劉 琳，朱 霞，孫 庚，羅 鵬，王 蓓

(1.四川農業(yè)大學動物科技學院，四川 雅安 625014；2.中國科學院成都生物研究所，四川 成都 610041)

土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝的一類重要動力，主要來源于動植物的分泌及其殘體和微生物的分泌[1]。土壤酶參與土壤環(huán)境中生物化學過程，與有機物質分解、營養(yǎng)物質循環(huán)、能量轉移、環(huán)境質量等密切相關[2-4]，并且對環(huán)境條件的變化十分敏感，可作為土壤質量的生物指標[5]。研究土壤酶活性的變化特征，有助于了解生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)速率、方向及土壤質量的現(xiàn)狀和演化。氣溫升高影響植物生長，改變光合作用產物的運輸與分配及進入土壤的物質成分，同時還影響土壤環(huán)境條件，引起土壤物理、化學過程發(fā)生改變[6-8]，從而影響到土壤酶活性。施肥影響草地生物多樣性和土壤生產力[9]，改變物質循環(huán)速率及方向。施肥在一定程度上能增加草地土壤全氮和速效養(yǎng)分含量，提高牧草產量[10]和品質[11]，但是在增溫背景下，施肥對草地生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性的影響還難以預測。

青藏高原東緣的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱，對氣候變化和人為干擾非常敏感[9]。近年來，氣候變化和人類活動不僅直接改變高寒生態(tài)系統(tǒng)的植物生長過程及土壤環(huán)境[10,12-14]，還深刻影響著該生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)，其中土壤酶活性在生態(tài)系統(tǒng)變化中有著極其重要的作用。國內外對增溫和人為干擾的研究比較多，但主要集中于低海拔草地、森林生態(tài)系統(tǒng)植物多樣性及土壤理化性狀的研究[15-17]，而對增溫背景下施肥對青藏高原高寒草甸土壤酶活性影響的研究鮮見報道。本研究通過人工模擬增溫，對不同施肥處理下土壤纖維素酶、過氧化物酶、多酚氧化酶、脲酶和磷酸酶活性變化進行測定，以期為深入研究高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)、土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的內在機理提供依據(jù)，為未來氣候變暖背景下高寒草甸的科學管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1研究區(qū)概況 研究區(qū)位于四川省阿壩州紅原縣，102°22′ E，32°27′ N，海拔3 561 m。土壤主要為高寒草甸土，植被類型屬于典型的高寒草甸。年均溫為1.1 ℃，年均降水量為752.4 mm，80%以上降水主要集中在5-9月。該地區(qū)有著悠久的游牧歷史，20世紀90年代實行草場承包以來，草地使用無機肥比較普遍。研究樣地于2007年8月建成圍欄，圍欄面積2 hm2，開始禁牧。

1.2研究方法

1.2.1試驗設計 本研究采用開頂式氣室法(open-top chambers，OTCs)模擬升溫與施肥雙因子交互設計，即OTCs升溫(2個水平：不增溫、增溫)×施肥(3個水平：不施肥CK、施肥NPK、施可溶性碳Glu)，共6個處理，每個處理設4個重復，共24個樣方。樣方面積均為2 m×2 m，相鄰樣方間距為4 m，樣地總面積為640 m2。OTCs升溫是采用國際凍原計劃(international tundra experiment，ITEX)所使用的被動式增溫法。OTCs由厚8 mm的有機玻璃纖維制成的正方體形開頂式增溫室，底面積為2 m×2 m，高為2 m。2008年11月完成OTCs的安裝和設置，開始對土壤進行增溫，同時設置相同面積的對照，OTCs和對照間隔6 m以上。設置OTCs后至采樣為止，箱內的平均氣溫較對照增加1.2 ℃，日均土壤溫度增加0.25 ℃，日均地表溫度增加0.41 ℃，土壤相對含水量降低5.07%。施肥處理中NPK施用量為：N 6.00 g/m2、P2O52.49 g/m2、 K2O 1.57 g/m2；可溶性碳施用量為14.7 g/m2，施肥在每年5月初的同1天施肥1次，從2008-2009年共施肥2次。

