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酸雨已经成为全球十大环境问题之一[1]。欧洲、北美东部和东南亚，以及中国南方地区是世界上受酸雨危害最为严重的地区，而且酸雨区域还在不断扩大[2]。大量研究表明：酸雨对森林土壤的理化性质[3]、养分组成[4]、土壤微生物[5]以及土壤酶活性[6]等均具有明显的影响。张萍华等[7]研究发现，模拟酸雨对白术Atractylodes macrocephala根际土壤脱氢酶、过氧化氢酶、脲酶和蛋白酶等活性具有明显的抑制作用，对磷酸酶活性有一定的促进作用；模拟酸雨对砖红壤中淀粉酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶、脲酶等的活性有不利影响[8]。土壤-凋落物界面是植被对土壤生态系统产生直接和间接影响的最为重要的生态过程之一，也是生态系统内物质循环最为活跃的场所[9]。凋落物分解产物能够提高土壤脲酶、蔗糖酶和脱氢酶活性[10]；新鲜凋落物可以通过调节土壤pH值来改变土壤酶活性[11]；也有研究显示凋落物分解过程与土壤酚氧化酶、木聚糖酶、纤维素分解酶、过氧化物酶活性密切相关[12-13]。酸雨除了直接影响土壤生态系统外，还会影响森林凋落物分解和化感物质的释放[14]，间接对土壤酶活性产生影响[6]。模拟酸雨加快了南美蟛蜞菊Wedelia trilobata凋落物的分解，提高了其周围土壤中凋落物层的化感潜力[15]；模拟酸雨能够降低青冈Cyclobalanopsis glauca，木荷Schima superba和马尾松Pinus massoniana等植物凋落物的分解速率[16]；水榆花楸Sorbus alnifolia叶凋落物早期分解速率和脱氢酶活性受酸雨的抑制[17]；酸雨会降低凋落物的分解速率，并抑制大多数酶的活性[6]。关于酸雨和凋落物复合作用对植物根际土壤酶活性的研究鲜见报道。柳杉Cryptomeria fortunei是中国特有用材树种，浙江省临安市天目山国家级自然保护区为柳杉分布的中心之一[18]。一些学者对天目山柳杉液流特征[19]、自毒作用[20]和病虫害[21]等方面进行了研究。目前，天目山柳杉长势逐渐减弱，林内幼苗极为稀少，天然更新困难，其种群结构和景观生态功能逐渐衰退。天目山地处重酸雨区[22]，且柳杉林地有凋落物覆盖，酸雨胁迫和凋落物分解导致土壤环境的改变是否是柳杉长势减弱和幼苗建立失败的原因？本研究以柳杉幼苗根际土壤为研究对象，分析了模拟酸雨胁迫和柳杉凋落物分解的情况下柳杉幼苗根际土壤酶活性的变化，旨在为研究酸雨和凋落物分解对天目山柳杉林地土壤环境以及柳杉苗木生长的影响提供理论依据。
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取3年生柳杉实生苗（由江西林业种苗公司提供），株高30~40 cm，于2012年4月栽植于花盆中（φ=26 cm，h=35 cm），1株·盆-1。栽植幼苗所用土壤取自浙江农林大学植物园园土，土壤类型为山地红壤。去除土壤中原有的植物碎屑、死根等杂质，并与2~4 mm粒径蛭石以4∶1（V∶V）混合后移置花盆中，各花盆内的供试土壤性质基本一致：土壤有机碳（12.1±0.3） g·kg-1，总氮（429.1±16.2） mg·kg-1，总磷（216.7±12.0） mg·kg-1，总钾（1.7±0.1） g·kg-1，速效磷（20.6±2.3） mg·kg-1，速效钾（692.8±14.7） mg·kg-1，酸碱度pH 3.9±0.3。盆栽苗置于温室中，常规管理，缓苗2个月后进行处理。柳杉凋落物于2012年5月取自天目山柳杉林，自然风干，保存备用。根据浙江省临安市多年自然降水监测的结果[22]，本研究采用分析纯浓硫酸和硝酸按摩尔浓度比4∶1的比例配制模拟酸雨母液，并用蒸馏水稀释成pH 4.0的模拟酸雨溶液。
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选取长势相近的盆栽苗24盆，随机分为4组，分别进行处理。试验设酸雨处理组（AR，acid rain），凋落物处理组（L，litter），酸雨与凋落物复合处理组（AR+L）和对照组（ck），重复6盆·组-1。经过对天目山柳杉林地凋落物实地调查和计算，凋落物按500 g·m-2的密度均匀平铺于花盆中土壤表层。酸雨按照当地多年平均降雨量进行喷淋，隔4 d喷1次，450 mL·次-1·盆-1；凋落物处理组和对照组以自来水（pH 6.8）做模拟降水进行喷淋，喷淋量同酸雨。分别在处理30 d和90 d时取土，在不损伤幼苗根系的前提下，距离幼苗10 cm左右，按照栽植时幼苗主根深度，去除表层5 cm土壤后采集土壤，采集深度为10 cm，去除明显的植物根系等杂质。土样带回实验室，自然风干后过筛，进行土壤酶活性分析。
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土壤酶活性测定主要参照关松荫[23]的方法进行。过氧化物酶活性和多酚氧化酶活性采用邻苯三酚比色法测定，硝酸还原酶活性采用酚二磺酸比色法测定，脲酶活性采用苯酚钠比色法测定，酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，蛋白酶活性采用茚三酮比色法测定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，过氧化氢酶活性采用紫外分光光度法[24]测定。
