荒漠草原凋落物分解過程中降水量對土壤酶活性的影響

韓翠 ，康揚眉，余海龍，李冰，黃菊瑩

1.寧夏大學生態環境學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學地理科學與規劃學院，寧夏 銀川 750021

氣候變暖影響了全球水文循環，導致降水時空分配格局改變（IPCC，2021）。我國作為全球氣候變化的敏感區域之一，降水格局也發生了改變，主要表現為年降水總量變化不明顯、極端降水事件（如最長持續干旱日數縮短）顯著增加（Wu et al.，2016）。受季風環流以及地形等影響，各地降水呈現出復雜的時空格局（Feng et al.，2015）。就西北地區而言，時間上表現為夏秋兩季降水增多、空間上表現為東部生態區降水減少而西部生態區降水增加的趨勢（黃小燕等，2015；李明等，2021）。我國西北地區屬于典型的干旱半干旱氣候區，區域內水資源匱乏，干旱事件頻發（李明等，2021）。降水不僅是該區草原生態系統主要的水分來源，還是調節其生態系統功能的重要因素（Ma et al.，2020）。降水改變了分解者活動和有機物質分解速率等土壤養分動力學和生物有效性（李吉玫等，2015），進而對生態系統功能產生影響。因此，在該區草原生態系統開展降水量變化的相關研究，可為深入探究降水格局改變的生態效應提供數據支撐。

土壤酶是地下能量流動和物質循環的重要生物活化劑，在土壤C和養分轉化中扮演著重要的角色（Avazpoorl et al.，2019）。氧化還原酶和水解酶是土壤酶學研究中涉及較多的酶類。其中，過氧化氫酶是一種重要的氧化還原酶，其活性大小可以表征土壤腐殖質化強度和有機質轉化速率（王理德等，2016）；蔗糖酶和脲酶是兩種重要的水解酶，直接參與有機質礦化，對維持生物地球化學循環起著重要作用（劉紅梅等，2018）。研究表明，降水不僅可以通過刺激植物生長和微生物活動影響酶分泌（Hewins et al.，2016），還可以通過改變土壤水分和養分有效性等影響酶和底物擴散，進而刺激或限制酶活性（陳敏玲等，2016），從而對凋落物分解和養分釋放產生重要的影響（Taylor et al.，2017；Akinyemia et al.，2020）。凋落物分解可以調節土壤C固存和養分礦化，是維持生態系統功能的基本過程（Suseela et al.，2014；付琦等，2019）。因此，研究凋落物分解過程中降水量對草原土壤酶活性的影響，可為深入探討氣候變化下脆弱生態系統土壤有機質礦化等過程提供數據支撐。

荒漠草原是我國西北干旱半干旱區主要的草原生態系統類型，所處區域干旱少雨、蒸發量大，對氣候變化十分敏感（白永飛等，2020）。寧夏荒漠草原位于毛烏素沙地西南緣，是我國典型的生態脆弱區。盡管該生態系統植被稀少，但在固C釋氧、防風固沙等方面提供著不可替代的生態服務功能。目前國內在降水格局改變下草原土壤酶活性及其影響因素等方面已積累了豐富的研究成果，但這些研究主要集中在草甸草原和典型草原（如Ma et al.，2020；閆鐘清等，2017；鈔然等，2018；柴錦隆等，2019），尚缺乏針對荒漠草原的相關研究，尤其是極端降水量變化下。那么，極端降水量如何影響荒漠草原土壤酶活性？降水量變化下荒漠草原土壤酶活性是否會影響凋落物元素釋放等問題都值得我們進行深入的思考。為此，本文基于2014年在寧夏荒漠草原設立的降水量變化野外試驗，探討了 480 d凋落物分解過程中土壤酶活性及其影響因素，分析了土壤酶活性與凋落物元素釋放量的關系，以期為深入了解全球變化下干旱半干旱區草原生態系統生物地球化學循環提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

