羅明霞, 胡宗達(dá),*, 劉興良, 李亞非, 胡 璟, 歐定華, 吳德勇

1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院, 成都 611130 2 四川省林業(yè)科學(xué)研究院, 成都 610081 3 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410128

土壤微生物在土壤養(yǎng)分供給和轉(zhuǎn)換過程中扮演著十分重要的角色,其生物量(土壤中體積小于5×103μm3的生物總量)屬于土壤中最活躍和最易變化的有機(jī)質(zhì)部分[1],是植物生長(zhǎng)所需物質(zhì)和能量的重要來(lái)源,也是驅(qū)動(dòng)土壤養(yǎng)分循環(huán)的主要?jiǎng)恿?能很好地反映微生物在土壤中的實(shí)際含量和作用潛力[2- 3]。土壤酶作為有機(jī)質(zhì)分解、周轉(zhuǎn)和礦化的主要生物催化劑,在土壤物質(zhì)循環(huán)過程中發(fā)揮著重要的驅(qū)動(dòng)作用,其活性能代表土壤中碳氮代謝的旺盛程度,亦能表征微生物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用狀況[4-5]。土壤微生物生物量和酶活性對(duì)土壤底物有效性變化較為敏感[6],可綜合表征土壤微生物活性[7],以反映土壤質(zhì)量在時(shí)間序列或不同環(huán)境條件下的變化,是監(jiān)測(cè)土壤底物有效性變化和評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)[8]。

土壤酶主要來(lái)源于土壤微生物、根際分泌物和動(dòng)植物殘?bào)w分解,參與土壤生物化學(xué)循環(huán)的主要酶類為氧化還原酶和水解酶[9],水解酶(如β-葡萄糖苷酶、纖維素酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶等)和氧化酶(如過氧化物酶和多酚氧化酶等)分別與土壤有機(jī)物質(zhì)分解和腐殖化過程緊密相關(guān)[10],其酶活性差異可反映微生物養(yǎng)分的需求變化[11]。研究顯示,以針葉樹種為主的人工林地土壤多酚氧化酶活性高于以闊葉為主的天然次生林,而過氧化物酶無(wú)顯著差異,β-葡萄糖苷酶和纖維素酶活性則相反[12]。在人工林生態(tài)系統(tǒng)中,林齡是影響土壤養(yǎng)分分配的重要因素,可通過改變林分結(jié)構(gòu)引起凋落物、根系分泌物、理化性質(zhì)(水分、有機(jī)質(zhì)含量、pH等)和微氣候等的變化,造成微生物種類和組成不同,進(jìn)而影響土壤酶活性[13-14]。目前的大量研究表明,人工林土壤酶活性隨著林齡的增長(zhǎng)表現(xiàn)出增加[15]、先增后降[16]、先增后降再增[17]的變化趨勢(shì)均有,隨林齡增加土壤酶活性變化差異顯著,主要源于研究區(qū)域、物種組成、植物學(xué)特性和森林管護(hù)方式不同所致[18-19]。

