喀斯特關鍵帶不同干擾梯度下土壤-巖石界面對土壤有機質水解酶活性的影響

王思琦,薛亞芳,王 穎,楊麗揚,張永清,田 靜

1 山西師范大學地理科學學院,臨汾 041000 2 中國科學院地理科學與資源研究所,生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室,北京 100101 3 中國農業大學資源與環境學院,國家農業綠色發展研究院,教育部植物-土壤重點實驗室,北京 100193

土壤水解酶主要是由微生物、植物根系分泌的具有高度催化作用的蛋白質,在促進土壤有機質(SOM)分解和腐殖質的合成、生態系統的物質循環和能量流動中發揮著重要的作用[1- 3]。土壤酶活性對環境的變化比土壤理化指標具有更高的敏感性,能較早地指示生態環境的變化[4- 6]；其次土壤酶活性可代表土壤中物質代謝的旺盛程度,反映微生物對養分的吸收利用狀況,不僅能表征土壤養分轉化能力,而且能反映生態系統的功能[7]。因此深入了解水解酶活性的變化規律可以提供有關參與SOM分解和土壤養分轉化的關鍵反應的信息,進而了解土壤物質循環與轉化潛力[2],為區域土壤質量演化及其評價提供重要理論依據[8]。

土地利用方式的改變是人類影響酶活性最重要、最直接的活動[9]。土地利用方式可以通過改變植被覆蓋[10-12]、土壤養分含量[13-14]、水熱條件[15]以及化學性質[16-17]進而影響土壤酶活性高低。我國的喀斯特地形分布廣泛,其特點主要表現為地表植被稀少、巖石出露面積廣、耕地土層淺薄并且不連續、營養貧乏、微地貌復雜多樣等特征[10,18]。由于喀斯特地區特殊的形成基質[19]和生態環境條件,使得喀斯特地區土壤具有高度的空間異質性。土壤水解酶活性作為生態系統結構與功能的重要因子,對喀斯特生態系統的穩定性起著重要作用。近年來,不同學者對喀斯特地區不同土地利用下酶活性變化進行研究。例如劉璐等[20]對典型喀斯特區域的農田、草地、灌叢、次生林4種不同植被恢復階段下的土壤進行研究,發現隨著植被恢復土壤水解酶活性不斷增加,這可能是由于喀斯特地區土壤有機碳(SOC)極高的穩定性導致微生物趨向于利用活性有機碳庫。劉爍等[21]通過研究喀斯特小流域土壤水解酶活性的空間異質性特征,分析土地利用類型、坡向、坡位和土壤環境因子等對土壤水解酶活性及其空間異質性格局的影響,結果表明,研究區內的土壤水解酶活性均呈現中等程度的變異性,但土壤養分在不同坡位之間沒有顯著差異,導致土壤酶活性在不同坡向之間的差異不顯著。蒲通達等[18]通過對喀斯特山區森林生態系統中不同微地形(石坑、石溝、石縫)和連片土面下土壤進行調查,探討不同小生境條件下土壤SOM及酶活性的變化,結果表明受小生境地表微形態和微地貌空間變異的影響,小生境的成土條件和成土過程出現明顯的差異,造成土壤養分及酶活性也出現較大的差別。

裸露巖石能夠聚集土壤中的SOC和營養物質,其在維持土壤肥力、生態系統的可持續性和附近土壤的生物多樣性方面的作用已經在沙漠的鵝卵石[22-23]、熱帶草原生態系統的沼澤[24]和原始冰川前田遺址的巖石中[25]被關注到。隨著土地利用加劇,喀斯特地區大量巖石露出地表,裸露的巖石通過影響對地表光、水等資源的再分配,進而影響區域的小氣候和植被的生長,致使巖石與淺薄土層相互鑲嵌,導致喀斯特生境高度異質性和土壤生態功能顯著差異[26]。但是目前巖溶地區巖石露頭的生態功能還沒有引起足夠的重視,很少研究考慮喀斯特地區不同干擾梯度下巖石出露(如土壤-巖石界面)對土壤酶活性異質性分布的影響。因此本文以貴州省普定縣陳旗和天龍山流域為研究區域,探究不同干擾梯度下巖石-土壤界面對參與土壤C和N周轉的水解酶活性的影響,同時探討了土壤水解酶活性與環境因子之間的關系,研究可為喀斯特地區環境退化和土壤石漠化提供預警,同時為土地資源保護、生態環境恢復和可持續管理提供重要的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州省安順市普定縣的陳旗流域(26°15′37″—26°15′40″ N, 105°46′11″—105°46′29″ E)和天龍山流域(26°14′48″N, 105°45′51″E),海拔高度1310—1524m,碳酸鹽巖分布廣泛,且巖石裸露率高,主要巖石類型為中厚至薄層的石灰巖、泥灰巖[21],屬于典型的喀斯特地貌。研究區年平均氣溫15.1 C,年平均降水量1390mm[27],降水集中在5—10月,屬亞熱帶季風性濕潤氣候類型[28]；表層土壤類型以黃棕壤為主,土層淺薄且連續性差,呈斑、塊狀分布于溶溝、溶槽和溶縫內；中間喀斯特洼地地勢開闊和緩,沿東西向伸展,地表覆蓋暗棕色厚層第四紀松散堆積物[29]。根據人為干擾的梯度,我們在研究區選擇了原生林(primary forest, PF)、次生林(secondary forest,SF)、棄耕地(abandoned land,AL)和耕地(cultivated land,CL)4種主要的土地利用類型,干擾強度由原生林到耕地逐漸增大。其中原生林為約100年內未曾砍伐的自然狀態林地,主要植被為窄葉石櫟(Lithocarpusconfinis)和安順潤楠(Machiluscavaleriei)；次生林在20世紀80年代遭到毀林伐木,2000年后封山育林,主要植被為響葉楊(Populusadenopoda)、鹽膚木(Rhuschinensis)和紅葉木姜子(Litsearubescens)；棄耕地曾有多年耕種歷史,退耕還林政策實施后約5年內沒有人為干擾,現主要植被為香絲草(Conyzabonariensis)和白茅(Imperatacylindrica)；耕地中的主要作物為玉米(Zeamays)、番薯(Ipomoeabatatas)和大豆(Glycinemax)。次生林、棄耕地、耕地設置在陳旗流域,原生林設置在距陳旗2km的天龍山流域,土壤類型和地質條件相同。

