尕海湿地区沼泽草甸退化对土壤氮转化酶活性的影响_常文华.pdf

第 32 卷第 2 期Vol.32，No.254-642023 年 2 月草业学报ACTA PRATACULTURAE SINICA常文华，马维伟，李广，等.尕海湿地区沼泽草甸退化对土壤氮转化酶活性的影响.草业学报，2023，32（2）：5464.CHANG Wen-hua，MA Wei-wei，LI Guang，et al.Effects of swamp meadow degradation on soil nitrogen invertase activity in wet areas of Gahai.ActaPrataculturae Sinica，2023，32（2）：5464.尕海湿地区沼泽草甸退化对土壤氮转化酶活性的影响常文华，马维伟*，李广，徐国荣，龙永春（甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070）摘要：为探讨高寒湿地退化对土壤氮转化酶活性的影响，以青藏高原东缘尕海湿地未退化（ND）、轻度退化（LD）、中度退化（MD）和重度退化（HD）4种不同退化程度 040 cm 土层沼泽草甸为研究对象，研究不同退化与土层中土壤氮转化酶（蛋白酶、脲酶、硝酸还原酶和亚硝酸还原酶）活性的变化特征及其与土壤理化性质之间的关系。结果表明：1）随沼泽草甸退化程度加剧，土壤含水量、全氮、铵态氮和微生物生物量氮含量均显著降低，土壤温度与硝态氮含量却显著增加。2）随退化程度加剧，各土层土壤脲酶活性增加、蛋白酶活性降低，且仅在 2040 cm 土层存在显著差异；硝酸还原酶活性增加、亚硝酸还原酶活性降低，在 020 cm 土层存在显著差异。3）各退化程度中，土壤脲酶、蛋白酶、亚硝酸还原酶活性均随土层深度的增加而显著下降，硝酸还原酶活性仅在 HD 显著下降。4）退化程度和土层对 4种土壤氮转化酶活性均存在显著影响，且对土壤硝酸酶和亚硝酸还原酶活性存在显著交互作用。5）冗余分析表明土壤含水量对土壤氮转化酶活性变化的贡献率高达 67.1%，其是驱动尕海沼泽草甸退化演替过程中土壤氮转化酶活性变化的主导因素。研究结果可为高寒湿地生态系统退化中的土壤酶活性变化规律提供理论依据。关键词：尕海湿地；沼泽草甸；退化；氮转化酶活性Effects of swamp meadow degradation on soil nitrogen invertase activity in wetareas of GahaiCHANG Wen-hua，MA Wei-wei*，LI Guang，XU Guo-rong，LONG Yong-chunCollege of Forestry，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，ChinaAbstract：This study explored the effects of degradation of alpine wetlands on soil nitrogen invertase activities.Fourswamp meadows exhibiting different degrees of degradation non-degraded（ND），lightly degraded（LD），moderately degraded（MD）and heavily degraded（HD）in the wet areas of the Eastern Qinghai-Tibetan Plateauwere selected for study and data on the distribution characteristics of soil nitrogen invertase（protease，urease，nitratereductase and nitrite reductase）in 0-40 cmsoil horizon were collected and their relationship with soilphysicochemical properties was ascertained.It was found that：1）With increasing swamp meadow degradation，thesoil moisture content，total nitrogen，ammonium nitrogen and microbial biomass nitrogen content were significantlyreduced，but the soil temperature and nitrate nitrogen content were significantly increased.2）As the degree ofdegradation increased，the soil urease activity increased and the protease activity decreased in each soil layer，but thechanges were statistically significant only in the 20-40 cm soil horizon.The nitrate reductase activity increased andDOI：10.11686/cyxb2022075http：/收稿日期：2022-02-17；改回日期：2022-04-28基金项目：国家自然科学基金项目（31860143），甘肃省教育厅：青年博士基金项目（2021QB-024），甘肃农业大学青年导师基金资助项目（GAU-QDFC-2021-11）和甘肃省教育厅：产业支撑计划项目（2021CYZC-15）资助。作者简介：常文华（1997-），男，甘肃临夏人，在读硕士。