川西亞高山森林是我國(guó)重要的水源涵養(yǎng)和水土保持林,是維護(hù)長(zhǎng)江上游生態(tài)安全的綠色屏障[20]。20世紀(jì)50年代以來(lái),川西亞高山原始暗針葉林被大規(guī)模采伐,至1998年停采封存,已形成天然和人工更新共同作用下的原始暗針葉林-天然次生林-人工林等不同林型鑲嵌分布的森林格局[21]。云杉(Piceaasperata)作為中國(guó)西部和西南亞高山地區(qū)人工林主要樹種之一,在保障西北地區(qū)和青藏高原東南部生態(tài)安全方面有著重要作用。近年來(lái),對(duì)該區(qū)域云杉人工林的研究主要集中在土壤碳動(dòng)態(tài)[22]、土壤呼吸響應(yīng)機(jī)制[23]和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[24]等方面,對(duì)土壤酶活性多側(cè)重于凍融循環(huán)[25]、氮沉降[26]等因素對(duì)酶活性的影響,而對(duì)不同林齡人工林林下土壤微生物生物量和酶活性及其影響因素鮮見報(bào)道。本研究采用空間代替時(shí)間的方法,選擇川西亞高山米亞羅林區(qū)不同林齡粗枝云杉(Piceaasperata)人工林,探討林下表層土壤微生物生物量及土壤酶活性對(duì)不同林齡的響應(yīng),分析土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)和有效養(yǎng)分的關(guān)系,旨在揭示川西亞高山粗枝云杉人工林隨造林時(shí)間延長(zhǎng)其土壤質(zhì)量的變化特征及其影響因素。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省阿壩州理縣米亞羅林區(qū)(31°24′—31°55′ N,102°35′—103°4′ E),海拔梯度為2850—4200 m。地貌屬于典型的高山峽谷地貌,氣候?yàn)榧撅L(fēng)山地氣候,夏季濕潤(rùn)多雨,冬季寒冷干燥。1月份平均氣溫—8℃,7月份平均氣溫12.6℃,年平均氣溫 6—12℃,≥10℃的年積溫1200—1400℃,年降水量600—1100 mm,年蒸發(fā)量1000—1900 mm。森林土壤類型主要為山地棕壤,成土母質(zhì)主要為千枚巖、板巖和白云巖等殘積風(fēng)化物,土層薄,石礫含量高[27-28]。研究樣地選擇在米亞羅林區(qū)不同年代采伐跡地、經(jīng)過人工種植更新及實(shí)施封育后,不同恢復(fù)階段的粗枝云杉人工林集中分布地段。主要物種為粗枝云杉(Piceaasperata),林下主要物種有疏花槭(Acerlaxiflorum)、三棵針(Berberissargentiana)、扁刺薔薇(Rosasweginzowii)、陜甘花楸(Sorbuskoehneana)、高山柳(Salixparaqplesia)等。

1.2 樣地設(shè)置與土樣采集

2019年7月下旬,按照地域毗鄰和生境相似性原則,在米亞羅林區(qū)選取25、40、50a和60a的粗枝云杉(Piceaasperata)人工林(見表1),每種林地隨機(jī)布設(shè)3個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地,進(jìn)行每木檢測(cè),并記錄地理坐標(biāo)、海拔、坡度、郁閉度等指標(biāo)。然后對(duì)每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地按照“田”字形分為4個(gè)10 m×10 m的樣方,采用“梅花5點(diǎn)”法布點(diǎn)采集表層(0—20 cm)土壤樣品,采樣前小心除去地表枯落物,用不銹鋼土鉆(Eijkelkamp,型號(hào) 07.53.SC)進(jìn)行取樣,將所有土樣充分混合均勻,按四分法分取1 kg樣品放入密封袋,置于4℃保溫箱運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,立即去除動(dòng)植物殘?bào)w和石礫等雜質(zhì),將其土樣分為2份,1份鮮樣用于測(cè)定土壤微生物生物量碳氮和酶活性；另1份自然風(fēng)干,分別過1、0.25 mm篩,用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)。

表1 粗枝云杉人工林樣地基本情況

1.3 樣品分析

1.3.1土壤基本理化性質(zhì)的測(cè)定

土壤有機(jī)碳(SOC)和全氮(TN)分別采用重鉻酸鉀氧化外加熱法、硫酸-催化劑消解流動(dòng)分析儀法測(cè)定；全磷(TP)采用鉬銻抗比色法,利用 UV- 2450紫外分光光度計(jì)測(cè)定；堿解氮(AN)采用滴定法測(cè)定；土壤pH值用賽多里斯PB- 10型pH計(jì)測(cè)定,水土體積質(zhì)量比為2.5∶1；采用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水率。