野外試驗樣地設立于 1998年開始圍封的寧夏鹽池縣柳楊堡鄉楊寨子村草地內。該區地理位置為37.80°N，107.45°E，海拔約 1367 m，屬于典型的黃土高原向鄂爾多斯臺地過渡帶，具有溫帶大陸性氣候：年平均氣溫7.7 ℃，1月平均氣溫-8.9 ℃，7月平均氣溫 22.5 ℃；年平均降水量和蒸發量分別為289.4 mm和2131.8 mm。降水季節分配不均，主要集中在生長季5—8月（圖1）（韓翠等，2022）。土壤結構松散，pH偏高，主要類型和質地分別為灰鈣土和沙壤土。植被類型為荒漠草原，群落結構簡單，物種組成以一年生或多年生草本為主，優勢種為草木樨狀黃芪（Astragalus melilotoides）和牛枝子（Lespedeza potaninii），常見種包括豬毛蒿（Artemisia scoparia）、白草（Pennisetum centrasiaticum）、苦豆子（Sophora alopecuroides）和針茅（Stipa capillata）等（黃菊瑩等，2018）。

1.2 試驗設計

于2014年4月下旬，選擇圍欄草地內地勢平坦且植物組成均勻的地段作為長期降水量變化的野外模擬試驗樣地。降水量處理以近 50年我國西北地區濕潤半濕潤區降水量減少而干旱半干旱區降水量增加的趨勢為主要依據（Wu et al.，2016），同時兼顧了野外試驗的可操作性。降水時間設置以研究區降水的季節分布特征（60%以上集中在5—8月，圖 1）和植物的生長規律為主要依據。降水頻度參考國內同類研究的處理方法（Xu et al.，2018）。試驗采用隨機區組設計，設置了5個年降水量變化處理，分別為減少50%，即減雨144.7 mm（W1）；減少30%，即減雨86.8 mm（W2）；對照，即自然降水量（W3）；增加30%，即增雨86.8 mm（W4）；增加50%，即增雨144.7 mm（W5）。每個處理重復5次，共25個小區。每個小區面積為8 m×8 m。各小區之間設置2 m寬的緩沖帶以減少小區將地表徑流和地下滲漏等干擾。

圖1 試驗期間研究區域月降水量、平均氣溫和平均風速的變化Figure 1 Variations in monthly precipitation, average air temperature and average wind speed during the experiment in the studied area

于每年 5—8月，采用自制遮雨棚減雨和自制噴灌裝置增雨相結合的方法進行降水量變化處理。降水量減少的處理中（W1和W2），每個小區搭建1個南北走向的U形遮雨棚（最高點離地約1.5 m）。雨天依據遮雨頻率采用透光率＞95%的聚氯乙烯塑料薄膜對遮雨棚遮雨。非雨天敞開塑料薄膜以保持遮雨棚通風、降低棚內溫度。試驗期間，采用雨量器收集降水量，記錄每次降水量、統計總降水量和遮雨量；并依據每次降水情況，于每年8月中旬開始對設定的遮雨頻率進行微調，以使實際遮雨量盡可能與理論遮雨量相符。其中，W1處理平均每3次自然降雨中遮雨兩次，W2處理平均每5次自然降雨中遮雨兩次（表 1）。降水量增加的處理中（W4和W5），將需要補給的降水量換算成噴水量，采用流量計的噴灌裝置每兩周噴水一次。其他處理方法見項目組前期研究（Na et al.，2019；黃菊瑩等，2018）。

表1 2014—2016年各降水量處理實際改變的降水量和接受的總降水量Table 1 The actually altered precipitation and the received precipitation in each treatment during 2014-2016

