鄱陽(yáng)湖苔草洲灘濕地土壤胞外酶活性和化學(xué)計(jì)量比的高程變化特征*

黃幸運(yùn)，溫秀婷，張 研，戎 俊，聶 明，鄭博福3，，沈瑞昌

(1：江西省流域生態(tài)演變與生物多樣性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌大學(xué)生命科學(xué)研究院流域生態(tài)學(xué)研究所，南昌大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，南昌 330031) (2：江西鄱陽(yáng)湖濕地保護(hù)與恢復(fù)國(guó)家長(zhǎng)期科研基地，江西鄱陽(yáng)湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，南昌 330031) (3：南昌大學(xué)鄱陽(yáng)湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330031) (4：江西生態(tài)文明研究院，南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，南昌 330031) (5：復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物多樣性與生態(tài)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200438)

土壤胞外酶是一類主要來(lái)源于土壤微生物的生物催化劑[1]. 它們能夠?qū)⒋蠓肿佑袡C(jī)質(zhì)降解為小分子有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，同時(shí)釋放其中的能量以及氮、磷等元素供給植物或微生物利用，從而促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和能量流動(dòng)[2]. 因此，土壤胞外酶在土壤生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演著重要的角色，其活性可以作為土壤中碳、氮、磷等元素轉(zhuǎn)化速率和供給能力的良好指標(biāo)[3]. 然而，研究表明參與碳、氮、磷循環(huán)過(guò)程的土壤胞外酶對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)程度并不相同[4]. 土壤微生物會(huì)根據(jù)外界環(huán)境的變化，改變碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)胞外酶的分泌量，優(yōu)化其資源獲取策略[5]. Sinsabaugh等[6]和Rosinger等[7]指出利用參與土壤碳氮磷循環(huán)過(guò)程的胞外酶活性的比值，即土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶活性的化學(xué)計(jì)量比，可以反映土壤微生物代謝的營(yíng)養(yǎng)元素限制狀況，并評(píng)估土壤微生物的功能動(dòng)態(tài). 考慮到它們?cè)谕寥烙袡C(jī)碳與養(yǎng)分循環(huán)中的重要意義，土壤胞外酶活性及其化學(xué)計(jì)量比目前已經(jīng)成為生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一.

洪泛平原是指被河水或湖水以及直接降雨或地下水周期性淹沒(méi)的地區(qū)[8]，在景觀尺度上發(fā)揮著凈化水質(zhì)以及固碳釋氧等重要功能[9]. 作為聯(lián)系微生物和外界環(huán)境的關(guān)鍵因子，土壤胞外酶對(duì)洪泛平原生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定和維持具有不可或缺的作用，可直接影響洪泛平原-河流(湖泊)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)周轉(zhuǎn)過(guò)程. 高程作為一個(gè)綜合性指標(biāo)，往往是影響洪泛平原土壤胞外酶活性的關(guān)鍵參數(shù)[10]. 例如，Wilson等[11]通過(guò)對(duì)澳大利亞奧文斯河洪泛平原土壤研究發(fā)現(xiàn)，隨著高程增加，土壤α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶活性逐漸減小；Zhang等[12]的研究結(jié)果則表明新疆伊犁河谷蔗糖酶和淀粉酶活性與高程呈顯著的正相關(guān)關(guān)系. 在高程梯度上，洪泛平原的水文節(jié)律、植物群落、微生物結(jié)構(gòu)和土壤基質(zhì)等都將發(fā)生顯著變化，從而共同作用于土壤胞外酶活性[13-14]. 然而，有關(guān)洪泛平原土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶的化學(xué)計(jì)量特征隨高程的變化規(guī)律卻較少受到關(guān)注，其中的影響機(jī)制也不清楚. 探究洪泛平原土壤碳、氮、磷胞外酶化學(xué)計(jì)量特征對(duì)高程梯度響應(yīng)的差異有助于我們進(jìn)一步了解湖泊生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳和土壤養(yǎng)分生物地球化學(xué)過(guò)程的特點(diǎn)，為科學(xué)保護(hù)和管理洪泛平原濕地提供科學(xué)依據(jù).