土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)和可溶性有機(jī)氮(DON),用蒸餾水以水土比為5∶1浸提,室溫振蕩30 min,用0.45 μm濾膜抽濾,用日本島津TOC-VCPH/CPN分析儀測(cè)定濾液中DOC含量,用紫外分光光度計(jì)(島津 UV- 2450)測(cè)定可溶性總氮(DTN),用AA3-連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定可溶性無(wú)機(jī)氮(DIN),利用差值法DON=DTN-DIN計(jì)算；輕組有機(jī)碳(LFOC)采用碘化鈉浸提法,用比重為1.7 g/cm3的碘化鈉溶液浸提,振蕩1 h后離心,取輕質(zhì)部分用0.45 μm 纖維濾膜過濾,再用0.01 mol/L CaCl2和蒸餾水抽濾沖洗,烘干(60℃)稱量后過0.15 mm篩,最后用島津TOC-SSM- 5000A 碳分析儀測(cè)定

1.3.2土壤微生物生物量碳(MBC)、生物量氮(MBN)濃度測(cè)定

微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4直接浸提法測(cè)定：稱取2份7.5 g的過2 mm篩的新鮮土樣,分別放置于有氯仿和無(wú)氯仿的真空干燥器中,在黑暗環(huán)境下內(nèi)熏蒸24 h后取出,再分別加入土液體積比為1∶4的0.5 mol/L K2SO4水溶液,震蕩30 min,過濾后,MBC用TOC-VCPH有機(jī)碳分析儀測(cè)定,MBN用AA3-連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定[29],計(jì)算公式如下：

土壤微生物生物量碳 =(熏蒸土壤有機(jī)碳-未熏蒸土壤有機(jī)碳)/0.45

(1)

土壤微生物生物量氮 =(熏蒸土壤有機(jī)氮-未熏蒸土壤有機(jī)氮)/0.25

(2)

1.3.3土壤酶活性的測(cè)定

土壤酶活性的測(cè)定參照Chen等[30]和Li 等[31]的測(cè)定方法：葡萄糖苷酶采用熒光比色法,首先,取1 g新鮮土壤,加蒸餾水125 mL,震蕩2 h(25℃ 180 r/min)后,吸取1 mL的懸濁液,加入熒光底物(傘形酮MUB)0.25 mL,25℃下避光培養(yǎng)4 h,再加入50 μL濃度為0.5 mol/L的NaOH溶液,反應(yīng)終止后用多功能酶標(biāo)儀(M200PRO, 瑞士Tecan)測(cè)定其熒光度；過氧化物酶和多酚氧化酶采用酶聯(lián)免疫微量法,先取過50目的風(fēng)干土樣0.20 g,分別加入反應(yīng)底物(120 mL和100 μL鄰苯三酚溶液、20 μL過氧化氫溶液),振蕩混勻,30℃恒溫培養(yǎng) 1 h后取出,再分別加入50 mL磷酸緩沖液和430 mL乙醚、50 μL磷酸緩沖液和430 μL乙醚,振蕩數(shù)次,25℃室溫靜置 30 min,用酶標(biāo)儀(M200, 瑞士Tecan)測(cè)定；纖維素水解酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定,稱取10 g土壤,加入1.5 mL甲苯,搖勻后放置15 min,再加入5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的羧甲基纖維素溶液和5 mL pH=5.5的醋酸鹽緩沖液,于37℃恒溫箱中培養(yǎng)72 h后,取1 mL濾液,用島津-UV2450-紫外分光光度計(jì)測(cè)定。5種土壤酶的名稱、縮寫和功能見表2。

表2 土壤酶的名稱、縮寫、功能及底物

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差法(One-way ANOVA)和最小顯著性差異法(LSD)檢驗(yàn)不同林齡人工林土壤理化性質(zhì)、土壤微生物生物量和土壤酶活性的顯著性差異(α=0.05)；利用Pearson相關(guān)性分析得到與土壤酶活性顯著相關(guān)的土壤因子(數(shù)據(jù)未在文中列出)；用Canoco Software 4.5軟件對(duì)土壤酶活性和與其呈顯著相關(guān)性的土壤因子進(jìn)行冗余分析(Redundancy Analysis, RDA),探究影響土壤酶活性變化的主導(dǎo)因素。所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用SigmaPlot12.0軟件制圖。文中圖表數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡粗枝云杉人工林土壤基本理化性質(zhì)的比較

