郭 彤,孫嘉鴻,徐志偉,*,王升忠,董彥民

1 東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,長白山地理過程與生態(tài)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長春 130024

2 東北師范大學(xué)泥炭沼澤研究所,長白山濕地與生態(tài)吉林省聯(lián)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長春 130024

3 東北師范大學(xué)國家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長春 130024

凍融是指土層由于溫度降到0℃以下和升至0℃以上而產(chǎn)生凍結(jié)和融化的一種物理地質(zhì)作用和現(xiàn)象。土壤的凍結(jié)和融化實(shí)質(zhì)是水分的相態(tài)變化過程[1],且廣泛存在于中、高緯度以及高海拔地區(qū)[2—3]。全球受凍融作用影響的陸地面積約占陸地總面積的55%—70%,因此凍融作用對(duì)人類的生產(chǎn)活動(dòng)和生存環(huán)境產(chǎn)生重要影響[4—5]。凍融作用強(qiáng)烈地改變土壤理化性質(zhì)[6—7],影響微生物活性[8],從而影響土壤碳、氮生物地球化學(xué)過程[9]。

土壤酶是生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)的重要參與者,對(duì)溫度的變化十分敏感。土壤碳庫變化主要發(fā)生在活性碳庫中易被土壤微生物分解礦化,對(duì)植物和微生物產(chǎn)生較高有效性的那部分有機(jī)碳,其中可溶性有機(jī)碳(DOC)和微生物量碳(MBC)是重要的表征指標(biāo)[10]。大部分的研究表明,室內(nèi)凍融模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)活性碳庫的影響比較顯著[10—12]。同時(shí),凍融作用是作用于土壤的非生物應(yīng)力[13],對(duì)土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化乃至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)過程具有十分重要的調(diào)控作用[14—15]。土壤碳及養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化速率與土壤酶活性的高低直接相關(guān)[16—18]。先前研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),土壤酶對(duì)凍融作用的響應(yīng)受到酶活性的檢測方法、土壤理化性質(zhì)與土壤酶的種類的不同而存在差異[19—21]。沼澤土壤纖維素酶、淀粉酶和轉(zhuǎn)化酶活性在凍融作用影響下呈現(xiàn)出降低或先降低后增加的變化趨勢(shì)[22—23]。同時(shí),凍融作用對(duì)深層土壤酶活性的影響更大,酶活性強(qiáng)度變幅更大[22]。以往的研究多關(guān)注于與碳循環(huán)有關(guān)的酶如轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶等[23—24],對(duì)與碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)的水解酶以及在泥炭地分解中起重要作用的氧化酶關(guān)注較少。在全球變暖趨勢(shì)下,季節(jié)性凍土區(qū)泥炭沼澤土壤的凍融頻次、凍融溫度和凍融時(shí)間都將產(chǎn)生變化。然而,這些改變將如何影響泥炭沼澤土壤活性有機(jī)碳氮和土壤酶活性,進(jìn)而影響區(qū)域土壤碳庫平衡和氣候變化,仍需進(jìn)一步研究。

長白山地泥炭沼澤區(qū)是我國泥炭沼澤最主要的分布區(qū)之一,該區(qū)泥炭泥炭平均覆蓋度0.19%,最強(qiáng)覆蓋度為0.76%[25]。同時(shí),該地區(qū)位于東北及華北北部溫帶中-深季節(jié)凍土亞區(qū),凍融作用頻繁。本研究以金川泥炭沼澤為研究對(duì)象,分別在采樣地采集表層(0—15 cm)和深層(15—30 cm)的土壤樣品,通過室內(nèi)凍融模擬實(shí)驗(yàn),測定土壤活性有機(jī)碳、氮組分及水解酶和氧化酶活性,揭示不同凍融模式下泥炭沼澤土壤酶活性的的變化特征,并結(jié)合土壤有機(jī)碳、氮組分,探討泥炭沼澤土壤酶活性的影響因素。研究有助于了解全球氣候變化背景下,凍融作用對(duì)泥炭沼澤碳排放過程影響的酶學(xué)機(jī)制,為東北地區(qū)泥炭沼澤土壤碳收支估算提供了科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