1.3 樣品收集與測定

土壤樣品的收集依托項目組前期凋落物分解試驗平臺進行。即，分別于凋落物分解60 d（2017年1月10日）、120 d（2017年3月17日）、180 d（2017年5月21日）、240 d（2017年8月16日）、360 d（2017年11月11日）和480 d（2018年3月10日），在試驗區采用內徑為5 cm的土鉆收集0—20 cm土壤樣品。每個小區內隨機取3鉆，混勻作為一個樣品，從中取出10 g左右裝入鋁盒中用于土壤含水量的測定。剩余部分過2 mm篩后快速分成兩部分：一部分低溫冰箱中4 ℃下冷藏保存，兩周內完成酶活性、pH、電導率、NO3--N質量分數、NH4+-N質量分數和速效P質量分數的測定；另一部分自然風干后，用于有機C、全N和全P質量分數的測定。其中，過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法，蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水楊酸比色法，脲酶活性采用靛酚藍比色法；pH和電導率分別采用酸度計法和便攜式電導率儀；NO3--N和NH4+-N質量分數采用連續流動分析儀（Auto Analyzer 3，SEAL Analytical GmbH，Hanau，Germany），速效P質量分數采用 0.5mol·L-1NaHCO3法；有機 C、全N和全P質量分數分別采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法、凱氏定氮法和 HCLO4-H2SO4法（鮑士旦，2000）。

依據從全國溫室數據系統中氣象數據網站（http://data.sheshiyuanyi.com/WeatherData/）提取的2017年1月—2018年3月氣象數據（月降水量、平均氣溫和平均風速），本文分析了土壤酶活性與氣象因子的關系。此外，依據項目組前期收集的2017年1月—2018年3月植物凋落物樣品，本文分析了土壤酶活性與植物種凋落物C和 N累積釋放量的關系。植物凋落物樣品收集、化學測定、元素累積釋放量的計算方法見項目組前期研究（韓翠等，2022）。

1.4 數據處理

采用 Microsoft Excel 2016進行數據的初步整理。運用SPSS 17.0進行數據的統計分析：采用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）比較降水量、分解時間及其交互作用對土壤酶活性的影響；采用單因素方差分析（One-way ANOVA）比較相同分解時間下降水量處理間土壤酶活性及其他指標的差異，探討相同降水量處理下分解時間間各指標的差異。若方差為齊性，選用最小顯著性差異法（LSD），否則選用Tamhane’s T2法。在用Origin 2018中，采用線性回歸方程擬合土壤酶活性與植物種凋落物元素累積釋放量之間的關系。采用Origin 2018對以上分析結果作圖。采用Canoco 5.0進行土壤酶活性與環境因子對應關系的冗余分析（Redundancy Analysis，RDA）。分析前，先對數據進行Log轉換，以減少數據間差異。以全部環境因子為解釋變量，以土壤酶活性為響應變量，依據解釋變量前向選擇，并通過蒙特卡洛置換檢驗（Monte Carlo Test）得出每個因子的條件效應。

2 結果與分析

2.1 降水量對土壤酶活性的影響

雙因素方差分析結果表明（表2），降水量對過氧化氫酶活性有顯著影響（P＜0.05），對脲酶和蔗糖酶活性有極顯著影響（P＜0.01）；分解時間對過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性均有極顯著影響（P＜0.01）；降水量與分解時間的交互作用對3種酶活性均無顯著影響（P＞0.05）。

表2 降水量、分解時間及其交互作用對土壤酶活性的影響Table 2 Effect of precipitation, decomposition time and their interaction on soil enzyme activity

凋落物分解過程中，過氧化氫酶活性隨分解時間呈上升趨勢，蔗糖酶和脲酶活性均在240 d時酶活性最低，但無明顯規律（圖2）。相同分解時間下，與自然降水量相比，減少（W1和W2）和增加（W4和 W5）降水量整體上對過氧化氫酶活性影響較小（180 d除外）；減少（W1和W2）和增加30%降水量對蔗糖酶活性無顯著影響（P＞0.05），增加50%降水量在180 d時顯著提高了蔗糖酶活性（P＜0.05）；減少30%和50%降水量對脲酶活性影響較小（180 d除外），增加降水量在180 d（W4和W5）、240 d（W4）和360 d（W4和W5）時顯著提高了脲酶活性（P＜0.05）。

