随着全球工业化的加速发展, 化石燃料大量使用, 全球变暖日益严重, 酸雨出现的强度和频率也越来越大。全球变暖和酸雨已经成为影响人类生存和发展的全球性环境问题^[1-2], 深刻地影响陆地生态系统地下生态过程。而土壤酶是土壤生态系统物质循环和能量流动的积极参与者, 是反映土壤质量的敏感指标^[3], 温度升高、酸雨对土壤酶均会产生影响。

温度是影响土壤酶活性的重要环境因子, 增温引起土壤物理、化学过程发生改变, 从而影响土壤酶活性^[4-7]。SARDANS等^[8]、徐振峰等^[9]都发现增温会不同程度地增加土壤酶活性。有学者利用温度敏感性指数(Q₁₀)表示温度升高所引起的土壤酶活性变化率, 可以反映气候变暖与土壤生物学指标之间的反馈关系^[10-11]。但是, 目前有关土壤呼吸温度敏感性研究较多^[12-13], 土壤酶温度敏感性研究还较少。

土壤酶活性除受温度影响外, 酸沉降也会改变土壤理化特性, 从而影响土壤酶活性。酸雨对土壤酶的影响比较复杂。KIM等^[14]认为酸雨pH值越低, 其对土壤酶活性的抑制作用越强。陈彩虹等^[15]发现土壤纤维素酶活性与pH值呈显著负相关, 脲酶活性与土壤pH值不相关。LÜ等^[16]也认为酸雨对不同种类酶的作用不同。大量研究表明, 增温、酸雨都会对土壤酶产生影响^[16-17], 而全球温度、酸雨强度可能是同时变化的, 大约从20世纪70年代末开始, 全球温度显著持续上升^[1], 几乎同时, 70年代末在我国长江以南部分地区出现酸雨, 目前形势严峻^[2]。然而, 增温和酸雨同时变化对土壤酶的复合影响规律是怎样的?目前还没有足够的研究资料对此进行解释。因此, 拟通过为期6个月的室内培养试验, 了解增温和酸雨同时发生时土壤酶活性动态变化过程, 研究模拟增温和酸雨对土壤酶的交互作用规律以及土壤酶对温度的敏感性特征, 为预测土壤酶在全球增温和酸雨日趋严重条件下的变异情况提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 模拟酸雨的配制

参照南京市酸雨污染特征和酸沉降水平^[18-19], 配制H₂SO₄和HNO₃摩尔比为4.5：1的电解质溶液, 然后用适量母液和去离子水配制pH值为5.0的模拟酸雨, 并以pH值为6.7的去离子水作为对照。

1.2 供试土样及处理

选取南京信息工程大学农业气象试验站土壤为试验土壤, 该土壤类型为黄棕壤, 土壤质地为黏壤土(FAO), 灰马肝土属, 耕层土壤质地为壤质黏土, 黏粒质量分数为26.1%, 土壤pH值为6.8, 土壤有机碳含量为19.4 g·kg^-1, 全氮含量为1.15 g·kg^-1, 土壤速效磷含量为16.3 mg·kg^-1, 速效钾含量为62.8 mg·kg^-1。

将过2 mm孔径筛后的土壤混合均匀, 调节含水量至田间持水量的70%后, 按原容重(1.51 g·cm^-3)装土柱, PVC土柱直径为15 cm, 深度为20 cm, 垂直并排放置于培养箱中, 进行模拟增温处理。进行模拟升温和模拟酸雨双因子交互设计, 即温度设25(T₂₅)和30 ℃(T₃₀)2个水平, pH选取pH 5.0的模拟酸雨(pH_5.0)和pH 6.7的去离子水(pH_6.7)2个水平, 共设25 ℃+pH 5.0(T₂₅pH_5.0)、25 ℃+pH 6.7(T₂₅pH_6.7)、30 ℃+pH 5.0(T₃₀pH_5.0)和30 ℃+pH 6.7(T₃₀pH_6.7)4个处理, 每个处理设3个重复。模拟酸雨用量依据1986—2015年南京地区同期的月平均降水量来设定, 根据以往监测的降水频次, 月降水量分为4次均匀喷淋, 每隔7~8 d用模拟酸雨或去离子水通过喷雾法喷淋1次。土柱放入培养箱1 d, 待土壤均匀升温到设定温度后进行第1次模拟降雨, 在第1次模拟降雨后1、3、5、15、30、60和120 d时进行破坏性采样以测定土壤转化酶、纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶、脲酶和过氧化氢酶活性。

