半干旱草地土壤团聚体氮磷转化相关酶活性对氮添加的响应.pdf

第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:国家自然科学基金项目()延安大学校级科研计划项目()延安大学研究生教育创新项目()国家级大学生创新创业训练计划项目()收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./邓健赵雪卢笑玥张丹徐莉萍朱运吴林豪李江文.半干旱草地土壤团聚体氮磷转化相关酶活性对氮添加的响应.生态学报():.():.半干旱草地土壤团聚体氮磷转化相关酶活性对氮添加的响应邓 健赵 雪卢笑玥张 丹徐莉萍朱 运吴林豪李江文 延安大学生命科学学院延安 陕西省红枣重点实验室(延安大学)延安 摘要:日益加剧的大气氮沉降对土壤养分循环过程产生了深刻影响土壤养分转化相关酶是其关键调控途径而土壤不同粒级团聚体结构和环境差异导致其中酶活性介导的养分转换过程可能不同 但目前对半干旱区土壤团聚体水平养分转化相关酶活性对氮沉降的响应还不清楚 基于黄土高原自然草地持续 年的野外氮添加控制试验分析不同氮添加水平下土壤不同粒级团聚体中的基础理化性质、氮(亮氨酸氨基肽酶 和 乙酰氨基葡萄糖苷酶)和磷转化相关的酶(磷酸单酯酶、磷酸二酯酶 和植酸酶)活性及酶计量比探索氮添加对团聚体酶活性的影响 结果表明:()氮添加导致了不同粒级团聚体中 显著降低高氮添加引起土壤团聚体有机碳、全氮、硝态氮、和 升高()随氮添加浓度增加不同粒级团聚体中、和 活性先降低后升高而、和酶活性氮磷比均逐渐升高团聚体酶活性总体表现为小团聚体(中团聚体(.)大团聚体()()在中和大团聚体中氮添加通过影响土壤 相关养分调控 转化相关酶活性 总之氮添加通过改变团聚体养分及其计量比、等影响氮、磷转化相关酶活性关键词:氮添加土壤养分循环酶活性团聚体草地 :.()():/.().().(.)().().:人类活动导致的大气氮沉降影响着陆地生态系统的养分生物地球化学循环过程 尤其是在受养分和水分限制的干旱半干旱地区生态系统稳定性差对气候变化十分敏感日益严重的氮沉降导致生态系统氮、磷输入失衡这可能会强烈改变土壤养分吸收和转化过程 土壤微生物是养分循环的核心驱动力而胞外酶调控是微生物调控养分循环的最主要过程 氮转化相关的酶如 乙酰氨基葡萄糖苷酶()和 亮氨酸氨基肽酶()主要参与蛋白质、核酸等的水解促进氮素的释放而磷转化相关的酶如磷酸单酯酶()、磷酸二酯酶()可水解土壤有机磷中的酯键促进磷素转化植酸酶()能够催化植酸盐水解成肌醇和磷酸决定着土壤有机磷利用效率和磷素的有效性 氮添加引起的土壤 下降和养分含量提高会强烈干扰微生物胞外酶的分泌例如氮添加导致土壤 的升高会刺激微生物分泌更多磷转化相关胞外酶(如碱性磷酸酶)催化稳定态无机磷水解和有机磷矿化此外 添加还会通过改变土壤、有机碳含量等其他途径影响酶活性 然而现有氮添加对土壤中养分转化相关的酶活性影响的研究存在增加、减少或者中性等不同的影响结果 这说明氮添加影响土壤酶活性的机理还有待进一步深入探讨土壤团聚结构强烈地影响着养分转化过程如不同粒级土壤团聚体中的理化环境和微生物特征存在显著差异 大团聚体主要依靠微生物和有机物质的胶结作用形成结构疏松水分和氧气含量较多其中的微生物数量和胞外酶活性也高因此其养分转化速率较快 小团聚体中氧气和水分少微生物活性较低有机质更加稳定养分周转速率缓慢 氮添加对不同粒级团聚体中土壤养分的差异性影响已经被观察到如氮添加后中国内蒙古草地土壤大团聚体中较小团聚体具有更高的磷含量大团聚体中氮含量也会显著提高这种团聚体之间的差异很可能来自于不同团聚体中土壤胞外酶对氮添加的差异化响应 