长期升温对川西北树线交错带土壤酶活性的影响

胡四维，龙瑞雨，任万红，何小清，杨占彪，杨 刚，鲜骏仁*

（1.四川农业大学环境学院，成都 611130；2.四川农业大学园艺学院，成都 611130；3.西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳 621010）

长期升温对川西北树线交错带土壤酶活性的影响

胡四维1，龙瑞雨1，任万红1，何小清2，杨占彪1，杨 刚3，鲜骏仁1*

（1.四川农业大学环境学院，成都 611130；2.四川农业大学园艺学院，成都 611130；3.西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳 621010）

【目的】了解长期升温对高寒地带土壤酶活性的影响。【方法】采用开顶式生长室在川西北树线交错带进行原位模拟增温，研究长期升温对5种土壤酶（淀粉酶、蛋白酶、酸性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶）活性的影响。【结果】长期升温极显著增加树线交错带的酸性磷酸酶活性（P＜0.001），对其他几个酶的影响较小，但能促使土壤酶活性趋于稳定；在0～10 cm土壤中，长期升温显著降淀粉酶活性（P＜0.005）、极显著降低蛋白酶和脲酶的活性（P＜0.001）、极显著增加蔗糖酶和酸性磷酸酶的活性（P＜0.001）；长期升温对10～20 cm土壤酶活性的影响则基本相反。【结论】长期升温对树线交错带土壤酶活性的有明显影响，这种影响与酶的种类和土壤深度有关。

长期升温；土壤酶活性；川西北树线交错带

土壤酶是土壤物质循环等生化过程的重要参与者[1]，在森林生态系统中的物质循环和能量流动过程中扮演着重要的角色[2]，主要来源于土壤微生物的活动、植物根系分泌物和动植物残体腐解过程[3]。一般地，土壤酶活性随着土层深度的增加而降低[4]，常受地理区位/气候带[5]、生长季节[4]、群落类型[7]、土壤养分条件（特别是有机质含量）[4]、土壤含水量[8]、凋落物的种类和分解程度[8-9]等的影响。此外，不同的管理措施也会影响土壤酶活性[4]。

近几十年，人类活动加剧导致的全球变暖对陆地生态系统产生了深刻的影响，在高海拔和高纬度地区尤其明显[10]。这种剧烈的升温将会对高寒地段土壤酶活性产生深远影响，进而影响生态系统结构和功能。高海拔地区土壤酶活性的研究已陆续展开，如长白山高海拔地方土壤有机碳水解酶活性的温度敏感性比低海拔的高[11]。冬季积雪通过改变土壤温度和土壤含水量极显著地影响青藏高原东缘卡卡山暗针叶林的土壤酶活性，且与土壤酶的种类有关，而积雪周期没有显著影响[12]。若尔盖花湖湿地土壤酶活性则与地形、植被退化状况有关[13]。

青藏高原已经并即将经历比国内其他地区更严重的升温影响[14]，由此将会对该区域的土壤生态过程产生更深远影响。如模拟升温能极显著增加贡嘎山地区暗针叶林的土壤酶活性（增幅在15%以上），但这种促进作用因酶的种类而异，且随土层深度的增加而减弱[8]。而全球变暖对陆地生态系统的影响表现出明显的地理位置、群落类型和地形差异。因此，本研究采用2005年设置于川西北树线交错带的开顶式生长室（open-top chamber，OTC）进行原位模拟增温，研究长期升温对土壤水解酶（脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、淀粉酶和酸性磷酸酶）活性的影响，为揭示全球变化敏感区物质循环的机理提供基础数据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川王朗国家级自然保护区。地理位置为 E 103°55′～104°10′，N 32°49′～33°2′之间，地处高山峡谷区，海拔2300～4980 m，相对高差2500 m，平均海拔3200 m。本区属于丹巴～松潘半湿润气候，受季风影响，形成干湿季节差异。干季（11月—翌年4月），具有日照强、降水少、气候寒冷、空气干燥的特点。湿季（5—10月），具有降雨集中、多云雾、日照少的特点。年均气温2.5～2.9℃，极端低温-17.8℃，极端高温26.2℃，≥10℃的积温1056.5℃，年降水量859.5 mm，降雨日数195 d。该区土壤以暗棕壤、棕壤和山地草甸土为主，森林类型主要包括原始冷云杉针叶林、针阔混交林、桦木林以及人工针叶林等[1]。主要植被类型为以岷江冷杉、紫果云杉（Picea purpurea）、青杆（Picea wilsanii）和粗枝云杉（Picea asperata）组成的亚高山暗针叶林、亚高山草甸灌和次生林。区内无居民，人为干扰少，保持着完整的生态系统原始性、多样性和稀有性。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置

