孙文颖， 马维伟， 李 广， 吴江琪， 许延昭

(甘肃农业大学林学院， 甘肃 兰州730070)

土壤酶是土壤中具有专性催化作用的高分子物质[1]，其活性与土壤理化性质、土壤养分水平和土壤生物数量及多样性等密切相关，能够反映土壤有机质累积与分解转化的规律，常常被作为土壤质量的整合生物活性指标[2]。土壤酶按功能和反应类型可分为水解酶、氧化还原酶、转移酶、裂合酶、连接酶和异构酶6大类[3]，其中水解酶类能够水解土壤中的大分子物质。土壤蔗糖酶可将蔗糖分子水解成容易被植物和土壤微生物吸收利用的葡萄糖和果糖，提高土壤有机质的转化；土壤淀粉酶可以分解土壤中不溶水的淀粉组分生成可溶的单糖，增加土壤中易溶性营养物质[4]。土壤蔗糖酶和淀粉酶广泛存在于土壤中，其活性反映了土壤生物群落代谢状况和土壤主要营养元素碳的转化效率，因此，研究土壤蔗糖酶和淀粉酶活性对于理解土壤碳素循环具有重要意义。

植物残体分解和根系分泌是土壤酶主要来源[5]，植被退化显著改变根系分泌物种类、土壤微生物活性、地上部分凋落物以及植被覆盖所产生的土壤微生境的变化[6]，进而引起土壤酶活性的变化。在湿地生态系统中，土壤蔗糖酶和淀粉酶通过酶促反应转化碳元素，直接参与土壤碳循环过程，并推动湿地土壤枯落物的分解，腐殖质及各种有机化合物的分解与合成等生物化学反应[7-8]，同时能对植被、土壤微生物群落和土壤理化性质等变化敏感响应[9]，是湿地生态系统中能量流动过程的重要调节者，又可作为表征土壤质量优劣的指标之一。因此，研究湿地植被退化过程中这2种土壤酶活性变化对揭示湿地土壤物质转化与能量流动、植物与微生物群落功能及土壤因子变化具有重要意义。

尕海湿地位于青藏高原东缘的甘肃省碌曲县，是全球著名若尔盖湿地的重要组成部分，其中蕴含了丰富的自然资源[10]。但近年来由于全球气候变暖、当地排水修路和过度放牧等影响，导致尕海湿地植被出现大面积的退化现象，湿地生态功能急剧减弱[11]。在此背景下，土壤蔗糖酶和淀粉酶活性将如何变化，这对认识本区域土壤养分和碳循环能力强弱，评价区域土壤生态系统质量状况具有重要作用。目前已有不少学者围绕草地土壤[12-13]和森林土壤[14-15]探讨了不同植被条件下土壤酶活性的变异，其中关于湿地土壤蔗糖酶和淀粉酶活性研究主要集中在黄河三角洲和三江平原[16-17]，而对于青藏高原高寒湿地，特别是青藏高原东缘尕海湿地植被退化过程中这2种土壤酶活性变异的研究相对较少。鉴于此，本研究以青藏高原东缘尕海沼泽化草甸湿地为研究对象，研究湿地植被退化过程中土壤蔗糖酶和淀粉酶活性的分布特征及其动态变化，揭示湿地植被退化对其活性的影响，以期为高寒沼泽化草甸湿地碳库变化的微生物机制研究提供基础数据和理论依据，也为科学制定高寒湿地保护和利用策略提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

尕海湿地位于甘肃省碌曲县尕海-则岔国家级自然保护区(地理坐标33°58′～34°32′ N，102°09′～102°46′ E)。保护区内湿地面积57 846 hm2，其中沼泽化草甸分布于海拔3850 m以下的河谷滩地和湖泊，面积51 160 hm2，占湿地面积的88.4%。该区域属青藏高原大陆性季风气候类型区，特点是终年气温较低，降雨量丰沛，光照充足。年平均气温为1.2℃，最热月份在7月(平均为10.5℃)，最冷月份为1月(平均为-9.1℃)；年均降雨量781.8 mm，其中7—9月降雨量为623.1 mm，占全年降雨量的79.7%；冬季长夏季短，年平均冬季为240 d。土壤类型主要包括暗色草甸土、沼泽土和泥炭土等。植物种类有藏篙草(Kobresiatibetica)、乌拉苔草(Carexmeyeriana)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、线叶蒿(Artenisiasubulata)、冷蒿(Artemisiafrigida)、问荆(Equisetumarvense)、密毛白莲蒿(Artemisiasacrorum)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)、蕨麻(Potentillaanserina)、散穗早熟禾(Poasubfastigiata)、青藏苔草(Carexmoorcroftii)和棘豆(Oxytropis)等[18]。

