劉 楊，王小沁，沈丹杰，孫 輝，唐文英

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院/四川省土壤環(huán)境保護(hù)工程技術(shù)中心，成都 610065）

土壤酶是土壤生態(tài)與生物化學(xué)過(guò)程的主要參與者， 土壤酶活性對(duì)土壤有機(jī)物質(zhì)腐殖化和礦質(zhì)化、物質(zhì)循環(huán)及能量傳遞、土壤污染物降解及環(huán)境質(zhì)量維持等土壤生態(tài)過(guò)程和生態(tài)功能的維持都具有重要意義[1-3]。土壤中纖維二糖水解酶（CBH）、β-葡萄糖苷酶（BG）、β-N-乙酰氨基葡萄糖酶（NAG）和磷酸單酯酶（PME）等在一定程度上反映了土壤生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、磷等生物地化循環(huán)過(guò)程與動(dòng)態(tài)特征[4-5]，被認(rèn)為是體現(xiàn)土壤生態(tài)過(guò)程的幾種關(guān)鍵酶類。全球變化通過(guò)影響包括高寒濕地等在內(nèi)的青藏高原低溫生態(tài)系統(tǒng)溫度（熱量）和水分（降水）格局變化，可能改變從土壤生物地化循環(huán)到高寒植物生長(zhǎng)發(fā)育全過(guò)程，因此把高寒生態(tài)系統(tǒng)作為全球變化效應(yīng)研究的敏感生態(tài)系統(tǒng)[6-7]。全球變化在若爾蓋等高寒濕地產(chǎn)生了濕地退化、干旱化以及物候變化等一系列環(huán)境效應(yīng)[7-8]，而高寒土壤酶活性與土壤水分、溫度等物理環(huán)境因子關(guān)系顯著[3，9-10]，因此土壤酶活性變化被認(rèn)為可能是全球變化的土壤特征效應(yīng)之一[9]。

若爾蓋及其鄰近區(qū)域的高寒濕地是我國(guó)乃至全球最重要的高寒濕地之一，對(duì)區(qū)域乃至全球尺度生態(tài)安全和環(huán)境演變具有重要意義[11]。從1960年以來(lái)，在全球變化、凍融侵蝕和人為活動(dòng)疊加影響下，出現(xiàn)明顯濕地退縮，季節(jié)性凍融格局改變、濕地萎縮（積水面積和時(shí)間）、濕地植被向干旱化草地轉(zhuǎn)變[12-14]等跡象，更為嚴(yán)重的是面積較大的連片沙丘出現(xiàn)[15]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多研究工作，關(guān)注全球變化背景下若爾蓋濕地土壤碳庫(kù)動(dòng)態(tài)、生態(tài)修復(fù)以及環(huán)境變化[16]。本文旨在關(guān)注若爾蓋濕地干旱化趨勢(shì)下，從滯水濕地到干旱化草地過(guò)渡中土壤水分的梯度變化，探討土壤酶活性在水分梯度下的變化規(guī)律，以期為揭示全球變化背景下高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)演變特征提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

若爾蓋濕地位于青藏高原東緣四川、甘肅兩省交界處，平均海拔3 400～3 600 m，地理上分別屬于若爾蓋、阿壩、紅原、碌曲、瑪曲等縣，是黃河上游最為重要的水源地之一。若爾蓋濕地區(qū)域?qū)俅箨懶愿咴瓪夂?，年均降水?50～750 mm，平均氣溫 0.7～1.1 ℃。若爾蓋濕地主要地貌類型為高原夷平面低山、丘陵、河谷和階地，低洼地帶常年積水、季節(jié)性積水或臨時(shí)性積水。黑河與白河兩條主要河流自南向北橫貫全區(qū)， 蜿蜒曲折。植被以高山草甸草原（Alpine meadow）和高寒沼澤（Alpine swamp）為主[17]。

1.2 土樣制備

在研究地點(diǎn)若爾蓋濕地（102°31′E，33°17′N），根據(jù)土壤干旱化程度分別選取滯水濕地（WT）、泥炭丘（PH）、干旱化草甸（DG）3 種類型進(jìn)行采樣。每個(gè)樣地取樣重復(fù)3 次，每個(gè)重復(fù)由9 個(gè)樣點(diǎn)土樣混合而成。土壤樣品按 0～10 cm 和 10～20 cm 分層收集約200 g，采回土樣通過(guò)自然風(fēng)干，剔除砂石、根系和植物殘?bào)w，經(jīng)研磨并過(guò)100 目篩，再混合均勻，裝入棕色瓶放置于4 ℃的冷藏室，密閉保存以待測(cè)定。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 土壤酶測(cè)定方法

