若爾蓋地區沙化草地土壤酶協同和抑制效應

王 毅，劉碧穎，劉 苗，孫 建，曾 濤

（1.成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059；2.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101）

若爾蓋地區地處青藏高原的東部邊緣，包括四川省的若爾蓋縣、紅原縣、阿壩縣和甘肅省的瑪曲縣，是長江、黃河流域重要的水源涵養調節地及我國生物多樣性保護的熱點區域之一[1-4]。近年來，在不合理人類活動和自然因素的共同作用下，若爾蓋地區高寒草甸生態系統遭到嚴重破壞，出現了不同程度的沙化現象[5]。草地沙化的加劇和草地面積的減少影響了其重要的生態調節功能，降低了草地生產力，阻礙了當地經濟的發展[6]。

土壤是植物、微生物和土壤動物等生命活動的主要場所，其質量的好壞對構建穩定的生態系統具有重要的作用[7-8]。土壤理化性質直接或間接關系到植物根系吸收礦質營養成分，對植物生長產生重要影響[9-10]，且一直以來都是土壤、環境和生態科學領域所關注的焦點和熱點[11-13]。土壤酶是土壤系統中最活躍的組分之一，通過土壤微生物及植物根系的釋放進入土壤，參與土壤重要生物化學反應和物質循環過程[14-16]。

高寒草甸地下部分已成為影響草地生態系統其結構、功能和規律中最不確定的因素[17-18]。針對沙化草地土壤理化性質和酶活性的研究發現，隨著退化程度的加劇，多種土壤理化性質和酶活性均值表現為遞減[19]，而且在一定的環境下，碳、氮營養元素的添加，會增加土壤酶的活性[20-22]；土壤胞外酶之間存在顯著相關性[9]，可以比土壤特性提前1～2年對環境脅迫做出響應[18]。但是，這些研究多為不同區域位置下的沙化階段對比研究，不能很好地反映相關因子動態變化特征。因此，本研究在同一草地進行9個沙化梯度的區分，以期更加準確地反映土壤理化性質和酶活性動態過程。而且，一些研究指出，土壤酶活性與土壤肥力、土壤微生物和植物群落間存在相互協同、相互促進的現象[23-24]；土壤酶活性間、土壤酶活性與土壤因子間的相互作用機制共同影響土壤物質的轉化過程[25]?；谝陨咸岢黾僭O：不同的沙化梯度草地土壤酶之間可能存在協同或抑制效應，并對草地沙化做出響應。本研究分析若爾蓋地區沙化草地土壤理化性質和酶活性，以期能為探索不同區域草地沙化土壤酶活性機理和草地生態系統保護提供科學依據和重要的參考價值。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于青藏高原東部的若爾蓋地區，四川省阿壩州紅原縣瓦切鄉 (圖1)，地理坐標為102°37′40″ E，33°07′35″ N，平均海拔在 3 600 m以上。年平均氣溫1.1 ℃，極端最低氣溫-36.2 ℃；年降水量為753 mm，主要集中在5-10月。氣候類型屬于大陸性高原寒溫帶季風氣候，年均日照時數 2 400 h，年均積雪 90 d 左右，無絕對無霜期。土壤類型以亞高山草甸土為主，有部分沼澤土及沼澤化草甸土。近年來，該地區草地沙化面積大幅度擴大，沙化程度不斷加劇，正沿著“草甸-退化草甸-沙化草地-沙化”這條生態惡化的道路越演越烈。植物群落中主要優勢物種有紫羊茅(Festuca rubra)、老芒麥 (Elymus sibiricus)、四川嵩草 (Kobresia setchwanensis)、垂穗披堿草 (E.nutans)、早熟禾 (Poa annua) 等。