1.2 样地设置

通过对尕海湿地植被特征和理化性质实地调查及相关资料论证分析，选择确定尕海湖周边的退化沼泽化草甸为调查区，采用空间序列代替时间序列生态学方法，选择地势相对平缓坡向一致的地段，参考马玉寿等[19]对高寒沼泽化草甸湿地植被退化等级的划分，主要依据湿地植物种类组成、地上生物量、群落高度、群落盖度等指标调查，将沼泽化草甸湿地划分为未退化(CK)、轻度退化(SD)、中度退化(MD)及重度退化(HD)4种植被退化梯度，每个植被退化梯度布设10 m×10 m定位研究样地，用铁丝网和2 m的水泥柱进行围栏，以防止人畜对研究区的干扰，详细的样地设置及理化性质见团队先前报道[20]，样地其它情况见表1[20-21]。

表1 样地基本情况Table 1 General information of sampling sites

1.3 样品采集与分析

土壤采样于2017年5—9月每月中旬在上述4个植被退化梯度样地内进行，用土钻法在每类样地分别按“S”五点法分层(0～10，10～20，20～40，40～60，60～80和80～100 cm)取样，相同土层土壤为1个混合土样，四分法取部分，共计120份土壤样品，剔除土壤中可见杂物，一部分用于土壤含水量的测定，另一部分带回实验室自然风干，过2 mm筛，用于土壤蔗糖酶和淀粉酶活性及土壤有机碳(SOC)的测定(每个土样做三个重复)。土壤含水量用烘干法测定[22]；土壤蔗糖酶和淀粉酶活性采用DNS法[23]，即3,5—二硝基水杨酸比色法测定；土壤有机碳采用外加热—重铬酸钾氧化容量法测定[24]。

1.4 数据处理

本文采用Excel 2003制图，SPSS 23.0软件进行数据统计分析。采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)及多重比较法(LSD)分析不同退化程度各变量的差异显著性(α=0.05)。用Pearson相关分析法描述各因子之间的相关关系。文中同一土壤层次各退化梯度的土壤酶活性和土壤有机碳含量为5—9月的均值，整个0～100 cm土层的数值为同一退化梯度各土层的加权平均，权重为土层厚度所占比例。0～10和10～20 cm表层土壤的酶活性和有机碳含量为各自土层中4个退化梯度的均值，其在0～100 cm土层中所占比重为这2个土壤层次均值的和与整个土层各层次均值总和之比。

2 结果与分析

2.1 土壤蔗糖酶活性

4种退化程度下0～100 cm层土壤蔗糖酶活性均值为CK(53.67 mg·g-1)> SD(43.64 mg·g-1)> MD(40.31 mg·g-1)> HD(36.77 mg·g-1)(图1)。0～10和10～20 cm土层中，随植被退化程度加剧，土壤蔗糖酶活性显著下降(P<0.05)；且这2层的蔗糖酶活性最高，分别为119.89 mg·g-1和77.39 mg·g-1，占0～100 cm土层酶活性总值的75.56%。20～40 cm土层，4种退化程度土壤蔗糖酶活性差异不显著(P>0.05)；40～60，60～80，80～100 cm土层中HD阶段酶活性较高。同一退化程度蔗糖酶活性均表现出随土层深度增加显著下降(P<0.05)的趋势。

图1 不同植被退化阶段土壤蔗糖酶活性Fig.1 Soil invertase activity in different vegetation degradation stages注：图中不同大写字母表示不同退化程度间存在差异(P<0.05)，不同小写字母表示不同土层间存在差异(P<0.05)，下同Note:Different capital letters indicate significant difference among different degradation degrees at the 0.05 level,and different lowercase letters indicated significant difference among different soil depth at the 0.05 level,the same as below

