胡四維，龍瑞雨，任萬(wàn)紅，何小清，楊占彪，楊 剛，鮮駿仁*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都 611130；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，成都 611130；3.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010）

長(zhǎng)期升溫對(duì)川西北樹(shù)線(xiàn)交錯(cuò)帶土壤酶活性的影響

胡四維1，龍瑞雨1，任萬(wàn)紅1，何小清2，楊占彪1，楊 剛3，鮮駿仁1*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都 611130；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，成都 611130；3.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010）

【目的】了解長(zhǎng)期升溫對(duì)高寒地帶土壤酶活性的影響?！痉椒ā坎捎瞄_(kāi)頂式生長(zhǎng)室在川西北樹(shù)線(xiàn)交錯(cuò)帶進(jìn)行原位模擬增溫，研究長(zhǎng)期升溫對(duì)5種土壤酶（淀粉酶、蛋白酶、酸性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶）活性的影響。【結(jié)果】長(zhǎng)期升溫極顯著增加樹(shù)線(xiàn)交錯(cuò)帶的酸性磷酸酶活性（P＜0.001），對(duì)其他幾個(gè)酶的影響較小，但能促使土壤酶活性趨于穩(wěn)定；在0～10 cm土壤中，長(zhǎng)期升溫顯著降淀粉酶活性（P＜0.005）、極顯著降低蛋白酶和脲酶的活性（P＜0.001）、極顯著增加蔗糖酶和酸性磷酸酶的活性（P＜0.001）；長(zhǎng)期升溫對(duì)10～20 cm土壤酶活性的影響則基本相反。【結(jié)論】長(zhǎng)期升溫對(duì)樹(shù)線(xiàn)交錯(cuò)帶土壤酶活性的有明顯影響，這種影響與酶的種類(lèi)和土壤深度有關(guān)。

長(zhǎng)期升溫；土壤酶活性；川西北樹(shù)線(xiàn)交錯(cuò)帶

土壤酶是土壤物質(zhì)循環(huán)等生化過(guò)程的重要參與者[1]，在森林生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程中扮演著重要的角色[2]，主要來(lái)源于土壤微生物的活動(dòng)、植物根系分泌物和動(dòng)植物殘?bào)w腐解過(guò)程[3]。一般地，土壤酶活性隨著土層深度的增加而降低[4]，常受地理區(qū)位/氣候帶[5]、生長(zhǎng)季節(jié)[4]、群落類(lèi)型[7]、土壤養(yǎng)分條件（特別是有機(jī)質(zhì)含量）[4]、土壤含水量[8]、凋落物的種類(lèi)和分解程度[8-9]等的影響。此外，不同的管理措施也會(huì)影響土壤酶活性[4]。

近幾十年，人類(lèi)活動(dòng)加劇導(dǎo)致的全球變暖對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了深刻的影響，在高海拔和高緯度地區(qū)尤其明顯[10]。這種劇烈的升溫將會(huì)對(duì)高寒地段土壤酶活性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。高海拔地區(qū)土壤酶活性的研究已陸續(xù)展開(kāi)，如長(zhǎng)白山高海拔地方土壤有機(jī)碳水解酶活性的溫度敏感性比低海拔的高[11]。冬季積雪通過(guò)改變土壤溫度和土壤含水量極顯著地影響青藏高原東緣卡卡山暗針葉林的土壤酶活性，且與土壤酶的種類(lèi)有關(guān)，而積雪周期沒(méi)有顯著影響[12]。若爾蓋花湖濕地土壤酶活性則與地形、植被退化狀況有關(guān)[13]。

