凋落叶分解过程模拟氮沉降对土壤酶活性的影响

摘要

全球活性氮沉降逐年增加，将改变生态系统的结构与功能，已成为全球变化的研究热点之一。森林是陆地生态系统的主体，在全球碳、氮循环中扮演着重要的作用。凋落叶分解是森林土壤养分最主要的来源，也是森林土壤养分循环的重要过程。土壤酶是土壤生物化学过程的积极参与者，在凋落叶分解过程中最为活跃。因此，在大气氮沉降增加的大背景下，研究凋落叶分解、土壤酶活性变化及其相互关系，能更好的理解大气氮沉降下森林生态系统凋落叶分解与土壤酶的动态，为森林生态系统物质循环与能量流动提供科学理论基础，同时对森林与环境管理也具有重要的理论和实践意义。
　　本研究选取马尾松（Pinus massoniana）、杉木（Cunninghamia lanceolata）和荷木（Schima superba）三种南亚热带典型植被凋落叶及土壤为研究对象，设置无凋落叶土壤（Bare Soil，BS）、加马尾松凋落叶土壤（Pinus massoniana litter and Soil，PS）、加杉木凋落叶土壤（Cunninghamia lanceolata litter and Soil，CS）及加荷木凋落叶土壤（Schima superba litter and Soil，SS）共四种处理，在恒温（30℃）、恒湿（60％土壤最大持水量）环境下凋落叶分解过程中进行外源施氮（NH4NO3）实验。模拟自然氮沉降（CK，30 kg N ha-1 a-1）、低氮（LN，60 kg N ha-1 a-1）和中氮（MN，120 kg N ha-1 a-1），分析土壤理化性质、凋落叶分解速率及其元素含量、C-循环相关酶、N-循环相关酶、P-循环相关酶、二氧化碳通量及土壤微生物生物量的变化及其对氮沉降的响应。试验历时232天，结果表明如下：
　　1、实验前期（30天）氮沉降对土壤酸化具有一定的抑制作用，从4.44上升到4.65~6.80，但实验中后期均表现为氮沉降降低了土壤pH值，土壤酸化加剧。相比初始土壤，氮沉降显著增大了土壤全氮、有效氮、铵态氮和硝态氮含量，但土壤全氮和有效氮含量随着时间的推移略有下降。
　　2、在整个凋落叶分解过程中，马尾松凋落叶分解均呈先快后慢趋势，荷木和杉木凋落叶分解则主要表现为先慢后快趋势。自然氮沉降下马尾松、杉木及荷木凋落叶分解率分别为12.57%、20.33%和19.08%；低氮水平下凋落叶分解率分别为13.14%、21.91%和23.60%；而中氮水平下凋落叶分解率分别为13.67%、19.46%和16.58%。这说明马尾松凋落叶分解最慢，杉木凋落叶分解最快而荷木凋落叶分解率居于两者之间（中氮除外）。三种凋落叶全氮含量随着外源氮的持续添加而增大，从而使凋落叶C:N比率减小，但不同施氮水平间凋落叶全磷含量无显著差异。
　　3、总体而言，随着外源氮的持续输入，酚氧化酶活性有所增加，而β-葡糖苷酶、脲酶、天冬酰胺酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性都呈下降趋势。脲酶活性基本上随着氮的添加而降低，实验结束时酶活性最小；β-葡糖苷酶和天冬酰胺酶活性变化趋势表现为先下降而后趋于稳定，β-葡糖苷酶在第60天开始趋于平缓，而天冬酰胺酶活性在第154天；纤维素酶活性整体上无显著变化；过氧化酶活性在前94天表现为增加，随后逐渐降低。脲酶、天冬酰胺酶和磷酸酶活性因外源氮输入而降低，这可能是土壤酸化或者NH4+浓度的影响。
　　4、不同施氮水平间土壤酶活性差异不明显，但是某些特殊时间或环境条件下存在差异。如低氮和中氮水平下CS处理的β-葡糖苷酶活性均显著小于自然氮沉降，而BS、PS和SS处理β-葡糖苷酶在施氮水平间无显著差异。CS处理的酚氧化酶活性在试验中后期（第94~232天）表现为氮沉降抑制酶活性，且低氮效果显著。PS处理的过氧化酶活性在试验后期（第154~232天）表现为中氮显著大于自然氮沉降。实验结束时，BS和SS处理的脲酶活性大小均为CK>LN>MN。从第94天开始，不同施氮水平间的天冬酰胺酶活性也逐渐出现显著性差异，BS、PS和SS处理的酶活性大小为CK>LN≥MN，而CS处理中的酶活性与其他三种处理不同，表现为LN>CK。
　　5、凋落叶分解过程也能影响某些土壤酶活性。凋落叶分解前期，BS处理的纤维素酶活性基本上大于其他三种处理的酶活性，但在凋落叶分解后期（154~232天），PS、CS和SS处理的纤维素酶活性超过BS处理的酶活性。不同处理间过氧化酶、脲酶和蛋白酶活性在凋落叶分解过程中存在一定的差异性，但无明显的规律性；实验结束时不同凋落叶处理间过氧化酶、脲酶和蛋白酶活性的显著性差异消失。不同凋落叶处理间β-葡糖苷酶活性变化不一致，但在第232天BS处理的β-葡糖苷酶活性最小，而且在自然氮沉降下与SS处理的酶活性存在显著性差异。酚氧化酶、天冬酰胺酶及酸性磷酸酶活性随着凋落叶分解并未表现出规律性变化。
　　6、土壤pH值、铵态氮和硝态氮含量可能是影响土壤酶活性的主要因素，而这三个土壤性质在自然氮沉降、低氮和中氮水平间的差异较小，故而无法区分土壤酶活性在三种施氮水平间的差异。土壤β-葡糖苷酶、脲酶、天冬酰胺酶和酸性磷酸酶活性与凋落叶分解率存在显著相关性。二氧化碳通量及土壤微生物生物量均和土壤脲酶、天冬酰胺酶和酸性磷酸酶之间存在显著相关性，而纤维素酶与过氧化酶和二氧化碳通量存在显著相关性。这意味着土壤微生物和凋落叶分解也能影响土壤酶活性。

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第一章 引言

1.1 大气氮沉降概述

1.2 土壤酶概述

1.3氮沉降与土壤酶的关系

1.4 氮沉降对凋落物分解的影响

1.5 研究意义

第二章 研究方案

2.1实验设计

2.2 样品采集

2.3 技术路线

2.4 样品分析

第三章 土壤理化性质与凋落叶变化

3.1 土壤理化性质

3.2 凋落叶分解

3.3 凋落叶元素含量

3.4分析与讨论

3.4小结

第四章 C-循环相关酶

4.1 土壤纤维素酶

4.2 土壤β-葡糖苷酶

4.3 土壤酚氧化酶

4.4 土壤过氧化酶

4.5分析与讨论

4.6 小结

第五章 N-循环相关酶

5.1 土壤脲酶

5.2 土壤天冬酰胺酶

5.3 土壤蛋白酶

5.4分析与讨论

5.5 小结

第六章 P-循环相关酶

6.1 氮沉降对土壤酸性磷酸酶活性的影响

6.2 凋落叶分解对土壤酸性磷酸酶活性的影响

6.3 分析与讨论

6.4 小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

已发表文献

致谢