全 文 ：酚酸对杨树人工林土壤养分有效性及酶活性的影响*
王延平1,2 摇 王华田1,2**摇 许摇 坛1 摇 倪桂萍1 摇 姜岳忠3
( 1山东农业大学林学院, 山东泰安 271018; 2国家林业局泰山森林生态系统定位研究站, 山东泰安 271018; 3山东省林业科学
研究院, 济南 250014)
摘摇 要摇 采用离子交换树脂膜作为根系模拟器,研究杨树人工林土壤在酚酸环境中养分有效
性及酶活性的变化.结果表明: 酚酸能显著影响杨树人工林土壤养分有效性和土壤酶活性,
且二者受酚酸的影响具有显著的浓度效应和时间效应. 随酚酸浓度增大,土壤中 NH4 + 鄄N、
NO3 - 鄄N的提取量均显著下降. 在高浓度酚酸环境中,PO4 3-、Mn2+的有效性显著提高,而 K+、
Fe3+的有效性被显著抑制;脲酶和碱性磷酸酶活性显著降低,而过氧化氢酶和多酚氧化酶活性
则呈显著升高的趋势.随培养时间的延长,土壤中 NH4 + 鄄N、PO4 3-、Mn2+的有效性逐渐增加,而
NO3 - 鄄N、K+、Fe3+、Zn2+的有效性显著降低.相关分析表明,脲酶、多酚氧化酶、碱性磷酸酶活性
与 NO3 - 鄄N、K+、Fe3+、Mn2+等的有效性相关性较高.
关键词摇 杨树人工林摇 离子交换树脂膜摇 养分有效性摇 土壤酶活性摇 典型相关分析
文章编号摇 1001-9332(2013)03-0667-08摇 中图分类号摇 Q948. 1; S151. 9摇 文献标识码摇 A
Effects of exogenous phenolic acid on soil nutrient availability and enzyme activities in a pop鄄
lar plantation. WANG Yan鄄ping1,2, WANG Hua鄄tian1,2, XU Tan1, NI Gui鄄ping1, JIANG Yue鄄
zhong3 ( 1College of Forestry, Shandong Agricultural University, Tai爷an 271018, Shandong, Chi鄄
na; 2Taishan Forest Ecosystem Research Station, State Forestry Administration, Tai爷 an 271018,
Shandong, China; 3Shandong Academy of Forestry, Ji爷nan 250014, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,
2013,24(3): 667-674.
Abstract: By using ion exchange resin membrane as a plant root simulator, this paper studied the
variations of soil nutrient availability and enzyme activities in a poplar plantation after applying phe鄄
nolic acid. The exogenous phenolic acid had significant effects on the soil nutrient availability and
enzyme activities, and the effects were concentration鄄 and time dependent. With increasing phenolic
acid concentration, the extraction mass of soil NH4 + 鄄N and NO3 - 鄄N decreased significantly. At high
concentration phenolic acid, soil PO4 3- and Mn2+ availability increased significantly while soil K+
and Fe3+ availability was in adverse, and soil urease and phosphatase activities had a significant de鄄
crease while soil catalase and polyphenol oxidase activities increased significantly. With the elonga鄄
tion of incubation time, the availability of soil NH4 + 鄄N, PO4 3-, and Mn2+ increased gradually,
while that of soil NO3 - 鄄N, K+, Fe3+, and Zn2+ decreased significantly. The correlation analysis
showed that the availability of soil NO3 - 鄄N, K+, Fe2+, and Mn2+ had close correlations with the ac鄄
tivities of soil urease, polyphenol oxidase, and phosphatase.
Key words: poplar plantation; ion exchange resin membrane; nutrient availability; soil enzyme ac鄄
tivity; canonical correlation analysis.
*国家基础研究发展计划项目(2012CB416904)、国家自然科学基金
项目(31070550,31270670)和山东省优秀中青年科学家奖励基金项
目(BS2012NY006)资助.
**通讯作者. E鄄mail: wanght@ sdau. edu. cn
2012鄄06鄄15 收稿,2012鄄12鄄20 接受.
