氣候變化對(duì)谷子生育期土壤碳氮磷轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性的影響

王雪松，鄭粉莉，2*，王婧，焦健宇，趙苗苗

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100）

依據(jù)世界溫室氣體數(shù)據(jù)中心（WDCGG）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[1]，到2017 年9 月全球大氣CO2濃度已經(jīng)增加至403μmol·mol?1。CO2濃度升高最為明顯的影響就是導(dǎo)致全球氣候變暖，IPCC 第五次評(píng)估報(bào)告[2]指出，1880年以來(lái)全球平均氣溫升高了0.65～1.06 ℃；同時(shí)，IPPC認(rèn)為CO2濃度和溫度將持續(xù)升高，預(yù)測(cè)到2070—2100 年CO2濃度將達(dá)到524～935 μmol·mol?1，溫度將升高1.1～4.8 ℃。大氣CO2濃度和溫度升高，勢(shì)必對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)雜的影響[3?4]。

土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的組分之一[5]。土壤酶主要由土壤微生物產(chǎn)生，其主導(dǎo)土壤有機(jī)物的分解，催化土壤中碳、氮、磷養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，通過(guò)降低反應(yīng)活化能將聚合物（纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、磷酸酯等）分解為小分子，為植物與微生物提供養(yǎng)分[6?7]。土壤CO2濃度是大氣CO2濃度的10～50 倍；因此，許多學(xué)者認(rèn)為CO2濃度升高通過(guò)影響植物生長(zhǎng)，間接對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[8?9]。由于植物種類(lèi)、年齡和生長(zhǎng)季節(jié)等的不同，有關(guān)CO2濃度升高對(duì)土壤碳氮磷轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性影響的研究結(jié)論也不盡相同，如對(duì)水稻土的研究表明，CO2濃度升高使土壤β?葡糖苷酶（βG）活性顯著升高[10?11]，但草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤βG 酶活性則對(duì)CO2濃度沒(méi)有響應(yīng)[12]；ZHENG 等[13]的研究結(jié)果顯示，CO2濃度升高對(duì)溫帶森林土壤磷酸酶（AP）活性的影響在不同季節(jié)結(jié)果不同。一定范圍內(nèi)，溫度升高不僅可以直接影響土壤酶促反應(yīng)的反應(yīng)速率，也可以通過(guò)影響土壤的物理環(huán)境、微生物群落、有機(jī)物質(zhì)的礦化等因素間接影響土壤酶活性；此外，土壤碳氮磷轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性對(duì)增溫的響應(yīng)也受到增溫時(shí)間和降水等因素的影響[3?4，14?15]。如MCDANIEL等[16]的研究表明，短時(shí)間增溫導(dǎo)致βG 酶和β?N?乙酰葡糖苷酶（NAG）活性減弱；而高山森林的長(zhǎng)期增溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣候變暖改變了土壤碳、氮養(yǎng)分循環(huán)的平衡，增強(qiáng)了土壤βG 酶和β?木糖苷酶（XYL）活性[17]；然而ZUC?CARINI 等[18]的研究指出，只有當(dāng)土壤水分充足時(shí)增溫才會(huì)使土壤酶活性升高。此外，上述研究大多僅涉及單一氣候因子變化對(duì)土壤酶活性的影響，但CO2濃度升高、增溫、干旱等未來(lái)氣候情景通常會(huì)同時(shí)存在，而多氣候因子變化的相互作用對(duì)土壤酶產(chǎn)生的影響可能遠(yuǎn)比單氣候因子變化對(duì)土壤酶活性的影響更加復(fù)雜。因此，研究氣候變化對(duì)土壤酶活性的影響，需要深入了解多種氣候因子交互作用下土壤酶活性的變化規(guī)律，并綜合植物生長(zhǎng)季節(jié)、植物生長(zhǎng)狀況以及土壤水分條件等多種環(huán)境條件進(jìn)行系統(tǒng)研究。

