尕海濕地植被退化過程中土壤蔗糖酶和淀粉酶活性的動態(tài)特征

孫文穎， 馬維偉， 李 廣， 吳江琪， 許延昭

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 甘肅 蘭州730070)

土壤酶是土壤中具有專性催化作用的高分子物質(zhì)[1]，其活性與土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分水平和土壤生物數(shù)量及多樣性等密切相關(guān)，能夠反映土壤有機質(zhì)累積與分解轉(zhuǎn)化的規(guī)律，常常被作為土壤質(zhì)量的整合生物活性指標[2]。土壤酶按功能和反應(yīng)類型可分為水解酶、氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、裂合酶、連接酶和異構(gòu)酶6大類[3]，其中水解酶類能夠水解土壤中的大分子物質(zhì)。土壤蔗糖酶可將蔗糖分子水解成容易被植物和土壤微生物吸收利用的葡萄糖和果糖，提高土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化；土壤淀粉酶可以分解土壤中不溶水的淀粉組分生成可溶的單糖，增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)[4]。土壤蔗糖酶和淀粉酶廣泛存在于土壤中，其活性反映了土壤生物群落代謝狀況和土壤主要營養(yǎng)元素碳的轉(zhuǎn)化效率，因此，研究土壤蔗糖酶和淀粉酶活性對于理解土壤碳素循環(huán)具有重要意義。

植物殘體分解和根系分泌是土壤酶主要來源[5]，植被退化顯著改變根系分泌物種類、土壤微生物活性、地上部分凋落物以及植被覆蓋所產(chǎn)生的土壤微生境的變化[6]，進而引起土壤酶活性的變化。在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤蔗糖酶和淀粉酶通過酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)化碳元素，直接參與土壤碳循環(huán)過程，并推動濕地土壤枯落物的分解，腐殖質(zhì)及各種有機化合物的分解與合成等生物化學(xué)反應(yīng)[7-8]，同時能對植被、土壤微生物群落和土壤理化性質(zhì)等變化敏感響應(yīng)[9]，是濕地生態(tài)系統(tǒng)中能量流動過程的重要調(diào)節(jié)者，又可作為表征土壤質(zhì)量優(yōu)劣的指標之一。因此，研究濕地植被退化過程中這2種土壤酶活性變化對揭示濕地土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量流動、植物與微生物群落功能及土壤因子變化具有重要意義。

尕海濕地位于青藏高原東緣的甘肅省碌曲縣，是全球著名若爾蓋濕地的重要組成部分，其中蘊含了豐富的自然資源[10]。但近年來由于全球氣候變暖、當?shù)嘏潘蘼泛瓦^度放牧等影響，導(dǎo)致尕海濕地植被出現(xiàn)大面積的退化現(xiàn)象，濕地生態(tài)功能急劇減弱[11]。在此背景下，土壤蔗糖酶和淀粉酶活性將如何變化，這對認識本區(qū)域土壤養(yǎng)分和碳循環(huán)能力強弱，評價區(qū)域土壤生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況具有重要作用。目前已有不少學(xué)者圍繞草地土壤[12-13]和森林土壤[14-15]探討了不同植被條件下土壤酶活性的變異，其中關(guān)于濕地土壤蔗糖酶和淀粉酶活性研究主要集中在黃河三角洲和三江平原[16-17]，而對于青藏高原高寒濕地，特別是青藏高原東緣尕海濕地植被退化過程中這2種土壤酶活性變異的研究相對較少。鑒于此，本研究以青藏高原東緣尕海沼澤化草甸濕地為研究對象，研究濕地植被退化過程中土壤蔗糖酶和淀粉酶活性的分布特征及其動態(tài)變化，揭示濕地植被退化對其活性的影響，以期為高寒沼澤化草甸濕地碳庫變化的微生物機制研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，也為科學(xué)制定高寒濕地保護和利用策略提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

