川西高山林線交錯(cuò)帶凋落葉分解初期轉(zhuǎn)化酶特征

陳亞梅, 和潤(rùn)蓮, 劉　洋, 張　健, 鄧長(zhǎng)春, 宋小艷, 楊　林, 劉軍偉

長(zhǎng)江上游林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)林業(yè)研究所，高山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，長(zhǎng)江上游生態(tài)安全協(xié)同創(chuàng)新中心，成都　611130

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川西高山林線交錯(cuò)帶凋落葉分解初期轉(zhuǎn)化酶特征

陳亞梅, 和潤(rùn)蓮, 劉洋*, 張健, 鄧長(zhǎng)春, 宋小艷, 楊林, 劉軍偉

長(zhǎng)江上游林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)林業(yè)研究所，高山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，長(zhǎng)江上游生態(tài)安全協(xié)同創(chuàng)新中心，成都611130

胞外酶對(duì)于有機(jī)質(zhì)的降解具有重要的作用。在凋落物分解過(guò)程中，酶活性不僅受到凋落物種類或基質(zhì)質(zhì)量的影響，還受到環(huán)境因素的影響。轉(zhuǎn)化酶催化蔗糖水解為葡萄糖和果糖，因此在凋落物分解早期，轉(zhuǎn)化酶比降解難分解物質(zhì)的酶具有更重要的作用。以川西高山林線交錯(cuò)帶12種代表性凋落葉為研究對(duì)象，對(duì)林線交錯(cuò)帶不同植被類型下的凋落葉轉(zhuǎn)化酶活性以及物種和環(huán)境因子對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：同一植被類型下，12個(gè)物種轉(zhuǎn)化酶活性具有極顯著差異(P<0.01)。物種、環(huán)境因子及其交互作用對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性有極顯著的影響(P<0.01)。初始纖維素含量與轉(zhuǎn)化酶活性極顯著正相關(guān)(P<0.01)。初始木質(zhì)素和總酚含量與轉(zhuǎn)化酶活性極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，能夠共同解釋轉(zhuǎn)化酶活性變異的50.8%。不同植物生活型中，禾草類轉(zhuǎn)化酶活性均為最高，這可能與禾草類較高的初始纖維素含量、較低的木質(zhì)素和總酚含量有關(guān)。多元線性回歸分析表明，凋落葉含水量能單獨(dú)解釋轉(zhuǎn)化酶活性變量的62.1%，是環(huán)境因子中最重要的變量。從植被類型來(lái)看，大多數(shù)物種的轉(zhuǎn)化酶活性在針葉林中均極顯著高于高山草甸和灌叢(P<0.01)，這可能與針葉林中凋落葉的含水量最高且雪被最厚有關(guān)。歷經(jīng)一個(gè)雪被期分解后，凋落葉初始質(zhì)量與環(huán)境因子的綜合作用能夠解釋轉(zhuǎn)化酶活性變異的79.1%，表明川西高山林線交錯(cuò)帶凋落葉分解前期轉(zhuǎn)化酶活性主要受初始木質(zhì)素含量、總酚含量和含水量的調(diào)控。在全球氣候變化情景下，凋落物水分含量的變化將會(huì)強(qiáng)烈的影響凋落葉分解前期的轉(zhuǎn)化酶活性。

轉(zhuǎn)化酶；林線交錯(cuò)帶；凋落物質(zhì)量；含水量；凋落物分解

凋落物分解過(guò)程中的胞外酶對(duì)于有機(jī)質(zhì)的降解具有至關(guān)重要的作用[1]。胞外酶主要來(lái)源于微生物、土壤動(dòng)物以及植物活體組織(主要為植物的根系)分泌以及死亡細(xì)胞的釋放[2-3]。一般而言，凋落物分解過(guò)程與胞外酶尤其是與難分解物質(zhì)降解相關(guān)的纖維素酶、木聚糖酶和木質(zhì)素酶有密切的關(guān)聯(lián)[4]。凋落物分解前期，主要是凋落物易分解組分的分解[5], 因此參與簡(jiǎn)單碳化合物的分解的轉(zhuǎn)化酶對(duì)于凋落物早期分解能發(fā)揮更重要的作用[6]。凋落物分解過(guò)程中的酶活性不僅受到凋落物種類或基質(zhì)質(zhì)量的影響，還受到環(huán)境因子的影響[7-9]。