圖2 降水量對土壤酶活性的影響Figure 2 Effects of precipitation on soil enzyme activities

此外，相同降水量處理下，酶活性在分解時間間存在差異，尤其過氧化氫酶活性（圖2）：減少50%降水量處理下，過氧化氫酶活性在240 d和480 d時顯著高于除360 d外的其他分解時間（P＜0.05）。蔗糖酶活性在分解時間間無顯著差異（P＞0.05）。脲酶活性在240 d時顯著低于其他分解時間（P＜0.05）；減少30%降水量處理下，過氧化氫酶活性在480 d時顯著高于其他分解時間（P＜0.05）。蔗糖酶和脲酶活性在分解時間間無顯著差異（P＞0.05）；自然降水量處理下，過氧化氫酶在480 d時顯著高于其他分解時間（P＜0.05）。蔗糖酶活性在分解時間間無顯著性差異（P＞0.05）。脲酶活性在120 d和240 d時顯著低于360 d和480 d（P＜0.05）；增加30%降水量處理下，過氧化氫酶活性在240、360和480 d時顯著高于其他分解時間（P＜0.05）。蔗糖酶活性在360 d和480 d時顯著高于其他分解時間（P＜0.05）。脲酶活性在360 d時顯著高于除480 d外的其他分解時間（P＜0.05）；增加50%降水量處理下，過氧化氫酶活性在240、360、480 d時顯著高于其他分解時間（P＜0.05）。蔗糖酶活性在480 d時顯著高于60、180和240 d（P＜0.05）。脲酶活性在360 d時顯著高于除480 d外的其他分解時間（P＜0.05）。

對6個分解時間的酶活性進行了整理匯總（圖3）。與自然降水量相比，減少（W1和W2）和增加（W4和W5）降水量對過氧化氫酶和蔗糖酶活性無顯著影響（P＞0.05）；減少50%降水量顯著降低了脲酶活性（P＜0.05），減少30%和增加（W4和W5）降水量對脲酶活性無顯著影響（P＞0.05）。

圖3 降水量對土壤酶活性的影響Figure 3 Effect of precipitation on soil enzyme activity

2.2 降水量對土壤理化性質的影響

凋落物分解過程中，土壤含水量、電導率、NH4+-N和NO3--N無明顯的變化規律，pH變化幅度較小，速效P呈上升趨勢（圖4）。與自然降水量相比，減少降水量在180 d（W1和W2）和240 d（W1）時顯著降低了土壤含水量（P＜0.05），增加30%和50%降水量在60、120和240 d時顯著提高了含水量（P＜0.05）；多數情況下，減少和增加降水量對土壤 pH、電導率和 NH4+-N無顯著影響（P＞0.05）；減少降水量在120 d（W1和W2）、180 d（W1）、240 d（W1 和 W2）、480 d（W1）顯著提高了NO3--N（P＜0.05），增加降水量在120 d（W4和 W5）、240 d（W4和 W5）、480 d（W5）顯著提高了 NO3--N（P＜0.05）；減少降水量在 120 d（W1）、180 d（W1和W2）顯著提高了速效P（P＜0.05），增加降水量在 60 d（W5）、120 d（W5）、240 d（W4和 W5）、480 d（W4和 W5）顯著降低了速效 P（P＜0.05）。

圖4 降水量對土壤理化性質的影響Figure 4 Effects of precipitation on soil physicochemical properties

2.3 土壤酶活性與環境因子間的關系

RDA結果顯示（圖5），2個典范軸分別解釋了69.56%和1.82%的土壤酶活性變異。對酶活性影響顯著的環境因子依次為月平均風速、月平均氣溫、月降水量、土壤含水量、土壤 N∶P和土壤 NH4+-N（P＜0.05，表3）。其中，月平均風速和土壤 N∶P的貢獻率較高，月降水量和土壤NH4+-N的貢獻率較低。3種酶活性均與月平均風速、土壤N∶P、土壤含水量和土壤NH4+-N呈較強的正相關關系（P＜0.05），與月降水量呈較強的負相關關系（P＜0.05）；蔗糖酶和脲酶活性還與月平均氣溫呈較強的負相關關系（P＜0.05）。