青藏高原已經(jīng)并即將經(jīng)歷比國(guó)內(nèi)其他地區(qū)更嚴(yán)重的升溫影響[14]，由此將會(huì)對(duì)該區(qū)域的土壤生態(tài)過(guò)程產(chǎn)生更深遠(yuǎn)影響。如模擬升溫能極顯著增加貢嘎山地區(qū)暗針葉林的土壤酶活性（增幅在15%以上），但這種促進(jìn)作用因酶的種類(lèi)而異，且隨土層深度的增加而減弱[8]。而全球變暖對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響表現(xiàn)出明顯的地理位置、群落類(lèi)型和地形差異。因此，本研究采用2005年設(shè)置于川西北樹(shù)線(xiàn)交錯(cuò)帶的開(kāi)頂式生長(zhǎng)室（open-top chamber，OTC）進(jìn)行原位模擬增溫，研究長(zhǎng)期升溫對(duì)土壤水解酶（脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、淀粉酶和酸性磷酸酶）活性的影響，為揭示全球變化敏感區(qū)物質(zhì)循環(huán)的機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川王朗國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。地理位置為 E 103°55′～104°10′，N 32°49′～33°2′之間，地處高山峽谷區(qū)，海拔2300～4980 m，相對(duì)高差2500 m，平均海拔3200 m。本區(qū)屬于丹巴～松潘半濕潤(rùn)氣候，受季風(fēng)影響，形成干濕季節(jié)差異。干季（11月—翌年4月），具有日照強(qiáng)、降水少、氣候寒冷、空氣干燥的特點(diǎn)。濕季（5—10月），具有降雨集中、多云霧、日照少的特點(diǎn)。年均氣溫2.5～2.9℃，極端低溫-17.8℃，極端高溫26.2℃，≥10℃的積溫1056.5℃，年降水量859.5 mm，降雨日數(shù)195 d。該區(qū)土壤以暗棕壤、棕壤和山地草甸土為主，森林類(lèi)型主要包括原始冷云杉針葉林、針闊混交林、樺木林以及人工針葉林等[1]。主要植被類(lèi)型為以岷江冷杉、紫果云杉（Picea purpurea）、青桿（Picea wilsanii）和粗枝云杉（Picea asperata）組成的亞高山暗針葉林、亞高山草甸灌和次生林。區(qū)內(nèi)無(wú)居民，人為干擾少，保持著完整的生態(tài)系統(tǒng)原始性、多樣性和稀有性。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置

研究樣地設(shè)在王朗國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)大窩凼外側(cè)坡林線(xiàn)交錯(cuò)帶（32°59′N(xiāo) 104°01′E，3240 m a.s.l），采用OTC擬增溫法，以川西亞高山樹(shù)線(xiàn)交錯(cuò)帶的復(fù)合群落土壤為研究對(duì)象。2005年9月，建立4個(gè)底面積為1.5 m×1.5 m，高2.6 m，頂部開(kāi)口面積1.2 m×1.2 m的OTC。同時(shí)，在OTC附近設(shè)立4個(gè)對(duì)照小樣方，其底面積由同樣為1.5 m×1.5 m。每個(gè)OTC間的距離至少為5 m。OTC和對(duì)照樣方中的植物均為原生植物。樣地和OTC的詳細(xì)描述及增溫（生長(zhǎng)季節(jié)平均增溫2.75℃）見(jiàn)Xu Z.等[15]的描述。

1.2.2 樣品采集

2015年8月，在每個(gè)樣方內(nèi)，采用土鉆將OTC和對(duì)照的土壤按“S”（4個(gè)角離OTC各30 cm和中心）分層（0～10 cm、10～20 cm）進(jìn)行采樣。將各層樣品混合后取混合樣約3 kg，手工撿去石頭和根系，置于野外采樣箱中迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。一部分于常溫陰涼處風(fēng)干，過(guò)篩待測(cè)；另一部分置于低溫冰箱中，用于測(cè)定與微生物相關(guān)的指標(biāo)。采用以下常規(guī)方法測(cè)定各種土壤酶[3]：淀粉酶-3,5-二硝基水楊酸比色法、蛋白酶-茚三酮比色法、酸性磷酸酶-磷酸苯二鈉比色法、脲酶-靛酚藍(lán)比色法、蔗糖酶-磷酸銅比色法。每個(gè)測(cè)定重復(fù)3次（n=3）。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。升溫對(duì)各種酶的影響采用單因素顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05），升溫和土壤層次對(duì)各種酶的交互作用采用雙因素顯著性分析檢驗(yàn)。所有檢驗(yàn)均在SPSS 20.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹(shù)線(xiàn)交錯(cuò)帶土壤酶活性特征

升溫略增加淀粉酶活性（F（1，10）=0.049，P=0.830），極顯著增加酸性磷酸酶活性（F（1，10）=18.691，P=0.002），略降低脲酶（F（1，10）=0.040，P=0.846）、蛋白酶（F（1，10）=0.329，P=0.579）和蔗糖酶（F（1，10）=0.048，P=0.830）的活性。由表1可知，土壤酶的變異系數(shù)因酶的種類(lèi)而變化較大；與對(duì)照相比，長(zhǎng)期升溫條件下土壤酶的變異系數(shù)更大。

表1 樹(shù)線(xiàn)交錯(cuò)帶土壤酶的描述性統(tǒng)計(jì)量Table1 Descriptive statistics of soil enzymes in treeline ecotone

2.2 升溫對(duì)酶活性的影響

由圖1可知，無(wú)論升溫還是對(duì)照樣方中，土壤深度對(duì)土壤酶活性均有極顯著影響。在升溫處理中，表層土壤中（0～10 cm）僅蔗糖酶極顯著低于下層（10～20 cm），其余4種酶均為上層極顯著高于下層。對(duì)照樣方中則相反，表層土壤中（0～10 cm）中僅蔗糖酶極顯著高于下層（10～20 cm），其余4種酶均為上層極顯著低于下層。

圖1 長(zhǎng)期升溫對(duì)土壤酶活性的影響（平均值±S.E.）Figure1 Effects of long-term simulated warming on soil enzyme activities(Mean±S.E.)

