荒漠草原土壤酶活性及化學計量特征對不同載畜率的響應(yīng)

李雅男， 李邵宇， 孫 宇， 胡雪峰， 賀啟珅， 張 彬， 趙萌莉

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院,草地資源教育部重點實驗室, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

土壤酶是一種蛋白質(zhì)性質(zhì)的高分子活性物質(zhì)[1]，其作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的組分之一，參與生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物種循環(huán)過程，是生態(tài)系統(tǒng)中復雜的生物化學過程的催化劑[2]，不僅可以表征土壤肥力[3]，還可以反映土壤活性的高低[4]，是衡量土壤質(zhì)量的重要指標[5]。土壤中被鑒定出的約60種酶活性表明，土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)、環(huán)境因子等有關(guān)[6]，酶的催化對土壤中碳(C)、氮(N)、磷(P)的循環(huán)有重要作用[7]。多種不同功能的酶共存于土壤環(huán)境中，其中α-葡萄糖苷酶(αCG)、β-葡萄糖苷酶(βCG)、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP) 和堿性磷酸酶(ALP)與土壤養(yǎng)分循環(huán)密切相關(guān)[8]。

土壤酶化學計量是指生態(tài)系統(tǒng)中參與養(yǎng)分循環(huán)的土壤酶活性的比值[9]，其大小能夠表征土壤微生物養(yǎng)分需求[10]，指示土壤養(yǎng)分限制情況[11]，近年來對土壤酶的研究逐漸成為生態(tài)學領(lǐng)域研究熱點[12]。Sinsabaugh等[13]對全球尺度不同生態(tài)系統(tǒng)土壤酶研究發(fā)現(xiàn)，增溫和增雨處理會顯著增加N降解酶和P降解酶活性，卻對C降解酶活性幾乎無影響[14]，喻嵐暉[15]在對退化高寒草甸的研究中發(fā)現(xiàn)，C循環(huán)酶和P循環(huán)酶及C/N，C/P在中度退化最高，而P循環(huán)酶在中度放牧最高，N/P在各退化程度間差異不顯著。李雪麗等[16]研究松嫩草地不同演替階段土壤酶發(fā)現(xiàn)，松嫩退化草地在演替過程中受P限制，且隨著草地恢復演替P限制逐漸減弱。綜上，環(huán)境因子與土壤酶聯(lián)系密切，但環(huán)境因子對土壤酶貢獻如何尚無定論，因此不同生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境因子對土壤酶的實際影響仍需進一步研究。

放牧是草地維持健康的主要驅(qū)動力[17]，動物的采食和踐踏改變了凋落物的含量等，進而影響C，N循環(huán)[18]，動物排泄物的歸還也會影響土壤的養(yǎng)分循環(huán)[19]。放牧會增加典型草原多酚氧化酶和過氧化氫酶活性，輕度放牧會顯著增加脲酶活性[20]，隨著放牧強度的增加，貝加爾針茅草原(Stipacapillata)脲酶和磷酸酶活性顯著降低[21]，而在克什針茅(StipakryloviiRoshev)草原，重度放牧較輕度放牧和中度放牧顯著增加了脲酶活性[22]，以上研究結(jié)果表明，放牧對不同草地類型的土壤酶化學計量的影響不同。荒漠草原是內(nèi)蒙古地區(qū)重要的生態(tài)系統(tǒng)[23]，本研究以內(nèi)蒙古短花針茅(Stipabreviflora)荒漠草原為研究對象，通過回答以下問題：(1) 不同載畜率土壤酶活性及化學計量比如何變化;(2)不同載畜率土壤理化性質(zhì)如何調(diào)節(jié)土壤酶化學計量，二者有何關(guān)系。探究土壤酶活性及其化學計量特征對不同載畜率的響應(yīng)，旨在為內(nèi)蒙古荒漠草原合理利用和生態(tài)修復提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗依托于內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學院綜合試驗示范中心四子王旗基地(41°46′44″N，111°53′42″E)平臺，該區(qū)海拔 1 456 m，典型的中溫帶大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季炎熱，而冬季寒冷漫長。年均降水量為 234 mm，降水主要集中在 4—9月；年均風速為 4～5 m·s-1。地帶性植被類型為短花針茅荒漠草原，建群種為短花針茅，主要優(yōu)勢種為無芒隱子草(Cleistogenessongorica)和冷蒿(Artemisiafrigida)，植被稀疏低矮，群落高度為 8～10 cm，蓋度為 17%～20%。土壤為淡栗鈣土，土層約1 m厚，鈣積層在離地面40～50 cm處出現(xiàn)，試驗地土壤較貧瘠，土體堅硬、透氣保水性差、有機質(zhì)含量較低，約為14 g·kg-1[24]。