摇 摇 随着化感效应在森林更新过程中地位和作用的
深入认识[1-2],连作人工林地力衰退与化感效应之
间的关系受到广泛关注[3-4] .研究表明,化感物质既
可以通过与土壤养分离子的络合,直接降低土壤有
效养分离子含量,也可以通过影响土壤酶活性减弱
土壤养分的转化.这些内容已成为化感效应机理研
究的重要部分[5] .对化感物质影响下土壤养分环境
变化规律的研究有助于揭示连作人工林土壤质量演
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 3 月摇 第 24 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2013,24(3): 667-674
变的驱动机制.
关于土壤养分环境的研究通常针对土壤中的养
分含量(或者有效养分含量)而开展,所采用的方法
大多是利用化学提取法获得养分离子的含量.但是,
化学提取法与植物根系吸收土壤养分的机制相差较
远,无法体现植物根系对土壤养分离子的有效利
用[6] .从研究方法上来看,化学提取法忽视了土壤
中养分含量多寡与植物有效利用土壤养分能力的区
别,尤其对植物养分利用效率的研究形成了阻
碍[7] .因此,寻找定量测定土壤有效养分供应能力
的新方法尤为迫切. 离子交换树脂提取土壤养分离
子与植物根系吸收机制非常相似,所测值与植物吸
收养分离子的量具有极显著相关[8-9] .近年来,用离
子交换树脂作为根系模拟器,测定土壤中养分的释
放动态及其对植物有效供应方面的研究日益增多.
通过离子交换法测定土壤养分有效性,有助于了解
土壤养分转化和供应能力,对正确评价土壤养分环
境具有重要意义.目前关于化感物质累积环境中人
工林土壤养分有效性的研究尚未见报道. 本文通过
模拟稳态酚酸环境,采用离子交换树脂膜作为根系
模拟器,研究了不同浓度酚酸环境中杨树人工林土
壤养分有效性的变化及其与土壤酶活性的关系,以
期阐明酚酸累积对土壤养分有效性的影响及机制,
为深入揭示连作杨树人工林衰退机理提供科学依
据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验材料
1郾 1郾 1 供试土壤摇 试验样地设在位于大汶河沿岸河
滩中部的山东省泰安市宁阳县国有高桥林场杨树人
工林 (欧美杨 I鄄107, Populus 伊 euramericana ‘ Ne鄄
va爷),土壤为粗沙质河潮土,颗粒较粗,保肥、保水
性差,有机质含量较低.在试验林分内设置 3 个标准
地,在每个标准地内随机抽取 3 株平均木,距树干基
部 0. 5 m 处呈梅花形分布设置 5 个取样点,采集
0 ~ 50 cm土层非根际土壤,充分混合后,装入已消
毒的密封塑料袋中,放入冰盒内带回实验室.林地土
壤基本理化性质见文献[10].
1郾 1郾 2 供试酚酸 摇 对羟基苯甲酸、苯甲酸、阿魏酸、
香草醛和肉桂酸均为在杨树人工林根际土壤中检测
到的酚酸物质,其标样购自上海化学试剂公司.本试
验采用其混合标准液作为外源酚酸,其浓度依据谭
秀梅等[11]测定的二代杨树人工林根际土壤中各酚
酸含量值(X)设定为 0. 5X、1. 0X、1. 5X 和 2. 0X 4
个梯度,以不加酚酸的土壤作为对照(CK).
1郾 2摇 试验设计及方法
1郾 2郾 1 土壤中酚酸环境的设置摇 采用外源添加方法
将酚酸引入到非根际土壤中形成梯度酚酸环境. 为
解决酚酸添加后由于土壤胶体吸附和微生物降解作
用产生酚酸浓度的变化,笔者设计了一个土培装置
(图 1),以实现土样培养过程中的稳态酚酸环境.具
体方法如下:
1)根据连作二代杨树人工林根际土壤对羟基
苯甲酸、苯甲酸、肉桂酸、阿魏酸、香草醛的实际含量
水平[11],设计土样酚酸含量梯度. 首先依据前期研
究测定的杨树人工林土壤对各酚酸的吸附率和二代
人工林土壤酚酸含量,确定引入培养皿的酚酸溶液
浓度(表 1).