1.3 土壤酶活性的测定

转化酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定, 以1 g土壤培养24 h生成的葡萄糖质量(mg)表示; 纤维素酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定, 以1 g土壤培养72 h后生成的葡萄糖质量(mg)表示; 淀粉酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定, 以1 g土壤培养24 h后生成的麦芽糖质量(mg)表示; 蛋白酶活性采用茚三酮比色法测定, 以培养24 h后1 g土壤中甘氨酸质量(μg)表示; 脲酶活性采用扩散法测定, 以15 h后1 g土壤中NH₃-N质量(mg)表示; 过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定, 用20 min后1 g土样消耗0.1 mol·L^-1高锰酸钾体积(mL)表示^[3]。

1.4 数据处理

采用双因素方差分析(two-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)检验增温、酸雨及其交互作用对土壤酶活性的影响。所有统计分析均采用SPSS 11.0完成, 且显著性水平设为α=0.05。

土壤酶活性温度敏感性指数计算公式^[11]为

$ {{Q}_{10}}={{\left( \frac{{{R}_{2}}}{{{R}_{1}}} \right)}^{\frac{10}{{{T}_{2}}-{{T}_{1}}}}}。$

(1)

式(1)中, Q₁₀为土壤酶的温度敏感性指数; R₁和R₂分别为温度T₁、T₂条件下的土壤酶活性。

酶活性综合值(M_ea)的计算^[20]。对土壤转化酶、纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶、脲酶和过氧化氢酶活性求取几何平均数, 作为衡量土壤质量的综合酶活性指标, 其计算公式为

$ {{M}_{\text{ea}}}=\sqrt[6]{{{Q}_{\text{INV}}}\times {{Q}_{\text{AMY}}}\times {{Q}_{\text{CEL}}}\times {{Q}_{\text{PRO}}}\times {{Q}_{\text{URE}}}\times {{Q}_{\text{CAT}}}}\ 。$

(2)

式(2)中, Q_INV为土壤转化酶活性; Q_AMY为土壤淀粉酶活性; Q_CEL为土壤纤维素酶活性; Q_PRO为土壤蛋白酶活性; Q_URE为土壤脲酶活性; Q_CAT为土壤过氧化氢酶活性。

2 结果与分析 2.1 模拟增温和酸雨对土壤酶活性的影响

由图 1可见, 增温对土壤转化酶、纤维素酶、蛋白酶和淀粉酶活性有促进作用, 如蛋白酶活性平均值可以提高17.60%, 而增温对过氧化氢酶和脲酶活性的影响具有不确定性。酸雨对转化酶、蛋白酶、脲酶和过氧化氢酶活性有促进作用, 如过氧化氢酶活性平均值可提高97.48%, 而酸雨对淀粉酶和纤维素酶活性有抑制作用。增温对土壤酶活性的影响无明显时间规律, 酸雨对转化酶和蛋白酶活性的促进作用则主要发生在培养试验开始后30 d内。

图 1显示, 4种处理土壤转化酶活性变化基本同步, 呈先上升再下降之后又上升趋势。增温(30 ℃)处理高于常温(25 ℃)处理, 酸雨(pH 5.0)处理高于去离子水(pH 6.7)处理。在去离子水和酸雨条件下, 增温处理土壤转化酶活性均值分别提高13.37%和3.68%, 而在常温和增温条件下, 酸雨处理土壤转化酶活性均值比去离子水处理分别提高22.91%和12.41%。可见, 短期内酸雨并没有引起土壤转化酶活性降低, 反而提高了转化酶活性。

由图 1可见, 纤维素酶活性变化无明显时间规律。纤维素酶活性表现为增温处理高于常温处理, 酸雨处理低于去离子水处理。在去离子水和酸雨条件下, 增温处理土壤纤维素酶活性均值分别提高13.57%和8.10%, 而在常温和增温条件下, 酸雨处理土壤纤维素酶活性均值比去离子水处理分别降低35.73%和38.83%。可见, 酸雨降低了土壤纤维素酶活性。