圖1 研究區位置及采樣示意圖Figure 1 Location of the study area and sampling transect

1.2 樣地設置

2017年8 月，在樣地內，以植被覆蓋度為沙化梯度劃分標準，分9個沙化梯度(S1～S9)進行取樣，其中S1沙化最輕，植被覆蓋度為80%～100%，從S1至S9，每個梯度植被覆蓋度減少10%，直至S9沙化最嚴重(0～10%)(圖1b )，每個沙化梯度隨機選取 3 組 50 cm × 50 cm 小樣方，共計 27 個樣方。分種調查植物的高度、蓋度和豐富度；現場使用pH測定儀測定土壤溫度、含水量和pH，使用土壤緊實度儀測定緊實度，以上測定均取3次重復。用直徑4 cm的土鉆在各個小樣方內采集3鉆土壤樣品，每鉆采集0-10、10-20和20-30 cm的土層，用于測定土壤理化性質和土壤酶活性等，其中土壤理化性質測定3層土樣，土壤酶活性僅測定0-10 cm土樣。用200 cm3的環刀在小樣方內分3次采集土壤樣品，每次分別采集0-10、10-20和20-30 cm的土層，用于測定土壤容重。以上樣品采集后，均嚴格按照標準處理方式保存并帶回實驗室進行測定。

1.3 測定指標與方法

土壤容重采用環刀法測定；土壤理化性質測定了有機碳、全碳、速效氮、全氮、速效磷和全磷6項指標，分別采用重鉻酸鉀氧化法、高溫灼燒法、堿解蒸餾法、凱氏蒸餾法、磷鉬藍比色法和硫酸-高氯酸消煮法[26]測定。8種土壤酶活性均采用微量法對樣本進行預處理，使用的儀器為可見分光光度計/酶標儀 (Thermo, Multiskan Go 1510)[27]。亮氨酸氨基肽酶 (soil-leucine aminopeptidase, S-LAP)活性測定采用L-亮氨酸對硝基苯胺鹽酸鹽法；脲酶(soil-urease, S-UE)的性測定采用靛酚藍比色法；堿 性 磷 酸 酶 (soil alkaline phosphatase, S-ALP)活性測定采用磷酸苯二鈉法；木質素過氧化物酶(soil lignin peroxidase, S-Lip)活性測定采用黎蘆醇氧化速率法；多酚氧化酶 (soil-Polyphenol oxidase,S-PPO)和過氧化物酶 (soil-peroxidase, S-POD)活性測定采用采用鄰苯三酚比色法；β-葡萄糖苷酶(soil-β-glucosidase, S-β-GC)和 N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶 (soil-N-acetyl-β-D-glucosidase, S-NAG)活 性 測 定采用可見分光廣度法。

1.4 數據統計分析方法

采用Excel 2016進行數據統計和比較。采用SPSS (IBM SPSS Statistics 24) 對數據進行分析，其中，對土壤理化性質和酶活性進行Pearson相關性分析，對不同沙化梯度下土壤酶活性的差異顯著性采用One-Way ANOVA分析。采用ArcGIS(ESR 10.2)繪制研究區示意圖，采用SigmaPlot (14.0)進行動態圖和相關性圖的繪制。

2 結果與分析

2.1 土壤酶活性動態特征

在不同沙化梯度下，土壤亮氨酸氨基肽酶活 性 [(15.8～ 33.4 μmol·(d·g)-1]、 多 酚 氧 化 酶 活性[(36.8～40.9 μmol·(d·g)-1]和過氧化物酶活性 [56.7～73.1 μmol·(d·g)-1]在一定的范圍內波動 ，沒有表現出明顯變化趨勢(圖2a、e、f)。土壤堿性磷酸酶活性在S1～S7隨沙化梯度的增加而增加，變化范圍為 2.4～8.8 μmol·(d·g)-1，在 S8降低至 7.5 μmol·(d·g)-1(圖2c)。土壤脲酶活性在S1～S7的變化不明顯，變化范圍為 675～774 μmol·(d·g)-1，在 S8呈降低趨勢，為 567 μmol·(d·g)-1(圖 2b)。土壤木質素過氧化物酶活性除在 S6和 S7[2 960 μmol·(d·g)-1]異常外，隨沙化梯度的增加而遞減，變化范圍為5 505～1 355 μmol·(d·g)-1(圖 2d)； 土 壤 β-葡 萄 糖 苷酶[(92.3～14.4 μmol·(d·g)-1]和 N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性 [(39.4～15.9 μmol·(d·g)-1]隨著隨沙化梯度的增加而遞減，且土壤β-葡萄糖苷酶在S1和S4以及S1和 S9呈顯著差異 (P＜0.05)(圖 2g和 h)。