已有關(guān)于土壤酶活性對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究主要集中在森林、草原等自然生態(tài)系統(tǒng)[19?20]，而涉及農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)的研究較為薄弱，且這些研究通常僅針對(duì)某個(gè)特定作物生長(zhǎng)階段，較少考慮作物不同生長(zhǎng)發(fā)育階段土壤酶活性對(duì)氣候變化的響應(yīng)[21?22]。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤碳氮磷養(yǎng)分狀況是影響糧食生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，研究土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶活性對(duì)氣候變化的響應(yīng)將加深理解未來(lái)氣候變化對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程的影響[10]。因此，本研究通過(guò)盆栽控制試驗(yàn)，利用人工氣候室控制CO2濃度和環(huán)境溫度，研究CO2濃度升高和增溫對(duì)C4 作物谷子（Setaria italica）各生育期土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶活性的影響，研究結(jié)果可為減緩氣候變化對(duì)作物生產(chǎn)影響策略的制定提供科學(xué)依據(jù)，也為預(yù)估未來(lái)氣候變化對(duì)C4 作物生長(zhǎng)過(guò)程中土壤質(zhì)量的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2019年4—9月在西北農(nóng)林科技大學(xué)人工氣候室進(jìn)行。供試作物為黃土高原典型旱作作物谷子，品種為晉谷21，全生育期120～140 d。供試土壤為陜西楊凌區(qū)農(nóng)田表層0～20 cm 土壤，土壤類(lèi)型為土。土壤有機(jī)質(zhì)（重鉻酸鉀外加熱法）、全氮（凱氏定氮法）、全磷（H2SO4?HClO4法）含量分別為31.03、1.51、0.97 g·kg?1，速效磷（NaHCO3法）含量為26.59 mg·kg?1。土壤pH 值（復(fù)合電極法，土水比1∶2.5）為8.3，土壤容重（環(huán)刀法）為1.26 g·cm?3，土壤田間持水量為26%質(zhì)量含水量。

盆栽器皿為圓柱形，底部無(wú)孔，其內(nèi)徑和深度分別為21 cm 和27 cm。供試土壤采回后自然風(fēng)干，過(guò)5 mm 篩以去除石塊和植物殘?bào)w并混勻以確保肥力一致，根據(jù)測(cè)定的土壤容重（1.26 g·cm?3）和田間耕層深度（20 cm）計(jì)算得到每盆裝土質(zhì)量為7.00 kg（干土），每盆施入700 mg 氮（尿素）作為底肥，將底肥與土壤充分混勻后裝盆，靜置24 h后進(jìn)行第一次供水。根據(jù)試驗(yàn)土壤田間持水量（26.0%質(zhì)量含水量）和所測(cè)定試驗(yàn)土壤含水量（4.0%質(zhì)量含水量）的差值，計(jì)算每盆試驗(yàn)土壤達(dá)到田間持水量時(shí)所需要添加的水量進(jìn)行供水，最后播種并封上保鮮膜以防止水分散失直至出苗。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及依據(jù)

盆栽試驗(yàn)共設(shè)6種處理：3種氣候條件（對(duì)照、CO2濃度升高、CO2濃度升高和增溫），2 個(gè)水分條件（充分供水和輕度干旱）（表1）。對(duì)于6種試驗(yàn)處理，分別在開(kāi)花期（S1）、開(kāi)花后10 d（S2）、灌漿期（S3）、成熟期（S4）4個(gè)谷子生育期測(cè)定土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶活性，每個(gè)生育期設(shè)置4個(gè)重復(fù)，共計(jì)96盆。氣候條件利用人工氣候室進(jìn)行模擬，除CO2濃度和溫度外，其余環(huán)境條件一致，光周期設(shè)置為12 h/12 h，光照時(shí)間為8：00—20：00，最大光強(qiáng)為600μmol·m?2?s?1，相對(duì)濕度為60%，CO2濃度由系統(tǒng)自動(dòng)控制為恒定值，溫度以24 h為周期進(jìn)行變溫控制（圖1）；土壤水分條件通過(guò)人為控水進(jìn)行模擬。