1.2 試驗設(shè)計

試驗區(qū)于2004年開始采用隨機區(qū)組進行圍欄放牧處理，樣地總面積50 hm2，分為3個大區(qū)組，每個區(qū)組內(nèi)設(shè)置4個載畜率水平：對照區(qū)(Control,CK)、輕度放牧區(qū)(Light grazing,LG)、中度放牧區(qū)(Moderate grazing,MG)、重度放牧區(qū)(Heavy grazing,HG),每個小區(qū)內(nèi)載畜率分別為0，0.91，1.82，2.71羊單位-1·hm-2·(0.5a)-1(分別為0，4，8，12只羊)。每年6月開始放牧，10月結(jié)束。每天早晨6點將試驗所用羊趕入放牧區(qū)讓其自由采食，晚6點趕回羊圈休息。

圖1 試驗小區(qū)示意圖Fig.1 Diagrammatic illustration of the experimental block

1.3 樣品采集

實驗于2021年5月于內(nèi)蒙古四子王旗荒漠草原長期放牧平臺進行(自2004年起，樣地均按照試驗設(shè)計方案放牧)，因土壤異質(zhì)性較大[24]，故選取試驗區(qū)地勢平坦的區(qū)域，用網(wǎng)格法采集土壤樣品。每個小區(qū)設(shè)置3個10 m×10 m的大樣方，樣方內(nèi)間隔2 m，使用直徑為7 cm的土鉆收集0～10 cm的表層土壤。共在4個處理3個區(qū)組的12塊樣地內(nèi)取1296鉆土，6鉆合1鉆，共計216份土壤樣品。每個處理54個重復。將土樣中的礫石、植物根和凋落物剔除，過2 mm篩后混勻裝入自封袋，放入冰盒帶回實驗室，土樣分兩部分保存，一部分置于庇蔭處風干后進行土壤理化性質(zhì)指標的測定，另一部分放入-80℃冰箱保存，用于酶活性的測定。具體測定指標及方法見表1。

表1 測定指標及測定方法[14,24]Table 1 Measurement indexes and measurement methods

1.4 指標測定

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

使用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)初步匯總整理，使用SPSS (IBM SPSS Statistics 23)進行數(shù)據(jù)分析，其中，不同放牧強度下土壤酶活性和理化性質(zhì)的差異顯著性采用單因素方差分析，各處理間為Duncan比較(P= 0.05)，土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性做相關(guān)性分析，使用Origin2019b及R corrplot數(shù)據(jù)包(R Core Team 3.6.3) 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同載畜率土壤理化性質(zhì)

由表2可知，隨放牧強度增加，毛管持水量(CC)、土壤有機碳(SOC)含量、土壤全氮(TN)含量、土壤全磷(TP)含量均呈降低趨勢(P<0.05)，土壤容重(BD)和土壤pH值呈增加趨勢(P<0.05)。其中，CC在CK和LG顯著低于MG和HG；BD在CK和LG顯著低于MG和HG(P<0.05)；土壤pH值在CK顯著低于MG和HG(P<0.05)；CK和LG的SOC含量顯著高于MG和HG(P<0.05)；隨著載畜率的增加，TN含量顯著降低(P<0.05)；TP含量在CK顯著高于LG和HG(P<0.05)。

表2 不同載畜率土壤理化性質(zhì)變化Table 2 Changes in soil physiochemical properties of different stocking rates

