黃土高原刺槐林土壤酶化學計量沿著環(huán)境梯度變化

張 鵬, 王國梁,2

(1.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，主要是由土壤微生物合成分泌的高效催化物質[1]。土壤微生物通過犧牲最小化的營養(yǎng)成本合成土壤酶，從而獲得可吸收的礦物元素、低分子有機物以及能量，完全符合細胞經(jīng)濟學[2]。土壤酶廣泛參與的地下生態(tài)系統(tǒng)中的生化反應過程，在整個地球化學物質循環(huán)過程中起到了至關重要的作用[3]。在過去的很長時間里，人們集中于對不同生態(tài)系統(tǒng)土壤酶動力學研究[4]，例如對草地生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)酶活性的研究。近年來，由于生態(tài)化學計量學的興起，通過研究生物體元素的關系，探索生態(tài)過程中多種化學養(yǎng)分元素和能量平衡，已經(jīng)成為生態(tài)學研究的重要措施[5]。前人從化學計量學角度主要側重于區(qū)域和生態(tài)系統(tǒng)尺度的研究[6]，以揭示植物的生物量，養(yǎng)分循環(huán)和元素限制等方面的機理。全球氣候變化顯著影響著整個生態(tài)系統(tǒng)，全球大氣的氮(N)、磷(P)沉降，氣候變暖，降水變化等一系列氣候變化改變了C，N以及P循環(huán)酶的相對豐度及其相應化學計量特征[7]。Sinsabaugh等發(fā)現(xiàn)，土壤pH值、質地、土壤養(yǎng)分等影響著土壤酶化學計量比[8]；此外生物因子對土壤化學計量有著顯著影響，微生物量(C∶N∶P)化學計量影響土壤微生物產(chǎn)生相應土壤酶，以便微生物在復雜的土壤有機質中獲取更為有利的營養(yǎng)物質[9]；氣候對土壤酶化學計量比影響前人有過一定的研究，但降水量、氣溫對土壤酶的影響并沒有得到一致的結果[1,10-11]。

土壤微生物量(SMB)是土壤健康的重要指標，在生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性中發(fā)揮關鍵作用。生態(tài)系統(tǒng)即使在受到干擾后，如果具有較高微生物多樣性和生物量依然可以通過微生物緩沖來維持生態(tài)穩(wěn)定[12]。在前人的研究中我們得知，大尺度范圍內，氣候因子、土地利用類型和主要植被組成是影響不同生態(tài)系統(tǒng)類型中SMB變異的關鍵因素[13]。小尺度范圍，枯枝落葉和細根投入的數(shù)量和質量差異以及相關營養(yǎng)物質的特異性是影響整個生態(tài)系統(tǒng)中SMB的關鍵驅動因素[14]。由于生態(tài)化學計量學的引入，SMB化學計量比引起了人們的重視。與土壤養(yǎng)分相比，SMB化學計量比相對穩(wěn)定，尤其當SMB化學計量比不隨土壤養(yǎng)分化學計量的變化而變化時，認為其處于穩(wěn)定狀態(tài)[15]。根據(jù)前人的研究，氣候對SMB化學計量穩(wěn)態(tài)的影響一直以來沒有統(tǒng)一的結論[13]。因此在不同環(huán)境梯度下SMB化學計量研究顯得尤為重要。

黃土高原是在過去很長時間里農(nóng)牧業(yè)的生產(chǎn)，導致數(shù)百萬公頃土地退化，生態(tài)環(huán)境脆弱，極易受到環(huán)境氣候變化影響[16]。在不同的環(huán)境氣候條件下，各環(huán)境因子對土壤酶活性影響程度不一。本文以黃土高原刺槐林為研究對象，通過探討不同環(huán)境梯度下各因子與土壤酶及其化學計量特征之間的關系，為黃土高原人工林土壤養(yǎng)分平衡提供有效借鑒。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