表3 土壤酶活性與環境因子RDA統計學分析Table 3 Statistics analysis in RDA of soil enzyme activities and environmental factors

圖5 土壤酶活性與環境因子的RDAFigure 5 RDA of soil enzyme activities and environmental factors

3種酶活性均與草木樨狀黃芪、牛枝子、豬毛蒿和白草凋落物C累積釋放量呈極顯著正的線性關系（P＜0.01，圖6），即3種酶活性隨植物種凋落物C累積釋放量的增加而增加。過氧化氫酶和蔗糖酶活性與草木樨狀黃芪凋落物 N累積釋放量呈顯著正的線性關系（P＜0.05，圖6B），脲酶活性與草木樨狀黃芪無顯著的線性關系（P＞0.05）。3種酶活性均與牛枝子、豬毛蒿和白草凋落物N累積釋放量呈極顯著正的線性關系（P＜0.01），即3種酶活性隨牛枝子、豬毛蒿和白草凋落物C累積釋放量的增加而增加。

圖6 土壤酶活性與植物種凋落物元素累積釋放量的線性擬合關系Figure 6 Linear fitting relationships between soil enzyme activities and elemental cumulative release amounts from plant species litters

3 討論

3.1 土壤過氧化氫酶活性隨分解時間增加，蔗糖酶和脲酶活性無明顯的時間動態

土壤酶活性的時間動態受土壤溫度和含水量的調控（王理德等，2016）。本研究中，凋落物分解過程中各降水量處理下過氧化氫酶活性隨分解時間呈上升趨勢（圖2）。這可能是因為，隨著凋落物分解時間的推移（前360 d），土壤溫度逐漸升高、新鮮凋落物輸入增多，酶活性相應提高（曹聰等，2020）；另外，過氧化氫酶參與土壤物質和能量的轉化，其活性與凋落物中木質素降解和礦化有很大聯系（Nannipieri et al.，2012）。凋落物分解后期纖維素、木質素等難分解物質占比增大（Zechmeister-Boltenstern et al.，2015），因此過氧化氫酶活性在凋落物分解后期（360 d和480 d）也呈上升趨勢。蔗糖酶和脲酶活性缺乏明顯的時間動態變化規律，但均在分解240 d時最低。此時為生長季旺盛期（2017年8月16日），較高的空氣溫度下（圖1），過低的土壤含水量（圖 4）和過高的土壤溫度可能限制了微生物和植物根系活動（Nannipieri et al.，2012），從而抑制了蔗糖酶和脲酶的分泌。分解后期隨著土壤含水量升高以及溫度降低，兩種酶活性也呈升高趨勢（圖2）。

3.2 減少降水量對土壤酶活性影響較小，增加降水量有助于提高蔗糖酶和脲酶活性

降水調控著植物地下部分生長和微生物活性，影響著土壤酶活性（Shi et al.，2014；Esch et al.，2017）。干旱條件下，植物地下部分生長慢、微生物活性低，不利于土壤酶的分泌。本研究中，與自然降水量相比，凋落物分解過程中減少降水量對3種酶活性影響較小。這可能是由于研究區植物和微生物長期生長于少雨的環境下，對干旱具有高的適應性，二者生長繁殖和酶的分泌受短期降水量減少的影響較小，與其他針對干旱荒漠區的研究結果一致（許華等，2018）。然而，綜合6個分解時期的結果表明，降水量減少50%降低了脲酶活性（圖3），證實極端干旱限制了酶活性（Gao et al.，2021）；增加降水量不僅提高了土壤含水量，還會加速凋落物淋溶和物理破碎，促進有機C及養分釋放歸還給土壤（Allison et al.，2013），增加了微生物活性及其底物可獲得性，促進了微生物向土壤中釋放酶。增加降水量在凋落物分解中期提高了蔗糖酶和脲酶活性（圖2）。與降水量增加30%相比，降水量增加50%對酶活性的影響更大，可能是因為影響酶活性的土壤水分含量存在閾值，在閾值范圍內酶活性隨土壤含水量的增加而升高（Kivlin et al.，2014）。

