黃幸運，溫秀婷，張 研，戎 俊，聶 明，鄭博福3，，沈瑞昌

(1：江西省流域生態(tài)演變與生物多樣性重點實驗室，南昌大學(xué)生命科學(xué)研究院流域生態(tài)學(xué)研究所，南昌大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，南昌 330031) (2：江西鄱陽湖濕地保護(hù)與恢復(fù)國家長期科研基地，江西鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，南昌 330031) (3：南昌大學(xué)鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室，南昌 330031) (4：江西生態(tài)文明研究院，南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，南昌 330031) (5：復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物多樣性與生態(tài)工程教育部重點實驗室，上海 200438)

土壤胞外酶是一類主要來源于土壤微生物的生物催化劑[1]. 它們能夠?qū)⒋蠓肿佑袡C質(zhì)降解為小分子有機物和無機物，同時釋放其中的能量以及氮、磷等元素供給植物或微生物利用，從而促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和能量流動[2]. 因此，土壤胞外酶在土壤生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演著重要的角色，其活性可以作為土壤中碳、氮、磷等元素轉(zhuǎn)化速率和供給能力的良好指標(biāo)[3]. 然而，研究表明參與碳、氮、磷循環(huán)過程的土壤胞外酶對環(huán)境變化的響應(yīng)程度并不相同[4]. 土壤微生物會根據(jù)外界環(huán)境的變化，改變碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)胞外酶的分泌量，優(yōu)化其資源獲取策略[5]. Sinsabaugh等[6]和Rosinger等[7]指出利用參與土壤碳氮磷循環(huán)過程的胞外酶活性的比值，即土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶活性的化學(xué)計量比，可以反映土壤微生物代謝的營養(yǎng)元素限制狀況，并評估土壤微生物的功能動態(tài). 考慮到它們在土壤有機碳與養(yǎng)分循環(huán)中的重要意義，土壤胞外酶活性及其化學(xué)計量比目前已經(jīng)成為生態(tài)學(xué)研究的熱點之一.

洪泛平原是指被河水或湖水以及直接降雨或地下水周期性淹沒的地區(qū)[8]，在景觀尺度上發(fā)揮著凈化水質(zhì)以及固碳釋氧等重要功能[9]. 作為聯(lián)系微生物和外界環(huán)境的關(guān)鍵因子，土壤胞外酶對洪泛平原生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定和維持具有不可或缺的作用，可直接影響洪泛平原-河流(湖泊)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)周轉(zhuǎn)過程. 高程作為一個綜合性指標(biāo)，往往是影響洪泛平原土壤胞外酶活性的關(guān)鍵參數(shù)[10]. 例如，Wilson等[11]通過對澳大利亞奧文斯河洪泛平原土壤研究發(fā)現(xiàn)，隨著高程增加，土壤α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶活性逐漸減?。籞hang等[12]的研究結(jié)果則表明新疆伊犁河谷蔗糖酶和淀粉酶活性與高程呈顯著的正相關(guān)關(guān)系. 在高程梯度上，洪泛平原的水文節(jié)律、植物群落、微生物結(jié)構(gòu)和土壤基質(zhì)等都將發(fā)生顯著變化，從而共同作用于土壤胞外酶活性[13-14]. 然而，有關(guān)洪泛平原土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶的化學(xué)計量特征隨高程的變化規(guī)律卻較少受到關(guān)注，其中的影響機制也不清楚. 探究洪泛平原土壤碳、氮、磷胞外酶化學(xué)計量特征對高程梯度響應(yīng)的差異有助于我們進(jìn)一步了解湖泊生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳和土壤養(yǎng)分生物地球化學(xué)過程的特點，為科學(xué)保護(hù)和管理洪泛平原濕地提供科學(xué)依據(jù).