研究發(fā)現(xiàn)，不同種類植物的凋落物在其分解過(guò)程中酶的活性具有較大差異[10-11]。一方面，不同凋落物初始質(zhì)量的差異，尤其是木質(zhì)素、纖維素和半纖維素以及果膠相對(duì)含量的差異，通過(guò)酶-基質(zhì)的相互作用導(dǎo)致酶活性差異[1]。另外，基質(zhì)質(zhì)量影響微生物群落[12]，誘導(dǎo)其釋放特定的胞外酶，胞外酶對(duì)基質(zhì)作用后又改變基質(zhì)質(zhì)量[1]。

大量研究表明，酶活性與環(huán)境中的溫度和水分有關(guān)[13-15]。一方面，在一定范圍內(nèi)， 酶的活性與溫度存在極強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，水熱條件會(huì)直接影響到酶活性[13,16]；另一方面，溫度和水分可通過(guò)影響微生物進(jìn)而影響酶活性[17]。研究表明，酶活性與真菌生物量及活性有很好的相關(guān)性[18]。在高山區(qū)域，雪被是最重要的環(huán)境因子之一，覆蓋時(shí)間長(zhǎng)達(dá)半年以上[19-20]。總體來(lái)看，在高山地區(qū)雪被梯度生成了溫度和水分梯度[21-22]。除此之外，土壤的凍融循環(huán)也在凋落物的冬季分解過(guò)程中扮演著重要的角色[20]。

高山-亞高山是研究氣候變化的關(guān)鍵區(qū)域，監(jiān)控這些敏感和脆弱的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)反映氣候變化有重要價(jià)值[23]。高山林線交錯(cuò)帶從暗針葉林過(guò)渡到高山草甸，不僅凋落物種類發(fā)生很大變化，且不同植被類型對(duì)降雪分配的差異可能造成系統(tǒng)內(nèi)溫度、濕度的急劇變化，從而很大程度上影響凋落物的分解過(guò)程[24]。鄧長(zhǎng)春等研究發(fā)現(xiàn)，高山林線交錯(cuò)帶不同植被類型下的雪被差異是導(dǎo)致冬季凋落物可溶性有機(jī)碳淋失的主要環(huán)境因素[25]。楊文彬等對(duì)漓江水陸交錯(cuò)帶不同植被類型土壤酶活性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)植被類型影響土壤酶活性，且土壤水分含量顯著影響土壤酶活性的變化[26]。由于影響轉(zhuǎn)化酶活性的因素較多，因此在凋落物分解的初期，不同種類或生活型的凋落物的轉(zhuǎn)化酶活性特征和影響因素還存在不確定性。經(jīng)歷一個(gè)雪被期的分解后，高山林線交錯(cuò)帶的凋落物轉(zhuǎn)化酶活性在不同植被類型下有何不同，哪些因素是影響酶活性的重要因子？目前還缺乏對(duì)林線交錯(cuò)帶凋落物分解早期轉(zhuǎn)化酶活性的研究，這不利于人們?nèi)胬斫獾蚵湮锓纸膺^(guò)程。因此，本文以川西高山林線交錯(cuò)帶12種代表性凋落葉為研究對(duì)象，研究林線交錯(cuò)帶不同植被類型下一個(gè)雪被期分解后的凋落葉轉(zhuǎn)化酶活性特征及其影響因素，以期為深入理解高山生態(tài)系統(tǒng)凋落物分解過(guò)程及其影響機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　研究區(qū)域