由圖1可知，在上層土壤中，升溫顯著降低了淀粉酶活性（F（1，4）=12.150，P=0.025），極顯著降低蛋白酶（F（1，4）=48，P=0.002）和脲酶（F（1，4）=36.1，P=0.004）的活性；極顯著增加了蔗糖酶（F（1，4）=70.258，P=0.001）和酸性磷酸酶（F（1，4）=414.857，P＜0.001）的活性。在下層土壤中，升溫顯著增加蛋白酶（F（1，4）=10.000，P=0.034）和脲酶（F（1，4）=9.383，P=0.038）的活性；極顯著增加了淀粉酶活性（F（1，4）=48.214，P=0.002）；極顯著降低了蔗糖酶（F（1，4）=101.250，P=0.001）和酸性磷酸酶（F（1，4）=457.780，P＜0.001）活性。

雙因素顯著性分析表明（表2），長(zhǎng)期升溫僅酸性磷酸酶的活性有極顯著影響，而對(duì)其他4種酶沒(méi)有顯著影響。土壤深度則對(duì)所涉及的5種酶均有極顯著影響。長(zhǎng)期升溫和土壤深度的交互效應(yīng)僅酸性磷酸酶的活性無(wú)顯著影響，而對(duì)其他4種酶都有極顯著影響。

3 討論與結(jié)論

3.1 樹(shù)線(xiàn)交錯(cuò)區(qū)的土壤酶含量

本研究中，土壤酶含量最小的是蛋白酶，最大的是蔗糖酶；其含量因酶的種類(lèi)和土壤深度而有較大變化。與前人的研究相比，本研究中土壤酶含量受酶的種類(lèi)影響較大。其原因可能是本研究設(shè)置在樹(shù)線(xiàn)交錯(cuò)帶的灌木林地、采樣時(shí)間在生長(zhǎng)季節(jié)；而其他研究多是設(shè)在森林[5，7，8，11]、草地[6，13]和低山丘陵區(qū)[4]，采樣時(shí)間為非生長(zhǎng)季節(jié)[12]等因素有關(guān)。對(duì)土壤酶活性含量的研究已有很多，而少有研究涉及酶活性的變化幅度，更多的是集中于影響土壤酶的因素，比如養(yǎng)分含量等[7]。本研究對(duì)照中土壤酶活性的變化幅度較大，除蛋白酶外，其余的土壤酶活性變化幅度都在6%以上；長(zhǎng)期升溫在改變土壤酶活性的同時(shí)，使酶活性的變化幅度更小、更趨于穩(wěn)定。

表2 升溫和土壤深度對(duì)土壤酶影響的雙因素顯著性分析Table2 Results(P-value)of two-way factorial ANOVA on the effects of temperature and soil depth on soil enzymes

3.2 升溫對(duì)土壤酶活性的影響

本實(shí)驗(yàn)表明，長(zhǎng)期升溫對(duì)樹(shù)線(xiàn)交錯(cuò)帶土壤酶的活性有顯著或極顯著影響。這與陳曉麗等[8]2015年在貢嘎山地區(qū)暗針葉林的升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致；不同的是本研究中，土壤酶的活性有升高、有降低，且增加/降低幅度不大；而后者實(shí)驗(yàn)中所有的酶都是增加，且增加幅度均在15%以上[8]。其原因可能有三：一是升溫幅度不一樣，本實(shí)驗(yàn)采用OTC升溫，生長(zhǎng)季節(jié)的空氣和土壤（5 cm處）溫度增加為2.95和0.5℃，由此導(dǎo)致土壤水分比對(duì)照少2.4%[15]；而后者采用OTC配合地?zé)嵯到y(tǒng)升溫（OTC的升溫是全年進(jìn)行；地加熱增溫一般是生長(zhǎng)季節(jié)進(jìn)行），地表的土壤和空氣溫度分別上升2.84和1.83℃，由此導(dǎo)致地表的空氣濕度和表層土壤含水量降低5.27%和1.55%[8]。其二可能是本研究中主要涉及的是水解酶類(lèi)，如與碳有關(guān)的蔗糖酶和淀粉酶，與氮有關(guān)的蛋白酶和脲酶，以及與磷有關(guān)的酸性磷酸酶；而后者的實(shí)驗(yàn)僅涉及氧化氫酶、多酚氧化酶和脲酶[8]。其三可能與群落類(lèi)型和實(shí)驗(yàn)時(shí)間有關(guān)，本研究中凋落物主要是樹(shù)線(xiàn)交錯(cuò)帶灌木的闊葉落葉，升溫時(shí)間達(dá)10 a；而后者的研究設(shè)置在貢嘎山地區(qū)暗針葉林中，凋落物以針葉為主，且實(shí)驗(yàn)時(shí)間僅有4 a；不同種類(lèi)的凋落物在分解過(guò)程中必然會(huì)影響土壤酶的活性[9]。

