荒漠灌叢土壤酶活性對UV-B輻射及凋落物分解的響應

韋昌林， 李 毅， 單立山， 解婷婷

（甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院，甘肅 蘭州 730070）

土壤酶是土壤代謝的主要動力，土壤中一切生物化學作用都是在其催化下完成的［1］。它不但是植物營養(yǎng)元素的活性庫，也能夠表征土壤碳、氮、磷等養(yǎng)分的循環(huán)狀況［2］。土壤酶活性受到非生物因素和生物因素的影響。近年來環(huán)境污染導致臭氧層變薄，最終使得到達地面的輻射增強，尤其是UV-B輻射［3］，這勢必會對土壤酶活性造成影響。同時，土壤酶活性也受到凋落物分解的影響，土壤酶反過來又會對凋落物分解產(chǎn)生影響。凋落物的徹底降解最終是在土壤微生物酶解作用下完成的，土壤中酶活性的高低直接決定著凋落物的分解速率［4］。研究UV-B 輻射與凋落物分解2 種因素對土壤酶活性的影響對闡述生態(tài)系統(tǒng)中凋落物及土壤物質(zhì)能量動態(tài)具有重要意義［5］。

UV-B 輻射是對地球生物產(chǎn)生直接影響的紫外輻射［6］，其變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響已成為全球環(huán)境變化研究中的前沿和熱點問題之一［7］。有研究表明，UV-B輻射增強導致稻田土壤多酚氧化酶和蔗糖酶的活性降低，纖維素酶活性增加［8］，導致大豆根際土壤脲酶、轉化酶和磷酸酶活性降低［9］。也有研究認為，UV-B輻射增強不足以對大麥根際土壤酶活性產(chǎn)生顯著影響［10］，而顧夏天［11］的研究表明，UV-B輻射增強對土壤酶活性的影響因大麥品種而異。可見，UV-B輻射對土壤酶活性的影響因土壤酶種類和作物的不同而表現(xiàn)出差異。也有大量研究指出，凋落物的添加對土壤酶活性的影響因凋落物類型而異，林晗等［12］指出，千年桐與毛竹凋落葉混合分解相比單一凋落葉在不同程度上增強了土壤脲酶、蔗糖酶等土壤酶的活性。陳光升［13］的研究中發(fā)現(xiàn)，凋落物對土壤酶活性的影響竹林較光皮樺林更為明顯。張冰冰等［14］發(fā)現(xiàn)，不同凋落物對土壤酶活性的影響不同，毛竹、馬尾松、樟樹等多種樹種對土壤酶活性的影響因凋落物類型而各異。然而，已有的研究多集中在凋落物或UV-B輻射對土壤酶活性的影響［8-12］，而雙因素對土壤酶活性作用的研究還相對較少，且已有的研究多集中于森林生態(tài)系統(tǒng)［4,12,15-16］，對于干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)的研究較少。因此，開展UV-B 輻射條件下荒漠灌叢凋落物層下土壤酶活性特征的研究對于闡述荒漠生態(tài)系統(tǒng)凋落物和土壤有機質(zhì)的分解、養(yǎng)分元素的釋放以及生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動具有重要意義。

紅砂（Reaumuria soongarica）和珍珠（Salsola passerina）是我國干旱和半干旱地區(qū)廣泛分布的植物種，耐旱、耐鹽堿，對環(huán)境適應性強、可塑性大，二者?；楣步ǚN組成混生群落，對荒漠地區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性維護有重要作用［17］。目前，關于紅砂與珍珠的研究主要集中在根、莖、葉、種子形態(tài)特征以及遺傳育種等方面［18-19］，而關于UV-B輻射對其凋落物層下土壤酶活性的研究很少。因此，本研究通過分析紅砂和珍珠以及二者混合凋落物層下土壤酶活性對UV-B 輻射的響應，以期為我國干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)凋落物管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河西走廊中部的典型干旱荒漠區(qū)臨澤內(nèi)陸河流域荒漠生態(tài)系統(tǒng)綜合觀測場（39°41′N,100°12′E）內(nèi)，是典型的大陸性干旱荒漠氣候，干燥多風，晝夜溫差大，年平均氣溫7.6 ℃，降水量少且蒸發(fā)量大，降水主要集中在7—9 月，年平均降水量117 mm，年平均蒸發(fā)量高達2000～3000 mm［17］。光照充足，年平均日照數(shù)為3053 h。土壤主要以風沙土類型為主，土壤含水率12%，相對濕度75%，有機質(zhì)含量4.65 g·kg-1，全氮0.22 g·kg-1，全磷0.32 g·kg-1，堿解氮18.7 mg·kg-1，有效磷6.3 mg·kg-1，速效鉀75 mg·kg-1。植被主要由荒漠戈壁植被、沙漠植被等組成，其中沙漠植被主要以灌木為主。

