王 毅，劉碧穎，劉 苗，孫 建，曾 濤

（1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101）

若爾蓋地區(qū)地處青藏高原的東部邊緣，包括四川省的若爾蓋縣、紅原縣、阿壩縣和甘肅省的瑪曲縣，是長江、黃河流域重要的水源涵養(yǎng)調(diào)節(jié)地及我國生物多樣性保護的熱點區(qū)域之一[1-4]。近年來，在不合理人類活動和自然因素的共同作用下，若爾蓋地區(qū)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，出現(xiàn)了不同程度的沙化現(xiàn)象[5]。草地沙化的加劇和草地面積的減少影響了其重要的生態(tài)調(diào)節(jié)功能，降低了草地生產(chǎn)力，阻礙了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展[6]。

土壤是植物、微生物和土壤動物等生命活動的主要場所，其質(zhì)量的好壞對構(gòu)建穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)具有重要的作用[7-8]。土壤理化性質(zhì)直接或間接關(guān)系到植物根系吸收礦質(zhì)營養(yǎng)成分，對植物生長產(chǎn)生重要影響[9-10]，且一直以來都是土壤、環(huán)境和生態(tài)科學(xué)領(lǐng)域所關(guān)注的焦點和熱點[11-13]。土壤酶是土壤系統(tǒng)中最活躍的組分之一，通過土壤微生物及植物根系的釋放進入土壤，參與土壤重要生物化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)循環(huán)過程[14-16]。

高寒草甸地下部分已成為影響草地生態(tài)系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)、功能和規(guī)律中最不確定的因素[17-18]。針對沙化草地土壤理化性質(zhì)和酶活性的研究發(fā)現(xiàn)，隨著退化程度的加劇，多種土壤理化性質(zhì)和酶活性均值表現(xiàn)為遞減[19]，而且在一定的環(huán)境下，碳、氮營養(yǎng)元素的添加，會增加土壤酶的活性[20-22]；土壤胞外酶之間存在顯著相關(guān)性[9]，可以比土壤特性提前1～2年對環(huán)境脅迫做出響應(yīng)[18]。但是，這些研究多為不同區(qū)域位置下的沙化階段對比研究，不能很好地反映相關(guān)因子動態(tài)變化特征。因此，本研究在同一草地進行9個沙化梯度的區(qū)分，以期更加準(zhǔn)確地反映土壤理化性質(zhì)和酶活性動態(tài)過程。而且，一些研究指出，土壤酶活性與土壤肥力、土壤微生物和植物群落間存在相互協(xié)同、相互促進的現(xiàn)象[23-24]；土壤酶活性間、土壤酶活性與土壤因子間的相互作用機制共同影響土壤物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程[25]。基于以上提出假設(shè)：不同的沙化梯度草地土壤酶之間可能存在協(xié)同或抑制效應(yīng)，并對草地沙化做出響應(yīng)。本研究分析若爾蓋地區(qū)沙化草地土壤理化性質(zhì)和酶活性，以期能為探索不同區(qū)域草地沙化土壤酶活性機理和草地生態(tài)系統(tǒng)保護提供科學(xué)依據(jù)和重要的參考價值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于青藏高原東部的若爾蓋地區(qū)，四川省阿壩州紅原縣瓦切鄉(xiāng) (圖1)，地理坐標(biāo)為102°37′40″ E，33°07′35″ N，平均海拔在 3 600 m以上。年平均氣溫1.1 ℃，極端最低氣溫-36.2 ℃；年降水量為753 mm，主要集中在5-10月。氣候類型屬于大陸性高原寒溫帶季風(fēng)氣候，年均日照時數(shù) 2 400 h，年均積雪 90 d 左右，無絕對無霜期。土壤類型以亞高山草甸土為主，有部分沼澤土及沼澤化草甸土。近年來，該地區(qū)草地沙化面積大幅度擴大，沙化程度不斷加劇，正沿著“草甸-退化草甸-沙化草地-沙化”這條生態(tài)惡化的道路越演越烈。植物群落中主要優(yōu)勢物種有紫羊茅(Festuca rubra)、老芒麥 (Elymus sibiricus)、四川嵩草 (Kobresia setchwanensis)、垂穗披堿草 (E.nutans)、早熟禾 (Poa annua) 等。

