喀斯特关键带不同干扰梯度下土壤-岩石界面对土壤有机质水解酶活性的影响

王思琦,薛亚芳,王 颖,杨丽扬,张永清,田 静

1 山西师范大学地理科学学院,临汾 041000 2 中国科学院地理科学与资源研究所,生态系统网络观测与模拟重点实验室,北京 100101 3 中国农业大学资源与环境学院,国家农业绿色发展研究院,教育部植物-土壤重点实验室,北京 100193

土壤水解酶主要是由微生物、植物根系分泌的具有高度催化作用的蛋白质,在促进土壤有机质(SOM)分解和腐殖质的合成、生态系统的物质循环和能量流动中发挥着重要的作用[1- 3]。土壤酶活性对环境的变化比土壤理化指标具有更高的敏感性,能较早地指示生态环境的变化[4- 6]；其次土壤酶活性可代表土壤中物质代谢的旺盛程度,反映微生物对养分的吸收利用状况,不仅能表征土壤养分转化能力,而且能反映生态系统的功能[7]。因此深入了解水解酶活性的变化规律可以提供有关参与SOM分解和土壤养分转化的关键反应的信息,进而了解土壤物质循环与转化潜力[2],为区域土壤质量演化及其评价提供重要理论依据[8]。

土地利用方式的改变是人类影响酶活性最重要、最直接的活动[9]。土地利用方式可以通过改变植被覆盖[10-12]、土壤养分含量[13-14]、水热条件[15]以及化学性质[16-17]进而影响土壤酶活性高低。我国的喀斯特地形分布广泛,其特点主要表现为地表植被稀少、岩石出露面积广、耕地土层浅薄并且不连续、营养贫乏、微地貌复杂多样等特征[10,18]。由于喀斯特地区特殊的形成基质[19]和生态环境条件,使得喀斯特地区土壤具有高度的空间异质性。土壤水解酶活性作为生态系统结构与功能的重要因子,对喀斯特生态系统的稳定性起着重要作用。近年来,不同学者对喀斯特地区不同土地利用下酶活性变化进行研究。例如刘璐等[20]对典型喀斯特区域的农田、草地、灌丛、次生林4种不同植被恢复阶段下的土壤进行研究,发现随着植被恢复土壤水解酶活性不断增加,这可能是由于喀斯特地区土壤有机碳(SOC)极高的稳定性导致微生物趋向于利用活性有机碳库。刘烁等[21]通过研究喀斯特小流域土壤水解酶活性的空间异质性特征,分析土地利用类型、坡向、坡位和土壤环境因子等对土壤水解酶活性及其空间异质性格局的影响,结果表明,研究区内的土壤水解酶活性均呈现中等程度的变异性,但土壤养分在不同坡位之间没有显著差异,导致土壤酶活性在不同坡向之间的差异不显著。蒲通达等[18]通过对喀斯特山区森林生态系统中不同微地形(石坑、石沟、石缝)和连片土面下土壤进行调查,探讨不同小生境条件下土壤SOM及酶活性的变化,结果表明受小生境地表微形态和微地貌空间变异的影响,小生境的成土条件和成土过程出现明显的差异,造成土壤养分及酶活性也出现较大的差别。