摇 摇 2)依据上述浓度配制含 5 种酚酸物质的混合
标准溶液.
3)称取 100 g 杨树人工林非根际土壤,分别装
入对应装置的无底玻璃烧杯中. 将对应浓度的酚酸
标准溶液 100 mL 注入培养皿中,保持土样下部 1
cm浸润层.每天更换培养皿中的酚酸溶液,以保持
土壤中酚酸浓度相对稳定.
在 100 g 非根际土壤中加入 100 mL 蒸馏水作
为对照土样.共获得 5 种浓度梯度的土壤样品,每种
土壤样品进行5次平行试验,共计25个土样 . 将上
表 1摇 试验用酚酸梯度浓度
Table 1摇 Concentration of phenolic acids in experiments
类型
Type
二代土壤中酚酸含量
Content of phenolic acid
in second generation soil
(滋g·g-1)
土壤对酚酸的吸附率
Absorption rate of
phenolic acid in soil
(% )
需配制的酚酸溶液浓度
Preparation concentration of phenolic acid (滋g·mL-1)
0. 5X 1. 0X 1. 5X 2. 0X
对羟基苯甲酸 p鄄hydroxybenzoic acid 152郾 0 61. 7 123 247 370 494
香草醛 Vanillin 10. 4 93. 8 6 11 17 22
阿魏酸 Ferulic acid 6. 5 89. 3 4 7 11 14
苯甲酸 Benzoic acid 20. 6 37. 8 27 54 82 108
肉桂酸 Cinnamic acid 1. 95 94. 4 1 2 3 4
866 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
图 1摇 土壤酚酸环境模拟装置示意图
Fig. 1 摇 Sketch of simulator device for phenolic acids environ鄄
ments.
淤去底玻璃烧杯 Bottomless glass; 于土壤样品 Soil sample; 盂培养皿
Petri dish; 榆酚酸溶液(或纯水) Standard solution ( phenolic acids or
pure water); 虞离子交换树脂膜 IERM; 愚玻璃棉 Mineral wool.
述土样置入恒温培养箱,20 益连续培养 35 d. 培养
期间,每隔 7 d同步进行土壤养分离子的提取、土壤
酶活性测定.
1郾 2郾 2 土壤养分有效性的测定摇 1)离子交换树脂膜
的预处理.将离子交换树脂膜(阳离子交换树脂膜,
红色,用于吸附 K 和微量元素离子;阴离子交换树
脂膜,黑色,用于吸附 N、P有效态离子)剪成 5 cm 伊
2 cm的长条,置于 95 %的乙醇中浸泡 1 h 后取出,
用去离子水冲洗数遍,然后放入 0. 5 mol·L-1的
NaHCO3溶液中浸泡,中间更换 NaHCO3溶液数次,
以确保阳离子膜表面被 Na+所充盈和阴离子表面被
HCO3 -所充盈,将饱和后的树脂模置于蒸馏水中保
存备用.
2)土壤有效养分的提取. 在土样培养期间,每
隔 7 d将离子交换树脂膜(预先装入塑料插片中)插
入土壤中(每个烧杯中分别插入一片阳膜和一片阴
膜,图 1),对土壤养分离子连续提取 6 h 后取出,用
去离子水将树脂膜表面粘附的土壤细粒冲洗干净后
置于一定量 0. 5 mol·L-1的 HCl 溶液中,25 益震荡
解吸 1 h[8] .
解吸液中 NH4 + 鄄N、NO3 - 鄄N和 PO4 3-采用流动注
射分析仪测定;K+采用火焰分光光度计测定;Fe3+、
Mn2+、Zn2+和 Cu2+等微量元素采用原子吸收光谱仪
测定.将解吸液中养分离子的含量并换算成树脂膜
上吸附的养分离子量,以单位时间内单位面积树脂
膜上吸附的养分离子量(滋g·20 cm-2·6 h-1)衡量
土壤养分有效性.