1.2 研究方法

1.2.1 實驗設計 在2020年6月30日—2021年6月30 日進行模擬UV-B 輻射濾減實驗，共設置2 種處理，分別為模擬UV-B輻射濾減處理和自然光照（對照）處理。每個處理6個重復，每個處理設置一塊樣方，共計12塊樣方。

模擬UV-B 輻射濾減采用國內(nèi)外通用的聚酯薄膜法［20］，用聚酯薄膜過濾部分UV-B 輻射。進行紫外輻射處理的樣方在距離凋落物上方30 cm 處，架設125 μm 厚的聚酯薄膜，每個樣地的面積均為2.0 m×2.0 m，2 個月更換1 次薄膜以防老化。同時在進行紫外輻射處理的樣方旁放置與樣地面積相等底面積的鐵皮盒子，用來收集降水并在每次降水事件發(fā)生后由人工在8 h之內(nèi)將收集的降水均勻地灑入樣地，以保證輻射濾減樣地與自然光照樣地內(nèi)降水量的一致。前人研究結果表明，UV-B濾減環(huán)境比自然環(huán)境減少了22.1%［15］。UV-B 輻射濾減下氣溫比自然光照低14.2%，土壤溫度比自然光照低18.4%。

1.2.2 凋落物的采集和布設 設置3種凋落物類型，分別是紅砂、珍珠、紅砂+珍珠。2019 年10 月，在紅砂和珍珠的葉片臨近凋落時，在圍封樣地內(nèi)，選取各方面相對一致的灌叢收集新鮮凋落葉，將收集的樣品帶回實驗室內(nèi)自然風干。將風干后的凋落物一部分形成2 種單一凋落物，另一部分按紅砂和珍珠凋落物各50%進行混合，形成混合凋落物，將3種凋落物各稱取10 g分別裝入10 cm×10 cm的尼龍網(wǎng)袋（網(wǎng)眼0.1 mm），于2020 年6 月將3 種凋落物各12袋隨機布設于每個樣方的土壤表面，并用鐵絲固定。

1.2.3 土壤取樣 于試驗開始后1 a（2021年6月30日）進行土壤取樣，在凋落物袋下方，用內(nèi)徑5 cm的土鉆，鉆取0～5 cm、5～15 cm的土壤。將所取的土樣自然風干后過篩，用于酶活性測定。

1.3 指標測定方法

土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法進行測定，以24 h后1 g土壤中NH3-N的微克數(shù)表示1個酶活性單位；土壤堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，以24 h后1 g土壤中釋放出酚的微克數(shù)表示1個酶活性單位；土壤纖維素酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，以72 h后1 g土壤中產(chǎn)生的葡萄糖毫克數(shù)表示1 個酶活性單位；土壤多酚氧化酶活性采用鄰苯三酚比色法測定，以24 h后1 g土壤中產(chǎn)生紫色沒食子素的毫克數(shù)表示1個酶活性單位；土壤木質(zhì)素過氧化物酶活性采用藜蘆醇氧化速率法測定，以每克土壤每分鐘生成1 nmol 藜蘆醛所需的酶量定義為1個酶活性單位［21］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007 軟件進行數(shù)據(jù)整理；采用SPSS 21.0 進行統(tǒng)計分析，采用Origin 2019 作圖。對各種參數(shù)的差異性比較采用單因素方差分析，對不同輻射條件與不同凋落物類型交互作用對土壤酶活性的影響采用雙因素方差分析，顯著性水平為P＜0.05，圖中誤差棒均為標準誤差。