研究样地设在王朗国家级自然保护区大窝凼外侧坡林线交错带（32°59′N 104°01′E，3240 m a.s.l），采用OTC拟增温法，以川西亚高山树线交错带的复合群落土壤为研究对象。2005年9月，建立4个底面积为1.5 m×1.5 m，高2.6 m，顶部开口面积1.2 m×1.2 m的OTC。同时，在OTC附近设立4个对照小样方，其底面积由同样为1.5 m×1.5 m。每个OTC间的距离至少为5 m。OTC和对照样方中的植物均为原生植物。样地和OTC的详细描述及增温（生长季节平均增温2.75℃）见Xu Z.等[15]的描述。

1.2.2 样品采集

2015年8月，在每个样方内，采用土钻将OTC和对照的土壤按“S”（4个角离OTC各30 cm和中心）分层（0～10 cm、10～20 cm）进行采样。将各层样品混合后取混合样约3 kg，手工捡去石头和根系，置于野外采样箱中迅速带回实验室。一部分于常温阴凉处风干，过筛待测；另一部分置于低温冰箱中，用于测定与微生物相关的指标。采用以下常规方法测定各种土壤酶[3]：淀粉酶-3,5-二硝基水杨酸比色法、蛋白酶-茚三酮比色法、酸性磷酸酶-磷酸苯二钠比色法、脲酶-靛酚蓝比色法、蔗糖酶-磷酸铜比色法。每个测定重复3次（n=3）。

1.2.3 数据分析

所有数据均为平均值±标准误。升温对各种酶的影响采用单因素显著性检验（P＜0.05），升温和土壤层次对各种酶的交互作用采用双因素显著性分析检验。所有检验均在SPSS 20.0进行。

2 结果与分析

2.1 树线交错带土壤酶活性特征

升温略增加淀粉酶活性（F（1，10）=0.049，P=0.830），极显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，土壤酶的变异系数因酶的种类而变化较大；与对照相比，长期升温条件下土壤酶的变异系数更大。

表1 树线交错带土壤酶的描述性统计量Table1 Descriptive statistics of soil enzymes in treeline ecotone

2.2 升温对酶活性的影响

由图1可知，无论升温还是对照样方中，土壤深度对土壤酶活性均有极显著影响。在升温处理中，表层土壤中（0～10 cm）仅蔗糖酶极显著低于下层（10～20 cm），其余4种酶均为上层极显著高于下层。对照样方中则相反，表层土壤中（0～10 cm）中仅蔗糖酶极显著高于下层（10～20 cm），其余4种酶均为上层极显著低于下层。

图1 长期升温对土壤酶活性的影响（平均值±S.E.）Figure1 Effects of long-term simulated warming on soil enzyme activities(Mean±S.E.)

由图1可知，在上层土壤中，升温显著降低了淀粉酶活性（F（1，4）=12.150，P=0.025），极显著降低蛋白酶（F（1，4）=48，P=0.002）和脲酶（F（1，4）=36.1，P=0.004）的活性；极显著增加了蔗糖酶（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。在下层土壤中，升温显著增加蛋白酶（F（1，4）=10.000，P=0.034）和脲酶（F（1，4）=9.383，P=0.038）的活性；极显著增加了淀粉酶活性（F（1，4）=48.214，P=0.002）；极显著降低了蔗糖酶（F（1，4）=101.250，P=0.001）和酸性磷酸酶（F（1，4）=457.780，P＜0.001）活性。

