荒漠草原土壤酶活性及化學計量特征對不同載畜率的響應

李雅男， 李邵宇， 孫 宇， 胡雪峰， 賀啟珅， 張 彬， 趙萌莉

(內蒙古農業大學草原與資源環境學院,草地資源教育部重點實驗室, 內蒙古 呼和浩特 010019)

土壤酶是一種蛋白質性質的高分子活性物質[1]，其作為土壤生態系統的組分之一，參與生態系統能量流動和物種循環過程，是生態系統中復雜的生物化學過程的催化劑[2]，不僅可以表征土壤肥力[3]，還可以反映土壤活性的高低[4]，是衡量土壤質量的重要指標[5]。土壤中被鑒定出的約60種酶活性表明，土壤酶活性與土壤理化性質、環境因子等有關[6]，酶的催化對土壤中碳(C)、氮(N)、磷(P)的循環有重要作用[7]。多種不同功能的酶共存于土壤環境中，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) 和堿性磷酸酶(ALP)與土壤養分循環密切相關[8]。

土壤酶化學計量是指生態系統中參與養分循環的土壤酶活性的比值[9]，其大小能夠表征土壤微生物養分需求[10]，指示土壤養分限制情況[11]，近年來對土壤酶的研究逐漸成為生態學領域研究熱點[12]。Sinsabaugh等[13]對全球尺度不同生態系統土壤酶研究發現，增溫和增雨處理會顯著增加N降解酶和P降解酶活性，卻對C降解酶活性幾乎無影響[14]，喻嵐暉[15]在對退化高寒草甸的研究中發現，C循環酶和P循環酶及C/N，C/P在中度退化最高，而P循環酶在中度放牧最高，N/P在各退化程度間差異不顯著。李雪麗等[16]研究松嫩草地不同演替階段土壤酶發現，松嫩退化草地在演替過程中受P限制，且隨著草地恢復演替P限制逐漸減弱。綜上，環境因子與土壤酶聯系密切，但環境因子對土壤酶貢獻如何尚無定論，因此不同生態系統環境因子對土壤酶的實際影響仍需進一步研究。

放牧是草地維持健康的主要驅動力[17]，動物的采食和踐踏改變了凋落物的含量等，進而影響C，N循環[18]，動物排泄物的歸還也會影響土壤的養分循環[19]。放牧會增加典型草原多酚氧化酶和過氧化氫酶活性，輕度放牧會顯著增加脲酶活性[20]，隨著放牧強度的增加，貝加爾針茅草原(Stipacapillata)脲酶和磷酸酶活性顯著降低[21]，而在克什針茅(StipakryloviiRoshev)草原，重度放牧較輕度放牧和中度放牧顯著增加了脲酶活性[22]，以上研究結果表明，放牧對不同草地類型的土壤酶化學計量的影響不同。荒漠草原是內蒙古地區重要的生態系統[23]，本研究以內蒙古短花針茅(Stipabreviflora)荒漠草原為研究對象，通過回答以下問題：(1) 不同載畜率土壤酶活性及化學計量比如何變化;(2)不同載畜率土壤理化性質如何調節土壤酶化學計量，二者有何關系。探究土壤酶活性及其化學計量特征對不同載畜率的響應，旨在為內蒙古荒漠草原合理利用和生態修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本試驗依托于內蒙古農牧業科學院綜合試驗示范中心四子王旗基地(41°46′44″N，111°53′42″E)平臺，該區海拔 1 456 m，典型的中溫帶大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季炎熱，而冬季寒冷漫長。年均降水量為 234 mm，降水主要集中在 4—9月；年均風速為 4～5 m·s-1。地帶性植被類型為短花針茅荒漠草原，建群種為短花針茅，主要優勢種為無芒隱子草(Cleistogenessongorica)和冷蒿(Artemisiafrigida)，植被稀疏低矮，群落高度為 8～10 cm，蓋度為 17%～20%。土壤為淡栗鈣土，土層約1 m厚，鈣積層在離地面40～50 cm處出現，試驗地土壤較貧瘠，土體堅硬、透氣保水性差、有機質含量較低，約為14 g·kg-1[24]。

