黃土高原刺槐人工林根際和非根際土壤磷酸酶活性對模擬降水變化的響應

劉 迪, 鄧 強, 時新榮1,, 袁志友1,

(1.西北農林科技大學, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 林學院, 陜西 楊凌 712100;3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100)

人類活動導致的全球變暖使降水格局發生改變，溫度上升增加了海洋和陸地的蒸騰，導致降雨增加，同時也會增加蒸散量，其結果是進一步減少土壤的濕潤度，干旱地區溫度升高可能會使本地區更加干旱[1]。多個大氣循環模型預測未來極端降水事件和極端干旱事件發生的頻率會顯著增加[2]。降水變化影響土壤物理化學性質[3]、分解者活動和有機物質分解速率，從而改變土壤養分動力學和生物有效性[4-5]。在全球尺度上，溫度上升導致連續無雨日數和連續降雨日數等極端降水指數有顯著升高的趨勢；在區域尺度上，尤其是生態環境脆弱的地區，極端降水事件更加受到廣泛關注[6]。

圖1 降水變化影響土壤有機磷的概念

土壤磷酸酶(Soil phosphatase)是催化土壤有機磷加快礦化的一類水解酶的合稱，主要來自植物根系和土壤微生物，也有少部分來自動植物殘體[7]。土壤磷酸酶活性是衡量土壤有機磷礦化速率和磷素有效性的重要指標[8]，有學者認為，在磷酸酶缺乏的情況下，土壤有機磷的釋放需要幾百年的時間[9]。根據已有研究，土壤有機磷主要來自動植物殘體和動物排泄物，其在土壤中可進行不斷轉化，降水對土壤磷酸酶以及有機磷礦化過程影響機制如圖1所示，磷酸酶的催化作用在此過程中必不可少[10]，并且與植物根系相互作用，而細根(直徑≤2 mm)因大的根系表面積和強的活性，與磷酸酶活性關系密切[11]，研究發現，細根生物量越大，根系分泌速率越高[12]。磷酸酶活性極易受環境因子變化的影響，其中與降水變化的關系仍不明確，其對降水變化的響應因生態環境和植被類型的不同而具有明顯的差異性[7-13]。磷酸酶活性與土壤有機磷的關系復雜，有機磷作為磷酸酶的底物，其含量升高有利于磷酸酶的產生[14]，而過多的磷酸酶又會反作用于有機磷[15]。目前，有關不同降水變化對黃土高原森林生態系統土壤磷酸酶活性影響的野外試驗還未見報導[16]，其余地區已有的相關試驗還未考慮在多個降水處理強度下，尤其是極端干旱和極端降水條件下土壤磷酸酶的響應規律[17]。由于土壤中的磷與水分密切相關，可以預測，在干旱的黃土高原區的土壤磷酸酶活性對降水變化的響應會與其他生態系統有所不同。