鄱陽(yáng)湖位于江西省北部，是中國(guó)第一大淡水湖. 在亞熱帶季風(fēng)氣候的影響下，鄱陽(yáng)湖在豐枯水季節(jié)表現(xiàn)出巨大的水位差異，形成大片的洪泛平原濕地即洲灘濕地[15]. 統(tǒng)計(jì)表明，鄱陽(yáng)湖的洲灘濕地面積超過(guò)了全湖正常水位總面積的80%[16]. 明確鄱陽(yáng)湖洲灘濕地的土壤胞外酶活性和化學(xué)計(jì)量比的變異規(guī)律是充分認(rèn)識(shí)鄱陽(yáng)湖濕地土壤碳、氮、磷生物地球化學(xué)過(guò)程的基礎(chǔ). 因此，本研究依托長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)樣地，綜合高程、植物、土壤理化性質(zhì)和酶活性等數(shù)據(jù)，闡明了鄱陽(yáng)湖典型洲灘濕地土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶活性和化學(xué)計(jì)量比隨高程的變化特征和影響機(jī)制. 本研究擬解決的科學(xué)問(wèn)題為：(1)鄱陽(yáng)湖洲灘濕地土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶活性和化學(xué)計(jì)量比在不同高程是否存在差異？(2)在高程梯度上鄱陽(yáng)湖洲灘濕地土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶活性和碳氮、碳磷、氮磷酶化學(xué)計(jì)量比的影響機(jī)制分別是什么？

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄱陽(yáng)湖南磯濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(28°52′～29°7′N，116°10′～116°24′E)，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為17.9℃，年平均降水量為1643 mm. 作為鄱陽(yáng)湖濕地的重要組成部分，該保護(hù)區(qū)的洲灘濕地具有明顯的季節(jié)性水位波動(dòng)特征，在豐水季(5-9月)，洲灘濕地被完全淹沒(méi)并與主湖相連；而在枯水季(10-次年4月)，這些洲灘又重新露出. 在退水期，鄱陽(yáng)湖洲灘濕地主要的植物種為灰化苔草(Carexcinerascens)、南荻(Triarrhenalutarioriparia)、虉草(Phalarisarundinacea)和蘆葦(Phragmitesaustralis)等. 苔草群落是鄱陽(yáng)湖洲灘濕地面積最大、分布最廣的植物群落，對(duì)鄱陽(yáng)湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)過(guò)程具有重要影響[17].

1.2 樣地設(shè)置及樣品采集

本研究依托位于鄱陽(yáng)湖南磯濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的一處長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)樣地. 該樣地建立于2017年，沿高程梯度選取6條平行于湖岸的樣線(S1～S6)(圖1). 每條樣線長(zhǎng)250 m，相鄰樣線之間間隔約為200 m. 從S1樣線到S6樣線高程逐漸升高. 在每條樣線上建立了6個(gè)1 m×1 m的樣方，相鄰樣方的間隔約為50 m. 采用GPS儀記錄每個(gè)樣方的地理坐標(biāo)，然后根據(jù)樣方坐標(biāo)查詢江西省測(cè)繪局的鄱陽(yáng)湖濕地2 m分辨率地形圖來(lái)獲取其高程(吳淞高程). 該樣地地勢(shì)平坦，是鄱陽(yáng)湖苔草洲灘濕地的典型分布區(qū)域. 樣地內(nèi)最高和最低樣線的距離長(zhǎng)達(dá)1 km，各樣方高程范圍為13.80～15.01 m，全面覆蓋了鄱陽(yáng)湖苔草洲灘濕地的主要分布高程，可以有效反映該濕地隨高程的變化趨勢(shì)[16,18].

在2019年11月秋季生長(zhǎng)期進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，首先記錄下各個(gè)樣方中的植物物種數(shù)和每個(gè)物種的個(gè)體數(shù)及總個(gè)體數(shù). 然后使用采割法收集樣方內(nèi)所有的地上植物. 使用直徑為10 cm的根鉆收集3個(gè)深度為0～20 cm的根芯，并在流水中清洗根芯以獲得地下根系樣品. 最后，用直徑為7 cm的土鉆，在每個(gè)樣方中沿對(duì)角線采集3個(gè)深度為0～10 cm的土壤樣品，均勻地混合成一個(gè)復(fù)合的新鮮土壤樣本.

