森林土壤磷酸酶活性变化特征及其影响因素

刘雅淑 孟春凤 刘延鹏 等

摘要：以镇江南山森林公园6种林间土壤为研究对象，探讨磷酸酶活性、磷组分的分布特征及环境因子对其的影响。通过室内分析和不同温度梯度下的培育试验，发现6种森林土壤肥力较强，磷酸酶活性高，其值为11 676.10～33 271.29 μg/g；磷酸酶活性与有机碳含量呈正相关，与总氮含量呈负相关，与无机磷、有机磷和总磷含量呈显著正相关，相关系数分别为0.94（P<0.01）、0.94（P<0.05）和0.95（P<0.01）；土壤中Zn、Cd含量较低，均与磷酸酶活性呈正相关。低浓度重金属胁迫对磷酸酶活性有一定的刺激作用；温度的升高能够促进土壤中有机磷向有效磷的转化。研究结果表明，南山森林土壤磷循环过程活跃，土壤有机碳、总氮和各形态磷是磷酸酶活性的主要影响因子。

关键词：森林土壤；磷酸酶活性；有机碳；总氮；各形态磷；重金属；温度

中图分类号：S154.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）04-0850-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.04.009

Variations of Phosphatase Activity in Forest Soil and Its Influencing Factors

LIU Ya-shu， MENG Chun-feng， LIU Yan-peng， SHI Yi-su， CHEN Chen

（Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， Jiangsu，China）

Abstract： Six types of forest soils in Zhenjiang Nanshan Forest Park were studied. The phosphatase activity was analyzed and the affections of environmental factors on phosphatase activity were discussed. The results showed that Nanshan Forest Park soils were fertility and the phosphatase activity was strong. The phosphatase activity ranged from 11 676.10 μg/g to 33 271.29 μg/g. Soil phosphatase activity was positively correlated with organic carbon content and negatively correlated with total nitrogen content. The phosphatase activity was significantly positively correlated with inorganic phosphorus， organic phosphorus and total phosphorus contents. The correlation coefficient was 0.94（P<0.01）， 0.94（P<0.05） and 0.95（P<0.01）， respectively. Phosphatase activity also was positively correlated with soil Zn and Cd contents. Heavy metal with low concentrations could stimulate the phosphatase activity. And increasing temperature could promote the conversion of organic phosphorus to the available phosphorus in soil. The results showed that the phosphorus recycling process in Nanshan forest soil was active. Soil organic carbon， total nitrogen and various forms of phosphorus were the main influencing factors of phosphatase activity.

Key words：forest soil；phosphatase activity；organic carbon；TN；various forms of phosphorus；heavy metal；temperature

土壤中的微生物和植物根系都能分泌磷酸酶，其中很少的一部分磷酸酶游离于土壤溶液之中，绝大部分则被吸附于土壤胶体和一些黏土矿物上。磷酸酶是生物磷代谢的重要酶类，可水解土壤中的有机磷化合物，释放出相应的醇类和无机磷，其活性高低直接影响土壤有机磷的分解转化及生物有效性，在土壤磷循环过程中扮演了重要角色。国内外学者对农田、草地等生态系统的土壤磷酸酶进行了大量研究，主要从单环境因子角度探讨了重金属、土壤理化性质和磷组分等环境因素对磷酸酶活性的影响[1-6]。但对磷酸酶与多环境因子之间的关系研究不多，且对于森林土壤磷循环进行研究。本研究通过对镇江南山森林公园6种不同类型林间土壤的分析，拟了解镇江南山森林土壤磷酸酶分布特征，研究多种环境因子对森林土壤磷酸酶活性的影响，为研究南山森林土壤磷循环过程提供理论依据。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区域

镇江南山国家森林公园坐落于江苏省镇江市城南，地理位置为东经119°25′00″-119°27′30″，北纬32°08′20″-32°11′40″，总面积达10 km2，核心区域约3 km2。该区域气候温暖且湿润，属过渡性季风气候区。南山公园年平均气温15.4 ℃，年平均降雨量约1 074 mm；主要风向为东风、东南风；霜期最长为156 d，最短为76 d；平均相对湿度约为76%；山地为角砾砂粉土土质，岗地和坡地为黏土和亚黏土土质，地下水位在3 m以下[7]。在南山森林公园选取6个林木生长和土壤发育较好的人工林区域采集了新鲜森林土壤样品。采样点分布如表1所示。

1.2 研究方法

1.2.1 土样的采集和预处理 在选定的采样区域扫除表层枯叶杂草，用竹铲采集0～10 cm的表层土壤，放入密封袋内带回实验室。新鲜土壤除去肉眼可见的植物残体，取少量风干处理后研磨过1 mm筛，用于理化性质、磷酸酶活性和磷组分的检测分析，其余新鲜土壤在不同温度下进行室内培育并检测培育后的土壤磷酸酶活性。

1.2.2 不同温度的室内培育 为探讨土壤温度变化对磷酸酶活性的影响，设置了10、20、30、40和50 ℃共5个温度梯度进行室内培育，以模拟自然条件下土壤温度状况。称取30 g新鲜土样，置于250 mL的锥形瓶中，在设定好温度条件的恒温水浴锅中培养3 h，设置3个平行样。培育结束后检测瓶中土壤的磷酸酶活性。