2.2 不同載畜率土壤酶活性

隨著放牧強度的增加，αCG，βCG，NAG，LAP，ALP活性均呈降低趨勢(圖2)。其中，和CK相比，αCG活性隨放牧強度增加顯著降低(P<0.05)，波動范圍為0.5～3.5 μmol·(d·g)-1；βCG活性在CK顯著高于LG，LG顯著高于HG，MG與LG，HG之間差異不顯著，于22～30 μmol·(d·g)-1范圍內(nèi)波動；隨放牧強度的增加，NAG活性顯著下降(P<0.05)，在CK酶活性最高，為7.5 μmol·(d·g)-1；LAP在MG和HG顯著低于LG顯著低于CK(P<0.05)；MG高于HG但未達到顯著水平(P>0.05)，在CK酶活性最高，為24 μmol·(d·g)-1；ALP在CK顯著高于MG顯著高于HG(P<0.05)，CK與LG，LG與MG差異不顯著，酶活性在9～13 μmol·(d·g)-1之間波動。

圖2 不同載畜率土壤酶活性變化Fig.2 Changes in soil enzyme activity in different stocking rates注：不同小寫字母表示同一指標不同載畜率之間差異顯著(P<0.05),下同Note：Different lowercase letters indicate that there are significant differences between different animal loading rates of the same index at the 0.05 level,the same as below

2.3 不同載畜率土壤酶活化學計量特征

隨放牧強度的增加，土壤碳氮酶化學計量比((αCG+βCG)∶(NAG+LAP))呈增加趨勢，而土壤氮磷酶化學計量比((NAG+LAP)∶ALP)呈降低趨勢，土壤碳磷酶化學計量比((αCG+βCG)∶ALP)變化趨勢不明顯(圖3)。CK區(qū)內(nèi)(αCG+βCG)∶(NAG+LAP)主要集中在1～1.4范圍內(nèi)，在LG，MG，HG分別集中在1～1.6，1.3～1.7，1.4～1.8之間；(NAG+LAP)∶ALP在CK，LG，MG，HG的集中范圍分別為2～2.2，1.7～2.4，1.4～1.6，1.5～1.8；(αCG+βCG)∶ALP在CK，LG，HG內(nèi)較為平均，在MG主要集中在2.2～2.6。在對不同載畜率下土壤酶化學計量數(shù)據(jù)標準化后，隨著放牧強度的增加，ln(αCG+βCG)∶(NAG+LAP)顯著增加(P<0.05)；ln(NAG+LAP)∶ALP隨放牧強度增加而降低，其中，CK和LG顯著高于MG和HG(P<0.05)，CK和LG，MG和HG之間差異不顯著；ln(αCG+βCG)∶ALP在各放牧強度之間的差異未達到顯著水平。

圖3 不同載畜率土壤酶化學計量變化Fig.3 Changes in soil enzymes stoichiometric in different stocking rates注：(αCG+βCG)∶(NAG+LAP)，土壤碳氮酶化學計量比；(NAG+LAP)∶ALP，土壤氮磷化學計量比；(αCG+βCG)∶ALP，土壤碳磷化學計量比；ln(αCG+βCG)∶(NAG+LAP)，土壤碳氮酶化學計量比對數(shù)；ln(NAG+LAP)∶ALP，土壤氮磷化學計量比對數(shù)；ln(αCG+βCG)∶ALP，土壤碳磷化學計量比對數(shù)Note:(αCG+βCG)∶(NAG+LAP),Soil carbon and niotrogen enzyme stoichiometric ratio;(NAG+LAP)∶ALP,Soil niotrogen and phosphatase stoichiometric ratios;(αCG+βCG)：ALP,Soil carbon and phosphatase stoichiometric ratios. ln(αCG+βCG)∶(NAG+LAP),Soil carbon and niotrogen enzyme stoichiometric logarithmic ratio;ln(NAG+LAP)∶ALP,Soil niotrogen and phosphatase stoichiometric logarithmic ratios;ln(αCG+βCG)∶ALP,Soil carbon and phosphatase stoichiometric logarithmic ratios