圖1 鄱陽(yáng)湖苔草洲灘濕地樣線分布Fig.1 The location of sampling sites at the Carex lakeshore beach of Lake Poyang

1.3 植被特征和土壤理化性質(zhì)測(cè)定

將地上和地下植物樣品放入70℃烘箱中烘48 h以獲得植物干重. 本研究考慮的植被特征包括植物物種豐富度、Shannon-Wiener指數(shù)、地上生物量和地下生物量4個(gè)指標(biāo). 植物物種豐富度以單位面積物種數(shù)來(lái)評(píng)估. Shannon-Wiener指數(shù)用單位面積每個(gè)植物物種的個(gè)體數(shù)和總個(gè)體數(shù)計(jì)算. 地上生物量和地下生物量分別以單位面積地上和地下的植物干重來(lái)表示[18].

土壤樣品過(guò)2 mm篩去除植物凋落物、細(xì)根和碎石后，分為兩部分，分別在4℃和室溫下保存. 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定指標(biāo)包括土壤含水量、黏粒含量、pH、可溶性有機(jī)碳、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總有機(jī)碳、總氮和總磷. 土壤含水量和黏粒含量分別采用烘干恒量法和比重計(jì)速測(cè)法測(cè)定. pH用電位法(土水比為1∶2.5)測(cè)定. 可溶性有機(jī)碳采用超純水(土水比為1∶5)浸提，用總有機(jī)碳分析儀(Elementar，Hanau，德國(guó))測(cè)定. 氨態(tài)氮和硝態(tài)氮用1 mol/L的KCl溶液浸提(土水比為1∶5)，采用連續(xù)流動(dòng)分析儀(Skalar san++，Skalar，荷蘭)測(cè)定. 總有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定. 總氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定. 總磷含量采用紫外分光光度計(jì)，通過(guò)鉬藍(lán)比色法測(cè)定. 土壤碳氮比、碳磷比和氮磷比分別代表總有機(jī)碳與總氮的比值，總有機(jī)碳與總磷的比值以及總氮與總磷的比值.

1.4 土壤胞外酶活性測(cè)定

參考以往文獻(xiàn)，采用微孔板熒光法測(cè)定參與土壤碳、氮、磷循環(huán)過(guò)程的7種關(guān)鍵水解酶活性，包括與碳循環(huán)相關(guān)的α-葡萄糖苷酶(AG)、β-葡萄糖苷酶(BG)、木聚糖酶(XYL)和纖維二糖水解酶(CBH)，它們分別參與了纖維素分解的不同步驟，代表了土壤中不同碳源的分解能力；與氮循環(huán)相關(guān)的N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和亮氨酸氨基肽酶(LAP)，它們參與了土壤主要含氮有機(jī)物幾丁質(zhì)和蛋白質(zhì)的分解；以及與磷循環(huán)相關(guān)的磷酸酶(PHOS)，它參與了磷酸酯的降解[19-20]. 具體操作步驟如下：稱取相當(dāng)于干重2.75 g左右的新鮮土壤樣品，向其加入91 mL的50 mmol/L乙酸鈉緩沖溶液(pH=6.0，接近土樣原位pH值)，將土壤樣品和緩沖溶液倒入100 mL的玻璃結(jié)晶皿中，放于磁力攪拌器上高速攪拌1 min，制成土壤懸液. 然后將800 μL的土壤懸液和200 μL對(duì)應(yīng)底物(200 μmol/L)(AG：4-MUB-α-D-glucoside；BG：4-MUB-β-D-glucoside；XYL：4-MUB-β-D-xyloside；CBH：4-MUB-β-D-cellobioside；NAG：4-MUB-N-acetyl-β-D-glucosaminide；LAP：L-leucine-7-amido-4-methylcoumarin；PHOS：4-MUB phosphate)轉(zhuǎn)移至深孔板中. 在20℃的黑暗避光條件下，培養(yǎng)4.5 h. 培養(yǎng)結(jié)束后，加入5 μL、0.5 mol/L的NaOH終止反應(yīng). 用多功能酶標(biāo)儀(Synergy H4, BioTek, winooski, 美國(guó))于激發(fā)波長(zhǎng)365 nm，發(fā)射波長(zhǎng)450 nm處進(jìn)行熒光測(cè)定，每個(gè)樣品兩次重復(fù). 水解酶活性用單位時(shí)間內(nèi)單位干重土分解的底物濃度(nmol/(h·g))表示. 依據(jù)前人研究，使用BG∶NAG、BG∶PHOS和NAG∶PHOS分別來(lái)表示土壤胞外酶化學(xué)計(jì)量C∶N、C∶P和N∶P[21].

