水分梯度下川西高寒湿地土壤酶活性变化特征

刘 杨，王小沁，沈丹杰，孙 辉，唐文英

（四川大学建筑与环境学院/四川省土壤环境保护工程技术中心，成都 610065）

土壤酶是土壤生态与生物化学过程的主要参与者， 土壤酶活性对土壤有机物质腐殖化和矿质化、物质循环及能量传递、土壤污染物降解及环境质量维持等土壤生态过程和生态功能的维持都具有重要意义[1-3]。土壤中纤维二糖水解酶（CBH）、β-葡萄糖苷酶（BG）、β-N-乙酰氨基葡萄糖酶（NAG）和磷酸单酯酶（PME）等在一定程度上反映了土壤生态系统碳、氮、磷等生物地化循环过程与动态特征[4-5]，被认为是体现土壤生态过程的几种关键酶类。全球变化通过影响包括高寒湿地等在内的青藏高原低温生态系统温度（热量）和水分（降水）格局变化，可能改变从土壤生物地化循环到高寒植物生长发育全过程，因此把高寒生态系统作为全球变化效应研究的敏感生态系统[6-7]。全球变化在若尔盖等高寒湿地产生了湿地退化、干旱化以及物候变化等一系列环境效应[7-8]，而高寒土壤酶活性与土壤水分、温度等物理环境因子关系显著[3，9-10]，因此土壤酶活性变化被认为可能是全球变化的土壤特征效应之一[9]。

若尔盖及其邻近区域的高寒湿地是我国乃至全球最重要的高寒湿地之一，对区域乃至全球尺度生态安全和环境演变具有重要意义[11]。从1960年以来，在全球变化、冻融侵蚀和人为活动叠加影响下，出现明显湿地退缩，季节性冻融格局改变、湿地萎缩（积水面积和时间）、湿地植被向干旱化草地转变[12-14]等迹象，更为严重的是面积较大的连片沙丘出现[15]。近年来国内外越来越多研究工作，关注全球变化背景下若尔盖湿地土壤碳库动态、生态修复以及环境变化[16]。本文旨在关注若尔盖湿地干旱化趋势下，从滞水湿地到干旱化草地过渡中土壤水分的梯度变化，探讨土壤酶活性在水分梯度下的变化规律，以期为揭示全球变化背景下高寒湿地生态系统演变特征提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

若尔盖湿地位于青藏高原东缘四川、甘肃两省交界处，平均海拔3 400～3 600 m，地理上分别属于若尔盖、阿坝、红原、碌曲、玛曲等县，是黄河上游最为重要的水源地之一。若尔盖湿地区域属大陆性高原气候，年均降水量650～750 mm，平均气温 0.7～1.1 ℃。若尔盖湿地主要地貌类型为高原夷平面低山、丘陵、河谷和阶地，低洼地带常年积水、季节性积水或临时性积水。黑河与白河两条主要河流自南向北横贯全区， 蜿蜒曲折。植被以高山草甸草原（Alpine meadow）和高寒沼泽（Alpine swamp）为主[17]。

1.2 土样制备

在研究地点若尔盖湿地（102°31′E，33°17′N），根据土壤干旱化程度分别选取滞水湿地（WT）、泥炭丘（PH）、干旱化草甸（DG）3 种类型进行采样。每个样地取样重复3 次，每个重复由9 个样点土样混合而成。土壤样品按 0～10 cm 和 10～20 cm 分层收集约200 g，采回土样通过自然风干，剔除砂石、根系和植物残体，经研磨并过100 目筛，再混合均匀，装入棕色瓶放置于4 ℃的冷藏室，密闭保存以待测定。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤酶测定方法

