Phản ứng của các enzyme phân giải đối với việc bón phân N trong quá trình phân hủy thảm thực vật ở một khu rừng cận nhiệt đới thông qua thí nghiệm vi sinh vật

Ecological Research - Tập 25 - Trang 1121-1128 - 2010
Congyan Wang1, Xiaoguang Feng1, Peng Guo1, Guomin Han1, Xingjun Tian1
1School of Life Science, Nanjing University, Nanjing, China

Tóm tắt

Với sự gia tăng không ngừng của hoạt động con người gây ra tốc độ nạp đạm nhân tạo tăng nhanh vào rừng, có sự quan tâm đáng kể đến việc hiểu tác động của việc nạp đạm đến quá trình phân hủy thảm thực vật. Hai loại thảm thực vật chủ yếu được chọn từ núi Zijin ở Trung Quốc: Quercus acutissima từ rừng lá rộng và Pinus massoniana từ rừng thông. Các mẫu thảm thực vật đã được ủ trong các hệ vi sinh vật và được xử lý với một gradient bón phân nitơ. Trong suốt 6 tháng ủ, đã xác định sự thay đổi trong thành phần hóa học (tức là, lignin, carbohydrate tổng, và nitơ), tổn thất khối lượng thảm thực vật, giá trị pH đất, và hoạt động của các enzyme phân giải. Kết quả cho thấy việc bón phân nitơ trung bình và cao đã thúc đẩy đáng kể tốc độ phân hủy thảm thực vật của lá, trong khi chỉ có việc bón phân nitơ cao đã thúc đẩy đáng kể tốc độ phân hủy thảm thực vật đối với kim. Kết quả cũng cho thấy cellulase và nitrate reductase chủ yếu chịu trách nhiệm cho sự phân hủy thảm thực vật trong rừng lá rộng, trong khi catalase, cellulase, và acid phosphatase chủ yếu chịu trách nhiệm cho sự phân hủy thảm thực vật trong rừng thông trong điều kiện không bón phân N; catalase, cellulase, và acid phosphatase chủ yếu chịu trách nhiệm cho sự phân hủy thảm thực vật trong rừng lá rộng, trong khi catalase, cellulase, invertase, và nitrate reductase chủ yếu chịu trách nhiệm cho sự phân hủy thảm thực vật trong rừng thông trong điều kiện có bón phân N. Sự phân hủy thảm thực vật được thúc đẩy bởi bón phân nitơ là do hoạt động của các enzyme, đặc biệt là cellulase, được tăng tốc.

Từ khóa

#bón phân nitơ #phân hủy thảm thực vật #enzyme phân giải #rừng cận nhiệt đới #thí nghiệm vi sinh vật