金川泥炭沼澤(42°20′42.58″—42°21′9.27″N,126°21′48.61″—126°22′37.74″E)位于長白山西麓龍崗山脈中段,海拔為613—616 m,泥炭層厚度一般為4—6 m。該區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候,年均溫為3.3℃,年降水量為1054 mm,降水集中在7—8月,7月最高平均氣溫為22.4℃,1月最低平均氣溫為-18℃。該區(qū)一般初霜在9月中旬,終霜在5月中下旬,無霜110—120 d,5—9月積溫2500—2600℃。受到水文條件的制約,主要植物群落類型為居中且占優(yōu)勢(shì)的臌囊薹草群落和分布在外緣的油樺群落[26—27]。

1.2 樣品采集與處理

在金川泥炭沼澤中心部位設(shè)置3個(gè)間隔50 m的5 m×5 m采樣點(diǎn),采用多點(diǎn)混合法于2019年1月份利用泥炭鉆(油氣鉆),采集0—15 cm和15—30 cm的土壤樣品,裝入自封袋,盡快帶回實(shí)驗(yàn)室并放4℃冷藏保存。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)前,去除土壤中的雜草和植物根系,并分別將兩個(gè)土層的樣品混合均勻,4℃冷藏備用。另取一部分土壤自然風(fēng)干,研磨后過100目篩,用于土壤理化性質(zhì)的測定,土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

1.3 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)與測試

稱取50 g(相當(dāng)于風(fēng)干土重)混合均勻的土壤樣品置于500 mL玻璃培養(yǎng)瓶中,用去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量為最大持水量的60%,為使微生物恢復(fù)到正常狀態(tài),在室溫(20℃)條件下預(yù)培養(yǎng)1周,同時(shí)定期稱重并補(bǔ)充損失的水分。根據(jù)凍融期間金川泥炭沼澤實(shí)際溫度,設(shè)置(-5—5℃)與(-10—10℃)兩個(gè)凍融幅度,根據(jù)全球氣候變暖的背景下氣溫升高幅度設(shè)定-5℃,-10℃則與當(dāng)?shù)囟镜钠骄鶜鉁剌^為接近。即把土壤樣品分別放入-5℃和-10℃低溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h,再分別調(diào)節(jié)溫度為5℃和10℃使其融化24 h,作為一次凍融循環(huán)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置15次凍融循環(huán),共培養(yǎng)30 d。準(zhǔn)備好足夠數(shù)量的培養(yǎng)瓶土壤樣品,培養(yǎng)過程中,分別在凍融循環(huán)的第0、1、3、5、7、15次后不放回的取出培養(yǎng)瓶,每次取出每個(gè)土層每個(gè)凍融處理的3個(gè)培養(yǎng)瓶,作為3個(gè)重復(fù)。取出培養(yǎng)瓶的時(shí)間前后不超過5 min,各凍融處理的時(shí)間保持一致。測定土壤酶活性(水解酶和氧化酶)、土壤可溶性有機(jī)碳、氮(DOC和DON)和微生物碳、氮(MBC和MBN)指標(biāo)。

土壤β- 1,4-葡萄糖苷酶(BG)、β- 1,4-N-乙酰葡糖胺糖苷酶(NAG)和酸性磷酸酶(AP)等3種水解酶活性采用微孔板熒光法測定[28],利用多功能酶標(biāo)儀(Cytation 5,BioTek)。采用4-甲基傘形酮酰-B-D-吡喃葡糖酸苷為BG酶的底物,采用4-甲基傘形酮酰-B-D-吡喃葡糖酸為NAG酶的底物,采用4-甲基傘形酮磷酸酯為AP酶的底物。首先,稱取培養(yǎng)后的鮮土樣0.5 g加入燒杯中,加入125 mL的50 mmol/L醋酸鈉緩沖液(pH=5),用磁力攪拌器攪拌均勻,以制備土壤懸浮液。吸取200 μL土壤懸浮液和以上3種土壤酶對(duì)應(yīng)的底物50 μL,加入微孔板中于20℃黑暗條件下培養(yǎng)4 h。培養(yǎng)結(jié)束后,在每個(gè)孔中加入10 μL的1 mol/L的NaOH 溶液,1 min后進(jìn)行熒光檢測。標(biāo)準(zhǔn)物為4-甲基傘形酮,在365 nm波長處激發(fā),在450 nm波長處測定。每個(gè)樣品重復(fù)測定8次。