随时间变化，4种退化程度下各土层土壤蔗糖酶活性时间差异明显(图2)。0～10 cm土层CK阶段的蔗糖酶活性6月最高，之后随时间变化逐渐降低，其它3种退化程度均呈“升—降—升”的变化趋势，活性值在6月和9月上升。10～20 cm土层中CK，HD变化趋势相同，均为5月最高，7月最低，差值分别为30.15 mg·g-1和33.28 mg·g-1，而SD与MD蔗糖酶活性8月下降至最低。20～40，40～60，60～80，80～100 cm土层的变化趋势一致，表现为SD，MD，HD阶段酶活性6月最高，7，8月份波动性变化，9月趋于稳定，CK则呈“双峰曲线”，峰值出现在6月和8月。整个0～100 cm土层，4种退化程度蔗糖酶活性均值为6月(47.07 mg·g-1)>9月(31.33 mg·g-1)>5月(31.14 mg·g-1)>7月(30.72 mg·g-1)>8月(22.69 mg·g-1)。

图2 土壤蔗糖酶活性的时间动态Fig.2 Time dynamics of soil invertase activity

2.2 土壤淀粉酶活性

不同植被退化程度中0～100 cm土层土壤淀粉酶活性均值为CK(29.86 mg·g-1)>SD(25.64 mg·g-1)>MD(20.27 mg·g-1)>HD(18.43 mg·g-1)(图3)。表层(0～20 cm)土壤淀粉酶活性为437.00 mg·g-1，占0～100 cm土层的63.38%。4种退化程度中CK和SD的土壤淀粉酶活性随土层深度的增加表现出波动性变化；MD和HD在0～40 cm土层中淀粉酶活性随土层层次增加持续减少，不同土层间差异显著(P<0.05)，而在40～100 cm土层中变化幅度较小，范围在0.18～6.25 mg·g-1。

图3 不同植被退化阶段土壤淀粉酶活性Fig.3 Soil amylase activity in different vegetation degradation stages

随时间变化，土壤淀粉酶活性在不同土层之间变化趋势基本一致，大体呈“单峰曲线”(图4)，具体表现为5月、6月酶活性变幅较小，范围为0.08～27.58 mg·g-1，7月激增，均值为85.18 mg·g-1，8月和9月降低并趋于稳定。从整个0～100 cm土层看，4种退化程度淀粉酶活性均值7月最高，且CK和SD阶段酶活性显著高于MD和HD，9月最低(3.91 mg·g-1)，其它月份变化不明显。

图4 土壤淀粉酶活性时间动态Fig.4 Time dynamics of soil amylase activity

2.3 土壤有机碳含量

不同退化程度0～100 cm土层中，土壤有机碳(SOC)均值随退化程度加剧而降低(图5)，具体为CK(18.98 mg·kg-1)>SD(14.64 mg·kg-1)> MD(12.91 mg·kg-1)> HD(12.46 mg·kg-1)。在0～40 cm土层，CK，SD和MD随土层深度的增加土壤有机碳显著下降(P<0.05)；40～100 cm土层中CK和SD阶段的土层变化没有显著性差异(P>0.05)。HD在整个土层剖面呈波动下降趋势。

图5 不同植被退化阶段土壤有机碳含量Fig.5 Soil organic carbon content in different vegetation degradation stages

不同植被退化程度土壤有机碳表现出明显的季节变化(图6)。CK，SD和MD阶段变化趋势相同，随时间增加呈线性下降趋势，SOC含量5月最高，9月最低。HD阶段呈先减后增趋势，SOC含量7月最低。不同月份0～100 cm土层SOC均值为5月(75.93 mg·kg-1)>7月(61.51 mg·kg-1)>6月(56.47 mg·kg-1)>8月(51.53 mg·kg-1)>9月(49.46 mg·kg-1)。

图6 土壤有机碳时间动态Fig.6 Time dynamics of soil organic carbon

2.4 土壤蔗糖酶、淀粉酶、有机碳和含水量的相关性分析

由表2可以看出，土壤蔗糖酶与土壤淀粉酶、土壤含水量及有机碳之间呈极显著正相关关系(P<0.01)，相关系数分别为0.293，0.450和0.884。土壤淀粉酶与土壤有机碳间呈极显著正相关关系(P<0.01)，而与土壤含水量之间相关系数为0.118，相关性未达到显著水平(P>0.05)。

表2 土壤蔗糖酶、淀粉酶、有机碳和含水量之间相关性分析Table 2 Pearson correlation analysis between soil invertase and amylase activities，organic carbon and water content