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采用SPSS 18.0统计分析软件进行数据处理和统计分析。
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3种处理对不同土壤氧化还原酶活性具有不同程度的影响（图 1）。酸雨处理对土壤硝酸还原酶活性无显著影响（图 1A）。30 d时，对土壤过氧化物酶和过氧化氢酶活性具有极显著的抑制作用（P＜0.01），与对照相比分别降低了18.4%和17.0%（图 1B，图 1C），对土壤多酚氧化酶活性具有极显著的促进作用（P＜0.01），与对照相比提高了47.9%（图 1D）。90 d时，对土壤过氧化物酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶活性均表现为促进作用，与对照相比分别提高了12.7%（P＜0.05），33.3%和31.5%（P＜0.01）。
图 1 不同处理对土壤氧化还原酶活性的影响
Figure 1. Effect of different treatment on the activity of soil oxidoreductase
凋落物处理30 d时，促进了土壤硝酸还原酶活性，与对照相比提高了18.4%（P＜0.01）；抑制了土壤过氧化物酶和过氧化氢酶活性，与对照相比分别降低了23.5%和28.0%（P＜0.01）；对土壤多酚氧化酶活性无显著影响。90 d时，凋落物处理促进了土壤硝酸还原酶、过氧化物酶和多酚氧化酶活性，与对照相比分别提高了19.1%，21.9%（P＜0.01）和8.1%（P＜0.05），抑制了过氧化氢酶活性，与对照相比降低了10.5%（P＜0.05）。
酸雨与凋落物复合处理对土壤过氧化物酶活性无显著影响。30 d时，复合处理使土壤硝酸还原酶活性比对照降低了55.6%（P＜0.01）；对土壤过氧化氢酶活性的影响不显著；使土壤多酚氧化酶活性比对照提高了39.1%（P＜0.01）。90 d时，复合处理使土壤硝酸还原酶活性比对照降低了65.7%（P＜0.01）；使土壤过氧化氢酶和土壤多酚氧化酶活性分别比对照提高了46.9%和17.7%（P＜0.01）。
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3种处理对不同土壤水解酶活性的影响程度不同（图 2）。30 d时，酸雨处理对土壤蔗糖酶活性无显著影响（图 2A）；对土壤脲酶活性具有极显著的促进作用（P＜0.01），与对照相比提高了16.2%（图 2B）；对土壤蛋白酶和酸性磷酸酶活性具有抑制作用（图 2C，D），与对照相比分别降低了11.9%（P＜0.05）和21.7%（P＜0.01）。90 d时，酸雨处理对土壤脲酶活性无显著影响；对土壤蔗糖酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性具有抑制作用，与对照相比分别降低了14.1%（P＜0.05），21.5%和34.3%（P＜0.01）。
图 2 不同处理对土壤水解酶活性的影响
Figure 2. Mffect of different treatment on the activity of soil hydrolase
30 d时，凋落物处理促进了土壤蔗糖酶和脲酶活性，比对照分别提高了35.6%和24.0%（P＜0.01）；抑制了土壤蛋白酶活性，比对照降低了14.8%（P＜0.05）；对土壤酸性磷酸酶活性无显著影响。90 d时，凋落物处理对土壤蔗糖酶和脲酶活性的影响不显著；抑制了土壤蛋白酶和酸性磷酸酶活性，比对照分别降低了43.0%和39.0%（P＜0.01）。
酸雨与凋落物复合处理30 d时，对土壤酸性磷酸酶活性无显著影响；对土壤蔗糖酶、脲酶和蛋白酶活性具有促进作用，与对照相比分别提高了10.6%（P＜0.05），50.4%（P＜0.01）和14.0%（P＜0.05）。90 d时，复合处理对土壤蔗糖酶和脲酶活性具有促进作用，与对照相比分别提高了17.3%和33.1%（P＜ 0.01）；对土壤蛋白酶和酸性磷酸酶活性具有抑制作用，与对照相比分别降低了43.5%（P＜0.01）和14.4%（P＜0.05）。
