高寒草地灌丛化对土壤团聚体生态化学计量学及酶活性的影响

马文明，刘超文，周青平，邓增卓玛，唐思洪，迪力亚尔·莫合塔尔，侯晨

（西南民族大学青藏高原研究院，四川 成都 610041）

灌丛化（shrub encroachment）是全球草地生态系统重要的生态现象之一，是影响草地碳库的重要过程［1］，近十年间我国青藏高原已有39%的高寒草地发生灌丛化［2］。青藏高原高寒草地是我国重要的碳汇区，据估算表层土壤（0～0.75 m）中储存有33.5 Pg（1 Pg＝1015g）的有机碳［3］。而表层土壤中约90%的有机碳储存于团聚体内［4］，其对底物有机碳和微生物的保护与阻隔作用可减少有机碳、氮的分解，从而在碳、氮循环和减缓土壤温室气体排放中发挥重要作用［4］。植物凋落物、根系及根系分泌物等有机质的输入是影响团聚体形成、稳定及生源物质分布的重要因素。研究表明，草本植物和灌木的根系活力、分泌物成分以及有机质的输入差异可影响土壤微生物活性和有机质的分解，导致土壤团聚体组成及各粒径团聚体内养分含量发生变化，进而改变生物地球化学循环进程［5—6］。

土壤生态化学计量比是研究生物系统能量平衡和土壤元素（碳、氮、磷）平衡的重要指标，植被生物体中的养分含量取决于土壤养分供应和植被养分需求间的动态平衡，该指标可反映植被受养分需求量和土壤养分供应的约束，对揭示元素相互作用与制约变化规律具有重要意义［7］。土壤生态化学计量比易受植被类型和土地利用方式的影响，李丹维等［7］对太白山不同海拔土壤碳、氮、磷含量及生态化学计量特征的研究结果表明，秦岭太白山阔叶林土壤C/N和C/P高于针叶林，N/P则相反。天山北坡不同植被类型下土壤生态化学计量特征表现为N含量、C/P、N/P山地针叶林和亚高山灌丛草甸显著高于山地荒漠草原、山地草原、高山点状植被（P＜0.05），P含量、C/N则是高山点状植被显著高于其他植被类型［8—9］。酶是土壤养分活化、周转及供应的催化剂，土壤酶主要来源于植物根系和微生物活动，是土壤生源物质迁移转换的驱动者［9］，如水解酶可水解土壤中的蛋白质和多糖使养分更易被植物吸收，氧化还原酶的催化反应与能量的释放有关。土壤酶活性受团聚体的形成环境、团聚体内通气状况及养分和水分差异的影响，同时粒径大小也影响着团聚体微环境内微生物和土壤酶参与养分转化的强度［10］。前人研究发现微团聚体内黏粒和粉粒的含量增加可使酶活性增强，如李鑫等［11］研究认为微团聚体内蔗糖酶、脲酶和β-D葡萄糖苷酶活性显著高于大团聚体，也有部分学者认为大团聚体内氧气和水分充足更有利于土壤酶活性的增强，如宫雪等［12］和姬秀云等［13］均认为蔗糖酶和磷酸酶活性随着团聚体粒径的增大而增加，可见团聚体内酶活性的分异规律差异较大。因此，研究不同区域灌丛化后团聚体内生态化学计量特征和酶活性分异规律对于揭示土壤生源物质循环至关重要。然而，草地灌丛化后土壤团聚体内生源物质含量如何变化？团聚体内酶活性是否发生变化进而影响草地土壤有机碳的固存？基于此，本研究拟围绕青藏高原高寒灌丛化草地土壤团聚体内生源物质（C、N、P、K）富集特征、生态化学计量比和酶活性变化开展试验，以期为科学认识青藏高原高寒草地生态系统碳循环机制提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处青藏高原东缘，位于四川省阿坝藏族羌族自治州红原县邛溪镇，西南民族大学青藏高原生态研究基地旁（32°49′38″N，102°34′21″E）（图1），平均海拔3485 m，浅丘山地，大陆性高原寒温带半湿润季风气候，春、秋季节短暂，冬季漫长，霜冻期较长，年平均气温为1.4°C，最低温度—36°C，最高温度26°C。年相对湿度60%～70%，年均降水量650～800 mm，年均蒸发量648.2 mm。土壤成土母质由坡积物构成。采样区灌丛化现象已形成约20年，草地植被类型为高寒草地，由草本和灌木构成，复合群落的总盖度约70%。样地灌木分盖度约50%，草本层植物种类和生物量较少，分盖度约30%。灌丛化草地植被主要建群种为高山绣线菊（Spiraea alpina）。未灌丛化草地植被主要以禾本科（Gramineae）和莎草科（Cyperaceae）为主，伴生种有菊科（Compositae）、豆科（Leguminosae）和毛茛科（Ranunculaceae）等，禾本科和莎草科中以发草（Deschampsia caespitosa）、垂穗披碱草（Elymusnutans）、垂穗鹅观草（Roegneria nutans）、剪股颖（Agrostismatsumurae）、溚草（Koeleria macrantha）、早熟禾（Poa annua）等植物为主。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study ar ea

