青藏高原東緣不同草地類型土壤酶活性研究

索南吉，談嫣蓉，朱煒歆，顧振寬，杜國禎

（蘭州大學(xué)干旱與草地生態(tài)教育部重點實驗室，甘肅 蘭州730000）

土壤酶主要來自于土壤微生物代謝過程，也能由土壤動物、植物殘體分解產(chǎn)生［1］。土壤酶作為土壤系統(tǒng)的組分之一，是生態(tài)系統(tǒng)的生物催化劑，在土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用。它們參與包括土壤生物化學(xué)過程在內(nèi)的物質(zhì)循環(huán)，既是土壤有機物轉(zhuǎn)化的執(zhí)行者，又是植物營養(yǎng)元素的活性庫［2，3］。20世紀80年代中期以后，土壤酶學(xué)的研究已經(jīng)超越了經(jīng)典土壤學(xué)的研究范疇，在幾乎所有的陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤酶活性的檢測似乎成了必不可少的測定指標［4，5］。對退化土壤生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，土壤酶活性的高低不僅與土壤生態(tài)系統(tǒng)的退化有關(guān)，而且與土壤類型、植被特征、微生物數(shù)量、土壤動物類群及數(shù)量有關(guān)［6］。由于土壤酶活性與土壤生物、土壤理化性質(zhì)和環(huán)境條件密切相關(guān)［7］，因而土壤酶活性對環(huán)境擾動的響應(yīng)、根際土壤酶功能的重要性、土壤酶研究技術(shù)以及土壤酶作為土壤質(zhì)量的指標等成為主攻方向［8－10］。

青藏高原因海拔高和氣候寒冷，被認為是氣候變化的敏感區(qū)和脆弱區(qū)［11］。高寒草甸是青藏高原隆升后，長期受高寒氣候條件影響所形成的高原地帶性植被類型［12］，多以寒冷潮濕多年生草本植物群落為主［13］。因不同地形部位、土壤溫度、濕度、地下水、土壤性狀等的綜合影響，使高寒草甸在不同地形部位形成了差異較大的灌叢草甸、嵩草草甸、沼澤化草甸等植被類型，其生產(chǎn)力也表現(xiàn)出明顯的差別［14，15］。高寒草甸、高寒灌叢、沼澤化草甸以及山地草原是青藏高原東緣分布面積最廣且最為典型的生態(tài)系統(tǒng)類型。目前，對青藏高原不同生態(tài)系統(tǒng)的植物群落結(jié)構(gòu)［16］、土壤理化性質(zhì)［6］以及土壤微生物［17］方面的報道較多，但是有關(guān)該區(qū)域土壤酶活性的研究很少。本研究旨在測定分析不同生態(tài)系統(tǒng)土壤中水解酶活性及其與土壤有機碳和全氮含量、含水量等土壤性質(zhì)的關(guān)系，為深入研究青藏高原東緣不同生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域在甘肅省甘南藏族自治州境內(nèi)，位于青藏高原東部地區(qū)（101°～103°77′E，33°36′～35°58′N），海拔2 200～4 000m，屬高寒大陸性季風(fēng)氣候；年平均降水量450～780mm，主要集中于7－9月份；年均溫1.8℃，1月均溫在－10.7℃以下，7月均溫11.7℃，生長季最高氣溫23.6～28.9℃；年平均霜期不少于270d。主要土壤類型為高山草甸土、高山灌叢草甸土、沼澤化草甸土，土壤呈有機質(zhì)及全氮養(yǎng)分豐富而速效養(yǎng)分貧乏的特點。植物生長期短，生產(chǎn)力較低。本研究中的草地類型主要有高寒草甸（alpine meadow）、高寒灌叢（alpine shrub）、沼澤化草甸（swamp meadow）和山地草原（mountain steppe）。

1.2 土壤樣品采集及處理

于2009年8月在甘南州境內(nèi)用土鉆采集土樣，具體見表1，所采集的土樣分2層（0～15和15～30cm），按照“之”字型取8個土核，除去地上凋落物、石塊等雜物后，將8個單樣混勻裝入密封袋作為1個混合土樣（每個草地類型的土樣重復(fù)數(shù)見表1），并立即帶回實驗室。