尕海濕地位于甘肅省碌曲縣尕海-則岔國家級自然保護區(qū)(地理坐標33°58′～34°32′ N，102°09′～102°46′ E)。保護區(qū)內(nèi)濕地面積57 846 hm2，其中沼澤化草甸分布于海拔3850 m以下的河谷灘地和湖泊，面積51 160 hm2，占濕地面積的88.4%。該區(qū)域?qū)偾嗖馗咴箨懶约撅L氣候類型區(qū)，特點是終年氣溫較低，降雨量豐沛，光照充足。年平均氣溫為1.2℃，最熱月份在7月(平均為10.5℃)，最冷月份為1月(平均為-9.1℃)；年均降雨量781.8 mm，其中7—9月降雨量為623.1 mm，占全年降雨量的79.7%；冬季長夏季短，年平均冬季為240 d。土壤類型主要包括暗色草甸土、沼澤土和泥炭土等。植物種類有藏篙草(Kobresiatibetica)、烏拉苔草(Carexmeyeriana)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、線葉蒿(Artenisiasubulata)、冷蒿(Artemisiafrigida)、問荊(Equisetumarvense)、密毛白蓮蒿(Artemisiasacrorum)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)、蕨麻(Potentillaanserina)、散穗早熟禾(Poasubfastigiata)、青藏苔草(Carexmoorcroftii)和棘豆(Oxytropis)等[18]。

1.2 樣地設(shè)置

通過對尕海濕地植被特征和理化性質(zhì)實地調(diào)查及相關(guān)資料論證分析，選擇確定尕海湖周邊的退化沼澤化草甸為調(diào)查區(qū)，采用空間序列代替時間序列生態(tài)學(xué)方法，選擇地勢相對平緩坡向一致的地段，參考馬玉壽等[19]對高寒沼澤化草甸濕地植被退化等級的劃分，主要依據(jù)濕地植物種類組成、地上生物量、群落高度、群落蓋度等指標調(diào)查，將沼澤化草甸濕地劃分為未退化(CK)、輕度退化(SD)、中度退化(MD)及重度退化(HD)4種植被退化梯度，每個植被退化梯度布設(shè)10 m×10 m定位研究樣地，用鐵絲網(wǎng)和2 m的水泥柱進行圍欄，以防止人畜對研究區(qū)的干擾，詳細的樣地設(shè)置及理化性質(zhì)見團隊先前報道[20]，樣地其它情況見表1[20-21]。

表1 樣地基本情況Table 1 General information of sampling sites

1.3 樣品采集與分析

土壤采樣于2017年5—9月每月中旬在上述4個植被退化梯度樣地內(nèi)進行，用土鉆法在每類樣地分別按“S”五點法分層(0～10，10～20，20～40，40～60，60～80和80～100 cm)取樣，相同土層土壤為1個混合土樣，四分法取部分，共計120份土壤樣品，剔除土壤中可見雜物，一部分用于土壤含水量的測定，另一部分帶回實驗室自然風干，過2 mm篩，用于土壤蔗糖酶和淀粉酶活性及土壤有機碳(SOC)的測定(每個土樣做三個重復(fù))。土壤含水量用烘干法測定[22]；土壤蔗糖酶和淀粉酶活性采用DNS法[23]，即3,5—二硝基水楊酸比色法測定；土壤有機碳采用外加熱—重鉻酸鉀氧化容量法測定[24]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文采用Excel 2003制圖，SPSS 23.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)及多重比較法(LSD)分析不同退化程度各變量的差異顯著性(α=0.05)。用Pearson相關(guān)分析法描述各因子之間的相關(guān)關(guān)系。文中同一土壤層次各退化梯度的土壤酶活性和土壤有機碳含量為5—9月的均值，整個0～100 cm土層的數(shù)值為同一退化梯度各土層的加權(quán)平均，權(quán)重為土層厚度所占比例。0～10和10～20 cm表層土壤的酶活性和有機碳含量為各自土層中4個退化梯度的均值，其在0～100 cm土層中所占比重為這2個土壤層次均值的和與整個土層各層次均值總和之比。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤蔗糖酶活性