研究區(qū)位于四川省阿壩州理縣米亞羅林區(qū)，地理位置為31°43′N—31°51′N，102°40′E—103°02′E，位于青藏高原東緣，雜谷腦河上游，是大渡河與岷江的分水嶺，為重要的江河源區(qū)。鷓鴣山位于雜谷腦河北側(cè)，山體海拔3200—4800 m，具有明顯的山地垂直地帶性，自河谷至山頂依次分布的植被類型有針闊混交林、暗針葉林、高山疏林灌叢、高山草甸，4500 m以上為高山荒漠和積雪帶。氣候?qū)儆诙臎龅母吆畾夂?，年平均氣?—12 ℃，1月平均氣溫-8 ℃，7月平均氣溫12.6 ℃，年積溫1200—1400 ℃，年降水量600—1100 mm，年蒸發(fā)量1000—1900 mm。冬季雪被期明顯，從10月到次年4月，長(zhǎng)達(dá)6—7個(gè)月。林線交錯(cuò)帶的植被類型變化主要為針葉林、高山灌叢和高山草甸。從暗針葉林到高山灌叢和草甸，光照逐漸增強(qiáng)，蒸發(fā)量逐漸增大，地被物厚度逐漸降低。暗針葉林內(nèi)植被發(fā)育良好，完全郁閉，生境陰冷潮濕，以高山杜鵑(Rhododendronlapponicum)-岷江冷杉(Abiesfargesiivar.faxoniana)林為主要景觀，土壤類型為山地假灰化棕色針葉林土，土壤腐殖質(zhì)含量高，但多系粗腐殖質(zhì)，未很好礦質(zhì)化[27]。疏林灌叢和高山草甸的土壤類型為高山草甸土，地表石礫含量較高，灌木優(yōu)勢(shì)種有紅毛花楸(Sorbusrufopilosa)、柳葉忍冬(Loniceralanceolata)、康定柳(Salixparaplesia)、越桔葉忍冬(Loniceramyrtillusvar.myrtillus)、峨眉薔薇(Rosaomeiensis)、大理杜鵑(Rhododendrontaliense)、華西小檗(Berberissilva-taroucana)、金露梅(Potentillafruticosa)；草本優(yōu)勢(shì)種主要有禾本科、菊科和龍膽科植物[28]。

2　研究方法

2.1樣地設(shè)置和樣品采集

研究樣地位于米亞羅鷓鴣山，地理位置為31°51′428″ N, 102°41′230″ E。采用GPS定位，沿垂直于等高線方向，據(jù)高山林線交錯(cuò)帶的植被類型變化分別設(shè)置3個(gè)海拔梯度的固定樣方——針葉林3900 m，高山灌叢4000 m，高山草甸4200 m。2012年10月初，于高山林線交錯(cuò)帶植物凋落高峰期收集12種代表性植物(康定柳Salixparaplesia、紅毛花楸Sorbusrufopilosa、高山杜鵑Rhododendronlapponicum、圓葉筋骨草Ajugaovalifolia、藏羊茅Festucawallichanica、柳蘭Epilobiumangustifolium、糙野青茅Deyeuxiascabrescens、草血竭Polygonumpaleaceum、冷地早熟禾Poacrymophila、高山冷蕨Cystopterismoupinensis、錦絲蘚Actinothuidiumhookeri、草甸馬先蒿Pedicularisroylei)新鮮凋落葉，于自然條件下風(fēng)干后65 ℃烘干至恒量。稱取12種烘干后的凋落葉10 g裝入尼龍網(wǎng)材質(zhì)、大小20 cm×20 cm，網(wǎng)孔大小為底部(貼地面)0.5 mm表面層為1 mm[25,29]的凋落物袋中，每個(gè)物種制備12袋，共制備144袋備用。每個(gè)物種取3袋，共36袋，磨碎并分析凋落葉初始基質(zhì)質(zhì)量。2012年10月底將凋落物袋放回林線交錯(cuò)帶的3個(gè)樣帶的3個(gè)固定樣方，凋落袋平鋪于樣地地表，各凋落袋間隔至少5 cm。每個(gè)固定樣方中選擇一個(gè)凋落物袋，將一個(gè)紐扣式溫度記錄器(iButton DS1923-F5, Maxim/Dallas Semiconductor, Sunnyvale, USA)放置于選擇的凋落物袋中，以便記錄凋落葉的分解溫度。設(shè)定每3h記錄1次溫度。于2013年4月30日在3個(gè)植被類型下收取每個(gè)物種的分解袋3個(gè)，供酶活性和含水量的測(cè)定，采集的凋落袋用封口袋封裝，裝入伴有冰袋的保鮮盒中，翌日帶回實(shí)驗(yàn)室，于4 ℃冰箱保存，一周內(nèi)進(jìn)行相關(guān)分析測(cè)試。采樣同時(shí)讀取溫度計(jì)記錄數(shù)據(jù)，日平均分解溫度見(jiàn)圖 1。雪被覆蓋時(shí)期，每個(gè)月定期對(duì)每個(gè)樣方(5個(gè)點(diǎn))內(nèi)雪被厚度進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算每個(gè)海拔的平均雪被厚度。凍融循環(huán)頻次計(jì)算參考Zhu等[30]，具體為按照持續(xù)時(shí)間≥3 h的零上溫度交替到零下溫度并持續(xù)3 h及以上，或持續(xù)時(shí)間≥3 h的零下溫度交替到零上溫度并持續(xù)3 h及以上，計(jì)為凍融1次。