每份混合土樣分為2部分：第1部分樣品風(fēng)干，其中部分樣品過0.15mm篩，用于測定土壤有機碳和全氮含量；另一部分樣品過1mm篩，用于測定土壤pH和脲酶活性。第2部分樣品采用鮮樣，用于測定土壤含水量、酸性磷酸酶活性、β－葡萄糖苷酶活性，過2mm篩后于4℃條件下保存。

表1 不同草地類型樣地基本情況Table 1 General conditions of sample plots of different grassland types

1.3 土壤理化性質(zhì)的測定

土壤理化性質(zhì)的測定方法參考文獻［18］。土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）和全氮（total nitrogen，TN）含量分別用硫酸－重鉻酸鉀氧化法和半微量凱氏定氮法測定；含水量（%）、pH分別用烘干法、酸度計法［w（土）∶w（去二氧化碳的水）＝1.0∶5.0］測定。

1.4 土壤酶活性的測定

土壤脲酶活性采用靛酚藍比色法［19］測定，其活性以培養(yǎng)24h后每克風(fēng)干土壤中NH3－N的微克數(shù)來表示（μg／g·24h）；土壤β－葡萄糖苷酶活性和酸性磷酸酶活性均采用硝基酚比色法［20］測定，其活性以培養(yǎng)1h后每克鮮土中對－硝基酚的毫克數(shù)表示（mg／g·h）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

在SPSS 16.0軟件中統(tǒng)計分析實驗數(shù)據(jù)。用單因素方差分析檢驗各種土壤酶活性在相同土層不同草地類型中的差異，用Pearson’s相關(guān)分析法分析相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草地類型土壤理化性質(zhì)

各類型草地土壤含水量、有機碳和全氮含量均為表層土高于下層土（表2）。山地草原土壤呈弱堿性，而其他3個草地類型均為弱酸性。含水量和全氮含量在4種類型草地土壤中的變化趨勢一致，均為沼澤化草甸＞高寒灌叢＞高寒草甸＞山地草原；有機碳含量的變化趨勢為高寒灌叢＞高寒草甸＞沼澤化草甸＞山地草原。

2.2 不同草地類型土壤酶活性

研究表明（圖1），土壤β－葡萄糖苷酶、土壤酸性磷酸酶及土壤脲酶活性在不同草地類型間均有顯著差異（P＜0.05）。除土壤脲酶活性在山地草原基本相同之外，不同草地類型表層土壤（0～15cm）酶活性均高于下層土壤（15～30cm）。土壤β－葡萄糖苷酶活性在高寒沼澤化草甸最高（圖1A），0～15和15～30cm土層分別為0.139和0.075mg／（g·h），與其他草地類型差異顯著（P＜0.05）。不同草地類型表層土壤中的β－葡萄糖苷酶活性依次為沼澤化草甸＞高寒灌叢＞高寒草甸＞山地草原，下層與其相同。土壤酸性磷酸酶活性也在高寒沼澤草甸最高（圖1B），0～15和15～30cm土層分別為1.189和0.868mg／（g·h），與其他草地類型差異顯著（P＜0.05）。不同草地類型表層土壤中的酸性磷酸酶活性依次為沼澤化草甸＞高寒草甸＞高寒灌叢草甸＞山地草原，下層與其相同。土壤脲酶活性以高寒草甸為最低（圖1C），0～15和15～30cm土層分別為8.96和7.64μg／（g·24h）。不 同草地類型表層土壤中的脲酶活性依次為沼澤化草甸＞高寒灌叢＞山地草原＞高寒草甸；下層土壤中脲酶活性依次為山地草原＞沼澤化草甸＞高寒灌叢＞高寒草甸。

表2 不同草地類型土壤理化性質(zhì)Table 2 Soil physico－chemical characteristics of different grassland types

圖1 不同草地類型土壤酶活性Fig.1 Soil enzymatic activity of different grassland types

2.3 土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性之間的相關(guān)關(guān)系

研究結(jié)果顯示（表3），4種草地類型土壤的β－葡萄糖苷酶活性與有機碳含量和全氮含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與pH呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01）；土壤酸性磷酸酶活性也與有機碳含量和全氮含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與pH呈極顯著負相關(guān)；土壤脲酶活性只與全氮含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

表3 土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis of soil enzyme activity with soil physical－chemical characteristics

