青藏高原高寒草地土壤酶活性海拔地帶性特征

霍皇煜,米 琦,周天財,李 洋,張建香,4,陳俊合,汪亞峰,*,孫 建

1 青藏高原地球系統(tǒng)與資源環(huán)境全國重點實驗室,中國科學院青藏高原研究所,北京 100101 2 中國科學院大學資源與環(huán)境學院,北京 100049 3 蘭州大學生態(tài)學院,蘭州 730000 4 蘭州大學資源環(huán)境學院,蘭州 730000

土壤酶是指土壤中的聚積酶,是一種具有生物催化能力和蛋白質特性的高分子活性物 質[1],包括胞外酶、胞內(nèi)酶和游離酶等,主要來源于土壤微生物的活動、植物根系分泌物和腐解的動植物殘體[2]。土壤酶作為生態(tài)系統(tǒng)的生物催化劑,是土壤有機體的代謝驅動力,推動著土壤中的物質循環(huán)和能量轉化,促進土壤有機質的礦化分解和無機物的轉化[3-4]。比如,多種土壤酶在生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷循環(huán)過程中具有重要作用[5]。具體而言,與土壤碳循環(huán)密切相關的土壤β-1,4-葡萄糖苷酶(βG),其作用是將纖維二糖水解成一分子葡萄糖,葡萄糖在降解有機化合物的第一階段具有活性,降低了有機結構分子的大小,從而激發(fā)了接下來的微生物酶活性[6]。與土壤氮循環(huán)密切相關的N-乙酰-β氨基葡萄糖苷酶(NAG),與細菌多糖外殼和真菌細胞壁的形成有關,還參與幾丁質的分解和有機氮的吸收,可將幾丁質代謝過程中產(chǎn)生的寡糖水解成單糖[7],其活性的高低一定程度上反映了高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的氮轉化速率[8]。同時,土壤亮氨酸氨基肽酶(LAP)可水解蛋白質,是土壤有機氮水解為氨基酸過程中重要的酶,與土壤氮素的轉化過程密切相關[9]。其次,在土壤磷循環(huán)中扮演重要角色的土壤堿性磷酸酶(ALP)是一類催化土壤有機磷化合物礦化為無機磷的酶[10],其活性高低直接影響有機磷在土壤中的分解轉化及其生物有效性[11]。

此外,土壤酶因其能夠及時感知外界因素引起的土壤特性的微小變化,被認為是表征土壤中物質、能量活動強度和土壤質量水平的重要生物學指標[12]。由于其對溫度、降水、土壤理化性質等環(huán)境因子的高度敏感性,已成為陸地生態(tài)系統(tǒng)變化的關鍵預警信號和敏感指標[13]。20世紀以來,全球氣候變暖趨勢明顯,氣候變化對土壤微生物及酶活性具有顯著的調(diào)控效應。但因為不同土壤酶的溫度和降雨敏感性存在差異,因此與生物地球化學循環(huán)相關的酶可能以不同方式響應氣候變化[14-16]。比如,溫度可以通過改變與碳循環(huán)相關的土壤酶活性來調(diào)控植物的生長。整合分析發(fā)現(xiàn),陸地溫度、大氣CO2濃度的變化引起土壤溫度的改變,可以直接影響微生物的代謝速率以及土壤酶活性,進而改變植物的碳積累和地下部分碳的輸入[17]。而與土壤養(yǎng)分循環(huán)相關的土壤酶主要受到降水的影響。通過對氣候變化下植物與土壤之間養(yǎng)分運輸?shù)难芯?發(fā)現(xiàn)陸地降水的變化容易引起土壤水分的變化,從而影響土壤微生物呼吸速率及養(yǎng)分運輸和土壤酶活性的改變[18]。土壤水分和質地決定了植物根系分泌物的釋放[19],并調(diào)控了土壤酶、底物和反應產(chǎn)物的擴散速率,最終對養(yǎng)分可利用性產(chǎn)生影響[20-21]。