表1 試驗(yàn)處理Table 1 The experimental treatments

CO2濃度設(shè)定的依據(jù)分別為WDCGG 在2017 年9月的大氣CO2濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（400μmol·mol?1）[1]和IPPC CMIP5[2]預(yù)測(cè)21 世紀(jì)后期的全球大氣CO2濃度（700μmol·mol?1）；環(huán)境溫度的依據(jù)為國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（武功站）[23]1981—2010年6—9月的累年日平均氣溫（日均溫22 ℃），增溫4 ℃的依據(jù)為IPPC CMIP5[2]預(yù)測(cè)21 世紀(jì)后期的增溫幅度（日均溫26 ℃）；充分供水和輕度干旱兩個(gè)水分梯度的設(shè)定是依據(jù)前人的研究結(jié)果[24?25]，分別設(shè)置70%田間持水量（18.0%土壤含水量）和50%田間持水量（13.0%土壤含水量），利用稱(chēng)質(zhì)量的方法控制土壤含水量；同時(shí)，每間隔1 個(gè)谷子生育期稱(chēng)量一部分盆栽的地上植株鮮質(zhì)量，以此校正植株自身質(zhì)量造成的土壤含水量誤差。

1.3 試驗(yàn)步驟

谷子播種時(shí)間為2019 年4 月19 日，每盆5～7 穴，每穴1～2 粒；在谷子三葉期間苗，保留長(zhǎng)勢(shì)大小相近的3 株幼苗，并使其在盆內(nèi)均勻分布。盆栽在播種至拔節(jié)期放置于室外培養(yǎng)，所有盆栽土壤水分保持一致，即為60%田間持水量（15.6%質(zhì)量含水量），精細(xì)管理，避免病蟲(chóng)害及小氣候影響。谷子進(jìn)入拔節(jié)期后，于2019 年6 月5 日轉(zhuǎn)移至人工模擬氣候室進(jìn)行氣候情景模擬試驗(yàn)。具體為：對(duì)盆栽進(jìn)行隨機(jī)分組，即平均分成3組，分別放入3個(gè)氣候室中，第一組為對(duì)照處 理（CO2濃度為400μmol·mol?1和日均溫度為22℃），第二組為CO2濃度升高處理（CO2濃度為700μmol·mol?1和日均溫度為22℃），第三組為CO2濃度和溫度升高組合處理（CO2濃度為700 μmol·mol?1和日均溫度為26 ℃）。對(duì)同一氣候室內(nèi)盆栽再隨機(jī)分為兩組，分別設(shè)置充分供水（70%FC）和輕度干旱50%FC，且每日采用稱(chēng)質(zhì)量的方法控制盆栽的土壤含水量，同時(shí)每周調(diào)換盆栽位置，避免由于局部光照、溫度、濕度差異產(chǎn)生的影響，直至2019年9月收獲。

1.4 土壤樣品采集

在谷子4 個(gè)生育期（開(kāi)花期、開(kāi)花后10 d、灌漿期、成熟期），分別對(duì)不同CO2濃度、溫度和水分處理的盆栽采集土壤樣品。由于CO2濃度、溫度和供水條件的不同，試驗(yàn)處理間谷子各生育期存在一定差別，故而土壤采樣時(shí)間也存在一定差異。谷子生育期的劃分標(biāo)準(zhǔn)參考《谷子規(guī)?；咝г耘嗉夹g(shù)研究》[26]，具體采樣時(shí)間見(jiàn)表2。在采集完盆栽地上部分后，將土體完整從盆中取出，篩出根系，然后將盆栽土壤均勻混合后過(guò)2 mm 篩，其中一部分新鮮樣品保存于4 ℃冰箱中并在采樣后14 d 內(nèi)測(cè)定土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶活性，另一部分土壤樣品風(fēng)干后測(cè)定土壤基本性質(zhì)和pH值。