鄱陽湖位于江西省北部，是中國第一大淡水湖. 在亞熱帶季風(fēng)氣候的影響下，鄱陽湖在豐枯水季節(jié)表現(xiàn)出巨大的水位差異，形成大片的洪泛平原濕地即洲灘濕地[15]. 統(tǒng)計表明，鄱陽湖的洲灘濕地面積超過了全湖正常水位總面積的80%[16]. 明確鄱陽湖洲灘濕地的土壤胞外酶活性和化學(xué)計量比的變異規(guī)律是充分認(rèn)識鄱陽湖濕地土壤碳、氮、磷生物地球化學(xué)過程的基礎(chǔ). 因此，本研究依托長期監(jiān)測樣地，綜合高程、植物、土壤理化性質(zhì)和酶活性等數(shù)據(jù)，闡明了鄱陽湖典型洲灘濕地土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶活性和化學(xué)計量比隨高程的變化特征和影響機制. 本研究擬解決的科學(xué)問題為：(1)鄱陽湖洲灘濕地土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶活性和化學(xué)計量比在不同高程是否存在差異？(2)在高程梯度上鄱陽湖洲灘濕地土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶活性和碳氮、碳磷、氮磷酶化學(xué)計量比的影響機制分別是什么？

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄱陽湖南磯濕地國家級自然保護(hù)區(qū)(28°52′～29°7′N，116°10′～116°24′E)，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為17.9℃，年平均降水量為1643 mm. 作為鄱陽湖濕地的重要組成部分，該保護(hù)區(qū)的洲灘濕地具有明顯的季節(jié)性水位波動特征，在豐水季(5-9月)，洲灘濕地被完全淹沒并與主湖相連；而在枯水季(10-次年4月)，這些洲灘又重新露出. 在退水期，鄱陽湖洲灘濕地主要的植物種為灰化苔草(Carexcinerascens)、南荻(Triarrhenalutarioriparia)、虉草(Phalarisarundinacea)和蘆葦(Phragmitesaustralis)等. 苔草群落是鄱陽湖洲灘濕地面積最大、分布最廣的植物群落，對鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)過程具有重要影響[17].

1.2 樣地設(shè)置及樣品采集

本研究依托位于鄱陽湖南磯濕地國家級自然保護(hù)區(qū)的一處長期監(jiān)測樣地. 該樣地建立于2017年，沿高程梯度選取6條平行于湖岸的樣線(S1～S6)(圖1). 每條樣線長250 m，相鄰樣線之間間隔約為200 m. 從S1樣線到S6樣線高程逐漸升高. 在每條樣線上建立了6個1 m×1 m的樣方，相鄰樣方的間隔約為50 m. 采用GPS儀記錄每個樣方的地理坐標(biāo)，然后根據(jù)樣方坐標(biāo)查詢江西省測繪局的鄱陽湖濕地2 m分辨率地形圖來獲取其高程(吳淞高程). 該樣地地勢平坦，是鄱陽湖苔草洲灘濕地的典型分布區(qū)域. 樣地內(nèi)最高和最低樣線的距離長達(dá)1 km，各樣方高程范圍為13.80～15.01 m，全面覆蓋了鄱陽湖苔草洲灘濕地的主要分布高程，可以有效反映該濕地隨高程的變化趨勢[16,18].

在2019年11月秋季生長期進(jìn)行實地調(diào)查，首先記錄下各個樣方中的植物物種數(shù)和每個物種的個體數(shù)及總個體數(shù). 然后使用采割法收集樣方內(nèi)所有的地上植物. 使用直徑為10 cm的根鉆收集3個深度為0～20 cm的根芯，并在流水中清洗根芯以獲得地下根系樣品. 最后，用直徑為7 cm的土鉆，在每個樣方中沿對角線采集3個深度為0～10 cm的土壤樣品，均勻地混合成一個復(fù)合的新鮮土壤樣本.