青藏高原作為世界上海拔最高的區(qū)域,有“世界屋脊”之稱,該區(qū)域地貌復雜,氣候寒冷干燥,氣溫日較差大,被認為是全球氣候變化的敏感區(qū)[22],全球氣候的微小變化可能會改變該區(qū)土壤微生物群落結構和土壤酶活性進而影響陸地生態(tài)系統(tǒng)[23]。青藏高原具有一系列獨特的海拔梯度和氣候梯度,海拔梯度通常被理解為自然溫度、水分和光照梯度,溫度和降水作為重要的氣候因素隨著海拔的增加而發(fā)生顯著變化。高寒草地是青藏高原最主要的生態(tài)系統(tǒng)類型之一,約占青藏高原總面積的60%左右,在調(diào)節(jié)氣候、固碳固氮和涵養(yǎng)水源等方面具有重要的生態(tài)功能[24-26]。青藏高原獨特的地形地貌特征、寒冷干燥的氣候條件和惡劣嚴苛的植物生長環(huán)境,導致高寒草地生態(tài)系統(tǒng)結構和功能對環(huán)境變化非常敏感[27-28]。雖然青藏高原獨特的海拔梯度和水熱梯度為研究土壤酶活性的垂直地帶性變化特征提供了天然實驗室,但是氣候因子,尤其是溫度和降水在海拔梯度上如何影響高寒草地的各種土壤酶活性并不清晰。大量研究主要關注定點或者小尺度海拔對土壤酶活性的影響[29-32],而有關青藏高原區(qū)域大尺度土壤酶活性的海拔梯度變化特征和驅動因素研究較少。因此,在全球氣候變化大背景下,系統(tǒng)地研究青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤酶活性對海拔的響應機制,有助于我們展開對高寒草地生態(tài)系統(tǒng)關鍵結構、過程和功能的探討。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青藏高原平均海拔4000 m以上[33],是中國最大、世界海拔最高的高原[34]。本文研究區(qū)域(圖1)位于青藏高原,覆蓋了四川、甘肅、青海和西藏地區(qū)(經(jīng)度80°-105°E,緯度27°-37°N,海拔3023-5124 m,年均氣溫-5.69-6.29 ℃,年降水量52.15-1078.84 mm),氣候寒旱特征明顯[35]。該地區(qū)主要植被類型是高寒草甸、高寒草原和高寒荒漠草原,主要土壤類型有毛氈土、冷鈣質土和棕色鈣質土[36]。植物群落中主要優(yōu)勢物種有針茅屬(Stipa)、嵩草屬(Kobresia)和薹草屬(Carex)等[37]。

圖1 研究區(qū)樣點示意圖Fig.1 Sample sites map of the study area

1.2 土壤樣品采集及酶活性的測定

2020年7月中旬至8月底,在沿青藏高原內(nèi)部環(huán)線人為干擾較少的地方,每隔50 km左右隨機選取采樣點,共計在135個樣點進行取樣,并記錄每個樣點的經(jīng)緯度、海拔和植被類型等信息。每個樣地大小10 m×10 m,在每個樣地隨機選取3組50 cm×50 cm小樣方進行植物群落調(diào)查和樣品采集。用直徑為3.5 cm的土壤螺旋鉆在各個小樣方內(nèi)隨機采集3鉆土壤樣品,每鉆采集0-10、10-20 cm和20-30 cm的土層,其中0-10 cm土樣用于測定土壤酶活性。以上樣品采集后,均嚴格按照標準處理方式保存并帶回實驗室進行測定。

回到實驗室后,將土壤樣品風干,通過2 mm篩網(wǎng)過篩,并用球磨機研磨成細粉,在4 ℃下儲存,用于土壤酶活性測定。NAG、ALP、LAP、βG活性均采用微孔酶標板熒光分析法測定[38-39]。將土壤懸液、底物及相應緩沖液置于微孔板內(nèi)培養(yǎng),使酶反應在微孔板內(nèi)進行,而后進行熒光檢測。具體如下:NAG活性采用對硝基苯酚法測定,以每克土樣每天生成1 μmol對硝基苯酚定義為一個酶活力單位。LAP活性采用對硝基苯胺法測定,以每克土樣每天生成1 nmol對硝基苯胺為一個酶活力單位。ALP活性采用磷酸苯二鈉法測定,以在37 ℃下每克土樣每天釋放1 nmol苯酚為一個酶活力單位。βG活性采用對硝基苯酚法測定,以每天每克土樣中產(chǎn)生1 μmol對硝基苯酚定義為一個酶活力單位。