圖1 研究區(qū)位置及采樣示意圖Figure 1 Location of the study area and sampling transect

1.2 樣地設(shè)置

2017年8 月，在樣地內(nèi)，以植被覆蓋度為沙化梯度劃分標(biāo)準(zhǔn)，分9個沙化梯度(S1～S9)進行取樣，其中S1沙化最輕，植被覆蓋度為80%～100%，從S1至S9，每個梯度植被覆蓋度減少10%，直至S9沙化最嚴(yán)重(0～10%)(圖1b )，每個沙化梯度隨機選取 3 組 50 cm × 50 cm 小樣方，共計 27 個樣方。分種調(diào)查植物的高度、蓋度和豐富度；現(xiàn)場使用pH測定儀測定土壤溫度、含水量和pH，使用土壤緊實度儀測定緊實度，以上測定均取3次重復(fù)。用直徑4 cm的土鉆在各個小樣方內(nèi)采集3鉆土壤樣品，每鉆采集0-10、10-20和20-30 cm的土層，用于測定土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性等，其中土壤理化性質(zhì)測定3層土樣，土壤酶活性僅測定0-10 cm土樣。用200 cm3的環(huán)刀在小樣方內(nèi)分3次采集土壤樣品，每次分別采集0-10、10-20和20-30 cm的土層，用于測定土壤容重。以上樣品采集后，均嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)處理方式保存并帶回實驗室進行測定。

1.3 測定指標(biāo)與方法

土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤理化性質(zhì)測定了有機碳、全碳、速效氮、全氮、速效磷和全磷6項指標(biāo)，分別采用重鉻酸鉀氧化法、高溫灼燒法、堿解蒸餾法、凱氏蒸餾法、磷鉬藍(lán)比色法和硫酸-高氯酸消煮法[26]測定。8種土壤酶活性均采用微量法對樣本進行預(yù)處理，使用的儀器為可見分光光度計/酶標(biāo)儀 (Thermo, Multiskan Go 1510)[27]。亮氨酸氨基肽酶 (soil-leucine aminopeptidase, S-LAP)活性測定采用L-亮氨酸對硝基苯胺鹽酸鹽法；脲酶(soil-urease, S-UE)的性測定采用靛酚藍(lán)比色法；堿 性 磷 酸 酶 (soil alkaline phosphatase, S-ALP)活性測定采用磷酸苯二鈉法；木質(zhì)素過氧化物酶(soil lignin peroxidase, S-Lip)活性測定采用黎蘆醇氧化速率法；多酚氧化酶 (soil-Polyphenol oxidase,S-PPO)和過氧化物酶 (soil-peroxidase, S-POD)活性測定采用采用鄰苯三酚比色法；β-葡萄糖苷酶(soil-β-glucosidase, S-β-GC)和 N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶 (soil-N-acetyl-β-D-glucosidase, S-NAG)活 性 測 定采用可見分光廣度法。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和比較。采用SPSS (IBM SPSS Statistics 24) 對數(shù)據(jù)進行分析，其中，對土壤理化性質(zhì)和酶活性進行Pearson相關(guān)性分析，對不同沙化梯度下土壤酶活性的差異顯著性采用One-Way ANOVA分析。采用ArcGIS(ESR 10.2)繪制研究區(qū)示意圖，采用SigmaPlot (14.0)進行動態(tài)圖和相關(guān)性圖的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤酶活性動態(tài)特征

在不同沙化梯度下，土壤亮氨酸氨基肽酶活 性 [(15.8～ 33.4 μmol·(d·g)-1]、 多 酚 氧 化 酶 活性[(36.8～40.9 μmol·(d·g)-1]和過氧化物酶活性 [56.7～73.1 μmol·(d·g)-1]在一定的范圍內(nèi)波動 ，沒有表現(xiàn)出明顯變化趨勢(圖2a、e、f)。土壤堿性磷酸酶活性在S1～S7隨沙化梯度的增加而增加，變化范圍為 2.4～8.8 μmol·(d·g)-1，在 S8降低至 7.5 μmol·(d·g)-1(圖2c)。土壤脲酶活性在S1～S7的變化不明顯，變化范圍為 675～774 μmol·(d·g)-1，在 S8呈降低趨勢，為 567 μmol·(d·g)-1(圖 2b)。土壤木質(zhì)素過氧化物酶活性除在 S6和 S7[2 960 μmol·(d·g)-1]異常外，隨沙化梯度的增加而遞減，變化范圍為5 505～1 355 μmol·(d·g)-1(圖 2d)； 土 壤 β-葡 萄 糖 苷酶[(92.3～14.4 μmol·(d·g)-1]和 N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性 [(39.4～15.9 μmol·(d·g)-1]隨著隨沙化梯度的增加而遞減，且土壤β-葡萄糖苷酶在S1和S4以及S1和 S9呈顯著差異 (P＜0.05)(圖 2g和 h)。