2 結果與分析

2.1 UV-B輻射濾減對不同凋落物土壤脲酶活性的影響

由表1 可以看出，輻射和凋落物類型以及二者的交互作用均對0～5 cm 土層脲酶活性有極顯著影響（P＜0.01）；在5～15 cm 只有輻射對土壤脲酶活性具有顯著影響（P＜0.05）。由圖1 可知，同一凋落物類型下，各土層輻射濾減處理下的土壤脲酶活性均高于自然光照，其中珍珠凋落物在2 層土壤中均達到顯著水平，分別高出45.45%和58.28%。同一輻射條件下，0～5 cm 土層中，自然光照處理下珍珠凋落物土壤脲酶活性顯著高于混合凋落物，高出88.32%；在2個土層中，輻射濾減處理下珍珠凋落物土壤脲酶活性均顯著高于紅砂和混合凋落物，分別高150.83%、116.37%和32.52%、57.56%。同一輻射條件、同一凋落物類型下隨著土層加深，土壤脲酶活性降低。

圖1 不同處理下土壤脲酶活性Fig.1 Soil urease activity under different treatments

表1 凋落物層下土壤脲酶活性的ANOVA結果Tab.1 ANOVA results of urease activity in subsoil of litters

2.2 UV-B輻射濾減對不同凋落物土壤堿性磷酸酶活性的影響

由表2 可知，輻射和凋落物類型以及二者的交互作用均對0～5 cm 土層堿性磷酸酶活性有顯著影響（P＜0.05），其中輻射和凋落物類型對其具有極顯著影響（P＜0.01）；輻射和交互對5～15 cm 土壤磷酸酶活性具有極顯著影響（P＜0.01）。由圖2 可知，同一凋落物類型下，輻射濾減處理下凋落物土壤磷酸酶活性均高于自然光照，其中在0～5 cm 土層中，珍珠達到顯著水平，高出39.04%；在5～15 cm 土層中，紅砂和珍珠達到顯著水平，分別高出106.61%和117.65%。對于同一輻射處理下不同凋落物而言，0～5 cm土層中，自然光照處理下紅砂和混合凋落物土壤磷酸酶活性顯著高于珍珠，分別高出51.95%和35.38%；輻射濾減處理下紅砂顯著高于珍珠，高出14.51%。5～15 cm 土層中，自然光照處理下混合顯著高于紅砂，高出37.85%；輻射濾減處理下紅砂和珍珠顯著高于混合，分別高出36.41%和45.24%。同一輻射條件、同一凋落物類型下隨著土層加深，土壤磷酸酶活性降低。

圖2 不同處理下土壤堿性磷酸酶活性Fig.2 Soil alkaline phosphatase activity under different treatments

表2 凋落物層下土壤堿性磷酸酶活性的ANOVA結果Tab.2 ANOVA results of alkaline phosphatase activity in subsoil of litters

2.3 UV-B輻射濾減對不同凋落物土壤纖維素酶活性的影響

由表3 可知，凋落物類型以及交互均對0～5 cm土層纖維素酶活性有極顯著影響（P＜0.01）；交互作用對5～15 cm 土壤纖維素酶活性具有極顯著影響（P＜0.01）。由圖3可知，同一凋落物類型下，紅砂凋落物土壤纖維素酶活性在2層土壤中均表現(xiàn)為自然光照處理顯著高于輻射濾減處理，分別高出116.08%和148.55%。對于同一輻射處理下不同凋落物而言，0～5 cm 土層中，自然光照下紅砂顯著高于珍珠和混合，分別高出122.89%和95.80%；輻射濾減下珍珠顯著高于混合，高出148.70%。5～15 cm土層中，自然光照下紅砂和混合顯著高于珍珠，分別高出130.37%和128.65%；輻射濾減下混合顯著高于紅砂和珍珠凋落物，分別高出245.88%和116.85%。