然而目前对不同团聚体水平中养分转化所对应胞外酶的认识还十分有限尤其是氮添加对团聚体中氮、磷转化相关酶的调控还缺乏深入认识黄土丘陵区属于典型的半干旱气候区草地是该地区主要的土地利用类型之一 当地的草地生态系统受到水分和养分的强烈限制尤其是土壤磷素有效性较低近年来不断增加的氮沉降引起不平衡的养分输入加剧了这一问题并对土壤微生物酶促反应过程产生影响这可能导致土壤的退化 目前虽然对该区域氮沉降影响土壤养分循环的基本过程有了一定的认识然而对团聚体水平上土壤性质和氮、磷转化相关的酶活性对氮沉降的响应并不清楚 因此本研究的目的是分析草地不同粒级土壤团聚体中土壤理化性质和氮、磷转化相关酶活性对短期氮添加的响应特征和团聚体水平上氮添加调控土壤氮、磷转化相关酶活性的关键影响因素 研究有助于加深对半干旱区氮沉降驱动的土壤养分循环过程的理解生 态 学 报 卷:/.材料与方法.研究样地概况研究区位于陕西省安塞区五里湾流域(海拔 )该地区处于黄土高原腹地具有典型的黄土丘陵沟壑地貌 研究区属于暖温带半干旱气候年平均气温.多年平均降水量 土壤主要为黄绵土()平均土壤 值为.区域氮沉降主要形态为无机氮(铵态氮和硝态氮)自然氮沉降水平在 到 之间研究样地初始土壤有机碳、全氮和全磷含量分别为./、./和./速效磷含量低至./(仅占全磷含量.)以往研究也表明该区域草地受到强烈的磷限制.试验设计研究采用野外施肥模拟氮添加控制试验 年 月在流域内选择典型的自然恢复草地作为试验样地通过咨询当地农户了解土地利用历史获知该草地恢复年限约为 年 采用单因素随机区组试验设计 根据研究区域氮沉降水平为 之间且在持续增加的特点设置 个不同施氮水平的处理(、用、表示)每个处理重复 次共 个样方样方面积 ()样方之间设置 的缓冲带以防止相互干扰 将 个样方分为 个区组以减少潜在地形位置和养分异质性造成的误差 采用尿素()作为氮添加剂每年分四次将尿素溶解到.水中均匀喷洒 根据本区域主要为夏季湿沉降的特点每年 月和 月分别施入全年氮添加量的/月和 月分别施入全年氮添加量的/对照样方喷洒等量的水.样品采集和土壤理化性质测定于 年 月采集土壤样品沿着每个样方的对角线选择 个点清除表层杂物后用铝盒()倒扣压入土中收集表层土以避免破坏土壤结构 随即将土壤样本运送至实验室并沿天然裂缝破碎成约 的小块 去除细根、碎石、动物和植物残留物之后将同一样方的土样混合 采用最佳湿度筛分法进行团聚体分级具体筛分方法为:首先将土壤鲜样在 的条件下进行冷却干燥以达到 的含水率 再将混合分取的土壤鲜样放置于由 和.孔径筛子组成的套筛上以 的转速震动 最终得到大粒级团聚体()、中粒级团聚体(.)和小粒级团聚体(.)三个粒级的团聚体样品 每个粒级的土壤样本分为两部分其中一部分储存在 下用于测定土壤酶活性另一部分置于阴凉处风干后测定土壤的理化性质土壤有机碳()用重铬酸钾浓硫酸外加热法测定土壤全磷()和全氮()经浓硫酸高氯酸消煮后分别采用钼锑抗比色法和全自动凯氏定氮法测定土壤速效磷()经碳酸氢钠浸提后用钼锑抗比色法测定硝态氮()和铵态氮()分别采用 浸提后的紫外分光光度法和靛酚蓝比色法测定土壤 采用 计测定(水土比).酶活性测定和计算土壤酶活性测定采用 微孔板荧光光度法使用多功能酶标仪()进行测定其中 乙酰氨基葡萄糖苷酶亮氨酸氨基肽酶测定底物分别使用 甲基伞形酮酰吡喃葡糖酸苷()、亮氨酸氨基甲基香豆素盐酸盐()磷酸单酯酶、磷酸二酯酶和植酸酶测定底物使用对硝基苯磷酸二钠()和植酸钠()详细测定流程参考文献酶活性以干土质量计算氮、磷转化相关酶活性计量比()采用对数转化后的计量比值:():().数据处理数据经过正态性检验和方差同质性检验后采用单因素方差分析()研究氮添加和团聚体 期 邓健 等:半干旱草地土壤团聚体氮磷转化相关酶活性对氮添加的响应:/.