注：**表示极显著相关(P<0.01)

Note:**indicate highly significant correlation at the 0.01 level

3 讨论

3.1 土壤蔗糖酶和淀粉酶空间分布

受气候变化和人为干扰的影响，尕海湿地植被出现不同程度的退化现象，湿地植物生产力发生变化，同时，植被退化导致湿地环境恶化，土壤微生物活力和土壤养分及理化性质等均改变，进而影响土壤酶的增殖和已积累于土壤中的酶活性[25]。本研究表明尕海湿地土壤蔗糖酶活性随植被退化程度加剧而降低，且未退化阶段(CK)的蔗糖酶活性为53.67 mg·g-1明显高于其它退化阶段。秦嘉海等[26]对祁连山黑河上游退化高寒草地的研究显示，与其它三种退化草地相比未退化草地中蔗糖酶活性最高，这与本文结果一致。不同植被退化程度中，地上植被盖度、高度等群落特征不同(表1)，对土壤微生物的活动和数量产生影响，而土壤微生物与酶的活性密切相关[27-28]。植被退化程度较低的区域植物种类丰富且均匀度高，地下根系密集有机质富集，与蔗糖酶有关的微生物活动旺盛，从而有机残体分解和微生物与根系分泌为蔗糖酶提供了主要来源[29]。植被退化程度越高土壤越贫瘠，虽然表面透气性较好，但由于地上生物量少，减少了蔗糖酶的来源，且土壤紧实度增大限制了氧气交换[30]，土壤呼吸减弱，微生物活性降低，无法促成酶的合成，蔗糖酶活性自然降低。从整个0～100 cm土层看，4种退化阶段表层土壤(0～10，10～20 cm)蔗糖酶活性均显著高于其它土层(P<0.05)，并随土层的加深呈递减趋势。蒋永梅等[28]研究的退化高寒草甸土壤特征也发现，0～20 cm土层的蔗糖酶活性显著高于20～40 cm的。

尕海湿地植物优势种以矮篙草为主，其0～20 cm土层中的根系量约占根系总量的85%[18]，且该范围是植物凋落物的输入层，也是土壤植物和微生物的活跃层，故土壤蔗糖酶活性最高。而植物根系较少能延伸到的40～100 cm深层土壤中影响蔗糖酶活性的主要因素是微生物、有机质等土壤内环境。研究中，40～100 cm层蔗糖酶活性随土层增加逐层递减，这一特征与SOC在土层剖面的分布状况一致(图5)。而4种退化阶段在该范围表现为重度退化(HD)略高于其它三个退化阶段，这是由于相对于大粒径土壤团聚体蔗糖酶更易被小粒径团聚体吸附，被吸附的蔗糖酶活性不受改变且稳定性增强，对环境改变表现出一定抗性[31]。随植被退化加剧，尕海湿地土壤结构变差(容重变大，孔隙度变小)，粘粒增加[21，32]，粘粒聚合形成的小粒径土壤团聚体为蔗糖酶提供了吸附保护，使其表现出抵抗环境变化的特征。另外，研究中蔗糖酶与土壤含水量间的相关性分析显示(表2)两者呈极显著正相关关系(P<0.01)，植被退化的湿地土壤孔隙度变小，减少了水分蒸散[33]，土壤湿度变大，因此蔗糖酶活性提高。

土壤淀粉酶与蔗糖酶参与的土壤生物化学反应往往同时发生，它们之间相互影响协同共存[34]。本研究中，淀粉酶活性均值随退化程度加剧显著下降，并呈明显的“表聚现象”，这与蔗糖酶在土壤剖面的特征一致。从土层深度看，淀粉酶活性在0～10 cm土层中未退化(CK)和轻度退化(SD)低于中度退化(MD)，这与蔗糖酶活性特征相反(0～10 cm蔗糖酶活性CK>SD>MD)。胡雷等[13]对不同退化程度高寒草原土壤酶活性的研究也发现，一些土壤酶活性在草甸发生一定退化后才达到最大值，并非在未退化阶段。这可能是因为土壤具有稳定性，其抗拒退化能力较强，所以植被演变往往与土壤变化具有非同步性特征，植被发生退化演替效应明显，而土壤的变化比较缓慢[32]。尕海湿地植被退化过程中SOC变化特征的研究[32]显示，MD阶段植被盖度虽然较小，但地表植被凋落物最高，加上动物践踏使凋落物破碎并与土壤充分接触，促进了凋落物的分解，有助于SOC和养分元素转移到土壤中，这使得MD阶段的SOC高于SD阶段，由此可以推断MD阶段淀粉酶活性较高可能是SOC含量高所导致。

