环境科学  2023, Vol. 44 Issue (7): 4201-4210   PDF    
引用本文
姚智, 焦鹏宇, 吴晓生, 严强, 刘先, 胡亚林, 王玉哲. 马尾松采伐迹地火烧黑炭对土壤有机碳组分和碳转化酶活性的影响[J]. 环境科学, 2023, 44(7): 4201-4210.
YAO Zhi, JIAO Peng-yu, WU Xiao-sheng, YAN Qiang, LIU Xian, HU Ya-lin, WANG Yu-zhe. Effect of Fire-deposited Charcoal on Soil Organic Carbon Pools and Associated Enzyme Activities in a Recently Harvested Pinus massoniana Plantation Subjected to Broadcast Burning[J]. Environmental Science, 2023, 44(7): 4201-4210.
马尾松采伐迹地火烧黑炭对土壤有机碳组分和碳转化酶活性的影响
姚智1, 焦鹏宇1, 吴晓生2, 严强2, 刘先1, 胡亚林1, 王玉哲1     
1. 福建农林大学林学院, 福州 350002;
2. 福建农林大学西芹教学林场, 南平 353000
收稿日期: 2022-09-07; 修订日期: 2022-09-29
基金项目: 国家自然科学基金促进海峡两岸科技合作联合基金项目(U1805243); 福建农林大学杰出青年科研人才计划项目(xjq202106)
作者简介: 姚智(1997~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为森林土壤碳循环, E-mail: yz01102022@163.com
通信作者: 王玉哲, E-mail: wangyuzhe@fafu.edu.cn
摘要: 黑炭是不完全燃烧生成的具有高度芳香化结构的含碳颗粒物, 能对火烧迹地土壤生态功能产生长期影响.以中亚热带马尾松人工林采伐火烧迹地为研究对象, 分析火后黑炭处理[移除(B0)、单倍(B1)、双倍(B2)]、未火烧对照(UB)5 a后土壤有机碳组分[可溶性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(ROC)、惰性有机碳(RC)、粗颗粒有机碳(CPOC)、细颗粒有机碳(FPOC)]含量和碳转化酶[葡萄糖苷酶(BG)、过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(POX)、纤维素酶(CBH)、蔗糖酶(SC)]活性特征.结果表明, B1处理土壤DOC、MBC、CPOC、FPOC和RC含量均显著低于UB(P < 0.05).B2处理土壤MBC和FPOC含量与UB无显著差异, 但显著高于B0处理(P < 0.001).B1和B2处理土壤MBC/TC与UB无显著差异, 而B0处理土壤MBC/TC显著低于UB(P < 0.05).B0、B1和B2处理土壤BG和POD活性显著低于UB(P < 0.01).B0和B2处理土壤POX活性显著低于对照(P < 0.01).不同黑炭处理土壤TC、DOC、ROC、CPOC和RC含量以及碳转化酶活性无显著差异(P>0.05).冗余分析(RDA)结果显示, SC和POX活性为土壤有机碳组分含量的主要影响因子, 其解释率分别为16.3%和12.7%.结果表明, 火烧产生的黑炭能加快火后MBC恢复、促进土壤有机碳累积和提高土壤有机碳稳定性, 今后在中亚热带人工林经营管理中应重视对黑炭的利用.
关键词: 黑炭      炼山      土壤微生物量碳      有机碳组分      酶活性     
Effect of Fire-deposited Charcoal on Soil Organic Carbon Pools and Associated Enzyme Activities in a Recently Harvested Pinus massoniana Plantation Subjected to Broadcast Burning
YAO Zhi1 , JIAO Peng-yu1 , WU Xiao-sheng2 , YAN Qiang2 , LIU Xian1 , HU Ya-lin1 , WANG Yu-zhe1     
1. College of Forestry, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China;
2. Xinqin Forest Farm, Fujian Agriculture and Forestry University, Nanping 353000, China
Abstract: Charcoal is a carbonaceous particulate matter with a highly aromatic structure produced by incomplete combustion, and it can cause persistent long-term effects on soil ecological functions. In this study, we determined soil organic carbon pools and associated enzyme activities following five years of different charcoal treatments [charcoal removal (B0), charcoal retained in situ (B1), and the addition of charcoal removed from B0(B2)] and the unburnt control (UB) in a recently harvested Pinus massoniana plantation subjected to broadcast burning. The results showed that dissolved organic carbon (DOC), microbial biomass carbon (MBC), coarse and fine particulate organic carbon (CPOC and FPOC), and recalcitrant carbon (RC) contents were significantly lower in B1 than those in UB soil (P < 0.05). The MBC and FPOC contents of B2 soil were comparable to those of UB soil, which were significantly higher than those of B0 soil (P < 0.001). There was no difference in MBC/TC between the B2 and UB soils, whereas MBC/TC was significantly lower in B0 than in UB soil (P < 0.05). β-glucosidase and peroxidase activities of B0, B1, and B2 soils were significantly lower than that of UB soil (P < 0.01), and polyphenol oxidase activity was significantly lower in B0 and B2 soils than in UB soil (P < 0.01). No significant difference in soil TC, DOC, readily oxidized carbon (ROC), CPOC, and RC content as well as associated enzyme activities was observed among the charcoal treatments (P>0.05). Redundancy analysis showed that sucrose and polyphenol oxidase were the key drivers influencing soil organic carbon fractions, accounting for 16.3% and 12.7% of the total variance, respectively. Overall, our findings indicated that fire-deposited charcoal played a positive role in enhancing soil microbial biomass carbon recovery, soil organic carbon accumulation, and stability, highlighting the importance of charcoal in the management of subtropical plantations in the future.
Key words: charcoal      broadcast burning      soil microbial biomass carbon      soil organic carbon fraction      enzyme activities     