1.2 試驗設計

試驗區于2004年開始采用隨機區組進行圍欄放牧處理，樣地總面積50 hm2，分為3個大區組，每個區組內設置4個載畜率水平：對照區(Control,CK)、輕度放牧區(Light grazing,LG)、中度放牧區(Moderate grazing,MG)、重度放牧區(Heavy grazing,HG),每個小區內載畜率分別為0，0.91，1.82，2.71羊單位-1·hm-2·(0.5a)-1(分別為0，4，8，12只羊)。每年6月開始放牧，10月結束。每天早晨6點將試驗所用羊趕入放牧區讓其自由采食，晚6點趕回羊圈休息。

圖1 試驗小區示意圖Fig.1 Diagrammatic illustration of the experimental block

1.3 樣品采集

實驗于2021年5月于內蒙古四子王旗荒漠草原長期放牧平臺進行(自2004年起，樣地均按照試驗設計方案放牧)，因土壤異質性較大[24]，故選取試驗區地勢平坦的區域，用網格法采集土壤樣品。每個小區設置3個10 m×10 m的大樣方，樣方內間隔2 m，使用直徑為7 cm的土鉆收集0～10 cm的表層土壤。共在4個處理3個區組的12塊樣地內取1296鉆土，6鉆合1鉆，共計216份土壤樣品。每個處理54個重復。將土樣中的礫石、植物根和凋落物剔除，過2 mm篩后混勻裝入自封袋，放入冰盒帶回實驗室，土樣分兩部分保存，一部分置于庇蔭處風干后進行土壤理化性質指標的測定，另一部分放入-80℃冰箱保存，用于酶活性的測定。具體測定指標及方法見表1。

表1 測定指標及測定方法[14,24]Table 1 Measurement indexes and measurement methods

1.4 指標測定

1.5 數據統計與分析

使用Microsoft Excel 2016進行數據初步匯總整理，使用SPSS (IBM SPSS Statistics 23)進行數據分析，其中，不同放牧強度下土壤酶活性和理化性質的差異顯著性采用單因素方差分析，各處理間為Duncan比較(P= 0.05)，土壤理化性質與土壤酶活性做相關性分析，使用Origin2019b及R corrplot數據包(R Core Team 3.6.3) 繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同載畜率土壤理化性質

由表2可知，隨放牧強度增加，毛管持水量(CC)、土壤有機碳(SOC)含量、土壤全氮(TN)含量、土壤全磷(TP)含量均呈降低趨勢(P<0.05)，土壤容重(BD)和土壤pH值呈增加趨勢(P<0.05)。其中，CC在CK和LG顯著低于MG和HG；BD在CK和LG顯著低于MG和HG(P<0.05)；土壤pH值在CK顯著低于MG和HG(P<0.05)；CK和LG的SOC含量顯著高于MG和HG(P<0.05)；隨著載畜率的增加，TN含量顯著降低(P<0.05)；TP含量在CK顯著高于LG和HG(P<0.05)。

表2 不同載畜率土壤理化性質變化Table 2 Changes in soil physiochemical properties of different stocking rates

2.2 不同載畜率土壤酶活性

隨著放牧強度的增加，αCG，βCG，NAG，LAP，ALP活性均呈降低趨勢(圖2)。其中，和CK相比，αCG活性隨放牧強度增加顯著降低(P<0.05)，波動范圍為0.5～3.5 μmol·(d·g)-1；βCG活性在CK顯著高于LG，LG顯著高于HG，MG與LG，HG之間差異不顯著，于22～30 μmol·(d·g)-1范圍內波動；隨放牧強度的增加，NAG活性顯著下降(P<0.05)，在CK酶活性最高，為7.5 μmol·(d·g)-1；LAP在MG和HG顯著低于LG顯著低于CK(P<0.05)；MG高于HG但未達到顯著水平(P>0.05)，在CK酶活性最高，為24 μmol·(d·g)-1；ALP在CK顯著高于MG顯著高于HG(P<0.05)，CK與LG，LG與MG差異不顯著，酶活性在9～13 μmol·(d·g)-1之間波動。

圖2 不同載畜率土壤酶活性變化Fig.2 Changes in soil enzyme activity in different stocking rates注：不同小寫字母表示同一指標不同載畜率之間差異顯著(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 不同載畜率土壤酶活化學計量特征

