東祁連山高寒草甸土壤酶活性及其化學計量特征對海拔和坡向的響應

李 強，漆 昊，何國興，張德罡，韓天虎，孫 斌，潘冬榮，柳小妮

(1.甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，蘭州 730070；2.甘肅省草原技術推廣總站，蘭州 730000)

草地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的生態(tài)系統(tǒng)，有著豐富的碳氮儲量及完備復雜的物質循環(huán)過程，在全球生物地球化學循環(huán)中扮演著重要的角色。在草地生態(tài)系統(tǒng)中，微生物是土壤碳氮磷轉化的根本動力，對有機碳的分解需要經(jīng)過胞外酶的解聚作用，微生物胞外酶對大分子有機質的解聚是土壤有機碳庫分解的限制性環(huán)節(jié)。同時，土壤胞外酶活性驅動著土壤有機質分解和養(yǎng)分循環(huán)，并能夠快速響應植物、土壤微生物和土壤養(yǎng)分的變化，是理解生態(tài)系統(tǒng)土壤-植物驅動機制的關鍵。因此，草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤酶活性是近些年來研究的熱點。土壤酶化學計量特征被認為是能夠反映微生物與環(huán)境間相對資源限制，也可以反映微生物獲取碳氮磷養(yǎng)分資源的能力，體現(xiàn)微生物生物量與土壤有機質組成之間的平衡，如Sinsabaugh等首次提出利用生態(tài)酶活性化學計量指標研究微生物代謝限制，即土壤酶C/N、C/P和N/P比的全球平均值分別為1.41，0.62和0.44，土壤酶化學計量特征偏離全球均值時表示存在一定程度的養(yǎng)分限制?；谫Y源配置理論，發(fā)生養(yǎng)分限制時，微生物可以通過產(chǎn)生胞外酶以獲取和平衡限制性養(yǎng)分。有研究表明，土壤酶活性及其化學計量比受多種因子的影響，主要包括生物因子和非生物因子，如土壤養(yǎng)分、水熱條件、pH、微生物生物量等。

目前關于土壤酶活性和及其化學計量特征的地理模式已得到廣泛研究，但大多數(shù)研究集中在緯度梯度方面，關于不同海拔和坡向下土壤酶活性和化學計量特征的研究相對較少。海拔和坡向作為山地生態(tài)系統(tǒng)主要的地形因素，是決定山地生境差異的主導因子，通過氣候和土壤理化性質等的變化直接或間接影響土壤胞外酶活性及其酶化學計量特征。山地生態(tài)系統(tǒng)因其獨特的環(huán)境和地質特征而具有重要的生態(tài)功能，因此，對不同海拔和坡向的研究不僅有利于山地生態(tài)理論的形成，還可以預測未來氣候變化對山地植被、土壤養(yǎng)分和生物學特征造成的影響。

祁連山位于青藏高原、黃土高原和蒙古高原的交錯帶，是我國西北重要的生態(tài)安全屏障，也是全球氣候變化最敏感和生態(tài)脆弱區(qū)之一。高寒草甸是祁連山的主要草地類型之一，是高寒區(qū)主要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，對祁連山地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性起著舉足輕重的作用。目前，針對祁連山高寒草甸在海拔和坡向變化過程中土壤胞外酶活性及其化學計量特征的研究鮮見報道。因此，本文選取東祁連山高寒草甸7個海拔(2 800，3 000，3 200，3 400，3 600，3 800，4 000 m)和2個坡向(陰坡、陽坡)的土壤作為研究對象，研究土壤酶及其化學計量特征沿海拔和坡向的變化規(guī)律，分析了影響其變化的關鍵因子。本研究結果有助于理解氣候變化背景下土壤酶活性及其化學計量特征對海拔和坡向的響應，為不同海拔和坡向土壤生態(tài)酶化學計量體系的進一步完善提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于甘肅省東祁連山金強河流域(102°26′31″—102°55′01″E，37°07′23″—37°17′53″N)。海拔2 600～4 300 m，年均氣溫-0.1～0.6 ℃，全年≥0 ℃的積溫為1 360 ℃，降水量446 mm，主要集中在7—9月，年均蒸發(fā)量1 483～1 614 mm，氣候寒冷潮濕，水熱同期，平均相對濕度55%，年日照時間2 600 h。草地類型為高寒草甸類，土壤類型為亞高山草甸土、山地黑鈣土和山地草甸土，土壤含水量為50%～80%，土壤pH 6.94～8.17。