表2 土壤樣品采樣時(shí)間Table 2 Date of sampling

1.5 土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶活性測(cè)定

土壤βG、NAG、LAP 和ALP 活性的測(cè)定采用SINSABAUGH 等[27]的熒光酶標(biāo)法并做部分修改。以Tris?HCl 溶液為緩沖液，緩沖液pH 值與土壤樣品pH值保持一致，均為8.3。酶標(biāo)板加樣后在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱下培養(yǎng)相應(yīng)時(shí)間后，在多功能酶標(biāo)儀中以365 nm激發(fā)波長(zhǎng)和450 nm 發(fā)射波長(zhǎng)測(cè)量熒光值并計(jì)算酶活性，各土壤酶對(duì)應(yīng)酶底物及培養(yǎng)時(shí)間見(jiàn)表3。

表3 土壤酶活性測(cè)定的底物和培養(yǎng)時(shí)間Table 3 Soil enzymes，their substrates，and incubation time

土壤pH 值測(cè)定采用國(guó)標(biāo)法（NY/T 1377—2007），使用雷磁E?201型復(fù)合電極測(cè)定，土水比1∶2.5。

1.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)整理采用Microsoft office excel 2019，采用SAS 9.4 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析（Repeated measures ANOVA），對(duì)交互作用顯著的結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行簡(jiǎn)單效應(yīng)分析。谷子各生育期不同處理間的差異性檢驗(yàn)通過(guò)Duncan 法進(jìn)行多重比較，顯著性水平檢驗(yàn)（P<0.05），采用Origin 2018繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶活性的影響

2.1.1 對(duì)土壤βG酶活性的影響

由圖2 可知，CO2濃度升高（由400 μmol·mol?1升至700μmol·mol?1）對(duì)土壤βG酶活性的影響在兩種土壤水分條件下存在顯著差異。在70%FC 條件下，與CK 相比，EC 處理使谷子S2 生長(zhǎng)階段的土壤βG 酶活性顯著增加40.65%（P<0.05），使谷子S3 生長(zhǎng)階段土壤βG 酶活性顯著降低44.59%（P<0.05）。在50%FC條件下，與CK相比，EC處理對(duì)土壤βG酶活無(wú)顯著影響（P>0.05）。在兩種水分處理下，增溫4 ℃（由22 ℃升至26 ℃）都對(duì)土壤βG 酶活性具有抑制作用；在70%FC 條件下，EC+T 處理使土壤βG 酶活性較之EC處理在S2、S3 和S4 生長(zhǎng)階段分別降低14.70%、33.80%（P<0.05）和27.45%（P<0.05）；在50%FC 條件下，土壤βG 酶活性在S2、S3 和S4 生長(zhǎng)階段分別顯著降低29.49%、41.42%和29.28%（P<0.05）。

2.1.2 對(duì)土壤NAG酶活性的影響

由圖3 可知，CO2濃度升高對(duì)土壤NAG 酶活性的影響在兩種土壤水分條件下基本相同，但對(duì)70%FC處理下的土壤NAG 酶活性的影響更顯著。在70%FC條件下，與CK 相比，EC 處理使土壤NAG 酶活性在S1、S2 和S4 生長(zhǎng)階段分別顯著增加49.43%、37.88%和34.58%（P<0.05）。在50%FC條件下，與CK相比，EC處理使土壤NAG 酶活性在S4 生長(zhǎng)階段顯著增加47.68%（P<0.05），在S2 生長(zhǎng)階段顯著降低22.67%（P<0.05），而在S1 和S3 生長(zhǎng)階段變化不顯著。增溫對(duì)土壤NAG 酶活性的影響在兩種土壤水分條件下存在差異。在70%FC 條件下，EC+T 處理較EC 處理使土壤NAG 酶活性在S4 生長(zhǎng)階段顯著降低46.21%（P<0.05），而在其他3 個(gè)生育期呈不顯著的降低趨勢(shì)（P>0.05）；在50%FC 條件下，EC+T 處理的土壤NAG酶活性較EC 處理在S1 和S2 生長(zhǎng)階段顯著增加52.52%和46.93%（P<0.05），但在S3 和S4 生長(zhǎng)階段顯著降低41.51%和54.96%（P<0.05）。