4種退化程度下0～100 cm層土壤蔗糖酶活性均值為CK(53.67 mg·g-1)> SD(43.64 mg·g-1)> MD(40.31 mg·g-1)> HD(36.77 mg·g-1)(圖1)。0～10和10～20 cm土層中，隨植被退化程度加劇，土壤蔗糖酶活性顯著下降(P<0.05)；且這2層的蔗糖酶活性最高，分別為119.89 mg·g-1和77.39 mg·g-1，占0～100 cm土層酶活性總值的75.56%。20～40 cm土層，4種退化程度土壤蔗糖酶活性差異不顯著(P>0.05)；40～60，60～80，80～100 cm土層中HD階段酶活性較高。同一退化程度蔗糖酶活性均表現(xiàn)出隨土層深度增加顯著下降(P<0.05)的趨勢。

圖1 不同植被退化階段土壤蔗糖酶活性Fig.1 Soil invertase activity in different vegetation degradation stages注：圖中不同大寫字母表示不同退化程度間存在差異(P<0.05)，不同小寫字母表示不同土層間存在差異(P<0.05)，下同Note:Different capital letters indicate significant difference among different degradation degrees at the 0.05 level,and different lowercase letters indicated significant difference among different soil depth at the 0.05 level,the same as below

隨時間變化，4種退化程度下各土層土壤蔗糖酶活性時間差異明顯(圖2)。0～10 cm土層CK階段的蔗糖酶活性6月最高，之后隨時間變化逐漸降低，其它3種退化程度均呈“升—降—升”的變化趨勢，活性值在6月和9月上升。10～20 cm土層中CK，HD變化趨勢相同，均為5月最高，7月最低，差值分別為30.15 mg·g-1和33.28 mg·g-1，而SD與MD蔗糖酶活性8月下降至最低。20～40，40～60，60～80，80～100 cm土層的變化趨勢一致，表現(xiàn)為SD，MD，HD階段酶活性6月最高，7，8月份波動性變化，9月趨于穩(wěn)定，CK則呈“雙峰曲線”，峰值出現(xiàn)在6月和8月。整個0～100 cm土層，4種退化程度蔗糖酶活性均值為6月(47.07 mg·g-1)>9月(31.33 mg·g-1)>5月(31.14 mg·g-1)>7月(30.72 mg·g-1)>8月(22.69 mg·g-1)。

圖2 土壤蔗糖酶活性的時間動態(tài)Fig.2 Time dynamics of soil invertase activity

2.2 土壤淀粉酶活性

不同植被退化程度中0～100 cm土層土壤淀粉酶活性均值為CK(29.86 mg·g-1)>SD(25.64 mg·g-1)>MD(20.27 mg·g-1)>HD(18.43 mg·g-1)(圖3)。表層(0～20 cm)土壤淀粉酶活性為437.00 mg·g-1，占0～100 cm土層的63.38%。4種退化程度中CK和SD的土壤淀粉酶活性隨土層深度的增加表現(xiàn)出波動性變化；MD和HD在0～40 cm土層中淀粉酶活性隨土層層次增加持續(xù)減少，不同土層間差異顯著(P<0.05)，而在40～100 cm土層中變化幅度較小，范圍在0.18～6.25 mg·g-1。

圖3 不同植被退化階段土壤淀粉酶活性Fig.3 Soil amylase activity in different vegetation degradation stages

隨時間變化，土壤淀粉酶活性在不同土層之間變化趨勢基本一致，大體呈“單峰曲線”(圖4)，具體表現(xiàn)為5月、6月酶活性變幅較小，范圍為0.08～27.58 mg·g-1，7月激增，均值為85.18 mg·g-1，8月和9月降低并趨于穩(wěn)定。從整個0～100 cm土層看，4種退化程度淀粉酶活性均值7月最高，且CK和SD階段酶活性顯著高于MD和HD，9月最低(3.91 mg·g-1)，其它月份變化不明顯。