1.2 樣地設置與樣品采集

2020年7—8月在東祁連山金強河流域選取7個不同海拔(2 800，3 000，3 200，3 400，3 600，3 800，4 000 m)，同一海拔設置2個坡向(陽坡、陰坡)樣地，每個樣地各選取3個10 m×10 m的采樣區(qū)域(表1)。

表1 不同海拔和坡向高寒草甸樣地基本信息

每個采樣區(qū)域按對角線設3個50 cm×50 cm的樣方，即3個重復。草樣刈割后，采集表層0—30 cm土樣，取2份土壤樣品：一份采用環(huán)刀取土壤樣品測定土壤容重和含水量，另一份測定土壤養(yǎng)分，同時采樣鮮土保存在-20 ℃用于測定土壤酶活性，采樣時間為8月2—7日。

1.3 樣品測定

土壤容重和含水率分別采用環(huán)刀烘干法測定，土壤pH采用酸度計測定。土壤有機碳(SOC)采用全自動碳分析儀測定(Multi N/C 2100S/1, Analytik Jena AG, Germany)，土壤全氮采用凱氏定氮法測定，土壤全磷采用鉬銻抗比色法測定。

土壤β—葡萄糖苷酶(BG)、酸性磷酸酶(AP)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、β—1，4—乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)、多酚氧化酶(PPO)和過氧化物酶(POD)活性測定方法為：取保存在-20 ℃下的原始土壤樣品，過100目篩子，采用Sinsabaugh等和Allison等的酶標板法并做部分修改。具體測定步驟為：精確稱取3.00 g土壤樣品置于50 mL帶蓋的三角瓶中，向三角瓶加入20 mL醋酸鈉緩沖溶液(50 mmol，pH為5.5)，放置在磁力攪拌機(轉速為650 r/min)上攪拌5 min，即可得到的混合溶液為粗酶液。設置粗酶液對照組、底物對照組和樣品測量組。粗酶液對照組：100 μL粗酶液+130 μL醋酸緩沖液；底物對照組：130 μL底物+100 μL醋酸緩沖液；樣品測量組：100 μL粗酶液+130 μL底物；各土壤酶的底物見表2，過氧化物酶的酶標板還需加入20 μL 0.3% HO，多酚氧化酶的酶標板還需加入20 μL 20 mmol乙二胺四乙酸(EDTA)；然后將酶標版放置在恒溫箱37 ℃暗室進行培養(yǎng)，各土壤酶的培養(yǎng)時間見表2。培養(yǎng)結束后，BG、AP、LAP、NAG的酶標板加20 μL NaOH(1 mol/L)以終止反應。過氧化物酶、多酚氧化酶活性通過測量各自在DNM-9602型酶標儀450，410 nm處的最大吸光度來量化，BG、AP、LAP、NAG土壤酶在405 nm處測定，單位表達為mg/(g·h)。

表2 土壤酶測定的底物和培養(yǎng)時間

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理和繪圖。在SPSS 21.0軟件中用單因素方差分析、檢驗分析、交互效應分析和相關性分析。用lnBG/ln(NAG+LAP)表示土壤C/N酶活性比，lnBG/lnAP表示土壤C/P酶活性比，ln(NAG+LAP)/lnAP表示土壤N/P酶活性比。

2 結果與分析

2.1 不同海拔和坡向高寒草甸土壤理化特性

海拔和坡向的交互效應對土壤容重、含水量、pH、有機碳、全氮、全磷、C/N、C/P和N/P具有顯著影響(<0.05)(圖1)。土壤容重在陽坡和陰坡隨海拔的升高呈先降低后升高趨勢，同一海拔陰坡土壤容重均低于陽坡土壤容重；土壤含水量在陽坡和陰坡隨海拔的升高呈先升高后降低趨勢，同一海拔陰坡土壤含水量均高于陽坡土壤含水量。隨海拔的升高，陽坡土壤pH呈先升高后降低再升高趨勢，而陰坡呈先降低后升高趨勢；同一海拔除海拔2 800 m外，陽坡土壤pH均高于陰坡土壤pH。土壤有機碳在陽坡和陰坡隨海拔的升高呈先升高后降低趨勢；同一海拔，海拔3 200 m以下陰坡土壤有機碳均高于陽坡土壤有機碳，海拔3 200 m以上陽坡土壤有機碳均高于陰坡土壤有機碳。土壤全氮隨海拔和坡向的變化規(guī)律與土壤有機碳類似。土壤全磷在陽坡和陰坡隨海拔的升高呈先降低后升高趨勢，同一海拔除海拔4 000 m外，陽坡土壤全磷均高于陰坡土壤全磷。不同海拔和坡向的高寒草甸土壤C/N為14.55～38.13，土壤C/N在陽坡和陰坡隨海拔的升高呈先降低后升高趨勢；同一海拔，海拔3 200 m以上陽坡土壤C/N均高于陰坡土壤C/N，海拔3 200 m以下陽坡土壤C/N均低于陰坡土壤C/N。不同海拔和坡向的高寒草甸土壤C/P處于12.61～87.94，陽坡和陰坡土壤C/P隨海拔的升高呈先升高后降低趨勢，同一海拔除海拔4 000 m外，陽坡土壤C/P均低于陰坡土壤C/P。不同海拔和坡向的高寒草甸土壤N/P為0.58～4.48，土壤N/P的變化規(guī)律與C/P類似。