由图 1可见, 4种处理土壤淀粉酶活性变化基本呈先上升再下降趋势, 这与培养初期的启动效应有关。酸雨处理淀粉酶活性低于去离子水处理, 增温处理和常温处理淀粉酶活性差异不大, 略有提高。在去离子水和酸雨条件下, 增温处理土壤淀粉酶活性均值分别提高6.14%和7.63%, 而在常温和增温条件下, 酸雨处理土壤淀粉酶活性均值比去离子水处理分别降低19.63%和18.50%。可见, 酸雨显著降低了土壤淀粉酶活性。

由图 1可见, 相同土壤pH条件下增温处理土壤蛋白酶活性高于常温处理, 相同土壤温度条件下酸雨处理高于去离子水处理。在去离子水和酸雨条件下, 增温处理土壤蛋白酶活性均值分别提高17.60%和13.44%, 而在常温和增温条件下, 酸雨处理土壤蛋白酶活性均值比去离子水处理分别提高7.65%和3.85%。可见, 短期酸雨并没有引起土壤蛋白酶活性降低, 反而略有升高。

由图 1可见, 增温处理土壤脲酶活性高于常温处理。酸雨处理显著高于去离子水处理, 增温处理对脲酶的影响则比较复杂。在去离子水条件下, 增温处理土壤脲酶活性均值比常温处理降低3.25%, 在酸雨条件下, 增温处理土壤脲酶活性均值比常温处理提高4.43%;而在常温和增温条件下, 酸雨处理土壤脲酶活性均值比去离子水处理分别提高38.24%和49.21%。可见, 短期酸雨提高了土壤脲酶活性。

由图 1可见, 4种处理土壤过氧化氢酶活性变化基本同步。在去离子水条件下, 增温处理土壤过氧化氢酶活性均值比常温处理降低12.89%, 在酸雨条件下, 增温处理土壤过氧化氢酶活性均值比常温处理提高1.20%；而在常温和增温条件下, 酸雨处理土壤过氧化氢酶活性均值比去离子水处理分别提高69.98%和97.48%。可见, 短期酸雨提高了土壤过氧化氢酶活性。

通过双因素方差分析, 研究了增温、酸雨及其交互作用对整个培养期土壤酶活性平均值的影响。结果表明, 增温和酸雨对土壤转化酶、纤维素酶和过氧化氢酶活性的交互作用显著, 对淀粉酶、蛋白酶和脲酶活性的交互作用不显著(表 1)。温度对土壤转化酶、纤维素酶和蛋白酶活性具有显著影响, 对淀粉酶、脲酶和过氧化氢酶活性影响不显著。酸雨对转化酶、纤维素酶、淀粉酶、脲酶和过氧化氢酶活性影响显著, 对蛋白酶活性影响不显著。

2.2 土壤酶活性的温度敏感性Q₁₀

土壤酶活性温度敏感性指标(Q₁₀)见表 2。Q₁₀可以反映气候变暖与土壤酶活性指标之间的反馈关系, 酸雨条件下土壤酶Q₁₀则反映了酸雨对此反馈关系的影响, 因此, 计算Q₁₀对于研究酸雨和增温对土壤酶的复合影响具有重要意义。不同土壤酶种类, 不同处理、不同取样时间土壤酶Q₁₀的差异很大。在酸雨和去离子水处理下, 转化酶Q₁₀均较高, 各时段平均值分别为1.31和1.46, 可见转化酶对增温较为敏感。而淀粉酶Q₁₀均较低, 在酸雨和去离子水处理下各时段平均值分别为1.18和1.17。可见，淀粉酶活性对增温和酸雨的反应都不敏感。