1.2 樣品采集

2017年4月,我們在4種不同的土地利用類型中分別建立6個具有代表性的樣方(10m×20m),樣方間至少相隔30m。在設立樣地時,為增加實驗的可比性和科學性,盡量使坡度、坡位等區位因素保持一致。在每個樣方中,考慮到不同人為干擾強度和出露巖石的影響,分別在裸露巖石周圍(距離巖石約 2 cm,定義為土壤-巖石界面土壤)和遠離巖石的非界面處(距離巖石約20 cm,定義為非交界土壤)用小土鏟采集0—10 cm表層土壤(圖1)。取樣前先清除地表植物或凋落物,每個樣點隨機采集4個土樣,然后均勻混合形成一個具有代表性的土壤樣品。采集土壤樣品后,去除樣品中的石塊、植物根系等非土壤成分,過2 mm篩后,裝袋4℃冷藏運回實驗室,用于后期測試分析指標。

圖1 土壤樣品采樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of soil sampling

1.3 樣品測試

土壤水解酶活性的測定方法參考Saiya-Cork[32],共測定了6種參與C、N循環的水解酶,具體方法為：取樣品1g鮮土,加入125mL的pH=7.3(由土壤pH值決定)的50mmol/L醋酸鈉緩沖液充分混勻,制備土壤懸浮液,吸取200μL土壤懸浮液和50μL底物注入96微孔板內,在20℃黑暗條件下培養4h,加入10μL 1 mol/L NaOH終止反應。采用微孔板熒光法,使用多功能酶標儀(SynergyH4,BioTek)測定其熒光值。底物以碳為主的多糖(纖維素)、芳香族化合物(木質素)和脂肪族化合物,測定其分解酶主要包括β- 1,4-葡萄糖苷酶(βG)、β- 1,4-木糖苷酶(βX)、纖維素二糖水解酶(CBH)和α- 1,4-葡萄糖苷酶(αG)。底物為以氮為主的氨基化合物、縮氨酸和非縮氨基化合物,測定其分解酶包括β- 1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶(NAG)和亮氨酸氨基肽酶(LAP)。所測定的水解酶都通過預實驗確定獲得最大酶活性所需要的底物濃度和標準物濃度。

1.4 數據處理

采用雙因素方差分析(ANOVA)和LSD多重比較法對不同干擾梯度與不同位置的土壤理化性質和酶活性進行差異顯著性檢驗(SAS Inc.,Cary, NC, USA),顯著水平設置為P=0.05。采用CANOCO軟件(version 5.0, Microcomputer Power, Inc., Ithaca, NY, USA)對土壤酶活性進行主成分分析(PCA)。借助冗余分析(RDA),探討環境因子對土壤酶活性變異的貢獻作用大小。

2 結果與分析

2.1 不同干擾梯度下土壤-巖石界面對土壤理化性質的影響

2.2 不同干擾梯度下土壤-巖石界面的酶活性

主成分分析表明,土壤酶活性在不同干擾梯度下非交界處土壤和土壤-巖石界面土壤中有明顯的分異(圖1)。主成分1(PC1)和主成分2(PC2)的方差貢獻率分別為74.7%和9.91%,累計方差貢獻率為84.6%,說明不同干擾梯度和土壤-巖石界面對土壤水解酶活性均有顯著影響。