1郾 2郾 3 土壤酶活性的测定摇 土壤脲酶活性采用比色
法测定,以 mg NH3 鄄N·g-1·d-1表示;多酚氧化酶、
过氧化物酶活性采用邻苯三酚比色法测定,以
2 mg gallicin·g-1·2 h-1表示;过氧化氢酶活性采用
高锰酸钾滴定法,以 mL KMnO4·g-1·20 min-1表
示;碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定,以
mg P2O5·100 g-1·24 h-1表示[12] .
1郾 3摇 数据处理
利用 SAS软件完成典型相关分析. 将土壤酶、
土壤养分两个变量组分别标记为 U、V,与其对应变
量组成线性组合函数.建立土壤酶变量组、土壤养分
变量组的指标数据集 X(5伊25)、Y(8伊25) . 其中,土壤酶
变量组包含脲酶( x1)、过氧化氢酶( x2)、过氧化物
酶(x3)、多酚氧化酶(x4)、磷酸酶(x5)5 个指标;土
壤养分变量组包含 NH4 + 鄄N(y1)、NO3 - 鄄N(y2)、PO4 3-
(y3)、K+( y4 )、Fe3+( y5 )、Mn2+( y6 )、Zn2+( y7 )、Cu2+
(y8)8 个指标.
U=a1x1+a2x2+a3x3+…+anxn
V= b1y1+b2y2+b3y3+…bmym
其中,a1, a2, a3,……, an和 b1, b2, b3,……, bm为
待定系数,使变量组间(U、V)有最大相关性,即典范
相关系数(canocial correlation coefficient),以此度量
两个线性函数(U 和 V)间的联系强度,揭示两组指
标间的内部联系.
采用 SPSS软件进行单因素方差分析( one鄄way
ANOVA),采用最小显著差异法(LSD)比较数据组
间的差异,用 Pearson相关系数评价不同因子间的相
关性. 显著性水平设定为 琢 = 0. 05. 采用 CANO鄄
DRAW for Windows 4. 5 软件作图.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 酚酸添加对杨树人工林土壤养分有效性的影
响
由图 2 可以看出,酚酸添加后,杨树人工林土壤
养分离子提取量均较对照发生了显著变化. 其中,
NH4 + 鄄N、NO3 - 鄄N、K+、Fe3+在单位时间内的提取量显
著下降,Cu2+、Zn2+提取量先增加后减少,而 Mn2+则
显著增加.培养 7 d 后,从 0. 5X 酚酸土壤中提取的
NH4 + 鄄N和 NO3 - 鄄N 分别较对照下降 53%和 26% ,
K+、Fe3+的提取量分别较对照下降 13% 和 18% .
Cu2+的提取量在酚酸添加后 7 ~ 14 d 较对照土样有
显著增加,而后则显著减少. 在试验的 21 d 内并未
检测到 PO4 3-提取量的显著差异,但从 28 d 开始有
显著增加,说明酚酸对该离子的影响有着明显的滞
后效应.
随酚酸浓度的增大,土壤中 NH4 + 鄄N、NO3 - 鄄N 的
提取量均发生显著下降. K+和Fe3+的提取量在土样
9663 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王延平等: 酚酸对杨树人工林土壤养分有效性及酶活性的影响摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 外源酚酸作用下土壤养分有效性的变化
Fig. 2摇 Dynamics of soil nutrient availability after exogenous phenolic acids application (mean依SE).
不同大写字母表示不同浓度处理之间差异显著,不同小写字母表示相同浓度处理在不同培养时间的差异显著(P<0. 05) Different capital letters
meant significant difference among treatments, and different lowercase letters meant significant difference among different incubation time at the same con鄄
centration at 0. 05 level.下同 The same below.