圖4 土壤淀粉酶活性時間動態(tài)Fig.4 Time dynamics of soil amylase activity

2.3 土壤有機碳含量

不同退化程度0～100 cm土層中，土壤有機碳(SOC)均值隨退化程度加劇而降低(圖5)，具體為CK(18.98 mg·kg-1)>SD(14.64 mg·kg-1)> MD(12.91 mg·kg-1)> HD(12.46 mg·kg-1)。在0～40 cm土層，CK，SD和MD隨土層深度的增加土壤有機碳顯著下降(P<0.05)；40～100 cm土層中CK和SD階段的土層變化沒有顯著性差異(P>0.05)。HD在整個土層剖面呈波動下降趨勢。

圖5 不同植被退化階段土壤有機碳含量Fig.5 Soil organic carbon content in different vegetation degradation stages

不同植被退化程度土壤有機碳表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化(圖6)。CK，SD和MD階段變化趨勢相同，隨時間增加呈線性下降趨勢，SOC含量5月最高，9月最低。HD階段呈先減后增趨勢，SOC含量7月最低。不同月份0～100 cm土層SOC均值為5月(75.93 mg·kg-1)>7月(61.51 mg·kg-1)>6月(56.47 mg·kg-1)>8月(51.53 mg·kg-1)>9月(49.46 mg·kg-1)。

圖6 土壤有機碳時間動態(tài)Fig.6 Time dynamics of soil organic carbon

2.4 土壤蔗糖酶、淀粉酶、有機碳和含水量的相關(guān)性分析

由表2可以看出，土壤蔗糖酶與土壤淀粉酶、土壤含水量及有機碳之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.293，0.450和0.884。土壤淀粉酶與土壤有機碳間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，而與土壤含水量之間相關(guān)系數(shù)為0.118，相關(guān)性未達到顯著水平(P>0.05)。

表2 土壤蔗糖酶、淀粉酶、有機碳和含水量之間相關(guān)性分析Table 2 Pearson correlation analysis between soil invertase and amylase activities，organic carbon and water content

注：**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)

Note:**indicate highly significant correlation at the 0.01 level

3 討論

3.1 土壤蔗糖酶和淀粉酶空間分布

受氣候變化和人為干擾的影響，尕海濕地植被出現(xiàn)不同程度的退化現(xiàn)象，濕地植物生產(chǎn)力發(fā)生變化，同時，植被退化導(dǎo)致濕地環(huán)境惡化，土壤微生物活力和土壤養(yǎng)分及理化性質(zhì)等均改變，進而影響土壤酶的增殖和已積累于土壤中的酶活性[25]。本研究表明尕海濕地土壤蔗糖酶活性隨植被退化程度加劇而降低，且未退化階段(CK)的蔗糖酶活性為53.67 mg·g-1明顯高于其它退化階段。秦嘉海等[26]對祁連山黑河上游退化高寒草地的研究顯示，與其它三種退化草地相比未退化草地中蔗糖酶活性最高，這與本文結(jié)果一致。不同植被退化程度中，地上植被蓋度、高度等群落特征不同(表1)，對土壤微生物的活動和數(shù)量產(chǎn)生影響，而土壤微生物與酶的活性密切相關(guān)[27-28]。植被退化程度較低的區(qū)域植物種類豐富且均勻度高，地下根系密集有機質(zhì)富集，與蔗糖酶有關(guān)的微生物活動旺盛，從而有機殘體分解和微生物與根系分泌為蔗糖酶提供了主要來源[29]。植被退化程度越高土壤越貧瘠，雖然表面透氣性較好，但由于地上生物量少，減少了蔗糖酶的來源，且土壤緊實度增大限制了氧氣交換[30]，土壤呼吸減弱，微生物活性降低，無法促成酶的合成，蔗糖酶活性自然降低。從整個0～100 cm土層看，4種退化階段表層土壤(0～10，10～20 cm)蔗糖酶活性均顯著高于其它土層(P<0.05)，并隨土層的加深呈遞減趨勢。蔣永梅等[28]研究的退化高寒草甸土壤特征也發(fā)現(xiàn)，0～20 cm土層的蔗糖酶活性顯著高于20～40 cm的。