隨放牧強度的增加，土壤碳氮酶化學計量比((αCG+βCG)∶(NAG+LAP))呈增加趨勢，而土壤氮磷酶化學計量比((NAG+LAP)∶ALP)呈降低趨勢，土壤碳磷酶化學計量比((αCG+βCG)∶ALP)變化趨勢不明顯(圖3)。CK區內(αCG+βCG)∶(NAG+LAP)主要集中在1～1.4范圍內，在LG，MG，HG分別集中在1～1.6，1.3～1.7，1.4～1.8之間；(NAG+LAP)∶ALP在CK，LG，MG，HG的集中范圍分別為2～2.2，1.7～2.4，1.4～1.6，1.5～1.8；(αCG+βCG)∶ALP在CK，LG，HG內較為平均，在MG主要集中在2.2～2.6。在對不同載畜率下土壤酶化學計量數據標準化后，隨著放牧強度的增加，ln(αCG+βCG)∶(NAG+LAP)顯著增加(P<0.05)；ln(NAG+LAP)∶ALP隨放牧強度增加而降低，其中，CK和LG顯著高于MG和HG(P<0.05)，CK和LG，MG和HG之間差異不顯著；ln(αCG+βCG)∶ALP在各放牧強度之間的差異未達到顯著水平。

圖3 不同載畜率土壤酶化學計量變化Fig.3 Changes in soil enzymes stoichiometric in different stocking rates注：(αCG+βCG)∶(NAG+LAP)，土壤碳氮酶化學計量比；(NAG+LAP)∶ALP，土壤氮磷化學計量比；(αCG+βCG)∶ALP，土壤碳磷化學計量比；ln(αCG+βCG)∶(NAG+LAP)，土壤碳氮酶化學計量比對數；ln(NAG+LAP)∶ALP，土壤氮磷化學計量比對數；ln(αCG+βCG)∶ALP，土壤碳磷化學計量比對數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 土壤理化性質與土壤酶活性相關性分析

土壤理化性質與土壤酶的相關性結果表明(圖4),BD和CC，土壤pH值和TN呈負相關關系；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均呈正相關關系。

圖4 不同載畜率土壤酶活性和理化性質相關性Fig.4 Correlation between soil physical and chemical properties and enzyme activities in different stocking rates注：藍色圓圈表示2個因子間呈正相關關系，紅色圓圈表示2個因子間呈負相關關系。BD，土壤容重；CC，土壤毛管持水量；SOC，土壤有機碳含量；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和堿性磷酸酶；TN，土壤全氮；TP，土壤全磷；SOC，土壤有機碳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 討論

3.1 不同載畜率對土壤理化性質的影響

土壤是生態系統中能量流動與物質循環的重要場所[25]，放牧是草原主要利用方式之一，通過家畜的踐踏、采食、糞尿返還等行為改變土壤的理化性質[26]。本研究發現，土壤毛管持水量隨放牧強度增加而降低，而土壤容重則表現出相反的趨勢，即隨放牧強度的增加而增加，此結果與通樂嘎[27]等的研究結果一致。一方面是由于放牧強度越強，家畜對土壤的踩踏越嚴重，增加了土壤緊實度，土壤孔隙度減小，土壤滲透性減少，導致土壤容重增加，毛管持水量減少[28]；另一方面，植物根系的生長也是影響土壤容重的重要因素之一[29]，隨著放牧強度的增加，土壤狀況逐漸惡化，影響植物根系生長，進而影響土壤容重。隨著動物的踐踏和采食行為的增強，植被蓋度和地表凋落物的累積越來越少，增大了地表的裸漏面積，地表水分蒸發量增加，進而使毛管持水量減少[30]。土壤pH值隨放牧強度的增加而增加，可能是因為動物的糞尿排泄量增加，致使土壤中陽離子含量增加，土壤pH值增加[31]。土壤有機碳含量隨放牧強度增加而降低，重度放牧顯著低于輕度放牧(P<0.05)，可能是由于放牧降低了植被蓋度和生物量，減少了凋落物累積，降低了草地初級生產力，輸入土壤中的有機碳含量減少[32]。土壤全氮、全磷隨放牧強度的增加而降低，此結果與周天陽等[33]研究結果一致，可能是因為放牧降低了凋落物質量，致使有機質分解作用減弱，減弱了微生境內的生物地球化學循環[34]。