本研究中，長(zhǎng)期升溫對(duì)土壤酶活性的影響與土壤深度密切相關(guān)。在表層土壤中，長(zhǎng)期升溫極顯著降低了與氮分解有關(guān)的蛋白酶和脲酶的活性，極顯著增加了與磷釋放相關(guān)的酸性磷酸酶活性，而對(duì)與碳釋放有關(guān)的酶則因酶的種類(lèi)而異。而深層土壤中的表現(xiàn)則基本相反，即長(zhǎng)期升溫極顯著地增加了蛋白酶和脲酶的活性、降低了酸性磷酸酶活性。這與前人的研究不完全一致，已有多數(shù)研究都表明，土壤酶基本隨著升溫而增加[8，16]，其原因可能是這些研究多數(shù)只涉及表層土壤，且升溫較短（多為2～4 a）。本研究中，長(zhǎng)期升溫導(dǎo)致下層土壤中部分酶活性增加，可能與升溫導(dǎo)致環(huán)境中土壤水分含量降低而產(chǎn)生的輕微缺水（但沒(méi)達(dá)到干旱的標(biāo)準(zhǔn)）有關(guān)[8，15]，植物在缺水條件下傾向于將更多的物質(zhì)分配到深層土壤的根系中[17]、形成更多的根系，這些根系活動(dòng)將促進(jìn)土壤酶活性的增加[18]。此外，長(zhǎng)期升溫還可能改變了土壤酶催化的底物（如土壤有機(jī)碳不同組分[19]）在土壤中的儲(chǔ)存，長(zhǎng)期升溫也可能導(dǎo)致不同深度土壤中微生物類(lèi)群發(fā)生改變[20]，進(jìn)而導(dǎo)致土壤酶活性的變化不一致。

綜上，長(zhǎng)期升溫能顯著地改變（增加或降低）川西北樹(shù)線(xiàn)交錯(cuò)帶土壤水解酶的活性，且這種影響與土壤酶的種類(lèi)和土壤深度有關(guān)。盡管本文對(duì)長(zhǎng)期對(duì)土壤水解酶的影響進(jìn)行了一些探討，但全面地理解長(zhǎng)期升溫與土壤酶活性之間的反饋機(jī)理尚需要更進(jìn)一步的系統(tǒng)研究。

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Effects of Long-Term Warming on Soil Enzyme Activities in a Treeline Ecotone of Northwestern Sichuan

HUSi-wei1，LONGRui-yu1，RENWan-hong1，HEXiao-qing2，YANGZhan-biao1，YANGGang3，XIANJun-ren1*
（1.School of Environmental Sciences，Sichuan Agricultural University，Wenjiang 611130，Sichuan，China；2.School of Horticulture，Sichuan Agricultural University，Wenjiang 611130，Sichuan，China；3.School of Life Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China）

【Objective】The aim of the study was to explore the effects of long-term warming on the activities of soil enzymes in cold regions.【Method】Effects of long-term warming on soil enzymes(amylase，protease，acidic phosphatase，urease and invertase)were examined using an in situ open-top chamber(OTC)technique in a treeline ecotone of northwestern Sichuan.【Results】Long-term warming significantly stimulated the activity of acidic phosphatase(P＜0.001)but had slight effects on the activities of the other soil enzymes.The variation of soil enzymes in the OTCs was relatively small compared to the control soil.In the 0～10 cm soil layer)，long-term warming significantly decreased the activities of amylase(P＜0.05)，protease(P＜0.001)and urease(P＜0.001)but increased the activities of acidic phosphatase(P＜0.001)and invertase(P＜0.001).Conversely，warming-induced changes in soil enzymes had opposite trend in the 10～20cmsoillayer.【Conclusion】Long-termwarmingexertedsignificantimpactsontheactivitiesofsoil enzymes but such effects were dependent on enzyme species and soil layer.

long-term warming；soil enzyme；treeline ecotone of northwestern Sichuan

S759.9；Q939.96；S151.9+5

A

1000-2650（2017）04-0504-05

10.16036/j.issn.1000-2650.2017.04.007

2017-07-22

國(guó)家自然科學(xué)基金（41671244）；四川農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201610626047）。

胡四維，本科生。*責(zé)任作者：鮮駿仁，副教授，博士，主要從事森林生態(tài)學(xué)和全球變化生態(tài)學(xué)研究，E-mail：xianjr@126.com。

（本文審稿：龐學(xué)勇；責(zé)任編輯：鞏艷紅；英文編輯：徐振鋒）