论文部分内容阅读
以大气CO2浓度增加和温度升高为主要特征的全球气候变化正在深刻地改变着森林生态系统的结构、功能和过程，因而受到科学家们的普遍关注。作为高寒森林生态系统最具特征的组成部分，土壤有机层是森林植被与土壤之间进行物质循环和能量交换的生态界面之一，其对未来气候变化的响应可能比矿质土壤层更敏感。但已有的研究更加强调矿质土壤层的酶活性对全球变暖的响应，而有关土壤有机层酶活性及其对气候变化的响应研究尚未见报道，这很难满足未来气候变化条件下高寒森林生态系统过程研究的需要。因此，以青藏高原东缘分布最为广泛和面积最大的云杉（Picea purpurea）林（SF）、冷杉（Abies faxoniana）林（FF）和白桦（Betula platyphylla）林（BF）为研究对象，通过动态取样分析、模拟外源CN处理以及室内实验测试与分析等相结合的研究手段，同步研究土壤有机层和矿质土壤层中与C、N、P循环密切相关的过氧化氢酶（CAT）、脱氢酶（DHA）、多酚氧化酶（PPO）、脲酶（URE）、转化酶（INV）、酸性磷酸酶（ACP）、中性磷酸酶（NPA）和碱性磷酸酶（ALP）活性的月动态及其对外源C、N处理的响应，通过模拟气候变化实验，研究了冷杉林土壤有机层和矿质层土壤酶活性对模拟升高CO2浓度（EC）、升高温度（ET）及其交互作用（ECT）的响应，对于深入了解未来气候变化条件下高寒森林生态系统过程具有十分重要的意义。研究结果表明：（1）三个典型森林土壤有机层的氧化还原酶和水解酶活性显著高于矿质土壤层（P＜0.05），这与土壤有机层较好的通气性和较高的有机质含量有关。（2）生长季节内，土壤有机层和矿质土壤层的氧化还原酶和水解酶活性均具有明显的月变化规律，酶活性高峰出现在温度较高的夏季（6～8月）。这意味着，温度是调控森林土壤有机层和矿质土壤层的酶活性动态的最主要因素。由于林木的生长高峰在雨热同季的夏季，因此，与C、N、P循环有关的酶活性高峰出现在温度较高的月份对于提高土壤养分的有效性和促进林木生长具有重要的生态学意义。（3）添加外源C、N可能通过改变土壤C／N比而影响微生物的区系组成和生长繁衍，从而对酶活性产生不同程度的影响。模拟未来气候变化条件下土壤有机层和矿质土壤层的C／N比可能增加或降低10％的条件下，土壤酶活性可能发生的变化。结果表明：外源C处理增加了所研究的水解酶及CAT和DHA活性，降低了PPO的活性。没有支持“外源C处理增加了土壤C／N比，降低了土壤酶活性”的结论。这可能是因为本项外源C处理采用的葡萄糖是可溶性糖，直接为微生物群落提供所需的能源和营养，促进了微生物生长，从而提高酶活性。（4）外源N处理增加了CAT、DHA、INV、ACP、NPA、ALP活性，降低了PPO和URE活性。土壤有机层的CAT、ACP和ALP活性增幅大于矿质土壤层，而矿质土壤层的DHA、PPO、INV、URE、NPA活性增幅要大于土壤有机层。原因是外源N处理降低了土壤C／N比，促进了受N限制的微生物生长繁衍，从而提高了酶活性。与外源C相比较，外源N处理对土壤酶活性的促进作用更显著。（5）EC处理对土壤有机层和矿质土壤层的酶活性没有显著影响。这可能是因为土壤层中CO2浓度本身较高，本项EC处理对绝大多数微生物的生长繁衍并没有产生显著影响，从而对土壤酶活性的影响并不显著。此外，EC处理主要通过对林木凋落物质量和根系分泌物的作用而间接影响土壤微生物活性，从而对土壤酶活性产生不同程度的影响，但本项研究中，原状土壤上并没有栽植植物。（6）在一定的范围内，升高温度将有利于微生物群落的生长和繁衍，提高微生物活性。本项研究表明，ET显著增加了所研究的月份中土壤有机层和矿质土壤层的CAT、DHA、PPO、INV、URE、ACP、ALP和土壤有机层NPA的活性。与矿质土壤层相比，ET对土壤有机层CAT、INV、URE的活性影响更加显著。（7）与ET相似，ECT显著增加了土壤有机层和矿质土壤层的CAT、DHA、PPO、INV、URE、ACP、ALP和土壤有机层NPA的活性。ET和ECT处理之间的酶活性并没有显著差异。这意味着，本项研究中ECT对土壤有机层和矿质土壤层酶活性的促进作用主要来源于温度升高对微生物活性的促进作用。