2.1.3 對(duì)土壤LAP酶活性的影響

由圖4 可知，CO2濃度升高在谷子4 個(gè)生育期都表現(xiàn)出對(duì)土壤LAP 酶活性的抑制作用。在70%FC 條件下，與CK相比，EC處理使土壤LAP酶活性在S1、S2和S4 生長(zhǎng)階段分別顯著降低24.80%、24.60% 和15.52%（P<0.05）；在50%FC 條件下，與CK 相比，EC處理使土壤LAP酶活性在S1和S4生長(zhǎng)階段分別降低21.94%和15.52%（P<0.05）。增溫4 ℃使土壤LAP 酶活性呈現(xiàn)不顯著的增加趨勢(shì)（P>0.05）。

2.1.4 對(duì)土壤ALP酶活性的影響

由圖5 可知，CO2濃度升高對(duì)土壤ALP 酶活性的影響在兩種土壤水分條件下存在明顯差異。在70%FC 條件下，與CK 相比，EC 處理使土壤ALP 酶活性在S2 和S4 生長(zhǎng)階段分別增加10.07%和28.85%（P<0.05），而在S3 生長(zhǎng)階段顯著降低22.20%（P<0.05）；在50%FC 條件下，土壤ALP 酶活性只在S3和S4 生長(zhǎng)階段顯著增加8.82%和50.67%（P<0.05）。增溫一定程度上抑制了土壤ALP 酶活性。在70%FC條件下，EC+T 處理較EC 處理使土壤ALP 酶活性在S2 和S4 生長(zhǎng)階段分別顯著降低17.05%和26.95%（P<0.05）；在50%FC 條件下，EC+T 處理較EC 處理使土壤ALP 酶活性在S3 和S4 生長(zhǎng)階段分別顯著降低12.89%和35.72%（P<0.05）。

2.2 CO2濃度升高、增溫和生育期的交互作用對(duì)土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶的影響

重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果（表4）顯示，4 種土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶活性在谷子不同生育期均表現(xiàn)出極顯著差異（P<0.01）。兩種土壤水分條件下CO2濃度升高、增溫和生育期的交互作用對(duì)谷子土壤酶活性的影響存在較大差異。在70%FC 條件下，CO2濃度升高與增溫交互作用對(duì)4種土壤酶活性均有顯著影響（P<0.05），且二者交互作用對(duì)土壤βG 和ALP 酶活性具有極顯著影響（P<0.01）；CO2濃度升高與生育期的交互作用在70%FC 對(duì)4 種土壤酶活性均有顯著影響（P<0.05）；增溫與生育期的交互作用對(duì)4種土壤酶活性均無(wú)顯著影響；CO2濃度升高、增溫與生育期三者的交互作用對(duì)土壤βG、NAG 和LAP 酶活性均有極顯著影響（P<0.01）。在50%FC 條件下，CO2濃度升高與增溫的交互作用僅對(duì)土壤βG 酶活性具有極顯著影響（P<0.01）；CO2濃度升高與生育期的交互作用對(duì)土壤NAG、LAP、ALP 酶活性均有顯著影響（P<0.05）；增溫與生育期的交互作用僅對(duì)土壤βG 和NAG 酶活性具有極顯著影響（P<0.01）。CO2、溫度與生育期的交互作用對(duì)土壤βG、NAG、LAP 酶具有顯著影響（P<0.05），其中其對(duì)土壤βG和NAG兩種酶活性具有極顯著影響（P<0.01）。

