川西亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性的月動(dòng)態(tài)及其對(duì)模擬大氣co

川西亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性的月動(dòng)態(tài)及其對(duì)模擬大氣co

全球氣候變化以原油2濃度和溫度升高為主要特征，改變了陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，威脅著人類的生存和健康。這一點(diǎn)引起了國(guó)政府和科學(xué)家的廣泛關(guān)注。過去20多年中,有關(guān)林木生長(zhǎng)、森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能、生物地球化學(xué)循環(huán)對(duì)氣候變化的響應(yīng)以及森林植被與全球碳循環(huán)的互動(dòng)等方面的研究報(bào)道已浩如煙海,有關(guān)土壤酶活性對(duì)大氣CO2濃度升高的響應(yīng)也逐步受到重視,但有關(guān)其對(duì)大氣CO2濃度升高、溫度升高及其交互作用響應(yīng)的研究報(bào)道還相當(dāng)少見,并且研究對(duì)象多還停留在礦質(zhì)土壤層上,而對(duì)森林土壤有機(jī)層這一對(duì)全球氣候變化更為敏感的生態(tài)界面(ecologicalinterface)的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。川西高寒森林位于青藏高原東緣和長(zhǎng)江上游地區(qū),其在涵養(yǎng)水源、水土保育和維持土壤肥力等方面具有重要的、不可替代的作用。土壤有機(jī)層又是高寒森林生態(tài)系統(tǒng)中極具特征的重要組成部分,不僅控制著森林生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分循環(huán)格局和有效性,而且是有機(jī)碳和養(yǎng)分最為活躍的源(source)和匯(sink),因而其對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)可能比礦質(zhì)土壤層更敏感。可見,同步研究高寒森林土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的酶活性對(duì)氣候變化的響應(yīng)對(duì)于深入了解未來氣候變化條件下高寒森林土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分動(dòng)態(tài)具有十分重要的科學(xué)價(jià)值,但迄今為止的研究更加強(qiáng)調(diào)礦質(zhì)土壤層的酶活性動(dòng)態(tài)及其對(duì)模擬氣候變化的響應(yīng),有關(guān)土壤有機(jī)層酶活性動(dòng)態(tài)及其對(duì)模擬氣候變化的響應(yīng)研究鮮見報(bào)道。因此,本文應(yīng)用自控、獨(dú)立、封閉的控制環(huán)境生長(zhǎng)室(controlledenvironmentalchamber),同步研究了川西亞高山森林土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層中與C、N、P循環(huán)密切相關(guān)的轉(zhuǎn)化酶、脲酶、硝酸還原酶、酸性磷酸酶活性的月動(dòng)態(tài)及其對(duì)環(huán)境CO2濃度加倍和溫度升高及其交互作用的響應(yīng),以期為深入了解未來氣候變化條件下川西高寒森林土壤生態(tài)過程提供科學(xué)依據(jù)。2材料和方法2.1度對(duì)照系統(tǒng)的構(gòu)成控制實(shí)驗(yàn)于中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所茂縣生態(tài)站(31°41′07″N,103°53′58″E,海拔1800m)的控制環(huán)境生長(zhǎng)室進(jìn)行。該系統(tǒng)由6個(gè)獨(dú)立、自控、封閉的生長(zhǎng)室(chamber)組成。生長(zhǎng)室由下部近似圓柱體和上部近似球缺兩部分構(gòu)成,其體積為24.5m3。CO2濃度對(duì)照系統(tǒng)由CO2傳感器、對(duì)照模塊、電磁閥、流量計(jì)、減壓閥和CO2鋼瓶構(gòu)成。空氣溫度對(duì)照是通過與壓縮機(jī)相連接的熱交換器、電阻加熱器(2kW)以及新風(fēng)流量對(duì)照閥等構(gòu)成。