2.4 土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性相關(guān)性分析

土壤理化性質(zhì)與土壤酶的相關(guān)性結(jié)果表明(圖4),BD和CC，土壤pH值和TN呈負相關(guān)關(guān)系；LAP和αCG，βCG，NAG，TN，TP，βCG和NAG，αCG，TN，NAG和αCG，TN，αCG和TN，TP，ALP，TN和TP，ALP，TP和ALP均呈正相關(guān)關(guān)系。

圖4 不同載畜率土壤酶活性和理化性質(zhì)相關(guān)性Fig.4 Correlation between soil physical and chemical properties and enzyme activities in different stocking rates注：藍色圓圈表示2個因子間呈正相關(guān)關(guān)系，紅色圓圈表示2個因子間呈負相關(guān)關(guān)系。BD，土壤容重；CC，土壤毛管持水量；SOC，土壤有機碳含量；LAP，亮氨酸氨基肽酶；αCG，α-葡萄糖苷酶；βCG，β-葡萄糖苷酶；NAG，β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶；ALP和堿性磷酸酶；TN，土壤全氮；TP，土壤全磷；SOC，土壤有機碳Note:The blue circle indicates a positive correlation between the two factors,and the red circle indicates a negative correlation between the two factors. BD,Soil bulk density;CC,Soil capillary water holdings;SOC,Soil organic carbon content;LAP,leucine aminopeptidase;alphaCG,α-glucosidase;βCG,β-glucosidase;NAG,β-N-acetyl glucosaminease;ALP and alkaline phosphatase;TN,Soil total nitrogen;TP,Soil total phosphorus;SOC,Soil organic carbon

3 討論

3.1 不同載畜率對土壤理化性質(zhì)的影響

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中能量流動與物質(zhì)循環(huán)的重要場所[25]，放牧是草原主要利用方式之一，通過家畜的踐踏、采食、糞尿返還等行為改變土壤的理化性質(zhì)[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤毛管持水量隨放牧強度增加而降低，而土壤容重則表現(xiàn)出相反的趨勢，即隨放牧強度的增加而增加，此結(jié)果與通樂嘎[27]等的研究結(jié)果一致。一方面是由于放牧強度越強，家畜對土壤的踩踏越嚴重，增加了土壤緊實度，土壤孔隙度減小，土壤滲透性減少，導致土壤容重增加，毛管持水量減少[28]；另一方面，植物根系的生長也是影響土壤容重的重要因素之一[29]，隨著放牧強度的增加，土壤狀況逐漸惡化，影響植物根系生長，進而影響土壤容重。隨著動物的踐踏和采食行為的增強，植被蓋度和地表凋落物的累積越來越少，增大了地表的裸漏面積，地表水分蒸發(fā)量增加，進而使毛管持水量減少[30]。土壤pH值隨放牧強度的增加而增加，可能是因為動物的糞尿排泄量增加，致使土壤中陽離子含量增加，土壤pH值增加[31]。土壤有機碳含量隨放牧強度增加而降低，重度放牧顯著低于輕度放牧(P<0.05)，可能是由于放牧降低了植被蓋度和生物量，減少了凋落物累積，降低了草地初級生產(chǎn)力，輸入土壤中的有機碳含量減少[32]。土壤全氮、全磷隨放牧強度的增加而降低，此結(jié)果與周天陽等[33]研究結(jié)果一致，可能是因為放牧降低了凋落物質(zhì)量，致使有機質(zhì)分解作用減弱，減弱了微生境內(nèi)的生物地球化學循環(huán)[34]。

3.2 放牧對土壤酶活性及其化學計量比的影響

土壤酶主要由植物根系和微生物分泌產(chǎn)生，可將土壤有機和無機成分充分結(jié)合，是土壤中元素生物地球化學循環(huán)的催化劑[35]。本研究發(fā)現(xiàn)，放牧顯著降低了αCG,βCG,NAG,LAP和ALP活性，說明隨著放牧強度的增加，荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)土壤碳、氮、磷元素生化反應(yīng)速率減慢。一方面，可能由于放牧強度越強，群落生產(chǎn)力越低，群落結(jié)構(gòu)趨于簡化，不利于土壤動物和微生物的生存[36]，另一方面，土壤有機碳、全氮、全磷含量均隨放牧強度增加而降低，說明放牧降低了養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)速率，重度放牧條件下碳、氮、磷庫存較小，不能為土壤酶提供充足的反應(yīng)底物，致使土壤酶活性下降。此外，重度放牧條件下，土壤微生物活性大幅下降，也可能是導致土壤酶活性下降的重要原因。