炼山在我国南方被广泛用于清除人工林采伐迹地的剩余物[1].由于火烧会减少林地凋落物, 导致大量的碳和养分损失, 因此炼山措施近年来备受争议[2, 3].然而, 炼山作为传统的造林整地措施一直存在, 可以改善林地土壤环境、提高土壤速效养分含量和防止森林病虫害传播[4].特别是在我国亚热带地区, 对感染松材线虫(Bursaphelenchus xylophilus)病的马尾松(Pinus massoniana)采伐剩余物进行火烧处理, 是目前控制松材线虫病蔓延的有效措施.土壤是地球表面最大的有机碳库, 其微小变化也将改变大气CO2浓度[5], 对全球碳平衡具有极其重要的作用.火烧可以显著降低土壤有机碳含量[6], 对不同有机碳组分进行重新分配[7], 从而对土壤碳库产生长期影响[8].目前火烧对土壤有机碳组分的影响多为短期研究, 结果表明短期火烧能够降低土壤活性有机碳如可溶性有机碳、易氧化有机碳和微生物量碳含量[9].中慢性有机碳和惰性有机碳是反映土壤质量变化和土壤碳库固持能力的重要指标[10, 11], 但关于其对火烧响应的研究相对较少.此外, 火烧对土壤有机碳的影响可长达13 a[12], 土壤各有机碳组分对火烧的长期响应尚不清楚.

火后土壤恢复受多种因素影响, 如植被覆盖度、恢复时间和火烧产物如黑炭等, 其中黑炭是森林生物质不完全燃烧的产物, 具有芳香化结构且较难分解, 可在土壤中存在数十年至百年, 在一定程度上抵消火烧引起的碳源效应[13].黑炭可以改变土壤理化性质和微生物群落结构, 直接或间接影响土壤有机碳组分和土壤碳转化酶活性.比如, 有些研究表明黑炭能够显著提高土壤微生物量碳和可溶性有机碳含量[14, 15]; 还有研究显示黑炭添加能显著提高土壤纤维素酶和脲酶活性[16], 且随着酶活性的提高, 土壤有机碳含量也显著增加[17].后者证明黑炭能通过影响土壤酶活性间接影响有机碳含量, 而对具体有机碳组分的影响还需进一步地研究.