圖1 鄱陽湖苔草洲灘濕地樣線分布Fig.1 The location of sampling sites at the Carex lakeshore beach of Lake Poyang

1.3 植被特征和土壤理化性質(zhì)測定

將地上和地下植物樣品放入70℃烘箱中烘48 h以獲得植物干重. 本研究考慮的植被特征包括植物物種豐富度、Shannon-Wiener指數(shù)、地上生物量和地下生物量4個指標(biāo). 植物物種豐富度以單位面積物種數(shù)來評估. Shannon-Wiener指數(shù)用單位面積每個植物物種的個體數(shù)和總個體數(shù)計算. 地上生物量和地下生物量分別以單位面積地上和地下的植物干重來表示[18].

土壤樣品過2 mm篩去除植物凋落物、細(xì)根和碎石后，分為兩部分，分別在4℃和室溫下保存. 土壤理化性質(zhì)的測定指標(biāo)包括土壤含水量、黏粒含量、pH、可溶性有機碳、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總有機碳、總氮和總磷. 土壤含水量和黏粒含量分別采用烘干恒量法和比重計速測法測定. pH用電位法(土水比為1∶2.5)測定. 可溶性有機碳采用超純水(土水比為1∶5)浸提，用總有機碳分析儀(Elementar，Hanau，德國)測定. 氨態(tài)氮和硝態(tài)氮用1 mol/L的KCl溶液浸提(土水比為1∶5)，采用連續(xù)流動分析儀(Skalar san++，Skalar，荷蘭)測定. 總有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測定. 總氮含量采用凱氏定氮法測定. 總磷含量采用紫外分光光度計，通過鉬藍(lán)比色法測定. 土壤碳氮比、碳磷比和氮磷比分別代表總有機碳與總氮的比值，總有機碳與總磷的比值以及總氮與總磷的比值.

1.4 土壤胞外酶活性測定

參考以往文獻(xiàn)，采用微孔板熒光法測定參與土壤碳、氮、磷循環(huán)過程的7種關(guān)鍵水解酶活性，包括與碳循環(huán)相關(guān)的α-葡萄糖苷酶(AG)、β-葡萄糖苷酶(BG)、木聚糖酶(XYL)和纖維二糖水解酶(CBH)，它們分別參與了纖維素分解的不同步驟，代表了土壤中不同碳源的分解能力；與氮循環(huán)相關(guān)的N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和亮氨酸氨基肽酶(LAP)，它們參與了土壤主要含氮有機物幾丁質(zhì)和蛋白質(zhì)的分解；以及與磷循環(huán)相關(guān)的磷酸酶(PHOS)，它參與了磷酸酯的降解[19-20]. 具體操作步驟如下：稱取相當(dāng)于干重2.75 g左右的新鮮土壤樣品，向其加入91 mL的50 mmol/L乙酸鈉緩沖溶液(pH=6.0，接近土樣原位pH值)，將土壤樣品和緩沖溶液倒入100 mL的玻璃結(jié)晶皿中，放于磁力攪拌器上高速攪拌1 min，制成土壤懸液. 然后將800 μL的土壤懸液和200 μL對應(yīng)底物(200 μmol/L)(AG：4-MUB-α-D-glucoside；BG：4-MUB-β-D-glucoside；XYL：4-MUB-β-D-xyloside；CBH：4-MUB-β-D-cellobioside；NAG：4-MUB-N-acetyl-β-D-glucosaminide；LAP：L-leucine-7-amido-4-methylcoumarin；PHOS：4-MUB phosphate)轉(zhuǎn)移至深孔板中. 在20℃的黑暗避光條件下，培養(yǎng)4.5 h. 培養(yǎng)結(jié)束后，加入5 μL、0.5 mol/L的NaOH終止反應(yīng). 用多功能酶標(biāo)儀(Synergy H4, BioTek, winooski, 美國)于激發(fā)波長365 nm，發(fā)射波長450 nm處進(jìn)行熒光測定，每個樣品兩次重復(fù). 水解酶活性用單位時間內(nèi)單位干重土分解的底物濃度(nmol/(h·g))表示. 依據(jù)前人研究，使用BG∶NAG、BG∶PHOS和NAG∶PHOS分別來表示土壤胞外酶化學(xué)計量C∶N、C∶P和N∶P[21].