圖3 不同處理下土壤纖維素酶活性Fig.3 Soil cellulase activity under different treatments

表3 凋落物層下土壤纖維素酶活性的ANOVA結果Tab.3 ANOVA results of cellulase activity in subsoil of litters

2.4 UV-B輻射濾減對不同凋落物土壤多酚氧化酶活性的影響

由表4 可知，除交互對0～5 cm 土層具有顯著影響外（P＜0.05），輻射、凋落物類型以及二者的交互均對0～15 cm 土層多酚氧化酶活性具有極顯著影響（P＜0.01）。由圖4可知，同一凋落物類型下，自然光照處理下凋落物土壤多酚氧化酶活性均高于輻射濾減，其中，珍珠在2 層土層中達到顯著水平，分別高出57.94%和65.34%。對于同一輻射處理下不同凋落物而言，0～5 cm 土層中，自然光照下珍珠顯著高于紅砂和混合，分別高出58.745%和88.64%；輻射濾減下珍珠顯著高于混合，高出30.05%。5～15 cm土層中，自然光照下3 種凋落物土壤多酚氧化酶活性差異顯著，表現(xiàn)為：珍珠＞紅砂＞混合。同一輻射處理、同一凋落物類型下隨著土層加深，土壤多酚氧化酶活性增大。

圖4 不同處理下土壤多酚氧化酶活性Fig.4 Soil polyphenol oxidase activity under different treatments

表4 凋落物層下土壤多酚氧化酶活性的ANOVA結果Tab.4 ANOVA results of polyphenol oxidase activity in subsoil of litters

2.5 UV-B輻射濾減對不同凋落物土壤木質(zhì)素過氧化物酶活性的影響

由表5 可知，輻射對2 層土壤木質(zhì)素過氧化物酶活性均具有顯著影響（P＜0.05）。由圖5 可知，同一凋落物類型下，在0～5 cm 土層中，珍珠凋落物土壤木質(zhì)素過氧化物酶活性在自然光照下顯著高于輻射濾減，高出148.61%。對于同一輻射處理下不同凋落物而言，0～5 cm 土層中，自然光照處理下珍珠顯著高于混合，高出118.03%。

圖5 不同處理下土壤木質(zhì)素過氧化物酶活性Fig.5 Soil lignin peroxidase activity under different treatments

表5 凋落物層下土壤木質(zhì)素過氧化物酶活性的ANOVA結果Tab.5 ANOVA results of lignin peroxidase activity in subsoil of litters

3 討論

3.1 UV-B輻射對土壤酶活性的影響

土壤酶是生態(tài)系統(tǒng)代謝的一類重要動力，主要來源于動植物及其殘體和微生物的分泌，它能夠影響土壤有機物的合成、分解與轉化［16］。大量研究表明，全球氣候變化引起溫度及降水等一系列的變化會對土壤酶活性產(chǎn)生影響［22］，其中UV-B 輻射濾減可以通過降低凋落物和土壤溫度來影響土壤酶活性［9］。

本研究發(fā)現(xiàn)，UV-B輻射對土壤酶活性的影響表現(xiàn)并不一致，因土壤酶的種類、凋落物類型及土壤深度而表現(xiàn)出差異性。具體表現(xiàn)為：UV-B輻射濾減可以提高不同凋落物土壤脲酶和堿性磷酸酶活性，這與張令瑄等［23］和呂志偉等［9］的研究結果一致，這可能是因為輻射濾減減弱了干旱區(qū)的土壤溫度，從而減少了土壤水分蒸發(fā)，進而增加了土壤酶活性。然而，婁運生等［10］發(fā)現(xiàn)，UV-B 輻射對大麥根系土壤脲酶和磷酸酶活性無顯著影響，這可能是因為UV-B輻射對土壤的作用受到大麥作物的影響而削減或者是設置的梯度不足以使土壤酶對輻射作出響應。有研究指出土壤脲酶和磷酸酶都是水解酶，與土壤氮、磷循環(huán)密切相關［24-25］。土壤脲酶能將高分子化合物水解成為植物和微生物易吸收的營養(yǎng)物質(zhì)［24］。土壤磷酸酶可以將不能被植物吸收利用的無效磷在酶促作用下轉化為植物可利用的形態(tài)［25］。輻射濾減增加了這2 種酶的活性，可見輻射濾減能夠提高土壤的營養(yǎng)轉化，進而可能會促進植物的生長。