在黃土高原地區(qū)由北向南，選取神木、綏德、安塞、淳化(108°31′—110°29′E，35°24′—38°44′N)刺槐林生態(tài)系統(tǒng)。年均溫9～10℃，多年極端最低氣溫-24～-29℃，多年最高氣溫36～42℃；年均降雨量在390～585 mm，多年年最少降雨量250～347 mm，多年最多降雨量584～879 mm，屬于半濕潤區(qū)到半干旱區(qū)過渡區(qū)，以大陸性季風氣候為主，四季分明，區(qū)域性小氣候明顯；平均海拔1 100～1 200 m，坡度25°～30°；土壤主要以黃綿土、沙黃土為主；森林覆蓋率35%～45%，郁閉度0.5～0.7，胸徑10～20 cm，群落物種主要優(yōu)勢種刺槐(Robiniapseudoacacia)，林下灌木以連翹(Forsythiasuspensa)，黃刺玫(Rosaxanthina)等為主；草本以長芒草(Stipabungeana)、披針葉苔草(Carexlancifolia)、黃蒿(Artemisiascoparia)、鳳尾菊(Saussurearomuleifolia)等為主，各樣點土壤類型、年均溫、降雨量等樣地信息見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤采樣 于2017年9月沿環(huán)境梯度選定神木、綏德、安塞、淳化4個地區(qū)，根據(jù)林地立地條件，選擇海拔、坡向、坡度相似的，大小為20 m×10 m的5塊樣方(每塊樣方相距至少20 m)。每個樣方內使用土鉆“S”型隨機取10～15個位點的0—20 cm土層土壤。將土壤樣品去除可見的根和石礫，并將這些樣品混合一起。在現(xiàn)場取樣的過程中，樣品在4℃下儲存在便攜式冰箱中?；氐綄嶒炇液罅⒓磳ν寥肋M行含水量(SWC)測定。新鮮土壤樣品通過2 mm篩網(wǎng)，并分為兩個子樣品。一份子樣品在4℃下儲存，進行土壤酶活性和土壤微生物量測定；另一份在空氣中自然風干，然后通過0.25 mm篩網(wǎng)用于土壤有機碳(SOC)，全氮(TN)和全磷(TP)等土壤養(yǎng)分的測定。

表1 中國黃土高原地區(qū)采樣點主要信息

表2 環(huán)境因子與微生物量沿著環(huán)境梯度的變化

1.2.3 微生物生物量測定 通過氯仿熏蒸提取法[17]測定微生物量碳(MBC)和氮(MBN)。稱取兩份25 g土壤樣品，一份用40 ml的0.5 mol/L的K2SO4溶液浸提，另外一個子樣品用氯仿在真空干燥器中熏蒸24 h。然后采用與未熏蒸樣品相同的提取過程。使用總有機碳分析儀測定浸提液中的總溶解有機碳和總溶解氮。土壤微生物量磷(MBP)通過氯仿熏蒸提取法測定。稱取兩份2.5 g土壤樣品，一份用50 ml的0.5 mol/L的NaHCO3(pH=8.5，用NaOH調節(jié))提取，熏蒸程序與上述MBC和MBN一致，并用紫外分光光度計測定浸提液中的總溶解磷。MBC，MBN以及MBP的計算公式：

MBC=ΔMC/kC；MBN=ΔMN/kN；MBP=ΔMP/kP

式中：ΔMC為熏蒸和未熏蒸的總溶解碳的差值；kC為轉換系數(shù)0.38；ΔMN為熏蒸和未熏蒸總溶解氮的差值；kN為轉換系數(shù)0.45；ΔMP為熏蒸和未熏蒸的總溶解磷的差值；kP為轉換系數(shù)0.4。

1.2.4 酶測定 本文測定以下4種：β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨肽酶(LAP)和堿性磷酸酶(AP)根據(jù)標準熒光技術的修改版本測量[18]。稱取3 g土壤在125 ml的Tris-HCl堿緩沖液中，并在震蕩器均化10 min。調節(jié)Tris堿緩沖液的pH值以接近土壤樣品的pH。將土壤漿液(200 μl)加入到96孔微量培養(yǎng)板中，然后向每個孔中加入50 μl對每種酶特異的200 μmol/L的熒光底物代用物。使用6個重復測量每個樣品。每個樣品包括土壤漿液和4-甲基傘形酮(MUB)或7-氨基-4-甲基香豆素(AMC)標準曲線(0,2.5,5,10,25,50，100 μmol/L濃度)的淬滅控制重復。亮氨酸氨基肽酶的參考標準是AMC，剩余的酶是MUB。將微孔板在25℃下孵育3 h。使用酶標儀測定熒光量，激發(fā)365 nm，發(fā)射450 nm。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析 相關統(tǒng)計均在SPSS 23.0中進行并計算所有因子算數(shù)平均值和標準誤差，同時對微生物量和酶及其化學計量和影響因素進行Pearson相關性分析；使用顯著差異(LSD)檢驗不同地區(qū)土壤酶活性和化學計量之間的差異；使用Origin 9.0進行繪圖；使用Canoco5.0進行冗余分析(RDA)。