裸露岩石能够聚集土壤中的SOC和营养物质,其在维持土壤肥力、生态系统的可持续性和附近土壤的生物多样性方面的作用已经在沙漠的鹅卵石[22-23]、热带草原生态系统的沼泽[24]和原始冰川前田遗址的岩石中[25]被关注到。随着土地利用加剧,喀斯特地区大量岩石露出地表,裸露的岩石通过影响对地表光、水等资源的再分配,进而影响区域的小气候和植被的生长,致使岩石与浅薄土层相互镶嵌,导致喀斯特生境高度异质性和土壤生态功能显著差异[26]。但是目前岩溶地区岩石露头的生态功能还没有引起足够的重视,很少研究考虑喀斯特地区不同干扰梯度下岩石出露(如土壤-岩石界面)对土壤酶活性异质性分布的影响。因此本文以贵州省普定县陈旗和天龙山流域为研究区域,探究不同干扰梯度下岩石-土壤界面对参与土壤C和N周转的水解酶活性的影响,同时探讨了土壤水解酶活性与环境因子之间的关系,研究可为喀斯特地区环境退化和土壤石漠化提供预警,同时为土地资源保护、生态环境恢复和可持续管理提供重要的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省安顺市普定县的陈旗流域(26°15′37″—26°15′40″ N, 105°46′11″—105°46′29″ E)和天龙山流域(26°14′48″N, 105°45′51″E),海拔高度1310—1524m,碳酸盐岩分布广泛,且岩石裸露率高,主要岩石类型为中厚至薄层的石灰岩、泥灰岩[21],属于典型的喀斯特地貌。研究区年平均气温15.1 C,年平均降水量1390mm[27],降水集中在5—10月,属亚热带季风性湿润气候类型[28]；表层土壤类型以黄棕壤为主,土层浅薄且连续性差,呈斑、块状分布于溶沟、溶槽和溶缝内；中间喀斯特洼地地势开阔和缓,沿东西向伸展,地表覆盖暗棕色厚层第四纪松散堆积物[29]。根据人为干扰的梯度,我们在研究区选择了原生林(primary forest, PF)、次生林(secondary forest,SF)、弃耕地(abandoned land,AL)和耕地(cultivated land,CL)4种主要的土地利用类型,干扰强度由原生林到耕地逐渐增大。其中原生林为约100年内未曾砍伐的自然状态林地,主要植被为窄叶石栎(Lithocarpusconfinis)和安顺润楠(Machiluscavaleriei)；次生林在20世纪80年代遭到毁林伐木,2000年后封山育林,主要植被为响叶杨(Populusadenopoda)、盐肤木(Rhuschinensis)和红叶木姜子(Litsearubescens)；弃耕地曾有多年耕种历史,退耕还林政策实施后约5年内没有人为干扰,现主要植被为香丝草(Conyzabonariensis)和白茅(Imperatacylindrica)；耕地中的主要作物为玉米(Zeamays)、番薯(Ipomoeabatatas)和大豆(Glycinemax)。次生林、弃耕地、耕地设置在陈旗流域,原生林设置在距陈旗2km的天龙山流域,土壤类型和地质条件相同。

1.2 样品采集

2017年4月,我们在4种不同的土地利用类型中分别建立6个具有代表性的样方(10m×20m),样方间至少相隔30m。在设立样地时,为增加实验的可比性和科学性,尽量使坡度、坡位等区位因素保持一致。在每个样方中,考虑到不同人为干扰强度和出露岩石的影响,分别在裸露岩石周围(距离岩石约 2 cm,定义为土壤-岩石界面土壤)和远离岩石的非界面处(距离岩石约20 cm,定义为非交界土壤)用小土铲采集0—10 cm表层土壤(图1)。取样前先清除地表植物或凋落物,每个样点随机采集4个土样,然后均匀混合形成一个具有代表性的土壤样品。采集土壤样品后,去除样品中的石块、植物根系等非土壤成分,过2 mm筛后,装袋4℃冷藏运回实验室,用于后期测试分析指标。

图1 土壤样品采样示意图Fig.1 Schematic diagram of soil sampling

1.3 样品测试

土壤水解酶活性的测定方法参考Saiya-Cork[32],共测定了6种参与C、N循环的水解酶,具体方法为：取样品1g鲜土,加入125mL的pH=7.3(由土壤pH值决定)的50mmol/L醋酸钠缓冲液充分混匀,制备土壤悬浮液,吸取200μL土壤悬浮液和50μL底物注入96微孔板内,在20℃黑暗条件下培养4h,加入10μL 1 mol/L NaOH终止反应。采用微孔板荧光法,使用多功能酶标仪(SynergyH4,BioTek)测定其荧光值。底物以碳为主的多糖(纤维素)、芳香族化合物(木质素)和脂肪族化合物,测定其分解酶主要包括β- 1,4-葡萄糖苷酶(βG)、β- 1,4-木糖苷酶(βX)、纤维素二糖水解酶(CBH)和α- 1,4-葡萄糖苷酶(αG)。底物为以氮为主的氨基化合物、缩氨酸和非缩氨基化合物,测定其分解酶包括β- 1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶(NAG)和亮氨酸氨基肽酶(LAP)。所测定的水解酶都通过预实验确定获得最大酶活性所需要的底物浓度和标准物浓度。

1.4 数据处理

采用双因素方差分析(ANOVA)和LSD多重比较法对不同干扰梯度与不同位置的土壤理化性质和酶活性进行差异显著性检验(SAS Inc.,Cary, NC, USA),显著水平设置为P=0.05。采用CANOCO软件(version 5.0, Microcomputer Power, Inc., Ithaca, NY, USA)对土壤酶活性进行主成分分析(PCA)。借助冗余分析(RDA),探讨环境因子对土壤酶活性变异的贡献作用大小。

2 结果与分析

2.1 不同干扰梯度下土壤-岩石界面对土壤理化性质的影响

2.2 不同干扰梯度下土壤-岩石界面的酶活性

主成分分析表明,土壤酶活性在不同干扰梯度下非交界处土壤和土壤-岩石界面土壤中有明显的分异(图1)。主成分1(PC1)和主成分2(PC2)的方差贡献率分别为74.7%和9.91%,累计方差贡献率为84.6%,说明不同干扰梯度和土壤-岩石界面对土壤水解酶活性均有显著影响。