本研究還發(fā)現(xiàn)，UV-B輻射濾減對土壤纖維素酶活性沒有顯著影響，對不同凋落物土壤多酚氧化酶和木質(zhì)素過氧化物酶則有著與脲酶和磷酸酶相反的效應。輻射濾減使得土壤多酚氧化酶和木質(zhì)素過氧化物酶活性低于自然光照，這可能是因為輻射濾減減少了到達地面的紫外線，從而降低了凋落物及土壤溫度，進而降低了土壤多酚氧化酶活性，這與陳曉麗等［26］發(fā)現(xiàn)增溫可以使土壤多酚氧化酶活性增加的結果一致。有研究指出，土壤多酚氧化酶和木質(zhì)素過氧化物酶與凋落物分解和土壤腐殖化程度息息相關，二者皆是氧化還原酶，多酚氧化酶可以催化鄰苯二酚氧化成鄰苯二醌［27］，木質(zhì)素過氧化物酶是木質(zhì)素的生物降解過程中的主要木質(zhì)素降解酶類［28］，2 種酶能夠酶解凋落物中較難分解的酚類和木質(zhì)素。輻射濾減下這2 種酶的活性較低，可能與凋落物分解程度對UV-B輻射濾減下溫度降低的響應有關。有機殘體分解提供了組成腐殖質(zhì)分子的原始材料，在多酚氧化酶的作用下進一步縮合形成復雜而穩(wěn)定的腐殖質(zhì)，多酚氧化酶作為可以評價土壤腐殖化的指標，其活性與土壤腐殖化程度呈負相關［29］。說明土壤中的植物殘體使微生物活動增加，多酚氧化酶消耗，從而增加了有機質(zhì)的腐殖化程度［30］。輻射濾減降低了多酚氧化酶的活性，說明濾減條件下土壤腐殖化程度較高，進而可能提高土壤養(yǎng)分，促進植物生長。相反，近年來臭氧層的持續(xù)破壞導致的UV-B輻射增強可能會影響土壤酶活性進而影響土壤有機物，從而削弱土壤對植物的營養(yǎng)供應，對植物生長產(chǎn)生不利影響。

3.2 不同類型凋落物層對土壤酶活性的影響

土壤酶活性除受環(huán)境因素影響外，還與凋落物降解及養(yǎng)分歸還密切相關，凋落物的組成和性質(zhì)是影響酶活性的主要因素［16］。凋落物化學組成的不同導致凋落物輸入到土壤中的養(yǎng)分有差異，從而影響微生物活性，使土壤酶活性有差異。本研究發(fā)現(xiàn)，凋落物類型對不同土層土壤酶活性具有不同程度的影響。對表層（0～5 cm）土壤脲酶、磷酸酶、纖維素酶和多酚氧化酶都有極顯著影響，對木質(zhì)素過氧化物酶則無顯著影響；對深層（5～15 cm）土壤多酚氧化酶影響顯著，對其他4 種酶均無顯著影響。說明凋落物對表層土壤酶活性的影響較深層土壤更加顯著，原因可能是表層土壤與凋落物直接接觸，對不同凋落物類型的響應較為明顯。同時，隨著土層的加深，各類型下土壤脲酶和磷酸酶活性均降低，多酚氧化酶活性增加。說明表層土壤積累了較多的枯落物，養(yǎng)分高、通氣好、微生物代謝旺盛。