2 結果與分析

2.1 環(huán)境因子與微生物量沿環(huán)境梯度的變化

環(huán)境梯度對黃土高原刺槐林地環(huán)境因子與微生物量有著不同程度的影響(表2)。環(huán)境因子中，由北到南土壤黏粒、粉粒、SWC、速效養(yǎng)分、全量養(yǎng)分均呈增加趨勢；沙粒含量、土壤pH呈降低趨勢。而土壤化學計量比率沿環(huán)境梯度變化并不統(tǒng)一，C/N，C/P分別在9.72～14.01，6.76～16.86之間波動；N/P在0.69～1.56之前呈先減小后增加變化。由北到南MBC，MBN，MBP含量分別為23.08～95.04，2.86～7.95，0.53～0.92 mg/kg；MBC，MBN，MBP，MBC/MBP均呈增大趨勢；MBC/MBN在7.65～12.06范圍波動，MBN/MBP在5.47～12.30之間呈先減小后增加趨勢。

2.2 土壤酶活性沿著環(huán)境梯度的變化

沿環(huán)境梯度土壤酶活性變化如下：BG，LAP，NAG和AP活性分別為28.72～110.66，1.60～3.32，6.84～10.25，14.17～32.60 [nmol/(g·h)]；LAP活性呈增加趨勢；BG，NAG，AP活性先增加后減小而后又增加。除NAG活性在綏德最高外，其他3種酶活性均在淳化地區(qū)最高(圖1)。

注：圖中數(shù)值為平均值±標準誤，不同字母表示不同地區(qū)存在著顯著差異(p<0.05,n=5)。

2.3 土壤酶活性化學計量沿著環(huán)境梯度的變化

表3表明，沿環(huán)境梯度由北到南，BG/(LAP+NAG)、BG/AP、(LAP+NAG)/AP分別為3.15～6.46，1.5～2.96，0.41～0.70；BG/(LAP+NAG)先減小后增大，淳化最高；BG/AP先減小后增大，在神木最高；(LAP+NAG)/AP呈持續(xù)減小趨勢。在對不同采樣點土壤酶活性數(shù)據(jù)進行標準化處理后，淳化刺槐群落的lnBG/ln(LAP+NAG)顯著高于其他3個采樣點(p<0.05)；lnBG/ln(AP)在綏德最高但其他采樣點不存在顯著性差異；ln(LAP+NAG)/lnAP在神木最高同樣不同采樣點不存在顯著性差異。

2.4 土壤微生物量與酶及其化學計量比與影響因子之間的關系

表3 土壤酶活性化學計量沿著環(huán)境梯度的變化

圖2 土壤酶及微生物量與各因子之間的關系(RDA)

將土壤酶活性與微生物量化學計量比作為響應變量，將生物及環(huán)境因子作為解釋變量進行冗余分析(RDA)，分析結果表明：變量總解釋率達到72.18%，其中第一軸的變量解釋率52.91%，第二軸的變量解釋率19.27%；并且A-P，TN分別解釋土壤酶與微生物量化學計量比的30.5%，19.1%(圖3)。相關性分析表明，MBC/MBN、BG/(LAP+NAG)與MAT、MAP、SWC、A-P、SOC、TN、C/P、N/P呈顯著正相關，與pH呈極顯著負相關；MBC/MBN與MAT、MAP、A-P呈顯著正相關；MBN/MBP與A-P呈顯著正相關；BG/AP與TN、N/P呈正相關；(LAP+NAG)/AP與MAT、MAP、黏粒、粉粒、SWC、A-P、SOC、TN、C/P、N/P呈顯著正相關(附錄)。