1.2 样地选择与样品采集

本试验野外取样工作于2017年9月开展。按图2样方设计示意图，随机选取两块50 m×50 m无灌木生长的草地群落，在其周边（直线距离10 m）随机选取3块已灌丛化样地（50 m×50 m）。每块灌丛化样地按对角线采样法设置3个1 m×1 m的样方，在每个灌木丛样方边设置30 cm×30 cm的小样方。用剪刀收集样方内地上植被生物量，用土壤铲挖取样方内表层0～10 cm的原状土，削去边缘受挤压的土壤后采集2 kg团聚体土样，装于硬质塑料盒，同时用环刀采集土壤容重样品。未灌丛化生长的样地取样方式同上。植被地上生物量样品装于纸质信封袋带回实验室立即归类。采集的土壤样品自然风干，期间轻轻地将大块土沿纹理分成10～12 mm的小块，分别用于理化性质的测定和土壤团聚体的分级。

图2 样方设置示意图Fig.2 Picture of plots design

1.3 土壤团聚体分离

土壤团聚体（本研究中团聚体指水稳性团聚体）的分级方法采用Cambardella等［14］的湿筛法和沉降虹吸法，将土壤团聚体分为＞2 mm、0.25～2 mm、0.053～0.25 mm、0.002～0.053 mm和＜0.002 mm 5个层级。具体方法为：将孔径为2 mm、0.25 mm和0.053 mm的套筛，按照孔径大小自上而下组合好，并将套筛放置于装有蒸馏水的筛分桶内，称取采集风干好的土样100 g，均匀平铺到孔径为2 mm的套筛中，调整桶内水面高度刚好淹没土样，在室温条件下放置浸润5 min后，以振幅为3 cm，速度为30次·min—1震荡2 min。筛分结束后收集各筛层上的团聚体并分别转移至铝盒中，50°C烘干称重，即获得＞2 mm、0.25～2 mm和0.053～0.25 mm三级土壤团聚体。之后将分离桶内的土壤悬液用沉降虹吸法分离，得到0.002～0.053 mm和＜0.002 mm的土壤微团聚体。

1.4 测定方法和计算

将用于土壤理化性质测定的土样研磨，过2 mm和0.125 mm筛。过孔径2 mm筛的土样用于土壤颗粒组成、土壤pH的测定。过孔径0.125 mm筛的土样用于测定土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）、全氮（total nitrogen，TN）、全磷（total phosphorus，TP）和全钾（total potassium，TK）含量。采用元素分析仪（Elementar variomax CNS analyser，德国）测定SOC和TN含量；采用NaOH碱熔—钼锑抗比色法测定TP含量；采用火焰光度法测定TK含量；采用环刀法测定土壤容重；采用酸度计测定土壤pH，水土比为2.5∶1.0；土壤机械组成采用激光粒度仪分析（Mastersizer 2000，Malvern Corp，英国），分为砂粒（0.05～2 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）和黏粒（＜0.002 mm）3个粒级。

