荒漠草原土壤酶活性及化学计量特征对不同载畜率的响应

李雅男， 李邵宇， 孙 宇， 胡雪峰， 贺启珅， 张 彬， 赵萌莉

(内蒙古农业大学草原与资源环境学院,草地资源教育部重点实验室, 内蒙古 呼和浩特 010019)

土壤酶是一种蛋白质性质的高分子活性物质[1]，其作为土壤生态系统的组分之一，参与生态系统能量流动和物种循环过程，是生态系统中复杂的生物化学过程的催化剂[2]，不仅可以表征土壤肥力[3]，还可以反映土壤活性的高低[4]，是衡量土壤质量的重要指标[5]。土壤中被鉴定出的约60种酶活性表明，土壤酶活性与土壤理化性质、环境因子等有关[6]，酶的催化对土壤中碳(C)、氮(N)、磷(P)的循环有重要作用[7]。多种不同功能的酶共存于土壤环境中，其中α-葡萄糖苷酶(αCG)、β-葡萄糖苷酶(βCG)、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP) 和碱性磷酸酶(ALP)与土壤养分循环密切相关[8]。

土壤酶化学计量是指生态系统中参与养分循环的土壤酶活性的比值[9]，其大小能够表征土壤微生物养分需求[10]，指示土壤养分限制情况[11]，近年来对土壤酶的研究逐渐成为生态学领域研究热点[12]。Sinsabaugh等[13]对全球尺度不同生态系统土壤酶研究发现，增温和增雨处理会显著增加N降解酶和P降解酶活性，却对C降解酶活性几乎无影响[14]，喻岚晖[15]在对退化高寒草甸的研究中发现，C循环酶和P循环酶及C/N，C/P在中度退化最高，而P循环酶在中度放牧最高，N/P在各退化程度间差异不显著。李雪丽等[16]研究松嫩草地不同演替阶段土壤酶发现，松嫩退化草地在演替过程中受P限制，且随着草地恢复演替P限制逐渐减弱。综上，环境因子与土壤酶联系密切，但环境因子对土壤酶贡献如何尚无定论，因此不同生态系统环境因子对土壤酶的实际影响仍需进一步研究。

放牧是草地维持健康的主要驱动力[17]，动物的采食和践踏改变了凋落物的含量等，进而影响C，N循环[18]，动物排泄物的归还也会影响土壤的养分循环[19]。放牧会增加典型草原多酚氧化酶和过氧化氢酶活性，轻度放牧会显著增加脲酶活性[20]，随着放牧强度的增加，贝加尔针茅草原(Stipacapillata)脲酶和磷酸酶活性显著降低[21]，而在克什针茅(StipakryloviiRoshev)草原，重度放牧较轻度放牧和中度放牧显著增加了脲酶活性[22]，以上研究结果表明，放牧对不同草地类型的土壤酶化学计量的影响不同。荒漠草原是内蒙古地区重要的生态系统[23]，本研究以内蒙古短花针茅(Stipabreviflora)荒漠草原为研究对象，通过回答以下问题：(1) 不同载畜率土壤酶活性及化学计量比如何变化;(2)不同载畜率土壤理化性质如何调节土壤酶化学计量，二者有何关系。探究土壤酶活性及其化学计量特征对不同载畜率的响应，旨在为内蒙古荒漠草原合理利用和生态修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验依托于内蒙古农牧业科学院综合试验示范中心四子王旗基地(41°46′44″N，111°53′42″E)平台，该区海拔 1 456 m，典型的中温带大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热，而冬季寒冷漫长。年均降水量为 234 mm，降水主要集中在 4—9月；年均风速为 4～5 m·s-1。地带性植被类型为短花针茅荒漠草原，建群种为短花针茅，主要优势种为无芒隐子草(Cleistogenessongorica)和冷蒿(Artemisiafrigida)，植被稀疏低矮，群落高度为 8～10 cm，盖度为 17%～20%。土壤为淡栗钙土，土层约1 m厚，钙积层在离地面40～50 cm处出现，试验地土壤较贫瘠，土体坚硬、透气保水性差、有机质含量较低，约为14 g·kg-1[24]。

1.2 试验设计

试验区于2004年开始采用随机区组进行围栏放牧处理，样地总面积50 hm2，分为3个大区组，每个区组内设置4个载畜率水平：对照区(Control,CK)、轻度放牧区(Light grazing,LG)、中度放牧区(Moderate grazing,MG)、重度放牧区(Heavy grazing,HG),每个小区内载畜率分别为0，0.91，1.82，2.71羊单位-1·hm-2·(0.5a)-1(分别为0，4，8，12只羊)。每年6月开始放牧，10月结束。每天早晨6点将试验所用羊赶入放牧区让其自由采食，晚6点赶回羊圈休息。