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模拟酸雨对土壤蔗糖酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性具有显著抑制作用；短时间处理对土壤过氧化物酶和过氧化氢酶活性具有抑制作用，长时间处理后转变为促进作用；短时间处理对土壤脲酶活性的促进作用也达到显著水平。在Wang等[6]、张萍华等[7]研究中也有一致结果。王涵等[25]研究发现：土壤酸化抑制了土壤多酚氧化酶和脲酶的活性，而本研究却发现模拟酸雨淋洗土壤使土壤多酚氧化酶极显著提高，短时间内对土壤脲酶活性的促进作用也达到显著水平。这种差异可能是由于不同类型土壤的酸缓冲容量不同，导致模拟酸雨对土壤酶活性的影响不同。砖红壤过氧化氢酶、酸性磷酸酶和脲酶等酶活性随模拟酸雨pH增大而上升[8]，棕壤磷酸酶、脲酶等酶活性却未受到土壤酸化的影响[26]。土壤中多酚氧化酶的活性与酚酸类化感物质的累积量变化趋势一致[27]，俞飞等[20]研究报道柳杉林地表层土壤中含有阿魏酸、肉桂酸和对羟基苯甲酸。本研究发现模拟酸雨使土壤多酚氧化酶活性极显著提高，模拟酸雨刺激柳杉幼苗根系分泌化感物质引起土壤酶活性变化也可能是产生酶活性差异的原因之一。本研究发现，模拟酸雨没有对土壤硝酸还原酶活性产生显著影响，其原因也可能与土壤中的化感物质有关[28]，但其具体机制还需进一步研究。
Hu等[29]和徐秋芳等[30]的研究表明：凋落物能够促进土壤脲酶、蔗糖酶和多酚氧化酶的活性；林晗等[31]研究发现，不同的凋落物配比能够使土壤过氧化氢酶活性下降，本研究结果与其相一致。张丽萍等[32]和陆耀东等[33]研究发现，凋落物促进了酸性磷酸酶和蛋白酶活性，本研究结果却与其相反，凋落物种类不同可能是产生差异的主要原因[13]。土壤酶来源于动物、植物和微生物及其分泌物，并且主要来源于微生物[34]，凋落物不同导致土壤微生物量、区系组成以及代谢过程不同，从而使土壤酶的数量和活性也不同[10]。研究表明，柳杉未分解凋落物、半分解凋落物中均含有酚酸类化感物质[20]，凋落物的化感作用会影响土壤微生物特性，改变幼苗根系的代谢活力，从而引起土壤酶活性的改变；同时化感物质也会直接对土壤酶活性产生影响。
研究发现，复合处理改变了模拟酸雨和凋落物对土壤酶活性的影响，尤其缓解了凋落物对土壤硝酸还原酶的促进作用、模拟酸雨和凋落物对土壤过氧化物酶、过氧化氢酶、蛋白酶活性短时间处理后和对酸性磷酸酶活性长时间处理后的抑制作用，增强了模拟酸雨和凋落物对土壤脲酶活性的促进作用。Wang等[6]研究发现，模拟酸雨处理凋落物和土壤混合物，使土壤过氧化氢酶活性提高、硝酸还原酶和酸性磷酸酶活性降低，这与本研究结果基本相同；但土壤多酚氧化酶、脲酶和蔗糖酶的变化却与本研究相反，其原因可能与凋落物对酸雨的缓冲作用[35]以及酸雨对凋落物的淋洗作用有关。凋落物覆盖在土壤表层，能够固持酸雨，延缓酸雨对土壤和幼苗根系的刺激过程，并使自身的pH值发生变化，改变物质释放模式和分解酶活性，加速凋落物中酶的溶解和渗出，直接补充土壤酶含量；同时由于凋落物的特殊性质使酸雨淋溶出的化感物质溶液浓度有所不同，从而引起凋落物化感作用强度的改变。
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长时间酸雨淋溶会降低植物根际土壤蛋白酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶等水解酶活性；凋落物分解会提高土壤硝酸还原酶活性，降低土壤过氧化氢酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性；酸雨与凋落物复合处理短时间内促进了土壤蛋白酶活性，长时间处理后则对其活性有极显著的抑制作用；抑制了土壤硝酸还原酶活性，缓解了酸雨和凋落物对土壤过氧化物酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶等酶活性的显著抑制作用，同时也增强了对土壤脲酶活性的促进作用。表明酸雨和林地凋落物长时间并存，会降低土壤对含蛋白质有机物的转化能力，提高土壤对尿素的水解能力和减少硝态氮的损失；同时也可以缓解酸雨和凋落物对土壤磷素转化的抑制作用，提高土壤有机质转化和腐殖质合成能力。
Enzyme activity in rhizosphere soil of Cryptomeria fortunei seedlings with simulated acid rain and litter
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摘要: 为了探讨酸雨和凋落物对柳杉Cryptomeria fortunei林地土壤酶活性的影响,以柳杉幼苗根际土壤为材料,采用酸雨(pH 4.0),凋落物(500 g·m-2)和酸雨与凋落物复合等3种处理,测定了短时间(30 d)和长时间(90 d)处理后土壤氧化还原酶和水解酶活性的变化。结果表明:酸雨和凋落物处理对土壤氧化还原酶活性具有不同的影响,酸雨对土壤硝酸还原酶活性无显著影响,凋落物极显著地提高其酶活性,复合处理极显著地降低其酶活性(P＜0.01);3种处理均显著提高了土壤多酚氧化酶活性(P＜0.05);复合处理对土壤过氧化物酶活性无显著影响,短时间酸雨和凋落物处理均对其具有抑制作用,长时间处理具有促进作用(P＜0.05);凋落物处理对土壤过氧化氢酶活性表现为抑制作用,复合处理对其具有极显著促进作用(P＜0.01)。在水解酶中,短时间3种处理和长时间复合处理均对土壤脲酶活性具有极显著促进作用(P＜0.01);酸雨、长时间凋落物和复合处理对土壤酸性磷酸酶活性具有显著地抑制作用(P＜0.05);酸雨和凋落物处理以及长时间复合处理均使土壤蛋白酶活性降低(P＜0.05);长时间酸雨处理对土壤蔗糖酶活性具有显著抑制作用,复合处理和短时间凋落物处理具有促进作用(P＜0.05)。