圖1　分解期間高山草甸、高山灌叢和針葉林的凋落葉分解日平均溫度(共分解184 d)Fig.1　Dynamic of daily decomposition temperature of alpine meadow, alpine shrub and coniferous forest from October 29, 2012 to April 30, 2013 (totaling 184 days of exposure)

2.2分析方法

取部分樣品(約凋落袋樣品中的三分之一)于烘箱中，在65 ℃烘干至恒重，進(jìn)行凋落物含水量的測(cè)定，剩余樣品進(jìn)行酶活性測(cè)定。酶活性采用先提取后測(cè)定的方法，由于轉(zhuǎn)化酶不僅來(lái)源于微生物的分泌，還可能部分來(lái)源于植物本身[31]，因此本研究提取的是凋落葉中的所有轉(zhuǎn)化酶，不區(qū)分來(lái)源。

粗酶液的制備參考張瑞清等[6]修改的Criquet等[32]的方法，并做了部分修改，具體方法如下: 稱取4.00 g被剪碎的樣品(<0.5 mm)于冰浴研缽中，加入20 mL預(yù)冷(4 ℃, 12 h) 的提取液(1 mol/L CaCl2溶液，其中含有0.5 mL tween 80)，迅速研磨成勻漿，轉(zhuǎn)移至50 mL 離心管中，加入0.40 g預(yù)冷的交聯(lián)聚乙烯吡咯烷酮(PVPP)，搖動(dòng)后放置過(guò)夜，12000 g 4 ℃冷凍離心20 min，將上清液轉(zhuǎn)移到預(yù)處理過(guò)的透析袋(截留分子量為10 kD)中，置于2 mmol/L的Bis-Tris緩沖液(pH 6. 0)中，在4 ℃透析48 h，期間，每12 h更換1次透析液。 將粗酶液轉(zhuǎn)移到刻度為15 mL試管中定容，4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

轉(zhuǎn)化酶活性的測(cè)定參考張瑞清等[6]的方法。具體方法如下：0.4ml 粗酶液和0.6%的蔗糖的醋酸緩沖液(pH 5.5, 0.2 mol/L)于50℃水浴3h。生成的還原糖量采用3, 5-二硝基水楊酸(DNS)還原法測(cè)定。設(shè)失活酶對(duì)照，重復(fù)測(cè)3次。酶活力單位表達(dá)為μmol 葡萄糖 g-1干重 h-1。

凋落葉全碳含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定。全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定，全磷含量采用鉬銻鈧比色法測(cè)定。纖維素和木質(zhì)素含量采用改進(jìn)的范氏酸性洗滌纖維法[33]測(cè)定。凋落葉可溶性有機(jī)碳含量采用王春陽(yáng)等[34]的測(cè)定方法，總酚的測(cè)定參考福林-酚法[35]。凋落葉初始質(zhì)量的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　高山林線交錯(cuò)帶12個(gè)物種凋落葉初始質(zhì)量特征(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 1　Initial litter quality of 12 typical plants in alpine timberline ecotone (mean±SD)