土壤氧化酶(多酚氧化酶(PPO)和過氧化物酶(PER))活性也利用多功能酶標(biāo)儀進(jìn)行測定。采用L- 3,4-二羥基苯丙氨酸(L-dihydroxyphenylalanine,L-DOPA)為兩種氧化酶的底物。首先,稱取培養(yǎng)后的鮮土樣1.5 g,制備土壤懸浮液的其余步驟與水解酶相同。吸取600 μL土壤懸浮液和150 μL底物于深孔板內(nèi)用于測定PPO酶活性,PER酶活性還需另加30 μL 0.3%的H2O2,在20℃黑暗條件下培養(yǎng)5 h。停止培養(yǎng),以3000 r/min離心5 min后,轉(zhuǎn)移上清液250 μL至淺口透明板中,在460 nm波長下測定吸光值。

土壤微生物量碳氮采用氯仿熏蒸 0.5 mol/L K2SO4浸提法[29—30]。取10 g土壤樣品用三氯甲烷熏蒸24 h,用0.5 mol/L的K2SO4浸提熏蒸與未熏蒸的樣品30 min,采用總有機(jī)碳分析儀(Multi N/C 2100 TOC,德國耶拿)測定浸提液總有機(jī)碳濃度,由熏蒸與未熏蒸土樣浸提液的濃度差值計(jì)算得到MBC,轉(zhuǎn)換系數(shù)0.45[31],熏蒸與未熏蒸土樣浸提液的濃度差值計(jì)算得到MBN,轉(zhuǎn)換系數(shù) 0.54[31]。土壤可溶性有機(jī)碳氮：稱取1 g新鮮土樣置于50 mL離心管,加入50 mL去離子水后充分震蕩5 h,用離心機(jī)轉(zhuǎn)速8000 r/min離心5min,取上清液過0.45 μm濾膜進(jìn)行真空抽濾,采用總有機(jī)碳分析儀(Multi N/C 2100 TOC,德國耶拿)測定[32]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析方法,分析不同凍融模式下土壤活性有機(jī)碳、氮組分和酶活性的差異,并輔以Levene方差齊性檢驗(yàn)。采用雙因素方差分析法,分析不同深度下,凍融幅度和凍融頻次對(duì)土壤酶活性及土壤活性有機(jī)碳、氮組分的交互影響。采用 Pearson相關(guān)分析法,分析土壤酶活性與土壤活性有機(jī)碳、氮組分的關(guān)系。在 SPSS 22.20 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并利用Origin 2019繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融作用下土壤活性有機(jī)碳、氮變化特征

-5—5℃凍融模式下,隨著凍融頻次的增加,兩層土壤DOC和DON 含量均表現(xiàn)為先增加、后減少、再增加的變化趨勢(shì)。-10—10℃凍融模式下則表現(xiàn)為先增加后減小的變化趨勢(shì),并在3次凍融循環(huán)后達(dá)到最大值。-5—5℃凍融模式下,與凍融前相比,15次凍融循環(huán)結(jié)束后0—15 cm和15—30 cm土壤DOC含量分別增加了33.2%和138.5%,而DON含量分別增加了36.4%和33.9%(圖1)。-10—10℃凍融模式下,與凍融前相比,0—15 cm土壤DOC含量減少了33.2%,15—30 cm土壤DOC含量增加了30.2%,0—15 cm土壤DON含量增加了41.9%,15—30 cm土壤DON含量減少了9.2%(圖1)。凍融幅度、凍融頻次以及二者的交互作用均對(duì)土壤DOC與DON含量有顯著影響(P<0.05)(表2)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,-5—5℃的凍融作用對(duì)DOC與DON的影響大于-10—10℃的凍融作用。隨著土層深度的增加,土壤DOC的變化幅度表現(xiàn)為0—15 cm<15—30 cm,但對(duì)DON的影響表現(xiàn)為0—15 cm>15—30 cm。

表2 凍融幅度和凍融頻次對(duì)土壤活性有機(jī)碳、氮含量影響的方差分析

圖1 -5—5℃和-10—10℃處理下不同凍融頻次土壤可溶性有機(jī)碳、氮的變化Fig.1 Variations in the soil dissolved organic carbon and nitrogen concentrations under different freezing-thawing times in -5—5℃ and -10—10℃不同大寫字母表示同一次取樣兩種深度之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一深度在凍融頻次上的差異顯著(P<0.05)；圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)；DOC：可溶性有機(jī)碳 dissolved organic carbon；DON：可溶性有機(jī)氮dissolved organic nitrogen

