水分梯度下川西高寒濕地土壤酶活性變化特征

劉 楊，王小沁，沈丹杰，孫 輝，唐文英

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院/四川省土壤環(huán)境保護(hù)工程技術(shù)中心，成都 610065）

土壤酶是土壤生態(tài)與生物化學(xué)過程的主要參與者， 土壤酶活性對土壤有機(jī)物質(zhì)腐殖化和礦質(zhì)化、物質(zhì)循環(huán)及能量傳遞、土壤污染物降解及環(huán)境質(zhì)量維持等土壤生態(tài)過程和生態(tài)功能的維持都具有重要意義[1-3]。土壤中纖維二糖水解酶（CBH）、β-葡萄糖苷酶（BG）、β-N-乙酰氨基葡萄糖酶（NAG）和磷酸單酯酶（PME）等在一定程度上反映了土壤生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、磷等生物地化循環(huán)過程與動(dòng)態(tài)特征[4-5]，被認(rèn)為是體現(xiàn)土壤生態(tài)過程的幾種關(guān)鍵酶類。全球變化通過影響包括高寒濕地等在內(nèi)的青藏高原低溫生態(tài)系統(tǒng)溫度（熱量）和水分（降水）格局變化，可能改變從土壤生物地化循環(huán)到高寒植物生長發(fā)育全過程，因此把高寒生態(tài)系統(tǒng)作為全球變化效應(yīng)研究的敏感生態(tài)系統(tǒng)[6-7]。全球變化在若爾蓋等高寒濕地產(chǎn)生了濕地退化、干旱化以及物候變化等一系列環(huán)境效應(yīng)[7-8]，而高寒土壤酶活性與土壤水分、溫度等物理環(huán)境因子關(guān)系顯著[3，9-10]，因此土壤酶活性變化被認(rèn)為可能是全球變化的土壤特征效應(yīng)之一[9]。

若爾蓋及其鄰近區(qū)域的高寒濕地是我國乃至全球最重要的高寒濕地之一，對區(qū)域乃至全球尺度生態(tài)安全和環(huán)境演變具有重要意義[11]。從1960年以來，在全球變化、凍融侵蝕和人為活動(dòng)疊加影響下，出現(xiàn)明顯濕地退縮，季節(jié)性凍融格局改變、濕地萎縮（積水面積和時(shí)間）、濕地植被向干旱化草地轉(zhuǎn)變[12-14]等跡象，更為嚴(yán)重的是面積較大的連片沙丘出現(xiàn)[15]。近年來國內(nèi)外越來越多研究工作，關(guān)注全球變化背景下若爾蓋濕地土壤碳庫動(dòng)態(tài)、生態(tài)修復(fù)以及環(huán)境變化[16]。本文旨在關(guān)注若爾蓋濕地干旱化趨勢下，從滯水濕地到干旱化草地過渡中土壤水分的梯度變化，探討土壤酶活性在水分梯度下的變化規(guī)律，以期為揭示全球變化背景下高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)演變特征提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

若爾蓋濕地位于青藏高原東緣四川、甘肅兩省交界處，平均海拔3 400～3 600 m，地理上分別屬于若爾蓋、阿壩、紅原、碌曲、瑪曲等縣，是黃河上游最為重要的水源地之一。若爾蓋濕地區(qū)域?qū)俅箨懶愿咴瓪夂?，年均降水?50～750 mm，平均氣溫 0.7～1.1 ℃。若爾蓋濕地主要地貌類型為高原夷平面低山、丘陵、河谷和階地，低洼地帶常年積水、季節(jié)性積水或臨時(shí)性積水。黑河與白河兩條主要河流自南向北橫貫全區(qū)， 蜿蜒曲折。植被以高山草甸草原（Alpine meadow）和高寒沼澤（Alpine swamp）為主[17]。

1.2 土樣制備

在研究地點(diǎn)若爾蓋濕地（102°31′E，33°17′N），根據(jù)土壤干旱化程度分別選取滯水濕地（WT）、泥炭丘（PH）、干旱化草甸（DG）3 種類型進(jìn)行采樣。每個(gè)樣地取樣重復(fù)3 次，每個(gè)重復(fù)由9 個(gè)樣點(diǎn)土樣混合而成。土壤樣品按 0～10 cm 和 10～20 cm 分層收集約200 g，采回土樣通過自然風(fēng)干，剔除砂石、根系和植物殘?bào)w，經(jīng)研磨并過100 目篩，再混合均勻，裝入棕色瓶放置于4 ℃的冷藏室，密閉保存以待測定。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤酶測定方法