續(xù)表

2.3統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 17.0對(duì)不同植被類型同一物種的轉(zhuǎn)化酶活性和同一植被類型下不同物種轉(zhuǎn)化酶活性進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)檢驗(yàn)。采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)檢驗(yàn)物種和植被類型及其交互作用對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性的影響。采用Pearson相關(guān)分析檢驗(yàn)轉(zhuǎn)化酶活性與初始凋落葉質(zhì)量和環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系。用多元線性回歸(逐步進(jìn)入法)分析初始凋落葉質(zhì)量和環(huán)境因子對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性的影響。

3　結(jié)果與分析

3.1凋落葉轉(zhuǎn)化酶活性特征

同一植被類型類型下，12物種轉(zhuǎn)化酶活性差異極顯著(P<0.01)。從不同生活型來(lái)看，禾本科草本轉(zhuǎn)化酶活性在3個(gè)植被類型下均為最高(表2)。不同植被類型下，錦絲蘚、柳蘭、糙野青茅、藏羊茅的轉(zhuǎn)化酶活性均為針葉林>高山草甸>高山灌叢(P<0.01)，圓葉筋骨草、冷地早熟禾、草甸馬先蒿和草血竭的轉(zhuǎn)化酶活性為針葉林>高山草甸和高山灌叢(P<0.01)，高山冷蕨、高山杜鵑轉(zhuǎn)化酶活性為高山灌叢>高山草甸和針葉林(P<0.01)。不同植被類型下，紅毛花楸的轉(zhuǎn)化酶活性為高山草甸>針葉林>高山灌叢(P<0.01)(圖2)。不同生活型凋落葉中，錦絲蘚、闊葉草本和禾本科草本的轉(zhuǎn)化酶活性均為針葉林>高山草甸和高山灌叢(P<0.01)。木本植物的轉(zhuǎn)化酶活性在不同植被類型下無(wú)顯著差異(P>0.05) (表2)。

表2　不同植物生活型凋落葉轉(zhuǎn)化酶活性Table 2　Invertase activity of different life form leaf litter

圖2　12個(gè)物種凋落葉的轉(zhuǎn)化酶活性Fig.2　Leaf litter invertase activity of 12 species level among vegetation typesAH: 錦絲蘚Actinothuidium hookeri; CM: 高山冷蕨Cystopteris moupinensis; EA: 柳蘭 Epilobium angustifolium; SP: 康定柳 Salix paraplesia; SR:紅毛花楸 Sorbus rufopilosa; RL:高山杜鵑Rhododendron lapponicum; DS:糙野青茅Deyeuxia scabrescens; AO: 圓葉筋骨草Ajuga ovalifolia; FW: 藏羊茅Festuca wallichanica; PC:冷地早熟禾Poa crymophila; PR: 草甸馬先蒿Pedicularis roylei; PP: 草血竭Polygonum paleaceum; 不同小寫字母表示同一物種在不同植被類型下差異顯著 Different lowercase letters of the same species meant significant difference at 0.05 among vegetation types

3.2物種和植被類型對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性的影響

物種和植被類型對(duì)轉(zhuǎn)化酶的雙因素方差分析結(jié)果顯示(表3)：植被類型、物種及其交互作用均對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性有極顯著的影響(P<0.01)。

表3　植被類型和物種及其交互作用對(duì)12種凋落葉轉(zhuǎn)化酶活性的雙因素方差分析Table 3　Two-way ANOVA of vegetation type, species and their interaction on the leaf litter invertase activity of 12 species