1.2.3 分析测定 土壤pH采用水提法测定；土壤TOC的测定采用水合热重铬酸钾氧化-分光光度法；总氮测定采用纳氏试剂分光光度法；土壤中无机磷、有机磷以及总磷的测定均采用钼酸铵分光光度法；土壤磷酸酶活性测定采用对硝基苯磷酸二钠比色法[5]；土壤重金属（铜、锌和镉）含量测定使用原子吸收分光光度法[8]。

2 结果与分析

2.1 土壤基本理化性质和磷酸酶分布特征

6种南山森林土壤基本理化性质如表2所示，表中的磷酸酶数值为酸性和碱性磷酸酶活性总和。南山森林土壤总有机碳（TOC）含量为6～17 g/kg，总氮含量为0.32～1.96 g/kg；土壤有机磷含量均低于无机磷。NS5土壤的各形态磷含量明显较高，其余5种森林土壤中各形态磷（无机磷、有机磷和总磷）含量接近。南山森林土壤磷酸酶活性较高，为11 676.10～33 271.29 μg/g，显著高于人工草地表层10 cm的磷酸酶活性[6]。森林土壤表层积累了大量腐殖质，有充分的营养源保证微生物的生长，且表层水热条件和土壤透气性好，利于微生物的生长繁殖，使得表层土壤酶活性较高[9]。

2.2 影响森林土壤磷酸酶活性的主要环境因素

2.2.1 土壤有机碳（TOC）和总氮（TN）含量对磷酸酶活性的影响 如图1所示，磷酸酶活性和有机碳、总氮含量之间均具有显著相关性。磷酸酶活性与TOC含量呈极显著正相关关系（r=0.39，P<0.01），与TN含量呈显著负相关（r=0.45，P<0.05）。

土壤有机碳是生物残体等有机物质的输入与以土壤微生物分解作用为主的有机物质损失之间的平衡[10]，对于森林生态系统而言，有机碳主要来自于森林落叶等形成的腐殖质。由于多数微生物都是从有机碳获得能源物质，有机碳对土壤微生物群落和活性有很大影响。土壤中微生物和植物都能够产生矿化有机营养成分的酶，丰富的有机质可以提供更多碳源供微生物和植物生命活动所需，从而产生更多数量的土壤酶。同时，酶活性的增强又能促进有机磷的分解和转化，加速有机磷向无机磷的转化，为植被提供更多可利用磷。所以磷酸酶活性与TOC含量之间具有较好的正相关关系。

与之相反，南山森林土壤磷酸酶活性与TN之间则呈负相关关系。南山森林土壤TN含量为0.32～1.96 g/kg，含量较低。当土壤可利用的营养物含量低时，生物能够提高土壤酶的产量以增加无机氮、磷的供给[11]。低浓度的氮含量能刺激森林土壤中根系和微生物加快分泌磷酸酶，使磷酸酶活性增强，从而出现总氮和磷酸酶活性负相关的结果。有学者研究发现表层0～5 cm森林土壤中磷酸酶活性显著高于底层土壤，与土壤TOC和TN含量均呈显著正相关[5，6]，与本研究结果不同，这可能与土壤类型、管理措施、pH和水热等因素有关。

2.2.2 土壤各形态磷对磷酸酶活性的影响 南山森林土壤各形态磷和磷酸酶活性的关系如图2所示，磷酸酶活性与无机磷和总磷含量呈极显著正相关，与有机磷含量呈显著正相关，相关系数分别为0.94（P<0.01）、0.95（P<0.01）和0.94（P<0.05）。

植物生长发育过程中需要吸收一定的磷，土壤有机磷是植物生长所需磷元素的重要来源，但其不能被植物直接吸收，大部分有机磷需要矿化为无机态磷才能被植被吸收利用。有机磷能通过诱导作用提高土壤磷酸酶活性，与磷酸酶活性之间有很好的正相关性。当土壤中供给植物所需的磷含量不足时，植物会在这种胁迫环境下分泌一些能够分解有机磷的根际分泌物，比如低分子量有机酸、磷酸酶，降低土壤中有机磷含量[12]。另一方面，植物残体进入土壤腐烂后来不及分解会常年积累下来，因此有机磷也会积累。有机磷含量是消耗和积累两个过程动态平衡的结果。南山森林土壤磷酸酶和有机磷含量之间呈显著正相关关系，与文献报道结果一致[5，13]。磷酸酶大量产生后，将有机磷转化为无机磷，所以磷酸酶活性与无机磷产率呈正比，即酶活性越强，无机磷含量越高。有机磷和无机磷总和即是总磷。总磷含量是土壤养分的一个重要指标，对磷酸酶活性也有重要影响。

2.2.3 土壤重金属对磷酸酶活性的影响 本研究检测了森林土壤中铜（Cu）、锌（Zn）和镉（Cd）3种重金属含量，其中铜未检测到，锌含量变化范围为3.7～73.6 mg/kg，镉含量为0.18～1.56 mg/kg。锌、镉与磷酸酶活性的关系如图3所示，其中镉元素对磷酸酶活性的影响更显著。

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