采用土壤胞外酶化學(xué)計(jì)量比的向量分析(向量長(zhǎng)度和向量角度)評(píng)估土壤微生物的養(yǎng)分限制狀況[22]. 向量長(zhǎng)度(Length)和向量角度(Angle)的計(jì)算方法為：

(1)

Angle=DEGREES{ATAN2[(ln(BG)/ln(PHOS)),(ln(BG)/ln(NAG))]}

(2)

向量長(zhǎng)度反映微生物碳限制狀況，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，碳限制越大；向量角度反映微生物養(yǎng)分限制狀況，角度大于45°表明微生物受磷的限制比氮更強(qiáng)，反之則表明微生物受氮的限制比磷更強(qiáng).

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析檢驗(yàn)不同高程土壤胞外酶活性、酶化學(xué)計(jì)量比、植被特征和土壤理化性質(zhì)的差異. 采用一般回歸分析評(píng)估高程與土壤胞外酶活性、酶化學(xué)計(jì)量比、植物特征和土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系. 采用相關(guān)分析探究植物特征、土壤理化性質(zhì)和土壤胞外酶活性、胞外酶化學(xué)計(jì)量比之間的關(guān)系. 運(yùn)用結(jié)構(gòu)方程模型明確高程、植被和土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤胞外酶活性和化學(xué)計(jì)量比的直接和間接作用機(jī)制. 對(duì)土壤碳循環(huán)相關(guān)酶和氮循環(huán)相關(guān)酶進(jìn)行PCA(主成分分析)，并采用PC1(第1主軸)代表相應(yīng)變量. 根據(jù)理論知識(shí)和假設(shè)建立一個(gè)先驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型認(rèn)為高程能直接或通過(guò)植被特征和土壤理化性質(zhì)間接影響土壤胞外酶活性和化學(xué)計(jì)量特征，植被特征也可以通過(guò)土壤理化性質(zhì)間接影響土壤胞外酶活性和化學(xué)計(jì)量特征[23]. 在結(jié)構(gòu)方程模型分析中逐步刪除部分不顯著的途徑以獲得最佳模型[24]. 采用χ2(卡方值)、P、RMSEA(近似誤差均方根)、CFI(擬合優(yōu)度指數(shù))和AIC(赤池信息量準(zhǔn)則)來(lái)評(píng)估模型的適合度[25]. 采用IBM SPSS 26、AMOS 21.0和R 4.0.3軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析. 所有結(jié)果利用Origin 9.0軟件作圖.

2 結(jié)果

2.1 土壤胞外酶活性

圖2 高程與碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)胞外酶活性之間的關(guān)系Fig.2 Relationships between the elevation and the soil extracellular enzyme activities

高程對(duì)碳循環(huán)相關(guān)酶中的AG(P=0.003)、CBH(P<0.001)和XYL(P=0.015)活性有顯著影響，對(duì)BG(P=0.693)活性影響不顯著(圖 2). 隨著高程增加，AG活性逐漸減小，CBH活性先減小后增大，XYL活性逐漸減小，而BG活性沒(méi)有顯著變化. AG、CBH、XYL和BG四者的變化范圍分別為21.04～55.24、24.95～269.83、7.85～16.62和79.47～124.46 nmol/(h·g)，平均值分別為32.44、120.70、12.67和94.69 nmol/(h·g). 高程增加導(dǎo)致氮循環(huán)相關(guān)酶NAG和LAP活性均逐漸減少(圖 2). NAG和LAP的變化范圍分別為22.47～98.07和467.69～974.01 nmol/(h·g)，平均值分別為45.69和680.50 nmol/(h·g). 磷循環(huán)相關(guān)酶PHOS活性不受高程的顯著影響，它在6個(gè)高程的變化范圍為738.22～1410.95 nmol/(h·g)，平均值為987.20 nmol/(h·g)(圖2).