E-mail：C 通信作者 Corresponding author.E-mail：Mww-第 32 卷第 2 期草业学报 2023 年the nitrite reductase activity decreased，and there were significant differences in the 0-20 cm soil horizons.3）Theactivities of soil urease，protease，and nitrite reductase for each meadow degradation status category all decreasedsignificantly with increasing soil depth，while the nitrate reductase activity decreased significantly only in HD.4）The activities of all four soil nitrogen converting enzymes varied with degradation status and soil depth，and a therewas a significant interaction between degradation status and soil depth for soil nitrate and nitrite reductase activities.5）Redundancy analysis showed that soil water content accounted for 67.1%to the change in soil nitrogen invertaseactivity，and was thus the dominant factor driving changes in soil nitrogen invertase activity across the degradationsuccession of Gahai.The results of this study provide a theoretical basis for defining the pattern of change in soilenzyme activity at different stages in the degradation of alpine wetland ecosystems.Key words：Gahai wetland；swamp meadow；degradation；nitrogen invertase activity土壤酶是土壤生态系统中的重要组成部分，主要来源于动植物微生物分泌及其残体分解，推动着土壤生态系统的养分循环和能量流动1。土壤氮转化酶是固氮、硝化和反硝化等氮的周转和矿化过程的主要生物催化剂，也是土壤氮循环的主要限制因素之一2，其中土壤脲酶能将尿素水解成氨，蛋白酶能够促使蛋白质物质转化为氨基酸，硝酸还原酶及亚硝酸还原酶可直接参与土壤的反硝化过程3。土壤酶活性能够反映土壤碳氮磷循环速率的强弱，其活性大小不仅受制于植被类型、土壤环境状况、土层深度、微生物活性和养分可利用性等因素的影响，而且还与凋落物降解及养分归还等密切相关4。土壤氮转化酶活性不仅能反映土壤微生物养分含量需求以及生化反应过程的强度与方向，而且能够反映土壤氮素累积与分解转化的规律5，研究其活性变化对于理解土壤氮转化过程具有重要意义。全球气候变暖及过度放牧导致青藏高原地区部分生态系统的退化直接影响植物、土壤理化特征与土壤微生物活性，从而影响土壤酶活性6。研究表明，高寒生态系统退化演替，引起区域植被、土壤等环境因素变化，一定程度影响了相关土壤酶活性7-8，但在不同土层深度影响程度不同。如刘育红9在高寒草甸的研究发现，表层土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性在退化条件下的变化剧烈。蒋永梅等10在祁连山高寒草地的研究发现，土壤酶活性随退化梯度加剧与土层加深均呈减小的趋势，且随退化程度的进一步加剧，表层土壤酶活性降低趋势愈发明显；Ma等11对高寒湿地的研究表明，植被退化仅显著降低了 020 cm 土层的土壤蔗糖酶和-葡萄糖苷酶活性，这些研究在一定程度上揭示了高寒生态系统退化对土壤酶活性及其土层深度分布的影响。然而，不同生态系统存在不同土壤类型、土壤养分、植被状况等因素，导致土壤酶活性不同；同时同一类型不同深度的土壤酶活性对生态系统退化响应的敏感性也存在差异。尽管学者对高寒生态系统土壤酶活性做了大量研究，但关于高寒生态系统退化演替对土壤酶活性及其土层深度分布的影响研究仍较缺乏。位于青藏高原东缘的尕海湿地是响应全球气候变化最敏感的区域之一，区域内沼泽草甸分布面积高达 80%以上。但近年来受气候、水文变化以及过度放牧等不合理的人类活动影响，沼泽草甸退化严重12，引起植被旱生化、水分含量、碳汇功能降低以及土壤碳、氮组分含量显著减小等环境变化13，这些环境因素的变化将会使得土壤酶活性被打破，进而影响土壤养分循环过程。目前，尕海湿地沼泽草甸植被与土壤均表现出从水生向陆生渐进式演替的退化趋势14，但尚不明确：土壤氮转化酶活性在沼泽草甸退化过程中的变化规律如何？哪一层变化最为显著？土壤酶活性发生变化的关键驱动因子是什么？鉴于此，本研究以尕海湿地不同退化沼泽草甸为研究对象，分析比较不同退化程度不同深度土壤氮转化酶活性的差异性，揭示沼泽草甸退化对土壤氮转化酶活性及其土层分布的影响，为理解全球气候干暖化背景下高寒湿地生态系统土壤酶活性变化规律提供基础数据，也为深入理解高寒生态系统土壤氮循环过程提供理论依据。1材料与方法1.1研究区概况研究区地处青藏高原东缘，位于甘肃省甘南藏族自治州碌曲县尕海自然保护区境内，地理坐标为 3358-55Vol.32，No.2ACTA PRATACULTURAE SINICA（2023）3432 N，10205-10247 E，海拔 34304300 m，区域总面积为 58067 hm2，其中沼泽