圖2 不同沙化梯度草地土壤酶活性變化Figure 2 Changes of soil enzymes along a desertification gradient

2.2 土壤理化性質(zhì)動態(tài)特征

總體而言，除極少數(shù)梯度出現(xiàn)異常外，在土壤各層，其含水量、緊實度、有機碳、全碳、速效氮、全氮、速效磷和全磷都隨著沙化梯度的增加而遞減。以表層土壤(0 -10 cm)為例，土壤含水量20.7%～5.3%、緊實度 47.3～17.6 Pa、有機碳 22.7～3.4 g·kg-1、全碳 2.4%～0.3%、速效氮 414.2～39.7 mg·kg-1、全氮 0.24%～0.05%、速效磷 16.0～7.7 mg·kg-1和全磷0.5～0.4 g·kg-1(圖 3a、c、f、g、h、i、j和 k)。其中，在S1～S6，0-10 cm土層含水量明顯高于其他土層，在S7～S9各層土壤含水量差別變小(圖3a)；S2土壤緊實度高于其他梯度，隨后逐漸遞減，0-10 cm土層土壤緊實度明顯高于其他土層，除S1外，其他各梯度均表現(xiàn)為20-30 cm土層緊實度高于10-20 cm土層(圖3c)；除S3出現(xiàn)異常外，土壤有機碳、全碳、速效氮、全氮、速效磷和全磷表現(xiàn)的特點為0-10 cm土層明顯高于其他兩層，且10-20和20-30 cm 土層間無明顯差異 (圖 3f、g、h、i、j和 k)。土壤溫度隨沙化梯度的變化并不明顯，只是在一定的范圍內(nèi)波動(如表層土壤溫度為19.9～22.1 ℃)，但是各土層溫度差異明顯(圖3b)；除S6和S9異常外，在土壤容重隨著沙化梯度的增加而增加(如表層土壤容重為1.1～1.4 g·cm-3)，且容重大小表現(xiàn)為0-10 cm低于另外兩層(圖3d)；除S7土壤pH呈現(xiàn)數(shù)值偏低的異常外，pH隨著沙化梯度的增加而增加(如表層土壤pH為4.9～6.9)，且pH在各土層之間的區(qū)別不明顯(圖3e)。

2.3 土壤理化性質(zhì)和酶關(guān)系

總體而言，在不同沙化梯度下，土壤理化性質(zhì)與脲酶、堿性磷酸酶、木質(zhì)素過氧化物酶、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶具有一定的相關(guān)性，與其他3種酶不相關(guān)(表1)。土壤含水量與堿性磷酸酶極顯著負(fù)相關(guān) (P＜0.01)，與木質(zhì)素酶、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶極顯著正相關(guān) (P＜0.01)；土壤容重與堿性磷酸酶極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與木質(zhì)素酶和β-葡萄糖苷酶極顯著負(fù)相關(guān) (P＜0.01)，與 N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)；土壤pH與堿性磷酸酶極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與木質(zhì)素酶、β-葡萄糖苷酶和 N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶均極顯著負(fù)相關(guān) (P＜0.01)。土壤6種營養(yǎng)元素與木質(zhì)素過氧化物酶和β-葡萄糖苷酶相關(guān)性一致，均極顯著正相關(guān) (P＜0.01)，除速效磷外，其他5種營養(yǎng)元素與酶的相關(guān)性較強；除土壤速效氮和速效磷外，其他4種營養(yǎng)元素均與脲酶顯著正相關(guān)(P＜0.05)；土壤速效磷和全磷與堿性磷酸酶無相關(guān)性。

2.4 土壤酶之間關(guān)系

土壤堿性磷酸酶與木質(zhì)素過氧化物酶(R2=0.27，P＜0.01)和 β-葡萄糖苷酶 (R2=0.17，P＜0.05)均呈顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系 (圖4a和b)。土壤木質(zhì)素過氧化物酶與β-葡萄糖苷酶(R2=0.59，P＜0.01)和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶(R2=0.26，P＜0.01)均呈顯著線性正相關(guān)(圖 4c和 d)。