3.2 土壤蔗糖酶和淀粉酶活性时间动态

促使蔗糖酶和淀粉酶活性季节变化的主要因子是植物特性和气候因素[35]。本研究中，土壤蔗糖酶表现出明显的时间变化，蔗糖酶活性均值为6月最高，8月最低。6月尕海湿地温度升高，降雨量较少，植物处于生长初期，适度的干旱促进植物萌发和根系生长，地上植物的丰富较大程度上改善了土壤微环境，引起地下生物资源的多样性[36]，蔗糖酶受到这种自上而下的强烈调控，通过催化土壤中非生长季积累的有机质转化为营养能量反馈给地上植物群落，进一步维持植物生长[13]。8月是尕海湿地植物生长后期，植物吸收养分能力降低，根系生长减缓，分泌能力变弱，因此SD，MD和HD阶段蔗糖酶活性降低，而CK阶段在8月有所上升，这是因为CK阶段生长的植物在8月加大了其地下部分碳的分配比例来促进根系生长[18]，土壤中碳含量的增加使得蔗糖酶活性增强。在0～100 cm土层剖面，9月的蔗糖酶活性相对较高，并且MD显著高于其它阶段。因为9月尕海地区开始进入漫长的低温时期，长期受当地气候影响，植物会将有限的光合产物转入地下储藏在根系，以抵御低温干扰[37]，致使地下SOC含量增加，同时部分植物开始衰败，植物残体、凋落物和腐殖质等新的输入物刺激旧物质产生“起爆剂效应”[38]，增强了酶活性。由于MD地表具有最多的凋落物，因此MD的酶活性在此时相对更高。陈慧清[39]的研究显示，若尔盖高原湿地土壤蔗糖酶活性在暖季高于冷季；岳中辉等[40]研究了松嫩平原退化盐碱草地土壤酶活性，发现土壤中凋落物的输入有利于酶活性的提高，均与本文结果一致。但熊浩仲等[41]对川西亚高山白桦林蔗糖酶的研究中发现，酶活性随着凋落物高峰期的到来反而降低，由此可见土壤蔗糖酶的季节动态根据地区环境条件和植物种类不同有所差别。

土壤淀粉酶活性7月最高，其它月份变化不明显。范阿南等[42]对辽东山区胡桃楸林的研究也发现土壤淀粉酶活性在7月达到最高值，其他月份变化不明显。主要原因是淀粉酶易受环境变化的影响[3]，不适宜的环境条件都会抑制其活性，所以各月份淀粉酶活性少有显著变化且绝对值较低。土壤温度是土壤酶活性发生季节变化的重要原因之一[3]。南丽丽等[43]认为在温度升高促使淀粉酶活性增强。尕海湿地冬季长夏季短，最热月份在7月，平均气温10.5℃，是当地气候最温暖的时期，此时淀粉酶活性最高，说明温度升高有助于淀粉酶活性增强。此外，7月植物处于生长旺盛阶段，土壤养分充足，SOC含量升高(图6)，SOC作为淀粉酶的反应底物进一步促进了淀粉酶活性。0～100 cm土层剖面中，7月各退化阶段酶活性为CK>SD>MD>HD，且CK和SD阶段酶活性显著高于MD和HD，说明淀粉酶活性随退化程度的加剧而降低，并在7月尤其突出。

4 结论

尕海湿地植被退化对土壤蔗糖酶和淀粉酶活性影响较大，并存在季节差异。随着尕海湿地植被退化演替的进行2种酶活性逐渐降低；蔗糖酶活性在6月最高，8月最低，同一退化梯度酶活性随土层深度增加显著降低；淀粉酶活性整体在7月最高，其他月份酶活性较低且变化不明显，酶活性在土层剖面自上而下呈波动下降趋势；表层土壤中2种酶活性受退化程度的影响更显著。总之，尕海湿地植被退化显著影响土壤蔗糖酶和淀粉酶活性，降低了酶促反应的效率，导致湿地土壤环境恶化。