按照《土壤酶及其研究法》［15］中的标准方法测定土壤酶活性。采用靛酚比色法测定土壤脲酶活性；采用3-5二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性；采用茚三铜比色法测定蛋白酶活性；采用磷酸苯二钠比色法测定酸性磷酸酶活性；采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶活性；采用对硝基酚比色法测定β-D葡萄糖苷酶活性。

1.5 数据分析

将所测得的数据进行正态分布和方差整齐性检验。灌丛化和未灌丛化草地土壤各级粒径团聚体内生源物质和酶活性变化在SPSS 22.0中采用单因素方差分析（One-way ANOVA），并用Least Significant Difference（LSD）法进行多重比较，OriginPro 8.0进行图表制作。为探讨不同草地模式下土壤各粒径团聚体内生源物质和酶活性的相关性，利用Canoco 5.0对土壤酶活性和土壤环境因子（pH、有机碳、全氮、全磷和全钾）进行去趋势分析（detrended correspondence analysis，DCA），后进行冗余分析（redundancy analysis，RDA）。

2 结果与分析

2.1 灌丛化草地土壤团聚体内生源物质含量分布

本研究中将土壤团聚体分为＞2 mm和0.25～2 mm的大团聚体及0.053～0.25 mm、0.002～0.053 mm和＜0.002 mm的微团聚体。由表1可见，SOC和TN含量在灌丛化与未灌丛化各粒径团聚体内变化一致，都呈现出先增加后降低趋势。均以0.053～0.25 mm团聚体中含量最高（有机碳的变化范围为7.02～8.04 g·kg—1和7.29～11.47 g·kg—1，全氮为0.64～0.83 g·kg—1和0.65～0.94 g·kg—1），＜0.002 mm粒径最低（有机碳的变化范围为6.42—8.10 g·kg—1和5.90～7.50 g·kg—1，全 氮 为0.57～0.73 g·kg—1和0.53～0.45 g·kg—1）。从大 到 小 依 次 为0.053～0.25 mm＞0.25～2 mm＞（＞2 mm）＞（＜0.002 mm）＞0.002～0.053 mm，其中＞0.053 mm团聚体有机碳、全氮含量高于＜0.053 mm团聚体。TP在灌丛化和未灌丛化土壤中，最大值出现在0.053～0.25 mm团聚体内（变化范围为1.83～2.37 g·kg—1和1.56～1.87 g·kg—1），最小值出现在0.002～0.053 mm土壤团聚体内（变化范围为1.57～2.37 g·kg—1和1.43～1.7 g·kg—1），从小到大依次排列为0.002～0.053 mm＜（＜0.002 mm）＜（＞2mm）＜0.25～2 mm＜0.053～0.25 mm，大团聚体（＞0.25 mm）与微团聚体（＜0.25 mm）之间差异显著（P＜0.05）。TK在灌丛化和未灌丛化草地团聚体内均无显著变化，但仍以0.002～0.053 mm团聚体内含量最低（变化范围16.51～20.99 g·kg—1和18.04～20.54 g·kg—1），而灌丛化后土壤全磷在各粒径团聚体内均呈下降趋势。

表1 灌丛化和未灌丛化草地土壤不同粒径团聚体理化性质Table 1 Proper ties of the various aggr egates in shr ub encroachment and alpine gr assland

2.2 灌丛化草地土壤团聚体内生态化学计量比

灌丛化草地土壤团聚体C/N最大值出现在＞2 mm团聚体内（变化范围为11.00～12.02），而最小值出现在＜0.002 mm团聚体内（变化范围为10.76～11.40），两者之间差异显著（P＜0.05），其他各粒径之间均无显著差异。灌丛化草地土壤团聚体内C/P和N/P变化相似，均以0.053～0.25 mm团聚体内最大（变化范围为3.94～5.95和0.35～0.49），而0.002～0.053 mm团聚体内最小（变化范围为3.32～6.13和0.30～0.49），土壤N/P在0.053～0.25 mm粒径团聚体显著高于0.002～0.053 mm粒径（P＜0.05），而土壤团聚体内C/P在各粒径间均无显著变化（表2）。