圖3 土壤酶及微生物量化學計量與各因子之間的關系(RDA)

3 討 論

3.1 土壤酶化學計量特征及微生物養(yǎng)分限制

黃土高原屬于干旱貧營養(yǎng)區(qū)，土壤酶活性對土壤養(yǎng)分循環(huán)、能量流動以及地下生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性起著至關重要的作用[9,19]。微生物可以通過調節(jié)其自身代謝，活化土壤養(yǎng)分，緩解對土壤中N，P等養(yǎng)分的限制，從而適應不同生境[20]。我們可以通過土壤酶表達程度以及酶化學計量特征，探究微生物應對土壤養(yǎng)分限制的對策[3]。

通過對土壤酶化學計量比的對數(shù)轉化得出其比值為1∶0.65∶1.25，這偏離了全球生態(tài)系統(tǒng)的1∶1∶1的比例。本研究中土壤酶活性N/P(0.52)高于全球生態(tài)系統(tǒng)酶活性比(0.13)[21]，表明黃土高原刺槐林地的微生物代謝往往對N源酶的投入低于P源酶，這項研究的結果與微生物的資源分配觀點一致，微生物通過最佳分配其養(yǎng)分儲備以獲取最有限的資源[22]。人們普遍認為，溫帶生態(tài)系統(tǒng)中氮的有效性普遍較低[8]，但是本文研究黃土高原刺槐林地以P限制為主。也就是說，當P在土壤中受限時，微生物將增加P源酶的產(chǎn)生。微生物在C，N和P的獲取中進行權衡，以響應基質和營養(yǎng)資源供應的變化，表明土壤酶化學計量在黃土高原刺槐林地并不是處于穩(wěn)態(tài)，而是資源依賴。不僅如此，土壤TP在不同地區(qū)的含量均處于較低水平(表3)，而且在堿性土壤中P元素與土壤中Ca2+，Mg2+等離子易發(fā)生螯合反應，加重土壤P元素限制[7]。但它在限制微生物活動中的作用可能因不同的采樣點而異，表明在微生物群落主要在其他采樣點受到限制。同時，先前的研究表明微生物化學計量比和土壤酶活性比率具有耦合關系。然而，我們的結果表明微生物比的變化明顯與土壤酶化學計量比不一致(表3)。研究結果表明雖然黃土高原N含量同樣也處于較低水平，本研究中與全球生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性C/N基本一致，并且影響土壤酶化學計量主要影響因素并不是TN。造成這一現(xiàn)象主要原因可能是刺槐是豆科植物，由于根瘤菌的固氮作用，減輕了刺槐林N元素的限制。綜上所述，黃土高原刺槐林群落主要受P元素限制。

3.2 驅動土壤酶活性及其化學計量比變化機制

在黃土高原刺槐林生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性及其化學計量比主要受到土壤養(yǎng)分的影響。土壤養(yǎng)分通過影響土壤酶的生化特性和調節(jié)酶分泌來影響土壤酶活性[23]。雖然土壤P是主要的限制養(yǎng)分元素，由于不同的采樣點均處于較低水平并且不存在顯著性差異，對土壤酶活性及其比率均未產(chǎn)生顯著的影響。在本研究中，RDA結果表明，土壤酶、微生物量及其化學計量比分別與N/P、A-P、TN有著顯著性正相關關系，此外與土壤SOC，C∶N，C∶N呈顯著正相關，說明不同采樣點在P元素水平一致的情況下，在隨著SOC，TN的變化顯著影響土壤酶活性。由北到南，土壤MBC含量下降，土壤酶C∶P比值增加。當土壤N和P的有效性較低時，土壤微生物會增加參與N和P循環(huán)的酶的產(chǎn)生，以滿足他們對這些營養(yǎng)素的需求。這一過程導致由北到南，黃土高原刺槐林的土壤BG和AP活動降低。