图1 试验小区示意图Fig.1 Diagrammatic illustration of the experimental block

1.3 样品采集

实验于2021年5月于内蒙古四子王旗荒漠草原长期放牧平台进行(自2004年起，样地均按照试验设计方案放牧)，因土壤异质性较大[24]，故选取试验区地势平坦的区域，用网格法采集土壤样品。每个小区设置3个10 m×10 m的大样方，样方内间隔2 m，使用直径为7 cm的土钻收集0～10 cm的表层土壤。共在4个处理3个区组的12块样地内取1296钻土，6钻合1钻，共计216份土壤样品。每个处理54个重复。将土样中的砾石、植物根和凋落物剔除，过2 mm筛后混匀装入自封袋，放入冰盒带回实验室，土样分两部分保存，一部分置于庇荫处风干后进行土壤理化性质指标的测定，另一部分放入-80℃冰箱保存，用于酶活性的测定。具体测定指标及方法见表1。

表1 测定指标及测定方法[14,24]Table 1 Measurement indexes and measurement methods

1.4 指标测定

1.5 数据统计与分析

使用Microsoft Excel 2016进行数据初步汇总整理，使用SPSS (IBM SPSS Statistics 23)进行数据分析，其中，不同放牧强度下土壤酶活性和理化性质的差异显著性采用单因素方差分析，各处理间为Duncan比较(P= 0.05)，土壤理化性质与土壤酶活性做相关性分析，使用Origin2019b及R corrplot数据包(R Core Team 3.6.3) 绘图。

2 结果与分析

2.1 不同载畜率土壤理化性质

由表2可知，随放牧强度增加，毛管持水量(CC)、土壤有机碳(SOC)含量、土壤全氮(TN)含量、土壤全磷(TP)含量均呈降低趋势(P<0.05)，土壤容重(BD)和土壤pH值呈增加趋势(P<0.05)。其中，CC在CK和LG显著低于MG和HG；BD在CK和LG显著低于MG和HG(P<0.05)；土壤pH值在CK显著低于MG和HG(P<0.05)；CK和LG的SOC含量显著高于MG和HG(P<0.05)；随着载畜率的增加，TN含量显著降低(P<0.05)；TP含量在CK显著高于LG和HG(P<0.05)。

表2 不同载畜率土壤理化性质变化Table 2 Changes in soil physiochemical properties of different stocking rates

2.2 不同载畜率土壤酶活性

随着放牧强度的增加，αCG，βCG，NAG，LAP，ALP活性均呈降低趋势(图2)。其中，和CK相比，αCG活性随放牧强度增加显著降低(P<0.05)，波动范围为0.5～3.5 μmol·(d·g)-1；βCG活性在CK显著高于LG，LG显著高于HG，MG与LG，HG之间差异不显著，于22～30 μmol·(d·g)-1范围内波动；随放牧强度的增加，NAG活性显著下降(P<0.05)，在CK酶活性最高，为7.5 μmol·(d·g)-1；LAP在MG和HG显著低于LG显著低于CK(P<0.05)；MG高于HG但未达到显著水平(P>0.05)，在CK酶活性最高，为24 μmol·(d·g)-1；ALP在CK显著高于MG显著高于HG(P<0.05)，CK与LG，LG与MG差异不显著，酶活性在9～13 μmol·(d·g)-1之间波动。

图2 不同载畜率土壤酶活性变化Fig.2 Changes in soil enzyme activity in different stocking rates注：不同小写字母表示同一指标不同载畜率之间差异显著(P<0.05),下同Note：Different lowercase letters indicate that there are significant differences between different animal loading rates of the same index at the 0.05 level,the same as below

2.3 不同载畜率土壤酶活化学计量特征

随放牧强度的增加，土壤碳氮酶化学计量比((αCG+βCG)∶(NAG+LAP))呈增加趋势，而土壤氮磷酶化学计量比((NAG+LAP)∶ALP)呈降低趋势，土壤碳磷酶化学计量比((αCG+βCG)∶ALP)变化趋势不明显(图3)。CK区内(αCG+βCG)∶(NAG+LAP)主要集中在1～1.4范围内，在LG，MG，HG分别集中在1～1.6，1.3～1.7，1.4～1.8之间；(NAG+LAP)∶ALP在CK，LG，MG，HG的集中范围分别为2～2.2，1.7～2.4，1.4～1.6，1.5～1.8；(αCG+βCG)∶ALP在CK，LG，HG内较为平均，在MG主要集中在2.2～2.6。在对不同载畜率下土壤酶化学计量数据标准化后，随着放牧强度的增加，ln(αCG+βCG)∶(NAG+LAP)显著增加(P<0.05)；ln(NAG+LAP)∶ALP随放牧强度增加而降低，其中，CK和LG显著高于MG和HG(P<0.05)，CK和LG，MG和HG之间差异不显著；ln(αCG+βCG)∶ALP在各放牧强度之间的差异未达到显著水平。