1.3 氣候數(shù)據(jù)來源與分析

通過中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https://data.cma.cn/)獲取青藏高原年平均氣溫(annual mean temperature,AMT)和年降水量(annual mean precipitation,AMP)數(shù)據(jù),再使用Anusplin 4.2進行空間插值,得到1 km空間分辨率的氣候柵格數(shù)據(jù)。最后,基于采樣點的經(jīng)緯度,利用ArcGIS 10.2 (ESRI,Redlands,USA)軟件提取研究區(qū)135個樣點的氣候數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel 2019和SPSS 26 (IBM SPSS Statistics 26)對數(shù)據(jù)進行整理和分析,其中,對βG、NAG、ALP、LAP活性和各環(huán)境因子進行Pearson相關性分析,對高低海拔情況下的溫度、降水和βG、NAG、ALP、LAP活性進行單因素方差分析。采用ArcGIS 10.2繪制研究區(qū)樣點示意圖;采用SigmaPlot 14.0繪制散點圖,并進行線性回歸分析;采用Origin 2018繪制箱線圖;用R 4.1.3進行頻率分布直方圖和熱度圖繪制,包括R語言的“corrplot”、“ggplot2”和“gridExtra”語言包。

2 結果

2.1 高寒草地土壤酶活性數(shù)據(jù)特征

NAG、ALP、LAP和βG活性在區(qū)域尺度上存在差異。與氮循環(huán)相關的NAG和LAP活性的變化范圍分別為1.03-41.51 μmol d-1g-1、0.38-15.06 μmol d-1g-1,與磷循環(huán)相關的ALP活性的變化范圍為1.70-45.83 μmol d-1g-1,而與碳循環(huán)相關的βG活性的變化范圍為2.02-115.38 μmol d-1g-1(圖2)。NAG和LAP活性的離散程度比較小,其標準差分別是6.22 μmol d-1g-1、2.29 μmol d-1g-1。而ALP和βG的活性較高,其平均值分別是22.53 μmol d-1g-1和38.17 μmol d-1g-1。

圖2 土壤酶活性頻率分布圖Fig.2 Frequency distribution of soil enzyme activityMax:最大值;Min:最小值;Mean:平均值;SD:標準差

2.2 地形和氣候因子對土壤酶活性的影響

相關性熱度圖(圖3)表明,青藏高原ALP和βG活性均與海拔呈顯著負相關(P<0.01);溫度和降水均與海拔呈顯著負相關(P<0.05),其中與降水相關性較高;NAG、ALP和βG活性均與降水呈顯著正相關(P<0.01),其中與ALP和βG相關性較高。

圖3 土壤酶活性與地形和氣候因子的相關性Fig.3 Correlation of soil enzyme activity and the topographical and climatic factorsALT:海拔;AMT:年平均氣溫;AMP:年平均降水量;βG:土壤β-1,4-葡萄糖苷酶;NAG:土壤N-乙酰-β氨基葡萄糖苷酶;LAP:土壤亮氨酸肌肽酶;ALP:土壤堿性磷酸酶

海拔和土壤酶活性回歸模型發(fā)現(xiàn),除了ALP和βG以外,其余土壤酶(NAG和LAP)活性在海拔梯度上沒有顯著性的變化趨勢(圖4)。Piecewise回歸模型結果顯示,ALP活性隨著海拔的升高而顯著降低(P<0.01),ALP活性的海拔閾值為3546 m左右,當海拔高于3546 m時,ALP活性對海拔的敏感性更高(圖4)。在海拔3364 m處,βG活性變化顯著,在海拔低于3364 m時,βG活性與海拔顯著正相關,在海拔高于3364 m時,βG活性與海拔顯著負相關(P<0.01,圖4)。綜合ALP和βG的海拔閾值,我們定義低海拔范圍為3023-3455m,高海拔范圍為3455-5124m。

圖4 土壤酶活性與海拔的關系Fig.4 The relationship between soil enzyme activity and altitudeTH: 閾值