尕海濕地植物優(yōu)勢種以矮篙草為主，其0～20 cm土層中的根系量約占根系總量的85%[18]，且該范圍是植物凋落物的輸入層，也是土壤植物和微生物的活躍層，故土壤蔗糖酶活性最高。而植物根系較少能延伸到的40～100 cm深層土壤中影響蔗糖酶活性的主要因素是微生物、有機質(zhì)等土壤內(nèi)環(huán)境。研究中，40～100 cm層蔗糖酶活性隨土層增加逐層遞減，這一特征與SOC在土層剖面的分布狀況一致(圖5)。而4種退化階段在該范圍表現(xiàn)為重度退化(HD)略高于其它三個退化階段，這是由于相對于大粒徑土壤團聚體蔗糖酶更易被小粒徑團聚體吸附，被吸附的蔗糖酶活性不受改變且穩(wěn)定性增強，對環(huán)境改變表現(xiàn)出一定抗性[31]。隨植被退化加劇，尕海濕地土壤結(jié)構(gòu)變差(容重變大，孔隙度變小)，粘粒增加[21，32]，粘粒聚合形成的小粒徑土壤團聚體為蔗糖酶提供了吸附保護，使其表現(xiàn)出抵抗環(huán)境變化的特征。另外，研究中蔗糖酶與土壤含水量間的相關(guān)性分析顯示(表2)兩者呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，植被退化的濕地土壤孔隙度變小，減少了水分蒸散[33]，土壤濕度變大，因此蔗糖酶活性提高。

土壤淀粉酶與蔗糖酶參與的土壤生物化學(xué)反應(yīng)往往同時發(fā)生，它們之間相互影響協(xié)同共存[34]。本研究中，淀粉酶活性均值隨退化程度加劇顯著下降，并呈明顯的“表聚現(xiàn)象”，這與蔗糖酶在土壤剖面的特征一致。從土層深度看，淀粉酶活性在0～10 cm土層中未退化(CK)和輕度退化(SD)低于中度退化(MD)，這與蔗糖酶活性特征相反(0～10 cm蔗糖酶活性CK>SD>MD)。胡雷等[13]對不同退化程度高寒草原土壤酶活性的研究也發(fā)現(xiàn)，一些土壤酶活性在草甸發(fā)生一定退化后才達到最大值，并非在未退化階段。這可能是因為土壤具有穩(wěn)定性，其抗拒退化能力較強，所以植被演變往往與土壤變化具有非同步性特征，植被發(fā)生退化演替效應(yīng)明顯，而土壤的變化比較緩慢[32]。尕海濕地植被退化過程中SOC變化特征的研究[32]顯示，MD階段植被蓋度雖然較小，但地表植被凋落物最高，加上動物踐踏使凋落物破碎并與土壤充分接觸，促進了凋落物的分解，有助于SOC和養(yǎng)分元素轉(zhuǎn)移到土壤中，這使得MD階段的SOC高于SD階段，由此可以推斷MD階段淀粉酶活性較高可能是SOC含量高所導(dǎo)致。

3.2 土壤蔗糖酶和淀粉酶活性時間動態(tài)