3 討論

土壤是植物生長的基質(zhì)，其理化特性決定著植物群落類型的分布［21］。作為對土壤營養(yǎng)異質(zhì)性分布的反應(yīng)，植物在養(yǎng)分豐富的局部環(huán)境中能選擇性地改變其根系的生長，從而增加養(yǎng)分的吸收［22］。4種類型草地中，全氮含量在高寒沼澤化草甸土壤表層和下層都最高，且與其他3種草地類型全氮含量有顯著差異，這與王長庭等［6］的結(jié)果一致。沼澤化草甸群落地上、地下生物量高于其他植被類型，說明了土壤中養(yǎng)分含量的高低直接影響著群落的生產(chǎn)力，土壤養(yǎng)分越豐富，群落生產(chǎn)力越高［6］。土壤中的有機碳主要取決于土壤中的植物殘體量以及土壤微生物作用下分解損失量的平衡狀況［23］。4種類型草地中，高寒灌叢土壤表層和下層的有機碳含量都最高，沼澤化草甸土壤中有機碳含量較低，這與楊成德等［24］在東祁連山高寒草地的研究結(jié)果一致，但與王長庭等［6］的結(jié)果不同。雖然沼澤化草甸中地上地下生物量最豐富，但8，9月份土壤溫度和濕度等氣候因素適宜時，沼澤化草甸土壤中植物殘體分解率比高寒草甸高［25］，從而有機碳積累量較低。山地草原由于其植被覆蓋度低，土壤水分蒸發(fā)較快，土壤有機碳和全氮含量都比其他草地類型中含量低。

土壤酶是土壤中活躍的有機成分之一，在土壤養(yǎng)分循環(huán)以及植物生長所需養(yǎng)分的供給過程中起到重要的作用［26，27］。本研究結(jié)果表明，土壤酶活性在不同草地類型土壤表層中的含量比下層高，這與多數(shù)研究結(jié)果一致［6，28］。土壤表層累積了較多的枯枝落葉和腐殖質(zhì)，有充分的營養(yǎng)源以利于土壤微生物的生長，加之水熱條件和通氣狀況，微生物生長旺盛，代謝活躍，呼吸強度加大而使表層積累了較高的土壤酶活性［28］。土壤β－葡萄糖苷酶是微生物將纖維素分解為葡萄糖的限制酶；土壤磷酸酶將磷酸單酯轉(zhuǎn)化為可被植物吸收利用的無機磷酸鹽；土壤脲酶能夠酶促土壤中有機化合物尿素分子酰氨碳氮鍵的水解，生成的氨是植物氮素營養(yǎng)來源之一［19，20］。本研究所測的3種酶都在沼澤化草甸土壤中活性最強，山地草原最弱，原因是沼澤化草甸群落生產(chǎn)力高，為微生物的生長發(fā)育提供了較好的碳、氮源［6］，從而土壤酶活性也高。土壤β－葡萄糖苷酶和脲酶在高寒灌叢土壤中的活性比高寒草甸高，而酸性磷酸酶活性大小與其相反，說明高寒灌叢土壤中與碳氮元素相關(guān)的生化反應(yīng)比高寒草甸強，而磷素反應(yīng)則在高寒草甸中較強。山地草原土壤表層與下層脲酶活性基本相同，可能是因其地表多裸露，土壤較干燥，加之植被蓋度小，土壤養(yǎng)分貧瘠，土壤從表層到30cm深層之間的生化反應(yīng)強度變化較小。

土壤中可供植物利用的營養(yǎng)元素的多少，與土壤酶活性的高低直接相關(guān)；在良好的有機養(yǎng)分狀況下，土壤酶活性較高，其對土壤中營養(yǎng)元素的礦質(zhì)化作用強度愈大，愈有利于系統(tǒng)內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)［27，29，30］。本研究結(jié)果表明，脲酶與全氮含量極顯著相關(guān)，表明其活性可以反映氮素的轉(zhuǎn)化過程［31］。β－葡萄糖苷酶活性與酸性磷酸酶活性均與有機碳含量和全氮含量呈極顯著正相關(guān)，與pH呈極顯著負相關(guān)。由此可知，β－葡萄糖苷酶與酸性磷酸酶活性能夠反映土壤中有機質(zhì)和氮素分解狀況，可作為衡量土壤肥力的重要指標。

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