表2 灌丛化和未灌丛化草地土壤各粒径团聚体内碳氮比、碳磷比和氮磷比Table 2 The C/N，C/P，N/P in various aggr egates under shrub encr oachment and alpine grassland

未灌丛化草地内土壤C/N的最大值出现在0.25～2 mm团聚体内（变化范围为11.05～11.56），最小值出现在＜0.002 mm团聚体内（变化范围为10.69～11.16），＞2 mm和0.25～2 mm团聚体内C/N显著高于＜0.002 mm（P＜0.05）。土壤C/P和N/P的最大值出现在＞2 mm和0.002～0.053 mm团聚体内（变化范围为3.98～4.91和0.34～0.45），最小值出现在＜0.002 mm土壤团聚体内（变化范围为3.40～4.53和0.34～0.40），但土壤C/P和N/P在未灌丛化草地土壤各粒径团聚体内均无显著差异。

2.3 灌丛化草地土壤团聚体内酶活性变化

土壤酶活性的高低可影响生源物质的周转与累积，对深度参与SOC、TN、TP和TK循环与转化的酶研究发现（图3），未灌丛化草地土壤中蔗糖酶活性在0.053～0.25 mm团聚体内最高（变化范围225.29～262.70 mg·g—1·d—1），0.002～0.053 mm团聚体内活性最低（变化范围141.7～260.8 mg·g—1·d—1），＞0.053 mm高于＜0.053 mm团聚体内蔗糖酶活性，在灌丛化草地中各粒径团聚体内蔗糖酶活性以＞2 mm团聚体内活性最高（变化范围293.59～565.34 mg·g—1·d—1），0.002～0.053 mm团聚体内活性最低（变化范围150.63～414.43 mg·g—1·d—1）。未灌丛化草地和灌丛化草地中土壤脲酶活性变化相一致，在＞2 mm团聚体内最高（变化范围855.5～2847.2 mg·g—1·d—1和798.3～2593.3 mg·g—1·d—1），0.002～0.053 mm团聚体内最低（变化范围560.6～835.9 mg·g—1·d—1和619.1～754.3 mg·g—1·d—1），其中＞0.053 mm团聚体高于＜0.053 mm团聚体内脲酶活性。土壤蛋白酶在灌丛化草地中表现出＜0.002 mm团聚体内活性最高（变化范围190.55～505.31 mg·g—1·d—1），并随团聚体粒径的减小而增加（＞2 mm团聚体除外），在未灌丛化草地中表现为0.002～0.053 mm团聚体内活性最高；以0.25～2 mm团聚体内酶活性最低（变化范围为119.93～352.62 mg·g—1·d—1和42.95～380.30 mg·g—1·d—1）。土壤β-D葡萄糖苷酶活性在未灌丛化草地团聚体内最大值出现在＞2 mm团聚体中（变化范围0.017～0.034 mg·g—1·d—1），显著高于0.002～0.053 mm团聚体内酶活性（变化范围0.016～0.017 mg·g—1·d—1），而灌丛化草地β-D葡萄糖苷酶活性以＜0.002 mm团聚体内活性最高（变化范围0.016～0.034 mg·g—1·d—1），以0.002～0.053 mm团聚体内活性最低（变化范围0.033～0.150 mg·g—1·d—1）。

土壤磷酸酶在灌丛化草地和未灌丛化草地各粒径团聚体内变化相同，都表现为在0.053～0.25 mm团聚体内酶活性最高（变化范围为0.43～0.87 mg·g—1·d—1），0.002～0.053 mm团聚体内最低（变化范围为0.39～0.75 mg·g—1·d—1）。灌丛化后土壤蔗糖酶活性在各粒径团聚体内均被提高，以＞2 mm团聚体内酶活性变化最为显著（P＞0.05）。土壤脲酶和β-D葡萄糖苷酶活性在各粒径团聚体内呈波浪状变化，而灌丛化后土壤磷酸酶和蛋白酶则被降低。过氧化氢酶在灌丛化和未灌丛化草地土壤不同粒径团聚体中无显著性差异（图3～4）。