采用土壤胞外酶化學(xué)計量比的向量分析(向量長度和向量角度)評估土壤微生物的養(yǎng)分限制狀況[22]. 向量長度(Length)和向量角度(Angle)的計算方法為：

(1)

Angle=DEGREES{ATAN2[(ln(BG)/ln(PHOS)),(ln(BG)/ln(NAG))]}

(2)

向量長度反映微生物碳限制狀況，長度越長，碳限制越大；向量角度反映微生物養(yǎng)分限制狀況，角度大于45°表明微生物受磷的限制比氮更強，反之則表明微生物受氮的限制比磷更強.

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析檢驗不同高程土壤胞外酶活性、酶化學(xué)計量比、植被特征和土壤理化性質(zhì)的差異. 采用一般回歸分析評估高程與土壤胞外酶活性、酶化學(xué)計量比、植物特征和土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系. 采用相關(guān)分析探究植物特征、土壤理化性質(zhì)和土壤胞外酶活性、胞外酶化學(xué)計量比之間的關(guān)系. 運用結(jié)構(gòu)方程模型明確高程、植被和土壤理化性質(zhì)對土壤胞外酶活性和化學(xué)計量比的直接和間接作用機制. 對土壤碳循環(huán)相關(guān)酶和氮循環(huán)相關(guān)酶進(jìn)行PCA(主成分分析)，并采用PC1(第1主軸)代表相應(yīng)變量. 根據(jù)理論知識和假設(shè)建立一個先驗?zāi)Ｐ?，該模型認(rèn)為高程能直接或通過植被特征和土壤理化性質(zhì)間接影響土壤胞外酶活性和化學(xué)計量特征，植被特征也可以通過土壤理化性質(zhì)間接影響土壤胞外酶活性和化學(xué)計量特征[23]. 在結(jié)構(gòu)方程模型分析中逐步刪除部分不顯著的途徑以獲得最佳模型[24]. 采用χ2(卡方值)、P、RMSEA(近似誤差均方根)、CFI(擬合優(yōu)度指數(shù))和AIC(赤池信息量準(zhǔn)則)來評估模型的適合度[25]. 采用IBM SPSS 26、AMOS 21.0和R 4.0.3軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析. 所有結(jié)果利用Origin 9.0軟件作圖.

2 結(jié)果

2.1 土壤胞外酶活性

圖2 高程與碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)胞外酶活性之間的關(guān)系Fig.2 Relationships between the elevation and the soil extracellular enzyme activities

高程對碳循環(huán)相關(guān)酶中的AG(P=0.003)、CBH(P<0.001)和XYL(P=0.015)活性有顯著影響，對BG(P=0.693)活性影響不顯著(圖 2). 隨著高程增加，AG活性逐漸減小，CBH活性先減小后增大，XYL活性逐漸減小，而BG活性沒有顯著變化. AG、CBH、XYL和BG四者的變化范圍分別為21.04～55.24、24.95～269.83、7.85～16.62和79.47～124.46 nmol/(h·g)，平均值分別為32.44、120.70、12.67和94.69 nmol/(h·g). 高程增加導(dǎo)致氮循環(huán)相關(guān)酶NAG和LAP活性均逐漸減少(圖 2). NAG和LAP的變化范圍分別為22.47～98.07和467.69～974.01 nmol/(h·g)，平均值分別為45.69和680.50 nmol/(h·g). 磷循環(huán)相關(guān)酶PHOS活性不受高程的顯著影響，它在6個高程的變化范圍為738.22～1410.95 nmol/(h·g)，平均值為987.20 nmol/(h·g)(圖2).

