全球大气N沉降的持续增加对陆地生态系统产生显著影响。但关于全球N沉降引起的土壤有效N升高将如何影响土壤酶活性和微生物特征目前尚不清楚。本研究以土壤学、土壤微生物学、植物生理学和植物生态学等有关学科理论为指导,以盆栽实验为基础,通过梯度N添加(0、2.8、5.6、11.2、22.4和44.8g N m-2.yr-1)实验,研究N添加对油松(Pinus tabuliformis)幼苗土壤酶活性(蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶)、微生物量碳、微生物量氮和微生物群落组成的影响,对比分析了根际和非根际土壤理化特征、土壤酶活性和微生物特征对N添加响应的差别与联系,从土壤-植物-微生物系统角度初步探索了N添加影响土壤酶活性和微生物特征的机理。主要结论如下:(1)不同N添加水平对油松幼苗个体生物量的影响不同。总体上,随着N添加水平的增加,油松幼苗个体生物量、地上生物量和根系生物量呈先增加后降低的趋势,且均在5.6 g N m-2.yr-1处理达到最高。油松地上生物量随着N添加水平的增加先增加,并在5.6 g N m-2.yr-1处理达到最高,而后下降;根系生物量仅在5.6 g N m-2.yr-1处理时呈显著性增加,其它处理间无显著性变化;N添加为2.8-11.2 g N m-2.yr-1时提高了油松幼苗总生物量,而在22.4和44.8 g N m-2.yr-1水平降低了油松幼苗总生物量。(2)不同N添加水平对油松幼苗根际不同土壤酶活性和微生物特征的影响不同。总体上低N提高了蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶的活性,但高N表现为抑制。如脲酶活性仅在2.8 g N m-2.yr-1时无显著差异,其它N处理均显著增加;蔗糖酶和碱性磷酸酶活性随N添加水平增加呈单峰变化趋势,分别在11.2 g N m-2.yr-1和5.6 g N m-2.yr-1达到最大;低N添加(2.8-5.6 g N m-2.yr-1)对微生物量碳、氮无显著影响,在11.2--22.4g N m-2.yr-1水平显著增加了二者含量,而在44.8 g N m-2.yr-1水平开始产生抑制;随着N添加水平增加,对细菌和G-PLFAs无显著影响,但对真菌、放线菌和G+PLFAs表现为先增加后降低,并且明显改变细菌的群落组成;N添加在5.6-11.2 g N m-2.yr-1时显著提高土壤微生物总PLFAs、shannon多样性指数和McIntosh均匀度指数,更高的N添加处理又有降低上述指数的趋势;相关分析表明,仅脲酶活性与全氮呈极显著相关(P<0.01),三种酶活性与有机碳均无显著相关关系,但均与pH值呈显著相关性;RDA分析表明,蔗糖酶、脲酶活性和微生物量碳、氮对微生物各菌群呈显著正相关,铵态氮和pH对其有抑制作用。(3)N添加对油松幼苗非根际不同土壤酶活性和微生物特征的影响显著不同。适度N添加(<11.2g N m-2.yr-1)提高了非根际土壤蔗糖酶和脲酶活性,但过量N添加,尤其达到22.4g N m-2.yr-1时,三种酶活性不再提高,甚至表现为抑制作用;N添加为5.6g N m-2.yr-1,微生物量碳显著增加,微生物量氮无显著性变化,而当N添加达到11.2g N m-2.yr-1时,微生物量氮呈显著增加的趋势;相关分析表明,蔗糖酶和脲酶活性、微生物量碳和微生物量氮间均有显著相关关系,而其它指标间均无显著相关性;有机碳、全氮含量是影响土壤酶活性和微生物量的主要因素。(4)N添加对油松幼苗根际和非根际土壤微生物性质的影响存在显著差异。5.6 g N m-2.yr-1处理下根际土壤有机碳、全氮富集率最大,分别为97.73%和41.47%,根际土壤pH值显著低于非根际土壤;除脲酶活性在低N添加表现为根际低于非根际土壤外,其它N处理以及蔗糖酶和碱性磷酸酶活性均表现为根际土壤高于非根际土壤,在5.6-11.2g N m-2.yr-1处理时,蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶的富集率达到最大,分别为71.1%、50%和97.6%;根际和非根际土壤土壤中微生物量碳没有明显的变化规律,微生物量氮表现为根际大于非根际。微生物量碳、氮分别在22.4 g N m-2.yr-、11.2 g N m-2.yr-处理达到最大值,分别为26.9%和75.7%。总之,油松在N添加水平为5.6-11.2g N m-2.yr-1时生长量达到最大,根际和非根际土壤酶活性、微生物量碳和微生物量氮、根际微生物各菌群PLFAs均为最佳水平。黄土高原地区目前N沉降水平(2.06 g N m-2.yr-1)有利于该区油松林生长、土壤酶活性提高和微生物量的增加,并可以通过适度施N肥的方法提高该区油松生长、增加根际和非根际土壤酶活性和调节土壤微生物群落结构组成,从而提高油松林管理。
