固沙林恢復土壤酶化學計量特征與養分限制效應

張延文, 周雅潔, 張不染, 拓衛衛, 楊 京, 佟小剛

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 資源與環境學院, 陜西 楊凌 712100)

沙漠化是全球生態環境防治的重大問題。過去七十年,我國通過大規模生態林工程的實施,實現了沙漠化的逆轉,產生了巨大的生態恢復效益[1-2]。但限于沙漠化地區的脆弱生態環境,維持固沙林植被與土壤的自我恢復能力,成為沙區生態系統可持續恢復的關鍵[3]。大量研究表明林地系統養分轉化與累積調控著植被與土壤的協同恢復[4]。以往人們多關注于固沙林植被恢復的生態功能,如土壤養分含量的增加、微生物活性的提高等[5-7]。現在越來越多的研究關注到植被和土壤之間的協同交互關系以及相關的生物學養分轉化過程,這對認識植被恢復養分循環機理具有重要的科學意義。

土壤胞外酶作為土壤有機質分解的驅動力,可以調節有機質分解轉化和微生物吸收利用土壤C,N,P等養分元素[8-9],有效催化生態系統中物質與能量的轉化[10]。因此,探究生態酶活性可以表征微生物對能量與養分的利用效率[11]。特別是生態酶的化學計量特征與微生物的養分需求密切相關[12],微生物活動受何種養分資源限制可以由土壤生態酶計量比表達[13-14]。如通過酶活性計算的矢量長度和矢量角度可反映微生物活動受限養分類型,也可幫助明確植被恢復過程中微生物營養限制的演變特征。Sinsabaugh等[15]研究發現酶的生態化學計量比可以更好地反映微生物的代謝和營養需求之間的生化平衡。Zhao等[16]將土壤碳、氮、磷的化學計量學與土壤微生物和β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨肽酶、β-1,4-乙酰氨基葡萄糖苷酶、堿性磷酸酶的化學計量學結合起來研究,結果表明土壤微生物和酶的化學計量學在很大程度上受土壤養分化學計量學的調控。因此,土壤胞外酶及其生態化學計量通過反映土壤微生物對碳氮磷養分的需求,從而可以顯示出微生物的營養限制作用[17]。但目前生態酶化學計量特征及其養分限制效應對沙漠化土地植被恢復的響應研究還較為薄弱。

毛烏素沙地是我國沙漠化治理的典型區域,通過60多年的治理,植被覆蓋率已由50年代連片沙丘的1.8%[18]增加到目前的80%。鑒于此,本研究選擇毛烏素沙地從半固定沙地到長期恢復的典型灌木和喬木固沙林為研究對象,探究沙漠化土地植被恢復過程中土壤生態酶活性及其化學計量比演變特征以及對微生物養分限制的影響,深入揭示人工固沙林重建植被過程養分轉化能力與機理。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

項目研究區位于毛烏素沙地東緣陜西榆林市紅石峽試驗林場(38°20′N,109°44′E)(圖1)。區域海拔1 050～1 500 m,屬典型的大陸性季風干旱和半干旱氣候,平均溫度為8.1℃[19],年平均降水量415 mm,其中60%～70%的降雨量集中在夏季。由于該地區是典型的農牧交錯帶,歷史上經過過度的開墾、耕作和放牧導致了嚴重的沙漠化,風成砂質土中含沙量為92.6%[20]。在此之后該區域陸續開展了防風治沙的生態工程。先在流沙表面設置草方格機械沙障固定流沙,后有天然先鋒植物侵入并將流沙變為半固沙地[21]。經過持續人工管理,每隔5 a持續種植相同樹種、相似密度的固沙灌木和喬木,逐漸形成了灌木草或喬木草的植被體系。目前該區域完整的植被面積擴增至33.3 km2,植被逐漸恢復,形成以樟子松(Pinussylvestrisvar.mongholicaLitv.)為主要樹種的喬木防護林[22],以沙棘(HippophaerhamnoidesL.)、花棒(HedysarumscopariumFisch. et Basiner)和踏郎(HedysarummongolicumTurez)為主要樹種的灌木防護林,林下形成狗尾草(SetariaviridisL. Beauv.)、沙竹(PsammochloavillosaTrin. Bor)、貓頭刺(OxytropisaciphyllaLedeb.)、油蒿(ArtemisiaordosicaKrasch.)等植被,隨后植被系統進入自然演替階段。