表4 CO2、溫度和谷子生育期對(duì)土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶活性影響的重復(fù)測(cè)量方差分析Table 4 Repeated measures ANOVA for the effects of CO2，temperature，growth stage，and their interaction on soil carbon，nitrogen，and phosphorus transformation?linked enzyme activities

在重復(fù)測(cè)量方差分析的基礎(chǔ)上，再對(duì)CO2濃度升高、增溫和生育期交互作用對(duì)土壤酶活性的影響進(jìn)行簡(jiǎn)單效應(yīng)分析（見(jiàn)附表1～附表8，掃描文章首頁(yè)OSID碼瀏覽）。結(jié)果顯示：對(duì)于土壤βG 酶，在70%FC 條件下，EC+T 處理的土壤βG 酶活性?xún)H在S3 生長(zhǎng)階段極顯著低于CK 處理（P<0.01），而在其他生育期差異不顯著（P>0.05）；在50%FC 條件下，與CK 和EC 處理相比，EC+T處理的土壤βG酶活性在S2、S3和S4生長(zhǎng)階段均顯著低降（P<0.05），表明增溫對(duì)土壤βG 酶活性的抑制作用在50%FC 條件下更顯著。對(duì)于土壤NAG酶，在70%FC 條件下，EC 處理的土壤NAG 酶活性在S1 和S2 生長(zhǎng)階段顯著高于CK 處理（P<0.05），EC+T處理的土壤NAG 酶活性在S1 和S2 生長(zhǎng)階段極顯著高于CK處理（P<0.01），但其在S3和S4生長(zhǎng)階段則極顯著低于CK 處理（P<0.01）；在50%FC 條件下，EC 與CK 處理的土壤NAG 酶活性在谷子4個(gè)生育期均無(wú)顯著差異（P>0.05），EC+T 處理的土壤NAG 酶活性在S1生長(zhǎng)階段顯著高于CK和EC處理（P<0.05），但在S3生長(zhǎng)階段顯著低于CK處理（P<0.05），表明CO2濃度升高對(duì)土壤NAG 酶活性的影響僅在土壤水分充足時(shí)具有促進(jìn)作用，且其促進(jìn)作用隨谷子生長(zhǎng)呈逐漸減弱的變化趨勢(shì)；在50%FC條件下，增溫對(duì)土壤NAG酶活性的影響在S1 和S2 生長(zhǎng)階段有一定的促進(jìn)作用，而在S3和S4 生長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)變?yōu)橐种谱饔?。?duì)于土壤LAP 酶，在70%FC 條件下，EC 處理的土壤LAP 酶活性在S1、S2 和S4 生長(zhǎng)階段均顯著低于CK 處理（P<0.05），EC+T 處理的土壤酶活性在S2 和S4 生長(zhǎng)階段顯著低于CK 處理（P<0.05）；在50%FC 條件下，EC 處理的土壤LAP 酶活性在S1 和S4 生長(zhǎng)階段均極顯著低于CK 處理（P<0.01），EC+T 處理的土壤酶活性在S4 生長(zhǎng)階段顯著低于CK 處理（P<0.05），表明CO2濃度升高在大多數(shù)谷子生育期抑制土壤LAP酶活性，而增溫對(duì)LAP酶活性無(wú)顯著影響。對(duì)于土壤ALP 酶，在70%FC 條件下，EC 與CK 處理的土壤ALP 酶活性在4 個(gè)生育期均無(wú)顯著差異（P>0.05）；在50%FC條件下，EC處理的土壤ALP 酶活性在S1 和S4 生長(zhǎng)階段顯著高于CK 處理（P<0.05），表明CO2濃度升高僅在干旱條件下對(duì)土壤ALP酶活性有一定的促進(jìn)作用。