对酶活性的影响差异采用 法进行多重比较采用 相关分析研究不同团聚体水平土壤酶活性与土壤养分及化学计量比间的相关关系采用偏最小二乘回归()模型分析了氮添加对氮、磷转化相关酶的影响路径 所有的统计分析过程都通过 .()来完成 数据和柱状图采用平均值标准误表示养分计量比均采用摩尔比 结果.氮添加对土壤团聚体理化性质的影响氮添加后土壤理化性质发生了显著变化且在不同粒级团聚体中的变化趋势有所差异(表.)随氮添加浓度的增加小粒级(.)团聚体中土壤、等养分含量和养分 计量比表现为显著的先降低后升高的趋势土壤 显著降低而 显著升高(.)中粒级(.)团聚体中 先降低后升高、和 逐渐升高而 则显著降低()团聚体中随氮添加浓度的升高 和 先降低后升高 和 显著升高而 则显著降低(.).氮添加对土壤团聚体氮、磷转化相关酶活性及酶计量比的影响不同土壤团聚体中的土壤氮、磷转化相关酶活性对氮添加的响应有显著差异(.图)、和 活性均在三个粒级团聚体中均总体表现为先降低后升高的变化趋势均在 处理下最低(.)不同粒级团聚体中 和 均随着氮添加水平的升高而显著升高(.)小粒级和中粒级中氮、磷转化相关酶活性均高于大粒级 在三个团聚体中都随着氮添加水平显著升高(.).酶活性及其计量比和土壤基础理化性质的关系土壤氮磷转化相关酶活性与土壤基础理化性质存在较强的相关性但不同粒级团聚体中相关关系有差异(图)在小粒级团聚体中 活性和、显著正相关 则与 有显著的负相关关系(.)活性与、显著正相关 活性与、和 显著正相关 活性与、均显著正相关(.)在中粒级团聚中 活性与、和 显著正相关(.)而 与 显著负相关与 显著正相关(.)活性与、和 显著正相关(.)和 活性与、和 显著正相关(.)在大粒级团聚体中 活性与、显著正相关 活性与 显著负相关而与、显著正相关(.)活性与、显著正相关 活性与、显著正相关 活性与、显著正相关(.)采用偏最小二乘回归模型研究了不同团聚体中氮添加对氮、磷转化相关酶活性的影响路径(图)结果表明在中粒级和大粒级团聚体中氮添加通过影响土壤氮相关养分(如、和)含量从而影响磷转化相关酶活性在小团聚体和大团聚体中氮添加对氮转化相关的酶活性有显著的直接影响(.)氮添加对不同粒级土壤团聚体 均有显著的负作用(.)虽然 对氮、磷转化相关酶活性的影响均不显著但其与 呈现显著的负相关关系(图.)讨论和结论.氮添加后不同粒级团聚体酶活性和养分特征由于不同土壤粒级的空间异质性和资源可用性不同导致其中的微生物群落的组成、活性和多样性以及土壤酶活性也具有显著差异例如随着团聚体粒径的减小土壤氮、磷转化相关酶的活性反而显著增加 本研究也发现、和 等氮、磷转化相关酶在小团聚体中的活性显著高于大团聚体此前在黄土高原地区的多项研究也均表明土壤碳、氮、磷转化相关酶活性均随着土壤团聚体粒级的减小而增加 一方面可能是团聚体物理结构差异导致的小团聚体内部孔径小养分和水分很容易通过扩散作用进入其内部为微生物代谢和酶促反应提供更多可用基质使得酶活性较高而大团聚体孔隙大结构相对疏松总体稳定性低土壤酶活性容易受到环境变化的影响酶活性较低 另一方面不同粒级团聚生 态 学 报 卷:/.表 氮添加对不同粒级团聚体中土壤理化性质的影响 处理有机碳/(/)全氮/(/)全磷/(/)硝态氮/(/)铵态氮/(/)速效磷/(/)碳氮比 碳磷比 氮磷比 小团聚体().小团聚体().小团聚体().小团聚体().小团聚体().土壤有机碳 土壤全氮 :土壤全磷 硝态氮 铵态氮 :速效磷 碳氮比 :碳磷比 :氮磷比 :、分别表示 个不同施氮水平:、不同的大写字母表示不同氮添加水平间差异显著(.)小写字母表示不同粒级团聚体之间差异显著(.)期 邓健 等:半干旱草地土壤团聚体氮磷转化相关酶活性对氮添加的响应:/.