培养 14 d后显著下降,且随土壤中酚酸浓度的增加
提取量显著减少.在各酚酸处理组中,随培养时间的
延长,土壤中 NH4 + 鄄N、PO4 3-和 Mn2+的提取量显著增
加,而 NO3 - 鄄N、K+、Fe3+、Zn2+的提取量则显著减少.
说明土壤中 N、K+、Fe3+、Zn2+的有效性明显受高浓度
酚酸的制约;高浓度酚酸对土壤中 PO4 3-的有效性
有显著促进作用.
2郾 2摇 酚酸添加对杨树人工林土壤酶活性的影响
由图 3 可以看出,添加酚酸后土壤中的脲酶和
碱性磷酸酶活性均较对照显著下降,而过氧化氢酶
和多酚氧化酶活性则呈现升高的趋势. 土壤脲酶活
性对酚酸极为敏感,7 d 后,对照土样中的活性为
0郾 214 mg NH3 鄄N·g-1 ·d-1,而在 0. 5X 酚酸处理
下,其活性迅速下降为 0. 163 mg NH3 鄄N·g-1·d-1,
且随酚酸浓度的增大呈显著下降. 碱性磷酸酶活性
下降较脲酶有所滞后,如在 0. 5X 酚酸处理下,21 d
与对照呈现显著差异.在低浓度酚酸环境(如 0. 5X)
中,7 d和14 d过氧化氢酶的活性分别为0 . 101、
076 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
图 3摇 外源酚酸作用下土壤酶活性的变化
Fig. 3摇 Dynamics of soil enzyme acitivities after exogenous phe鄄
nolic acids application (mean依SE).
0. 113 mL·g-1·20 min-1,稍低于对照土样,但差
异不显著.多酚氧化酶活性在第 7 天测定时与对照
无显著差异,到第 14 天才表现出显著增加. 上述试
验结果说明,杨树人工林土壤中脲酶活性对酚酸反
应较其他几种酶敏感.
摇 摇 随酚酸浓度升高,脲酶和碱性磷酸酶活性均显
著下降,而过氧化氢酶活性在较高浓度酚酸中显著
增加.随土样培养时间的延长,脲酶和碱性磷酸酶活
性均显著下降,而过氧化氢酶活性显著上升. 可见,
酚酸对土壤脲酶和碱性磷酸酶活性具有显著抑制作
用,而对过氧化氢酶和多酚氧化酶活性具有显著促
进作用.
2郾 3摇 土壤养分有效性与土壤酶活性的典型相关性
分析
由表 2 可以看出,在土壤酶活性和养分有效性
的简单相关矩阵中,NO3 - 鄄N、K+的有效性与脲酶和
碱性磷酸酶有极显著正相关,但与多酚氧化酶为极
显著负相关.土壤中 NH4 + 鄄N 和 PO4 3-的有效性与土
壤酶相关性较小,但也达到显著水平. 在微量元素
中,Fe3+的有效性与多酚氧化酶有较大的负相关;
Mn2+的有效性与过氧化氢酶有较大的正相关,但与
磷酸酶有较大的负相关. 此外,微量元素中 Cu2+有
效性与所测土壤酶相关性极小,未达到显著水平.