酸雨和凋落物复合处理柳杉幼苗根际土壤,显著改变了两者对土壤酶活性的影响,说明酸雨和林地凋落物长时间并存,能够缓解两者对除土壤蛋白酶外其他土壤酶活性的不利影响,有助于改善土壤条件。Abstract: To determine the effects of acid rain and litter on enzyme activities of Cryptomeria forestry soils on Mount Tianmu,rhizosphere soil from Cryptomeria fortunei seedlings was treated with Tr1:simulated acid rain(pH 4.0),Tr2:litter(500 g·m-2),and Tr3:Tr1 and Tr2 combined,to determine soil oxidoreductase and hydrolase activities in rhizosphere soil after short-term(30 d) and a long-term(90 d) processing. Results showed that for soil nitrate reductase activity,Tr1 had no significant effect,but Tr2 significantly increased(P＜0.01)and Tr3 significantly reduced(P＜0.01)activity. All three treatments significantly improved soil polyphenol oxidase activity(P＜0.05). For soil peroxidase activity,Tr3 had no significant effect,but Tr1 and Tr2 were inhibited after 30 d and promoted after 90 d(P＜0.05). For soil catalase enzyme activity,Tr2 inhibited and Tr3 promoted activity(P＜0.01). Soil urease activity after 30 d was highly significant(P＜0.01) for all three treatments. Soil acid phosphatase activity significantly decreased(P＜0.05) with Tr1 as well as with Tr2 and Tr3 over 90 d(P＜0.05). Soil protease activity was inhibited with Tr3 for 90 d(P＜0.05) and with Tr1 and Tr2(P＜0.05). Tr1 after 90 d inhibited(P＜0.05) soil invertase activity, but after 30 d Tr2 and Tr3 had a catalytic role on soil invertase activity(P＜0.05). Thus,long term coexistence of acid rain and woodland litter were able to mitigate,except for protease,the adverse effects of each other on soil enzyme activities,and contributed to improved soil conditions.
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Key words:
- forest soil science /
- Cryptomeria fortunei /
- acid rain /
- litter /
- soil enzyme activity /
- Mount Tianmu
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图 1 不同处理对土壤氧化还原酶活性的影响
Figure 1 Effect of different treatment on the activity of soil oxidoreductase
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https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.2014.03.007
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