酸雨使得土壤转化酶、纤维素酶、蛋白酶和脲酶Q₁₀分别降低10.27%、9.92%、7.25%和5.69%, 过氧化氢酶Q₁₀升高40.91%, 酸雨处理对淀粉酶Q₁₀影响不大, 升高0.85%。总体来看, 酸雨对土壤酶Q₁₀的影响类型可分为降低型(转化酶、纤维素酶、蛋白酶、脲酶)、上升型(过氧化氢酶)和基本稳定型(淀粉酶)。可见, 对于多数类型的土壤酶, 酸雨处理降低了土壤酶温度敏感性。

2.3 土壤酶综合活性评价

对不同处理的各种土壤酶活性求几何平均数, 作为土壤综合酶活性指标。T₂₅pH_5.0、T₂₅pH_6.7、T₃₀pH_5.0和T₃₀pH_6.7 4种处理土壤酶活性综合值由大到小依次为T₃₀pH_5.0(2.26)、T₂₅pH_5.0(2.13)、T₃₀pH_6.7(2.07)和T₂₅pH_6.7(1.96)。笔者试验中, 模拟酸雨和增温的交互作用显著提高了土壤酶综合活性, T₃₀pH_5.0处理土壤酶综合活性最高, 比T₂₅pH_6.7处理提高15.31%。

3 讨论 3.1 酸雨对土壤酶活性的影响及其机理

酸雨对土壤酶的影响比较复杂。模拟酸雨加入初期, 土壤转化酶、蛋白酶和过氧化氢酶活性都表现为激活效应, 之后逐渐转为抑制效应。这可能是因为酸雨加入初期, 模拟酸雨中的营养盐可为某些特定微生物提供丰富的基质, 从而对土壤酶具有激活效应^[21]。另外, 土壤微生物与土壤酶密切相关^[22-23], 酸雨也会影响土壤中的各种化学反应, 可能会使土壤中的养分离子释放出来^[24-26], 如张萍华^[24]发现短期内酸雨使得土壤碱解氮、有效钾、Ca²⁺和Mg²⁺含量升高, 从而为微生物活动提供充足的营养, 影响土壤微生物群落结构, 增加土壤酶活性。酸雨还可能引起土壤酶含量增加, 导致总土壤酶活性增加, 但较易失活^[27-29]。另外, 土壤在短期内对酸雨具有一定的缓冲能力, 在模拟酸雨加入初期, 对土壤的负面影响并未充分显现出来, 而随着酸雨加入量和时间的推移, 土壤酸化, 酸雨对土壤产生的负面影响逐步显现^[30-31]。梁国华等^[30]研究发现, 模拟酸雨对土壤酸化和土壤微生物活性的影响是一个逐渐累积的过程, 在酸雨积累到一定程度时, 超过微生物活动的阈值, 进而影响微生物的正常生命活动, 导致酶活性逐渐降低^[31]。这可以解释酸雨对转化酶、过氧化氢酶、蛋白酶活性的先激活后抑制过程。酸雨对纤维素酶、淀粉酶活性都表现为抑制效应, 可能是由于酸雨降低了与纤维素酶、淀粉酶活性密切相关的微生物数量。另外, 模拟酸雨降低土壤pH值, 可能破坏酶的空间结构, 从而降低土壤酶活性。

3.2 温度对土壤酶活性的影响及其机理

温度对土壤酶活性有直接作用, 是影响土壤酶活性的重要环境因子。一般而言, 在一定温度范围内土壤酶活性随着温度的升高而升高, 到达最适温度后土壤酶活性下降^{[13, 32]}。但是气候变暖带来的增温程度一般不会超过土壤酶的最适温度, 因此，增温往往能提高土壤酶活性。笔者研究中, 就去离子水处理而言, 除过氧化氢酶活性随温度上升而下降外, 转化酶、纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶、脲酶活性都随温度的上升而上升; 模拟酸雨处理的6种酶活性都随温度上升而上升。其他研究也有类似结论, 如冯瑞芳等^[6]研究表明, 增温显著增加土壤转化酶和脲酶活性。秦纪洪等^[11]研究表明土壤脲酶、过氧化物酶、多酚氧化酶、β-葡萄糖苷酶、转化酶和磷酸单酯酶活性都随温度上升而上升。原因可能是增温可以通过影响酶动力学性质来影响土壤酶活性, 还会通过影响土壤微生物生物量和群落结构组成等间接地影响土壤酶活性^[33]。另外, 土壤温度升高影响土壤中各种化学反应和土壤溶液离子组成, 土壤养分有效性的增加提高了土壤微生物量, 从而提高了土壤酶活性^[11]。当然, 土壤温度升高也可能不利于土壤酶活性。笔者研究中, 去离子水处理过氧化氢酶活性随温度上升而下降, 孙辉等^[34]研究也显示增温降低土壤过氧化氢酶活性, 这可能是因为土壤过氧化氢酶对低温环境较为适应, 温度增加反而不利于该酶活动。当然, 不同土壤酶种类对升温的响应不同, YERGEAU等^[35]发现, 脲酶活性在增温后显著升高, 过氧化氢酶对增温响应不明显。这是因为不同土壤酶来自不同的土壤微生物或动物群落, 而它们对温度的响应不同。笔者研究中不同类型土壤酶对温度的敏感性存在较大差异, 秦纪洪等^[11]研究也表明不同类型土壤酶对增温的响应不同, 温度敏感性差异很大。