图 氮添加对不同土壤团聚体中氮、磷转化相关酶活性及其计量比的影响.不同的大写字母表示不同氮添加水平之间存在显著差异(.)小写字母表示不同粒级土壤团聚体之间存在显著差异(.)、表示 个不同施氮水平的处理(、)体土壤底物质量的高低对酶活性也有影响 土壤小团聚体通过矿物结合等过程对土壤有机质具有更强的保护作用其有机质稳定性更高因而其中的微生物需要分泌更多的胞外酶来获取所需养分资源而大团聚体中新输入有机物多更容易分解的有机体较含量高微生物很容易从中获取所需养分 此外从微生物组成的角度小团聚体中细菌多样性较高而大团聚体中真菌多样性较高相对于真菌细菌对氮、磷等养分的需求更大因而其在小团聚体中需要更多氮磷转化相关的酶来获取营养 最后本研究发现小团聚体中、等养分含量总体高于大团聚体可能是由于微团聚体中主要以稳定的腐殖质碳为主而大团聚体中则主要以易分解、矿化的活性有机碳为主 因此小团聚体中有机碳不断累积富集而大团聚体中的活性有机碳被微生物分解利用导致土壤总有机碳含量小团聚体中高于大团聚体生 态 学 报 卷:/.图 不同团聚体中土壤酶活性和土壤基础理化性质的相关性.土壤有机碳 土壤全氮 :土壤全磷 硝态氮 铵态氮:速效磷 碳氮比 :碳磷比 :氮磷比 :磷酸单酯酶:磷酸二酯酶:植酸酶:乙酰氨基葡萄糖苷酶 :亮氨酸氨基肽酶 表示在.水平下显著表示在.水平下显著.氮添加对土壤团聚体氮、磷转化相关酶活性的影响本研究中氮添加对氮、磷转化相关的酶均有显著影响尤其是高浓度氮添加导致了土壤团聚体磷转化相关的酶活性的显著增加这与藏北高寒草地氮添加试验和全球养分添加的 分析的研究结果类似都表明土壤磷酸酶活性会随着氮添加浓度的增加而增加 其主要原因是氮添加提高了土壤氮素含量及其有效性导致土壤 的升高(表)导致微生物对磷的相对需求增加因而通过分泌更多植酸酶、磷酸酶等磷转化相关的酶的方式获取代谢所需的磷元素资源分配理论认为微生物胞外酶产量随着复合营养物质的投入和简单营养物质的匮乏而增加 一般来说氮添加引起土壤氮的可利用性增加最终会限制氮转化相关酶()的活性 然而本研究中氮添加之后氮转化相关酶()的活性却有所升高这与前人氮添加试验的研究结果类似其原因可能来自于氮添加剂的影响 尿素作为有机氮被施入土壤之后不能直接被微生物所利用吸收因而微生物需要通过提高、酶的分泌来分解利用尿素而如硝酸铵()等无机氮添加剂施入土壤后微生物可以直接利用吸收因此氮转化酶()的活性反而降低氮添加对土壤氮磷转化相关酶活性的影响特征及其路径在不同粒级团聚体中存在较大差异这可能主要来自于不同粒级团聚体中基础养分含量及其物理性质的差异(图)尤其是在中粒级和大粒级团聚体中氮添加通过影响土壤 相关的养分从而显著调控 转化酶的活性(图)一方面可能是因为外部输入的养分更容易进入孔隙较大的大团聚体中而小粒级团聚体对养分的物理保护作用比较强因而大粒级和中粒级团聚体中氮素相关养分对外部氮添加的响应更加敏感本研究中从 到 处理下大粒级团聚体中 的增加幅度(.)显著高于小粒级团聚体(.)也证实了这一推测 另一个可能的原因是微生物群落在大和中团聚体中具有更高活性对土壤养分的周转更快因而磷转化相关酶活性更容易受到土壤氮素变化的干扰此前的研究结果也表明氮添加会显著改变土壤大团聚体微生物群落和酶活性而对小团聚体微生物没有显著影响氮添加导致的土壤 下降(即酸化)也是其对酶活性调控的重要路径之一且已经被广泛证实主 期 邓健 等:半干旱草地土壤团聚体氮磷转化相关酶活性对氮添加的响应:/.图 氮添加对不同团聚体土壤氮、磷转化相关酶活性的影响.采用氮添加梯度水平表示 添加采用、和 表示氮相关养分采用 和 表示磷相关养分采用 和 表示氮转化相关酶采用、和 表示磷转化相关酶虚线表示不显著实线表示显著红色表示正向影响蓝色表示负向影响表示在.