兩種凍融模式下,隨著凍融次數(shù)的增加,0—15 cm和15—30 cm土壤MBC含量均表現(xiàn)為逐漸增加的變化趨勢(shì)。在-5—5℃凍融模式下,與凍融前相比,0—15 cm和15—30 cm土壤MBC含量分別增加了80.2%和100.6%,而土壤MBN含量分別減少了5.6%和60.6%(圖2)。在-10—10℃凍融模式下,與凍融前相比,0—15 cm和15—30 cm土壤MBC含量分別增加了434.8%和479.0%,而土壤MBN含量分別減少了63.0%和54.4%(圖2)。凍融幅度和凍融頻次以及二者的交互作用均對(duì)土壤MBC和MBN含量具有顯著影響(P<0.05)(表2)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,凍融幅度對(duì)土壤MBC和MBN含量的影響表現(xiàn)為-5—5℃<-10—10℃。隨著土層深度的增加,土壤MBC和MBN含量的變化幅度均表現(xiàn)為0—15 cm<15—30 cm。

圖2 -5—5℃和-10—10℃處理下不同凍融頻次的土壤微生物量碳、氮的變化Fig.2 Variations in the soil microbial biomass carbon and nitrogen concentrations under different freezing-thawing times in -5—5℃ and -10—10℃不同大寫字母表示同一次取樣兩種深度之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一深度在凍融頻次上的差異顯著(P<0.05)；圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)；MBC：微生物量碳microbial biomass carbon;MBN：微生物量氮 microbial biomass nitrogen

2.2 凍融作用下土壤水解酶活性變化特征

-5—5℃凍融作用下,與凍融前相比,0—15 cm和15—30 cm土壤BG酶活性在凍融循環(huán)作用的初期顯著降低；在15次凍融循環(huán)結(jié)束后,土壤BG酶活性再次增加,但最高值仍低于凍融前土壤BG酶活性。-5—5℃凍融模式下,與凍融前相比,0—15 cm和15—30 cm土壤BG酶活性分別降低了42.9%和58.3%,土壤NAG酶活性分別降低了16.2%和39.3%,土壤AP酶活性分別降低了36.7%和32.4%(圖3)。凍融頻次對(duì)0—15 cm土壤水解酶活性均有顯著影響 (P<0.0001),而凍融幅度僅對(duì)0—15 cm土壤的NAG酶活性及15—30 cm的AP酶活性影響顯著,而凍融頻次和凍融幅度的交互作用對(duì)土壤水解酶活性均產(chǎn)生顯著影響(P<0.05)(表3)。綜上,15次-5—5℃凍融循環(huán)后,土壤水解酶活性顯著降低。

-10—10℃凍融模式下,兩層土壤水解酶活性在凍融作用初期顯著降低,而在凍融循環(huán)后期又再次增加。-10—10℃凍融模式下,與凍融前相比,0—15 cm和15—30 cm土壤BG酶活性分別降低了21.2%和12.8%,而土壤NAG酶活性分別增加了17.6%和7.3%。0—15 cm土壤AP酶活性增加了14.7%,15—30 cm土壤AP酶活性降低了28.4%(圖3)。數(shù)據(jù)分析顯示,-5—5℃的凍融循環(huán)對(duì)水解酶的影響略大。隨著土層深度的增加,土壤水解酶活性變化的幅度表現(xiàn)為0—15 cm<15—30 cm。

圖3 -5—5℃和-10—10℃處理下不同凍融頻次的土壤水解酶活性的變化Fig.3 Variations in the soil hydrolytic enzyme activities under different freezing-thawing times in -5—5℃ and -10—10℃不同大寫字母表示同一次取樣兩種深度之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一深度在凍融頻次上的差異顯著(P<0.05)；圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)；BG：β- 1,4-葡萄糖苷酶 β- 1, 4-glucosidase；NAG：β- 1,4-N-乙酰葡糖胺糖苷酶 4-N-acetylglucosaminosidase；AP：酸性磷酸酶 acid phosphatase