1.2 樣地選取

2020年9月采用空間替代時間法,基于林場造林年限與樹種情況的調研,選擇半固定沙地為0 a植被恢復對照樣地,以及1964年、1974年、1985年和1995年種植的檸條為主灌木林和以樟子松為主的喬木林,分別對應植被恢復56 a,46 a,35 a和25 a的林地。每個林地選擇立地條件相似的3個樣地作為研究重復,樣地間的距離大于50 m,在每個樣地上設置20 m×20 m的標準采樣區,采用等距抽樣法調查植物群落。所有樣地都來自于流沙地,具有同樣的原始條件。各樣地分布及基本特征見表1,其中SF表示半固定沙地、SH表示灌木固沙林、AR表示喬木固沙林,下角標數字代表恢復年限。

表1 樣地基本特征及0-20 cm土層深度的土壤理化性質Table 1 Descriptions of the sampling sites and soil physicochemical properties at 0-20 cm layer

1.3 采樣方法

采用土鉆(直徑5 cm×120 cm長)在每個標準采樣區上按照“S”型布 設16個點采集土樣,混合成該小區代表土樣,并同時采用環刀法測量土壤容重。所有土芯均被剖分成兩層(0—10 cm和10—20 cm),來自同一層的土壤被混合為一個土壤樣本。土壤樣本通過2 mm的篩,已清除植物殘體與根系,同時將鮮土樣同冰袋保存帶回實驗室冷藏,及時完成指標的測定。

1.4 指標測定

1.4.1 土壤理化性質的測定 土壤含水量是在105℃的烘箱內加熱 24 h后,采用稱重的方法測定。土壤容重采用環刀法,土壤pH使用帶有玻璃電極的pH計(PHS-3C,上海儀電,中國)在水土比為1∶2.5(干土質量:去離子水體積)下測得。

1.4.2 酶活性測定 采用改進的微孔板熒光法[9]測定酶活性(表2)。具體為:稱取1 g鮮土置于250 ml三角瓶中,加入120 ml純水和5 ml pH為8.0的醋酸鈉緩沖液,震蕩2 h。再用移液槍分別向酶標版的樣品孔加入150 μl震蕩懸濁液和50 μl酶底物;空白微孔加入150 μl震蕩懸濁液+50 μl緩沖液;淬火標準孔加入150 μl震蕩懸濁液和50 μl標準物質;陰性對照孔加入150 μl緩沖液和50 μl酶底物(合成的富含C-,N-或P-的底物);參考標準孔加入150 μl緩沖液和50 μl標準物質(標準物質為4-甲基傘形酮(4-Methylumbelliferone, MUB))。最后將酶標板放在25℃下暗培養4 h后加入1 mol/L的NaOH 50 μl終止反應。使用多功能酶標儀在365 nm激發光、450 nm波長處讀取吸光值[11]。酶活性表達為每克干土單位小時產生的底物物質的量〔nmol/(g·h)〕。

表2 土壤胞外酶種類Table 2 Types of soil extracellular enzymes

土壤胞外酶活性計算公式[9]:

Ab=FV/(eV1tm)

(1)

F=(f-fb)/q-fs

(2)

e=fr(CsV2)

(3)

q=(fq-fb)/fr

(4)

式中:Ab為土壤樣品的酶活性〔nmol/(g·h)〕;F為校正后的樣品熒光值;V為土壤懸濁液的總體積(125 ml);V1為微孔板每孔中加入樣品懸濁液的體積(0.2 ml);t為暗培養時間;m為干土樣的質量(1 g鮮土換算成干土樣的質量);f為酶標儀讀取樣品微孔的熒光值;fb為空白微孔的熒光值;q為淬火系數;fs為陰性對照微孔的熒光值;e為熒光釋放系數;fr為參考標準微孔的熒光值;Cs為參照標準微孔的濃度(10 μmol/L);V2為加入參照標準物的體積(0.000 05 L);fq為淬火標準微孔的熒光值。

土壤胞外酶生態化學計量計算公式[9]:

C∶NEEA=BG/(NAG+LAP)

(5)

C∶PEEA=BG/AP

(6)

N∶PEEA=(NAG+LAP)/AP

(7)

式中:EEA為土壤胞外酶活性;BG為β-葡萄糖苷酶;NAG為N-乙酰氨基葡萄糖苷酶;LAP為亮氨酸氨肽酶;AP為磷酸酶。

土壤胞外酶(LAP+NAG)或NAG的活性變化都可以反映土壤微生物對氮資源的需求狀況,且BG∶(NAG+LAP)∶AP或BG∶NAG∶AP均可表示土壤胞外酶生態化學計量關系[11],因此本試驗測定了LAP和NAG的活性,并用(LAP+NAG)進行計算和分析。土壤微生物養分限制計算公式[23]:

(8)

Vector angle=Degrees{ATAN2(ln BG/ln AP),

〔ln BG/ln(NAG+LAP)〕}

(9)

式中:Vector length為矢量長度;Vector angle為矢量角度;BG為β-葡萄糖苷酶;NAG為β-乙酰氨基葡萄糖苷酶;LAP為亮氨酸氨肽酶;AP為磷酸酶。

矢量長度越長,C限制越大;矢量角度小于45°時,值越小表示N限制越大,而大于45°時,值越大表示P限制越大[24-25]。另一種表示方法中,評估微生物資源限制基于酶活性的比率,特別是BG/(LAP+NAG)較高為N限制,(NAG+LAP)/AP表示N和P限制[26]。

1.5 數據統計分析

數據結果用均值±標準差(SD)來表示。采用方差分析(ANOVA)方法,分析年代序列對土壤酶活性差異的影響;比較最小顯著差異(LSD)在p<0.05時的差異;使用皮爾森相關分析土壤養分特征與酶活性以及化學計量的相關關系;以上所有統計方法是用SPSS 25.0版本完成,使用Origin 24.0繪制相關圖。

2 結果與分析

2.1 土壤酶活性變化特征

植被恢復后,土壤中β-葡萄糖苷酶、β-1,4-乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨肽酶和堿性磷酸酶活性均隨著恢復年限的增長呈顯著增加趨勢。在0—10 cm土層,BG,NAG和LAP酶活性喬、灌木林隨著植被年限的增加快速增加,在恢復56 a后,BG活性分別是對照(0 a)的10.08,14.99倍,NAG活性分別是對照(0 a)的5.71,7.08倍,LAP活性分別是對照(0 a)的8.38,6.97倍;AP活性在喬、灌木林隨著植被年限的增加緩慢增加,且在恢復56 a后,AP活性分別是對照(0 a)的3.79,3.85倍。在10—20 cm土層中,56 a的BG活性喬、灌木林平緩增加分別比對照(0 a)增加了3.94,16.58 nmol/(g·h);LAP和AP活性在喬、灌木林隨著植被年限的增加緩慢增加,LAP活性分別是對照(0 a)的15.1,13.5倍,AP活性分別是對照(0 a)的19.6,17.6倍;NAG喬木林隨著植被年限的增加急劇增加是對照(0 a)的58.13倍(圖2)。

圖2 不同恢復年限下喬、灌木林地在不同土層的酶活性特征Fig. 2 Enzyme activity characteristics of trees and shrubs in different soil layers under different recovery years

BG活性的喬、灌木林地和NAG+LAP活性的喬木林地在兩土層中有顯著性差異;0—10 cm和10—20 cm的AP活性在喬木和灌木林地中存在顯著差異(圖3)。

圖3 不同林地與土層酶活性和酶化學計量特征Fig. 3 Enzyme activity and stoichiometric characteristics of different woodlands and soil layers