表1 不同干擾梯度及土壤位置對土壤理化性質的影響

圖2 土壤有機質水解酶活性的主成分分析Fig.2 Principal component analysis of soil organic matter hydrolytic enzyme activities

不同干擾梯度下土壤酶活性差異顯著(圖2)。與碳循環有關的βG、βX、CBH和αG酶活性在棄耕地和耕地高于原生林和次生林,而與氮循環有關的NAG和LAP在原生林和棄耕地中表現出更高的活性。

研究發現所有水解酶活性在棄耕地中的土壤-巖石交界處最大,在原生林和棄耕地中均表現為非交界處<土壤-巖石交界處(圖2)。在次生林中,所有水解酶活性在非交界處和土壤-巖石交界處差異不顯著。在耕地中NAG表現為非交界處<土壤-巖石交界處,其余水解酶在非交界處和土壤-巖石交界處差異不顯著。

圖3 不同干擾梯度及土壤位置對有機質水解酶活性的影響Fig.3 Effects of land use intensities and soil location on soil organic matter hydrolytic enzyme activities 大寫字母表示土地利用類型間存在顯著性差異,小寫字母表示同一土地利用類型下不同土壤位置存在顯著性差異(P<0.05);誤差線表示均值的標準誤差(n=6)

2.3 不同干擾梯度下土壤-巖石界面酶活性的主要環境影響因子

以6種土壤水解酶活性為響應變量, 以土壤理化性質為解釋變量, 對不同干擾梯度下土壤-巖石界面酶活性進行冗余分析, 從而探究土壤理化性質和微生物胞外酶活性之間的相關關系(圖3)。RDA1和RDA2分別解釋了總變量的50.6%和2.76%。

圖4 不同干擾梯度及土壤位置水解酶活性與環境因子的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis of hydrolytic enzyme activity and environmental factors with different land use intensities and soil location

3 討論

3.1 不同干擾梯度和土壤-巖石界面對土壤理化性質的影響

3.2 不同干擾梯度和土壤-巖石界面的酶活性及影響機制

土壤酶作為土壤中各種生化反應重要的催化劑,是生態系統物質循環中不可或缺的重要部分。土壤酶活性具有表征土壤碳氮代謝循環和微生物活性的能力,可以反映出土壤養分的累積、分解和礦化等規律[38]。在本研究涉及的6種酶之中,活性最高的是βG,說明了C轉化在喀斯特地區土壤中的重要性。6種水解酶在棄耕地中活性最大,這可能是由于營養資源的限制造成的。營養限制(尤其是氮營養)通常是修復初期的一個常見問題[39]。根據微生物經濟學理論,當單一營養物質缺乏而復合營養物質豐富時,酶的產量會增加；然而,資源的限制也會限制酶的生產,即酶活性的不同反應可能是由營養供給驅動的酶生產(即生物量效應)或營養需求驅動的酶生產(即資源配置)驅動的[40-41]。本研究中的棄耕地正處于退耕還林還草的修復初期,植被類型多為灌木叢和灌草叢,植物生產力低,可供分解的凋落物少,不能為土壤微生物的生命活動提供豐富的營養物質,當可利用的營養物質缺乏時,微生物可以產生酶來調動其他復雜來源的資源[42-43]。因此,棄耕地養分含量不足會導致養分需求驅動的酶生產,導致酶活性增加,有助于克服養分限制[44]。我們的研究結果也支持了生態經濟學的“最優配置”理論[40-41]。

表2 不同干擾梯度及土壤位置有機質水解酶活性受環境因子影響的蒙特卡洛檢驗

Table 2 Monte Carlo test of environmental factors affecting the activity of organic matter hydrolytic enzyme in different land use intensities and soil location

環境因子Environmental factor貢獻率%Contribution rateFPpH26.211.30.002SOC22.78.030.008TN0.830.410.574SOC∶TN6.603.210.082DOC33.410.20.002NO-3-N1.140.540.492NH+4-N9.114.220.026

在本研究中,所有水解酶活性在原生林和棄耕地中的土壤-巖石交界處表現出更高的活性,再一次驗證了裸露巖石可以在其附近通過水分在土壤中流動聚集營養成分的作用[25]。但在耕地中,除NAG外其余水解酶在非交界處和土壤-巖石交界處差異并不顯著,這可能是由于在農業生產活動中人為使用肥料造成的[45]。為了提高土壤肥力,在耕地中使用肥料可以促進作物生長,增加根系分泌物和凋落物等向土壤中輸入,使土壤微生物陳新代謝加快,微生物量增加,進而促進微生物活性和C、N循環[46-47],彌補了農作物吸收和裸巖截留的養分損失。同時也進一步說明人為擾動強度越大,越會干擾裸露巖石對水解酶活性的影響。

4 結論