为进一步明确土壤养分有效性变化和土壤酶活
性的关系,将土壤酶和养分指标分为两个典型变量
组(U和 V),利用 SAS 软件的典型相关分析( cano鄄
cial correspondence analysis, CCA)对两组变量进行
分析.由表 3 可以看出,第一组典型变量中两组变量
的典型相关系数为 0郾 991,经Wilks爷 Lambda检验达
到极显著水平;第二组典型变量中两组变量之间的
相关系数为 0. 925,也达到显著水平.而且两组典型
变量累积贡献率达到 98. 8% ,即两组典型变量包含
了变量之间的绝大部分信息.据此,建立土壤酶和土
壤养分两变量组之间的线性组合函数:
第一典型变量组:
U1 =0郾 936x1-0郾 686x2+0郾 274x3-0郾 955x4+
0郾 927x5
V1 =0郾 497y1+0郾 977y2-0郾 481y3+0郾 837y4+
0郾 761y5-0郾 744y6+0郾 49y7+0郾 092y8
第二典型变量组:
U2 = -0郾 133x1+0郾 681x2-0郾 227x3-0郾 118x4-
0郾 37x5
V2 = -0郾 204y1+0郾 117y2+0郾 012y3-0郾 025y4+
0郾 100y5+0郾 633y6-0郾 043y7+0郾 094y8
土壤酶第一对变量组(U1)中,脲酶(x1)、多酚
氧化酶(x4)和磷酸酶(x5)3 个变量的系数均较大,
过氧化氢酶稍小,可以说明 4 种酶与土壤养分变量
组 (V)具有较大的相关性,其中脲酶和磷酸酶与土
1763 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王延平等: 酚酸对杨树人工林土壤养分有效性及酶活性的影响摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 土壤酶活性和土壤养分有效性间的相关系数
Table 2摇 Correlation coefficient of soil enzyme activities and nutrient availability
NH4 + 鄄N
(y1)
NO3 - 鄄N
(y2)
PO4 3-
(y3)
K+
(y4)
Fe3+
(y5)
Mn2+
(y6)
Zn2+
(y7)
Cu2+
(y8)
脲酶 Urease (x1) 0. 5096** 0. 8902** -0. 473* 0. 793** 0. 7147** -0. 7601** 0. 4854* 0. 0974
过氧化氢酶 Catalase (x2) -0. 4196* -0. 5913** 0. 4309* -0. 6016** -0. 5136** 0. 9011** -0. 4335* -0. 0409
过氧化物酶 Peroxidase (x3) 0. 4143* 0. 2647 0. 0881 0. 1309 0. 1045 -0. 3078 -0. 0144 -0. 109
多酚氧化酶 Polyphenol oxidase (x4) -0. 4117* -0. 9488** 0. 5242**-0. 7725** -0. 7848** 0. 6306** -0. 5087** -0. 0991
碱性磷酸酶 phosphatase (x5) 0. 5130** 0. 8570** -0. 4692* 0. 7851** 0. 6778** -0. 9001** 0. 4824* 0. 063
* P<0. 05; ** P<0. 01.
表 3摇 土壤养分有效性和土壤酶活性的典型相关分析
Table 3摇 Canonical correlation analysis of soil enzyme activities and nutrient availability
典型相关系数
Canonical correlation
coefficient
标准误
Standard
error
特征值
Eigenvalue
贡献率
Proportion
(% )
累积贡献率
Cumulative
proportion
F P
1 0. 9913 0. 0035 57. 0034 89郾 49 89郾 49 4. 97 <0. 0001
2 0. 9248 0. 0295 5. 9120 9郾 28 98郾 77 1. 82 0. 0327
3 0. 5742 0. 1368 0. 4921 0郾 77 99郾 55 0. 59 0. 8828
4 0. 3874 0. 1734 0. 1766 0郾 28 99郾 82 0. 43 0. 9196
5 0. 3168 0. 1836 0. 1116 0郾 18 100 0. 45 0. 7734
壤养分有效性呈正相关,而多酚氧化酶、过氧化氢酶
则呈负相关. 在土壤酶第二对变量组(U2)中,只有
过氧化氢酶的系数较大,且为正效应.土壤养分第一
变量组(V1)中,NO3 - 鄄N(y2)、K+(y4)、Fe3+(y5)、Mn2+
(y6)4 个变量的系数均较大,说明这 4 个养分指标
与土壤酶变量组 (U)具有较大的相关性,其中
NO3 - 鄄N、K+、Fe3+的有效性与土壤酶呈正相关,而
Mn2+呈负相关. 在土壤养分第二对变量组(V2)中,
Mn2+的相关系数较大且呈正效应.
图 4摇 土壤养分有效性与土壤酶活性的相关性 CCA排序图
Fig. 4摇 CCA ordination of soil nutrient availability and soil en鄄
zyme activities.