图3 各粒径团聚体内土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶和β-D葡萄糖苷酶活性变化Fig.3 Changes of soil sucrace，urease，protease andβ-D glucosidase activities in aggregates of different particle sizes

图4 各粒径团聚体内土壤磷酸酶和过氧化氢酶活性变化Fig.4 Changes of phosphatase and catalase activities in various soil aggr egates

2.4 灌丛化草地土壤团聚体内生源物质与酶活性冗余分析

利用酶数据进行DCA分析，结果中Axis Lengths的第一轴为0.29，遂用RDA排序模型。依据I型标尺缩放RDA排序图。从排序图可知（图5），土壤生源物质有机碳、全氮、全磷和全钾都主要分布在大团聚体中；土壤酶主要分布于大粒径团聚体中（如＞2 mm）。磷酸酶和蛋白酶主要存在于未灌丛化土壤团聚体内；蔗糖酶、过氧化氢酶和β-D葡萄糖苷酶主要分布在灌丛化草地土壤团聚体内，而脲酶表现为未受灌丛化影响。从不同粒径团聚体内酶的分布看，草地土壤团聚体中＞2 mm粒径中磷酸酶和蛋白酶含量最高，0.25～2 mm和0.053～0.25 mm粒径中酶的含量相近，＜0.002 mm粒径中最低。灌丛化草地土壤团聚体中蔗糖酶和过氧化氢酶分布相似，主要都分布在＞2 mm和0.25～2 mm粒径中。脲酶和β-D葡萄糖苷酶与土壤有机碳和全氮呈正相关，蔗糖酶和过氧化氢酶与全钾呈正相关，蛋白酶和磷酸酶与全磷呈正相关。脲酶、磷酸酶和蛋白酶与p H呈负相关。

图5 灌丛化草地土壤团聚体内生源物质与酶活性RDA分析Fig.5 Analysis of biogenic substances and enzyme activity RDA in soil aggregates of shrub grassland

3 讨论

3.1 灌丛化对草地土壤有机碳、氮含量的影响

植被主要通过改变土壤温度、水分和有机质输入量影响土壤有机碳、氮的积累，从而改变团聚体内有机碳、氮富集［16］。本研究中灌丛化草地与未灌丛化草地土壤有机碳和全氮含量在不同粒径团聚体内的变化为0.053～0.25 mm＞0.25～2 mm＞（＞2 mm）＞（＜0.002 mm）＞0.002～0.053 mm，＞0.053 mm团聚体内有机碳、氮显著高于＜0.053 mm的微团聚体。这可能是由于团聚体形成和组成对有机质的固存能力和土壤含水量影响不同所导致。大团聚体由微团聚体通过胶结物质胶结而成，而微团聚体中的黏粒和粉粒是土壤生源物质富集的主要贡献者［16—17］。土壤含水量较高易减弱独立存在的微团聚体对有机碳、氮的吸附作用，可在一定程度上导致微团聚体（＜0.25 mm）有机碳含量在水分的剥蚀作用下减少。Elliott［1］发现在湿润土壤中（土壤含水量为42%～44%），由于水分对微团聚体（粒径为0.053～0.090 mm）的剥蚀作用，其内有机碳的含量显著低于其他土壤。灌丛化草地和未灌丛化草地各粒径团聚体内土壤全磷明显高于全国标准（0.65 g·kg—1）［18］，可能是由于该区域的低温环境不利于微生物分解和磷酸酶的转化［19—20］。灌丛化后各粒径团聚体内全钾含量均无明显差异，土壤全钾主要受土壤母质和各类矿物的影响，可见灌丛化对该区域土壤母质和各类矿物的影响较小，且土壤全钾被植物吸收处于平衡状态［21］。灌丛化后各粒径团聚体内全氮和全磷含量降低，浅层土壤中有机质来源于凋落物和植物细根，易受到浅根草本植物的影响，而灌木深根性可使根系分泌物输入到深层土壤中，从而降低了对表层土壤有机碳氮的富集［21］，致使浅层灌丛化草地各粒径团聚体低于未灌丛化草地。