采用基于R.P.Dick[18]的微孔板荧光法，测定纤维二糖水解酶（Cellobiohydrolase）、β-葡萄糖苷酶（βglucosidase）、β-N-乙酰氨基葡萄糖酶（β-N-Acetylglucosaminidase）、土壤磷酸单酯酶（Phosphomonoesterase）的活性，所用底物分别为4-甲基伞形酮-纤维二糖苷（MUF-C）、4-甲基伞形酮-β-D-葡萄糖苷（MUF-G）、4-甲基伞形酮-N-乙酰氨基-β-D-葡萄糖苷（MUF-NAG） 和 4-甲基伞形酮-磷酸酯（MUF-P）。

1.3.2 土壤理化性质测定方法

土壤pH 值用酸度计法；土壤总氮（TN）和总有机碳（TOC） 采用元素分析仪测定；溶解性有机碳（DOC）和溶解性氮（DN）采用Jones 方法提取后用总有机碳/总氮分析仪测定；土壤溶解性磷 （DP）用ICP-MS 法分析测定。

1.4 数据处理

土壤酶作用于相应底物会释放出荧光物质4-甲基伞形酮（MUF），反应方程如下所示，由于1 mol底物分解得到1 mol MUF， 故4 种底物的分解程度可以用MUF 的释放量表示。通过多功能读数仪测定溶液荧光值，根据标准曲线计算得到相应酶的活性。

所有数据采用SPSS 19.0 进行统计分析，Origin 9.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 高寒湿地土壤理化性质

不同水分环境下若尔盖湿地土壤的一些理化性质见表1。作为限制土壤生物和化学活性阈值的土壤pH 在湿地和泥炭丘土壤中差异不显著， 而在干旱化土壤中有显著升高。泥炭丘和湿地土壤TOC和TN 含量均显著高于干旱化草地土壤， 可能因淹水环境下有机物分解缓慢，促进泥炭形成积累和腐殖化，故土壤中纤维素、半纤维素、腐殖酸和生物碱等含量较高，TOC 和TN 含量处于较高水平。在湿地土壤干旱化过程中，表层和亚层总有机碳储量降幅分别为28.96%±9.91%和30.44%±4.87%，这与干旱化草地有关酶活性升高有关；表层和亚层总氮储量降幅分别为28.17%±12.00%和33.86%±5.23%，暗示湿地干旱化导致土壤氮库退化。湿地退化过程（WT→PH→DG）中，湿地土壤溶解性氮（DN）显著高于泥炭丘和干旱化草地土壤，这与土壤碳氮存在状态和有效性有关。

2.2 高寒湿地土壤酶活性变化

不同水分状况下土壤中纤维二糖水解酶（CBH）、β-葡萄糖苷酶（BG）、β-N-乙酰氨基葡萄糖酶（NAG）、磷酸单酯酶（PME）4 种酶的活性均达到显著水平（图1）。表层和亚层湿地土壤在干旱化过程中（WT→PH→DG），4 种酶活性在表层土壤均高于亚层土壤。BG 和CBH 的活性在干旱化草甸（DG）表层土壤中达到最高， 亚层土壤则在泥炭丘中最高， 这显示干旱化加剧了湿地土壤表层有机碳分解。泥炭丘（PH）土壤中与有机磷水解有关的PME活性显著高于湿地（WT）和干旱化草地（DG），表明泥炭丘环境是有利于PME 活性升高的。表层泥炭丘（PH）土壤中与有机氮水解有关的NAG 活性显著低于湿地（WT）和干旱化草地（DG）土壤，这个结果比较有意思， 即水分适中的泥炭丘不利于NAG 活性增加。

表1 不同水分状况下若尔盖湿地研究区域土壤理化性质Table 1 Soil physical and chemical properties of Zoige Wetland under different moisture condition