圖2 不同沙化梯度草地土壤酶活性變化Figure 2 Changes of soil enzymes along a desertification gradient

2.2 土壤理化性質動態特征

總體而言，除極少數梯度出現異常外，在土壤各層，其含水量、緊實度、有機碳、全碳、速效氮、全氮、速效磷和全磷都隨著沙化梯度的增加而遞減。以表層土壤(0 -10 cm)為例，土壤含水量20.7%～5.3%、緊實度 47.3～17.6 Pa、有機碳 22.7～3.4 g·kg-1、全碳 2.4%～0.3%、速效氮 414.2～39.7 mg·kg-1、全氮 0.24%～0.05%、速效磷 16.0～7.7 mg·kg-1和全磷0.5～0.4 g·kg-1(圖 3a、c、f、g、h、i、j和 k)。其中，在S1～S6，0-10 cm土層含水量明顯高于其他土層，在S7～S9各層土壤含水量差別變小(圖3a)；S2土壤緊實度高于其他梯度，隨后逐漸遞減，0-10 cm土層土壤緊實度明顯高于其他土層，除S1外，其他各梯度均表現為20-30 cm土層緊實度高于10-20 cm土層(圖3c)；除S3出現異常外，土壤有機碳、全碳、速效氮、全氮、速效磷和全磷表現的特點為0-10 cm土層明顯高于其他兩層，且10-20和20-30 cm 土層間無明顯差異 (圖 3f、g、h、i、j和 k)。土壤溫度隨沙化梯度的變化并不明顯，只是在一定的范圍內波動(如表層土壤溫度為19.9～22.1 ℃)，但是各土層溫度差異明顯(圖3b)；除S6和S9異常外，在土壤容重隨著沙化梯度的增加而增加(如表層土壤容重為1.1～1.4 g·cm-3)，且容重大小表現為0-10 cm低于另外兩層(圖3d)；除S7土壤pH呈現數值偏低的異常外，pH隨著沙化梯度的增加而增加(如表層土壤pH為4.9～6.9)，且pH在各土層之間的區別不明顯(圖3e)。

2.3 土壤理化性質和酶關系

總體而言，在不同沙化梯度下，土壤理化性質與脲酶、堿性磷酸酶、木質素過氧化物酶、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶具有一定的相關性，與其他3種酶不相關(表1)。土壤含水量與堿性磷酸酶極顯著負相關 (P＜0.01)，與木質素酶、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶極顯著正相關 (P＜0.01)；土壤容重與堿性磷酸酶極顯著正相關(P＜0.01)，與木質素酶和β-葡萄糖苷酶極顯著負相關 (P＜0.01)，與 N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶顯著負相關(P＜0.05)；土壤pH與堿性磷酸酶極顯著正相關(P＜0.01)，與木質素酶、β-葡萄糖苷酶和 N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶均極顯著負相關 (P＜0.01)。土壤6種營養元素與木質素過氧化物酶和β-葡萄糖苷酶相關性一致，均極顯著正相關 (P＜0.01)，除速效磷外，其他5種營養元素與酶的相關性較強；除土壤速效氮和速效磷外，其他4種營養元素均與脲酶顯著正相關(P＜0.05)；土壤速效磷和全磷與堿性磷酸酶無相關性。

2.4 土壤酶之間關系

土壤堿性磷酸酶與木質素過氧化物酶(R2=0.27，P＜0.01)和 β-葡萄糖苷酶 (R2=0.17，P＜0.05)均呈顯著線性負相關關系 (圖4a和b)。土壤木質素過氧化物酶與β-葡萄糖苷酶(R2=0.59，P＜0.01)和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶(R2=0.26，P＜0.01)均呈顯著線性正相關(圖 4c和 d)。