促使蔗糖酶和淀粉酶活性季節(jié)變化的主要因子是植物特性和氣候因素[35]。本研究中，土壤蔗糖酶表現(xiàn)出明顯的時間變化，蔗糖酶活性均值為6月最高，8月最低。6月尕海濕地溫度升高，降雨量較少，植物處于生長初期，適度的干旱促進植物萌發(fā)和根系生長，地上植物的豐富較大程度上改善了土壤微環(huán)境，引起地下生物資源的多樣性[36]，蔗糖酶受到這種自上而下的強烈調(diào)控，通過催化土壤中非生長季積累的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)能量反饋給地上植物群落，進一步維持植物生長[13]。8月是尕海濕地植物生長后期，植物吸收養(yǎng)分能力降低，根系生長減緩，分泌能力變?nèi)酰虼薙D，MD和HD階段蔗糖酶活性降低，而CK階段在8月有所上升，這是因為CK階段生長的植物在8月加大了其地下部分碳的分配比例來促進根系生長[18]，土壤中碳含量的增加使得蔗糖酶活性增強。在0～100 cm土層剖面，9月的蔗糖酶活性相對較高，并且MD顯著高于其它階段。因為9月尕海地區(qū)開始進入漫長的低溫時期，長期受當?shù)貧夂蛴绊?，植物會將有限的光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)入地下儲藏在根系，以抵御低溫干擾[37]，致使地下SOC含量增加，同時部分植物開始衰敗，植物殘體、凋落物和腐殖質(zhì)等新的輸入物刺激舊物質(zhì)產(chǎn)生“起爆劑效應(yīng)”[38]，增強了酶活性。由于MD地表具有最多的凋落物，因此MD的酶活性在此時相對更高。陳慧清[39]的研究顯示，若爾蓋高原濕地土壤蔗糖酶活性在暖季高于冷季；岳中輝等[40]研究了松嫩平原退化鹽堿草地土壤酶活性，發(fā)現(xiàn)土壤中凋落物的輸入有利于酶活性的提高，均與本文結(jié)果一致。但熊浩仲等[41]對川西亞高山白樺林蔗糖酶的研究中發(fā)現(xiàn)，酶活性隨著凋落物高峰期的到來反而降低，由此可見土壤蔗糖酶的季節(jié)動態(tài)根據(jù)地區(qū)環(huán)境條件和植物種類不同有所差別。

土壤淀粉酶活性7月最高，其它月份變化不明顯。范阿南等[42]對遼東山區(qū)胡桃楸林的研究也發(fā)現(xiàn)土壤淀粉酶活性在7月達到最高值，其他月份變化不明顯。主要原因是淀粉酶易受環(huán)境變化的影響[3]，不適宜的環(huán)境條件都會抑制其活性，所以各月份淀粉酶活性少有顯著變化且絕對值較低。土壤溫度是土壤酶活性發(fā)生季節(jié)變化的重要原因之一[3]。南麗麗等[43]認為在溫度升高促使淀粉酶活性增強。尕海濕地冬季長夏季短，最熱月份在7月，平均氣溫10.5℃，是當?shù)貧夂蜃顪嘏臅r期，此時淀粉酶活性最高，說明溫度升高有助于淀粉酶活性增強。此外，7月植物處于生長旺盛階段，土壤養(yǎng)分充足，SOC含量升高(圖6)，SOC作為淀粉酶的反應(yīng)底物進一步促進了淀粉酶活性。0～100 cm土層剖面中，7月各退化階段酶活性為CK>SD>MD>HD，且CK和SD階段酶活性顯著高于MD和HD，說明淀粉酶活性隨退化程度的加劇而降低，并在7月尤其突出。

4 結(jié)論

尕海濕地植被退化對土壤蔗糖酶和淀粉酶活性影響較大，并存在季節(jié)差異。隨著尕海濕地植被退化演替的進行2種酶活性逐漸降低；蔗糖酶活性在6月最高，8月最低，同一退化梯度酶活性隨土層深度增加顯著降低；淀粉酶活性整體在7月最高，其他月份酶活性較低且變化不明顯，酶活性在土層剖面自上而下呈波動下降趨勢；表層土壤中2種酶活性受退化程度的影響更顯著?？傊?，尕海濕地植被退化顯著影響土壤蔗糖酶和淀粉酶活性，降低了酶促反應(yīng)的效率，導(dǎo)致濕地土壤環(huán)境惡化。