黄土高原植被恢复与原生林土壤酶活性及微生物养分限制的对比研究

《Plants》：Soil Enzyme Activities and Microbial Nutrient Limitation Between Restored Vegetation and Primary Forest on the Loess Plateau

　　

摘要 植被恢复旨在恢复退化景观的生态系统功能，然而恢复植被与原生林之间土壤微生物功能的差异仍鲜为人知。本研究调查了黄土高原人工林、次生草地和原生林的胞外酶活性（extracellular enzyme activities, EEAs）及生态酶化学计量（ecoenzymatic stoichiometry），并评估了多种环境因素对其变异的相对贡献。结果表明，草地表现出高于人工林和原生林的EEAs。向量长度（vector length，1.34–1.38）表明人工林比草地和原生林存在更强的微生物碳（C）限制，而向量角度（vector angle，40.60–43.21°）则表明各植被类型总体上以氮（N）限制为主，而非磷（P）限制。土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）、坡度（slope gradient）和碱性磷酸酶（alkaline phosphatase, ALP）分别是EEAs、微生物C限制和微生物N/P限制的主要预测因子。此外，微生物生物量化学计量内稳态（stoichiometric homeostasis）在不同植被类型间存在差异，人工林表现为相对较弱的内稳态，而草地表现为严格内稳态。总体而言，草地以高酶投资和相对较低的微生物养分限制为特征，表明黄土高原撂荒后的自然次生演替可能有利于维持良好的土壤微生物功能。

黄土高原植被恢复与原生林土壤微生物功能对比研究：酶活性、养分限制与化学计量策略的整合解读

一、研究背景与科学问题

土壤胞外酶是驱动有机质解聚和碳（C）、氮（N）、磷（P）养分循环的关键生物催化剂。微生物通过调控酶的生产来获取资源，因此胞外酶活性（EEAs）及其化学计量关系能够反映微生物的资源获取策略和对养分失衡的响应。原生林通常具有稳定的养分循环、高生物多样性和强生态系统韧性，是评估植被恢复生态效应的理想参照生态系统。然而，在人为干扰和环境变化的背景下，大面积原生林发生退化，人工林和次生草地成为恢复过程中的主要植被类型。

黄土高原是典型的干旱半干旱生态系统，长期面临水分限制、土壤侵蚀和养分约束等问题。自20世纪90年代实施“退耕还林”工程以来，大规模人工林建设显著推进了植被恢复；与此同时，撂荒后的自然演替也促进了草地的发育。尽管已有研究探讨了黄土高原不同植被类型下土壤EEAs及其生态酶化学计量的变化，但结果并不一致。近年来有研究指出，这些差异可能部分反映了恢复植被与原生林之间的根本性区别。然而，不同恢复途径——人工造林与撂荒后自然演替——是否导致截然不同的土壤微生物功能响应，以及这些响应与原生林相比有何差异，仍不清楚。

基于此，研究人员开展本研究，旨在明确黄土高原恢复植被与原生林之间土壤微生物资源获取和化学计量策略的差异。具体目标包括：（1）确定不同植被类型间EEAs和生态酶化学计量的变化；（2）确定不同植被类型间微生物生物量化学计量内稳态的变化；（3）识别与EEAs和微生物养分限制变异相关的环境因素。

二、研究设计与关键方法

研究在山西省吉县蔡家川流域（36.23°N–36.3°N，110.65°E–110.78°E）开展，该区域属半干旱大陆性季风气候，年均气温10.2°C，年均降水量571 mm。2021年7月，研究人员在四种植被类型中进行土壤采样：油松（Pinus tabuliformis）人工林、刺槐（Robinia pseudoacacia）人工林、次生草地和辽东栎（Quercus wutaishansea）原生林。两种人工林林龄一致（约30年），草地为撂荒约30年后的次生演替产物，原生林受当地政府保护。每种植被类型设置3个采样点，每个采样点设置3个10×10 m2样方，按S形五点采样法采集0–20 cm土层土壤，共建立36个样方，采集108份土壤样品。

主要技术方法包括：土壤理化性质测定（SOC采用Walkley-Black法，TN和AN采用元素分析仪，TP和AP采用紫外可见分光光度计，pH采用pH计，BD采用环刀法，SWC采用烘干称重法）；微生物生物量碳（MBC）、氮（MBN）、磷（MBP）采用氯仿熏蒸提取法测定；EEAs采用荧光法和分光光度法测定，包括β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、L-亮氨酸氨肽酶（LAP）、碱性磷酸酶（ALP）、纤维素酶（CE）、多酚氧化酶（PO）和过氧化氢酶（CA）；酶活性以比活性（单位SOC）表示。生态酶化学计量和向量分析用于评估微生物养分限制，回归分析用于评估微生物生物量化学计量内稳态，随机森林算法用于评估各环境因子对酶活性和养分限制变异的相对贡献。

三、主要研究结果

3.1 不同植被类型的土壤EEAs

草地表现出最高的EEAs，BG、NAG+LAP、ALP、CE、PO和CA的平均值分别为44.53 μg glucose g^?1 SOC d^?1、54.77 μg NH₄⁺-N g^?1 SOC d^?1、49.23 μg phenol g^?1 SOC d^?1、6.31 μg glucose g^?1 SOC d^?1、16.33 μg purpurogallin g^?1 SOC d^?1和22.00 mL KMnO₄ g^?1 SOC d^?1（p < 0.05）。原生林EEAs总体最低，两种人工林之间无显著差异。对于PO，原生林显著低于刺槐人工林，但与油松人工林无显著差异。