采用基于R.P.Dick[18]的微孔板熒光法，測定纖維二糖水解酶（Cellobiohydrolase）、β-葡萄糖苷酶（βglucosidase）、β-N-乙酰氨基葡萄糖酶（β-N-Acetylglucosaminidase）、土壤磷酸單酯酶（Phosphomonoesterase）的活性，所用底物分別為4-甲基傘形酮-纖維二糖苷（MUF-C）、4-甲基傘形酮-β-D-葡萄糖苷（MUF-G）、4-甲基傘形酮-N-乙酰氨基-β-D-葡萄糖苷（MUF-NAG） 和 4-甲基傘形酮-磷酸酯（MUF-P）。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)測定方法

土壤pH 值用酸度計(jì)法；土壤總氮（TN）和總有機(jī)碳（TOC） 采用元素分析儀測定；溶解性有機(jī)碳（DOC）和溶解性氮（DN）采用Jones 方法提取后用總有機(jī)碳/總氮分析儀測定；土壤溶解性磷 （DP）用ICP-MS 法分析測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤酶作用于相應(yīng)底物會釋放出熒光物質(zhì)4-甲基傘形酮（MUF），反應(yīng)方程如下所示，由于1 mol底物分解得到1 mol MUF， 故4 種底物的分解程度可以用MUF 的釋放量表示。通過多功能讀數(shù)儀測定溶液熒光值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得到相應(yīng)酶的活性。

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Origin 9.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 高寒濕地土壤理化性質(zhì)

不同水分環(huán)境下若爾蓋濕地土壤的一些理化性質(zhì)見表1。作為限制土壤生物和化學(xué)活性閾值的土壤pH 在濕地和泥炭丘土壤中差異不顯著， 而在干旱化土壤中有顯著升高。泥炭丘和濕地土壤TOC和TN 含量均顯著高于干旱化草地土壤， 可能因淹水環(huán)境下有機(jī)物分解緩慢，促進(jìn)泥炭形成積累和腐殖化，故土壤中纖維素、半纖維素、腐殖酸和生物堿等含量較高，TOC 和TN 含量處于較高水平。在濕地土壤干旱化過程中，表層和亞層總有機(jī)碳儲量降幅分別為28.96%±9.91%和30.44%±4.87%，這與干旱化草地有關(guān)酶活性升高有關(guān)；表層和亞層總氮儲量降幅分別為28.17%±12.00%和33.86%±5.23%，暗示濕地干旱化導(dǎo)致土壤氮庫退化。濕地退化過程（WT→PH→DG）中，濕地土壤溶解性氮（DN）顯著高于泥炭丘和干旱化草地土壤，這與土壤碳氮存在狀態(tài)和有效性有關(guān)。

2.2 高寒濕地土壤酶活性變化

不同水分狀況下土壤中纖維二糖水解酶（CBH）、β-葡萄糖苷酶（BG）、β-N-乙酰氨基葡萄糖酶（NAG）、磷酸單酯酶（PME）4 種酶的活性均達(dá)到顯著水平（圖1）。表層和亞層濕地土壤在干旱化過程中（WT→PH→DG），4 種酶活性在表層土壤均高于亞層土壤。BG 和CBH 的活性在干旱化草甸（DG）表層土壤中達(dá)到最高， 亞層土壤則在泥炭丘中最高， 這顯示干旱化加劇了濕地土壤表層有機(jī)碳分解。泥炭丘（PH）土壤中與有機(jī)磷水解有關(guān)的PME活性顯著高于濕地（WT）和干旱化草地（DG），表明泥炭丘環(huán)境是有利于PME 活性升高的。表層泥炭丘（PH）土壤中與有機(jī)氮水解有關(guān)的NAG 活性顯著低于濕地（WT）和干旱化草地（DG）土壤，這個(gè)結(jié)果比較有意思， 即水分適中的泥炭丘不利于NAG 活性增加。

表1 不同水分狀況下若爾蓋濕地研究區(qū)域土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physical and chemical properties of Zoige Wetland under different moisture condition

2.3 高寒濕地土壤酶活性化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

對不同水分梯度下濕地土壤的酶活性比進(jìn)行線性回歸，截距為零時(shí)所得直線的斜率即為酶活性比的回歸值，分析結(jié)果見圖2。表層土壤C/P 比為干旱化草甸＞濕地＞泥炭丘，N/P 比為干旱化草甸≈濕地＞泥炭丘，二者在泥炭丘都顯著下降，說明泥炭丘表層土壤中磷循環(huán)較為緩慢，可被微生物利用磷含量較低。C/N 比為泥炭丘＞干旱化草甸＞濕地。亞層土壤僅有泥炭丘和干旱化草甸兩種類型，C/N 和N/P比均與表層一致，僅C/P 需求比與表層呈現(xiàn)相反的趨勢（泥炭丘＞干旱化草甸），即泥炭丘亞層土壤的磷循環(huán)較為活躍。