3.3 土壤酶活性主要受氣象因子影響

自然環境下，土壤酶活性受氣候、植物和土壤等因子綜合作用的影響（Burns et al.，2013）。本研究中，3種酶活性與月平均風速正相關（圖5和表3），原因可能是在一定的風速范圍內較高的風速有利于凋落物的物理破碎，增加凋落物與分解者的接觸面積，進而加快微生物在凋落物酶和土壤酶系統作用下的酶解過程（賈丙瑞，2019）。本研究發現，3種酶活性與月降水量負相關（P＜0.05），且蔗糖酶和脲酶活性與月平均氣溫負相關（P＜0.05）。可能是試驗地位于干旱半干旱地區，該區蒸發量大、降水量高的月份平均氣溫也高（圖1），水分受溫度影響未及時滲入土壤而揮發，影響土壤養分溶解和擴散，限制了土壤酶活性（Jing et al.，2014）。本研究中3種酶活性均與土壤含水量正相關（P＜0.05），表明土壤含水量增加會為各種酶促反應提供反應條件和場所，對酶活性升高起促進作用，與前人研究結果較為一致（Ladwig et al.，2015；Gao et al.，2021）。此外，3種酶活性與土壤 N∶P和 NH4+-N正相關（P＜0.05），表明三者與土壤 N、P之間存在協同恢復關系，即當土壤全N增加時土壤酶積極參與二者的轉化分解過程（王濤等，2018）。

3.4 土壤酶活性與植物種凋落物元素累積釋放量密切相關

作為植物與土壤之間物質交換的樞紐，凋落物通過分解將物質和營養元素返還給土壤，其細胞中的酶也會釋放進入土壤，驅動和調節著土壤酶活性（陳曉麗等，2015）。本研究中，3種酶活性與植物種凋落物元素累積釋放量存在不同程度的線性關系，可能是因為凋落物分解會釋放出大量可溶性和不溶性碳水化合物，這些碳水化合物通過刺激微生物多樣性和生物量影響土壤酶活性（Kourtev et al.，2002；Kotroczo et al.，2014）。然而，不同植物凋落物會導致土壤微生物量、區系組成和代謝過程改變，其元素累積釋放量對酶活性響應也會有所差異（Kourtev et al.，2002）；草木樨狀黃芪N累積釋放量與脲酶活性無顯著的線性關系（P＞0.05），但其余植物種凋落物 N累積釋放量均與 3種酶活性呈顯著正的線性關系。進一步證實，雖然凋落物N是土壤-凋落物界面酶活性的重要影響因素（Ge et al.，2017），但不同植物種凋落物在養分利用效率（Waring，2013）和養分釋放率（韓翠等，2022）等方面存在差異，使得土壤酶活性與凋落物N累積釋放量之間的關系在不同植物種凋落物類型間表現不同。

4 結論

綜上，（1）凋落物分解過程中，土壤過氧化氫酶活性呈上升趨勢，蔗糖酶和脲酶活性缺乏明顯的時間動態。（2）減少降水量對3種土壤酶活性影響較小。增加降水量有助于提高蔗糖酶和脲酶活性，但其影響程度在凋落物分解時期間存在差異。（3）凋落物分解過程中土壤酶活性較多地受氣象因子調控，而非土壤因子。（4）隨著降水量增加，土壤水分和N有效性提高，從而刺激了酶活性。隨著土壤酶活性增加，研究區優勢和常見植物種凋落物分解加快、元素釋放增多，從而加快了植被—土壤系統生物地球化學循環。本文未同步監測土壤溫度。土壤溫度是調控土壤酶活性的主要因子之一，因此今后還需結合土壤溫度等數據，通過長期的定位觀測，深入探討降水量變化下荒漠草原土壤酶活性的驅動因素。