2.3 高寒湿地土壤酶活性化学计量学特征

对不同水分梯度下湿地土壤的酶活性比进行线性回归，截距为零时所得直线的斜率即为酶活性比的回归值，分析结果见图2。表层土壤C/P 比为干旱化草甸＞湿地＞泥炭丘，N/P 比为干旱化草甸≈湿地＞泥炭丘，二者在泥炭丘都显著下降，说明泥炭丘表层土壤中磷循环较为缓慢，可被微生物利用磷含量较低。C/N 比为泥炭丘＞干旱化草甸＞湿地。亚层土壤仅有泥炭丘和干旱化草甸两种类型，C/N 和N/P比均与表层一致，仅C/P 需求比与表层呈现相反的趋势（泥炭丘＞干旱化草甸），即泥炭丘亚层土壤的磷循环较为活跃。

图1 不同水分状况下若尔盖湿地土壤4 种酶活性特征Figure 1 Characteristics of 4 soil enzymes activity in Zoige Wetland under different moisture condition

对不同类型湿地土壤的两个土层进行检验分析，并根据回归结果进行酶活性化学计量学的计算（表 2）。土壤 C/P、N/P 和 C/N 比在不同类型湿地中均存在显著差异， 泥炭丘和干旱化土壤的TOC/TN明显高于湿地土壤。分析不同类型湿地土壤C/N/P比可发现，表层湿地与干旱化草甸土壤的比值大致相似，而泥炭丘中N 含量显著下降，这可能与泥炭丘土壤凋落物较少且含氮量低有关。凋落物中氮含量能否满足微生物对氮的需求是氮释放过程的关键因素，其初始氮含量和分解过程中氮剩余量共同决定着氮的释放过程。高氮含量的凋落物能满足微生物对氮的需求从而快速释放氮；低氮含量的凋落物则不能满足，微生物须从环境中寻找其他外源氮来驱动氮的分解。泥炭丘和干旱化草甸亚层土壤N 循环速率均低于表层土壤，可能是因为亚层土壤很难从凋落物中直接获取养分，分解者无法先从环境中固定外源氮，故没有足够的动力进行N 的释放。

表2 不同水分状况下若尔盖湿地土壤4 种酶活性的化学计量学Table 2 Stoichiometry of 4 soil enzymes activities in Zoige Wetland under different moisture condition

图2 不同水分状况下若尔盖湿地土壤4 种酶活性比的单变量线性回归分析Figure 2 Univariate linear regression for 4 soil enzymes activity ratios in Zoige Wetland under different moisture condition

2.4 高寒湿地土壤酶与土壤理化因子的相关性

?

湿地生态系统相关性分析结果见表3。表层土壤酶活性受环境因子的影响较小，PME、BG、CBH 与土壤环境因子及结构均没有明显相关性，NAG 仅与DOC、DOC/DP 呈显著正相关。以酶活性比表示的需求比与环境因子的相关性也较小。土壤酶之间的相关性较高，BG、CBH、NAG 两两显著相关，且均未与PME 显著相关。亚层土壤参与碳循环的酶（BG、CBH）与土壤氮组分密切相关；PME 仅与TN 呈显著正相关，NAG 与土壤环境因素未表现出显著相关关系。土壤养分需求比与环境因子的相关性较大，其中C/N 比与土壤氮组分密切相关，它与土壤诸多理化因子均显著相关，N/P 与C/N 比呈极显著负相关。结果表明， 亚层土壤酶间的相关性比表层土壤高，除PME 与NAG 不呈现显著相关关系外，4 种酶之间均两两显著相关。