不同林齡人工林土壤pH變幅為5.30—6.02,隨種植時(shí)限增加呈顯著增加趨勢(shì)(P<0.05)；40年生人工林的WC顯著高于其他林齡階段的人工林；隨林齡增加,表層土壤SOC、TN、LFOC、AN和DOC呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)(表3),其中50年生人工林的含量最高。隨著林齡的增加,DON也呈先增后減的變化趨勢(shì),但未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。土壤C/N隨林齡增加呈顯著下降的趨勢(shì),60年生人工林的C/N顯著低于25年生和40年生人工林(P<0.05)。表層土壤TP含量在不同林齡人工林之間差異顯著,表現(xiàn)為60a>25a>50a>40a。

表3 不同林齡粗枝云杉人工林土壤理化性質(zhì)

2.2 不同林齡粗枝云杉人工林土壤微生物生物量的比較

圖1顯示,不同林齡粗枝云杉人工林表層土壤MBC和MBN的含量變化趨勢(shì)相似(P<0.05),其中40年生人工林的MBC和MBN含量最高(1408.50 mg/kg和437.94 mg/kg),相比25、50、60年生,分別高64.09%和52.92%、26.97%和34.71%、54.91%和70.19%,其高低排序分別為40a>50a>60a>25a和40a>50a>25a>60a。MBC/MBN隨林齡呈顯著增加趨勢(shì)(圖1),即60年生人工林分別比25、40、50年生高50.35%、31.73%和26.06%。

圖1 不同林齡粗枝云杉人工林土壤微生物生物量碳氮含量變化Fig.1 The variation trend of soil microbial biomass contents and microbial C:N ratio in Picea asperata plantations with different ages (n=3)不同小寫字母表示不同林齡粗枝云杉人工林間差異顯著(P<0.05)

2.3 不同林齡粗枝云杉人工林土壤酶活性的比較

圖2顯示,人工林表層土壤βG活性表現(xiàn)為50a(30.65 nmol g-1h-1)>60a(22.71 nmol g-1h-1)>40a(21.74 nmol g-1h-1)>25a(5.28 nmol g-1h-1),其中40年生和60年生的βG活性差異不顯著(P>0.05)；CBH活性隨林齡呈增加趨勢(shì),60年生顯著高于其他3種林齡階段的人工林(P<0.01),其中50a和40a、40a和25a之間差異不顯著(P>0.05)；NAG活性變化趨勢(shì)與βG相似,50年生人工林表層土壤NAG活性分別較25a和60a的高77.03%和39.98%；PHO活性表現(xiàn)為40a>50a>25a>60a；50年生的PEO活性顯著低于其他三種林齡階段的人工林(P<0.05),分別比25、40和60年生低77.94%、63.88%和68.52%。

圖2 不同林齡粗枝云杉人工林的土壤酶活性Fig.2 The variation trend of soil enzyme activities in Picea asperata plantations with different ages (n=3)

2.4 土壤酶活性變化的RDA分析

以5種土壤酶活性作為響應(yīng)變量,選取與土壤酶活性具有顯著相關(guān)關(guān)系的土壤因子作為解釋變量,并結(jié)合不同林齡處理樣點(diǎn)進(jìn)行冗余分析,獲得驅(qū)動(dòng)土壤酶活性變化的主要因子。結(jié)果顯示,不同林齡人工林樣地表現(xiàn)出有規(guī)律的聚類(圖3),說明林齡對(duì)人工林土壤酶活性的影響顯著。從圖3可看出,第一軸和第二軸共同解釋了土壤酶活性變異的86.86%,AN、pH和DOC分別解釋了土壤酶活性變異的65.4%(P=0.002)、9.7%(P=0.026)和7.6%(P=0.04),它們是引起土壤酶活性變異的顯著性解釋因子。AN與NAG、βG極顯著正相關(guān)(P<0.01),與PEO顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；pH與PEO顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；DOC與NAG、βG、PHO顯著正相關(guān),與PEO顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；NAG與βG極顯著正相關(guān)(P<0.01)、與PHO顯著正相關(guān)(P<0.05),PEO與NAG和βG極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