3 討論

3.1 不同沙化梯度草地對土壤酶活性影響

土壤酶是土壤系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與能量轉(zhuǎn)換的參與者，被認(rèn)為是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[17-18, 28-29]。土壤亮氨酸氨基肽酶可以水解蛋白質(zhì)，可以從肽鏈的末端水解形成氨基酸和其他疏水氨基酸[30]；多酚氧化酶、木質(zhì)素過氧化物酶和過氧化物酶均為氧化還原酶，它們參與芳香族化合物的氧化以及木質(zhì)素的分解，對土壤碳積累有重要影響[31]；土壤堿性磷酸酶促進有機磷化合物的分解，可將磷酸酯類水解成磷酸及其他產(chǎn)物[31]；土壤脲酶直接參與土壤含氮有機化合物的轉(zhuǎn)化，分解尿素生成CO2和水；β-葡萄糖苷酶與有機碳的轉(zhuǎn)化有關(guān)，水解纖維二糖和其他水溶性的纖維糊精產(chǎn)生形成葡萄糖；N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶與有機碳和氮的轉(zhuǎn)化密切相關(guān)[32]。楊英等[29]和尹亞麗等[17]針對不同草地類型研究發(fā)現(xiàn)，土壤亮氨酸氨基肽酶、多酚氧化酶和過氧化物酶活性對不同退化階段的草地有一定的響應(yīng)，而本研究中這3種酶無明顯特征(圖2a、e和f)，出現(xiàn)這樣截然相反的結(jié)果，可能是因為本研究取樣為同一草地環(huán)境，其土壤性質(zhì)差異不大。西藏不同退化階段高寒草地研究發(fā)現(xiàn)，土壤堿性磷酸酶活性呈現(xiàn)先增加后降低的特點[23]，其結(jié)果與本研究一致(圖2c)。脲酶在土壤氮素循環(huán)中具有重要的水解作用，本研究中，土壤脲酶活性隨沙化梯度的增加而降低，特別在S7～S9梯度明顯 (圖2b)，表現(xiàn)出隨土壤環(huán)境變化的高度敏感性[33-34]。此外，土壤β-葡萄糖苷酶和土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性隨著隨沙化梯度的增加而遞減，且β-葡萄糖苷酶對沙化梯度的響應(yīng)更加明顯(圖2g和h)，這一結(jié)果與吳秀芝等[9]的研究一致。

圖3 不同沙化梯度草地土壤理化性質(zhì)變化Figure 3 Changes of soil physical and chemical properties along a desertification gradient

表1 不同沙化梯度草地土 壤理化性質(zhì)和酶相關(guān)性Table 1 Correlation among soil physical and chemical properties and enzymes along a desertification gradient

圖4 土壤酶活性之間的關(guān)系Figure 4 Relationship between soil enzymes

3.2 不同沙化梯度草地對土壤理化性質(zhì)的影響

土壤含水量、pH和容重是反映土壤質(zhì)量的重要物質(zhì)性參數(shù)[35-37]。本研究中，土壤含水量逐漸降低，且到S7后趨于緩和(圖3a)，同時，土壤容重呈增長趨勢，且至S7后有緩慢降低(圖3d)，可能是由于在S7后，草地徹底沙化，土壤性質(zhì)趨于穩(wěn)定[37]。樣地為酸性土壤，pH ＜ 7，但是仍然呈現(xiàn)出隨著沙化梯度的增加而增加的趨勢(圖3e)，這一趨勢無論在草地或者濕地，酸性土壤還是堿性土壤都能得到體現(xiàn)，而且酸性土壤中的表現(xiàn)更加強烈[23, 38]，且在pH到一定程度后(S6)變化開始減弱(圖3e)，符合這一特點。在土壤各層，其養(yǎng)分(有機碳、全碳、速效氮、全氮、速效磷和全磷)隨著沙化程度的增加而遞減[39-41]，且表層大于底層 (圖 3f、g、h、i、j 和 k)，主要是因為草地植物根系主要分布在表層土，枯落物和根系對草地土壤養(yǎng)分的貢獻主要集中在表層土[41]。