图3 不同载畜率土壤酶化学计量变化Fig.3 Changes in soil enzymes stoichiometric in different stocking rates注：(αCG+βCG)∶(NAG+LAP)，土壤碳氮酶化学计量比；(NAG+LAP)∶ALP，土壤氮磷化学计量比；(αCG+βCG)∶ALP，土壤碳磷化学计量比；ln(αCG+βCG)∶(NAG+LAP)，土壤碳氮酶化学计量比对数；ln(NAG+LAP)∶ALP，土壤氮磷化学计量比对数；ln(αCG+βCG)∶ALP，土壤碳磷化学计量比对数Note:(αCG+βCG)∶(NAG+LAP),Soil carbon and niotrogen enzyme stoichiometric ratio;(NAG+LAP)∶ALP,Soil niotrogen and phosphatase stoichiometric ratios;(αCG+βCG)：ALP,Soil carbon and phosphatase stoichiometric ratios. ln(αCG+βCG)∶(NAG+LAP),Soil carbon and niotrogen enzyme stoichiometric logarithmic ratio;ln(NAG+LAP)∶ALP,Soil niotrogen and phosphatase stoichiometric logarithmic ratios;ln(αCG+βCG)∶ALP,Soil carbon and phosphatase stoichiometric logarithmic ratios

2.4 土壤理化性质与土壤酶活性相关性分析

土壤理化性质与土壤酶的相关性结果表明(图4),BD和CC，土壤pH值和TN呈负相关关系；LAP和αCG，βCG，NAG，TN，TP，βCG和NAG，αCG，TN，NAG和αCG，TN，αCG和TN，TP，ALP，TN和TP，ALP，TP和ALP均呈正相关关系。

图4 不同载畜率土壤酶活性和理化性质相关性Fig.4 Correlation between soil physical and chemical properties and enzyme activities in different stocking rates注：蓝色圆圈表示2个因子间呈正相关关系，红色圆圈表示2个因子间呈负相关关系。BD，土壤容重；CC，土壤毛管持水量；SOC，土壤有机碳含量；LAP，亮氨酸氨基肽酶；αCG，α-葡萄糖苷酶；βCG，β-葡萄糖苷酶；NAG，β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶；ALP和碱性磷酸酶；TN，土壤全氮；TP，土壤全磷；SOC，土壤有机碳Note:The blue circle indicates a positive correlation between the two factors,and the red circle indicates a negative correlation between the two factors. BD,Soil bulk density;CC,Soil capillary water holdings;SOC,Soil organic carbon content;LAP,leucine aminopeptidase;alphaCG,α-glucosidase;βCG,β-glucosidase;NAG,β-N-acetyl glucosaminease;ALP and alkaline phosphatase;TN,Soil total nitrogen;TP,Soil total phosphorus;SOC,Soil organic carbon

3 讨论

3.1 不同载畜率对土壤理化性质的影响

土壤是生态系统中能量流动与物质循环的重要场所[25]，放牧是草原主要利用方式之一，通过家畜的践踏、采食、粪尿返还等行为改变土壤的理化性质[26]。本研究发现，土壤毛管持水量随放牧强度增加而降低，而土壤容重则表现出相反的趋势，即随放牧强度的增加而增加，此结果与通乐嘎[27]等的研究结果一致。一方面是由于放牧强度越强，家畜对土壤的踩踏越严重，增加了土壤紧实度，土壤孔隙度减小，土壤渗透性减少，导致土壤容重增加，毛管持水量减少[28]；另一方面，植物根系的生长也是影响土壤容重的重要因素之一[29]，随着放牧强度的增加，土壤状况逐渐恶化，影响植物根系生长，进而影响土壤容重。随着动物的践踏和采食行为的增强，植被盖度和地表凋落物的累积越来越少，增大了地表的裸漏面积，地表水分蒸发量增加，进而使毛管持水量减少[30]。土壤pH值随放牧强度的增加而增加，可能是因为动物的粪尿排泄量增加，致使土壤中阳离子含量增加，土壤pH值增加[31]。土壤有机碳含量随放牧强度增加而降低，重度放牧显著低于轻度放牧(P<0.05)，可能是由于放牧降低了植被盖度和生物量，减少了凋落物累积，降低了草地初级生产力，输入土壤中的有机碳含量减少[32]。土壤全氮、全磷随放牧强度的增加而降低，此结果与周天阳等[33]研究结果一致，可能是因为放牧降低了凋落物质量，致使有机质分解作用减弱，减弱了微生境内的生物地球化学循环[34]。