土壤酶活性還受到年平均溫度(MAT)和降水(MAP)的影響。氣候因素通過影響微生物養(yǎng)分需求和土壤養(yǎng)分有效性來影響土壤酶活性和化學計量比。先前的一項研究表明，MAT可能是全球范圍內空間變異的主要影響因素[10]，隨著溫度升高，土壤酶活性增加。本文的研究結果也同樣證實了這點，土壤酶活性均隨著MAT的增加而增加。MAP主要是通過改變土壤含水量(SWC)來影響土壤酶活性，土壤水顯著影響底物和抑制性化合物的擴散速率[25]。研究發(fā)現(xiàn)土壤酶活性(除NAG)與MAP，SWC呈正相關關系。降水量的增大勢必導致土壤養(yǎng)分淋融作用降低，而導致微生物底物減少，從而使得微生物響應營養(yǎng)限制，分泌相應的酶以滿足其營養(yǎng)需求[26]。因此，隨著MAT和MAP沿環(huán)境梯度的增加，土壤AP活性增加，但土壤酶活性(C∶N)和(N∶P)隨著MAT和MAP的增加而增高。與全球范圍內的結果不同[8]。造成這一結果主要原因可能是研究區(qū)為刺槐生態(tài)系統(tǒng)，土壤中N限制較小，N源酶尤其是(NAG)受到環(huán)境梯度影響較小，而C源酶與P源酶受到較大，其中BG隨著MAP，MAT增大而增大。P源酶由于隨著環(huán)境梯度的增加，P限制的緩解，AP的分泌相對較少，使得出現(xiàn)以上結果。

土壤pH值對土壤酶活性有著重要影響，不同的土壤酶活性最適pH不同。本文研究結果土壤酶活性(除NAG)及其比率與pH均呈極顯著負相關。Sinsabaugh等研究表明土壤AP，NAG活性與土壤pH值之間存在負相關關系，這與本文的結果一致。同時，土壤BG與土壤pH之間存在顯著負相關，這與前人得到的無明顯關系結果不一致[8,24]；造成這種情況的主要原因可能是在不同的研究區(qū)域中，土壤pH處在不同范圍，Sinsabaugh[8]等的研究范圍則在4到8.5之間。而本文的研究區(qū)集中在堿性土壤范圍內。在主要受P限制土壤中，土壤微生物將分泌更多的AP，以滿足高pH土壤中微生物對于土壤P的需求，從而導致土壤AP活性與土壤pH之間呈負相關，土壤酶化學計量N/P也與土壤pH呈負相關。微生物生物學研究還表明，土壤pH值是不同尺度空間變異的主要驅動因素[22]。在研究區(qū)隨著環(huán)境梯度增加，土壤pH增加，pH影響微生物代謝活動從而進一步影響酶活性。

本文發(fā)現(xiàn)土壤酶化學計量C∶P和N∶P與土壤C∶P和N∶P比值呈正相關。這些結果與Sinsabaugh等研究結果一致[8]。土壤酶作為生物催化劑，主要來自土壤微生物、根系分泌物和植物和動物殘留物的分解[7]。土壤酶活性化學計量隨著土壤和微生物量化學計量變化而發(fā)生變化。因此，微生物量化學計量的變化可能對土壤酶化學計量有影響[25]。結果表明，隨著土壤養(yǎng)分的有效性，微生物量碳(MBC)會影響土壤的土壤酶活性。通過調節(jié)土壤微生物的酶產(chǎn)量來改變其土壤養(yǎng)分有效性的變化。微生物量養(yǎng)分的化學計量不隨著土壤養(yǎng)分的變化而變化，說明微生物化學計量處于相對穩(wěn)態(tài)。本文的研究結果表明，沿環(huán)境梯度土壤酶活性化學計量模式是通過土壤—微生物反饋與土壤養(yǎng)分循環(huán)共同影響。

4 結 論

ln(BG)∶ln(LAP+NAG)∶ln(AP)比值為1∶0.65∶1.25，這偏離了全球生態(tài)系統(tǒng)的1∶1∶1的比例，這些關系之間的差異受MAP、土壤N/P，A-P以及TN等因子的顯著影響；黃土高原刺槐林生態(tài)系統(tǒng)普遍主要受到P限制，N限制相對較弱，同時，酶活性化學計量處于非穩(wěn)定狀態(tài)，土壤微生物量化學計量處于相對穩(wěn)態(tài)。我們的研究結果為森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤酶活性和養(yǎng)分循環(huán)控制提供了有效的借鑒。