土壤酶化學計量比可以用來預測土壤養(yǎng)分循環(huán)限制元素[37]，全球生態(tài)系統(tǒng)碳氮酶化學計量比平均水平為1.41，碳磷比為0.62，氮磷比為0.44，C∶N∶P約為1∶1∶1[38]，內(nèi)蒙古短花針茅(Stipabreviflora)荒漠草原碳氮酶化學計量比低于全球平均水平，而碳磷酶化學計量比和氮磷酶化學計量比均高于全球平均水平，說明內(nèi)蒙古荒漠草原中可分解氮的酶活性較高，而分解磷素的酶活性較低[39]。土壤碳氮酶化學計量比隨放牧強度的增加而增加，這表明微生物存在一定的碳限制，微生物所利用的氮含量相比于碳較富足，土壤微生物減少對于氮相關(guān)的酶的投入，更傾向于分泌碳相關(guān)酶來獲取養(yǎng)分，其效率大于氮相關(guān)酶。氮磷酶化學計量比隨放牧強度的增加而降低，可能是載畜率增加加劇了草地的退化，土壤理化性質(zhì)、群落種類組成及微生物多樣性均發(fā)生變化，在此過程中消耗了參與氮循環(huán)的微生物，同時，氮磷酶化學計量比降低說明生態(tài)系統(tǒng)可能存在氮限制[40]。

3.3 土壤酶與環(huán)境因子的相互關(guān)系

土壤酶對環(huán)境因子的變化十分敏感[41]，本研究發(fā)現(xiàn)(圖4)，與氮、氮、磷相關(guān)的5種酶均與土壤全氮呈現(xiàn)出較強的正相關(guān)關(guān)系，與朱琳等[42]研究結(jié)果一致，ALP與土壤全磷呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，賽牙熱木·哈力甫[43]也得出相同結(jié)論。NAG和LAP參與土壤氮循環(huán)過程，ALP參與土壤磷循環(huán)過程，放牧通過降低土壤中氮素含量和磷素含量抑制酶活性；αCG和βCG與全氮呈正相關(guān)關(guān)系的原因是，氮是植物生長必備的營養(yǎng)元素之一，土壤中氮素含量隨放牧強度增加而減少，致使植物生物量減少，進而導致輸入土壤中的碳素減少。根據(jù)資源分配理論，土壤微生物獲取養(yǎng)分和能量后，酶的分泌和生化特性發(fā)生改變，進而影響了酶的活性[44]。Weand等[45]發(fā)現(xiàn)ALP與土壤氮素含量密切相關(guān)，與本研究結(jié)果一致，這可能是因為一種養(yǎng)分含量的增加，會導致植物和微生物對另一種養(yǎng)分含量投資的增加，如磷含量的增加會導致植物和微生物獲取氮的效率有所提高[46]。以上結(jié)果也反映出土壤酶活性與養(yǎng)分變化具有趨同性。本研究結(jié)果還顯示，5種土壤酶之間也存在正相關(guān)關(guān)系，這說明土壤酶之間存在一定的促進作用，即一種酶通過調(diào)節(jié)酶促產(chǎn)物含量和土壤微環(huán)境理化性質(zhì)對另一種酶活性起到促進作用[42]。

4 結(jié)論

不同載畜率間土壤理化性質(zhì)存在差異，其中中度放牧和重度放牧顯著降低了毛管持水量和土壤有機碳含量，增加了土壤容重和土壤pH值，隨放牧強度增加土壤全氮和土壤全磷含量顯著降低(P<0.05)；與碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)的5種酶活性均隨載畜率增加而降低，土壤酶活性與養(yǎng)分變化具有協(xié)同性；以上5種土壤酶均與土壤全氮呈現(xiàn)出較強的相關(guān)性(P<0.05)。本研究可為荒漠草原生態(tài)修復提供理論依據(jù)。