注：不同小寫字母表示同一坡向不同海拔之間差異顯著(p<0.05)；不同大寫字母表示同一海拔不同坡向之間差異顯著(p<0.05)；F和Sig表示海拔和坡向交互作用的顯著性，當Sig<0.05，即交互效應差異顯著；當Sig<0.01，即交互效應極顯著。下同。

2.2 不同海拔和坡向高寒草甸土壤酶活性

海拔和坡向的交互效應對土壤LAP、BG、PPO和POD酶活性有顯著影響(<0.05)，對AP和NAG酶活性無顯著影響(>0.05)(圖2)。

土壤LAP酶活性在陽坡和陰坡隨海拔梯度的升高呈先升高后降低趨勢(圖2a)，分別在海拔3 800 m和海拔3 200 m達最大值(5.34 mg/(g·24 h)和7.30 mg/(g·24 h))；同一海拔，海拔3 800 m以下陽坡LAP酶活性低于陰坡，海拔3 800 m以上陽坡LAP酶活性高于陰坡，且海拔3 000，3 200，3 400，3 600，3 800 m的陽坡與陰坡土壤LAP酶活性均差異顯著(<0.05)。土壤AP酶活性在陽坡和陰坡隨海拔梯度的升高呈先升高后降低趨勢(圖2b)，分別在海拔3 200 m達最大值(5.21，7.43 mg/(g·24 h))；同一海拔，陽坡土壤AP酶活性低于陰坡，且海拔3 000，3 200，3 600，3 800 m的陽坡與陰坡土壤AP酶活性均差異顯著(<0.05)。

土壤BG酶活性在陽坡和陰坡隨海拔梯度的升高呈先升高后降低趨勢(圖2c)，陽坡在海拔3 600 m達最大值(2.48 mg/(g·24 h))，陰坡在海拔3 200 m達最大值(3.15 mg/(g·24 h))；同一海拔，除海拔3 600 m外，其他海拔陽坡的土壤BG酶活性低于陰坡土壤BG酶活性，且海拔3 000，3 200，3 600 m的陽坡與陰坡土壤BG酶活性均差異顯著(<0.05)。土壤NAG酶活性在陽坡和陰坡隨海拔梯度的升高而降低(圖2e)；同一海拔，陽坡土壤NAG酶活性高于陰坡，且海拔2 800，3 000，3 400，3 600 m的陽坡與陰坡土壤NAG酶活性均差異顯著(<0.05)。

土壤POD酶活性在陽坡和陰坡隨海拔梯度的升高呈先升高后降低趨勢(圖2d)，陽坡在海拔3 800 m達最大值(2.98 mg/(g·24 h))，陰坡在海拔3 200 m達最大值(8.79 mg/(g·24 h))；同一海拔，除海拔3 800 m外，其他海拔陽坡的土壤POD酶活性低于陰坡，且海拔2 800，3 000，3 200，3 400 m的陽坡與陰坡土壤POD酶活性均差異顯著(<0.05)。土壤PPO酶活性在陽坡和陰坡隨海拔的升高而降低(圖2f)；同一海拔，陽坡土壤PPO酶活性低于陰坡，且海拔2 800，3 200，3 400，3 800 m的陽坡與陰坡土壤PPO酶活性均差異顯著(<0.05)。