圖3 不同林齡粗枝云杉人工林土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性冗余分析Fig 3 Redundancy analysis (RDA) depicting the relationship between soil physical-chemical properties and soil enzyme activities in Picea asperata plantations with different ages (n=12)25a1、25a2、25a3表示25年生粗枝云杉人工林樣地的3個(gè)平行重復(fù)25a1, 25a2, 25a；pH：酸堿度； SOC：土壤有機(jī)碳；TN：全氮；AN：堿解氮；LFOC：輕組有機(jī)碳；DOC：可溶性有機(jī)碳；MBC：微生物生物量碳；MBN：微生物生物量氮；圖右下角變量注釋表示對(duì)土壤酶變化有顯著影響作用的環(huán)境因子的相應(yīng)解釋比例

3 討論

3.1 不同林齡人工林土壤理化性質(zhì)變化

林齡或林分發(fā)展階段是森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育的結(jié)果,林齡對(duì)人工林土壤理化性質(zhì)有著顯著影響。土壤pH與凋落物的量和凋落物分解速率、凋落物養(yǎng)分歸還率密切相關(guān)。本研究中,隨著粗枝云杉人工林林分的生長(zhǎng)發(fā)育,土壤pH顯著增加,表明種植年限可有效改變土壤酸堿性,已有研究結(jié)果亦有證實(shí)[32]。各林齡粗枝云杉人工林C/N隨林齡增大而減小,這是由于土壤有機(jī)碳和全氮的變化趨勢(shì)雖然一致,但土壤有機(jī)碳的變化趨勢(shì)滯后于土壤全氮的變化趨勢(shì)。土壤C、N均是植物生長(zhǎng)所必需的大量元素,在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中起著重要作用。本研究發(fā)現(xiàn)SOC、TN、AN、DOC和LFOC等養(yǎng)分含量均隨林齡呈先增后減的變化趨勢(shì),于近熟林(40—50a)達(dá)到最大,與已有研究結(jié)果一致[33]。人工林生態(tài)系統(tǒng)處于幼齡林時(shí),植物為了滿足自身生長(zhǎng)需要,從土壤中吸收大量的養(yǎng)分導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量呈現(xiàn)出較低水平；人工林到達(dá)成熟期時(shí),養(yǎng)分循環(huán)周期長(zhǎng)、歸還速率慢,更多的消耗林地的養(yǎng)分來(lái)維持自身的生長(zhǎng),林地土壤養(yǎng)分含量亦低,故幼齡林和成熟林時(shí)期人工林的生物量、營(yíng)養(yǎng)元素積累量和年存留量較低。土壤全磷含量的高低在一定程度上反映了土壤的供磷潛力,當(dāng)全磷含量低于0.8—1.0 g/kg時(shí),土壤常出現(xiàn)供磷不足[34]。本研究結(jié)果顯示川西亞高山不同林齡粗枝云杉人工林全磷含量為1.07—1.34 g/kg,并隨著林齡的增加呈V型趨勢(shì)變化,40—50年生顯著低于25年生和60年生的人工林,可能是因?yàn)?0—50 a的粗枝云杉處于快速生長(zhǎng)階段,導(dǎo)致樹木對(duì)土壤磷素的吸收量大于土壤全磷的增加量。