采用基于R.P.Dick[18]的微孔板熒光法，測(cè)定纖維二糖水解酶（Cellobiohydrolase）、β-葡萄糖苷酶（βglucosidase）、β-N-乙酰氨基葡萄糖酶（β-N-Acetylglucosaminidase）、土壤磷酸單酯酶（Phosphomonoesterase）的活性，所用底物分別為4-甲基傘形酮-纖維二糖苷（MUF-C）、4-甲基傘形酮-β-D-葡萄糖苷（MUF-G）、4-甲基傘形酮-N-乙酰氨基-β-D-葡萄糖苷（MUF-NAG） 和 4-甲基傘形酮-磷酸酯（MUF-P）。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法

土壤pH 值用酸度計(jì)法；土壤總氮（TN）和總有機(jī)碳（TOC） 采用元素分析儀測(cè)定；溶解性有機(jī)碳（DOC）和溶解性氮（DN）采用Jones 方法提取后用總有機(jī)碳/總氮分析儀測(cè)定；土壤溶解性磷 （DP）用ICP-MS 法分析測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤酶作用于相應(yīng)底物會(huì)釋放出熒光物質(zhì)4-甲基傘形酮（MUF），反應(yīng)方程如下所示，由于1 mol底物分解得到1 mol MUF， 故4 種底物的分解程度可以用MUF 的釋放量表示。通過(guò)多功能讀數(shù)儀測(cè)定溶液熒光值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得到相應(yīng)酶的活性。

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Origin 9.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 高寒濕地土壤理化性質(zhì)

不同水分環(huán)境下若爾蓋濕地土壤的一些理化性質(zhì)見(jiàn)表1。作為限制土壤生物和化學(xué)活性閾值的土壤pH 在濕地和泥炭丘土壤中差異不顯著， 而在干旱化土壤中有顯著升高。泥炭丘和濕地土壤TOC和TN 含量均顯著高于干旱化草地土壤， 可能因淹水環(huán)境下有機(jī)物分解緩慢，促進(jìn)泥炭形成積累和腐殖化，故土壤中纖維素、半纖維素、腐殖酸和生物堿等含量較高，TOC 和TN 含量處于較高水平。在濕地土壤干旱化過(guò)程中，表層和亞層總有機(jī)碳儲(chǔ)量降幅分別為28.96%±9.91%和30.44%±4.87%，這與干旱化草地有關(guān)酶活性升高有關(guān)；表層和亞層總氮儲(chǔ)量降幅分別為28.17%±12.00%和33.86%±5.23%，暗示濕地干旱化導(dǎo)致土壤氮庫(kù)退化。濕地退化過(guò)程（WT→PH→DG）中，濕地土壤溶解性氮（DN）顯著高于泥炭丘和干旱化草地土壤，這與土壤碳氮存在狀態(tài)和有效性有關(guān)。

2.2 高寒濕地土壤酶活性變化

不同水分狀況下土壤中纖維二糖水解酶（CBH）、β-葡萄糖苷酶（BG）、β-N-乙酰氨基葡萄糖酶（NAG）、磷酸單酯酶（PME）4 種酶的活性均達(dá)到顯著水平（圖1）。表層和亞層濕地土壤在干旱化過(guò)程中（WT→PH→DG），4 種酶活性在表層土壤均高于亞層土壤。BG 和CBH 的活性在干旱化草甸（DG）表層土壤中達(dá)到最高， 亞層土壤則在泥炭丘中最高， 這顯示干旱化加劇了濕地土壤表層有機(jī)碳分解。泥炭丘（PH）土壤中與有機(jī)磷水解有關(guān)的PME活性顯著高于濕地（WT）和干旱化草地（DG），表明泥炭丘環(huán)境是有利于PME 活性升高的。表層泥炭丘（PH）土壤中與有機(jī)氮水解有關(guān)的NAG 活性顯著低于濕地（WT）和干旱化草地（DG）土壤，這個(gè)結(jié)果比較有意思， 即水分適中的泥炭丘不利于NAG 活性增加。

表1 不同水分狀況下若爾蓋濕地研究區(qū)域土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physical and chemical properties of Zoige Wetland under different moisture condition

2.3 高寒濕地土壤酶活性化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

對(duì)不同水分梯度下濕地土壤的酶活性比進(jìn)行線性回歸，截距為零時(shí)所得直線的斜率即為酶活性比的回歸值，分析結(jié)果見(jiàn)圖2。表層土壤C/P 比為干旱化草甸＞濕地＞泥炭丘，N/P 比為干旱化草甸≈濕地＞泥炭丘，二者在泥炭丘都顯著下降，說(shuō)明泥炭丘表層土壤中磷循環(huán)較為緩慢，可被微生物利用磷含量較低。C/N 比為泥炭丘＞干旱化草甸＞濕地。亞層土壤僅有泥炭丘和干旱化草甸兩種類型，C/N 和N/P比均與表層一致，僅C/P 需求比與表層呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)（泥炭丘＞干旱化草甸），即泥炭丘亞層土壤的磷循環(huán)較為活躍。