圖2 不同海拔和坡向高寒草甸土壤酶活性變化特征

2.3 不同海拔和坡向土壤酶化學計量特征

海拔和坡向的交互效應對土壤lnBG/ln(NAG+LAP)、lnBG/lnAP和ln(NAG+LAP)/lnAP有顯著影響(<0.05)(圖3)。

土壤lnBG/ln(NAG+LAP)在陽坡和陰坡隨海拔梯度的升高呈先升高后降低(圖3a)，陽坡在海拔3 600 m達最大值(1.55)，陰坡在海拔3 000 m達最大值(0.89)；同一海拔，除海拔3 000，4 000 m外，其他海拔陽坡的土壤lnBG/ln(NAG+LAP)高于陰坡，且除海拔2 800 m外的其他海拔陽坡與陰坡土壤lnBG/ln(NAG+LAP)均差異顯著(<0.05)。不同海拔和坡向高寒草甸土壤lnBG/lnAP的變化規(guī)律與土壤lnBG/ln(NAG+LAP)類似(圖3b)。土壤ln(NAG+LAP)/lnAP在陽坡隨海拔的升高呈先降低后升高再降低趨勢(圖3c)，陰坡呈先升高后降低趨勢，陽坡和陰坡的最大值出現(xiàn)在海拔3 800 m(3.94)和3 600 m(1.49)處；同一海拔，除海拔2 800，3 800，4 000 m外，其他海拔陽坡的土壤ln(NAG+LAP)/lnAP低于陰坡，且陽坡與陰坡土壤ln(NAG+LAP)/lnAP均差異顯著(<0.05)。

圖3 不同海拔和坡向高寒草甸土壤酶化學計量特征

2.4 土壤理化性質與土壤酶及其化學計量比的關系

相關性分析(表3)發(fā)現(xiàn)，土壤NAG酶與土壤pH、有機碳、全磷呈極顯著正相關(<0.01)，與土壤含水量呈極顯著負相關(<0.01)；LAP酶與土壤含水量、有機碳、C/P、N/P呈極顯著正相關(<0.01)，與pH、全磷呈極顯著負相關(<0.01)；BG酶與土壤含水量、有機碳、全氮、N/P呈極顯著正相關(<0.01)，與C/P呈顯著正相關(<0.05)，與土壤容重呈極顯著負相關(<0.01)，與C/N呈顯著負相關(<0.05)；AP酶與土壤含水量、有機碳、全氮、C/P、N/P呈極顯著正相關(<0.01)，與全磷呈極顯著負相關(<0.01)；PPO酶與pH、有機碳、全磷呈極顯著正相關(<0.01)；POD酶與土壤含水量、有機碳、全氮、N/P呈極顯著正相關(<0.01)，與C/P呈顯著正相關(<0.05)，與土壤容重呈極顯著負相關(<0.01)；酶lnBG/ln(NAG+LAP)與有機碳、全氮呈顯著正相關(<0.05)，與土壤容重、C/N呈顯著負相關(<0.05)；酶ln(NAG+LAP)/lnAP與土壤容重呈極顯著負相關(<0.01)，與pH、SOC、TN、TP呈極顯著負相關(<0.01)。

表3 土壤理化性質與酶活性及其化學計量特征之間的相關性分析

3 討 論

3.1 土壤酶活性及其化學計量特征沿海拔和坡向的變化特征

土壤酶是評價土壤質量和微生物活性的重要指標。在不同生境中，產(chǎn)酶生物對土壤酶合成中的資源分配調整，增加對生境限制土壤養(yǎng)分元素的分派，以平衡C、N、P等元素的組成，優(yōu)化養(yǎng)分利用。本研究中，參與C代謝的酶為BG活性隨著海拔的升高先升高后降低，同一海拔BG在海拔3 400 m以下陽坡小于陰坡；參與N代謝的酶為NAG活性隨著海拔升高而降低，LAP活性隨海拔升高先升高后降低，同一海拔陽坡土壤NAG活性均高于陰坡土壤NAG活性，而陽坡LAP酶活性低于陰坡LAP酶活性?；贛iochaelis-Menten理論，胞外酶的活性取決于底物的可利用性，NAG與LAP底物差異，微生物群落的策略也隨之改變，即海拔2 800～3 000 m的土壤更加趨向于產(chǎn)生NAG的微生物，而海拔3 200～3 400 m的土壤更加趨向于產(chǎn)生LAP的微生物，高海拔區(qū)域主要是氣溫限制微生物活性；其次，NAG與LAP在相同海拔不同坡向上的差異，也說明LAP酶活在土壤溫度較低環(huán)境下活性更高，也可能是海拔和坡向引起的土壤微環(huán)境、凋落物、植被組成差異改變微生物群落，導致NAG和LAP的差異性。本研究中，參與P循環(huán)的土壤AP酶隨海拔的升高呈先升高后降低趨勢，同一海拔陽坡AP酶活性低于陰坡AP酶活性，這與孫毅等和馬寰菲等研究結果部分類似，其主要原因可能是研究區(qū)域海拔和氣候因子的差異造成的。同時，本研究發(fā)現(xiàn)，PPO活性隨海拔的升高而降低，POD活性隨海拔的升高呈先升高后降低趨勢，主要是由于隨著海拔梯度的升高，土壤溫度逐漸降低，在一定程度上降低土壤酶的活性；相關研究發(fā)現(xiàn)，土壤酶活性與土壤含水量呈正相關，這可能是導致POD活性先升高后降低的主要原因所在，即土壤溫度和水分共同影響土壤酶活性。本研究中，同一海拔梯度時，陽坡PPO酶活性低于陰坡PPO酶活性，而PPO活性因海拔的不同陰陽坡高低各異，由于坡向對土壤水熱進一步進行分配，水熱的差異導致土壤酶活性的差異性，即土壤溫濕度對土壤酶活性的影響是兩者的綜合作用，不同海拔和坡向土壤狀況產(chǎn)生不同的水熱狀況組合，導致土壤酶活性的差異性。