Tài liệu tham khảo

Ajwa HA, Dell CJ, Rice CW (1999) Changes in enzyme activities and microbial biomass of tall grass prairie soil as related to burning and nitrogen fertilization. Soil Biol Biochem 31:769–777 Allison SD, Czimczik CI, Treseder KK (2008) Microbial activity and soil respiration under nitrogen addition in Alaskan boreal forest. Global Change Biol 14:1156–1168 Antonious GF (2009) Enzyme activities and heavy metals concentration in soil amended with sewage sludge. J Environ Sci Health A 44:1019–1024 Bączek-Kwinta R, Kościelniak J (2009) The mitigating role of environmental factors in seedling injury and chill-dependent depression of catalase activity in maize leaves. Biol Plantarum 53:278–284 Bragazza L, Freeman C, Jones T, Rydin H, Limpens J, Fenner N, Ellis T, Gerdol R, Hájek M, Hájek T, Iacumin P, Kutnar L, Tahvanainen T, Toberman H (2006) Atmospheric nitrogen deposition promotes carbon loss from peat bogs. Proc Natl Acad Sci USA 103:19386–19389 Bremner JM (1996) Nitrogen-total. In: Sparks DL (ed) Methods of soil analysis. Part 3. Chemical methods. SSSA-ASA, Madison, pp 1085–1121 Carreiro MM, Sinsabaugh RL, Repert DA, Parkhurst DF (2000) Microbial enzyme shifts explain litter decay responses to simulated nitrogen deposition. Ecology 81:2359–2365 Daniel RM, Curran MP (1981) A method for the determination of nitrate reductase. J Biochem Biophys Methods 4:131–132 DeForest JL, Zak DR, Pregitzer KS, Burton AJ (2004) Atmospheric nitrate deposition, microbial community composition, and enzyme activity in northern hardwood forests. Soil Sci Soc Am J 68:132–138 Dick WA, Cheng L, Wang P (2000) Soil acid and alkaline phosphatase activity as pH adjustment indicators. Soil Biol Biochem 32:1915–1919 Gallo M, Amonette R, Lauber C, Sinsabaugh RL, Zak DR (2004) Microbial community structure and oxidative enzyme activity in nitrogen-amended north temperate forest soils. Microb Ecol 8:218–229 Galloway J, Cowling E (2002) Reactive nitrogen and the world: 200 years of change. Ambio 31:64–71 Ghose TK (1987) Measurement of cellulase activities. Pure Appl Chem 59:257–268 Guan SY (1986) Soil enzyme and its research methods (in Chinese). Agricultural Press, Beijing Haynes RJ, Mokolobate MS (2001) Amelioration of Al toxicity and P deficiency in acid soil by additions of organic residues: a critical review of the phenomenon and the mechanisms involved. Nutr Cycl Agroecosys 59:47–63 Hobbie SE (1996) Temperature and plant species control over litter decomposition in Alaskan Tundra. Ecol Monogr 66:503–522 Hobbie SE (2000) Interactions between litter lignin and soil nitrogen availability during leaf litter decomposition in a Hawaiian montane forest. Ecosystems 3:484–494 Hobbie SH, Vitousek PM (2000) Nutrient limitation of decomposition in Hawaiian forests. Ecology 81:1867–1877 Hoyt PB, Turner RC (1975) Effects of organic materials added to very acid soils on pH, aluminum, exchangeable NH4, and crop yields. Soil Sci 119:227–237 Jenkinson DS, Adams DE, Wild A (1991) Model estimates of CO2 emissions from soil in response to global warming. Nature 351:304–306 Johnson DW, Cheng W, Ball JT (2000) Effects of CO2 and N fertilization on decomposition and N immobilization in ponderosa pine litter. Plant Soil 224:115–122 Kandeler E, Tscherko D, Spiegel H (1999) Long-term monitoring of microbial biomass, N mineralisation and enzyme activities of a Chernozem under different tillage management. Biol Fert Soils 28:343–351 Keller JK, Bridgham SD, Chapin CT, Iversen CM (2005) Limited effects of six years of fertilization on carbon mineralization dynamics in a Minnesota fen. Soil Biol Biochem 37:1197–1204 Kuperman RG (1999) Litter decomposition and nutrient dynamics in oak-hickory forests along a historic gradient of nitrogen and sulfur deposition. Soil Biol Biochem 31:237–244 Lovett GM (1994) Atmospheric deposition of nutrient and pollutants in North America: an ecological perspective. Ecol Appl 4:629–650 Magill AH, Aber JD (1998) Long-term effects of experimental nitrogen additions on foliar litter decay and humus formation in forest ecosystems. Plant Soil 203:301–311 Micks P, Downs MR, Magill AH, Nadelhoffer KJ, Aber JD (2004) Decomposition litter as a sink for 15 N-enriched additions to an oak forest and a red pine plantation. For Ecol Manage 196:71–87 Moorhead DL, Sinsabaugh RL (2000) Simulated patterns of litter decay predict patterns of extracellular enzyme activities. Appl Soil Ecol 14:71–79 Moran KK, Six J, Horwath WR, van Kessel C (2005) Role of mineral-nitrogen in residue decomposition and stable soil organic matter formation. Soil Sci Soc Am J 69:1730–1736 Naeem S, Hahn DR, Schuurman G (2000) Producer decomposer co-dependency influences biodiversity effects. Nature 403:762–764 Nannipieri P, Ceccanti B, Cervelli S, Matarese E (1980) Extraction of phosphatase, urease, proteases, organic-carbon, and nitrogen from soil. Soil Sci Soc Am J 44:1011–1016 Ohshima T, Tamura T, Sato M (2007) Influence of pulsed electric field on various enzyme activities. J Electrostat 65:156–161 Olson JS (1963) Energy storage and the balance of producers and decomposers in ecological systems. Ecology 44:322–331 Osono T, Takeda H (2002) Comparison of litter decomposing ability among diverse fungi in a cool temperate deciduous forest in Japan. Mycologia 94:421–427 Perucci P, Casucci C, Dumontet S (2000) An improved method to evaluate the o-diphenol oxidase activity of soil. Soil Biol Biochem 32:1927–1933 Romani AM, Fischer H, Mille-Lindblom C, Tranvik LJ (2006) Interactions of bacteria and fungi on decomposing litter: differential extracellular enzyme activities. Ecology 87:2559–2569 Rudd JWM, Kelly CA, Schindler DW, Turner MA (1988) Disruption of the nitrogen cycle in acidified lakes. Science 240:1515–1517 Saiya-Cork KR, Sinsabaugh RL, Zak DR (2002) The effects of long term nitrogen deposition on extracellular enzyme activity in an Acer saccharum forest soil. Soil Biol Biochem 34:1309–1315 Sinsabaugh RL, Carreiro MM, Repert DA (2002) Allocation of extracellular enzymatic activity in relation to litter composition, N deposition, and mass loss. Biogeochemistry 60:1–24 Sinsabaugh RL, Gallo ME, Lauber C, Waldrop M, Zak DR (2005) Extracellular enzyme activities and soil carbon dynamics for northern hardwood forests receiving simulated nitrogen deposition. Biogeochemistry 75:201–215 Tietema A (1998) Microbial carbon and nitrogen dynamics in coniferous forest floor material collected along a European nitrogen deposition gradient. For Ecol Manage 101:29–36 Trenberth KE (1999) Conceptual framework for changes of extremes of the hydrological cycle with climate change. Clim Change 42:327–339 van Antwerpen R, Meyer JH (1999) Soil degradation II. Effect of trash and inorganic fertilizer application on soil strength. Proc S Afr Sug Technol Assoc 73:14–20 Waldrop MP, Zak DR, Sinsabaugh RL (2004) Microbial community response to nitrogen deposition in northern forest ecosystems. Soil Biol Biochem 36:1443–1451 Wang TJ, Jiang F, Li S, Liu Q (2007) Trends in air pollution during 1996–2003 and cross-border transport in city clusters over the Yangtze River Delta region of China. Terr Atmos Ocean Sci 18:995–1009