川西高寒地區(qū)不同海拔高度土壤酶活性特征研究

周琳 艾應(yīng)偉

為增進對川西高寒地區(qū)土壤微生物的能量和養(yǎng)分限制狀況的了解，以川西地區(qū)不同海拔高度（2969 m，3280 m，3697 m和3992 m）的土壤為研究對象，通過測定土壤的酶活性和相關(guān)理化性質(zhì)，探討了川西地區(qū)土壤酶活性和酶化學(xué)計量沿海拔的分布規(guī)律及其影響因素.結(jié)果表明：（1）土壤的β-1，4-葡萄糖苷酶（BG）、纖維二糖水解酶（CBH）、β-1，4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）和酸性磷酸酶（AP）活性隨著海拔的增加，呈現(xiàn)出先減小后增大的分布模式.具體表現(xiàn)為土壤BG、CBH和AP酶活性在海拔3992 m處最大，在海拔3280 m處最小.土壤NAG和LAP酶活性在海拔2969 m處最大，在海拔3697 m處最小.（2）海拔3280 m的土壤微生物相對受氮、磷限制，而其余三個海拔的土壤微生物相對受碳、磷限制.（3）銨態(tài)氮、全氮、全碳和土壤養(yǎng)分的化學(xué)計量是驅(qū)動土壤酶活性及酶化學(xué)計量沿海拔變化的關(guān)鍵因素.從結(jié)果可知本研究區(qū)域的土壤酶活性特征與環(huán)境資源的可用性相關(guān).

海拔梯度； 土壤酶活性； 酶化學(xué)計量

S158.2A2023.036003

收稿日期： 2022-04-14

基金項目： 國家自然科學(xué)基金面上項目（41971056）； 國家重點研發(fā)計劃課題（2017YFC0504903）

作者簡介： 周琳（1992-）， 女， 四川遂寧人， 碩士研究生， 研究方向為修復(fù)生態(tài)學(xué).E-mail： 463375399@qq.com

通訊作者： 艾應(yīng)偉. E-mail： aiyw99@sohu.com

Study on soil enzyme activity characteristics at different altitudes in the alpine region of Western Sichuan

ZHOU Lin， AI Ying-Wei

（Key Laboratory of Bio-Resources and Eco-Environment of Ministry of Education， College of Life Sciences， Sichuan University， Chengdu 610065， China）

In order to improve the understanding of the energy and nutrient limitation of soil microorganisms in the alpine region of western Sichuan， the soils at different altitudes （2969 m， 3280 m， 3697 m and 3992 m） in the alpine region of western Sichuan were used as the research object. By measuring soil physicochemical properties and extracellular enzyme activities， the distribution law of soil enzyme activity and enzyme stoichiometry along the altitude and its influencing factors were discussed. The results showed that： （1） The activities of β-1，4-glucosidase （BG）， Cellobiohydrolase （CBH）， β-1，4-N-acetylglucosaminidase （NAG）， Leucine aminopeptidase （LAP） and Acid phosphatases （AP） showed a distribution pattern of first decreasing and then increasing with the increase of altitude. Specifically， the activities of carbon and phosphorus acquisition enzymes were the highest at 3992 m， and the lowest at 3280 m. The highest nitrogen-acquisition enzyme activity was at 2969 m， and the lowest was at 3697 m. （2） Soil microorganisms at 3280 m were relatively limited by N and P， while those at the other three altitudes were relatively limited by C and P. （3） Soil ammonium nitrogen （NH+4-N）， total nitrogen （TN）， soil total carbon （TC）， and soil nutrient stoichiometry were the key factors driving the changes in soil enzyme activities and their stoichiometry along the altitude. According to the results， the characteristics of soil enzyme activities in this study area were related to the availability of environmental resources.