2.2 土壤胞外酶化學(xué)計量比

高程對BG∶NAG(P<0.001)和NAG∶PHOS(P=0.009)有顯著影響，但對BG∶PHOS(P=0.350)影響不顯著(圖 3). 隨高程增加BG∶NAG逐漸增加，NAG∶PHOS逐漸減小，BG∶PHOS沒有明顯變化. BG∶NAG、NAG∶PHOS和BG∶PHOS三者的變化范圍分別為1.36～3.54、0.03～0.07和0.08～0.14，平均值分別為2.51、0.05和0.10. 根據(jù)土壤胞外酶化學(xué)計量比的向量分析，高程增加導(dǎo)致向量長度和角度均增大，但其變化量在統(tǒng)計學(xué)上不顯著(長度：P=0.082；角度：P=0.190). 各高程下向量的角度均大于45°，表明微生物受磷的限制比氮更強.

圖3 高程與土壤胞外酶化學(xué)計量比之間的關(guān)系Fig.3 Relationships between the elevation and soil extracellular enzyme stoichiometry

2.3 植被特征和土壤理化性質(zhì)

所調(diào)查的36個樣方中共發(fā)現(xiàn)7個植物種. 其中灰化苔草為優(yōu)勢種，其他重要的植物物種包括水田碎米薺(Cardaminelyrata)、蓼子草(Polygonumcriopolitanum)和具剛毛荸薺(Heleocharisvalleculosa)等. 回歸分析發(fā)現(xiàn)，植物物種豐富度(P<0.001)和Shannon-Wiener指數(shù)(P<0.001)均受到了高程的顯著影響，并且隨高程升高而顯著降低(圖 4). 各個樣方植物物種豐富度和Shannon-Wiener指數(shù)的變化范圍分別為1～5、0～0.75，平均值分別為3和0.28. 此外，高程對地下生物量(P=0.011)也具有顯著影響. 并且隨著高程的增加，地下生物量呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律，其變化范圍為1021.78～2017.11 g/m2，平均值為1551.09 g/m2. 地上生物量(P=0.067)不受高程的顯著影響，它在6個高程的變化范圍為252.43～429.52 g/m2，平均值為353.25 g/m2.

圖4 高程與植被特征之間的關(guān)系Fig.4 Relationships between elevation and vegetation characteristics

土壤理化性質(zhì)中pH(P<0.001)、總有機碳(P=0.029)、可溶性有機碳(P=0.003)和碳磷比(P=0.005)與高程呈顯著線性相關(guān). 隨高程增加pH和可溶性有機碳逐漸減少，而總有機碳和碳磷比逐漸增加. 土壤含水量(P=0.008)、黏粒含量(P<0.001)、碳氮比(P<0.001)、氮磷比(P=0.004)、銨態(tài)氮(P<0.001)和硝態(tài)氮(P=0.012)與高程呈顯著二項式相關(guān). 其中土壤含水量和氮磷比隨高程增加呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，碳氮比和硝態(tài)氮隨高程增加呈現(xiàn)先減小后增加的規(guī)律，而黏粒含量和銨態(tài)氮則隨高程增加而增加. 總氮和總磷不受高程的顯著影響(圖 5).

圖5 高程與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系Fig.5 Relationships between the elevation and soil physicochemical variables