马尾松是我国南方重要的先锋树种和速生用材树种, 因其耐贫瘠而广泛种植于我国亚热带地区[18].然而, 自1982年在我国首次发现松材线虫病以来, 马尾松林受其危害面积不断加大.松材线虫病被认为是松树的癌症, 目前我国有6 000万hm2松林正面临松材线虫病传播侵染的威胁[19].为防止该病传播, 在疫区开展了大量松林改造工作, 其中针对染病马尾松采伐迹地采取的主要措施是火烧处理[20].为探究炼山及其产物黑炭对土壤有机碳含量和稳定性的影响, 本文以炼山后的中亚热带马尾松人工林采伐迹地为研究对象, 通过测定不同黑炭输入量处理5a后土壤有机碳组分含量和土壤碳转化酶活性, 探讨黑炭对火后土壤有机碳组分和碳转化酶活性的长期影响机制, 以期为提高亚热带人工林生态系统固碳增汇提供理论支持.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于福建省南平市延平区福建农林大学西芹教学林场(26°33′N, 118°06′E), 地处福建中部偏北, 属中亚热带季风气候, 年平均气温19.8℃, 年平均降雨量1 777 mm, 年平均降雨天数在115~165 d之间, 全年无霜期324 d.该区域为典型的低山丘陵地貌[21], 土壤类型为山地红壤.样地主要林下植被为：冬青(Ilex chinensis)、铁芒萁[Dicranopteris linearis (Burm.)Underw.]、箬竹(Indocalamus tessellatus)和狗脊(Woodwardia japonica)等.

1.2 试验处理与样品采集

2015年10月, 马尾松人工林进行皆伐.随后, 在2016年3月21日进行炼山, 在炼山后1周在火烧迹地开展黑炭移除和添加试验处理.根据随机区组试验设计, 共设置4个区组, 每个区组3个样方, 每个样方为10 m×10 m.本试验处理包括3个不同黑炭输入量处理(B0：移除块状黑炭; B1：保留原有黑炭; B2：将B0移除的黑炭均匀铺到该小区), 同时以每区组相邻未火烧地作为对照处理(UB, n=4), 作为火后不同黑炭处理对土壤恢复状况影响的参照, 2016年4月对火烧迹地和相邻对照区域同时进行造林, 新造林为闽楠[Phoebe bournei(Hemsl.)Yang]纯林, 造林后每年定期对新造林进行抚育, 清除林下部分灌木、草本以及非目标树种, 以保证各样地植被情况一致, 详细试验处理见文献[15].

2021年3月21日(炼山5a后), 在各样方内采用S型采样法采集土壤(9个点), 去除表面枯枝落叶, 取0~10 cm和10~20 cm矿质土壤, 冷藏后带回实验室.去除土壤中细根和沙砾等杂质后过2 mm筛, 之后分成两份, 一份风干用于测定土壤全碳(TC)、易氧化有机碳(ROC)、粗颗粒有机碳(CPOC)、细颗粒有机碳(FPOC)、惰性有机碳(RC)和pH.另外一份置于4℃冰箱冷藏, 用于测定土壤微生物量碳(MBC)、可溶性有机碳(DOC)、含水率(MC)、铵态氮(NH4+)、硝态氮(NO3-)和土壤葡萄糖苷酶(BG)、过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(POX)、纤维素酶(CBH)、蔗糖酶(SC)活性.