圖1 不同水分狀況下若爾蓋濕地土壤4 種酶活性特征Figure 1 Characteristics of 4 soil enzymes activity in Zoige Wetland under different moisture condition

對(duì)不同類型濕地土壤的兩個(gè)土層進(jìn)行檢驗(yàn)分析，并根據(jù)回歸結(jié)果進(jìn)行酶活性化學(xué)計(jì)量學(xué)的計(jì)算（表 2）。土壤 C/P、N/P 和 C/N 比在不同類型濕地中均存在顯著差異， 泥炭丘和干旱化土壤的TOC/TN明顯高于濕地土壤。分析不同類型濕地土壤C/N/P比可發(fā)現(xiàn)，表層濕地與干旱化草甸土壤的比值大致相似，而泥炭丘中N 含量顯著下降，這可能與泥炭丘土壤凋落物較少且含氮量低有關(guān)。凋落物中氮含量能否滿足微生物對(duì)氮的需求是氮釋放過(guò)程的關(guān)鍵因素，其初始氮含量和分解過(guò)程中氮剩余量共同決定著氮的釋放過(guò)程。高氮含量的凋落物能滿足微生物對(duì)氮的需求從而快速釋放氮；低氮含量的凋落物則不能滿足，微生物須從環(huán)境中尋找其他外源氮來(lái)驅(qū)動(dòng)氮的分解。泥炭丘和干旱化草甸亞層土壤N 循環(huán)速率均低于表層土壤，可能是因?yàn)閬唽油寥篮茈y從凋落物中直接獲取養(yǎng)分，分解者無(wú)法先從環(huán)境中固定外源氮，故沒(méi)有足夠的動(dòng)力進(jìn)行N 的釋放。

表2 不同水分狀況下若爾蓋濕地土壤4 種酶活性的化學(xué)計(jì)量學(xué)Table 2 Stoichiometry of 4 soil enzymes activities in Zoige Wetland under different moisture condition

圖2 不同水分狀況下若爾蓋濕地土壤4 種酶活性比的單變量線性回歸分析Figure 2 Univariate linear regression for 4 soil enzymes activity ratios in Zoige Wetland under different moisture condition

2.4 高寒濕地土壤酶與土壤理化因子的相關(guān)性

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濕地生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表3。表層土壤酶活性受環(huán)境因子的影響較小，PME、BG、CBH 與土壤環(huán)境因子及結(jié)構(gòu)均沒(méi)有明顯相關(guān)性，NAG 僅與DOC、DOC/DP 呈顯著正相關(guān)。以酶活性比表示的需求比與環(huán)境因子的相關(guān)性也較小。土壤酶之間的相關(guān)性較高，BG、CBH、NAG 兩兩顯著相關(guān)，且均未與PME 顯著相關(guān)。亞層土壤參與碳循環(huán)的酶（BG、CBH）與土壤氮組分密切相關(guān)；PME 僅與TN 呈顯著正相關(guān)，NAG 與土壤環(huán)境因素未表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系。土壤養(yǎng)分需求比與環(huán)境因子的相關(guān)性較大，其中C/N 比與土壤氮組分密切相關(guān)，它與土壤諸多理化因子均顯著相關(guān)，N/P 與C/N 比呈極顯著負(fù)相關(guān)。結(jié)果表明， 亞層土壤酶間的相關(guān)性比表層土壤高，除PME 與NAG 不呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系外，4 種酶之間均兩兩顯著相關(guān)。