水平下显著表示在.水平下显著表示在.水平下显著要是 的降低可能改变土壤养分如磷、铁等元素有效性并引起土壤微生物群落和土壤酶活性的显著变化 但本研究虽然观察到了不同团聚体粒级中 的显著下降(表)但 与除 活性外的其他酶活性均无显著关系这与此前研究结论并不一致 尽管如此本研究却发现土壤 在不同团聚体粒级中均与土壤 呈显著负相关关系(图.)这表明 主要影响氮、磷转化相关酶活性的相对平衡特征这很可能来自于 对氮、磷转化功能微生物的调控 土壤酸化可以直接改变土壤微生物群落组成例如细菌的相对丰度和多样性都与 值呈正相关而且氮、磷转化功能微生物也对土壤 比较敏感例如 是调控土壤 基因丰度和功能微生物群落的主要变量而 基因则是编码磷酸酶基因的主要基因 因此未来有必要继续探索不同粒级团聚体氮磷转化功能微生物群落对氮添加引起 变化的响应土壤水分也是影响土壤酶活性的关键因子之一在半干旱地区一定范围土壤水分的升高能提高微生物活力和土壤氮磷转化相关酶活性而氮添加可能会通过改变地表植被覆盖、有机物输入或改变土壤结构等影响土壤水分特征由此引起土壤酶活性的变化 然而本研究对水分指标并未涉及这可能导致对氮添加影生 态 学 报 卷:/.图 不同团聚体土壤 和酶活性氮磷比的关系.表示在.水平下显著 表示在.水平下显著响团聚体酶活性机理认识的不确定性因此有必要在今后将水分因子纳入研究中 同时本研究采用的最佳湿度筛分法在样品处理中需要将土壤水分调节到 左右而处理时不同粒级团聚体由于结构差异其水分散失比例不同这有可能引起不同粒级团聚体中的酶活性的改变这也会对研究结果产生一定的影响 结论本研究证实了草地不同粒级团聚体中参与土壤氮、磷转化相关的酶活性和土壤性质的差异化响应 总体上磷转化相关的酶活性在低浓度氮添加下降低而在高浓度氮添加下增加而氮转化相关的酶活性和 在不同氮添加水平下均显著增加小粒级团聚体比大粒级具有更高的酶活性氮添加通过改变土壤养分含量及其计量比(如、等)调控着土壤氮、磷转化相关的酶活性其中大粒级和中粒级中对磷转化相关酶活性的调控主要是通过改变土壤氮素养分含量来实现此外氮添加引起土壤 的降低显著影响了不同团聚体粒级中土壤氮、磷转化相关的酶计量比 研究结果有助于预测未来氮沉降背景下半干旱区土壤的养分循环过程的变化为草地管理提供一定理论依据参考文献():闫钟清 齐玉春 董云社 彭琴 孙良杰 贾军强 曹丛丛 郭树芳 贺云龙.草地生态系统氮循环关键过程对全球变化及人类活动的响应与机制.草业学报 ():.井光花 陈智坤 路强强 张昭 赵宁 贺丽燕 毛祝新 李伟.半干旱黄土区不同管理措施下草地群落结构对短期氮、水添加的响应.生态学报 ():.:.():.舒锟 李西悦 刘选茹 柳奇 杨林凯 陈良华.杉木人工林土壤碳、氮、磷化学计量特征对短期氮添加的响应.云南大学学报:自然科学版 ():.期 邓健 等:半干旱草地土壤团聚体氮磷转化相关酶活性对氮添加的响应:/.():.():.:.:.:.:.李焕茹 朱莹 田纪辉 魏锴 陈振华 陈利军.碳氮添加对草地土壤有机碳氮磷含量及相关酶活性的影响.应用生态学报 ():.王丽君 程瑞梅 肖文发 沈雅飞 曾立雄 杨邵 孙鹏飞 陈天.三峡库区马尾松人工林土壤酶活性和微生物生物量对氮添加的季节性响应.生态学报 ():.():.郭银花 赵洪涛 高雨 沈颖 周志勇.山西太岳山油松林无机氮添加对土壤微生物养分限制类型的影响.应用与环境生物学报():.:.文倩 李培培 林启美 李青松.半干旱地区不同土地利用方式下土壤团聚体的微生物量属性.生态学报 ():.:.():.:.李明 秦洁 红雨 杨殿林 周广帆 王宇 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