2.2 固沙林恢復過程酶活性比值演變特征

植被重建后,灌木林地上,土壤酶C∶N,N∶P和C∶P在不同土層整體上隨年限增加而增加;喬木林地上,10—20 cm土層土酶C∶N和C∶P逐漸減少且小于對照(0 a)。在0—10 cm土層的喬、灌木林中,土壤酶C∶N,C∶P和N∶P逐漸增加均在第56年達到最大,分別是對照(0 a)的1.2倍和2.2倍,2.8倍和4.0倍,2.0倍和1.8倍;且在10—20 cm土層的灌木林中,土壤酶C∶N,C∶P和N∶P也逐漸增加,均在第56年達到最大0.08,0.25,3.29分別是對照(0 a)的1.2,3.2倍和2.7倍;在10—20 cm土層的喬木林中,土壤酶C∶N和C∶P平緩減少,在恢復56 a后分別比對照(0 a)減少了0.03,0.01 nmol/(g·h)。經過56 a的植被恢復,灌木林地土壤酶C∶N和C∶P高于對應土層的喬木林地,兩種林地土壤酶N∶P變化相似(圖4)。

圖4 不同恢復年限下喬、灌木林地在不同土層的酶生態化學計量特征Fig. 4 Ecostoichiometric characteristics of enzymes in different soil layers of Trees and shrubs in different restoration years

2.3 酶化學計量指示微生物營養限制的作用

隨著植被恢復兩類林地矢量長度均逐漸增加,隨矢量長度越長,C限制增大,對比對照組在第56年達到最大值。喬、灌木林在0—10 cm土層中矢量長度達到最大時分別是對照(0 a)的1.8倍和2.0倍。在灌木林10—20 cm土層中,矢量長度波動增加,第56年時最大為恢復6 a的2.8倍(圖5左);10—20 cm土層喬木林中,矢量長度波動增加,在恢復36 a時最大為對照組(0 a)的1.9倍(圖5左)。當矢量角度大于45°時為P限制,且隨著其值的增加而增大,當矢量角度小于45°時為N限制,且隨著其值的增加而減小。在植被恢復過程中,微生物N限制隨著植被恢復顯著增加,而P限制并不明顯。在0—10 cm土層灌木林矢量角度均小于45°且無顯著變化,喬木林矢量角度逐漸減小且均小于45°,在第56年達到最小;在10—20 cm土層灌木林中,矢量角度先增加后減小,且均小于45°,即產生P限制,喬木林在植被恢復25 a時大于45°,即無N限制產生P限制,之后在第56年時最小(圖5右)。

圖5 不同恢復年限下矢量長度(左)與矢量角度(右)Fig. 5 Responses under vector length (left) and vector angle (right) for different recovery years

當(NAG+LAP)/AP大于1時,產生微生物N限制,小于1時產生微生物P限制,當BG/(NAG+LAP)大于1時產生微生物C和N限制以及C和P限制。生態酶化學計量比分析表明,在10—20 cm土層中,喬木林僅在第25年存在微生物P限制,其他年份均為N限制,整個植被恢復階段均無C和N限制以及C和P限制(圖6)。

注:BG表示β-1,4-葡萄糖苷酶;NAG表示β-1,4-乙酰氨基葡萄糖苷酶;LAP表示亮氨酸氨肽酶;AP表示堿性磷酸酶。圖6 土壤酶化學計量散點圖顯示微生物資源限制養分Fig. 6 A scatter plot of soil enzymatic stoichiometry showing the general pattern of microbial resource limitation

3 討 論

3.1 固沙林恢復過程土壤胞外酶活性及其化學計量演變特征

本研究兩種固沙林恢復過程酶活性均呈現顯著增加的趨勢,其中以氮轉化酶(NAG+LAP)活性對植被恢復變化響應最敏感。隨著植被恢復,固沙林土壤有機碳、全氮和全磷含量不斷增加,土壤性狀、各理化指標顯著提高[27],引起微生物需求更多養分吸收和轉化反應,分泌更多的酶,導致酶活性表現出增強趨勢。其中碳轉化酶(BG)活性和氮轉化酶(NAG+LAP)活性為:整體上隨年限增加而增加,磷轉化酶(AP)活性為先增加后減小。恢復56 a后,在不同土壤剖面中3類土壤酶活性都為表層(0—10 cm)較高。這與李陸平等[28]的研究結果相同。由于植被恢復首先改善了表層土壤理化性質,使得表層土壤胞外酶活性也隨之提高。同時,土壤表層水熱條件和通氣狀況良好,又有微生物生長所需的營養物質,則微生物生長旺盛,代謝活躍使得表層的土壤酶活性較高[29]。植被恢復44 a后氮轉化酶(NAG+LAP)的活性在0—10 cm土層呈現逐漸穩定的趨勢,在10—20 cm的土層中繼續增加,導致產生這種現象的原因可能是由于凋落物主要堆積在表層土壤,從而利于表層土壤肥力增加,深層土壤中酶含量具有滯后效應,當上層土壤中酶的含量達到平衡時,經過上層的淋溶與沉積作用,下層土壤的酶活性仍然繼續上升。