1.2.2樣品采集與測定方法 于2009年8月15日取樣地中土壤樣品，采樣深度均為0 ～ 20 cm土層，每處理小區(qū)隨機取4個點，混合制樣。取得土壤樣品后用裝有冰的泡沫箱帶回實驗室，立即分析土壤酶活性。

土壤纖維素酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定；土壤脲酶采用奈氏比色法測定(37 ℃ 培養(yǎng)24 h)；磷酸酶采用苯磷酸二鈉法測定(37 ℃培養(yǎng)12 h)；多酚氧化酶和過氧化物酶采用比色法測定[18]。

1.3統(tǒng)計分析 ANOVA采用SAS (9.0)軟件，Duncan (SSR)方法分析各處理間平均數(shù)在P=0.05水平的差異顯著性，作圖工具為Sigmaplot(10.0)。在施肥或溫度處理下，進行單因素方差分析比較幾種酶活性各自對不同施肥和溫度處理的反應。采用雙因素方差分析及差異顯著性檢驗，分析增溫和施肥二者的交互作用對幾種酶活性的影響。

2 結果與分析

2.1增溫與施肥對土壤酶活性的影響

2.1.1土壤纖維素酶活性變化 纖維素酶是表征土壤碳素循環(huán)速率的重要指標，在降解有機碳復合物(植物殘茬、人畜糞便等)的過程中發(fā)揮重要作用，其水解產物(糖類)是土壤微生物的主要能量來源[19]。在不施肥處理下，增溫顯著增加了土壤纖維素酶活性(P<0.05)，增加幅度為12.4%；而在施NPK和施可溶性碳處理下，增溫對土壤纖維素酶活性無顯著影響(P>0.05)(圖1)。在不增溫條件下，施NPK和施可溶性碳均顯著降低了土壤纖維素酶活性(P<0.05)，與不施肥處理相比分別降低了21.4%、22.4%；在增溫條件下，施肥沒有引起土壤纖維素酶活性的顯著變化(P>0.05)。

圖1 增溫與施肥對纖維素酶活性的影響

2.1.2土壤多酚氧化酶活性變化 土壤多酚氧化酶是自然界分布極廣的一種氧化還原酶，能將土壤中多元酚氧化為醌，主要參與土壤腐殖化過程，其活性強度與土壤腐殖化程度呈負相關[20]。不同施肥種類下，增溫對土壤多酚氧化酶活性均無顯著影響(P>0.05)(圖2)。在不增溫條件下，土壤多酚氧化酶活性因施肥種類不同差異顯著，與不施肥處理相比，施NPK和施可溶性碳處理均顯著降低了土壤多酚氧化酶活性(P<0.05)，降低幅度分別為33.5%、58.6%；在增溫條件下，與不施肥處理相比，施NPK和施可溶性碳對土壤多酚氧化酶活性無顯著影響(P>0.05)。

2.1.3土壤過氧化物酶活性變化 過氧化物酶能氧化木質素大分子得到簡單的酚類[21]，其活性高低表征土壤腐殖化強度和有機質積累程度。在不施肥處理下，增溫后土壤過氧化物酶活性比對照高9.39%，但是未達顯著水平(P>0.05)；在施NPK和施可溶性碳處理下，增溫后土壤過氧化物酶活性分別增加了54.3%、56.9%，達顯著水平(P<0.05)(圖3)。在不增溫條件下，施NPK與施可溶性碳處理土壤過氧化物酶活性比不施肥處理分別降低了39.8%、39.4%，達顯著水平(P<0.05)；在增溫條件下，與不施肥處理相比，施NPK與施可溶性碳處理土壤過氧化物酶分別降低了13.6%、14.5%，但未達顯著水平(P>0.05)。