2.2 土壤胞外酶化學(xué)計(jì)量比

高程對(duì)BG∶NAG(P<0.001)和NAG∶PHOS(P=0.009)有顯著影響，但對(duì)BG∶PHOS(P=0.350)影響不顯著(圖 3). 隨高程增加BG∶NAG逐漸增加，NAG∶PHOS逐漸減小，BG∶PHOS沒(méi)有明顯變化. BG∶NAG、NAG∶PHOS和BG∶PHOS三者的變化范圍分別為1.36～3.54、0.03～0.07和0.08～0.14，平均值分別為2.51、0.05和0.10. 根據(jù)土壤胞外酶化學(xué)計(jì)量比的向量分析，高程增加導(dǎo)致向量長(zhǎng)度和角度均增大，但其變化量在統(tǒng)計(jì)學(xué)上不顯著(長(zhǎng)度：P=0.082；角度：P=0.190). 各高程下向量的角度均大于45°，表明微生物受磷的限制比氮更強(qiáng).

圖3 高程與土壤胞外酶化學(xué)計(jì)量比之間的關(guān)系Fig.3 Relationships between the elevation and soil extracellular enzyme stoichiometry

2.3 植被特征和土壤理化性質(zhì)

所調(diào)查的36個(gè)樣方中共發(fā)現(xiàn)7個(gè)植物種. 其中灰化苔草為優(yōu)勢(shì)種，其他重要的植物物種包括水田碎米薺(Cardaminelyrata)、蓼子草(Polygonumcriopolitanum)和具剛毛荸薺(Heleocharisvalleculosa)等. 回歸分析發(fā)現(xiàn)，植物物種豐富度(P<0.001)和Shannon-Wiener指數(shù)(P<0.001)均受到了高程的顯著影響，并且隨高程升高而顯著降低(圖 4). 各個(gè)樣方植物物種豐富度和Shannon-Wiener指數(shù)的變化范圍分別為1～5、0～0.75，平均值分別為3和0.28. 此外，高程對(duì)地下生物量(P=0.011)也具有顯著影響. 并且隨著高程的增加，地下生物量呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律，其變化范圍為1021.78～2017.11 g/m2，平均值為1551.09 g/m2. 地上生物量(P=0.067)不受高程的顯著影響，它在6個(gè)高程的變化范圍為252.43～429.52 g/m2，平均值為353.25 g/m2.

圖4 高程與植被特征之間的關(guān)系Fig.4 Relationships between elevation and vegetation characteristics

土壤理化性質(zhì)中pH(P<0.001)、總有機(jī)碳(P=0.029)、可溶性有機(jī)碳(P=0.003)和碳磷比(P=0.005)與高程呈顯著線性相關(guān). 隨高程增加pH和可溶性有機(jī)碳逐漸減少，而總有機(jī)碳和碳磷比逐漸增加. 土壤含水量(P=0.008)、黏粒含量(P<0.001)、碳氮比(P<0.001)、氮磷比(P=0.004)、銨態(tài)氮(P<0.001)和硝態(tài)氮(P=0.012)與高程呈顯著二項(xiàng)式相關(guān). 其中土壤含水量和氮磷比隨高程增加呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，碳氮比和硝態(tài)氮隨高程增加呈現(xiàn)先減小后增加的規(guī)律，而黏粒含量和銨態(tài)氮?jiǎng)t隨高程增加而增加. 總氮和總磷不受高程的顯著影響(圖 5).

圖5 高程與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系Fig.5 Relationships between the elevation and soil physicochemical variables