1.3 土壤有机碳组分和土壤基本理化性质测定

利用碳氮元素分析仪(Vario MICRO cube, Elementar, 德国)测定土壤TC.土壤MBC含量测定采用氯仿薰蒸-K2SO4提取法：称取两份10 g的土壤样品, 一份用氯仿熏蒸24 h, 另一份做对照, 然后加入0.5 mol ·L-1 K2SO4溶液浸提30 min, 用总有机碳分析仪(TOC-LCPH, Shimadzu, 日本)测定浸提液中的碳含量, 利用熏蒸和未熏蒸样品的差值计算出土壤MBC含量[22].土壤DOC含量采用总有机碳分析仪测定.土壤ROC测定采用333 mmol ·L-1高锰酸钾氧化法[23]测定, 通过565 nm可见分光光度计比色, 计算高锰酸钾浓度变化, 得出土壤ROC含量.土壤颗粒有机碳测定采用六偏磷酸钠作为分散剂, 将振荡后的分散液置于250 μm和53 μm筛上用清水反复冲洗, 保留于250 μm筛上的为粗颗粒有机质(250~2 000 μm), 留于53 μm筛上的为细颗粒有机质(53~250 μm), 烘干后利用碳氮元素分析仪测定CPOC和FPOC含量[24].土壤RC采用酸水解法[25]测定：用6 mol ·L-1 HCl溶液消煮16 h后用蒸馏水冲洗至中性, 烘干后研磨, 用碳氮元素分析仪测定.土壤pH按土水比1 ∶2.5混合后利用pH计(雷磁PHS-3C)进行测定; 烘干法测定土壤含水率(105℃烘箱烘干至恒重); 土壤NH4+和NO3-经过2 mol ·L-1 KCl溶液浸提后, 利用全自动间断分析仪(SmartChem 200, 意大利)测定.

1.4 土壤酶活性测定

土壤酶活性采用比色法测定[26].土壤BG水解产生的对硝基酚在400 mm处有最大吸收峰; 土壤POD活性测定以过氧化氢为底物催化邻甲氧基苯酚生成四邻甲氧基苯酚, 该产物在470 nm处有特征吸收峰; 土壤POX与邻-苯二酚和D-儿茶素反应生成的产物在460 nm处有最大吸收峰; 土壤CBH可催化纤维素水解生成的还原糖与3, 5-二硝基水杨酸生成棕红色物质, 其在540 nm处有最大吸收峰; 土壤SC催化蔗糖降解产生还原糖, 进一步与3, 5-二硝基水杨酸反应, 生成的有色氨基化合物在540 nm处有特征光吸收.采用可见分光光度计在特定波长对酶产物进行光度测定.酶活性以每小时每克土样产生酶的量来表示[μmol ·(h ·g)-1].

1.5 数据处理

采用基于酶的木质素-纤维素指数(LCI)评价土壤碳质量指数, 计算公式如下[27]：

式中, POX和BG分别为土壤多酚氧化酶和β-葡萄糖苷酶活性.

采用R(v4.1.3)对数据进行统计分析.使用双因素方差分析(two-way ANOVA)检验不同黑炭处理、土层和二者的交互作用对土壤有机碳组分、土壤活性有机碳与全碳比值、土壤碳转化酶活性和土壤碳质量指数的影响, 采用最小显著差异法(LSD)进行多重比较检验(α=0.05).采用Pearson相关分析不同土层土壤有机碳组分和土壤碳转化酶活性的关系, 使用R中的vegan程序包进行土壤碳转化酶活性和土壤基本理化性质对不同土层土壤有机碳组分影响的冗余分析.使用Origin 2022软件进行绘图.

2 结果与分析 2.1 不同黑炭处理土壤有机碳组分含量与基本理化性质

不同处理土壤DOC、MBC、CPOC、FPOC和RC含量及pH、MC和NH4+均存在显著差异(P < 0.05), 处理和土层对土壤有机碳组分含量及土壤基本理化性质的交互作用均不显著(P>0.05, 表 1).B1土壤DOC、MBC、CPOC、FPOC和RC含量均显著低于对照(UB)土壤(P < 0.05, 表 2), 不同黑炭处理土壤DOC、CPOC、FPOC和RC含量无显著差异(P>0.05).B2土壤MBC含量显著高于B0土壤(P < 0.05), B2处理与B1、UB土壤MBC含量无显著差异(P>0.05). B1土壤CPOC含量显著低于UB处理(P < 0.05), B0和B1处理土壤FPOC含量显著低于B2和对照处理(P < 0.05).不同处理之间土壤TC和ROC含量无显著差异(P>0.05).