Altitude gradient; Soil enzyme activity; Enzyme stoichiometry

1 引 言

土壤酶是一類具有催化作用的生物活性物質(zhì).它在催化有機物分解和驅(qū)動生物地球化學(xué)循環(huán)過程中起到重要作用，常被用作微生物對養(yǎng)分需求的指標.其中，參與催化分解環(huán)境中資源最豐富的有機碳、氮和磷的土壤酶被研究得最為廣泛，如β-1，4-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶、β-1，4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和酸性磷酸酶.研究這些酶的活性可增進對生態(tài)系統(tǒng)中微生物的代謝和養(yǎng)分限制狀況的了解［1， 2］.高山生態(tài)系統(tǒng)具有重要的生態(tài)服務(wù)功能，是陸地碳庫的重要組成部分［3］.在山地生態(tài)系統(tǒng)中，沿海拔梯度的氣候、植被和土壤性質(zhì)的變化較大.這些變化對土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能影響顯著［3］.目前已有眾多學(xué)者對不同海拔梯度的微生物群落及土壤酶活性的變化模式展開了研究，主要是為了提升對微生物群落響應(yīng)氣候變化的認識［4］.四川西部岷江上游地區(qū)處于青藏高原東緣，該地區(qū)植被垂直地帶性分布明顯，是我國生態(tài)環(huán)境治理的重點地區(qū)之一［5］.針對該區(qū)域不同海拔的微生物生物量、酶活性已有報導(dǎo)［3， 6］，但關(guān)于不同植被類型下土壤微生物的能量和養(yǎng)分限制狀況的研究相對較少.因此，本研究對川西地區(qū)植被類型分異的土壤進行取樣，通過測定土壤的酶活性和理化性質(zhì)，探討了土壤酶活性及其化學(xué)計量沿海拔的分布模式及其影響因素，以期為該區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)提供理論參考.

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域及土壤取樣

2020年7月至8月，在四川省阿壩州松潘縣川主寺鎮(zhèn)附近區(qū)域（32°65′～32°76′ N，103°60′～103°75′ E）進行土壤取樣，共選取了4個海拔點，即2969 m（亞高山針闊混交林）、3280 m（亞高山針葉林）、3697 m（高山灌叢）和3992 m（高山草甸）.該地區(qū)的年均氣溫為6.3 ℃，年均降雨量為708.3 mm，主要受西南暖濕季流和東南季風(fēng)影響［5］.在每個海拔點設(shè)置3個樣方，樣方面積為20 m×30 m，樣方間隔為20 m.每個樣方取25～30個點0～10 cm的表土，混合均勻以構(gòu)成一份復(fù)合土樣，共采集12份復(fù)合土樣.

2.2 測定指標和數(shù)據(jù)處理

土壤含水量（MC）用烘干法測定，土壤pH用電位法測定，土壤全磷（TP）和速效磷（SAP）用鉬銻抗比色法測定，土壤有機碳（SOC）用重鉻酸鉀容量法測定，土壤銨態(tài)氮（NH+4-N）用靛酚藍比色法測定，土壤硝態(tài)氮（NO3--N）用酚二磺酸比色法測定［7］.土壤全碳（TC）和全氮（TN）用元素分析儀測定.土壤養(yǎng)分化學(xué)計量用TC/TN、TC/TP和TN/TP表示.土壤酶活性用多孔板熒光光度法測定，本次測定的微生物獲取碳相關(guān)的酶包括BG和CBH，微生物獲取酶N相關(guān)的酶包括NAG和LAP，微生物獲取P的酶包括AP［8］，酶活性單位為μmol·g-1·Cmic h-1.微生物生物量碳（MBC）用氯仿熏蒸法測定［9］，本研究測得的MBC從低海拔到高海拔為：（35.69 ± 5.38） mg·kg-1、（77.21 ± 1.21） mg·kg-1、（91.07 ± 0.52） mg·kg-1、（43.87 ± 3.33） mg·kg-1.酶化學(xué)計量比：用ln（BG+CBH）/ln（NAG+LAP）表示C/N酶活性比（ECN），用ln（BG+CBH）/ln（AP）表示C/P酶活性比（ECP），以及用ln（NAG+LAP）/ln（AP）表示N/P酶活性比（ENP）［9］.統(tǒng)計分析主要在SPSS 25.0 和R 4.1.2中完成.