有研究表明，凋落物的混合并不是簡單的加合效應，凋落物多樣性的多寡對其分解的影響十分復雜，受到物種組成、元素含量等多種因子的影響［31］。本研究發(fā)現(xiàn)在輻射濾減和自然光照條件下，無論紅砂還是珍珠，其多酚氧化酶活性均大于混合效應，表現(xiàn)出負效應，這與胡亞林等［29］得出混合凋落物降低土壤多酚氧化酶活性的結論一致。土壤多酚氧化酶活性與腐殖化程度呈負相關，表明混合凋落物土壤腐殖化程度最高，混合凋落物較單一凋落物來說可能對提高土壤肥力的作用更為明顯。這可能是因為土壤酶主要來源于微生物，混合凋落物比單一凋落物含有更高的微生物生物量，其凋落物的酶活性也比較高，混合凋落物在分解過程中產(chǎn)生的不同產(chǎn)物往往能增加酶催化底物的有效性，這有助于微生物的生長和酶的表達［32］。同時本研究還發(fā)現(xiàn)混合凋落物土壤纖維素酶、脲酶活性均低于單一凋落物，同樣表現(xiàn)出負效應，磷酸酶活性在自然光照下表現(xiàn)出正效應，而在輻射濾減下表現(xiàn)出負效應，且深層土壤比表層土壤表現(xiàn)出更強的正負效應。這與李茜［33］發(fā)現(xiàn)混合凋落物提高土壤脲酶和磷酸酶的結果不一致，可能是因為不同混合樹種的化學組成不同，混合后產(chǎn)生的相互作用也不同，進而對土壤養(yǎng)分的輸入不同，從而導致對土壤酶產(chǎn)生不同的效應。有研究指出不同配比的混合凋落物也會對土壤酶活性有不同的效應［12］，所以未來加強這方面的研究可能會有助于更全面的了解凋落物與土壤的轉換機制。

凋落物自身性質(zhì)的不同也能引起土壤酶活性的變化［34］。本研究對2種不同物種的單一凋落物層下土壤酶活性也進行了比較，發(fā)現(xiàn)紅砂凋落物土壤磷酸酶活性高于珍珠，脲酶和多酚氧化酶活性低于珍珠，且珍珠對UV-B 輻射的響應更為敏感。凋落物對土壤酶活性產(chǎn)生不同的影響，主要原因可能是不同凋落物使得土壤微生物組成、數(shù)量以及代謝發(fā)生改變，從而使得土壤酶活性發(fā)生變化［35］。珍珠作為一種C4植物，通過高水分利用效率來適應荒漠環(huán)境，其葉片大且肉質(zhì)化程度高、水分含量大；紅砂作為一種C3植物，則通過維持較高蒸騰速率和低水分利用效率來適應環(huán)境，其葉片退化為小棒狀、肉質(zhì)化程度低［36］。2種植物葉片特性的不同必將導致其凋落物分解的差異，從而造成凋落物層下土壤酶活性的不同。這與焦?jié)杀虻龋?6］研究發(fā)現(xiàn)闊葉與針葉凋落物對土壤酶活性影響不同的結果具有相似性。

4 結論

UV-B 輻射濾減提高了土壤脲酶和堿性磷酸酶活性，降低了土壤多酚氧化酶和木質(zhì)素過氧化物酶活性，而這種規(guī)律在不同凋落物類型中表現(xiàn)出的響應程度并不一致，珍珠凋落物層下土壤酶活性對UV-B 輻射的響應更為明顯?；旌系蚵湮飳酉峦寥烂富钚暂^單一凋落物來說，其多酚氧化酶活性較低，說明混合凋落物土壤腐殖化程度較單一凋落物更高。凋落物類型對土壤酶活性的影響主要集中在表層土壤，隨著土層加深，各類型下土壤脲酶和磷酸酶活性降低，多酚氧化酶活性增加?？偟膩碚f，UV-B輻射濾減和不同類型凋落物的混合可能更有利于凋落物分解，從而提高土壤肥力，促進荒漠植物的生長。