凋落葉初始C含量與針葉林和整個(gè)交錯(cuò)帶的轉(zhuǎn)化酶活性負(fù)相關(guān)(P<0.01)。除了高山草甸外，初始纖維素含量和木質(zhì)素/纖維素分別與轉(zhuǎn)化酶活性極顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)(P<0.01)。初始木質(zhì)素含量與不同植被類型下的轉(zhuǎn)化酶活性均為負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01,P<0.05)。除高山灌叢外，轉(zhuǎn)化酶活性隨著初始可溶性有機(jī)碳和總酚含量的升高而降低(P<0.01,P<0.05)(表4)。多元線性回歸分析結(jié)果顯示(表5)，總酚和木質(zhì)素含量極顯著影響轉(zhuǎn)化酶活性，能夠共同解釋酶活性變異的50.8%。

表4　轉(zhuǎn)化酶活性與12種凋落葉初始質(zhì)量的相關(guān)性分析Table 4　Pearson correlation analysis of invertase activity and leaf litter quality of 12 species

表5　初始凋落葉質(zhì)量和環(huán)境因子對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性的多元線性回歸分析Table 5　Regressions of invertase activity with initial litter quality variables and environmental factors

表6　高山林線交錯(cuò)帶雪被期凋落葉含水量及主要環(huán)境參數(shù)Table 6　The average moisture content of litter and main environmental parameters in alpine timberline ecotone

環(huán)境因子顯著影響轉(zhuǎn)化酶活性。針葉林凋落葉平均含水量顯著高于高山灌叢和高山草甸(P<0.05)。針葉林中雪被最厚，凍融循環(huán)次數(shù)最少且凋落葉平均分解溫度顯著低于高山灌叢和高山草甸(P<0.05)(表6)。凋落葉平均分解溫度和凍融循環(huán)次數(shù)與轉(zhuǎn)化酶活性極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，凋落葉含水量和平均雪被厚度與轉(zhuǎn)化酶活性極顯著正相關(guān)(P<0.01)(表7)。多元線性回歸分析結(jié)果表明(表5)，含水量能單獨(dú)解釋酶活性變異的62.1%，含水量與平均分解溫度的共同作用能解釋轉(zhuǎn)化酶活性64.4%的變異，初始凋落葉質(zhì)量(木質(zhì)素、纖維素和總酚的含量)與環(huán)境因子(含水量和平均分解溫度)的綜合作用能夠解釋酶活性變異的79.1%。

表7　轉(zhuǎn)化酶活性與環(huán)境因子的相關(guān)性分析Table 7　Pearson correlation analysis of invertase activity and environmental factors

4　討論

4.1物種/不同生活型凋落葉對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性的影響

研究表明，物種強(qiáng)烈的影響凋落物酶活性的總體水平[10,36]。本研究中物種對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性有極顯著的影響(P<0.01)，同一植被類型下，12個(gè)物種轉(zhuǎn)化酶活性差異極顯著(P<0.01)(圖2)，與Kshattriya等[37]的研究結(jié)果一致。研究表明，轉(zhuǎn)化酶部分地來(lái)源于植物體本身[31]，因此轉(zhuǎn)化酶活性差異可能與凋落葉質(zhì)量差異有關(guān)。此外，不同凋落物初始質(zhì)量的差異，尤其是木質(zhì)素、纖維素和半纖維素以及果膠相對(duì)含量的差異，通過(guò)酶-基質(zhì)的相互作用導(dǎo)致酶活性差異[1]。