3 結(jié) 果

3.1 不同海拔的土壤酶活性和酶化學(xué)計量比特征

沿海拔梯度土壤BG、CBH、NAG、LAP和AP酶活性隨著海拔的增加，呈先減小后增大的趨勢.海拔3280 m的土壤C、P獲取酶活性最小，海拔3992 m的土壤C、P獲取酶活性最大.海拔2969 m的土壤N獲取酶活性最大，海拔3697 m的N獲取酶活性最小.土壤ECN隨著海拔的增加，呈先減小后增大的趨勢.土壤ECP在海拔間的差異不顯著.較低海拔（2969 m和3280 m）的土壤ENP大于較高海拔（3697 m和3992 m）.海拔3280 m的土壤ECN和ECP均小于1，因此海拔3280 m的土壤微生物分泌的N、P獲取酶多于C獲取酶，微生物受N、P限制.除海拔3280 m以外，其余三個海拔的土壤ECN均大于1，表明微生物分泌的C獲取酶多于N獲取酶，因此這三個海拔的土壤微生物受C限制.海拔2969、3697和3992 m的土壤ECP均接近于1，說明這三個海拔的土壤微生物在分泌C獲取酶和P獲取酶時沒有明顯的權(quán)衡效應(yīng).四個海拔的土壤ENP均小于1，表明四個海拔的土壤微生物分泌的P獲取酶多于N獲取酶，因此本研究的土壤微生物均受P限制.其他酶活性及酶化學(xué)計量比的詳細信息見表1.

3.2 土壤的酶活性和酶化學(xué)計量比與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系

Spearman相關(guān)分析表明BG和CBH酶活性與NH+4-N和TC/TN有顯著的負相關(guān)關(guān)系.NAG和LAP酶活性與TC、TC/TP和TN/TP有顯著的負相關(guān)關(guān)系.AP酶活性與NH+4-N、TC/TN和TC/TP有顯著的負相關(guān)關(guān)系.ECN與SAP和TN有顯著的正相關(guān)關(guān)系，且其與TC/TN有顯著的負相關(guān)關(guān)系.ENP與TN有顯著的負相關(guān)關(guān)系.其他相關(guān)分析的詳細信息見表2.將土壤酶活性及其化學(xué)計量比作為響應(yīng)變量，以土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)作為解釋變量進行冗余分析（RDA），得到對土壤酶活性及其化學(xué)計量特征影響的排序.如圖1所示，第一軸解釋了變量的60.31%，第二軸解釋了變量的32.37%，所有解釋變量可以解釋土壤酶活性及其化學(xué)計量特征總變異的92.68%.由圖可知NH+4-N、TC、TN、TC/TN、TC/TP和TN/TP與前兩軸的相關(guān)性最大（圖1）.

4 討 論

4.1 土壤酶活性和酶化學(xué)計量比沿海拔的分布模式

本研究的土壤C、N和P獲取酶活性隨著海拔的升高，呈先減小后增加的模式，且土壤的C、P獲取酶活性在海拔3280 m處最小，這可能跟海拔3280 m的土壤養(yǎng)分含量較高相關(guān)；根據(jù)微生物代謝的經(jīng)濟學(xué)理論，當土壤養(yǎng)分豐富時，微生物分泌的酶較少［10］.海拔3280 m針葉林土壤的根系分泌物和植物殘體多，且該海拔的土壤含水量最高，海拔3280 m的土壤微生物的可利用養(yǎng)分充足，因此該海拔的土壤酶活性低.海拔3992 m的土壤的C、P獲取酶活性較高，即高海拔的草甸土壤酶活性顯著高于低海拔的林地，這與金裕華等對武夷山不同海拔典型植被帶的研究結(jié)果相同［11］.曹睿等對與本研究同地理區(qū)域的研究表明，土壤酸性磷酸酶與土壤總磷呈顯著負相關(guān)［6］.P獲取酶與土壤P養(yǎng)分總體上呈負相關(guān)，這在很多研究中都得到了證實［12， 13］.然而我們的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)C、P獲取酶活性與C、P養(yǎng)分含量并未呈負相關(guān)關(guān)系，這暗示著該區(qū)域的土壤C、P獲取酶活性的沿海拔的分布模式除了受養(yǎng)分影響外，可能還受其他因素影響.本研究的N獲取酶活性與N養(yǎng)分可用性的相關(guān)性較大.海拔2969 m的NAG和LAP酶活性最大，其對應(yīng)的土壤氮養(yǎng)分的總含量最低（NH+4-N：（23.60± 1.45） mg/kg，NO3--N：（15.95 ± 4.90） mg/kg，TN：（3.00 ± 0.19） mg/kg），因此微生物分泌了更多的N獲取酶.除海拔2969 m以外，其余三個海拔的N養(yǎng)分總含量相近，且這三個海拔間的NAG和LAP酶活性差異也不顯著.土壤的ECN隨著海拔的增加呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢，土壤ECP和ENP無明顯的分布模式，這說明了海拔對酶化學(xué)計量的影響可能小于土壤微環(huán)境對酶化學(xué)計量變化產(chǎn)生的影響.