圖1 不同水分狀況下若爾蓋濕地土壤4 種酶活性特征Figure 1 Characteristics of 4 soil enzymes activity in Zoige Wetland under different moisture condition

對不同類型濕地土壤的兩個(gè)土層進(jìn)行檢驗(yàn)分析，并根據(jù)回歸結(jié)果進(jìn)行酶活性化學(xué)計(jì)量學(xué)的計(jì)算（表 2）。土壤 C/P、N/P 和 C/N 比在不同類型濕地中均存在顯著差異， 泥炭丘和干旱化土壤的TOC/TN明顯高于濕地土壤。分析不同類型濕地土壤C/N/P比可發(fā)現(xiàn)，表層濕地與干旱化草甸土壤的比值大致相似，而泥炭丘中N 含量顯著下降，這可能與泥炭丘土壤凋落物較少且含氮量低有關(guān)。凋落物中氮含量能否滿足微生物對氮的需求是氮釋放過程的關(guān)鍵因素，其初始氮含量和分解過程中氮剩余量共同決定著氮的釋放過程。高氮含量的凋落物能滿足微生物對氮的需求從而快速釋放氮；低氮含量的凋落物則不能滿足，微生物須從環(huán)境中尋找其他外源氮來驅(qū)動(dòng)氮的分解。泥炭丘和干旱化草甸亞層土壤N 循環(huán)速率均低于表層土壤，可能是因?yàn)閬唽油寥篮茈y從凋落物中直接獲取養(yǎng)分，分解者無法先從環(huán)境中固定外源氮，故沒有足夠的動(dòng)力進(jìn)行N 的釋放。

表2 不同水分狀況下若爾蓋濕地土壤4 種酶活性的化學(xué)計(jì)量學(xué)Table 2 Stoichiometry of 4 soil enzymes activities in Zoige Wetland under different moisture condition

圖2 不同水分狀況下若爾蓋濕地土壤4 種酶活性比的單變量線性回歸分析Figure 2 Univariate linear regression for 4 soil enzymes activity ratios in Zoige Wetland under different moisture condition

2.4 高寒濕地土壤酶與土壤理化因子的相關(guān)性

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濕地生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)性分析結(jié)果見表3。表層土壤酶活性受環(huán)境因子的影響較小，PME、BG、CBH 與土壤環(huán)境因子及結(jié)構(gòu)均沒有明顯相關(guān)性，NAG 僅與DOC、DOC/DP 呈顯著正相關(guān)。以酶活性比表示的需求比與環(huán)境因子的相關(guān)性也較小。土壤酶之間的相關(guān)性較高，BG、CBH、NAG 兩兩顯著相關(guān)，且均未與PME 顯著相關(guān)。亞層土壤參與碳循環(huán)的酶（BG、CBH）與土壤氮組分密切相關(guān)；PME 僅與TN 呈顯著正相關(guān)，NAG 與土壤環(huán)境因素未表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系。土壤養(yǎng)分需求比與環(huán)境因子的相關(guān)性較大，其中C/N 比與土壤氮組分密切相關(guān)，它與土壤諸多理化因子均顯著相關(guān)，N/P 與C/N 比呈極顯著負(fù)相關(guān)。結(jié)果表明， 亞層土壤酶間的相關(guān)性比表層土壤高，除PME 與NAG 不呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系外，4 種酶之間均兩兩顯著相關(guān)。