凋落葉質(zhì)量因子中，纖維素含量、木質(zhì)素含量、木質(zhì)素/纖維素、可溶性有機(jī)碳和總酚含量能顯著影響轉(zhuǎn)化酶活性，其中木質(zhì)素和總酚含量能共同解釋轉(zhuǎn)化酶活性變異的50.8%，這與Criquet[38]、Sinsabaugh等[39]和Fioretto等[40]的研究結(jié)果基本一致。凋落葉中總酚含量越高，轉(zhuǎn)化酶活性越低，這是由于酚類物質(zhì)對(duì)轉(zhuǎn)化酶有抑制作用[41]。凋落物的木質(zhì)素代表了最豐富的芳族聚合物，也是最難分解的物質(zhì)之一[13,42]。Jiang等[43]研究也發(fā)現(xiàn)凋落物中的木質(zhì)素是影響凋落物分解的關(guān)鍵組分。相較于木質(zhì)素而言，纖維素更易分解[44]，較高的木質(zhì)素含量(木質(zhì)素/纖維較高)，表示凋落物的可分解性程度越低，進(jìn)而影響分解初期微生物對(duì)基質(zhì)的利用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化酶活性較低。研究表明，在凋落物分解過(guò)程中纖維素是最初被分解的化合物之一[40]。在纖維素分解過(guò)程中，纖維素分解酶能夠從葡聚糖鏈的末端移除單體和二聚體[45]，而轉(zhuǎn)化酶能夠參與纖維素降解過(guò)程，催化蔗糖水解為葡萄糖和果糖。因此在凋落葉分解早期纖維素含量越高，轉(zhuǎn)化酶活性越高。這與張瑞清[6]和季曉燕等[46]的研究結(jié)果一致，凋落物的分解并不是通過(guò)某個(gè)酶單獨(dú)起作用的，而是多種酶聯(lián)合作用的結(jié)果。本研究中同一植被類型下，禾草類轉(zhuǎn)化酶活性均為最高(表2)，這可能與禾本科草本較高的初始纖維素含量、較低的木質(zhì)素和總酚含量有關(guān)。

4.2環(huán)境因子對(duì)酶活性的影響

凋落物分解過(guò)程中的胞外酶活性受到溫度、水分等環(huán)境因子的影響[15,40,47]，尤其在寒冷生態(tài)系統(tǒng)，溫度和水分是凋落物分解的主要驅(qū)動(dòng)力[48]。在高山地區(qū)，土壤溫度、水分以及土壤凍結(jié)與雪被的厚度和持續(xù)時(shí)間緊密相關(guān)[49]。高山林線交錯(cuò)帶在短距離內(nèi)存在著不同植被類型的交錯(cuò)分布[50]，不同植被類型導(dǎo)致的雪被差異使得凋落物分解的水熱條件在較短的距離內(nèi)具有明顯的差異。通過(guò)對(duì)環(huán)境因子的分析發(fā)現(xiàn)，濕度比溫度對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性的影響更大，凋落葉含水量能單獨(dú)解釋酶活性變異的62.1%。具體來(lái)看，凋落葉含水量與轉(zhuǎn)化酶活性極顯著正相關(guān)，平均分解溫度與轉(zhuǎn)化酶活性極顯著負(fù)相關(guān)，與徐振鋒等[51]模擬增溫(+0.61℃和+0.56℃)增加了土壤轉(zhuǎn)化酶活性結(jié)果不一致。本文中，轉(zhuǎn)化酶活性隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加和雪被厚度的降低而降低。這是由于雪被厚度的降低導(dǎo)致雪被隔熱能力下降和凍融循環(huán)次數(shù)的增加，使雪下生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)歷更嚴(yán)苛冬季環(huán)境[52]，從而影響土壤生物的增殖以及分泌的胞外酶活性[52-53]。研究表明，土壤水分含量被證明是影響微生物生物量和胞外酶空間分布最重要的因素之一[17]，本研究也證明了這一點(diǎn)。土壤水分含量不僅可以影響微生物生物量和土壤呼吸作用，同時(shí)能夠影響酶催化過(guò)程[13,38]，因此含水量對(duì)于轉(zhuǎn)化酶的影響較大。本研究中大多數(shù)物種和生活型在針葉林中的轉(zhuǎn)化酶活性均極顯著高于高山草甸和灌叢(P<0.01)，這可能是由于針葉林中濕度最大且雪被最厚，為凋落葉的酶解過(guò)程提供了一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境。

5　結(jié)論

物種和植被類型及其交互作用極顯著影響凋落葉轉(zhuǎn)化酶活性。凋落葉初始纖維素含量、木質(zhì)素含量和總酚含量對(duì)轉(zhuǎn)化酶的影響較大。含水量為環(huán)境因子中最重要的變量，能單獨(dú)解釋變量的62.1%。凋落葉質(zhì)量與環(huán)境因子的綜合作用能夠解釋酶活性變異的79.1%，表明川西高山林線交錯(cuò)帶凋落葉分解前期轉(zhuǎn)化酶活性主要受到凋落葉本身的質(zhì)量和環(huán)境因子的調(diào)控。