3 讨论

3.1 不同水分状况下高寒湿地土壤酶活性变化特征

若尔盖高寒湿地关键土壤酶活性呈现垂直分布的特征。本研究湿地在退化过程中， 表层土壤4种酶活性均有不同程度的增加，而亚层土壤与之相反，这与吴俐莎、陶宝先等随土壤深度增加，土壤酶活性逐渐降低的研究结果一致[19-20]。因此推测湿地退化是通过影响土壤水分梯度而间接影响土壤种酶活性。随着表层土壤水分含量的降低，参加C、N、P 循环的土壤酶增加，C、N、P 循环由亚层向表层转移，这与万钟梅[17]在分析水位对小叶章湿地蔗糖酶活性随水位增加活性不断降低的结论相似。而田幼华等研究表明土壤酶活性会随土壤水分的增加而增加[21]，这可能取决不同地区水分是否为限制因子。土壤酶活性随生态系统改变有不同的变化范围和分布情况，然而土壤酶活性的化学计量学却表现出相似的趋势[22]。磷酸酶（PME）活性在泥炭丘（PH）土壤中最高，在湿地（WT）和干旱化草甸（DG）土壤均显著降低；而纤维素酶BG&CBH 和几丁质酶NAG 的活性在泥炭丘（PH）土壤中最低，在WT 和DG 中显著升高。这表明水流停滞和干旱化程度加剧均不利于土壤矿物质磷的矿化吸收，却有利于土壤碳氮的矿化分解，与Brockett B.F.T.等的研究结果相符[23]。

3.2 高寒湿地土壤酶活性及其指示意义

Moorhead D.L.研究发现以 lnBG：ln（NAG+LAP）和lnBG：lnPME 表示的C/N 和C/P 比呈线性关系，且 C/N 和 C/P 比值超过 1.2 的概率小于 3%[24]。本研究中，C/P 需求比未超过1.2， 而C/N 需求比均大于1.2，甚至3 倍以上，表明若尔盖湿地生态系统土壤氮的可用性较低。因此，正是因为氮素获取过程的复杂性，N 有效性可能成为若尔盖湿地退化过程中最重要的限制性因子。研究还发现湿地限制性养分TN、DN 以及与土壤碳关系密切的TOC 和纤维二糖水解酶（CBH），在湿地退化过程中含量或活性变化均达到显著。TN 对生态系统C、P 循环速率有很大影响[25]。泥炭丘土壤退化（PH→DG）过程中，表层和亚层TN 储量降幅分别为28.17%±12.00%和33.86±5.23%，土壤TN 的90%以上是有机态氮，而DN 是土壤氮素中最活跃的组分。本研究中， 溶解性氮（DN）与湿地生态系统退化（WT→PH→DG）呈显著负相关，泥炭丘土壤（PH）和干旱化草地土壤（DG）的DN 含量显著低于湿地土壤（WT）。同时，研究发现湿地退化过程中DN 显著降低且随土壤深度加深而进一步降低， 原因可能是随着土壤深度增加，DN转变为NO3-的形式，这种硝化现象在酸性土壤中尤为明显[26]。因此，N 有效性限制湿地退化会随着土壤深度增加而进一步加剧。TOC、TN、DN、CBH 可考虑作为湿地退化过程的指示指标。

4 结论

①土壤水分变化对高寒湿地土壤酶活性影响显著。湿地土壤在干旱化过程中（WT→PH→DG），表层土壤4 种关键酶（纤维二糖水解酶（CBH）、β-葡萄糖苷酶（BG）、β-N-乙酰氨基葡萄糖酶（NAG）、磷酸单酯酶（PME））活性均高于亚层土壤。表层土壤中除NAG 活性在湿地土壤达到最高外，CBH、BG、PME 活性均在干旱化草甸土中最高，亚层土壤NAG 活性在干旱化草甸土壤达到最高，其他3 种酶活性在泥炭丘中活性最高，表明随着表层土壤水分含量的降低，参与土壤C、N、P 循环有关土壤酶活性增强。

②高寒湿地（WT）土壤、泥炭丘（PH）土壤和干旱化草甸（DG）土壤表层的 C/N/P 需求比分别为 2∶1∶3、3∶1∶10 和 2∶1∶3；在 PH 和 DG 的亚层土壤中分别为3∶0.7∶10 和 3∶1∶10。因此，土壤中生物可利用氮含量为 PH＜DG＜WT，PH 和 DG 亚层土壤的可利用氮较表层土壤进一步下降，这表明在高寒湿地干旱化过程中，土壤氮有效性的退化成为显著性特征，尤其是在亚层土壤中。