黃土高原由于其脆弱的生態環境，極容易受到未來降水格局變化的影響，降水已經成為黃土高原半干旱區的主要限制因素，據近年來的統計結果顯示，黃土高原大部分區域極端干旱發生頻率有升高的趨勢[18]。刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)具有較強的抗旱能力，是黃土高原主要造林樹種之一，在該地區分布非常廣泛，但近年來因刺槐林立地條件不適宜而逐漸出現樹種結構單一、生態效益低下、林分退化等問題[19]。在全球降水變化背景下研究刺槐林地土壤磷酸酶的變化方向對黃土高原地區植被恢復和水土保持工作有著重要指導意義。本研究以黃土高原35 a生刺槐人工林為研究對象，進行野外控制穿透雨試驗，旨在研究：(1) 根際和非根際土磷酸酶活性對7個穿透雨變化強度的響應規律及原因；(2) 比較根際土與非根際土間磷酸酶活性的差異；(3) 根際和非根際磷酸酶活性在土層間的變化特征；(4) 探索影響根際和非根際土磷酸酶活性的主要因子及影響特征。為研究全球氣候變化下森林土壤有機磷礦化潛力、磷素生物轉化方向及其強度提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地點位于陜西省咸陽市永壽縣槐平林場(34°83′N，108°09′E)，海拔1 382 m，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，冬季漫長干寒，夏季短暫溫濕，年平均氣溫10.8℃，年平均降雨量602 mm，試驗期間月平均降雨量和月平均氣溫如圖2所示。土壤母質為黃土，土壤類型為黃綿土、褐土和黑壚土。土壤基本理化性質如下：總有機碳19.1 g/kg，總氮1.10 g/kg，總磷0.67 g/kg，速效磷16.1 mg/kg，速效鉀0.14 g/kg，土壤含水量12.0%，pH值8.07?；逼搅謭鲈谥脖粎^劃分類型上屬暖溫帶落葉闊葉林區域，喬木層結構較單一，現主要為林齡在30～35 a的刺槐人工林，其林下灌木主要有茅梅(RubusparvifoliusLinn.)、南蛇藤(CelastrusorbiculatusThunb.)、山梅花(PhiladelphusincanusKoehne)等；草本層主要包括三脈紫菀(AsterageratoidesTurcz.)、拉拉藤(Humulusscandens(Lour.)Merr.)、老鸛草(Geraniumwilfordiimaxim.)、天名精(CarpesiumabrotanoidesL.)、商陸(PhytolaccaacinosaRoxb.)等。

圖2 試驗期間研究區月降水量和氣溫變化

1.2 樣地設置

我們選擇黃土高原刺槐人工林，于2015年6月在該研究樣地進行穿透雨控制試驗，共設置21塊15 m×15 m的樣方，樣方間隔不小于100 m，分成7組處理模式，分別為減水80%(攔截穿透雨面積為林地投影面積的80%)、減水60%(攔截穿透雨面積為林地投影面積的60%)、減水20%(攔截穿透雨面積為林地投影面積的20%)、對照、增水20%(施加減水20%樣地攔截的穿透雨)、增水60%(施加減水60%樣地攔截的穿透雨)、增水80%(施加減水80%樣地攔截的穿透雨)，每個處理模式設置3個重復樣方。減水處理采用透光率90%的PE薄膜作為遮雨膜，減水樣方按照減水比率×樣方林地投影面積布設相應面積的遮雨膜，根據樣方地勢走向和坡度，設置PVC水管收集遮雨膜上的雨水，每次降水后，將收集的雨水均勻轉移到相同比率的增水樣方中，來實現一定比率降水的增加和減少。

1.3 植物樣和土樣采集

本次研究于2017年7月進行土壤樣品采集，在每個處理樣地內，按照五點取樣法，將50 cm×50 cm樣方框內植物綠色部分齊地面剪下，分類裝入信封袋并標記，75℃烘干至恒重后稱重。用直徑9 cm根鉆分層采集0—10 cm，20—40 cm，40—60 cm的土樣，采用抖落法挑出30 g根際土與30 g非根際土，分別裝入干凈聚乙烯自封袋，4 ℃冰箱保存，用于測定堿性磷酸酶活性，其余土樣去除可見雜物后，取約30 g裝入鋁盒，測定土壤含水量，約200 g自然風干，測定土壤理化指標。剩余土樣用0.2 mm篩子沖洗，揀出細根(直徑≤2 mm)，75℃烘干至恒重后稱重。

1.4 指標測定方法

總有機碳測定采用重鉻酸鉀外加熱法，總氮測定采用凱式定氮法，總磷測定采用酸解—鉬銻抗比色法，速效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定，速效鉀測定采用醋酸銨浸提—火焰原子分光光度法測定，根際與非根際堿性磷酸酶測定采用對硝基苯磷酸鹽法，以單位質量土壤樣品中堿性磷酸酶在單位時間內產生的酚含量表示，以下磷酸酶均指的是堿性磷酸酶(ALP)，用烘干—稱重法測定土壤重量含水量，用pH計測定土壤pH值[20]，土壤有機磷測定采用Hedley分級法[21]。