3.2 EEAs与土壤性质的关系

ALP与CE和PO呈显著负相关（p < 0.001）。NAG+LAP与SOC和AN呈正相关（p < 0.05），与AP和BD呈负相关（p < 0.05）。ALP与MBP呈正相关（p < 0.05），与MBC和SWC呈负相关（p < 0.05）。CE与AN呈负相关（p < 0.05）。PO与MBP和TP呈负相关（p < 0.05）。CA与MBC和SWC呈正相关（p < 0.05）。BG与土壤性质无显著相关。

3.3 EEAs和土壤性质的PCA

主成分分析（PCA）表明，不同植被类型间EEAs和土壤性质存在显著差异。PC1和PC2的贡献率分别为24.1%和16.0%。PC1与SOC、AN、TN、SWC和MBN正相关，与GMEA和BD负相关；PC2与MBC、TP、AP和pH正相关，与MBP负相关。原生林与较高的土壤养分相关，草地与较高的GMEA相关。原生林各样点分布较为分散，表明其EEAs和土壤性质在样点间具有较高的变异性。

3.4 微生物养分限制的向量分析

向量长度在不同植被类型间存在差异：刺槐人工林最高（1.38），原生林最低（1.34），表明微生物C限制在刺槐人工林中最高、原生林中最低。向量角度范围为40.60°–43.21°，总体反映微生物N限制；但油松人工林和草地部分样点的向量角度超过45°，提示存在潜在的微生物P限制。

3.5 化学计量内稳态

微生物生物量C:N_B与土壤资源C:N_R的回归分析显示：刺槐人工林呈显著正相关（斜率0.511），归为弱塑性；原生林呈显著负相关（斜率?0.525），超出预设分类范围；油松人工林和草地无显著相关，归为严格内稳态。微生物生物量C:P_B与土壤资源C:P_R的回归分析显示：油松人工林呈显著正相关（斜率0.704），归为弱塑性；刺槐人工林呈显著正相关（斜率0.492），归为弱内稳态；原生林呈显著负相关（斜率?0.748），超出分类范围；草地无显著相关，归为严格内稳态。

3.6 影响EEAs和微生物养分限制的因素

随机森林分析表明，植被类型、土壤性质、微生物性质和地形因素共同解释了GMEA、向量长度和向量角度变异的89.45%、54.71%和50.73%（p < 0.01）。SOC、坡度（slope gradient）和ALP分别是GMEA、向量长度和向量角度的最主要预测因子。GMEA和向量长度主要受土壤性质（尤其是化学性质）影响，而向量角度主要受微生物性质（尤其是EEAs）影响。在单个酶中，BG和ALP分别是向量长度和向量角度的最重要预测因子。

四、讨论与结论

讨论部分总结

原生林具有较高的土壤养分和水分有效性，而人工林和草地的EEAs普遍较高，表明酶生产是一种资源获取策略而非对总养分有效性的简单正响应。当资源充足时，微生物可能减少酶投资；中度资源限制可刺激酶合成；而严重资源匮乏则会限制微生物代谢和酶合成。SOC是EEAs的重要预测因子，可为微生物提供底物并促进酶在土壤中的持留。坡度通过影响水分保持、侵蚀和有机质再分布来调节微生物C限制。微生物C限制在人工林中较高，可能与代谢有效C供应相对不足有关；草地较低的C限制可能与草本植物输入富含易分解C有关。微生物养分限制总体上以N为主，这与黄土高原降水少、养分有效性低、生物固N有限以及植被恢复后植物与微生物对有效N的竞争加剧有关。部分人工林和草地样点存在潜在P限制，可能与植被发育增加生物P需求、土壤P主要来源于母质风化而逐渐耗竭有关。微生物生物量化学计量内稳态在不同植被类型间存在差异：人工林（尤其刺槐）表现为较弱的化学计量内稳态或较强的可塑性，草地表现为严格内稳态并伴随高酶投资，表明严格内稳态与高酶投资可能是微生物在资源多变条件下维持生物量元素平衡的协同策略。原生林中微生物生物量化学计量对资源化学计量的调整较大，但负斜率超出预设分类框架，可能代表另一种适应策略。研究还指出，恢复植被中较高的酶活性可能同时促进有机C分解和微生物转化，其对SOC积累的净效应需结合微生物坏死量、碳利用效率等指标进一步研究。本研究的局限性在于植被类型与样地特征（位置、海拔、物种组成、地形、土地利用历史）存在混杂，且为空间对比而非长期时序或控制实验，限制了对恢复因果效应和时间轨迹的推断。

结论部分翻译

在黄土高原，原生林以相对较高的土壤养分和水分有效性为特征。相比之下，包括人工林和草地在内的恢复植被普遍表现出较高的EEAs。生态酶化学计量表明，人工林的微生物C限制高于草地和原生林。各植被类型的微生物养分限制总体上以N限制为主而非P限制。EEAs和微生物养分限制的变异与多种环境因素相关。具体而言，SOC是EEAs的重要预测因子，坡度与微生物C限制相关，ALP与微生物N/P限制密切相关。微生物生物量化学计量内稳态在不同植被类型间也存在差异，人工林表现出较大的化学计量调整，而草地表现为严格内稳态。总体而言，本研究揭示了原生林、人工林和草地之间截然不同的微生物资源获取和化学计量策略，并强调在评估植被恢复时需同时考虑土壤资源条件和微生物酶分配。草地相对较高的酶投资和较低的微生物限制表明，撂荒后的自然次生演替可能有利于黄土高原土壤微生物功能的良好发挥。