3.3 土壤理化性質(zhì)及酶的關(guān)系

有研究指出，在祁連山等地退化草地土壤含水量和多種酶正相關(guān)，可能是由于水分在影響土壤酶活性方面具有主效應(yīng)，適宜的水分含量會使微生物之間正常競爭，酶活性達到最高[34]。本研究樣地為沙化缺水草地，適當(dāng)?shù)乃帜軌虼龠M土壤酶活性的提高，從而表現(xiàn)出水分含量的增加促進土壤酶活性增加的正向生態(tài)效應(yīng)[42]。土壤容重是表征土壤松緊程度的一個重要指標(biāo)，本研究土壤容重與木質(zhì)素過氧化物酶、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶表現(xiàn)的相關(guān)性與前人的研究[43-45]有很多一致性，可能是由于隨著沙化程度的加深，土壤容重變大，水熱和通氣條件等因素限制了土壤生物的代謝產(chǎn)酶能力，從而使土壤酶活性降低[42]。一些研究指出，土壤pH與脲酶顯著正相關(guān)，與過氧化物酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶無相關(guān)性[33, 46]。本研究中，土壤pH與堿性磷酸酶、木質(zhì)素過氧化物酶、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶表現(xiàn)的相關(guān)性說明土壤pH的增加促進堿性磷酸酶而抑制了其他酶的活性。而土壤堿性磷酸酶與木質(zhì)素過氧化物酶和β-葡萄糖苷酶的負(fù)相關(guān)性(圖4a和b)一定程度上說明，在不同的沙化梯度下，土壤堿性磷酸酶與木質(zhì)素過氧化物酶和β-葡萄糖苷酶存在一定的抑制效應(yīng)。一方面，可能是由于樣地具有較高的土壤木質(zhì)素過氧化物酶 [5 505 μmol·(d·g)-1]和 β-葡萄糖苷酶活性 [92.3 μmol·(d·g)-1]，能夠加快土壤碳氮循環(huán)，提高其利用效率，而土壤堿性磷酸酶的活性較低 [＜10 μmol·(d·g)-1]，植物受碳氮限制，會間接降低磷循環(huán)速率，進而抑制土壤堿性磷酸酶的活性[45-48]；另一方面，隨著沙化梯度的增加，土壤pH隨之增加，從而促進堿性磷酸酶的水解，同時，pH的增加會使碳氮等多種營養(yǎng)元素降低，對土壤營養(yǎng)元素的循環(huán)和轉(zhuǎn)化產(chǎn)生消極影響，進而間接抑制木質(zhì)素過氧化物酶和β-葡萄糖苷酶活性[47-48]。

此外，土壤速效氮與木質(zhì)素過氧化物酶、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶的相關(guān)性表明，這3類土壤酶活性能很好地反映土壤氮素狀況，促進土壤中氮素的釋放，而過高的氮循環(huán)會對堿性磷酸酶的活性產(chǎn)生抑制作用，從而表現(xiàn)出土壤速效氮與堿性磷酸酶的負(fù)相關(guān)性，這與吳秀芝等[9]基于荒漠草地沙化關(guān)于速效氮與酶的關(guān)系一致。本研究發(fā)現(xiàn)，在若爾蓋地區(qū)樣地土壤有機碳、全磷和全氮與脲酶均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)；在三江源區(qū)高寒退化草地沒有發(fā)現(xiàn)脲酶與這3種土壤養(yǎng)分的相關(guān)性[49]；在黃河三角洲退化濕地，脲酶與全氮、速效氮顯著正相關(guān)，與速效磷顯著負(fù)相關(guān)，與全磷無相關(guān)性，脲酶活性與土壤理化性質(zhì)可能因為退化環(huán)境不同呈現(xiàn)一定的差異[38]。目前，關(guān)于沙化草地土壤木質(zhì)素過氧化物酶的研究不多，但是本研究發(fā)現(xiàn)，土壤木質(zhì)素過氧化物酶與β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶均呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)(圖4c和d)，而且這 3 類酶活性和土壤營養(yǎng)元素的相關(guān)性基本一致(表1)，它們之間存在一定的協(xié)同作用對草地沙化做出響應(yīng)。即隨著沙化程度的加深，土壤氧化過程占主導(dǎo)地位，但是沒有過多的枯落物可供木質(zhì)素過氧化物酶催化降解，其活性受到抑制，植物歸還到土壤中的物質(zhì)較少，代謝速率較慢，土壤β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶等酶活性降低，表現(xiàn)為協(xié)同作用[25]，符合前文關(guān)于不同草地沙化梯度下土壤酶之間的協(xié)同或抑制效應(yīng)假設(shè)。

4 結(jié)論

若爾蓋地區(qū)高寒草甸土壤理化性質(zhì)和酶活性，隨著沙化程度的變化產(chǎn)生一定的規(guī)律特征。除了溫度變化不明顯外，土壤含水量、緊實度、容重、pH以及土壤養(yǎng)分都有不同程度的響應(yīng)。土壤堿性磷酸酶、脲酶、木質(zhì)素過氧化物酶、β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性隨沙化梯度的變化表現(xiàn)出不同的變化趨勢，特別是土壤β-葡萄糖苷酶具有顯著差異。同時，土壤理化性質(zhì)與這5種酶具有一定的相關(guān)性，與土壤亮氨酸氨基肽酶、多酚氧化酶和過氧化物酶不相關(guān)。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)草地沙化過程中的不同土壤酶活性之間存在協(xié)同和抑制效應(yīng)，能夠為沙化草地土壤酶活性機理和草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評定，以及草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定研究提出理論參考。