1.5 數據處理

采用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗7種降水處理間土壤含水量、pH值、有機磷含量、林下優勢科植物地上生物量、總地上生物量、細根生物量、根際和非根際磷酸酶活性的差異，采用線性回歸分析(Linear regression analysis)評價土壤含水量、pH值、有機磷含量、林下優勢科植物地上生物量、總地上生物量、細根生物量、根際和非根際磷酸酶活性的關系以及磷酸酶土層間遞減率和土層的關系。

2 結果與分析

2.1 7種模擬降水處理下生物量和土壤理化特征

降水處理影響林下植被地上生物量和細根生物量，根據樣地植被調查數據，將刺槐人工林林下植物分為茜草科(RubiaceaeJuss.)、菊科(AsteraceaeBercht. & J.Presl.)、薔薇科(RosaceaeJuss.)和雜草類4個大類。其中茜草科植物地上生物量在不同處理間差異顯著，菊科地上生物量、薔薇科地上生物量、總地上生物量和細根生物量處理間差異均達到極顯著水(p<0.01)，而雜草類處理間差異不顯著，各科地上生物量、總地上生物量和細根生物量均隨降水增加表現出升高的趨勢(表1)。

不同降水處理對研究區土壤含水量和有機磷含量有明顯影響，0—20 cm土層土壤含水量減水60%，80%和增水80%處理間差異顯著，40—60 cm土層土壤含水量在減水60%、增水60%和對照間差異顯著；不同處理間0—20 cm土壤有機磷含量差異接近顯著水平(p<0.08)，而土壤pH值、20—40 cm，40—60 cm土壤有機磷含量差異不顯著。減水樣地土壤含水量較對照樣地共減少7.32%，增水樣地土壤含水量較對照樣地共增加17.7%。土壤含水量和有機磷含量隨降水增加表現出升高的趨勢(表2)。

表1 不同降水處理樣地林下植物群落組成以及生物量特征

表2 7種降水處理對土壤理化性質的影響

2.2 降水變化對根際土和非根際土磷酸酶活性的影響

研究區7個降水梯度上根際土磷酸酶活性和非根際土磷酸酶活性的變化范圍分別是103～513 mg/(kg·h)，78.7～443 mg/(kg·h)。增水處理對黃土高原刺槐人工林0—20 cm，20—40 cm土層根際土磷酸酶活性影響明顯，在3個增水梯度上隨降水增加呈增大趨勢，但是在3個減水梯度上，根際土磷酸酶活性沒有表現出一致的規律。0—20 cm土層減水60%處理的根際土磷酸酶活性最小，為273 mg/(kg·h)，增水80%處理活性達到最大，為513 mg/(kg·h)；20—40 cm土層減水20%處理其活性最小，為128 mg/(kg·h)，增水80%處理其活性達到最大，為315 mg/(kg·h)。增水處理的土壤磷酸酶活性在根際與非根際土間差異不顯著，0—20 cm土層減水處理的土壤磷酸酶活性在根際與非根際土間差異顯著，20—40 cm，40—60 cm差異均不顯著，7種降水處理間0—20 cm土層根際土磷酸酶活性差異極顯著，20—40 cm土層差異顯著，40—60 cm土層差異不顯著(圖3)。隨著降水增加，根際土磷酸酶在采樣的3個土層的遞減率呈現下降的趨勢，0—20 cm至20—40 cm土層和20—40 cm至40—60 cm土層的變化范圍分別是38.7%～61.0%，25.0%～57.9%(圖4)。