2.3 土壤酶活性沿氣候梯度的變化規(guī)律

ALP和βG活性在海拔梯度上變化顯著,進一步對海拔閾值前后的氣候因子和土壤酶活性進行分析。高低海拔模式下ALP活性與降水顯著正相關(P<0.01),且高海拔模式下(R2=0.35,slope=0.04,圖5)ALP活性對降水的敏感性大于低海拔(R2=0.35,slope=0.03,圖5)。而高低海拔模式下ALP活性與溫度均無顯著關系(圖5)。

圖5 高低海拔模式下溫度、降水與ALP酶活性的關系Fig.5 The relationships among temperature,precipitation and ALP enzyme activity陰影部分表示95%置信區(qū)間

高低海拔模式下分別建立溫度和降水與βG活性的回歸模型發(fā)現(xiàn),低海拔模式下,溫度和降水對βG活性無顯著影響(圖6)。高海拔模式下,降水與βG活性均呈顯著正相關關系(R2=0.35,P<0.01,圖6)。低海拔βG活性(平均值為66.12 μmol d-1g-1)顯著高于高海拔βG活性(平均值為35.19 μmol d-1g-1,圖7)。除個別極值外,低海拔ALP活性(平均值為30.89 μmol d-1g-1)顯著(P<0.05)高于高海拔ALP活性(平均值為20.43 μmol d-1g-1,圖7)。

圖6 高低海拔模式下溫度、降水與βG酶活性的關系Fig.6 The relationships among temperature,precipitation and βG enzyme activity

圖7 高低海拔模式下溫度、降水、酶活性的差異Fig.7 The relationship among temperature,precipitation and enzyme activity圖第一行按照ALP海拔閾值區(qū)分高低海拔;圖第二行按照βG海拔閾值區(qū)分高低海拔;*表示在0.05水平上差異顯著;**表示在0.01水平上差異顯著;箱體部分五條水平箱線自下而上分別代表變量的最小值、第一四分位數(shù)、中位數(shù)、第三四分位數(shù)和最大值;散點自左往右代表不同海拔對應的溫度、降水和酶活性值

3 討論

3.1 高寒草地土壤酶活性

土壤是個復雜多酶體系,土壤酶活性可以較全面的反應土壤環(huán)境、質量和肥力變化[40-42]。目前,關于海拔對土壤酶活性影響的研究結果差異較大[43-46],本研究證明了青藏高原ALP和βG活性均與海拔相關性顯著,NAG和LAP活性與海拔相關性不顯著(圖4),分析其原因可能為不同土壤酶活性對氣候的響應差異有關。

一般認為,氮在青藏高原地區(qū)是稀缺的,酶作為富含氮的化合物,其生產(chǎn)在氮有限的系統(tǒng)中受到氮可用性的嚴格控制[47],所以總氮決定了土壤酶的生產(chǎn),影響土壤酶的活性。本文中,與土壤氮循環(huán)密切相關的NAG和LAP活性數(shù)據(jù)標準差較小(圖2),說明兩種土壤酶具有相對較強的穩(wěn)定性[48],這可能的原因是,青藏高原高寒草地在普遍缺氮的環(huán)境調(diào)控下,使得N循環(huán)酶的生產(chǎn)是基因組成性表達的結果[47],同時,高原凍土也使得NAG和LAP活性較少受到蛋白水解的影響。而與土壤碳循環(huán)密切相關的βG和與土壤碳循環(huán)密切相關的ALP活性相對較高(圖2),說明了βG和ALP大多數(shù)情況下具有長時間的高活性狀態(tài)。而βG和ALP活性的標準差較大,說明了βG和ALP活性容易受到環(huán)境因子的影響[49]。

3.2 土壤酶活性對環(huán)境因子的響應機制

環(huán)境因子直接或間接改變酶的活性,例如通過酶本身構象變化、與土壤顆粒的絡合以及擴散速率的改變直接影響酶活性[50],或通過改變底物溶解度、底物濃度、目標物的可及性、微生物的生存策略等間接影響酶活性[47]。研究發(fā)現(xiàn)土壤酶活性(除了LAP)均與降水量呈正相關關系(圖3),這可能是因為降水通過改變土壤含水量來影響土壤酶活性,從而顯著影響底物和抑制性化合物的擴散速率[50]。同時,降水也可以通過影響微生物養(yǎng)分需求和土壤養(yǎng)分有效性來影響土壤酶活性。比如,降水量的增加也可能導致土壤養(yǎng)分淋失降低,導致微生物底物減少,從而限制微生物營養(yǎng)。因此,微生物會分泌更多相應的酶以滿足其營養(yǎng)需求[51]。綜上所述,降水作為主導因素不僅直接影響土壤酶活性,而且降水也能通過影響植物生長,土壤含水量和養(yǎng)分,與養(yǎng)分循環(huán)密切相關的微生物群落組成和結構,最終間接作用于土壤酶活性。