本研究發(fā)現(xiàn)，土壤lnBG/ln(NAG+LAP)、lnBG/ln(NAG+LAP)隨海拔的升高呈先升高后降低趨勢，同一海拔，除海拔3 000，4 000 m外，其他海拔陽坡的土壤lnBG/ln(NAG+LAP)高于陰坡土壤lnBG/ln(NAG+LAP)，海拔3 000～3 400 m的土壤lnBG/lnAP和海拔3 000～3 600 m的土壤ln(NAG+LAP)/lnAP在陽坡低于陰坡，即土壤酶化學計量特征隨海拔和坡向存在顯著差異性，且呈規(guī)律性變化。與全球平均土壤酶C∶N(1.41)、土壤酶C∶P(0.62)、和土壤酶N∶P(0.44)相比，基本呈土壤lnBG/ln(NAG+LAP)<1.41，lnBG/lnAP<0.62，而土壤ln(NAG+LAP)/lnAP>0.44，這反映出研究區(qū)土壤氮的分解酶活性相對較高，即該區(qū)域缺乏氮素。本研究結果也符合生態(tài)經(jīng)濟學的“最優(yōu)配置”理論，即微生物的資源分配策略是傾向分泌更多與匱乏的某種養(yǎng)分相關的水解酶，以滿足自身養(yǎng)分需求。

3.2 土壤酶及其化學計量特征的驅動因素

相關研究發(fā)現(xiàn)，生物和非生物因子可通過調節(jié)微生物代謝作用對土壤酶活性及其化學計量比產(chǎn)生影響。本研究中相關分析發(fā)現(xiàn)，土壤酶活性及其化學計量特征不同程度受土壤C、N、P資源及土壤水分條件等的調控，土壤含水量和有機碳是影響土壤酶活性和酶化學計量特征的主要因子，這與黃海莉等在青藏高原高寒草甸和解夢怡等在秦嶺銳齒櫟林的研究結果一致。土壤有機碳作為土壤的重要組成部分，對土壤中物質循環(huán)和土壤微生物生活具有重要的作用，可為酶發(fā)揮作用提供場所與適宜的條件，即高有機碳含量可促進土壤酶的合成。土壤水分是土壤物質循環(huán)和能量流動的動力所在，黃海莉等研究發(fā)現(xiàn)，各種酶促反應的進行離不開土壤水分，土壤干燥會抑制土壤酶活性。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳與NAG、LAP、BG、AP、PPO和POD呈顯著正相關，與lnBG/ln(NAG+LAP)呈顯著負相關；土壤含水量與NAG活性呈極顯著負相關，與LAP、BG、AP和POD呈極顯著正相關，即土壤含水量和有機碳是影響土壤酶活性及其化學計量特征的重要因素。

海拔和坡向等地形因子的變化，通過改變土壤水分和養(yǎng)分含量，間接調控土壤酶活性及其化學計量特征；同時，土壤酶依據(jù)不同生境下土壤養(yǎng)分含量和水分條件，平衡養(yǎng)分循環(huán)，保證高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動。因此，基于土壤酶化學計量特征理論，應該依據(jù)海拔和坡向差異性合理管理高寒草甸，促進高寒生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結 論

微尺度下不同海拔和坡向高寒草甸土壤酶活性及其化學計量特征存在顯著的空間差異性，且不同程度地受土壤C、N、P資源及土壤水分條件等的調控，而土壤含水量和有機碳是影響土壤酶活性的主要影響因子。研究結果可從地形因子角度研究土壤酶活性及其化學計量特征的海拔和坡向效應及驅動因素提供科學依據(jù)，也對實現(xiàn)優(yōu)化高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的管理和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。