注：不同大寫字母表示不同土層間差異顯著(p<0.05)，不同小寫字母表示不同降水處理間差異顯著(p<0.05)，下同。

黃土高原刺槐人工林0—20 cm，20—40 cm土層非根際土磷酸酶活性隨降水增加表現出先減小后增大的趨勢，3個梯度上增水處理的非根際土磷酸酶活性顯著高于減水處理，0—20 cm土層增水樣地(增水20%，60%，80%)比減水樣地(減水20%，60%，80%)的非根際磷酸酶活性分別高77.0，120，193 mg/(kg·h)；20—40 cm土層增水樣地(增水20%，60%，80%)比減水樣地(減水20%，60%，80%)分別高80.0，15.5，158 mg/(kg·h)。7種降水處理間0—20 cm土層非根際土磷酸酶活性差異顯著，20—40 cm土層接近顯著水平，40—60 cm土層差異不顯著(圖3)。與根際土磷酸酶土層間遞減率不同，非根際土磷酸酶在3個土層間的遞減率隨著降水增加總體呈現出上升趨勢，0—20 cm至20—40 cm土層和20—40 cm至40—60 cm土層的變化范圍分別是8.50%～44.9%，2.07%～37.3%(圖4)。

2.3 不同土層磷酸酶活性及土壤理化特征

研究區域20—40 cm土壤含水量和有機磷含量分別比0—20 cm土壤低25.3%和41.1%，pH值高3.66%；40—60 cm土壤含水量和有機磷含量分別比20—40 cm土壤低14.3%和9.92%，pH值高0.26%。在土壤縱向分布上，土壤含水量和有機磷含量隨土層深度增加均呈下降趨勢，其中土壤含水量土層間差異達到極顯著水平(p<0.01)。pH值則呈上升趨勢，但土層間差異沒有達到顯著水平。

不同土層根際土磷酸酶活性和非根際土磷酸酶活性差異均顯著。隨土層深度增加，根際土和非根際土磷酸酶活性表現出明顯的下降趨勢。研究區域7個降水處理下0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土壤根際土磷酸酶活性平均分別為364 mg/(kg·h)，181 mg/(kg·h)，165 mg/(kg·h)；0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土壤非根際土磷酸酶活性平均分別為281 mg/(kg·h)，149 mg/(kg·h)，115 mg/(kg·h)。20—40 cm土壤根際土磷酸酶活性和非根際土磷酸酶活性分別比0—20 cm土壤低50.2%，46.7%；40—60 cm土壤根際土磷酸酶活性和非根際土磷酸酶活性分別比20—40 cm土壤低30.7%，22.7%(圖3)。根際土和非根際土磷酸酶在3個土層間的遞減率隨土層深度增加而顯著減小，分別比深20 cm處土層的遞減率高3.36%和6.87%。根際土磷酸酶土層遞減率要高于非根際土，采樣的3層土中，0—20 cm至20—40 cm土層的根際土磷酸酶遞減率比非根際土高26.1%，第20—40 cm至40—60 cm土層則高31.7%(圖4)。

圖4 7種降水處理對不同土層土壤磷酸酶遞減率的影響

圖5 堿性磷酸酶活性與土壤有機磷含量、土壤含水量的關系

2.4 土壤磷酸酶活性與土壤理化性質、生物量的相關性

研究區根際土磷酸酶活性與土壤含水量呈極顯著正相關(圖5)，與土壤有機磷呈顯著正相關。非根際土磷酸酶活性與土壤含水量呈正相關關系(p=0.011)，與土壤有機磷呈顯著正相關。

根際土磷酸酶和非根際土磷酸酶活性與pH值呈顯著負相關(p<0.01)。根際土磷酸酶活性與非根際土磷酸酶活性呈極顯著正相關(p<0.001)，非根際土磷酸酶隨根際土磷酸酶升高而升高(圖6)。

就不同科植物來說，根際土磷酸酶活性與薔薇科植物地上生物量呈極顯著正相關，與地上生物量相關性接近顯著水平(p=0.06)。非根際土磷酸酶活性與薔薇科植物呈極顯著正相關關系，與細根生物量顯著正相關，與總地上生物量相關性接近顯著水平(p=0.065)。研究區磷酸酶活性與茜草科、菊科和雜草類均無顯著相關關系(表3)。