從不同植被類型來(lái)看，大多數(shù)物種的轉(zhuǎn)化酶活性在針葉林中均極顯著高于高山草甸和灌叢，這可能與針葉林中凋落葉的含水量最高且雪被最厚有關(guān)。可以推測(cè)，在全球氣候變化情景下凋落物水分含量的變化將會(huì)強(qiáng)烈的影響凋落葉分解前期的轉(zhuǎn)化酶活性。

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Leaf litter invertase activity in the early stage of litter decomposition in alpine timberline ecotone of western Sichuan, China

CHEN Yamei, HE Runlian, Liu Yang*, ZHANG Jian, DENG Changchun, SONG Xiaoyan, YANG Lin, LIU Junwei

KeyLaboratoryofEcologicalForestryEngineeringinSichuanProvince,InstituteofEcology&Forestry,SichuanAgriculturalUniversity,Long-termResearchStationofAlpineForestEcosystems，CollaborativeInnovationCenterofEcologicalSecurityintheUpperReachesofYangtzeRiver,Chengdu611130,China

Extracellular enzyme plays a crucial role in litter decomposition for the degradation of organic matter. In the course of litter degradation, enzyme activity is not only influenced by the litter species or substrate quality, but also affected by environmental factors. Invertase catalyses the hydrolysis of sucrose to glucose and fructose; thus, invertase is more essential than enzymes related to recalcitrant material degradation in the early litter decomposition period. We investigated the invertase activity of 12 representative leaf litter in alpine timberline ecotone of western Sichuan, China. The effects of species and environmental factors on invertase activity were also studied. The results showed that invertase activities of 12 species were significantly different under the same vegetation type (P< 0.01). The effects of species, environmental factors, and their interactions on invertase activity were highly significant (P< 0.01). In addition, the relationship between the initial cellulose content and invertase activity was positively and extremely significant (P< 0.01). Moreover, there was a significant and negative correlation between invertase activity and initial lignin and total phenol content, respectively (P< 0.01). The lignin and total phenol content can explain the 50.8% variation in invertase activity. Invertase activity of graminoids was the highest among all plant life forms, which likely occurs due to the higher initial cellulose content and lower lignin and total phenol content of graminoids. Multiple linear regression analysis showed that leaf litter moisture can explain the 62.1% variation in invertase activity and was the most important environmental factor variable. From the perspective of vegetation type, the invertase activity of most species in the coniferous forest was significantly higher than that of species in the alpine meadow and shrubs (P< 0.01), which may be caused by the highest litter moisture content and snow depth in the coniferous forest. After a snow cover period decomposition, the comprehensive effect of leaf litter quality and environmental factors on invertase activity can explain the 79.1% variation in invertase activity, indicating that invertase activity was mainly controlled by lignin, total phenol content, and leaf litter moisture in the alpine timberline ecotone of western Sichuan. In the global climate change scenario, the change in moisture content of the litter will strongly influence invertase activity in the early stage of litter decomposition.

invertase; timberline ecotone; litter quality; moisture content; litter decomposition

10.5846/stxb201410242086

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31570605, 31200345)；國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAC09B05)；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20115103120003)

2014-10-24; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015-10-30

Corresponding author.E-mail: sicauliuyang@163.com

陳亞梅, 和潤(rùn)蓮, 劉洋, 張健, 鄧長(zhǎng)春, 宋小艷, 楊林, 劉軍偉.川西高山林線交錯(cuò)帶凋落葉分解初期轉(zhuǎn)化酶特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(13):4099-4108.

Chen Y M, He R L, Liu Y, Zhang J, Deng C C, Song X Y, Yang L, Liu J W.Leaf litter invertase activity in the early stage of litter decomposition in alpine timberline ecotone of western Sichuan, China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(13):4099-4108.