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降水量变化与氮添加下荒漠草原土壤酶活性及其影响因素
朱湾湾, 王攀, 许艺馨, 李春环, 余海龙, 黄菊莹
植物生态学报    2021, 45 (3): 309-320.   DOI: 10.17521/cjpe.2020.0264
摘要   (1013 HTML79 PDF(pc) (1543KB)(2044)  

土壤酶主要由植物根系和微生物分泌产生, 参与有机质降解和元素循环等重要过程。研究降水量变化和氮(N)添加下土壤酶活性及其与植物群落组成以及微生物活动间的联系, 可为深入理解全球变化背景下植被-土壤系统中元素的循环与转化机制提供科学依据。该研究基于2017年在宁夏荒漠草原设立的降水量变化(减少50%、减少30%、对照、增加30%以及增加50%)和N添加(0和5 g·m-2·a-1)的野外试验, 研究了2018-2019年土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性的变化, 分析了其与植物群落组成、微生物生态化学计量特征的关系。结果表明: 与减少降水量相比, 增加降水量对3种酶活性的影响较大, 但其效应与N添加以及年份存在交互作用。2018年增加降水量对3种酶活性的影响缺乏明显的规律性。2019年增加降水量不同程度地提高了3种酶活性。N添加对3种酶活性影响较小(尤其2019年); 草木樨状黄耆(Astragalus melilotoides)生物量与脲酶和磷酸酶活性负相关。糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)生物量与3种酶活性正相关。除Patrick丰富度指数外, 植物群落多样性指数普遍与3种酶活性负相关; 对酶活性影响较大的因子包括土壤pH、土壤全磷(P)含量和微生物生物量碳(C):N:P。因此, 短期内降水量变化及N添加对荒漠草原土壤酶的影响较小(尤其在减少降水量条件下); 降水量增加及N添加通过提高植物生物量、改变植物多样性、调节微生物生物量元素平衡以及增强土壤P有效性, 直接影响着土壤酶活性。鉴于土壤酶种类的多样化和功能的复杂性, 今后还需结合多种酶活性的长期变化规律, 深入分析全球变化对酶活性的影响机制。



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图1 2018和2019年降水量及氮(N)添加对土壤酶活性的影响(平均值±标准误)。W1、W2、W3、W4和W5分别代表降水量减少50%、减少30%、自然降水、增加30%和增加50%。N0和N5分别代表0和5 g·m-2·a-1的N添加水平。不同小写字母表示相同N添加水平下降水量处理间各指标存在显著性差异(p < 0.05)。*表示相同降水量下N添加处理间各指标存在显著性差异(p < 0.05)。
正文中引用本图/表的段落
2018年, 与减少降水量相比, 增加降水量对3种酶活性影响较大, 且其影响程度与N添加有关(图1): 在0 g·m-2·a-1的N添加水平下, 与自然降水量相比, 仅增加30%降水量显著影响了脲酶活性(p< 0.05), 其他处理对3种酶活性无显著影响(p> 0.05); 在5 g·m-2·a-1的N添加水平下, 与自然降水量相比, 增减30%和50%降水量对蔗糖酶活性无显著影响(p> 0.05), 而增减30%和50%降水量均显著降低了脲酶活性, 增减50%降水量均显著降低了磷酸酶活性(p< 0.05); 两个N添加水平间, 自然降水量以及增加50%降水量条件下N添加显著提高了蔗糖酶活性(p< 0.05), 自然降水量以及增减50%降水量条件下N添加显著提高了脲酶活性(p< 0.05), 减少50%降水量条件下N添加显著降低了磷酸酶活性(p< 0.05)。
2019年, 与自然降水量相比, 减少降水量对3种酶活性无显著影响(p> 0.05), 增加降水量不同程度地提高了3种酶活性, 但其效应在N添加处理间差异较小(图1): 在0 g·m-2·a-1的N添加水平下, 与自然降水量相比, 增加30%和50%降水量均显著提高了蔗糖酶活性(p< 0.05), 增加30%降水量显著提高了脲酶活性(p< 0.05); 在5 g·m-2·a-1的N添加水平下, 与自然降水量相比, 增加30%降水量显著增加了脲酶活性(p< 0.05), 增加30%和50%降水量均显著增加了磷酸酶活性(p< 0.05); 两个N添加水平间, 自然降水量条件下N添加显著提高了蔗糖酶活性(p< 0.05), 减少30%和50%降水量条件下N添加显著提高了脲酶活性(p< 0.05)。
除植物群落组成外, 土壤酶活性还受到土壤因子的综合影响(王启兰等, 2010; 李静等, 2013)。本研究中, 与其他因子相比, 微生物生态化学计量特征对3种酶活性的影响较大。蔗糖酶活性与微生物生物量C含量、C:N和C:P呈负相关关系。其可能原因在于降水和N添加在一定程度上提高了土壤N和P的有效性(涂利华等, 2009), 限制了C的有效性, 微生物生物量C含量、C:N和C:P呈降低趋势(附录IV), 从而刺激微生物分泌较多的C获取酶以促进有机C矿化(Rappe-George et al., 2017)。脲酶活性与微生物生物量C:N呈正相关关系, 与微生物生物量N含量呈负相关关系。这可能是由于持续增加的降水量加速了土壤N淋溶, 导致土壤N含量降低(附录III), 即N受限性增强, 进而提高土壤脲酶活性以促进有机N矿化(涂利华等, 2009; 刘星等, 2015)。此外, 磷酸酶活性与微生物生物量C:P呈正相关关系, 与微生物生物量P含量呈负相关关系。结合2019年磷酸酶的变化特点(图1), 以上结果表明降水量变化和N添加下微生物较多地受到土壤P有效性的限制。随着微生物对P的需求量增加, 相关水解酶活性相应增强(Steenbergh et al., 2011)。
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