2.4 植被特征、土壤理化性質(zhì)與土壤胞外酶活性和化學(xué)計(jì)量比之間的關(guān)系

相關(guān)性分析(圖 6)表明，碳循環(huán)相關(guān)酶中AG和BG活性與總磷(AG：P=0.003；BG：P=0.001)呈顯著正相關(guān)；CBH和XYL活性與黏粒含量(CBH：P=0.001；XYL：P<0.001)、銨態(tài)氮(CBH：P<0.001；XYL：P=0.008)、硝態(tài)氮(CBH：P=0.034；XYL：P=0.047)呈顯著正相關(guān)，與pH呈顯著負(fù)相關(guān)(CBH：P=0.002；XYL：P=0.001). 氮循環(huán)相關(guān)酶(NAG、LAP)活性與總磷(NAG：P<0.001；LAP：P=0.008)和可溶性有機(jī)碳(NAG：P=0.040；LAP：P=0.012)呈顯著正相關(guān)，與氮磷比呈顯著負(fù)相關(guān)(NAG：P=0.006；LAP：P=0.037). 磷循環(huán)相關(guān)酶(PHOS)活性與pH(P=0.049)和總磷(P=0.016)呈顯著正相關(guān). 除了CBH和XYL與植物物種豐富度(CBH：P<0.001；XYL：P=0.013)和Shannon-Wiener指數(shù)(CBH：P=0.016；XYL：P=0.038)呈顯著負(fù)相關(guān)，BG與植物物種豐富度(P=0.111)和Shannon-Wiener指數(shù)(P=0.150)不存在顯著相關(guān)性外，碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶(AG、NAG、LAP、PHOS)活性均與植物物種豐富度(AG：P<0.001；NAG：P<0.006；LAP：P<0.001；PHOS：P=0.034)和Shannon-Wiener指數(shù)(AG：P=0.002；NAG：P=0.001；LAP：P<0.001；PHOS：P=0.005)呈顯著正相關(guān). 土壤胞外酶化學(xué)計(jì)量比中，NAG∶PHOS僅與植物物種豐富度(P=0.008)和總磷(P<0.001)呈顯著正相關(guān)，與地下生物量(P=0.026)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系. BG∶NAG和BG∶PHOS與植物特征和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系均不顯著.

圖6 土壤胞外酶活性和化學(xué)計(jì)量比與植被、土壤因子的相關(guān)性分析 (圓圈的顏色與相關(guān)系數(shù)呈正比. *表示 P<0.05；**表示P<0.01；***表示P<0.001. Np、Hp、 AGB、BGB分別表示物種豐富度、Shannon-Wiener指數(shù)、地上生物量和地下生物量；SW、pH、CL分別 表示土壤含水量、pH值、黏粒含量；TOC、TN、TP分別表示總有機(jī)碳、總氮、總磷；C/N、C/P、 N/P分別表示碳氮比、碳磷比、氮磷比；分別表示可溶性有機(jī)碳、銨態(tài)氮、 硝態(tài)氮；AG、BG、CBH、XYL、NAG、LAP和 PHOS分別表示α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、 木聚糖酶、纖維二糖水解酶、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和磷酸酶； BG∶NAG、BG∶PHOS和NAG∶PHOS分別表示碳氮、碳磷和氮磷獲取酶的化學(xué)計(jì)量比)Fig.6 Correlation analyses of soil enzyme activity and extracellular stoichiometry with vegetation and soil factors

2.5 高程、植被特征和土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤胞外酶活性和化學(xué)計(jì)量比的影響

結(jié)構(gòu)方程模型分別解釋了土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶活性41%、52%和21%的方差，以及土壤碳氮、碳磷和氮磷酶化學(xué)計(jì)量比58%、22%和40%的方差. 圖 7表明，土壤胞外酶活性和化學(xué)計(jì)量特征受高程、植被特征和土壤理化性質(zhì)影響的機(jī)制均不相同. 土壤碳循環(huán)相關(guān)酶活性同時(shí)受到土壤理化性質(zhì)(總有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、銨態(tài)氮和總磷)的直接影響和高程、植被特征(植物物種豐富度和Shannon-Wiener指數(shù))的間接影響，其中影響最大的為高程(標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)(β)=0.48)(圖 7A). 土壤氮循環(huán)相關(guān)酶活性顯著受到植被特征(植物物種豐富度)的直接影響和高程的間接影響(圖 7B)，影響最大的為植物物種豐富度(β=0.61). 土壤磷循環(huán)相關(guān)酶活性顯著受到土壤理化性質(zhì)(總磷)的直接影響，其β為0.46(圖 7C). 在土壤胞外酶化學(xué)計(jì)量特征中，碳氮酶化學(xué)計(jì)量比同時(shí)受到高程、植被特征(地上生物量)、土壤理化性質(zhì)(銨態(tài)氮)的直接影響和高程的間接影響(圖 7D)，其中影響最大的為高程(β=0.51). 土壤碳磷酶化學(xué)計(jì)量比和氮磷酶化學(xué)計(jì)量比同時(shí)受到高程、植被特征(地上生物量或物種豐富度)、土壤理化性質(zhì)(pH)的直接影響和高程的間接影響，影響最大的為均為pH(碳磷酶化學(xué)計(jì)量比：β=-0.61；氮磷酶化學(xué)計(jì)量比：β=-0.54)(圖 7E, F).