3.2 灌丛化对草地土壤团聚体内生态化学计量比的影响

团聚体内生态化学计量比可揭示灌丛化与未灌丛化土壤中养分限制和固存状况［23］。C/N可反映土壤有机质分解速率，比值大于25时，有机质的分解速率降低，引起微生物与植物争氮现象；小于25时有机质分解速率增大［24］。本研究中灌丛化草地和未灌丛化草地各粒径土壤团聚体内C/N平均值为11.32，与全国土壤C/N标准12.30相近［19］，C/N最大值出现在＞2 mm灌丛化草地土壤团聚体内（11.45±0.35），小于25，并以微团聚体内比值最小，可能是由于团聚体内包含大量易于分解的有机质的缘故［25］，有研究认为微生物被吸附在土壤微团聚体内，微生物量氮主要由土壤黏粒和有机质含量决定，从而导致微团聚体内C/N较低［26］。土壤C/N可通过影响微生物活性来影响土壤碳氮循环，微生物同化1份氮，需要24份碳作为底物［25—26］。大团聚体内C/N高于微团聚体，说明该区域＞0.25 mm的大粒径团聚体内氮的含量及微生物活性高于微团聚体，也佐证了团聚体对氮的富集特征。

氮磷作为植物生长的必需营养元素和生态系统常见的限制性元素，可作为土壤养分在生态系统中养分限制的预测性指标［27］。研究认为土壤N/P的最适值为14～16，当比值大于16时植物生长则受磷限制，而小于14时植物生长将受到氮限制［28］。本研究中在灌丛化草地和未灌丛化草地各粒径团聚体内N/P平均值为0.39和0.38，小于全国土壤N/P平均值3.9，且显著低于临界值14，说明该区域植物生长可能受氮元素的限制，而磷元素过剩。在灌丛化草地土壤中0.053～0.25 mm团聚体内N/P值高于0.002～0.053 mm团聚体，总体呈现出大团聚体内N/P高于微团聚体的趋势，而在未灌丛化草地土壤内N/P在各粒径土壤团聚体内均无明显变化，可见该地灌丛化现象有利于大团聚体内氮元素的积累。灌丛化后土壤团聚体内氮的富集和循环规律被改变，大粒径土壤团聚体有利于氮元素的富集，而微团聚体内氮元素则以参与养分循环为主。

土壤C/P可作为衡量磷元素有效性和矿化的标志，可用来衡量土壤微生物释放磷和固持磷的潜力，其变化大小受土壤水热状况和植被类型的影响。有研究认为C/P越低则代表磷的有效性越高［29］，当C/P低于200时，将会导致有机磷的净矿化和微生物碳的增加，而本研究中灌丛化和未灌丛化草地团聚体内C/P均低于200，甚至不足100，再次表明该地区磷元素可能过剩且有效性较高。有研究认为过高的磷元素有效性可抑制植物DNA、RNA、NADPH和ATP的形成，最终影响植物生长［30］，而该地区过高的磷元素可能对部分植物的生长产生抑制效果。C/P在灌丛化草地和未灌丛化草地土壤各粒径团聚体内均无显著差异，这可能是由于两种草地立地条件相似所致。团聚体内全磷含量过剩（平均值为1.72）是导致N/P和C/P低的主要原因，这与王华静等［31］在黄土高原地区的研究结果相近，说明此区域磷元素含量巨大，土壤中固定1 Mt（1 Mt＝106t）的碳需要0.02 Mt的磷，可见青藏高原地区大量的磷盈余有利于土壤固碳。本研究中灌丛化后各粒径团聚体内C/N、C/P和N/P虽整体上呈增加趋势，但与未灌丛化相比无显著差异，可见灌丛化现象对土壤养分元素转化和循环规律的影响较弱。可能是因为有机碳、氮和磷是土壤必需的组成成分，因此其积累、转化和消耗过程具有相对固定的比值，受外界环境和植被类型的影响较小，从而变化不显著。