3 討論

土壤中大分子有機(jī)物水解為可利用的小分子物質(zhì)的過(guò)程需要多種酶的參與，本研究所選擇的βG、NAG、LAP和ALP酶是催化纖維素、幾丁質(zhì)、蛋白質(zhì)和有機(jī)磷水解末端單體產(chǎn)生的酶，能夠有效表征土壤中碳、氮、磷的分解和循環(huán)，是目前陸地生態(tài)學(xué)研究最多的幾種酶[27?30]。已有研究表明，CO2濃度和溫度的變化能夠直接或者間接影響這4 種土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶活性[4]。

3.1 CO2濃度升高對(duì)土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶的影響

普遍認(rèn)為CO2濃度升高是通過(guò)影響植物生理生化過(guò)程，間接改變土壤微生物群落的組成與活性，從而對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生影響[31?32]。雖然在谷子灌漿期，EC處理可使土壤βG酶活性有所降低，但總體變化不顯著，這可能與谷子的生理特性有關(guān)。谷子是一種C4 作物，C4 植物光合時(shí)會(huì)先在維管束鞘細(xì)胞中富集CO2，因此大氣CO2濃度升高理論上不會(huì)對(duì)C4 植物光合作用產(chǎn)生影響[33]。如LEAKEY 等[34]的研究表明，在非干旱條件下CO2升高對(duì)C4 植物光合作用、生物量以及碳氮代謝指標(biāo)均無(wú)顯著影響。本研究中，70%FC條件下，EC 處理可使土壤NAG 酶活性顯著升高，而使土壤LAP 酶活性顯著降低，該結(jié)果與阿爾卑斯山區(qū)高山草地的研究結(jié)果一致[12]。這可能是由于當(dāng)水分充足時(shí)，CO2濃度升高改變了土壤微生物氮的獲取策略，使土壤微生物開(kāi)始利用更難以分解的幾丁質(zhì)中的氮[32]。土壤ALP 酶活性對(duì)于CO2升高的響應(yīng)受土壤水分條件影響，在70%FC 條件下，土壤ALP 酶活性受CO2升高的影響不顯著；而在50%FC 條件下，土壤ALP 酶活性出現(xiàn)顯著的增加趨勢(shì)。這可能是因?yàn)橥寥懒自厥芩忠蛩赜绊戄^大，而CO2濃度升高會(huì)降低谷子植株的蒸騰速率，提高水分利用效率，一定程度上改善土壤水分狀況[35]。WANG 等[36]的研究結(jié)果也顯示，土壤酶活性受到干旱的顯著影響，而CO2濃度升高能夠一定程度地改善干旱對(duì)土壤酶活性的抑制作用。

3.2 增溫對(duì)土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶的影響

溫度是影響土壤酶活性的一個(gè)重要因子，增溫通過(guò)直接影響土壤酶促反應(yīng)速率和間接影響土壤物理環(huán)境、土壤微生物群落、有機(jī)物質(zhì)礦化等因素對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生影響[3，15]。本研究中，與EC 處理相比，增溫4 ℃可使土壤βG和ALP酶活性顯著降低。LOOBY等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，在熱帶森林中土壤βG 酶活性在0～2 ℃的增溫下呈升高趨勢(shì)，而當(dāng)增溫高于2 ℃后開(kāi)始呈下降趨勢(shì)，表明在較高的增溫條件下，土壤酶活性可能受到抑制。本研究表明，增溫對(duì)土壤LAP 酶活性影響不顯著，但其在兩種水分條件之間存在差異；在70%FC 條件下，增溫對(duì)土壤NAG 酶活性的影響在S2～S4 生長(zhǎng)階段均顯著降低，而在50%FC 條件下，其從S1到S2生長(zhǎng)階段呈增加趨勢(shì)，但從S3到S4生長(zhǎng)階段呈降低趨勢(shì)，此現(xiàn)象說(shuō)明土壤中與氮循環(huán)相關(guān)酶活性對(duì)增溫的響應(yīng)受制于土壤水分條件，這與CUSACK等[37]和KARDOL 等[38]的研究結(jié)果相一致。本研究還表明，在70%FC 條件下增溫4 ℃對(duì)土壤βG 和ALP 酶活性的影響程度小于50%FC 條件。ZHOU 等[39]的研究也顯示，增溫對(duì)土壤ALP 酶活性的影響很可能是通過(guò)影響土壤水分條件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3.3 CO2濃度升高和增溫交互作用對(duì)土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶的影響