3.2 不同林齡人工林土壤微生物生物量變化

隨林分發(fā)育土壤微環(huán)境發(fā)生變化,使得土壤微生物生物量對(duì)環(huán)境變化的敏感性隨之改變。本研究結(jié)果顯示,表層土壤MBC和MBN含量變幅分別為505.73—1408.50 mg/kg、130.54—437.94 mg/kg,與譚波等[35]對(duì)該區(qū)域同海拔同時(shí)段冷杉林的研究結(jié)果相似,高于賀若陽(yáng)等[36]對(duì)該區(qū)域云杉人工林有機(jī)層的研究結(jié)果。表層土壤MBC和MBN隨林齡增加均呈現(xiàn)出先增后降的顯著變化趨勢(shì),與Wang等[37]的研究結(jié)果一致,但與本研究區(qū)域境內(nèi)不同林齡(9、13、31a)粗枝云杉(Piceaasperata)人工林的研究結(jié)果有所差異[38],可能是由于研究土層選擇不同所致。粗枝云杉人工林生長(zhǎng)到40—50a階段,表層土壤MBC和MBN顯著高于25年生和60年生,可能是因?yàn)?0—50年生階段人工林林下地表凋落物量和通過凋落物歸還土壤的營(yíng)養(yǎng)元素的年歸還總量高于25a和60a(表1),且地表溫濕度適宜微生物繁殖,提高了微生物活性,使微生物分解有機(jī)質(zhì)增強(qiáng),故土壤微生物生物量含量較高,這在已有研究中得到證實(shí)[39]。亦有研究表明,土壤養(yǎng)分含量是影響土壤微生物生物量的重要因素[40],本研究25年生和60年生人工林的SOC、TN、AN等養(yǎng)分含量顯著低于40—50年生,可能是導(dǎo)致該林齡土壤MBC和MBN含量低的原因。MBC/MBN作為土壤微生物種類組成的一個(gè)重要指標(biāo),可指示土壤真菌與細(xì)菌的相對(duì)豐度,其比值越高,說明土壤中真菌數(shù)量越多[41]。土壤MBC/MBN處于3—6之間,土壤細(xì)菌占優(yōu)勢(shì),反之則以真菌為主[42]。本研究中粗枝云杉人工林土壤MBC/MBN值隨林齡增加而顯著增大(P<0.05),為2.42—4.87(均值3.55),低于川西亞高山粗枝云杉(Piceaasperata)人工林(10.56—13.77)[36]及溫帶森林(7.4—7.9)[43]的MBC/MBN比值,說明隨林齡增加,研究區(qū)人工林土壤微生物真菌數(shù)量有所增加但仍以細(xì)菌為主。

3.3 不同林齡人工林土壤酶活性變化

土壤微生物酶可催化土壤發(fā)生發(fā)育及肥力的形成,其活性高低可指示土壤微生物活性的強(qiáng)弱,可作為表征土壤質(zhì)量的重要生物學(xué)指標(biāo)[44]。本研究發(fā)現(xiàn),隨粗枝云杉人工林種植年限的增加,表層土壤與碳氮相關(guān)水解酶活性(NAG和βG)呈先增后降的趨勢(shì),均于50年生達(dá)到最大(圖2),不同于該區(qū)域云杉人工林的研究結(jié)果[27],可能是林地微環(huán)境不同所致。土壤中可利用養(yǎng)分為土壤微生物及水解酶生產(chǎn)供應(yīng)能量,故土壤養(yǎng)分含量高的林分,土壤水解酶活性也高[45]。白樺林在中齡林與近熟林階段酶活性最高,土壤有機(jī)質(zhì)也在這個(gè)時(shí)期周轉(zhuǎn)最快[46]；日本落葉松在11年和47年酶活性較高,此階段人工林養(yǎng)分含量也較高[47],因而50年生人工林較高的SOC、TN、DOC、AN和LFOC含量促進(jìn)了NAG和βG的活性；而隨林齡增加CBH呈逐漸增加的變化趨勢(shì),有研究證實(shí)林齡會(huì)引起林分中溫度、濕度以及凋落物現(xiàn)存量、厚度的差異[48],這種結(jié)果進(jìn)一步表明森林生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性。此外,與分解難降解碳相關(guān)的氧化酶(PEO和PHO),25年生和60年生無(wú)顯著差異,表明PHO、PEO活性變化較小?？赡苁怯捎诖种υ粕既斯ち值蚵湮镏心举|(zhì)素、粗纖維、多酚類等難溶性物質(zhì)含量較高,種植密度(1300—2125 株/hm2)和郁閉度較大(0.72—0.82),且溫帶森林凋落物年均分解速率僅為熱帶森林的1/3,亞熱帶森林的1/2左右[49-50],故研究樣地凋落物引起土壤難降解碳含量的變化較小。因此,研究區(qū)人工林氧化酶活性受林齡的影響較小,與已有研究結(jié)果相似[51]。