雖然降水通過多種途徑調(diào)節(jié)土壤酶活性,但不同土壤酶活性在響應高低海拔時存在差異。為了解釋溫度和降水是如何對土壤酶活性產(chǎn)生影響的,進一步在不同海拔模式下進行了分析。具體而言,碳源酶與磷源酶隨海拔升高而出現(xiàn)拐點(圖4),造成這一結果的主要原因可能是底物可用性受限制,磷源酶由于隨著海拔的增加,磷限制的緩解,ALP的分泌相應減少。其中,隨著海拔的升高,βG活性先升高后下降,這可能是由于在一定溫度閾值內(nèi),較高的土壤溫度對βG活性有促進作用[52]。

對于ALP而言,高低海拔模式下,隨著降水量沿海拔梯度的降低,ALP活性降低(圖5)。這是因為降雨會增加土壤酶與土壤顆粒的絡合以及土壤酶與底物的擴散速率[53-54],其次,降雨還會影響土壤養(yǎng)分淋溶、土壤有機質的降解以及植被生長和發(fā)育等過程間接影響土壤酶活性[55]。高海拔模式下ALP活性對降水的敏感性高于低海拔。其原因可能是在高海拔地區(qū)資源限制加劇,降水的增加能調(diào)動更多的資源可用性。

對于βG而言,高低海拔模式下,βG活性與溫度相關性不顯著(圖6),說明土壤βG對溫度變化不敏感,這是因為溫度的變化將以難以預測的復雜方式影響酶活性。一方面,在達到某個最佳溫度(通常超過其原生環(huán)境中記錄的溫度)之前,溫度增加會增加酶催化反應的速率,另一方面,微生物可能會因變暖而減少酶的合成和分泌[56-57]。此外,酶變性率和細胞外蛋白酶的降解活性也可能隨著變暖而增加[58]。

海拔是一定均溫、活動積溫和降水量的綜合反映,地形的垂直變化會改變植物群落結構和類型的演化[59-60],進而通過土壤光、熱、水和空氣條件改變土壤的物理、化學和生物性質,最終導致生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)生改變[61]。綜合而言,由于海拔高度的不同,氣候環(huán)境、植被特征、土壤理化性質等存在差異[62],植被類型、土壤養(yǎng)分、微生物群落組成、溫度和降水等一系列影響土壤酶活性的生物和非生物因素[63]也會存在差異,多重因素的影響使得高低海拔模式下土壤酶活性的差異性顯著(圖7)。即,相比高海拔的低水熱、土壤養(yǎng)分、微生物量和微生物活性,低海拔環(huán)境限制得到一定改善[62],所以其土壤酶活性較高。

4 結論

以青藏高原高寒草地為研究對象,將土壤酶活性海拔梯度研究從站點尺度拓展到樣帶尺度。基于樣帶上135個樣點調(diào)查分析,綜合運用4種土壤酶和3個環(huán)境因子,從環(huán)境因子與土壤酶活性關系的角度出發(fā),對土壤酶活性隨海拔的變化特征進行研究。研究發(fā)現(xiàn),青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性存在較為明顯的海拔格局,隨著海拔的上升,ALP和βG展現(xiàn)出顯著分異,其閾值分別約為3546 m和3364 m,且低海拔顯著高于高海拔。高低海拔模式下,ALP活性受降水影響顯著;高海拔模式下,βG活性受降水影響顯著,低海拔模式下,氣候影響不明顯。土壤酶活性對環(huán)境因子有適應性的改變,海拔的變化對溫度降水產(chǎn)生影響,進而影響土壤酶活性?？偠灾?降水是高寒草地土壤酶活性變化的主導因素,但是不同土壤酶活性響應高低海拔的降水存在差異。研究結果對理解高寒草地生物地球化學循環(huán)過程和機制具有重要意義。