CO2濃度升高與增溫的交互作用主要通過(guò)對(duì)微生物群落和植物生長(zhǎng)的影響進(jìn)而對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生影響[40]。本研究中，在70%FC 條件下，CO2濃度升高僅對(duì)NAG和LAP酶活性有顯著影響，而CO2濃度升高與增溫的交互作用對(duì)4 種土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶活性均具有顯著影響，這表明與僅CO2濃度升高相比，CO2濃度升高與增溫的交互作用對(duì)土壤酶活性的影響更強(qiáng)烈，這一結(jié)果與劉遠(yuǎn)等[41]在小麥田中的研究結(jié)果相一致。

3.4 谷子生育期與氣候因子交互作用對(duì)土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶的影響

土壤酶活性與植物生理活動(dòng)密切相關(guān)，而谷子光合生理在不同生育期對(duì)大氣環(huán)境變化的響應(yīng)不同[42]，這與周婭等[43]和李奕霏等[11]在玉米及水稻土壤中的研究結(jié)果相一致。在本研究中生育期對(duì)4 種土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶活性均具有極顯著影響，谷子生育期與CO2升高的交互作用對(duì)4種土壤酶活性均具有顯著影響，生育期、CO2濃度升高與增溫的交互作用對(duì)土壤βG、NAG 和LAP 酶活性均產(chǎn)生顯著影響，這表明作物不同生育期的生理活動(dòng)會(huì)影響土壤酶活性對(duì)大氣環(huán)境變化的響應(yīng)。本研究還發(fā)現(xiàn)，CO2濃度升高與增溫直接導(dǎo)致了谷子生育期縮短，這與已有的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致[44?45]，而作物生育期時(shí)長(zhǎng)的變化能夠影響作物對(duì)土壤養(yǎng)分的獲取，進(jìn)而導(dǎo)致土壤酶活性發(fā)生改變[43，46]。

4 結(jié)論

（1）CO2濃度升高對(duì)土壤βG 酶活性的影響整體上不顯著，但增溫顯著抑制土壤βG 酶活性，且抑制作用在灌漿期達(dá)到最大，此后呈降低趨勢(shì)，輕度干旱加劇了增溫對(duì)土壤βG酶活性的抑制作用。

（2）在充分供水條件下，CO2濃度升高增加了土壤NAG 酶活性，而增溫對(duì)土壤NAG 酶活性產(chǎn)生抑制作用；在輕度干旱條件下，CO2濃度升高對(duì)土壤NAG酶活性無(wú)顯著影響，而增溫對(duì)土壤NAG 酶活性在開(kāi)花?灌漿期有促進(jìn)作用，但在灌漿?收獲期有抑制作用。

（3）在兩種水分條件下，土壤LAP 酶活性在4 個(gè)谷子生育期均受到CO2濃度升高的抑制作用，而增溫對(duì)土壤LAP酶活性無(wú)顯著影響。

（4）CO2濃度升高，在充分供水條件下對(duì)土壤ALP酶活性影響不顯著；但在輕度干旱條件下CO2濃度升高顯著增加了土壤ALP 酶活性。在兩種水分條件下，增溫均顯著抑制土壤ALP酶活性。