圖7 高程、植被特征和土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤胞外酶活性和化學(xué)計(jì)量比的影響 (黑色和灰色箭頭分別代表顯著相關(guān)和不顯著相關(guān). 實(shí)線和虛線箭頭分別代表正相關(guān)和負(fù)相關(guān). 箭頭旁邊的數(shù)字為路徑系數(shù). 顯著性水平：*，P < 0.05；**，P<0.01；***，P<0.001)Fig.7 The effects of elevation, vegetation characteristics and soil physicochemical properties on soil extracellular enzyme activities and stoichiometry

3 討論

洪泛平原洲灘濕地沿高程梯度的變化，能夠引起植被類型、凋落物質(zhì)量、土壤理化性質(zhì)和微生物群落等變化，進(jìn)而導(dǎo)致土壤胞外酶活性在不同高程呈現(xiàn)顯著差異[26]. 本研究發(fā)現(xiàn)，高程增加后，碳循環(huán)相關(guān)酶中AG活性逐漸增大，CBH活性先減小后增大，XYL活性逐漸減小，而BG活性在統(tǒng)計(jì)學(xué)上沒(méi)有顯著變化(圖 2). 這些結(jié)果說(shuō)明不同的碳循環(huán)相關(guān)酶對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)并不同. 高程可以通過(guò)影響多個(gè)土壤碳和營(yíng)養(yǎng)成分(總有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、銨態(tài)氮和總磷)來(lái)間接促進(jìn)土壤碳循環(huán)相關(guān)酶活性(圖7A). 這一結(jié)果與He等[27]的結(jié)論相同. 土壤碳和營(yíng)養(yǎng)成分可以為微生物的生長(zhǎng)提供物質(zhì)和能量，最終增加土壤碳循環(huán)相關(guān)酶活性. 土壤氮循環(huán)相關(guān)酶(NAG和LAP)活性隨高程增加而減小(圖 2). 相關(guān)分析表明，土壤氮循環(huán)相關(guān)酶活性與植物多樣性及土壤總磷等參數(shù)顯著相關(guān)(圖 6). 結(jié)構(gòu)方程模型的分析則顯示高程主要通過(guò)植被特征(植物物種豐富度)來(lái)間接影響土壤氮循環(huán)相關(guān)酶活性(圖 7B). 這些結(jié)果表明土壤氮循環(huán)相關(guān)酶活性隨高程的變化特征可能是受到植被特征和土壤磷元素的影響. 隨著高程的增加，植物群落的豐富度逐漸降低，生物量逐漸增加，植物對(duì)土壤磷的需求也會(huì)顯著增加. 因此在高高程地區(qū)，土壤微生物可能是因?yàn)槿狈α自囟鴾p少了土壤氮循環(huán)相關(guān)酶的合成[28]. 高程對(duì)PHOS活性的影響不顯著，表明研究區(qū)域內(nèi)不同高程微生物對(duì)磷素的需求沒(méi)有明顯區(qū)別(圖 2). 從圖 7C可知，高程可以通過(guò)土壤理化性質(zhì)(總磷)來(lái)間接影響PHOS，說(shuō)明土壤磷循環(huán)相關(guān)酶活性受到土壤養(yǎng)分狀況的顯著影響. 這是因?yàn)橥寥鲤B(yǎng)分可以為微生物的生長(zhǎng)和代謝以及胞外酶的產(chǎn)生提供物質(zhì)基礎(chǔ). 這一結(jié)果可能與鄱陽(yáng)湖洲灘濕地土壤的磷限制有關(guān). 以往研究表明，亞熱帶濕地土壤存在廣泛的P限制[29]. 本研究中各高程下化學(xué)計(jì)量特征的向量角度均大于45°，同樣表明研究區(qū)土壤微生物生長(zhǎng)和代謝受到磷的限制.