2.3 凍融作用下土壤氧化酶活性變化特征

與凍融循環(huán)前相比,凍融初期土壤氧化酶活性顯著降低,隨著凍融次數(shù)的增加,土壤氧化酶活性逐漸增加,但仍低于凍融前的酶活性。-5—5℃凍融模式下,與凍融前相比,15次凍融循環(huán)后0—15 cm和15—30 cm土壤PPO酶活性分別減少了49.6%和21.9%,土壤PER酶活性分別減少了91.0%和60.1%(圖4)。-10—10℃凍融模式下,與凍融前相比,0—15 cm和15—30 cm土壤PPO酶活性分別減少了46.2%和43.0%,土壤PER酶活性分別減少了83.8%和62.7%(圖4)。凍融頻次對(duì)0—15 cm及15—30 cm土壤氧化酶活性均有顯著影響(P<0.05),凍融幅度及其與凍融頻次的交互作用對(duì)土壤氧化酶活性均無顯著影響(表3)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,-10—10℃的凍融幅度對(duì)土壤氧化酶活性的影響略大。隨著土壤深度的增加,土壤氧化酶活性的變化幅度表現(xiàn)為0—15 cm>15—30 cm。

圖4 -5—5℃和-10—10℃處理下不同凍融頻次的土壤氧化酶活性的變化Fig.4 Variations in the soil oxidase activities under different freezing-thawing times in -5—5℃ and -10—10℃不同大寫字母表示同一次取樣兩種深度之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一深度在凍融頻次上的差異顯著(P<0.05)；圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)；PPO：多酚氧化酶 polyphenol oxidase；PER：過氧化物酶peroxidase

表3 凍融幅度和凍融次數(shù)對(duì)土壤水解酶和氧化酶活性影響的方差分析

2.4 土壤酶活性與土壤活性有機(jī)碳、氮的關(guān)系

相關(guān)性分析顯示,0—15 cm土壤AP酶活性與土壤MBC與MBN含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，土壤PPO酶活性與DOC含量呈負(fù)相關(guān)(P<0.05)(表4)。15—30 cm土壤BG酶活性與土壤MBN含量呈顯著正相關(guān)(P<0.01)(表4)。15—30 cm土壤AP酶活性與土壤DOC與DON含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)(表4)。15—30 cm土壤PER酶活性與土壤DOC含量和MBC含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),但與土壤MBN含量呈顯著正相關(guān)(P<0.01)(表4)。土壤NAG與土壤DOC和DON含量呈負(fù)相關(guān),但不顯著(表4)。

3 討論

3.1 凍融交替作用對(duì)土壤活性有機(jī)碳、氮的影響

在土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化和微生物代謝活動(dòng)中,會(huì)產(chǎn)生土壤DOC與DON,其含量的高低能夠反映土壤微生物分解與利用有機(jī)物的情況[33]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著凍融次數(shù)的增加,大幅凍融環(huán)境下DOC和DON含量先增加后減少,說明短期凍融過程對(duì)土壤DOC和DON的釋放有促進(jìn)作用。已有研究表明,凍融過程可改變土壤團(tuán)聚體的大小和穩(wěn)定性,凍融初期,土壤孔隙中冰晶的膨脹打破顆粒之間的聯(lián)結(jié),破碎大團(tuán)聚體,釋放小分子有機(jī)質(zhì)[34],同時(shí)凍融交替對(duì)微生物有滅殺作用,即會(huì)降低土壤微生物數(shù)量,造成微生物死亡。在分解菌的作用下,死亡的微生物會(huì)釋放出小分子糖和氨基酸等,進(jìn)而增加了土壤中DOC與DON含量[35]。同時(shí),大幅度的凍融作用對(duì)團(tuán)聚體的破碎作用更強(qiáng),釋放出的小分子有機(jī)質(zhì)速度更快[36],因此,本研究中在-10—10℃凍融作用下,土壤DOC和DON含量在3次凍融循環(huán)后達(dá)到最大值,而在-5—5℃凍融幅度下,養(yǎng)分釋放緩慢,DOC和DON在15次凍融循環(huán)后依舊較高。隨著凍融次數(shù)的增加,土壤微生物開始適應(yīng)凍融作用,而釋放DOC和DON為微生物提供能量和養(yǎng)分,促進(jìn)微生物的生長,使得凍融后期土壤DOC和DON出現(xiàn)下降趨勢(shì)[11,13]。同時(shí),由于礦化作用,土壤中原有的DOC與DON在不斷被利用分解,因此經(jīng)多次凍融后土壤DOC與DON含量減少[35,37—38]。此外,本研究發(fā)現(xiàn)兩種凍融幅度對(duì)比,小幅度凍融幅度對(duì)DOC與DON含量的影響更大,這可能是因?yàn)榇蠓葍鋈谧饔弥腥诨瘻囟容^高,在相對(duì)較高溫度的融化時(shí)期加速 DOC和DON的消耗,從而導(dǎo)致小幅度凍融循環(huán)下DOC和DON含量變幅更大[24]。研究發(fā)現(xiàn),0—15 cm土壤DOC和DON受凍融頻次及凍融幅度的影響不顯著,可能是因?yàn)?—15 cm土壤受微生物影響較大,表層土壤的微生物群落數(shù)量多于深層土壤,表層土壤微生物對(duì)DOC、DON的利用也就更強(qiáng)[36]。