表 1 土壤有机碳组分与基本理化性质的双因素方差分析结果1) Table 1 Two-way ANOVA results for the effects of soil organic carbon fractions and basic physical and chemical properties

表 2 马尾松人工林采伐迹地炼山土壤有机碳组分含量与基本理化性质1) Table 2 Soil organic carbon fractions and basic physical and chemical properties in a recently harvested Pinus massoniana planation subjected to broadcast burning

2.2 不同黑炭处理土壤活性有机碳与全碳比值

B0处理土壤MBC/TC显著低于UB(P < 0.05, 图 1), B1和B2处理与UB无显著差异(P>0.05).DOC/TC和ROC/TC在不同处理间无显著差异(P>0.05).除B2处理ROC/TC外, DOC/TC和ROC/TC在各处理间均表现为0~10 cm土层低于10~20 cm土层, 且DOC/TC不同土层间存在显著差异(P < 0.05).

不同大写字母表示差异显著(P < 0.05) 图 1 土壤活性有机碳与全碳比值 Fig. 1 Ratio of soil labile organic carbon fractions to total carbon

2.3 不同黑炭处理土壤碳转化酶活性特征

如图 2所示, 不同处理BG、POD和POX活性存在显著差异(P < 0.01), 土层及其与黑炭处理的交互作用对土壤酶活性的影响不显著(P>0.05).火烧土壤(B0、B1和B2)的BG和POD活性显著低于对照(P < 0.01).B0和B2处理土壤POX活性显著低于对照(P < 0.01).不同处理之间CBH、SC活性和LCI无显著差异(P>0.05).

BG：葡萄糖苷酶(β-glucosidase); POD：过氧化物酶(peroxidase); POX：多酚氧化酶(polyphenol oxidase); CBH：纤维素酶(cellulase); SC：蔗糖酶(sucrose); LCI：木质素-纤维素指数(ligno-celluloses index); 不同大写字母表示差异显著(P < 0.05) 图 2 土壤碳转化酶活性 Fig. 2 Enzyme activities involved in soil carbon cycling

2.4 土壤有机碳组分与酶活性的关系

如图 3所示, 在0~10 cm土层, BG活性与TC、DOC、FPOC和RC呈显著正相关, POX活性与MBC呈显著正相关, POD活性与DOC、MBC和FPOC呈显著正相关, SC活性与MBC呈显著正相关; 在10~20 cm土层, POD活性与DOC、ROC、FPOC和RC呈显著正相关, CBH活性与ROC呈显著正相关, SC活性与ROC呈显著正相关.

* 表示P < 0.05, **表示P < 0.01, ***表示P < 0.001; 红色表示正相关, 蓝色表示负相关, 颜色深浅表示相关性强弱 图 3 土壤有机碳组分含量与酶活性的相关性分析 Fig. 3 Correlation between soil organic carbon fractions and enzyme activities

冗余分析结果显示, 0~10 cm土层土壤酶活性和土壤基本理化性质对土壤有机碳组分的总累积解释率达到74.9%, 第一轴解释了变量的64.2%, 第二轴解释了变量的7.4%(图 4).SC(F=4.33; P < 0.05)和POX(F=4.82; P < 0.05)为土壤有机碳组分的显著影响因子, 其解释率分别为16.3%和12.7%.在10~20 cm土层, 土壤酶活性和土壤基本理化性质对土壤碳组分的总累积解释率为70.3%, 第一轴解释了变量的61.7%, 第二轴解释了变量的5.5%.