4.2 土壤酶活性和酶化學(xué)計量比的影響因素

RDA分析表明土壤的理化性質(zhì)對酶活性及其化學(xué)計量特征總變異的解釋度大于92%，因此本研究的土壤理化性質(zhì)與酶活性及其化學(xué)計量的變化有較大的相關(guān)性.NH+4-N、TC、TN、TC/TN、TC/TP和TN/TP與酶活性及其化學(xué)計量變化有顯著相關(guān)關(guān)系（圖1）；其中NH+4-N和TC/TP與C、N和P獲取酶活性有顯著相關(guān)關(guān)系，TN與ECN和ENP有顯著的相關(guān)關(guān)系（表3），這些結(jié)果體現(xiàn)了N養(yǎng)分和土壤的養(yǎng)分化學(xué)計量對土壤酶活性及其化學(xué)計量的變化起著重要作用.土壤養(yǎng)分可通過改變特定產(chǎn)酶微生物的豐度或者影響微生物表達酶的比例來影響酶的活性，這在很多研究已得到證實［14］.如Kivlin等的研究表明土壤的N濃度與水解酶活性緊密相關(guān)［15］，這與本研究結(jié)果一致.然而本研究的土壤C、P獲取酶活性沿海拔梯度變化的具體機制并不明晰，因此還亟需結(jié)合其他研究結(jié)果以作進一步解析.土壤化學(xué)計量變化反映了C、N和P養(yǎng)分的相對含量，它對酶活性產(chǎn)生影響體現(xiàn)在微生物響應(yīng)土壤養(yǎng)分濃度變化而改變酶產(chǎn)量［16］.土壤化學(xué)計量與酶活性及其化學(xué)計量有顯著的關(guān)聯(lián)性，這在添加實驗和其他自然生態(tài)系統(tǒng)中也得到證實.如Ma等通過添加試驗表明土壤酶活性主要受N、P含量以及C∶N和C∶P的比例影響［16］.Peng等對溫帶草原的研究發(fā)現(xiàn)土壤酶化學(xué)計量主要受土壤養(yǎng)分化學(xué)計量影響［9］.Xu等對中國東部不同緯度的9個森林生態(tài)系統(tǒng)的研究表明酶化學(xué)計量關(guān)系與土壤化學(xué)計量關(guān)系相關(guān)［17］.因此，本研究區(qū)域沿海拔梯度的酶活性和酶計量比受土壤養(yǎng)分及土壤養(yǎng)分化學(xué)計量影響顯著，這與其他研究結(jié)果一致.

5 小 結(jié)

本研究區(qū)域的BG、CBH、NAG、LAP和AP酶活性沿海拔梯度（2969，3280，3697和3992 m），總體上呈先減小后增加的趨勢.海拔3280 m的土壤微生物相對受氮、磷限制，而海拔3280、3697和3992 m的土壤微生物相對受碳、磷限制.土壤C/P酶活性比隨著海拔的增加，呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，土壤C/N和N/P酶活性比沿海拔梯度無明顯的變化趨勢.土壤碳、氮養(yǎng)分和土壤的養(yǎng)分化學(xué)計量比是影響該地區(qū)土壤酶活性及其化學(xué)計量比沿海拔梯度發(fā)生變化的關(guān)鍵因素.

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