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置的參數(shù)分別為數(shù)據(jù)掃描間隔15s,數(shù)據(jù)采集間隔5min,實(shí)行24h連續(xù)觀測(cè)。2004年9月從王朗亞高山原始冷杉(AbiesfaxonianaRehder&E.H.Wilson)林下采集原狀土柱72個(gè),土壤有機(jī)層和礦質(zhì)層的厚度分別為(20±5)cm,分別置于花缽(Φ30cm×50cm)中,于4種處理的控制環(huán)境生長(zhǎng)室中進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)。EC(環(huán)境CO2濃度+350(±25)μmol·mol-1)、ET(環(huán)境溫度+2.0(±0.5)℃)、ECT(同時(shí)升高CO2濃度和溫度處理)和CK(對(duì)照——未做CO2濃度增加和溫度升高處理)。原狀土壤剖面上的水分控制通過跟蹤原始冷杉林下土壤剖面上的水分狀況的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。每個(gè)處理同時(shí)做3個(gè)重復(fù)。2.2土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層活性成分的檢測(cè)2005年5～10月期間,基于ChapinIII等和Papamichos的方法,每月中旬分土壤有機(jī)層(OL)和礦質(zhì)土壤層(MS)采集控制環(huán)境實(shí)驗(yàn)條件下原狀土壤剖面上的樣品置于經(jīng)紫外線消毒的布袋中,迅速帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)作處理。土壤有機(jī)層樣品略作風(fēng)干后,立即去除石塊、動(dòng)物殘?bào)w和根系后研磨,過2mm篩,混勻,裝于保鮮袋中,貯于4℃的冰箱中待測(cè)。礦質(zhì)層土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)后立即去掉石塊、動(dòng)植物殘?bào)w和根系后,研磨、過2mm篩、混勻,裝入保鮮袋,貯于4℃的冰箱中待測(cè)。所有樣品在1個(gè)月內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)分析。土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的轉(zhuǎn)化酶、脲酶、硝酸還原酶和酸性磷酸酶活性分別采用3,5-二硝基水楊酸比色法、靛酚藍(lán)比色法、酚二磺酸比色法和磷酸苯二鈉比色法測(cè)定。轉(zhuǎn)化酶、脲酶、硝酸還原酶和酸性磷酸酶活性單位分別用EUINV、EUURA、EUNIR和EUAPA表示。EUINV表示在37℃條件下1g土壤有機(jī)層或礦質(zhì)土壤層樣品中的轉(zhuǎn)化酶在1d內(nèi)水解生成的葡萄糖的mg數(shù);EUURA表示在37℃條件下1g土壤有機(jī)層或礦質(zhì)土壤層樣品中的脲酶在1d內(nèi)水解生成的氨基氮的mg數(shù);EUNIR表示在30℃條件下1g土壤有機(jī)層或礦質(zhì)土壤層樣品中的硝酸還原酶在1d內(nèi)水解生成的氮態(tài)氮的mg數(shù);EUAPA表示在37℃條件下1g土壤有機(jī)層或礦質(zhì)土壤層樣品中的酸性磷酸酶在1d內(nèi)水解生成的酚的mg數(shù)。所有分析做3個(gè)重復(fù)。2.3dunpan多重比較所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果是以烘干土重為基礎(chǔ)計(jì)算(105℃,24h)。利用SPSS10.0Duncan多重比較來判斷不同月份之間、土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層之間、CK與EC之間、CK與ET之間、CK與ECT之間、EC與ET之間、EC與ECT之間以及ET與ECT之間的酶活性的差異顯著性(P<0.05)。3結(jié)果3.1ec和et對(duì)礦質(zhì)土壤層轉(zhuǎn)化酶活性的影響在一個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi),土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的轉(zhuǎn)化酶活性均呈現(xiàn)出較為明顯的月變化規(guī)律,酶活性的相對(duì)大小及活性高峰取決于土壤層次及處理間的差異(圖1)。