3 討論

3.1 不同沙化梯度草地對土壤酶活性影響

土壤酶是土壤系統的物質循環與能量轉換的參與者，被認為是評價土壤質量的重要指標[17-18, 28-29]。土壤亮氨酸氨基肽酶可以水解蛋白質，可以從肽鏈的末端水解形成氨基酸和其他疏水氨基酸[30]；多酚氧化酶、木質素過氧化物酶和過氧化物酶均為氧化還原酶，它們參與芳香族化合物的氧化以及木質素的分解，對土壤碳積累有重要影響[31]；土壤堿性磷酸酶促進有機磷化合物的分解，可將磷酸酯類水解成磷酸及其他產物[31]；土壤脲酶直接參與土壤含氮有機化合物的轉化，分解尿素生成CO2和水；β-葡萄糖苷酶與有機碳的轉化有關，水解纖維二糖和其他水溶性的纖維糊精產生形成葡萄糖；N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶與有機碳和氮的轉化密切相關[32]。楊英等[29]和尹亞麗等[17]針對不同草地類型研究發現，土壤亮氨酸氨基肽酶、多酚氧化酶和過氧化物酶活性對不同退化階段的草地有一定的響應，而本研究中這3種酶無明顯特征(圖2a、e和f)，出現這樣截然相反的結果，可能是因為本研究取樣為同一草地環境，其土壤性質差異不大。西藏不同退化階段高寒草地研究發現，土壤堿性磷酸酶活性呈現先增加后降低的特點[23]，其結果與本研究一致(圖2c)。脲酶在土壤氮素循環中具有重要的水解作用，本研究中，土壤脲酶活性隨沙化梯度的增加而降低，特別在S7～S9梯度明顯 (圖2b)，表現出隨土壤環境變化的高度敏感性[33-34]。此外，土壤β-葡萄糖苷酶和土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性隨著隨沙化梯度的增加而遞減，且β-葡萄糖苷酶對沙化梯度的響應更加明顯(圖2g和h)，這一結果與吳秀芝等[9]的研究一致。

圖3 不同沙化梯度草地土壤理化性質變化Figure 3 Changes of soil physical and chemical properties along a desertification gradient

表1 不同沙化梯度草地土 壤理化性質和酶相關性Table 1 Correlation among soil physical and chemical properties and enzymes along a desertification gradient

圖4 土壤酶活性之間的關系Figure 4 Relationship between soil enzymes

3.2 不同沙化梯度草地對土壤理化性質的影響

土壤含水量、pH和容重是反映土壤質量的重要物質性參數[35-37]。本研究中，土壤含水量逐漸降低，且到S7后趨于緩和(圖3a)，同時，土壤容重呈增長趨勢，且至S7后有緩慢降低(圖3d)，可能是由于在S7后，草地徹底沙化，土壤性質趨于穩定[37]。樣地為酸性土壤，pH ＜ 7，但是仍然呈現出隨著沙化梯度的增加而增加的趨勢(圖3e)，這一趨勢無論在草地或者濕地，酸性土壤還是堿性土壤都能得到體現，而且酸性土壤中的表現更加強烈[23, 38]，且在pH到一定程度后(S6)變化開始減弱(圖3e)，符合這一特點。在土壤各層，其養分(有機碳、全碳、速效氮、全氮、速效磷和全磷)隨著沙化程度的增加而遞減[39-41]，且表層大于底層 (圖 3f、g、h、i、j 和 k)，主要是因為草地植物根系主要分布在表層土，枯落物和根系對草地土壤養分的貢獻主要集中在表層土[41]。