红线表示各土壤有机碳组分(响应变量), 蓝线表示各土壤酶活性和土壤基本理化性质(解释变量) 图 4 土壤酶活性和基本理化性质对土壤有机碳组分影响的冗余分析 Fig. 4 Redundancy analysis of soil enzyme activities and soil physiochemical properties on soil organic carbon fractions

3 讨论 3.1 火烧黑炭对土壤有机碳组分含量的影响

土壤有机碳组分含量特征与土壤有机碳的稳定性密切相关[28].土壤DOC和MBC等活性有机碳是土壤有机碳变化的敏感指标[29], 施加生物炭或炼山等措施都会导致土壤DOC含量的变化[30].本研究中, 火烧5 a后土壤DOC含量显著低于未火烧土壤(表 1), 这与王玉博等[31]在小兴安岭森林湿地的研究结果一致, 可能是由于火烧使林下植被、未分解凋落物和土壤遭到破坏.土壤DOC的主要来源是地表凋落物和根系分泌物[32], 火烧导致地表凋落物减少和根系死亡, 从而使得土壤DOC含量降低.土壤MBC是土壤有机碳稳定性的早期预测指标[33].有研究表明, 火烧后土壤MBC含量显著降低, 但随着时间的推移能恢复到火前水平[34, 35].本研究中火烧5 a后, 土壤MBC含量仍未恢复至火前水平(表 1), 这可能是因为一方面燃烧过程中高温能直接杀死土壤微生物, 或通过改变土壤理化性质(如火烧降低了土壤含水率等)对土壤MBC产生影响[36]; 另一方面火烧使地表凋落物和植被覆盖减少, 导致水土流失引起的土壤养分流失加剧, 土壤微生物代谢速率降低[37].本研究关于土壤MBC的结果说明, 炼山对亚热带人工林采伐迹地土壤微生物的影响是长期的, 这可能与采伐迹地来自植物的有机质输入减少以及土壤有机质的恢复较慢有关.因此, 应采取适当稳定措施来促进火后土壤有机质累积和土壤微生物群落恢复.

黑炭是不完全燃烧的产物, 高度芳香化结构使其具有生物化学惰性和热稳定性[38].土壤活性有机碳是土壤有机碳变化的敏感指标[39].本研究发现, 火后移除黑炭处理土壤MBC含量显著低于对照, 而双倍黑炭输入处理土壤MBC含量与对照土壤无显著差异, 说明黑炭的输入增加能有效促进火后土壤MBC含量的恢复, 这可能是因为黑炭有较强的吸附性, 有利于保持土壤水分和养分, 为微生物提供养分、碳源和庇护所, 从而促进微生物生长[11].同时, 土壤MBC/SOC能反映土壤有机碳的累积和生物活性有机碳库的周转效率, 一般来说, MBC/SOC增加, 表明土壤碳库正在累积, 微生物利用土壤碳库的效率提高, 土壤质量改善[9, 40].本研究中的土壤MBC的占比也随黑炭输入量增加而增加, 表明黑炭能够提高土壤微生物对有机碳的利用效率, 从而有利于土壤碳库的累积.

颗粒态有机碳属于中慢性碳库, 主要来自新鲜植物残体的输入[24], 对土壤环境和管理措施的变化十分敏感[41].本研究中, 火烧地土壤颗粒态有机碳含量明显低于对照样地, 但当黑炭输入量为B0和B2时差异不显著(表 1).火后土壤颗粒有机碳含量降低可能是因为林火烧毁了大部分新鲜植物残体和枯枝落叶, 使分解产物进入颗粒有机碳库的量降低.B0处理时CPOC含量增多可能是因为雨水冲刷使有机质流失, 沙砾在土壤中所占比例增加.黑炭的存在为土壤微生物提供了有利的生存环境, 增加了土壤微生物量, 而土壤颗粒有机碳与MBC呈显著正相关(图 3), 这表明黑炭对恢复火后土壤颗粒有机碳有一定的积极作用.