如圖1(a)所示,在CK、EC、ET和ECT處理?xiàng)l件下,土壤有機(jī)層的轉(zhuǎn)化酶活性最高峰均出現(xiàn)在6月份,但6、7月份間的酶活性沒有顯著差異(P>0.05)。如圖1(b)所示,所有處理?xiàng)l件下,礦質(zhì)土壤層的酶活性高峰出現(xiàn)在7月份,且顯著高于其它月份(P<0.05)。EC處理沒有顯著增加或降低土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的轉(zhuǎn)化酶活性,ET和ECT處理顯著增加了轉(zhuǎn)化酶活性,但ET和ECT處理之間的轉(zhuǎn)化酶活性并沒有顯著差異。比較圖1(a)和(b)可發(fā)現(xiàn),在相同月份內(nèi),土壤有機(jī)層的轉(zhuǎn)化酶活性顯著高于礦質(zhì)層,在ET和ECT處理?xiàng)l件下,土壤有機(jī)層的轉(zhuǎn)化酶活性增幅更大。3.2不同濃度ec、et和ect對(duì)礦質(zhì)土壤層蝌蚪酶活性的影響圖2表明,在一個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi),土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的脲酶活性也呈現(xiàn)出明顯的月變化規(guī)律,但其活性高峰和變化規(guī)律不同于轉(zhuǎn)化酶。如圖2所示,EC、ET和ECT及CK條件下,土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的脲酶活性高峰均出現(xiàn)在7月份,且顯著高于其它月份(P<0.05)。所有月份中,EC處理并沒有顯著增加土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的脲酶活性,ET和ECT處理顯著增加了脲酶活性,但ET和ECT處理之間的脲酶活性沒有顯著差異。盡管ET和ECT處理?xiàng)l件下,土壤有機(jī)層的脲酶活性增加的絕對(duì)值顯著高于礦質(zhì)土壤層,但后者的增幅高于前者。3.3ec處理對(duì)土壤有機(jī)層中硝化酶活性的影響與轉(zhuǎn)化酶和脲酶相似,土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的硝酸還原酶活性也呈現(xiàn)出明顯的月變化規(guī)律,但所有處理?xiàng)l件下的酶活性高峰均出現(xiàn)在8月份(圖3)。EC處理增加了土壤有機(jī)層的硝酸還原酶活性,7、8月份的增長(zhǎng)幅度分別達(dá)到了32.0%和31.3%,但沒有達(dá)到顯著性水平(P>0.05)。ET和ECT處理顯著增加了土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的硝酸還原酶活性,而且ECT處理對(duì)土壤有機(jī)層的硝酸還原酶活性的影響顯著高于ET處理,但ET和ECT處理?xiàng)l件下的礦質(zhì)土壤層的硝酸還原酶活性沒有顯著的差異(P>0.05)。3.4c、et、ect和ck對(duì)礦質(zhì)土壤層酸性磷酸酶活性的影響圖4表明,在一個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi),土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的酸性磷酸酶活性同樣呈現(xiàn)出較為明顯的月變化規(guī)律,且和土壤脲酶一樣。在EC、ET、ECT和CK處理?xiàng)l件下,土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的脲酶活性高峰均出現(xiàn)在7月份。EC處理沒有顯著增加或降低土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的酸性磷酸酶活性。ET和ECT處理顯著增加了土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層酸性磷酸酶活性。與土壤轉(zhuǎn)化酶不同,相同月份內(nèi),ET和ECT處理?xiàng)l件下,土壤礦質(zhì)層的酸性磷酸酶活性增幅更大,但ET和ECT處理之間的酸性磷酸酶活性并沒有顯著差異。4大氣co對(duì)土壤酶活性的影響土壤酶活性不僅是表征土壤肥力的重要生物指標(biāo),而且與生物元素循環(huán)密切相關(guān),已成為生態(tài)系統(tǒng)過程研究中必不可少的監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一。