圖2 增溫與施肥對多酚氧化酶活性的影響

圖3 增溫與施肥對過氧化物酶活性的影響

2.1.4土壤脲酶活性變化 土壤脲酶能分解有機物質，并通過水解生成氨和二氧化碳，是土壤中氮素轉化的關鍵酶，它的活性可以用來表示土壤氮素狀況[22]。在不同施肥處理下，增溫對土壤脲酶活性的影響各異(圖4)。在不施肥和施NPK處理下，增溫顯著降低了土壤脲酶活性(P<0.05)，降低幅度分別為18.0%、56.6%，而在施可溶性碳處理下，增溫對土壤脲酶活性無顯著影響(P>0.05)。在不增溫與增溫條件下，各施肥處理土壤脲酶活性也有所不同(圖4)。在不增溫條件下，施NPK處理土壤脲酶活性比不施肥處理高78.6%，呈顯著性增加，但施可溶性碳處理土壤脲酶活性比不施肥處理僅高16.2%，未達顯著水平；在增溫條件下，各施肥處理對土壤脲酶活性均無顯著性影響(P>0.05)。

圖4 增溫與施肥對脲酶活性的影響

2.1.5土壤磷酸酶活性變化 磷酸酶能促進土壤中有機磷化合物水解，生成能被植物吸收利用的無機態(tài)磷。一般情況下，土壤磷酸酶活性高低決定土壤有效磷水平。因此，磷酸酶的活性可以影響土壤中有機磷的轉化并且反映土壤受磷元素限制的程度[23]。在不施肥與施NPK處理下，增溫對土壤磷酸酶活性均有顯著影響(P<0.05)，而在施可溶性碳處理下，增溫對土壤磷酸酶活性無顯著影響(P>0.05)(圖5)。在不施肥處理下，增溫顯著增加了土壤磷酸酶活性，增加幅度為29.1%；在施NPK處理下，增溫后土壤磷酸酶活性顯著降低，降低幅度為39.2%。在不增溫與增溫條件下，不同施肥處理對土壤酶活性的影響也不同(圖5)。在不增溫條件下，施NPK使土壤磷酸酶活性比不施肥土壤高36.7%(P<0.05)，而施可溶性碳對土壤磷酸酶活性無顯著影響(P>0.05)；在增溫條件下，與不施肥土壤相比，施NPK土壤磷酸酶活性低35.6%(P<0.05)，而施可溶性碳對土壤磷酸酶活性無顯著影響(P>0.05)。

圖5 增溫與施肥對磷酸酶活性的影響

2.2增溫與施肥的互作效應 增溫對不同土壤酶活性的影響不同，增溫對土壤纖維素酶、過氧化物酶、脲酶和磷酸酶活性的影響達極顯著水平(P<0.01)，而對多酚氧化酶活性的影響不顯著(P>0.05)；施肥對土壤纖維素酶和多酚氧化酶活性的影響顯著(P<0.05)，對過氧化物酶、脲酶和磷酸酶活性的影響達極顯著水平(表1)。同時，增溫與施肥二者的互作對土壤纖維素酶有顯著影響，而對過氧化物酶、脲酶和磷酸酶活性的影響極顯著，但對多酚氧化酶活性無顯著影響。