3.2 放牧对土壤酶活性及其化学计量比的影响

土壤酶主要由植物根系和微生物分泌产生，可将土壤有机和无机成分充分结合，是土壤中元素生物地球化学循环的催化剂[35]。本研究发现，放牧显著降低了αCG,βCG,NAG,LAP和ALP活性，说明随着放牧强度的增加，荒漠草原生态系统土壤碳、氮、磷元素生化反应速率减慢。一方面，可能由于放牧强度越强，群落生产力越低，群落结构趋于简化，不利于土壤动物和微生物的生存[36]，另一方面，土壤有机碳、全氮、全磷含量均随放牧强度增加而降低，说明放牧降低了养分的周转速率，重度放牧条件下碳、氮、磷库存较小，不能为土壤酶提供充足的反应底物，致使土壤酶活性下降。此外，重度放牧条件下，土壤微生物活性大幅下降，也可能是导致土壤酶活性下降的重要原因。

土壤酶化学计量比可以用来预测土壤养分循环限制元素[37]，全球生态系统碳氮酶化学计量比平均水平为1.41，碳磷比为0.62，氮磷比为0.44，C∶N∶P约为1∶1∶1[38]，内蒙古短花针茅(Stipabreviflora)荒漠草原碳氮酶化学计量比低于全球平均水平，而碳磷酶化学计量比和氮磷酶化学计量比均高于全球平均水平，说明内蒙古荒漠草原中可分解氮的酶活性较高，而分解磷素的酶活性较低[39]。土壤碳氮酶化学计量比随放牧强度的增加而增加，这表明微生物存在一定的碳限制，微生物所利用的氮含量相比于碳较富足，土壤微生物减少对于氮相关的酶的投入，更倾向于分泌碳相关酶来获取养分，其效率大于氮相关酶。氮磷酶化学计量比随放牧强度的增加而降低，可能是载畜率增加加剧了草地的退化，土壤理化性质、群落种类组成及微生物多样性均发生变化，在此过程中消耗了参与氮循环的微生物，同时，氮磷酶化学计量比降低说明生态系统可能存在氮限制[40]。

3.3 土壤酶与环境因子的相互关系

土壤酶对环境因子的变化十分敏感[41]，本研究发现(图4)，与氮、氮、磷相关的5种酶均与土壤全氮呈现出较强的正相关关系，与朱琳等[42]研究结果一致，ALP与土壤全磷呈显著正相关(P<0.05)，赛牙热木·哈力甫[43]也得出相同结论。NAG和LAP参与土壤氮循环过程，ALP参与土壤磷循环过程，放牧通过降低土壤中氮素含量和磷素含量抑制酶活性；αCG和βCG与全氮呈正相关关系的原因是，氮是植物生长必备的营养元素之一，土壤中氮素含量随放牧强度增加而减少，致使植物生物量减少，进而导致输入土壤中的碳素减少。根据资源分配理论，土壤微生物获取养分和能量后，酶的分泌和生化特性发生改变，进而影响了酶的活性[44]。Weand等[45]发现ALP与土壤氮素含量密切相关，与本研究结果一致，这可能是因为一种养分含量的增加，会导致植物和微生物对另一种养分含量投资的增加，如磷含量的增加会导致植物和微生物获取氮的效率有所提高[46]。以上结果也反映出土壤酶活性与养分变化具有趋同性。本研究结果还显示，5种土壤酶之间也存在正相关关系，这说明土壤酶之间存在一定的促进作用，即一种酶通过调节酶促产物含量和土壤微环境理化性质对另一种酶活性起到促进作用[42]。

4 结论

不同载畜率间土壤理化性质存在差异，其中中度放牧和重度放牧显著降低了毛管持水量和土壤有机碳含量，增加了土壤容重和土壤pH值，随放牧强度增加土壤全氮和土壤全磷含量显著降低(P<0.05)；与碳、氮、磷循环相关的5种酶活性均随载畜率增加而降低，土壤酶活性与养分变化具有协同性；以上5种土壤酶均与土壤全氮呈现出较强的相关性(P<0.05)。本研究可为荒漠草原生态修复提供理论依据。