3.2 放牧對土壤酶活性及其化學計量比的影響

土壤酶主要由植物根系和微生物分泌產生，可將土壤有機和無機成分充分結合，是土壤中元素生物地球化學循環的催化劑[35]。本研究發現，放牧顯著降低了αCG,βCG,NAG,LAP和ALP活性，說明隨著放牧強度的增加，荒漠草原生態系統土壤碳、氮、磷元素生化反應速率減慢。一方面，可能由于放牧強度越強，群落生產力越低，群落結構趨于簡化，不利于土壤動物和微生物的生存[36]，另一方面，土壤有機碳、全氮、全磷含量均隨放牧強度增加而降低，說明放牧降低了養分的周轉速率，重度放牧條件下碳、氮、磷庫存較小，不能為土壤酶提供充足的反應底物，致使土壤酶活性下降。此外，重度放牧條件下，土壤微生物活性大幅下降，也可能是導致土壤酶活性下降的重要原因。

土壤酶化學計量比可以用來預測土壤養分循環限制元素[37]，全球生態系統碳氮酶化學計量比平均水平為1.41，碳磷比為0.62，氮磷比為0.44，C∶N∶P約為1∶1∶1[38]，內蒙古短花針茅(Stipabreviflora)荒漠草原碳氮酶化學計量比低于全球平均水平，而碳磷酶化學計量比和氮磷酶化學計量比均高于全球平均水平，說明內蒙古荒漠草原中可分解氮的酶活性較高，而分解磷素的酶活性較低[39]。土壤碳氮酶化學計量比隨放牧強度的增加而增加，這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較富足，土壤微生物減少對于氮相關的酶的投入，更傾向于分泌碳相關酶來獲取養分，其效率大于氮相關酶。氮磷酶化學計量比隨放牧強度的增加而降低，可能是載畜率增加加劇了草地的退化，土壤理化性質、群落種類組成及微生物多樣性均發生變化，在此過程中消耗了參與氮循環的微生物，同時，氮磷酶化學計量比降低說明生態系統可能存在氮限制[40]。

3.3 土壤酶與環境因子的相互關系

土壤酶對環境因子的變化十分敏感[41]，本研究發現(圖4)，與氮、氮、磷相關的5種酶均與土壤全氮呈現出較強的正相關關系，與朱琳等[42]研究結果一致，ALP與土壤全磷呈顯著正相關(P<0.05)，賽牙熱木·哈力甫[43]也得出相同結論。NAG和LAP參與土壤氮循環過程，ALP參與土壤磷循環過程，放牧通過降低土壤中氮素含量和磷素含量抑制酶活性；αCG和βCG與全氮呈正相關關系的原因是，氮是植物生長必備的營養元素之一，土壤中氮素含量隨放牧強度增加而減少，致使植物生物量減少，進而導致輸入土壤中的碳素減少。根據資源分配理論，土壤微生物獲取養分和能量后，酶的分泌和生化特性發生改變，進而影響了酶的活性[44]。Weand等[45]發現ALP與土壤氮素含量密切相關，與本研究結果一致，這可能是因為一種養分含量的增加，會導致植物和微生物對另一種養分含量投資的增加，如磷含量的增加會導致植物和微生物獲取氮的效率有所提高[46]。以上結果也反映出土壤酶活性與養分變化具有趨同性。本研究結果還顯示，5種土壤酶之間也存在正相關關系，這說明土壤酶之間存在一定的促進作用，即一種酶通過調節酶促產物含量和土壤微環境理化性質對另一種酶活性起到促進作用[42]。

4 結論

不同載畜率間土壤理化性質存在差異，其中中度放牧和重度放牧顯著降低了毛管持水量和土壤有機碳含量，增加了土壤容重和土壤pH值，隨放牧強度增加土壤全氮和土壤全磷含量顯著降低(P<0.05)；與碳、氮、磷循環相關的5種酶活性均隨載畜率增加而降低，土壤酶活性與養分變化具有協同性；以上5種土壤酶均與土壤全氮呈現出較強的相關性(P<0.05)。本研究可為荒漠草原生態修復提供理論依據。