最近,土壤酶活性對(duì)升高大氣CO2濃度的響應(yīng)也逐漸受到關(guān)注,但過去的研究更加關(guān)注礦質(zhì)土壤層的酶活性動(dòng)態(tài)及其對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng),缺乏對(duì)森林土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層酶活性動(dòng)態(tài)及其對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)的同步監(jiān)測(cè)。因此,本項(xiàng)研究首次同步監(jiān)測(cè)了控制實(shí)驗(yàn)條件下川西亞高山冷杉林土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層中與C、N、P循環(huán)有關(guān)的轉(zhuǎn)化酶、脲酶、硝酸還原酶和酸性磷酸酶活性的月動(dòng)態(tài)及其對(duì)升高大氣CO2濃度和溫度的響應(yīng)。由于土壤酶活性對(duì)環(huán)境變化的敏感性,因而土壤酶活性的月動(dòng)態(tài)或季節(jié)動(dòng)態(tài)一直是土壤酶研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一,但有關(guān)土壤酶活性的月變化規(guī)律的研究結(jié)果并不一致。例如,楊萬勤等對(duì)含四川大頭茶的森林群落土壤酶活性研究結(jié)果表明,土壤轉(zhuǎn)化酶和蛋白酶的活性高峰出現(xiàn)在春季和秋季,熊浩仲等對(duì)川西亞高山森林土壤酶動(dòng)態(tài)研究則表明,土壤酶活性的高峰期主要出現(xiàn)在溫度較高的夏季(7、8)月份,或是凋落物高峰期的10月份。Xiang等對(duì)不同氣候帶土壤酶活性的研究表明,在濕潤(rùn)地區(qū),酶活性在冬季最低,而干旱地區(qū)其酶活性在夏季最低。本項(xiàng)研究表明,土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的轉(zhuǎn)化酶、脲酶、硝酸還原酶和酸性磷酸酶活性均具有明顯的月變化規(guī)律,酶活性高峰出現(xiàn)在溫度較高的夏季(6～8月份),并取決于土壤層次和酶類本身。土壤有機(jī)層的轉(zhuǎn)化酶活性高峰出現(xiàn)在6月份,但礦質(zhì)土壤層的轉(zhuǎn)化酶活性高峰出現(xiàn)在7月份;土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的脲酶和酸性磷酸酶的活性高峰均出現(xiàn)在7月份,而硝酸還原酶的活性高峰均出現(xiàn)在8月份。這與亞熱帶和熱帶森林土壤酶活性的研究結(jié)果不同,但與溫帶和寒溫帶森林土壤酶活性的月變化規(guī)律相似。這是因?yàn)楸M管與土壤酶活性有關(guān)的微生物受到凋落物的“激發(fā)效應(yīng)(Primingeffect)”的影響,但本項(xiàng)研究是以原狀土柱作為實(shí)驗(yàn)材料,沒有栽植植物,不存在凋落物的“激發(fā)效應(yīng)”問題,而且秋季溫度較低,即使存在“激發(fā)效應(yīng)”也可能被低溫的抑制作用所掩蓋。這意味著,溫度的月動(dòng)態(tài)是調(diào)控川西亞高山森林土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的酶活性動(dòng)態(tài)的最主要因素。由于林木的生長(zhǎng)高峰在雨熱同季的夏季,因此,土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層中與C、N、P循環(huán)有關(guān)的酶活性出現(xiàn)在溫度較高的月份對(duì)于提高土壤N、P的有效性和促進(jìn)林木生長(zhǎng)具有十分重要的生態(tài)學(xué)意義。以大氣CO2濃度和溫度升高為主要特征的氣候變化可能通過直接或間接的途徑對(duì)土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的酶活性產(chǎn)生顯著的影響,從而影響土壤生態(tài)過程。本項(xiàng)研究表明,模擬大氣CO2濃度增加對(duì)土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的轉(zhuǎn)化酶、脲酶和酸性磷酸酶活性沒有顯著影響。