2.4 植被特征、土壤理化性質(zhì)與土壤胞外酶活性和化學(xué)計量比之間的關(guān)系

相關(guān)性分析(圖 6)表明，碳循環(huán)相關(guān)酶中AG和BG活性與總磷(AG：P=0.003；BG：P=0.001)呈顯著正相關(guān)；CBH和XYL活性與黏粒含量(CBH：P=0.001；XYL：P<0.001)、銨態(tài)氮(CBH：P<0.001；XYL：P=0.008)、硝態(tài)氮(CBH：P=0.034；XYL：P=0.047)呈顯著正相關(guān)，與pH呈顯著負(fù)相關(guān)(CBH：P=0.002；XYL：P=0.001). 氮循環(huán)相關(guān)酶(NAG、LAP)活性與總磷(NAG：P<0.001；LAP：P=0.008)和可溶性有機碳(NAG：P=0.040；LAP：P=0.012)呈顯著正相關(guān)，與氮磷比呈顯著負(fù)相關(guān)(NAG：P=0.006；LAP：P=0.037). 磷循環(huán)相關(guān)酶(PHOS)活性與pH(P=0.049)和總磷(P=0.016)呈顯著正相關(guān). 除了CBH和XYL與植物物種豐富度(CBH：P<0.001；XYL：P=0.013)和Shannon-Wiener指數(shù)(CBH：P=0.016；XYL：P=0.038)呈顯著負(fù)相關(guān)，BG與植物物種豐富度(P=0.111)和Shannon-Wiener指數(shù)(P=0.150)不存在顯著相關(guān)性外，碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶(AG、NAG、LAP、PHOS)活性均與植物物種豐富度(AG：P<0.001；NAG：P<0.006；LAP：P<0.001；PHOS：P=0.034)和Shannon-Wiener指數(shù)(AG：P=0.002；NAG：P=0.001；LAP：P<0.001；PHOS：P=0.005)呈顯著正相關(guān). 土壤胞外酶化學(xué)計量比中，NAG∶PHOS僅與植物物種豐富度(P=0.008)和總磷(P<0.001)呈顯著正相關(guān)，與地下生物量(P=0.026)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系. BG∶NAG和BG∶PHOS與植物特征和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系均不顯著.

圖6 土壤胞外酶活性和化學(xué)計量比與植被、土壤因子的相關(guān)性分析 (圓圈的顏色與相關(guān)系數(shù)呈正比. *表示 P<0.05；**表示P<0.01；***表示P<0.001. Np、Hp、 AGB、BGB分別表示物種豐富度、Shannon-Wiener指數(shù)、地上生物量和地下生物量；SW、pH、CL分別 表示土壤含水量、pH值、黏粒含量；TOC、TN、TP分別表示總有機碳、總氮、總磷；C/N、C/P、 N/P分別表示碳氮比、碳磷比、氮磷比；分別表示可溶性有機碳、銨態(tài)氮、 硝態(tài)氮；AG、BG、CBH、XYL、NAG、LAP和 PHOS分別表示α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、 木聚糖酶、纖維二糖水解酶、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和磷酸酶； BG∶NAG、BG∶PHOS和NAG∶PHOS分別表示碳氮、碳磷和氮磷獲取酶的化學(xué)計量比)Fig.6 Correlation analyses of soil enzyme activity and extracellular stoichiometry with vegetation and soil factors

2.5 高程、植被特征和土壤理化性質(zhì)對土壤胞外酶活性和化學(xué)計量比的影響

結(jié)構(gòu)方程模型分別解釋了土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶活性41%、52%和21%的方差，以及土壤碳氮、碳磷和氮磷酶化學(xué)計量比58%、22%和40%的方差. 圖 7表明，土壤胞外酶活性和化學(xué)計量特征受高程、植被特征和土壤理化性質(zhì)影響的機制均不相同. 土壤碳循環(huán)相關(guān)酶活性同時受到土壤理化性質(zhì)(總有機碳、可溶性有機碳、銨態(tài)氮和總磷)的直接影響和高程、植被特征(植物物種豐富度和Shannon-Wiener指數(shù))的間接影響，其中影響最大的為高程(標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)(β)=0.48)(圖 7A). 土壤氮循環(huán)相關(guān)酶活性顯著受到植被特征(植物物種豐富度)的直接影響和高程的間接影響(圖 7B)，影響最大的為植物物種豐富度(β=0.61). 土壤磷循環(huán)相關(guān)酶活性顯著受到土壤理化性質(zhì)(總磷)的直接影響，其β為0.46(圖 7C). 在土壤胞外酶化學(xué)計量特征中，碳氮酶化學(xué)計量比同時受到高程、植被特征(地上生物量)、土壤理化性質(zhì)(銨態(tài)氮)的直接影響和高程的間接影響(圖 7D)，其中影響最大的為高程(β=0.51). 土壤碳磷酶化學(xué)計量比和氮磷酶化學(xué)計量比同時受到高程、植被特征(地上生物量或物種豐富度)、土壤理化性質(zhì)(pH)的直接影響和高程的間接影響，影響最大的為均為pH(碳磷酶化學(xué)計量比：β=-0.61；氮磷酶化學(xué)計量比：β=-0.54)(圖 7E, F).