3.4 驅(qū)動(dòng)土壤酶活性變化的關(guān)鍵因子

土壤酶作為土壤中眾多生化反應(yīng)的主要催化物,其活性與溫度、水分、pH 、養(yǎng)分有效性、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)以及植物種類等因素密切相關(guān)[52]。在本研究中發(fā)現(xiàn)AN是人工林表層土壤酶活性的主要影響因子,解釋量高達(dá)65.4%,與已有研究結(jié)果相似[53]；冗余分析顯示,AN與NAG和βG顯著正相關(guān),不僅反映了底物與酶活性之間的正相關(guān)關(guān)系,也說明了土壤N素有效性促進(jìn)了與土壤C循環(huán)相關(guān)的酶活性[54]。陳倩姝等[55]研究表明,在我國(guó)西部地區(qū)的亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)普遍受氮限制的背景下,增施土壤氮肥可有效促進(jìn)土壤NAG和PEO活性。土壤AN是銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白質(zhì)的總和,能有效衡量土壤供氮能力,在川西亞高山森林土壤氮限制背景下,AN是研究區(qū)人工林表層土壤酶活性變化的主要影響因素,與已有研究結(jié)果相似[24]。土壤pH的高低,不僅影響土壤微生物的種類、活性和氧化還原反應(yīng)等過程,而且對(duì)土壤酶參與生化反應(yīng)的速率有直接影響。有些酶促反應(yīng)對(duì) pH 值變化很敏感,研究顯示,當(dāng) pH 值超過其最適宜范圍時(shí),就會(huì)對(duì)酶活性產(chǎn)生抑制作用[56]。本研究中,pH與PEO活性顯著負(fù)相關(guān),對(duì)土壤酶活性變化解釋了9.6%,亦是影響土壤酶活性的重要因素之一。此外,DOC也是影響土壤酶活性的顯著性解釋變量,隨林齡增加,DOC先增后減,與參與C、N循環(huán)相關(guān)的NAG、βG、PHO呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,與PEO呈負(fù)相關(guān),有研究表明土壤微生物利用有機(jī)碳往往有一定的選擇性, 更傾向于利用易分解的有機(jī)質(zhì)[12],與本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)DOC對(duì)土壤酶活性影響較大的結(jié)果相似?？扇苄杂袡C(jī)物是森林生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分遷移及損失的主要形式,既可源自于土壤微生物的生命活動(dòng),也可來(lái)源于有機(jī)物質(zhì)的直接溶解[7],本研究中DOC與MBC變化趨勢(shì)較一致,說明人工林土壤中DOC含量可能更多地來(lái)自土壤微生物生命活動(dòng)。

4 結(jié)論

不同林齡粗枝云杉人工林表層土壤微生物生物量和酶活性存在顯著差異；土壤養(yǎng)分含量(SOC、TN、AN、DOC、LFOC)、微生物生物量(MBC、MBN)和酶活性(NAG、βG、PHO)總體上隨林齡增加呈先升后降的顯著變化趨勢(shì),40—50a顯著高于25年生和60年生階段,說明此生長(zhǎng)階段的粗枝云杉人工林具有較好的土壤C和N周轉(zhuǎn)速率。AN、pH和DOC是驅(qū)動(dòng)土壤酶活性變化的主要因素,這源于土壤微生物更傾向于利用土壤中易分解的有機(jī)碳和氮。因此,在粗枝云杉人工林經(jīng)營(yíng)管理中應(yīng)適當(dāng)增施氮素肥料及凋落物維護(hù),以提高土壤酶活性,進(jìn)而提升土壤質(zhì)量,以保證林木良好生長(zhǎng)。