這是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)層和礦質(zhì)土壤層空氣中的CO2濃度較高(可達(dá)到50000μmol·mol-1),因而增加大氣CO2濃度對(duì)微生物群落沒有直接的影響。但大氣CO2濃度增加可能通過改變林木凋落物生化特性(例如C/N比、木質(zhì)素/N比)的影響而改變土壤微生物群落的組成和活性,從而對(duì)土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的酶活性產(chǎn)生不同程度的影響。例如,Dhillion等的研究表明,由于大氣CO2濃度升高增加了微生物生物量和微生物活性,因而大氣CO2濃度升高增強(qiáng)了土壤脫氫酶、木聚糖酶、纖維素酶和磷酸酶活性。Ebersberger等對(duì)石灰質(zhì)草地的研究也發(fā)現(xiàn),大氣CO2濃度升高可促進(jìn)轉(zhuǎn)化酶、脲酶、蛋白酶、堿性磷酸酶活性的增加,并且在春季影響更顯著,他們認(rèn)為這是因?yàn)橛懈嗟闹参飦碓吹拿阜置诘酵寥乐?。本?xiàng)研究以原狀土柱作為研究對(duì)象,沒有栽植植物,因而沒有凋落物和根系分泌物的輸入,沒有改變土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的有機(jī)物質(zhì)特性(如C/N比)。由于硝酸還原酶主要來源于厭氧微生物群落,因此,本項(xiàng)研究中土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的硝酸還原酶活性在升高大氣CO2濃度條件下的增加幅度相對(duì)較大,但沒有達(dá)到顯著水平。在一定的范圍內(nèi),升高溫度將有利于微生物群落的生長(zhǎng)和繁衍,提高微生物活性。本項(xiàng)研究表明,升高溫度處理(ET)顯著增加了所研究的月份中土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的轉(zhuǎn)化酶、脲酶、硝酸還原酶、酸性磷酸酶活性。這是因?yàn)閬喐呱缴滞寥罍囟壬哂欣谕寥烙袡C(jī)層和礦質(zhì)土壤層中微生物群落的生長(zhǎng)與繁衍,提高了微生物活性。研究結(jié)果還表明,升高溫度對(duì)土壤有機(jī)層的轉(zhuǎn)化酶、脲酶和酸性磷酸酶活性的影響較礦質(zhì)土壤層更加顯著。這一方面支持了“土壤有機(jī)層是高寒森林土壤-植被之間進(jìn)行物質(zhì)和能量交換最為活躍的生態(tài)界面”的觀點(diǎn),另一方面驗(yàn)證了“土壤有機(jī)層對(duì)氣候變化的響應(yīng)比礦質(zhì)層更敏感”的假說。升高溫度對(duì)森林土壤有機(jī)層酶活性的影響比礦質(zhì)層更為敏感的原因可能包括以下兩方面:(1)升高溫度可能直接提高了森林土壤有機(jī)層與C、N、P循環(huán)有關(guān)的酶系統(tǒng)活性,從而加速了土壤有機(jī)層中有機(jī)物質(zhì)的分解,提高了養(yǎng)分的有效性,加速了系統(tǒng)內(nèi)的生物元素循環(huán);(2)升高溫度提高了土壤有機(jī)層微生物活性和養(yǎng)分有效性,促進(jìn)了植物的光合作用,提高了森林群落的生產(chǎn)力和凋落物產(chǎn)量,從而間接地提高土壤有機(jī)層的酶系統(tǒng)活性。普遍認(rèn)為,大氣CO2濃度增加和溫度升高之間的交互作用可通過對(duì)土壤微生物群落和植物生長(zhǎng)的作用而對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生直接或間接的影響。本項(xiàng)研究表明,與EC和CK處理相比,ECT處理顯著增加了土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的轉(zhuǎn)化酶、脲酶、硝酸還原酶和酸性磷酸酶活性,但ET和ECT處理之間的酶活性并沒有顯著差異,即交互作用對(duì)土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層酶活性的促進(jìn)作用主要來源于升高溫度對(duì)微生物活性的促進(jìn)作用。大氣CO2濃度增加與溫度升高之間的交互作用主要是通過對(duì)森林凋落物產(chǎn)量和質(zhì)量及根系分泌物等的作用對(duì)土壤微生物活性產(chǎn)生不同程度的影響,而本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)以原狀土柱作為研究對(duì)象