表1 增溫與施肥對土壤酶活性影響的方差分析

3 討論

有研究[13,24]表明，長期增溫導致植物成熟過程縮短，物候期提前，生物量減少，是青藏高原植被退化的主要原因之一。同時，植物與土壤生物區(qū)系變化必然會引起在土壤生物化學過程中起主導作用的酶活性改變，而土壤酶活性的改變又會影響土壤生物化學過程，進而影響土壤質量，加速或者延緩植被退化。在本研究中，單獨增溫后土壤纖維素酶和磷酸酶活性分別提高了12.4%、29.1%，說明增溫加速了土壤有機物質分解，促進了生態(tài)系統(tǒng)碳磷循環(huán)，這一結論與Beier等[25]對歐洲灌木自然生態(tài)系統(tǒng)進行研究得出的結論相似。Sardans等[22]研究表明，增溫增加了冬季和春季土壤脲酶活性，而對夏季和秋季土壤脲酶活性無影響，他們認為這主要是因為在冬季和春季土壤水分充足，增溫與水分的互作顯著刺激了土壤脲酶活性，而秋季和夏季土壤水分缺乏，導致土壤脲酶活性無顯著變化。Beier等[25]的研究結果也表明，增溫對土壤氮有效性的影響并不顯著，而土壤水分是影響土壤氮素礦化的主要因素。本研究表明，增溫后土壤脲酶活性顯著低于不增溫土壤，這主要是因為本研究采樣時間為秋天，土壤含水量較低，而水分是限制土壤脲酶活性的主要因子[26]，同時增溫后土壤含水量顯著低于不增溫土壤，從而使得增溫條件下土壤脲酶活性顯著低于不增溫。

施肥通過改變土壤基質的可利用性或微生物群落結構來影響土壤酶活性。Deforest等[27]在北美密歇根地區(qū)以4種硬木林為對象研究發(fā)現(xiàn)，土壤氮含量增加明顯抑制了纖維素降解。Keeler等[17]認為，長期施肥降低了氮限制生態(tài)系統(tǒng)土壤木質素分解酶活性，但增加了土壤磷酸酶活性。Saiya-Cork等[28]在溫帶森林中研究表明，施氮顯著刺激了土壤脲酶和磷酸酶活性，卻抑制了土壤多酚氧化酶活性，從而降低了土壤有機物質的分解速度，提高了土壤腐殖化程度。在本研究中，單獨施NPK或可溶性碳后，脲酶和磷酸酶活性卻有所上升，說明在高寒草甸土壤中施肥能刺激土壤脲酶和磷酸酶活性，增加土壤中可利用的有效態(tài)氮和磷的含量；而與此同時，土壤纖維素酶、多酚氧化酶及過氧化物酶活性均比對照有所下降，降低了植物凋落物和土壤有機物質分解速度。增溫下，不同的施肥處理卻沒有導致土壤纖維素酶、多酚氧化酶和過氧化物酶活性的顯著差異，而施可溶性碳使脲酶活性顯著升高，施NPK使磷酸酶活性顯著降低。這說明，在未來氣候變暖背景下，在青藏高原的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中，施肥可能對土壤中氮磷的轉化影響明顯，而對土壤有機質的形成和分解可能不會產生顯著作用。

有研究[7]表明，增溫與放牧雙因素的互作對生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)無顯著影響，但施肥與采樣地點對土壤酶活性存在顯著的互作效應[29]。本研究結果指出，增溫與施肥對高寒草甸多種土壤酶的活性存在顯著的互作效應，但對多酚氧化酶的活性卻無顯著影響。這說明，相對于其他4種土壤酶，多酚氧化酶對模擬試驗導致的溫度增加不敏感，未來較小幅度的升溫變暖不會引起土壤中有機質形成的減緩或者加快。

4 結論

在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中，不施肥時，增溫促進碳磷循環(huán)，但同時會減緩氮循環(huán)。

在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中，不增溫時，施NPK顯著促進氮磷循環(huán)；而增溫下，施可溶性碳可促進氮循環(huán)，而施NPK則導致磷循環(huán)減緩。

在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中，增溫與施肥對土壤纖維素酶、過氧化物酶、磷酸酶和脲酶活性均存在顯著的互作效應。在未來氣候變暖的背景下，施肥對土壤生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)的影響可能減弱。今后，應進一步研究各種肥料的配比及用量，才能為科學合理地管理青藏高原高寒草甸提供理論指導。

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