化學計量比代表了微生物需求的相對比例,當微生物需求的元素少時就會不斷分泌相應的酶,以滿足自身的需要,從而使化學計量比發生變化。酶的不同比例的增加也顯著改變了酶的化學計量。不同土壤胞外酶活性的比值與土壤C∶N∶P值密切相關,可以用來評價土壤微生物C,N,P養分資源的需求狀況[30]。本研究中,隨著植被恢復年限增長,土壤C∶N,C∶P和N∶P逐漸增加,全球尺度上,土壤酶C∶N比為1.41,酶C∶P比為0.62,酶N∶P比為0.44。本研究中,灌、喬木林的酶C∶N最大值分別為0.30,0.19,遠小于1.41的全球平均值;酶N∶P比的最小值分別為1.02,0.88,也顯著高于全球均值(0.44),這意味著該區域土壤整體具有相對較高的 N分解胞外酶活性,從而反映出土壤 N元素的相對缺乏,使得微生物需要生產更多的N分解酶,以滿足自身代謝的需要[9]。這是基于目前公認的個別碳氮轉化酶之間的關系得出的生態酶化學計量關系,還不能完整反映對微生物養分需求的指示作用。可能需要考慮更多的與碳氮轉化相關的酶進行化學計量分析。本研究中的灌木林地樹種為豆科固氮樹種,樟子松、油松為非固氮樹種,然而隨著植被恢復年代增加,土壤C,N限制仍然呈現增加趨勢,建議建立更穩定的喬灌草相結合的植被體系[31]。

3.2 固沙林恢復過程土壤酶活性變化的生態效應

隨著植被恢復,土壤中凋落物增加,促進微生物分泌更多胞外酶,使得土壤C,N,P的增加。榆林固沙林植被恢復過程中,土壤中微生物C限制在恢復56 a達到最大,N限制隨著植被恢復最終顯著增加,而P限制并不明顯。隨著植被恢復,土壤C限制逐漸增強的原因可能是土壤N的相對過高,由于土壤中有效氮水平很高,導致C∶N沒有達到有利于微生物生長的這兩種元素的閾值比率,土壤C可能不足以支持微生物生長。土壤氮是研究生態系統中微生物生長的一個重要限制因素,而榆林毛烏素沙地固沙林土壤微生物基本上處于N限制,且微生物N限制相對于微生物P限制更為明顯,灌木林土壤N限制普遍高于喬木林,這可能與物質的投入和枯落物的C/N密切相關,半固定沙地植被恢復后,以枯落的形式向土壤中輸入了大量的C和N,這極大地促進了土壤有機質的積累。但是在不同林地中,有不同的枯落物進入土壤,因此導致土壤中有機質在長期的演變過程中表現出了不同的特征[32]。

4 結 論

榆林毛烏素沙地隨固沙林植被恢復,喬木和灌木林地土壤酶活性均隨之顯著提升,且土壤中氮轉化酶(NAG+LAP)活性對土壤環境的變化反應最敏感,碳轉化酶(BG)活性增加速度顯著小于氮轉化酶(NAG+LAP)和磷轉化酶(AP)活性。微生物通過酶對C,N,P轉化效應顯著增強。同時,植被恢復也顯著提高了土壤生態酶的C∶N,C∶P和N∶P,但研究區域中,灌木和喬木林的酶C∶N均遠小于全球平均值,酶N∶P比的最小值也顯著的高于全球均值,表明該區域土壤具有相對較高的N分解胞外酶活性,反映出土壤N元素的相對缺乏,使得微生物需要生產更多的N分解酶,以滿足自身代謝的需要,并且這種氮限制效應在灌木林土壤顯著高于喬木林。可見,在毛烏素沙地固沙林恢復過程與固氮型植被混合造林可能是維持固沙林可持續恢復的一條可行途徑。