双因素显著性分析表明（表2），长期升温仅酸性磷酸酶的活性有极显著影响，而对其他4种酶没有显著影响。土壤深度则对所涉及的5种酶均有极显著影响。长期升温和土壤深度的交互效应仅酸性磷酸酶的活性无显著影响，而对其他4种酶都有极显著影响。

3 讨论与结论

3.1 树线交错区的土壤酶含量

本研究中，土壤酶含量最小的是蛋白酶，最大的是蔗糖酶；其含量因酶的种类和土壤深度而有较大变化。与前人的研究相比，本研究中土壤酶含量受酶的种类影响较大。其原因可能是本研究设置在树线交错带的灌木林地、采样时间在生长季节；而其他研究多是设在森林[5，7，8，11]、草地[6，13]和低山丘陵区[4]，采样时间为非生长季节[12]等因素有关。对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变化幅度，更多的是集中于影响土壤酶的因素，比如养分含量等[7]。本研究对照中土壤酶活性的变化幅度较大，除蛋白酶外，其余的土壤酶活性变化幅度都在6%以上；长期升温在改变土壤酶活性的同时，使酶活性的变化幅度更小、更趋于稳定。

表2 升温和土壤深度对土壤酶影响的双因素显著性分析Table2 Results(P-value)of two-way factorial ANOVA on the effects of temperature and soil depth on soil enzymes

3.2 升温对土壤酶活性的影响

本实验表明，长期升温对树线交错带土壤酶的活性有显著或极显著影响。这与陈晓丽等[8]2015年在贡嘎山地区暗针叶林的升温实验结论一致；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；而后者实验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温幅度不一样，本实验采用OTC升温，生长季节的空气和土壤（5 cm处）温度增加为2.95和0.5℃，由此导致土壤水分比对照少2.4%[15]；而后者采用OTC配合地热系统升温（OTC的升温是全年进行；地加热增温一般是生长季节进行），地表的土壤和空气温度分别上升2.84和1.83℃，由此导致地表的空气湿度和表层土壤含水量降低5.27%和1.55%[8]。其二可能是本研究中主要涉及的是水解酶类，如与碳有关的蔗糖酶和淀粉酶，与氮有关的蛋白酶和脲酶，以及与磷有关的酸性磷酸酶；而后者的实验仅涉及氧化氢酶、多酚氧化酶和脲酶[8]。其三可能与群落类型和实验时间有关，本研究中凋落物主要是树线交错带灌木的阔叶落叶，升温时间达10 a；而后者的研究设置在贡嘎山地区暗针叶林中，凋落物以针叶为主，且实验时间仅有4 a；不同种类的凋落物在分解过程中必然会影响土壤酶的活性[9]。

本研究中，长期升温对土壤酶活性的影响与土壤深度密切相关。在表层土壤中，长期升温极显著降低了与氮分解有关的蛋白酶和脲酶的活性，极显著增加了与磷释放相关的酸性磷酸酶活性，而对与碳释放有关的酶则因酶的种类而异。而深层土壤中的表现则基本相反，即长期升温极显著地增加了蛋白酶和脲酶的活性、降低了酸性磷酸酶活性。这与前人的研究不完全一致，已有多数研究都表明，土壤酶基本随着升温而增加[8，16]，其原因可能是这些研究多数只涉及表层土壤，且升温较短（多为2～4 a）。本研究中，长期升温导致下层土壤中部分酶活性增加，可能与升温导致环境中土壤水分含量降低而产生的轻微缺水（但没达到干旱的标准）有关[8，15]，植物在缺水条件下倾向于将更多的物质分配到深层土壤的根系中[17]、形成更多的根系，这些根系活动将促进土壤酶活性的增加[18]。此外，长期升温还可能改变了土壤酶催化的底物（如土壤有机碳不同组分[19]）在土壤中的储存，长期升温也可能导致不同深度土壤中微生物类群发生改变[20]，进而导致土壤酶活性的变化不一致。

综上，长期升温能显著地改变（增加或降低）川西北树线交错带土壤水解酶的活性，且这种影响与土壤酶的种类和土壤深度有关。尽管本文对长期对土壤水解酶的影响进行了一些探讨，但全面地理解长期升温与土壤酶活性之间的反馈机理尚需要更进一步的系统研究。

［1］周礼恺.土壤酶学［M］.北京：科学出版社，1987：123-139.