3.3 灌丛化对土壤团聚体内酶活性的影响

土壤酶主要来源于动植物残体、根系分泌物和微生物活动等，酶活性的高低可指示土壤各养分元素的循环快慢。齐思明等［32］认为团聚体对土壤酶具有明显的保护作用，土壤团聚体内各种有机、无机物质的转化都取决于相应的土壤酶。本研究中，灌丛化和未灌丛化草地土壤团聚体内蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性在＞0.053 mm团聚体中均高于＜0.053 mm的微团聚体，这与马瑞萍等［33］研究结果相似，土壤酶活性随着团聚体粒径的增大而增大。有研究指出气候和植被是导致有机质和微生物活动改变的重要因素，部分土壤酶来自微生物的分泌，而不同团聚体内有机质的输入量和微生物活动差异可决定土壤酶在各粒径团聚体内的分布规律［12，33］，本研究区域地处高原气候常年低温寒冷，因此形成了独特的微生物群落，地上植被生物量和群落丰富度较高，可将大量的有机质返还到表层土壤中，而各粒径团聚体内新鲜有机质的输入可使微生物对养分的利用和代谢能力增强，从而导致不同环境中酶活性变化规律具有差异。同时，各粒径团聚体内蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和β-D葡萄糖苷酶活性与有机碳、氮分布变化相似，酶活性大小与底物效应有关，Six等［17］认为大团聚体由多个小团聚体和胶结剂结合而形成，因此包裹着更多的颗粒有机碳和有机质，本研究中微团聚体内C/N低于大团聚体，可见微团聚体内有机质较高的分解速率不利于土壤养分的积累，而大团聚体充足的底物可促进酶活性的增加。另外，大团聚体内底物有机碳属于易分解的活性有机碳，而微团聚体中底物有机碳则为惰性难分解［34］，从而又进一步提高大团聚体内酶活性［17］。土壤蛋白酶主要来源于土壤微生物和植物根系的分泌，其活性可作为全氮矿化速率的指示剂，在灌丛化与未灌丛化土壤中蛋白酶活性随团聚体粒径的增长呈现出先降低后升高的趋势，微团聚体内细菌数量和种类较为丰富，可在一定程度上增加土壤蛋白酶活性［35］，本研究中蛋白酶在微团聚体中活性最强，可见该区域大团聚体内土壤全氮的矿化速率较低。土壤过氧化氢酶活性可表示土壤腐殖质化强度［36—37］，本研究中过氧化氢酶含量极低，王理德等［38］认为土壤p H＜5将导致过氧化氢酶失去活性，而本试验区灌丛化和未灌丛化草地土壤团聚体内p H均值为5.7，接近临界值5，因此过氧化氢酶在本区域两种草地土壤团聚体内变化较小。