第一轴特征值 Eigenvalues of first ordination: 0. 038; 累积方差 Cumu鄄
lative variance: 89. 7% ; F= 13. 346; P = 0. 0020. A ~ E 代表从低浓
度到高浓度的酚酸处理组 A-E represented five treatment groups of
phenolic acids from low concentration to high, respectively. a ~ e分别表
示土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化物酶、多酚氧化酶和过氧化氢酶
a-e represented soil urease, phosphatase, peroxidase, polyphenol oxi鄄
dase, and catalase, respectively.
摇 摇 从土壤养分有效性和土壤酶活性的相关分析表
明,脲酶、多酚氧化酶、磷酸酶与 NO3 - 鄄N、K+、Fe3+、
Mn2+等养分离子的转化和供应具有密切关系.此外,
从土壤养分有效性与土壤酶相关性 CCA 排序图上
也可以直观看出土壤养分有效性与土壤酶的相关性
(图 4).脲酶、磷酸酶、多酚氧化酶和过氧化氢酶与
横轴夹角较小,而过氧化物酶与横轴的夹角较大,这
表示磷酸酶、多酚氧化酶和过氧化氢酶与酚酸的相
关性强,而过氧化物酶的相关性较弱.此外,NO3 - 鄄N
与脲酶,PO4 3-与多酚氧化酶,Fe3+、Mn2+、Zn2+与过氧
化氢酶活性相关性最大.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 连作人工林土壤养分环境的评价
长期以来,土壤学研究的一个重要方向就是如
何客观评价土壤营养水平. 研究人员在衡量土壤养
分水平时大多采用“养分含量冶或“有效养分含量冶
这类指标,其研究方法大多基于对土壤养分离子的
静态测度,测定手段上大多采用“离子交换鄄平衡法冶
测定土壤中的养分.事实上,通过这种方法测得的养
分并非全部是林木可利用的养分,如在磷提取中,为
减少金属离子对磷的固定,往往需要在部分提取剂
中加入络合剂及稀酸.这无意中增加了磷的提取量,
导致部分提取的磷可能对植物无效,使测定值高于
实际值,片面高估了土壤磷素的水平. 另外,该方法
对其他一些可被林木利用的养分形态提取能力较弱
着如有机质中易分解的氮和磷及某些矿物中的磷、
276 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
钾,从而人为降低了土壤中这些养分元素的实际含
量.更为重要的是,伴随着土壤生物学过程(如酶的
催化、微生物的转化),加之根系对土壤养分离子的
吸收利用,养分离子始终处于转化和扩散的动态之
中.因此,仅从土壤养分含量角度来衡量土壤养分环
境将会导致土壤养分水平和土壤学过程直接剥离,
对土壤营养水平的评价是不够充分的.近年来,研究
人员在土壤养分环境评价中更倾向于使用“土壤养
分有效性冶这一指标,其测度方法是采用离子交换
树脂(膜)作为根系模拟器,以动态测定土壤中养分
离子的转化和供应能力. Dale 等[13]和 Johnson 等[14]
使用该方法研究了 Oklahoma 高草草原土壤氮素矿
化过程及大豆和向日葵盆栽土壤的养分有效性.
Nayyar等[15]、MacKenzie等[16]采用这种方法分别对
花生连作土壤和 Alberta 油田复垦土壤中的大量养
分和微量元素的有效性进行了动态测定,并研究了
土壤微生物群落结构与养分有效性的关系. 而这些
方法在林地土壤养分环境评价中尚未应用. 早期学
者认为,树种长期连作导致林地土壤养分的偏耗而
造成地力衰退,其直接表征是土壤养分含量的下降.
本文对连作杨树人工林土壤养分含量的测定结果也
表明了这一规律.土壤中脲酶、磷酸酶等的活性与土
壤中 N、P、K 及微量元素的养分有效性存在显著相
关关系(图 4),而土壤酶活性一直都是作为土壤肥
力评价的重要指标.因此,客观评价连作人工林土壤
养分有效性,探讨杨树根系对养分离子的吸收水平,
并将其与土壤养分有效性进行比对,有可能会获得
有关杨树人工林衰退机理的新认知.