作为最具有固碳潜力的土壤有机碳组分[29, 42], 惰性有机碳库稳定且周转时间长, 可用作土壤碳库储存能力的评价指标.本研究中火后土壤RC含量显著低于对照处理, 可能是因为火烧使土壤中的水分大量流失, 水分减少会改变亚热带森林的土壤团聚体和微生物群落, 从而加速土壤RC的流失[43].不同黑炭处理土壤RC含量无显著差异, 这是因为惰性有机碳库对环境变化的响应较慢, 其量的积累是一个长期的过程[44].

3.2 火烧黑炭对土壤酶活性的影响及其与土壤有机碳组分的关系

土壤酶对环境变化十分敏感, 可作为表征土壤肥力水平的生物指标[45].由于高温能使土壤酶失活, 且雨水冲刷加剧火后裸露地表土壤养分流失, 导致土壤酶可利用的基质减少, 火后土壤酶活性一般会降低[46, 47].不完全燃烧形成的生物质炭也能影响土壤酶活性, 如许云翔等[48]研究发现施加生物炭可降低土壤POD活性, 提高POX活性.然而, 本研究中火烧5 a后, 土壤BG和POD活性均未恢复到未火烧对照水平, 且各黑炭处理间BG和POD活性无显著差异(图 2).有研究表明, 新鲜黑炭含有少量易分解的碳, 可直接被微生物利用[49].且BG和POD活性与土壤有机质分解紧密相关[28].而本研究黑炭添加已有5 a时间, 其含有的易分解态碳已被微生物分解, 所以不同黑炭处理5 a后土壤BG和POD活性无显著差异.土壤POD可驱动芳香族化合物的分解与转化[50].本研究结果显示, 各黑炭处理间B1处理的土壤POX活性最高, B0和B2处理土壤POX活性与对照土壤差异显著, 这表明适中的黑炭量更有利于提高土壤POX活性.由于特殊的多孔结构, 黑炭具有较强的吸附性, 过多的黑炭会吸附酶促反应底物, 从而抑制POX活性.土壤POX活性还受木质素和微生物的影响[51], 火烧后地表植被凋落物减少, 木质素含量降低; 而移除黑炭改变了土壤微生物的生存环境, 从而抑制了土壤POX活性.

土壤有机碳组分与酶活性的相关性可间接反映土壤有机碳与微生物之间关系[52].本研究结果表明, 土壤酶活性与活性有机碳组分显著相关(图 3), 这与Wang等[53]对杉木人工林研究的结果相一致.本研究中土壤酶活性与活性有机碳组分的正相关关系因酶和有机碳类型而异, 这是由于不同有机碳组分的物质组成与不同类型酶功能有所差异[28].有研究表明土壤BG和CBH能够促进土壤活性碳组分的增加[39], 与本研究的结果基本一致.土壤POX、POD和SC均与MBC含量呈显著正相关(图 3), 这可能是因为土壤酶大多由土壤微生物产生, 微生物量可以直接影响土壤酶活性和MBC含量.冗余分析发现土壤POX和SC是火后表层土壤有机碳组分的显著影响因素(图 4), 但在10~20 cm土层各酶活性对土壤有机碳组分的影响均不显著, 表明随着土层深度的增加, 土壤酶对土壤有机碳组分的影响减弱.除活性碳组分外, 土壤酶与其他碳组分也存在一定的相关性, 但不同土壤酶活性与土壤有机碳组分之间的关系较复杂, 目前对于这一研究内容没有统一结论.

4 结论

火烧5 a后, 马尾松采伐迹地土壤有机碳组分含量、葡萄糖苷酶和过氧化物酶活性显著低于未火烧对照, 表明林火对土壤有机碳库和微生物群落的影响具有长期效应.双倍黑炭输入量处理土壤微生物量碳和细颗粒有机碳含量已恢复到未火烧对照水平, 而移除黑炭处理土壤微生物量碳和细颗粒有机碳含量以及土壤微生物量碳与土壤全碳的比值仍显著低于对照, 说明黑炭促进了火后土壤微生物量碳的恢复、土壤有机碳的累积及其稳定性, 因此在今后亚热带人工林经营过程中应重视黑炭的作用.

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