圖6 根際土堿性磷酸酶活性與非根際土堿性磷酸酶活性的關系

表3 生物量與磷酸酶活性的相關性分析

3 討論與結論

(1)根際和非根際土壤磷酸酶活性對降水變化的響應。研究區根際土磷酸酶活性和非根際土磷酸酶活性的變化范圍均在黃土高原已有研究結果的變化范圍之內[22]，但低于中國東北、華南林地以及地中海灌叢地[14,23-24]。這可能是因為黃土高原氣候干燥，降水季節分配不均，加之黃土土質疏松，使該地區極易發生水土流失，而土壤水分和有機質是土壤酶活性的重要影響因子[25]，干旱的氣候條件和較貧瘠的土壤條件可能是該區磷酸酶活性低于前文提到的部分地區的原因。

根際土和非根際土磷酸酶活性在增水梯度上均隨降水增加表現出升高趨勢，這與已有盆栽試驗得出的磷酸酶活性隨降水增加先升高后下降的結果不一致[26]，原因可能是本試驗屬于野外定位試驗，野外環境因素較復雜，與室內試驗結果往往不一致，黃土高原屬于半干旱地區，短期增水沒有使土壤達到過濕的效果。降水一方面增加了土壤微生物和植物根系活力，刺槐林植物根系、菌根和植物殘留物能夠滲出某些不穩定化合物，這些物質和土壤濕度的增加可以刺激微生物產生酶[27]，另一方面提高土壤有機物質含量，磷酸酶可作用底物增加[26]，這可能是穿透雨增加梯度上磷酸酶活性逐漸升高的原因。

在研究區設置的3個降水減少梯度上，減水20%處理磷酸酶活性要高于對照處理，這可能是因為遮雨20%的輕度干旱環境既保持了一定土壤水分，又增加了土壤的透氣性，為植物根系和微生物活動提供了一個短期的良好環境[17]，減水60%處理下磷酸酶活性顯著降低，這與以往研究結果相同[28]。而極端干旱的減水80%處理下土壤磷酸酶活性有少量增加，原因尚不明確，但是明顯低于增水處理，這可能是因為植物和共生微生物緩解短期干旱脅迫的一種適應機制，如叢枝菌根真菌具有磷酸酶活性，能增加寄主對磷的利用，增強其抗旱性[29]，而叢枝菌根真菌對寄主具有選擇性，薔薇科植物和豆科植物根系極易被叢枝菌根真菌侵染，試驗結果表明薔薇科植物地上生物量與磷酸酶活性顯著相關；隔離降雨后土壤水分減少，使土壤溶液中的可溶性磷素減少，而低磷環境又可以刺激根系和外生菌根分泌磷酸酶來改善植物的養分狀況[30]。非根際土磷酸酶活性在干旱梯度上隨降水增加而下降，可能與稀釋作用有關，但不管是根際土還是非根際土磷酸酶，其在干旱處理下的活性明顯低于增水處理，干旱土壤的土壤含水量和有機質含量較低，磷酸酶可作用底物減少，土壤微生物活性下降，元素周轉速率下降，植物代謝緩慢，使干旱環境中土壤磷酸酶顯著低于濕潤環境[31]。

(2)根際土與非根際土間磷酸酶活性的比較。不同降水處理對非根際土磷酸酶活性的影響與根際土相同，非根際土酶活性受到根際土酶活性的強烈影響，與根際土磷酸酶活性呈明顯的正相關關系，并且活性低于根際土。土壤酶主要來自土壤微生物、植物根系和動植物殘體，在土壤環境中，植物與其根系周圍土壤的物質交換更頻繁，植物自身代謝以及與植物根系共生的微生物分泌的胞外酶首先進入根際土壤，使得根際土中酶活性比非根際更高[15]。本研究中不同降水處理對0—20 cm土層的根際土磷酸酶活性影響最顯著，對20—40 cm土層影響較低，對再深土層則沒有影響，這與Sardans等[32]在地中海圣櫟林的穿透雨試驗中得出的降水減少對0—15 cm土層土壤磷酸酶活性影響更明顯、在空間分布上隨土層深度增加影響逐漸減小的結論一致，但與王楠楠等[7]得出的降水變化對土壤酶活性沒有顯著影響的結果不一致，這可能是因為在黃土高原刺槐人工林這種特定環境下，1～2 a的降水處理雖然能夠影響土壤磷酸酶活性，但還僅能影響0—40 cm土層的土壤酶活性，對更深土層的土壤酶活性及其與之有關的各項理化指標(如土壤含水量、微生物活性和土壤有機質含量)影響還非常小。