圖7 高程、植被特征和土壤理化性質(zhì)對土壤胞外酶活性和化學(xué)計量比的影響 (黑色和灰色箭頭分別代表顯著相關(guān)和不顯著相關(guān). 實線和虛線箭頭分別代表正相關(guān)和負(fù)相關(guān). 箭頭旁邊的數(shù)字為路徑系數(shù). 顯著性水平：*，P < 0.05；**，P<0.01；***，P<0.001)Fig.7 The effects of elevation, vegetation characteristics and soil physicochemical properties on soil extracellular enzyme activities and stoichiometry

3 討論

洪泛平原洲灘濕地沿高程梯度的變化，能夠引起植被類型、凋落物質(zhì)量、土壤理化性質(zhì)和微生物群落等變化，進(jìn)而導(dǎo)致土壤胞外酶活性在不同高程呈現(xiàn)顯著差異[26]. 本研究發(fā)現(xiàn)，高程增加后，碳循環(huán)相關(guān)酶中AG活性逐漸增大，CBH活性先減小后增大，XYL活性逐漸減小，而BG活性在統(tǒng)計學(xué)上沒有顯著變化(圖 2). 這些結(jié)果說明不同的碳循環(huán)相關(guān)酶對環(huán)境因子的響應(yīng)并不同. 高程可以通過影響多個土壤碳和營養(yǎng)成分(總有機碳、可溶性有機碳、銨態(tài)氮和總磷)來間接促進(jìn)土壤碳循環(huán)相關(guān)酶活性(圖7A). 這一結(jié)果與He等[27]的結(jié)論相同. 土壤碳和營養(yǎng)成分可以為微生物的生長提供物質(zhì)和能量，最終增加土壤碳循環(huán)相關(guān)酶活性. 土壤氮循環(huán)相關(guān)酶(NAG和LAP)活性隨高程增加而減小(圖 2). 相關(guān)分析表明，土壤氮循環(huán)相關(guān)酶活性與植物多樣性及土壤總磷等參數(shù)顯著相關(guān)(圖 6). 結(jié)構(gòu)方程模型的分析則顯示高程主要通過植被特征(植物物種豐富度)來間接影響土壤氮循環(huán)相關(guān)酶活性(圖 7B). 這些結(jié)果表明土壤氮循環(huán)相關(guān)酶活性隨高程的變化特征可能是受到植被特征和土壤磷元素的影響. 隨著高程的增加，植物群落的豐富度逐漸降低，生物量逐漸增加，植物對土壤磷的需求也會顯著增加. 因此在高高程地區(qū)，土壤微生物可能是因為缺乏磷元素而減少了土壤氮循環(huán)相關(guān)酶的合成[28]. 高程對PHOS活性的影響不顯著，表明研究區(qū)域內(nèi)不同高程微生物對磷素的需求沒有明顯區(qū)別(圖 2). 從圖 7C可知，高程可以通過土壤理化性質(zhì)(總磷)來間接影響PHOS，說明土壤磷循環(huán)相關(guān)酶活性受到土壤養(yǎng)分狀況的顯著影響. 這是因為土壤養(yǎng)分可以為微生物的生長和代謝以及胞外酶的產(chǎn)生提供物質(zhì)基礎(chǔ). 這一結(jié)果可能與鄱陽湖洲灘濕地土壤的磷限制有關(guān). 以往研究表明，亞熱帶濕地土壤存在廣泛的P限制[29]. 本研究中各高程下化學(xué)計量特征的向量角度均大于45°，同樣表明研究區(qū)土壤微生物生長和代謝受到磷的限制.