3.3 土壤理化性質及酶的關系

有研究指出，在祁連山等地退化草地土壤含水量和多種酶正相關，可能是由于水分在影響土壤酶活性方面具有主效應，適宜的水分含量會使微生物之間正常競爭，酶活性達到最高[34]。本研究樣地為沙化缺水草地，適當的水分能夠促進土壤酶活性的提高，從而表現出水分含量的增加促進土壤酶活性增加的正向生態效應[42]。土壤容重是表征土壤松緊程度的一個重要指標，本研究土壤容重與木質素過氧化物酶、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶表現的相關性與前人的研究[43-45]有很多一致性，可能是由于隨著沙化程度的加深，土壤容重變大，水熱和通氣條件等因素限制了土壤生物的代謝產酶能力，從而使土壤酶活性降低[42]。一些研究指出，土壤pH與脲酶顯著正相關，與過氧化物酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶無相關性[33, 46]。本研究中，土壤pH與堿性磷酸酶、木質素過氧化物酶、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶表現的相關性說明土壤pH的增加促進堿性磷酸酶而抑制了其他酶的活性。而土壤堿性磷酸酶與木質素過氧化物酶和β-葡萄糖苷酶的負相關性(圖4a和b)一定程度上說明，在不同的沙化梯度下，土壤堿性磷酸酶與木質素過氧化物酶和β-葡萄糖苷酶存在一定的抑制效應。一方面，可能是由于樣地具有較高的土壤木質素過氧化物酶 [5 505 μmol·(d·g)-1]和 β-葡萄糖苷酶活性 [92.3 μmol·(d·g)-1]，能夠加快土壤碳氮循環，提高其利用效率，而土壤堿性磷酸酶的活性較低 [＜10 μmol·(d·g)-1]，植物受碳氮限制，會間接降低磷循環速率，進而抑制土壤堿性磷酸酶的活性[45-48]；另一方面，隨著沙化梯度的增加，土壤pH隨之增加，從而促進堿性磷酸酶的水解，同時，pH的增加會使碳氮等多種營養元素降低，對土壤營養元素的循環和轉化產生消極影響，進而間接抑制木質素過氧化物酶和β-葡萄糖苷酶活性[47-48]。

此外，土壤速效氮與木質素過氧化物酶、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶的相關性表明，這3類土壤酶活性能很好地反映土壤氮素狀況，促進土壤中氮素的釋放，而過高的氮循環會對堿性磷酸酶的活性產生抑制作用，從而表現出土壤速效氮與堿性磷酸酶的負相關性，這與吳秀芝等[9]基于荒漠草地沙化關于速效氮與酶的關系一致。本研究發現，在若爾蓋地區樣地土壤有機碳、全磷和全氮與脲酶均呈顯著正相關關系(P＜0.05)；在三江源區高寒退化草地沒有發現脲酶與這3種土壤養分的相關性[49]；在黃河三角洲退化濕地，脲酶與全氮、速效氮顯著正相關，與速效磷顯著負相關，與全磷無相關性，脲酶活性與土壤理化性質可能因為退化環境不同呈現一定的差異[38]。目前，關于沙化草地土壤木質素過氧化物酶的研究不多，但是本研究發現，土壤木質素過氧化物酶與β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶均呈顯著線性正相關關系(P＜0.01)(圖4c和d)，而且這 3 類酶活性和土壤營養元素的相關性基本一致(表1)，它們之間存在一定的協同作用對草地沙化做出響應。即隨著沙化程度的加深，土壤氧化過程占主導地位，但是沒有過多的枯落物可供木質素過氧化物酶催化降解，其活性受到抑制，植物歸還到土壤中的物質較少，代謝速率較慢，土壤β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶等酶活性降低，表現為協同作用[25]，符合前文關于不同草地沙化梯度下土壤酶之間的協同或抑制效應假設。

4 結論

若爾蓋地區高寒草甸土壤理化性質和酶活性，隨著沙化程度的變化產生一定的規律特征。除了溫度變化不明顯外，土壤含水量、緊實度、容重、pH以及土壤養分都有不同程度的響應。土壤堿性磷酸酶、脲酶、木質素過氧化物酶、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性隨沙化梯度的變化表現出不同的變化趨勢，特別是土壤β-葡萄糖苷酶具有顯著差異。同時，土壤理化性質與這5種酶具有一定的相關性，與土壤亮氨酸氨基肽酶、多酚氧化酶和過氧化物酶不相關。本研究結果發現草地沙化過程中的不同土壤酶活性之間存在協同和抑制效應，能夠為沙化草地土壤酶活性機理和草地生態系統質量評定，以及草地生態系統結構的穩定研究提出理論參考。