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湿地土壤碳库在全球碳循环中起着关键作用。土壤酶参与了土壤中一切生物化学循环过程,研究自然和人为干扰条件下,湿地土壤酶活性的变化特征及其与活性有机碳的关系,为深入理解湿地土壤碳素生物地球化学循环机理提供理论依据。本文以三江平原沼泽湿地为研究对象,研究了自然湿地土壤酶活性的分布和时空动态特征,探究了水位变化和氮、磷输入对土壤酶活性的影响,揭示了土壤酶活性与土壤活性有机碳组分的关系。主要得出以下几方面的结论:
不同类型湿地的土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、淀粉酶活性与土壤有机碳、土壤微生物量碳(MBC)、可溶性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(LOC)、全氮、碱解氮含量变化趋势一致,表现为毛苔草湿地>小叶章湿地>灌丛湿地。酸性磷酸酶活性表现为灌丛湿地>毛苔草湿地>小叶章湿地;纤维素酶活性则表现为毛苔草湿地>灌丛湿地>小叶章湿地。并且,过氧化氢酶和脲酶活性可以表征不同类型湿地土壤活性碳库的库容大小。
小叶章湿地0~10cm表层土壤酶活性和活性有机碳含量最高,随着土壤深度增加,土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶、淀粉酶、纤维素酶活性及MBC、MBN、DOC、LOC含量均显著降低。随着剖面的加深,土壤酶活性对土壤活性有机碳库有显著的影响,以蔗糖酶、纤维素酶对活性有机碳库的影响最为显著。小叶章湿地土壤酶活性有明显的季节动态。土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶、纤维素酶与脲酶活性具有相似的动态规律,淀粉酶略有差异。小叶章湿地MBC、LOC有明显的季节变化,且与酶活性的季节变化相关,蔗糖酶活性与活性碳的季节动态响应最为强烈。
小叶章和毛苔草湿地土壤蔗糖酶、淀粉酶、脲酶、酸性磷酸酶活性对水位变化的响应具有类似的规律,非淹水条件下土壤酶活性高于淹水土壤。淹水位增加,土壤酶活性降低。随水位变化,淀粉酶、脲酶活性与植物生长密切相关。非淹水土壤MBC高于淹水土壤,并且0cm水位条件适宜小叶章湿地土壤微生物生长,干湿交替能够增加毛苔草湿地土壤MBC含量。而淹水土壤的DOC和LOC含量高于非淹水土壤。水分驱动下,脲酶、淀粉酶活性与毛苔草湿地活性有机碳的循环转化密切相关。淀粉酶与小叶章湿地活性碳的循环转化密切相关。
氮输入促进了土壤蔗糖酶、淀粉酶、酸性磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶、纤维素酶活性,但不同水平的氮输入对酶活性的激活作用不同。随着持续氮输入水平的增加对土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶激活作用减弱,对脲酶、过氧化氢酶激活作用先增强后减弱,对纤维素酶活性激活作用不断增强。氮营养驱动下,土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶活性与MBC、MBN和LOC密切相关,低氮输入(6 g·m-2)条件下,土壤蔗糖酶、脲酶、淀粉酶的活性与土壤微生物增殖密切相关。另外,氮输入主要促进了枯落物分解过程的蔗糖酶、淀粉酶活性;低氮输入主要表现为抑制脲酶和酸性磷酸酶活性,而高氮输入则表现为促进作用。
土壤酶活性对磷输入的动态响应差异显著。从累积效应来看,施磷促进了土壤淀粉酶活性,但随着施磷水平的增加酶活性降低;磷输入抑制了蔗糖酶和酸性磷酸酶活性,且随着磷输入水平的增加先升高后降低,低磷输入(1.2 g·m-2·a-1)促进了脲酶活性,而中磷(4.8 g·m-2·a-1)、高磷输入(9.6 g·m-2·a-1)抑制了脲酶活性。磷营养驱动下,酸性磷酸酶活性与LOC、MBC及土壤呼吸达到显著或极显著正相关,表明磷输入后土壤酸性磷酸酶与活性有机碳的转化密切相关。在小叶章枯落物分解前期,低磷输入抑制了蔗糖酶和脲酶活性,继续分解的过程中则极显著促进了二者的酶活性。而低磷输入对淀粉酶活性的影响则与之相反。中磷输入在小叶章枯落物整个分解时期都促进了蔗糖酶和淀粉酶活性,而对脲酶活性的影响也主要起到促进的作用。高磷输入均提高了枯落物分解后期的蔗糖酶和脲酶活性,其对淀粉酶活性的影响则无明显规律。磷输入抑制了整个分解过程中的酸性磷酸酶活性。