3 討論

3.1 不同水分狀況下高寒濕地土壤酶活性變化特征

若爾蓋高寒濕地關(guān)鍵土壤酶活性呈現(xiàn)垂直分布的特征。本研究濕地在退化過(guò)程中， 表層土壤4種酶活性均有不同程度的增加，而亞層土壤與之相反，這與吳俐莎、陶寶先等隨土壤深度增加，土壤酶活性逐漸降低的研究結(jié)果一致[19-20]。因此推測(cè)濕地退化是通過(guò)影響土壤水分梯度而間接影響土壤種酶活性。隨著表層土壤水分含量的降低，參加C、N、P 循環(huán)的土壤酶增加，C、N、P 循環(huán)由亞層向表層轉(zhuǎn)移，這與萬(wàn)鐘梅[17]在分析水位對(duì)小葉章濕地蔗糖酶活性隨水位增加活性不斷降低的結(jié)論相似。而田幼華等研究表明土壤酶活性會(huì)隨土壤水分的增加而增加[21]，這可能取決不同地區(qū)水分是否為限制因子。土壤酶活性隨生態(tài)系統(tǒng)改變有不同的變化范圍和分布情況，然而土壤酶活性的化學(xué)計(jì)量學(xué)卻表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)[22]。磷酸酶（PME）活性在泥炭丘（PH）土壤中最高，在濕地（WT）和干旱化草甸（DG）土壤均顯著降低；而纖維素酶BG&CBH 和幾丁質(zhì)酶NAG 的活性在泥炭丘（PH）土壤中最低，在WT 和DG 中顯著升高。這表明水流停滯和干旱化程度加劇均不利于土壤礦物質(zhì)磷的礦化吸收，卻有利于土壤碳氮的礦化分解，與Brockett B.F.T.等的研究結(jié)果相符[23]。

3.2 高寒濕地土壤酶活性及其指示意義

Moorhead D.L.研究發(fā)現(xiàn)以 lnBG：ln（NAG+LAP）和lnBG：lnPME 表示的C/N 和C/P 比呈線性關(guān)系，且 C/N 和 C/P 比值超過(guò) 1.2 的概率小于 3%[24]。本研究中，C/P 需求比未超過(guò)1.2， 而C/N 需求比均大于1.2，甚至3 倍以上，表明若爾蓋濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤氮的可用性較低。因此，正是因?yàn)榈孬@取過(guò)程的復(fù)雜性，N 有效性可能成為若爾蓋濕地退化過(guò)程中最重要的限制性因子。研究還發(fā)現(xiàn)濕地限制性養(yǎng)分TN、DN 以及與土壤碳關(guān)系密切的TOC 和纖維二糖水解酶（CBH），在濕地退化過(guò)程中含量或活性變化均達(dá)到顯著。TN 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)C、P 循環(huán)速率有很大影響[25]。泥炭丘土壤退化（PH→DG）過(guò)程中，表層和亞層TN 儲(chǔ)量降幅分別為28.17%±12.00%和33.86±5.23%，土壤TN 的90%以上是有機(jī)態(tài)氮，而DN 是土壤氮素中最活躍的組分。本研究中， 溶解性氮（DN）與濕地生態(tài)系統(tǒng)退化（WT→PH→DG）呈顯著負(fù)相關(guān)，泥炭丘土壤（PH）和干旱化草地土壤（DG）的DN 含量顯著低于濕地土壤（WT）。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)濕地退化過(guò)程中DN 顯著降低且隨土壤深度加深而進(jìn)一步降低， 原因可能是隨著土壤深度增加，DN轉(zhuǎn)變?yōu)镹O3-的形式，這種硝化現(xiàn)象在酸性土壤中尤為明顯[26]。因此，N 有效性限制濕地退化會(huì)隨著土壤深度增加而進(jìn)一步加劇。TOC、TN、DN、CBH 可考慮作為濕地退化過(guò)程的指示指標(biāo)。

4 結(jié)論

①土壤水分變化對(duì)高寒濕地土壤酶活性影響顯著。濕地土壤在干旱化過(guò)程中（WT→PH→DG），表層土壤4 種關(guān)鍵酶（纖維二糖水解酶（CBH）、β-葡萄糖苷酶（BG）、β-N-乙酰氨基葡萄糖酶（NAG）、磷酸單酯酶（PME））活性均高于亞層土壤。表層土壤中除NAG 活性在濕地土壤達(dá)到最高外，CBH、BG、PME 活性均在干旱化草甸土中最高，亞層土壤NAG 活性在干旱化草甸土壤達(dá)到最高，其他3 種酶活性在泥炭丘中活性最高，表明隨著表層土壤水分含量的降低，參與土壤C、N、P 循環(huán)有關(guān)土壤酶活性增強(qiáng)。

②高寒濕地（WT）土壤、泥炭丘（PH）土壤和干旱化草甸（DG）土壤表層的 C/N/P 需求比分別為 2∶1∶3、3∶1∶10 和 2∶1∶3；在 PH 和 DG 的亞層土壤中分別為3∶0.7∶10 和 3∶1∶10。因此，土壤中生物可利用氮含量為 PH＜DG＜WT，PH 和 DG 亞層土壤的可利用氮較表層土壤進(jìn)一步下降，這表明在高寒濕地干旱化過(guò)程中，土壤氮有效性的退化成為顯著性特征，尤其是在亞層土壤中。