本研究中，BG∶NAG隨高程增加而增加，NAG∶PHOS隨高程增加而減小，BG∶PHOS隨高程增加沒(méi)有明顯變化(圖 3). 這是因?yàn)楦叱套兓髢H氮循環(huán)相關(guān)酶(NAG)活性發(fā)生顯著變化，碳循環(huán)相關(guān)酶(BG)和磷循環(huán)相關(guān)酶(PHOS)活性沒(méi)有發(fā)生變化(圖2). 該結(jié)果與草地生態(tài)系統(tǒng)中的研究發(fā)現(xiàn)不同. Zuo等[30]通過(guò)對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)不同高程的土壤胞外酶化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，BG∶NAG和NAG∶PHOS均隨高程變化呈單峰曲線格局. 這可能與濕地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境特殊性有關(guān). 濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間被水淹沒(méi)，土壤微生物群落受到水文節(jié)律的影響更大. 本研究表明，土壤碳氮酶化學(xué)計(jì)量比受高程的綜合影響最顯著(圖7D). 這可能與以下兩方面的原因有關(guān). 首先，不同種微生物(如外生菌根和叢枝菌根)在生產(chǎn)水解酶時(shí)具有不同的生態(tài)策略[31]. 鄱陽(yáng)湖洲灘濕地不同高程由于淹水時(shí)長(zhǎng)、植物群落組成、物種競(jìng)爭(zhēng)和歷史遺留效應(yīng)的差異可能會(huì)造成微生物群落結(jié)構(gòu)的差別，從而導(dǎo)致土壤微生物對(duì)能量和養(yǎng)分相對(duì)需求的差異[32]. 其次，不同高程養(yǎng)分有效性也會(huì)影響土壤胞外酶化學(xué)計(jì)量比. 與碳氮酶化學(xué)計(jì)量比不同，土壤碳磷和氮磷酶化學(xué)計(jì)量比主要受pH的直接控制(圖7E, F). Kivlin等[33]也發(fā)現(xiàn)pH的變化可以改變土壤中的全磷含量，造成土壤中碳磷比和氮磷比的差別，進(jìn)而導(dǎo)致土壤碳磷酶化學(xué)計(jì)量比和氮磷酶化學(xué)計(jì)量比發(fā)生變化. 在土壤接近于中性的環(huán)境條件下，磷元素主要被黏土礦物吸附，從而防止磷元素由于淋溶作用而被分解. 然而，過(guò)酸的環(huán)境會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)，造成土壤磷素的吸附能力降低，加速了土壤磷素的流失[34].

本研究中部分結(jié)構(gòu)方程模型的方差解釋能力并不高. 例如，模型對(duì)土壤碳磷酶化學(xué)計(jì)量比的方差解釋量只有20%. 這可能是因?yàn)橥寥腊饷甘艿搅酥脖缓屯寥览砘蛩匾酝獾囊蜃拥挠绊? 事實(shí)上，土壤微生物群落也會(huì)顯著影響土壤胞外酶活性和化學(xué)計(jì)量比[35]. 未來(lái)的研究可以考慮水文、植被、土壤和微生物對(duì)洪泛平原濕地土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶活性和化學(xué)計(jì)量比的綜合影響.

4 結(jié)論

鄱陽(yáng)湖洲灘濕地土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶活性以及酶化學(xué)計(jì)量比隨高程的變化特征明顯不同. 隨著高程增加，碳循環(huán)相關(guān)酶中AG活性逐漸增大，CBH活性先減小后增大，XYL活性逐漸減小，而BG活性則沒(méi)有顯著變化；氮循環(huán)相關(guān)酶(NAG和LAP)活性均逐漸減??；磷循環(huán)相關(guān)酶(PHOS)活性變化不顯著. 高程增加后，碳氮酶化學(xué)計(jì)量比顯著增加，氮磷酶化學(xué)計(jì)量比顯著減少，而碳磷酶化學(xué)計(jì)量比沒(méi)有顯著變化. 高程主要通過(guò)土壤營(yíng)養(yǎng)元素影響碳、磷循環(huán)相關(guān)酶活性，通過(guò)植被特征影響氮循環(huán)相關(guān)酶活性. 高程可以直接或通過(guò)土壤養(yǎng)分間接影響土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶化學(xué)計(jì)量比，也可以通過(guò)植被特征和土壤pH影響碳磷、氮磷酶化學(xué)計(jì)量比. 本研究可為洪泛平原土壤碳、氮、磷生物地球化學(xué)過(guò)程的高程格局提供科學(xué)依據(jù).