表4 土壤活性有機(jī)碳氮組分與土壤酶活性之間的相關(guān)性

凍融強(qiáng)度、凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)土壤微生物量有顯著影響[39]。土壤MBC和MBN含量主要受到土壤微生物的數(shù)量與種類的決定性影響,同時(shí)還受土壤水分、土壤溫度、土壤通氣性等各生態(tài)因子的作用[40—41]。隨著凍融頻次的增加,與凍融前相比,15次凍融循環(huán)后土壤MBC含量增加。凍融交替作用和氯仿熏蒸會(huì)殺死土壤中的微生物,在凍融作用的初期,死亡微生物的細(xì)胞可作為存活微生物的底物,進(jìn)而增加了土壤微生物活性；此外,死亡的微生物在分解過程中釋放小分子物質(zhì),提高了土壤中有機(jī)質(zhì)含量,同時(shí)也增加了土壤的微生物量[42]。然而,凍融循環(huán)短期內(nèi)改變了泥炭土壤基本理化性質(zhì),低溫環(huán)境抑制了土壤微生物的活性,土壤中微生物的生物量隨之受到影響[43]。因此,隨著凍融頻次的增加,土壤MBN含量下降,MBC在7次-10—10℃凍融作用后也開始下降,在其他濕地中也發(fā)現(xiàn)類似的研究結(jié)果[43—44]。土壤MBC與以往研究結(jié)果有所差異,這可能是受采樣時(shí)間及采樣時(shí)溫度的影響,采樣時(shí)研究區(qū)土壤平均溫度為-7.3℃,能夠存活的土壤微生物對(duì)低溫有一定的適應(yīng)性可以很好存活,并在釋放的DOC和DON的作用下,呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。土壤MBN與MBC含量變化不一致,可能是因?yàn)榈谕寥乐胁环€(wěn)定,極易發(fā)生礦化,凍融作用加劇了氮的礦化[45]。本研究發(fā)現(xiàn),隨著土壤深度的增加,凍融作用對(duì)深層土壤MBC和MBN含量變化影響更大,可能是因?yàn)樵谡麄€(gè)凍融循環(huán)中,凍土下界面稍晚于表層開始融化,已有研究表明,凍融交替主要發(fā)生在凍土近地表層,在該層產(chǎn)生單向的土壤解凍與雙向的土壤凍結(jié),即同時(shí)從地面和活動(dòng)層的底部開始凍結(jié),因此深層土壤凍結(jié)時(shí)間更長,從而導(dǎo)致微生物活性受到更強(qiáng)烈的抑制作用。此外,兩種凍融幅度對(duì)比,大幅度凍融幅度對(duì)土壤MBC與MBN含量的影響更大,這可能是因?yàn)榇蠓葍鋈谘h(huán)作用下釋放養(yǎng)分更快,微生物充分利用周圍有機(jī)質(zhì)維持自身生命活動(dòng)使MBC、MBN含量變幅更大。