3郾 2摇 化感物质对土壤养分环境变化的驱动机制
研究表明,杉木人工林土壤添加酚酸(香草醛
和对羟基苯甲酸)后土壤中速效氮和速效钾含量显
著降低,而速效磷含量则有所上升[17] . 本研究采用
离子交换树脂膜,进一步证明了酚酸类物质显著影
响杨树人工林土壤中某些养分离子的释放和供应.
其中,土壤中速效态氮(NH4 + 鄄N和 NO3 - 鄄N)和 K+及
微量元素离子对酚酸的影响反应较为敏感,酚酸添
加均导致了这些离子有效性显著降低;土壤中
PO4 3-的有效性对低浓度的酚酸影响并不敏感,但高
浓度酚酸对磷的有效性具有显著促进作用(图 2).
化感物质可通过络合、螯溶等非生物化学过程影响
土壤养分含量[18] . Rice[19]对美国中南部俄克拉荷马
草原中废弃地植物演替规律研究表明,由植物产生
的有毒物质使土壤中的氮含量维持在很低的水平,
从而限制了某些 N 依赖植物的生长. Inderjit 等[20]
发现对土壤施加儿茶酚、对羟基苯甲酸等酚酸类化
感物质后,土壤中有机质含量显著降低,这些物质可
以与土壤中的阴离子竞争从而与土壤中的 A1、Fe、
Mn和有机氮等离子构成复合物,进而影响有效态养
分的含量.此外,化感物质也可抑制土壤中某些生物
化学过程,进一步抑制养分离子的转化,造成土壤中
有效态养分含量下降[5] . Northup[21]从加州沼松(Pi鄄
nus muricata)叶片中浸提获得一种聚合酚(polyphe鄄
nol),这种物质显著抑制硝化作用,从而影响了土壤
中可溶性有机氮和矿物氮的释放. Castaldi 等[22]研
究表明,意大利地中海地区 Arbutus unedo 群落植物
产生的没食子儿茶酸和儿茶酸均能显著抑制土壤中
NH4 + 鄄N向 NO3 - 鄄N的转化,从而造成林地土壤硝化
作用障碍.化感物质可直接影响土壤酶活性,阿魏
酸、4鄄叔丁基苯甲酸和苯甲醛等酚酸化感物质对土
壤脲酶有一定的刺激作用,从而对土壤中的氮素循
环产生影响[23];阿魏酸和苯甲酸在一定浓度范围内
有显著抑制硝酸还原酶活性的作用[24] . 笔者认为,
酚酸对土壤养分含量和养分有效性的影响可能存在
不同机制,由于养分有效性体现了土壤中养分离子
的转化与供应能力,这一指标更依赖于土壤中不断
发生的各种生物学过程. 本研究结果表明,在持续
35 d 的恒温、恒湿培养中,对照土样的养分有效性
未发生显著波动(图 2),土壤中酶活性在先后 5 次
取样过程中也未见显著差异(图 3).可以推论,杨树
人工林土壤养分的转化和供应在非根际土壤环境中
较为稳定.这一稳定性来源于土壤中的酶活性未发
生剧烈波动.然而,酚酸的加入对土壤酶活性产生了
较大的扰动,使养分有效性呈现出不同的变化趋势.
因此,酚酸对土壤养分有效性的影响是通过影响土
壤酶活性来实现的. 典型相关分析表明,脲酶、多酚
氧化酶、磷酸酶与 NO3 - 鄄N、K+、Fe2+、Mn2+等养分离
子的有效性有较大相关(图 4).另外,养分有效性与
土壤中微生物群落密切相关,深入探讨酚酸影响下
土壤微生物群落结构的变化及其与养分有效性的关
系,是今后研究化感物质对养分环境变化驱动机制
的重要内容.
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作者简介 摇 王延平,男,1978 年生,博士,副教授. 主要从事
植物资源学和人工林生态学研究,发表论文 30 余篇. E鄄mail:
sdauwyp@ hotmail. com
责任编辑摇 李凤琴
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