土壤酶对温度变化的敏感性通常用Q₁₀表示, 这一指标反映了温度变化后酶活性的变化规律, 与土壤呼吸温度敏感性^[36-37]相比, 土壤酶温度敏感性对于了解未来气候变暖条件下土壤生态系统的变化规律具有特殊意义。笔者研究中, 就去离子水处理而言, 所测水稻土6种土壤酶的Q₁₀在0.88~1.46之间波动, 与秦纪洪等^[11]的研究结果接近, 而模拟酸雨处理下, 6种土壤酶的Q₁₀在1.16~1.31之间, 比去离子水处理的波动区间更小一些。酸雨对不同种类土壤酶敏感性的影响不同, 这可能是因为酸雨通过影响土壤pH值而造成土壤微生物群落结构的改变, 增温后酸雨对与某些特定酶相关的微生物影响不同, 因此，土壤酶温度敏感性的变化不同^[14]。

综合来看, 根据土壤酶活性综合评价, T₃₀pH_5.0处理土壤酶综合活性最高, 而T₂₅pH_6.7处理土壤酶综合活性最低。可见, 短期内增温与低浓度酸雨对土壤酶的影响方向一致, 表现为正效应。增温和模拟酸雨的交互作用显著提高了土壤酶综合活性, T₃₀pH_5.0处理土壤酶综合活性最高, 说明模拟增温和酸雨可能加速土壤生态系统物质循环。

双因素方差分析表明, 增温和酸雨对多种土壤酶活性的交互作用显著, 如果增温和酸雨对土壤酶的交互作用普遍存在的话, 那么气候变暖和酸雨就有可能对土壤生化过程产生更加深刻而复杂的影响。因此, 在将来气候变暖和酸雨频发的情况下, 土壤酶的变化趋势更加复杂和难以预料, 对土壤生态系统的影响也需要进一步研究。

4 结论

(1) 正常降水条件下, 与常温处理相比, 增温处理使得整个培养期土壤转化酶、纤维素酶、淀粉酶和蛋白酶活性均值分别升高13.37%、13.57%、6.14%和17.60%;土壤脲酶和过氧化氢酶活性均值分别降低3.25%和12.89%。常温条件下, 与去离子水处理相比, 酸雨处理土壤转化酶、蛋白酶、脲酶、过氧化氢酶活性均值分别提高22.91%、7.65%、38.24%和69.98%, 纤维素酶和淀粉酶活性均值分别降低35.73%和19.63%。

(2) 增温和酸雨的交互作用对土壤转化酶、纤维素酶和过氧化氢酶活性有显著影响, 而对淀粉酶、蛋白酶和脲酶活性无显著影响。

(3) 不同种类土壤酶Q₁₀差异很大, 转化酶对温度变化敏感, 淀粉酶则不敏感。酸雨降低了土壤转化酶、纤维素酶、蛋白酶和脲酶的Q₁₀, 升高了过氧化氢酶Q₁₀, 对淀粉酶Q₁₀的影响不大。

(4) 模拟增温和低浓度酸雨短期内均可提高土壤酶活性, T₃₀pH_5.0处理土壤酶综合活性最高。