本研究中，BG∶NAG隨高程增加而增加，NAG∶PHOS隨高程增加而減小，BG∶PHOS隨高程增加沒有明顯變化(圖 3). 這是因為高程變化后僅氮循環(huán)相關(guān)酶(NAG)活性發(fā)生顯著變化，碳循環(huán)相關(guān)酶(BG)和磷循環(huán)相關(guān)酶(PHOS)活性沒有發(fā)生變化(圖2). 該結(jié)果與草地生態(tài)系統(tǒng)中的研究發(fā)現(xiàn)不同. Zuo等[30]通過對草地生態(tài)系統(tǒng)不同高程的土壤胞外酶化學(xué)計量特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，BG∶NAG和NAG∶PHOS均隨高程變化呈單峰曲線格局. 這可能與濕地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境特殊性有關(guān). 濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤環(huán)境長時間被水淹沒，土壤微生物群落受到水文節(jié)律的影響更大. 本研究表明，土壤碳氮酶化學(xué)計量比受高程的綜合影響最顯著(圖7D). 這可能與以下兩方面的原因有關(guān). 首先，不同種微生物(如外生菌根和叢枝菌根)在生產(chǎn)水解酶時具有不同的生態(tài)策略[31]. 鄱陽湖洲灘濕地不同高程由于淹水時長、植物群落組成、物種競爭和歷史遺留效應(yīng)的差異可能會造成微生物群落結(jié)構(gòu)的差別，從而導(dǎo)致土壤微生物對能量和養(yǎng)分相對需求的差異[32]. 其次，不同高程養(yǎng)分有效性也會影響土壤胞外酶化學(xué)計量比. 與碳氮酶化學(xué)計量比不同，土壤碳磷和氮磷酶化學(xué)計量比主要受pH的直接控制(圖7E, F). Kivlin等[33]也發(fā)現(xiàn)pH的變化可以改變土壤中的全磷含量，造成土壤中碳磷比和氮磷比的差別，進(jìn)而導(dǎo)致土壤碳磷酶化學(xué)計量比和氮磷酶化學(xué)計量比發(fā)生變化. 在土壤接近于中性的環(huán)境條件下，磷元素主要被黏土礦物吸附，從而防止磷元素由于淋溶作用而被分解. 然而，過酸的環(huán)境會導(dǎo)致土壤板結(jié)，造成土壤磷素的吸附能力降低，加速了土壤磷素的流失[34].

本研究中部分結(jié)構(gòu)方程模型的方差解釋能力并不高. 例如，模型對土壤碳磷酶化學(xué)計量比的方差解釋量只有20%. 這可能是因為土壤胞外酶受到了植被和土壤理化因素以外的因子的影響. 事實上，土壤微生物群落也會顯著影響土壤胞外酶活性和化學(xué)計量比[35]. 未來的研究可以考慮水文、植被、土壤和微生物對洪泛平原濕地土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶活性和化學(xué)計量比的綜合影響.

4 結(jié)論

鄱陽湖洲灘濕地土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶活性以及酶化學(xué)計量比隨高程的變化特征明顯不同. 隨著高程增加，碳循環(huán)相關(guān)酶中AG活性逐漸增大，CBH活性先減小后增大，XYL活性逐漸減小，而BG活性則沒有顯著變化；氮循環(huán)相關(guān)酶(NAG和LAP)活性均逐漸減??；磷循環(huán)相關(guān)酶(PHOS)活性變化不顯著. 高程增加后，碳氮酶化學(xué)計量比顯著增加，氮磷酶化學(xué)計量比顯著減少，而碳磷酶化學(xué)計量比沒有顯著變化. 高程主要通過土壤營養(yǎng)元素影響碳、磷循環(huán)相關(guān)酶活性，通過植被特征影響氮循環(huán)相關(guān)酶活性. 高程可以直接或通過土壤養(yǎng)分間接影響土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶化學(xué)計量比，也可以通過植被特征和土壤pH影響碳磷、氮磷酶化學(xué)計量比. 本研究可為洪泛平原土壤碳、氮、磷生物地球化學(xué)過程的高程格局提供科學(xué)依據(jù).