表1 不同干扰梯度及土壤位置对土壤理化性质的影响

图2 土壤有机质水解酶活性的主成分分析Fig.2 Principal component analysis of soil organic matter hydrolytic enzyme activities

不同干扰梯度下土壤酶活性差异显著(图2)。与碳循环有关的βG、βX、CBH和αG酶活性在弃耕地和耕地高于原生林和次生林,而与氮循环有关的NAG和LAP在原生林和弃耕地中表现出更高的活性。

研究发现所有水解酶活性在弃耕地中的土壤-岩石交界处最大,在原生林和弃耕地中均表现为非交界处<土壤-岩石交界处(图2)。在次生林中,所有水解酶活性在非交界处和土壤-岩石交界处差异不显著。在耕地中NAG表现为非交界处<土壤-岩石交界处,其余水解酶在非交界处和土壤-岩石交界处差异不显著。

图3 不同干扰梯度及土壤位置对有机质水解酶活性的影响Fig.3 Effects of land use intensities and soil location on soil organic matter hydrolytic enzyme activities 大写字母表示土地利用类型间存在显著性差异,小写字母表示同一土地利用类型下不同土壤位置存在显著性差异(P<0.05);误差线表示均值的标准误差(n=6)

2.3 不同干扰梯度下土壤-岩石界面酶活性的主要环境影响因子

以6种土壤水解酶活性为响应变量, 以土壤理化性质为解释变量, 对不同干扰梯度下土壤-岩石界面酶活性进行冗余分析, 从而探究土壤理化性质和微生物胞外酶活性之间的相关关系(图3)。RDA1和RDA2分别解释了总变量的50.6%和2.76%。

图4 不同干扰梯度及土壤位置水解酶活性与环境因子的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis of hydrolytic enzyme activity and environmental factors with different land use intensities and soil location

3 讨论

3.1 不同干扰梯度和土壤-岩石界面对土壤理化性质的影响

3.2 不同干扰梯度和土壤-岩石界面的酶活性及影响机制

土壤酶作为土壤中各种生化反应重要的催化剂,是生态系统物质循环中不可或缺的重要部分。土壤酶活性具有表征土壤碳氮代谢循环和微生物活性的能力,可以反映出土壤养分的累积、分解和矿化等规律[38]。在本研究涉及的6种酶之中,活性最高的是βG,说明了C转化在喀斯特地区土壤中的重要性。6种水解酶在弃耕地中活性最大,这可能是由于营养资源的限制造成的。营养限制(尤其是氮营养)通常是修复初期的一个常见问题[39]。根据微生物经济学理论,当单一营养物质缺乏而复合营养物质丰富时,酶的产量会增加；然而,资源的限制也会限制酶的生产,即酶活性的不同反应可能是由营养供给驱动的酶生产(即生物量效应)或营养需求驱动的酶生产(即资源配置)驱动的[40-41]。本研究中的弃耕地正处于退耕还林还草的修复初期,植被类型多为灌木丛和灌草丛,植物生产力低,可供分解的凋落物少,不能为土壤微生物的生命活动提供丰富的营养物质,当可利用的营养物质缺乏时,微生物可以产生酶来调动其他复杂来源的资源[42-43]。因此,弃耕地养分含量不足会导致养分需求驱动的酶生产,导致酶活性增加,有助于克服养分限制[44]。我们的研究结果也支持了生态经济学的“最优配置”理论[40-41]。

表2 不同干扰梯度及土壤位置有机质水解酶活性受环境因子影响的蒙特卡洛检验

Table 2 Monte Carlo test of environmental factors affecting the activity of organic matter hydrolytic enzyme in different land use intensities and soil location

环境因子Environmental factor贡献率%Contribution rateFPpH26.211.30.002SOC22.78.030.008TN0.830.410.574SOC∶TN6.603.210.082DOC33.410.20.002NO-3-N1.140.540.492NH+4-N9.114.220.026

在本研究中,所有水解酶活性在原生林和弃耕地中的土壤-岩石交界处表现出更高的活性,再一次验证了裸露岩石可以在其附近通过水分在土壤中流动聚集营养成分的作用[25]。但在耕地中,除NAG外其余水解酶在非交界处和土壤-岩石交界处差异并不显著,这可能是由于在农业生产活动中人为使用肥料造成的[45]。为了提高土壤肥力,在耕地中使用肥料可以促进作物生长,增加根系分泌物和凋落物等向土壤中输入,使土壤微生物陈新代谢加快,微生物量增加,进而促进微生物活性和C、N循环[46-47],弥补了农作物吸收和裸岩截留的养分损失。同时也进一步说明人为扰动强度越大,越会干扰裸露岩石对水解酶活性的影响。

4 结论