3.2 凍融交替作用對(duì)土壤酶活性的影響

土壤BG、NAG和AP酶在土壤有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化過程中具有重要作用,表征土壤碳、氮、磷元素的生物有效性[46—48]。土壤PER酶主要氧化酚類、胺類為醌,能夠反應(yīng)土壤腐殖化狀況,而土壤PPO酶是一種非特異性酶,可分解木質(zhì)素和腐殖酸等難降解聚合物[49]。本研究發(fā)現(xiàn),凍融頻次顯著影響了土壤胞外酶活性。兩種凍融模式下,上述5種土壤胞外酶活性在凍融交替作用初期顯著降低,而凍融作用后期有所增加,這與先前的研究相一致[50]。土壤酶大部分是土壤微生物的產(chǎn)物,因此影響土壤微生物活性或組成結(jié)構(gòu)的條件也會(huì)改變土壤酶活性[51]。雙因素方差分析表明,凍融頻次對(duì)0—15 cm土壤氧化酶與水解酶均有顯著影響。土壤酶由微生物分泌,0—15 cm土壤微生物數(shù)量高于15—30 cm土壤。然而,在-5—5℃凍融模式下,不同頻次下各種酶的變化趨勢(shì)有差異,在凍融循環(huán)初始階段,凍融循環(huán)殺死了微生物,導(dǎo)致土壤水解酶和氧化酶活性降低；另一方面,凍融作用下土壤DOC含量增加,不需要微生物釋放過多的酶滿足其對(duì)能量的需求。在凍融作用后期,土壤團(tuán)聚體的破碎和微生物細(xì)胞的破裂增加了胞內(nèi)酶向土壤的釋放[52],同時(shí)也增加了土壤微生物與活性有機(jī)質(zhì)的接觸面積,促進(jìn)了土壤酶活性后期的增加。土壤NAG酶和AP酶呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì),表明在-5—5℃凍融作用下,這2種土壤酶活性并未完全鈍化[53]。凍結(jié)作用下,土壤中DOC快速釋放,同時(shí)磷元素的有效性降低,促使微生物釋放更多的NAG和AP酶來緩解自身氮、磷限制[54]。本研究中,土壤AP酶與土壤MBC和MBN的顯著正相關(guān)關(guān)系驗(yàn)證了這一結(jié)論。

凍融循環(huán)初期,相對(duì)于-5—5℃,-10—10℃的大幅凍融作用下土壤氧化酶活性下降更為明顯,且在凍融作用后期增加也更為顯著。這意味著大幅度凍融作用下土壤可溶性養(yǎng)分的釋放及吸收更為迅速,促使土壤酶做出快速的反應(yīng),這與本研究中大幅度凍融作用對(duì)土壤DOC和DON的影響更為顯著的研究結(jié)果相一致。此外,凍融作用對(duì)0—15 cm的土壤氧化酶活性變化比對(duì)15—30 cm的影響更加顯著,其原因可能是土壤表層覆蓋大量植物殘?bào)w,同時(shí)具有利于微生物繁殖的較為良好的水氣環(huán)境,使得土壤有效養(yǎng)分較高,因此表層土壤有較高的土壤酶活性[55],且表層土壤直接應(yīng)力于凍融循環(huán),由于溫度、水分的變化表層土壤酶活性而產(chǎn)生相應(yīng)的變化；而深層土壤對(duì)于凍融循環(huán)的響應(yīng)較上層土壤而遲緩[56]。

4 結(jié)論

(1)通過凍融模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知,凍融作用顯著改變泥沼澤土壤活性有機(jī)碳氮含量。-10—10℃凍融作用下土壤養(yǎng)分釋放更為迅速,土壤DOC和DON呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)。-5—5℃凍融作用下土壤養(yǎng)分釋放緩慢,在15次凍融循環(huán)后土壤DOC和DON含量高于-10—10℃凍融作用。

(2)凍融作用增加了土壤MBC含量,降低了土壤MBN含量,且-10—10℃凍融作用下對(duì)土壤微生物量碳氮的影響更為顯著。-5—5℃和-10—10℃凍融幅度均對(duì)15—30 cm土壤微生物量碳氮的影響更強(qiáng)。

(3)凍融作用凍融作用顯著降低了土壤水解酶和氧化酶活性,且-5—5℃凍融作用下對(duì)土壤水解酶活性變化影響更加顯著,而-10—10℃凍融作用下土壤氧化酶活性的變化更為劇烈。隨著土層深度的增加,土壤水解酶活性變化的幅度表現(xiàn)為0—15 cm<15—30 cm,土壤氧化酶活性變化的幅度表現(xiàn)為0—15 cm>15—30 cm。凍融作用下土壤酶活性的變化與土壤活性有機(jī)碳、氮組分的變化密切相關(guān)。