3.4 灌丛化草地生源物质循环与土壤酶

RDA冗余分析结果表明，土壤磷酸酶和蛋白酶主要分布在未灌丛化草地土壤团聚体内。土壤磷酸酶可催化无机磷降解，释放出可被植物吸收利用的水解磷，是植物体内磷元素的重要来源［19］。本研究中未灌丛化草地土壤磷酸酶活性较高，可见未灌丛化草地土壤中无机磷向有机磷的转化速度较快，这也间接反映了N/P较低的原因。灌丛化后磷酸酶活性降低可能会导致磷元素的循环和转化速率降低，减少土壤中磷元素有效性，这与两种不同草地土壤环境差异有关。蔗糖酶、过氧化氢酶和β-D葡萄糖苷酶主要分布在灌丛化草地土壤团聚体内，而脲酶则未受灌丛化影响。蔗糖酶和β-D葡萄糖苷酶都参与土壤有机质的代谢过程，对土壤碳元素的转化起着重要的作用，其活性受到土壤微生物、有机质和呼吸速率的影响［32］。灌丛化草地中土壤蔗糖酶活性均增加，灌丛化增加了地表枯落物量、分解腐殖质的微生物生物量和种类，促进了微生物对土壤酶的分泌，进而使分解有机质酶的活性增加［11］。另外，灌木根系对土壤碳的利用率高于草本类植物根系［39］，灌木可将生物量中的碳经凋落物和根系返还到土壤中，增加了灌丛土壤团聚体内碳的含量，充足的可利用底物也可作为灌丛化后蔗糖酶和β-D葡萄糖苷酶活性增加的重要原因。可见灌丛化后土壤碳的周转速率增加，在一定尺度上加速了该区域碳循环过程，而酶活性增强加速了碳释放速率，也可能是该区域灌丛化后各粒径团聚体内有机碳降低的原因之一。灌丛化后团聚体内过氧化氢酶活性的增加可加速有机质转化，灌丛化后枯枝落叶增多导致土壤营养物质丰富，进而在促进土壤生化代谢能力的同时也使有毒物质增加，而灌丛化后过氧化氢酶活性的提高可以缓解生物氧化作用对土壤的破坏［40］，但由于本试验区域过氧化氢酶受pH影响较大，导致对有机质转化的推动可忽略不计。

在灌丛化和未灌丛化草地土壤团聚体内全氮与土壤脲酶和β-D葡萄糖苷酶呈正相关，全磷与蛋白酶和磷酸酶呈正相关，全钾与蔗糖酶和过氧化氢酶呈正相关，可见土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、β-D葡萄糖苷酶和蛋白酶是推动该地区团聚体内有机碳、氮、磷积累和循环的主要酶类。本研究中灌丛化后部分酶活性增强，部分表现为不明显和降低，此变化与团聚体中有机碳、氮和磷的富集规律相同。通常认为大团聚体内有机碳易受微生物降解，微团聚体内有机碳则多为腐殖质化程度较高的惰性碳，表现为难降解［35］，而酶活性在大团聚体内的富集可能会使土壤中原来固存的有机碳被分解和释放，在一定程度上可能会影响到该区域碳、氮和磷的循环和富集规律，并可能在土壤质量和温室气体排放中起到消极作用。从土壤团聚体的形成来看，微团聚体内粘粒对土壤酶具有吸附作用，抑制了土壤酶的催化能力，而大粒径团聚体内酶活性有较高的催化能力，能有效地降解有机质并释放养分，可见不同粒径团聚体内酶活性与养分循环存在差异［40］。但由于土壤酶活性的变化并未得出明显差异和统一的规律，因此该区域灌丛化对土壤团聚体内生源物质的富集和碳氮循环还需更深入和长期的研究。

4 结论

在青藏高原东缘灌丛化与未灌丛化草地土壤中，SOC、TN和TP主要富集在0.053～0.25 mm团聚体内；与未灌丛化草地相比，灌丛化后各粒径团聚体内TN和TP含量均呈降低趋势。灌丛化后团聚体内C/N、C/P和N/P呈增加趋势，但均小于全国标准，可见该地区土壤团聚体内有机碳易于被分解，土壤磷的有效性较高；磷酸酶和蛋白酶主要分布于草地土壤团聚体内，而蔗糖酶、过氧化氢酶和葡萄糖苷酶主要分布在灌丛化草地土壤团聚体内；灌丛化后土壤各粒径团聚体中蔗糖酶活性增加，而蛋白酶和磷酸酶活性降低。脲酶和β-D葡萄糖苷酶与土壤SOC和TN呈正相关，蔗糖酶和过氧化氢酶与TK呈正相关，蛋白酶和磷酸酶与TP呈正相关；土壤蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶和β-D葡萄糖苷酶主要富集在＞0.25 mm的大团聚体内，可见该区域土壤碳和磷循环主要以大团聚体为主。尽管磷元素有利于土壤有机碳的积累，但该研究区土壤生源物质主要富集于大团聚体内，而大团聚体易于被外界干扰破碎，可见灌丛化现象可能不利于该研究区有机碳的长期固存。