3 討論

3.1 不同水分狀況下高寒濕地土壤酶活性變化特征

若爾蓋高寒濕地關(guān)鍵土壤酶活性呈現(xiàn)垂直分布的特征。本研究濕地在退化過程中， 表層土壤4種酶活性均有不同程度的增加，而亞層土壤與之相反，這與吳俐莎、陶寶先等隨土壤深度增加，土壤酶活性逐漸降低的研究結(jié)果一致[19-20]。因此推測濕地退化是通過影響土壤水分梯度而間接影響土壤種酶活性。隨著表層土壤水分含量的降低，參加C、N、P 循環(huán)的土壤酶增加，C、N、P 循環(huán)由亞層向表層轉(zhuǎn)移，這與萬鐘梅[17]在分析水位對小葉章濕地蔗糖酶活性隨水位增加活性不斷降低的結(jié)論相似。而田幼華等研究表明土壤酶活性會隨土壤水分的增加而增加[21]，這可能取決不同地區(qū)水分是否為限制因子。土壤酶活性隨生態(tài)系統(tǒng)改變有不同的變化范圍和分布情況，然而土壤酶活性的化學(xué)計(jì)量學(xué)卻表現(xiàn)出相似的趨勢[22]。磷酸酶（PME）活性在泥炭丘（PH）土壤中最高，在濕地（WT）和干旱化草甸（DG）土壤均顯著降低；而纖維素酶BG&CBH 和幾丁質(zhì)酶NAG 的活性在泥炭丘（PH）土壤中最低，在WT 和DG 中顯著升高。這表明水流停滯和干旱化程度加劇均不利于土壤礦物質(zhì)磷的礦化吸收，卻有利于土壤碳氮的礦化分解，與Brockett B.F.T.等的研究結(jié)果相符[23]。

3.2 高寒濕地土壤酶活性及其指示意義

Moorhead D.L.研究發(fā)現(xiàn)以 lnBG：ln（NAG+LAP）和lnBG：lnPME 表示的C/N 和C/P 比呈線性關(guān)系，且 C/N 和 C/P 比值超過 1.2 的概率小于 3%[24]。本研究中，C/P 需求比未超過1.2， 而C/N 需求比均大于1.2，甚至3 倍以上，表明若爾蓋濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤氮的可用性較低。因此，正是因?yàn)榈孬@取過程的復(fù)雜性，N 有效性可能成為若爾蓋濕地退化過程中最重要的限制性因子。研究還發(fā)現(xiàn)濕地限制性養(yǎng)分TN、DN 以及與土壤碳關(guān)系密切的TOC 和纖維二糖水解酶（CBH），在濕地退化過程中含量或活性變化均達(dá)到顯著。TN 對生態(tài)系統(tǒng)C、P 循環(huán)速率有很大影響[25]。泥炭丘土壤退化（PH→DG）過程中，表層和亞層TN 儲量降幅分別為28.17%±12.00%和33.86±5.23%，土壤TN 的90%以上是有機(jī)態(tài)氮，而DN 是土壤氮素中最活躍的組分。本研究中， 溶解性氮（DN）與濕地生態(tài)系統(tǒng)退化（WT→PH→DG）呈顯著負(fù)相關(guān)，泥炭丘土壤（PH）和干旱化草地土壤（DG）的DN 含量顯著低于濕地土壤（WT）。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)濕地退化過程中DN 顯著降低且隨土壤深度加深而進(jìn)一步降低， 原因可能是隨著土壤深度增加，DN轉(zhuǎn)變?yōu)镹O3-的形式，這種硝化現(xiàn)象在酸性土壤中尤為明顯[26]。因此，N 有效性限制濕地退化會隨著土壤深度增加而進(jìn)一步加劇。TOC、TN、DN、CBH 可考慮作為濕地退化過程的指示指標(biāo)。

4 結(jié)論

①土壤水分變化對高寒濕地土壤酶活性影響顯著。濕地土壤在干旱化過程中（WT→PH→DG），表層土壤4 種關(guān)鍵酶（纖維二糖水解酶（CBH）、β-葡萄糖苷酶（BG）、β-N-乙酰氨基葡萄糖酶（NAG）、磷酸單酯酶（PME））活性均高于亞層土壤。表層土壤中除NAG 活性在濕地土壤達(dá)到最高外，CBH、BG、PME 活性均在干旱化草甸土中最高，亞層土壤NAG 活性在干旱化草甸土壤達(dá)到最高，其他3 種酶活性在泥炭丘中活性最高，表明隨著表層土壤水分含量的降低，參與土壤C、N、P 循環(huán)有關(guān)土壤酶活性增強(qiáng)。

②高寒濕地（WT）土壤、泥炭丘（PH）土壤和干旱化草甸（DG）土壤表層的 C/N/P 需求比分別為 2∶1∶3、3∶1∶10 和 2∶1∶3；在 PH 和 DG 的亞層土壤中分別為3∶0.7∶10 和 3∶1∶10。因此，土壤中生物可利用氮含量為 PH＜DG＜WT，PH 和 DG 亞層土壤的可利用氮較表層土壤進(jìn)一步下降，這表明在高寒濕地干旱化過程中，土壤氮有效性的退化成為顯著性特征，尤其是在亞層土壤中。