等. 鄱陽(yáng)湖濕地土壤有機(jī)碳氮同位素特征及其環(huán)境意義[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2016，36（2）：500—505.]

［29］ Natelhoffer K J，F(xiàn)ry B. Controls on natural nitrogen-15 and carbon-13 abundances in forest soil organic matter[J]. Soil Science Society of America Journal，1988，52（6）：1633—1640.

［30］ Zeng W B. Changes of soil carbon and nitrogen content and isotope values under different land use conditions in Danjangkou Reservior[D]. Beijing：Graduate University of the Chinese Academy of Sciences，2012. [曾偉斌. 丹江口庫(kù)區(qū)不同土地利用下土壤碳氮含量及其同位素值的變化[D]. 北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2012.]

［31］ Billings S A，Richter D D. Changes in stable isotopic signatures of soil nitrogen and carbon during 40 years of forest development[J]. Oecologia，2006，148（2）：325—333.

［32］ Wang Z J，Liang X，He Q F，et al. Differential characteristics of soil δ15N under varying vegetation in Karst areas[J]. Acta Ecologica Sinica，2011，31（17）：4970—4976. [汪智軍，梁軒，賀秋芳，等. 巖溶區(qū)不同植被類(lèi)型下的土壤氮同位素分異特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31（17）：4970—4976.]

［33］ Hobbie E A，Ouimette A P. Controls of nitrogen isotope patterns in soil profiles[J]. Biogeochemistry，2009，95（2/3）：355—371.

［34］ Bian X L，Zhao W L，Yue Z H，et al. Research process of soil enzymes effect on carbon and nitrogen cycle in agricultural ecosystem[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin，2016，32（4）：171—178. [邊雪廉，趙文磊，岳中輝，等. 土壤酶在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)中的作用研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2016，32（4）：171—178.]

Effects of Litter Carbon, Nitrogen and Enzyme Activity in Soil under Chinese Fir

RUAN Chaoyue1, LIU Xiaofei1, 2, 3, Lü Maokui1, LI Xiaojie1, FU Zuoqin1, REN Yinbang1, HUANG Jun1, XIE Jinsheng1, 2?

(1. School of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China; 2. Cultivation Base of State Key Laboratory of Humid Subtropical Mountain Ecology, Fuzhou 350007, China; 3. Sanming Research Station of Forest Ecosystem and Global Change, Sanming, Fujian 365000, China)

【】Climate change triggers variation of soil net primary productivity, which are likely to affect litter input to forest soil. Litter is an important source of nutrients for plants and soil microorganisms in forest ecosystems and may also alter stocks and cycling of soil carbon (C) and nitrogen (N). However, so far little has been found in the literature about responses of soil C and N to litter input in subtropical forests. This study aims to understand how soil C and N respond to increased litter input in a Chinses fir plantation in South China, caused by climate change. 【】In this study, a four-year field experiment, designed to have two plot, Plot A with litter kept on the soil and Plot B with litter removed, was carried out in a Chinese fir plantation in South China. Soil samples were collected from the plots at the end of the experiment and analyzed for soil C and N and their isotopes (δ13C, δ15N), enzyme activity microbial biomass C and N (MBC, MBN), as well as N-acquiring enzymes. 【】Results show that Plot A significantly increased activity of soil N-acquiring enzyme activity (β-N- acetylglucosaminidase) and hence accelerated decomposition of soil organic matter. Therefore it was found that litter triggered decline of soil ammonium, nitrate N and DON, but barely affected soil MBC and MBN, which is probably because litter intensified the competition of microbes with plants for soil N, so soil microbe released more N-acquiring enzyme to meet their demand for N. In Plot A phenol oxidase and peroxidase increased in activity, while in Plot B they decreased in activity, which indicates that soil microbes tend to decompose Chinese fir litter rather than soil organic matter as energy to acquire N. In Plot A soil organic C and dissolvable organic C did not vary much, which indicates that litter does not have much impact on carbon in the soil. Litter did not have much impact on soil δ13C either, but did, by significantly increasing soil δ15N. Soil δ15N is an indicator of openness of soil N system. The higher the soil δ15N, the more open the soil N system, the more likely the occurrence of N loss, which indicates that litter accelerates soil N mineralization and loss. Besides, it was also found that in Plot B β-glucosidase and cellulolytic enzyme declined in activity, which indicates that litter removal may downregulate soil C recycling rate. 【】Based on the findings of the experiment, it could be concluded that 1) Litter significantly affects soil N, but not soil C, which indicates that soil N is more sensitive to changes in litter input than soil C; 2) Litter may alter the soil microbial environment of the Chinese fir plantation and enhance root growth and N uptake of the plant, thus leading to intensified competition between soil microbes and plants for soil N and decline of soil N in content; 3)As Chinese fir litter is high in C/N, soil microbes need to excrete more soil phenol oxidase and peroxidase activity to decompose fresh litter for energy to compete for soil N. Therefore, climate changes cause variation of litter production in Chinese fir forest, which in turn produces different impacts on recycling of soil C and N, thus disturbing balance of soil C and N in subtropical coniferous forests.

Litter treatment; Soil carbon and nitrogen isotopes; Enzyme activity

S714

A

10.11766/trxb201808060408

阮超越，劉小飛，呂茂奎，李曉杰，付作琴，任寅榜，黃俊，謝錦升. 杉木人工林凋落物添加與去除對(duì)土壤碳氮及酶活性的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2020，57（4）：954–962.

RUAN Chaoyue，LIU Xiaofei，Lü Maokui，LI Xiaojie，F(xiàn)U Zuoqin，REN Yinbang，HUANG Jun，XIE Jinsheng. Effects of Litter Carbon，Nitrogen and Enzyme Activity in Soil under Chinese Fir[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（4）：954–962.

* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0600204）和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1405231）資助Supported by the National Key Research and Development Project of China（No. 2016YFD0600204）and the National Natural Science Foundation of China（No. U1405231）

，E-mail：jshxie@163.com

阮超越（1993—），男，安徽合肥人，碩士研究生，主要從事森林生態(tài)研究。E-mail： 2686309431@qq.com

2018–08–06；

2018–10–06；

2018–12–10

（責(zé)任編輯：盧 萍）