磷酸酶土層間遞減率在根際土和非根際土間有不一樣的規律，根際土磷酸酶遞減率隨降水增加而下降，這有可能是水分增大了磷酸酶的擴散速率，減小了土層間的差異，而非根際土磷酸酶遞減率則隨降水增加而上升，說明水分加速了土壤磷酸酶從根際到非根際的土層內的遷移速度，但是土層間的遷移速度變化不大。

(3)降水影響不同土層根際和非根際土壤磷酸酶活性的因素。黃土高原刺槐人工林根際與非根際土磷酸酶活性隨土層深度增加而顯著減小，磷酸酶土層遞減率也表現出顯著減小的趨勢，這與以往研究結果一致[31-32]。pH值呈增大趨勢，但是土層間差異不顯著。磷酸酶活性在空間上與土壤自身的異質性有相當大的關系，本研究中土壤含水量和有機磷隨土層深度增加有明顯的下降趨勢，水分利用性直接影響土壤微生物活性和土壤有機質含量，研究表明，陸地生態系統中的土壤資源和植被覆蓋是異質的，土壤水分、微生物活性、酶活性和養分含量都會受到異質性的影響[33]。

土壤酶活性受到多種因子的共同作用，各土層土壤堿性磷酸酶并沒有隨pH值升高而升高，而是與土壤含水量和土壤有機磷呈顯著的正相關關系。土壤中磷酸酶活性受土壤濕度極大影響，Brockett等人認為，土壤含水量是影響土壤酶活性最主要的因子，且酶活性隨著土壤濕度的增大而增強[34]。土壤磷酸酶與有機磷的關系尚不明確，一部分觀點認為酶具有專一性，有機磷是磷酸酶的水解底物，有機磷含量的增加會刺激磷酸酶的產生[14]，另一觀點認為磷酸酶加快了有機磷的礦化速率，同時高的無機磷含量會對磷酸酶產生負反饋作用，兩者呈負相關關系[15-35]，本研究結果與前者一致，這可能是因為在黃土高原的短期降水雖然增加了有機磷含量，但仍未達到室內試驗中人為添加的過量水平。磷酸酶活性隨細根生物量的增加而增加，與王靚等[11]的研究結果一致。研究表明，細根生物量越大根系分泌速率越高[12]。地上生物量與磷酸酶呈正相關關系，這可能是因為植物需要一定的磷酸酶來幫助吸收土壤中的磷，生物量增加，物質循環進程加快，有利于根系生長和微生物活動產生更多磷酸酶，但生態系統物質循環過程是相當復雜的，還需更具體的研究來解釋生物量與磷酸酶的關系。磷酸酶與薔薇科植物地上生物量呈極顯著的正相關關系，與茜草科植物相比，薔薇科植物根系更容易與菌根真菌共生形成菌根，有關內蒙古草原的調查研究發現，在所有被調查的植物中，薔薇科植物的叢枝菌根侵染率最高[36]，其不僅能增加植物的抗旱能力，還能分泌磷酸酶促進植物對磷素的吸收。

綜上所述，與短期降水減少相比，短期降水增加對黃土高原土壤磷酸酶活性的影響更顯著，且具有積極作用，這種作用隨土層深度增加而減小，影響深度約至40 cm。降水變化通過影響土壤含水量、土壤有機磷和地上植物改變土壤磷酸酶活性，進而對有機磷礦化產生影響。研究降水變化對土壤磷酸酶的影響對黃土高原土壤磷循環研究和植被恢復具有重要的理論意義和應用價值。