［2］杨万勤，王开运.森林土壤酶的研究进展［J］.林业科学，2004，40（2）：152-159.

［3］关松荫.土壤酶及其研究法［M］.北京：农业出版社，1986：274-346.

［4］杨宁，邹冬生，杨满元，等.衡阳紫色土丘陵坡地不同植被恢复阶段土壤酶活性特征研究［J］.植物营养与肥料学报，2013，19（6）：1516-1524.

［5］王永生，于贵瑞，程淑兰，等.中国东部南北样带典型针叶林土壤酶活性分布格局［J］.生态学报，2015，35（11）：3636-3642.

［6］徐志超，宋彦涛，乌云娜，等.放牧影响下克氏针茅草原不同物候期土壤酶活性与微生物生物量的变化［J］.生态学杂志，2016，35（8）：2022-2028.

［7］杨瑞，刘帅，王紫泉，等.秦岭山脉典型林分土壤酶活性与土壤养分关系的探讨［J］.土壤学报，2016，53（4）：1037-1046.

［8］陈晓丽，王根绪，杨燕，等.山地森林表层土壤酶活性对短期增温及凋落物分解的响应［J］.生态学报，2015，35（21）：7071-7079.

［9］李鑫，李娅芸，安韶山，等.宁南山区典型草本植物茎叶分解对土壤酶活性及微生物多样性的影响［J］.应用生态学报，2016，27（10）：3182-3188.

［10］IPCC.Climate Change 2014：Synthesis Report.Contribution of Working Groups I，II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel onClimateChange［M］.IPCC，Geneva，Switzerland，2014：64-73.

［11］樊金娟，李丹丹，张心昱，等.北方温带森林不同海拔梯度土壤碳矿化速率及酶动力学参数温度敏感性［J］.应用生态学报，2016，27（1）：17-24.

［12］尹鹏，胡霞，廖金花，等.高山地区土壤微生物生物量和土壤酶活性对雪被变化的响应［J］.生态科学，2015，34（1）：91-96.

［13］孙飞达，青烨，朱灿，等.若尔盖高寒退化草地土壤水解酶活性和微生物群落数量特征分析［J］.干旱区资源与环境，2016，30（7）：119-125

［14］张人禾，苏凤阁，江志红，等.青藏高原21世纪气候和环境变化预估研究进展［J］.科学通报，2015，60（32）：3036-3047.

［15］XU Z，HU T，ZHANG Y.Effects of experimental warming on phenology，growthandgasexchangeoftreelinebirch （Betulautilis）saplings，Eastern Tibetan Plateau，China［J］.European Journal of Forest Research，2012，131（3）：811-819.

［16］张彭良.模拟增温对春小麦生长发育，根区土壤呼吸速率及酶活性的影响［J］.河南农业科学，2016，45（10）：55-59.

［17］石福孙，吴宁，罗鹏.川西北亚高山草甸植物群落结构及生物量对温度升高的响应［J］.生态学报，2008，28（11）：5286-5293.

［18］张婷婷，李立军，阿磊，等.牧草间作模式对盐碱化农田和黑土地土壤酶活性的影响［J］.中国农学通报，2016，32（24）：153-161.

［19］杨毅，黄玫，刘洪升，等.土壤呼吸的温度敏感性和适应性研究进展［J］.自然资源学报，2011，26（10）：1811-1820.

［20］李艳，高艳娜，戚志伟，等.滨海芦苇湿地土壤微生物数量对长期模拟增温的响应［J］.长江流域资源与环境，2016，25（11）：1738-1747.

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

国家自然科学基金（41671244）；四川农业大学大学生创新训练计划项目（201610626047）。

胡四维，本科生。*责任作者：鲜骏仁，副教授，博士，主要从事森林生态学和全球变化生态学研究，E-mail：xianjr@126.com。

（本文审稿：庞学勇；责任编辑：巩艳红；英文编辑：徐振锋）