不同水位控制條件下泥炭沼澤土壤微生物群落及酶活性

曾子怡，王一諾，王國棟，徐志偉，王升忠,3

(1.東北師范大學地理科學學院，長白山地理過程與生態安全教育部重點實驗室，吉林長春 130024；2.中國科學院東北地理與農業生態研究所，吉林長春 130102；3.東北師范大學泥炭沼澤研究所，國家環境保護濕地生態與植被恢復重點實驗室，吉林長春 130024)

泥炭沼澤作為長期的碳匯，在千年尺度上具有使全球變冷的潛力[1]。水文條件決定著泥炭沼澤碳循環過程的作用機制與強度[2]。全球變暖、干旱、排水引起的水位下降等已經導致全球11%的泥炭沼澤退化[3]，泥炭沼澤原本穩定的碳循環過程發生改變，土壤有機碳穩定性降低[4-5]，二氧化碳排放量增加[6]、泥炭沼澤碳儲量降低[7]。微生物是生態系統有機質分解過程的主要驅動者，其在碳循環過程中發揮著重要作用[8-9]。因此，研究排水后土壤微生物及酶活性的變化對于揭示泥炭沼澤土壤碳循環機制具有重要意義[10]。

土壤微生物群落及酶活性對環境變化十分敏感。泥炭沼澤排水后，土壤pH、有機碳含量都會發生變化[11-12]，對土壤微生物具有重要影響[13]。研究表明，泥炭沼澤排水后土壤微生物生物量減小或沒有顯著變化[8,14-15]，排水后泥炭沼澤土壤微生物總磷脂脂肪酸含量增大[16]。有研究認為，土壤pH是影響泥炭沼澤排水后土壤微生物生物量變化的主要因素[17]，但也有研究表明，泥炭基質質量是影響泥炭沼澤土壤微生物對水位變化響應的主要因素[11]。土壤微生物主要通過釋放酶來調節土壤有機質的分解，土壤氧化酶被認為是影響泥炭地碳循環的關鍵因素，可以更好地應用于預測氣候變化及人類活動影響下泥炭沼澤土的碳動態[17]。泥炭地“酶閂”機制表明，排水作用會通過提高土壤中的氧化酶活性，促進酚類物質的分解，提高水解酶活性，加速有機碳分解，并最終導致土壤碳損失[18]。但是，排水對土壤酶活性的影響受鐵、錳礦質元素、底物質量、氧化還原環境等多種因素的共同影響[19-20]，其最終的結果取決于各因素之間的權衡[21-24]。因此，有關排水對泥炭沼澤土壤微生物生物量、酶活性的影響還存在爭議，對其影響因素的確定還有待進一步研究。

目前有關排水對土壤微生物生物量、酶活性影響的研究多是恒定水位條件下的研究。但是，在野外條件下泥炭沼澤水位會隨著季節、降水量、排水強度等狀況發生變化，恒定水位條件并不能反映其真實情況。因此，本研究采集長白山區白江河泥炭沼澤0～50 cm 深度的泥炭柱樣品，通過室內水位控制培養實驗，測定土壤活性有機碳組分、土壤磷脂脂肪酸含量及酶活性，揭示排水過程中泥炭沼澤活性有機碳組分、微生物生物量及酶活性變化特征；結合土壤理化性質數據，探討短期排水過程中土壤微生物和酶活性變化的影響因素。以期為氣候變化背景下長白山區域碳收支評估提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區

白江河泥炭沼澤位于吉林省白山市靖宇縣三岔子林業局白江河林場(42°9′N 至42°11′N，126°43′E 至126°45′E)內，地處長白山脈西側熔巖臺地上，面積約為1.3 km2，海拔為780 m。該區氣候屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為2.6 ℃，年降水量為630 mm，降水多集中在5 月至9 月。該區沼澤類型主要為草本泥炭沼澤，植物群落優勢種為薹草(Carexsp.)和泥炭蘚(Sphagnum palustre)，伴生有三葉睡菜(Menyanthes trifoliate)和鳶尾(Iris tectorum)等。地表有季節性積水，2019 年和2020年5月至11月的平均水位為地表以下0.65 cm至地表以上10.65 cm。20 世紀70 年代，受排水造林的影響，該區水位降低，5月至11月平均水位為地表以下24.72 cm至地表以下4.20 cm。

1.2 樣品采集與室內水位調控實驗

根據白江河排水泥炭沼澤水位變化特征，設置泥炭采樣深度為50 cm。于2020年6月，在水文條件及植物群落相對一致的環境中，采集9個泥炭柱樣品，并去除地表植物，以排除植物對排水效應的影響。將采集好的泥炭柱保持原狀，裝入直徑為11 cm 的PVC 管中，兩端加蓋密封，運回實驗室。PVC 管的底蓋加裝過濾網和排水孔，分別用于防止泥炭流失和控制積水深度。

于2020 年9 月1 日至10 月10 日，進行預培養實驗。將9 個PVC 管放入水桶中，在水桶中加入蒸餾水，每個PVC 管內插入細管，利用米尺，監測水位高度。將裝有PVC管的水桶放入微生物恒溫培養箱(LRH-70，上海一恒)中，進行40 d 的預培養，保證土柱適應培養環境，排除采樣擾動和非水位因子產生的影響。預培養期間，保持水桶內積水深度剛好超過PVC管上沿2～3 cm。

預培養結束后，開展水位調控實驗，周期為90 d。根據白江河自然泥炭沼澤和排水泥炭沼澤的水位波動狀況，將實驗中的水位設置為對照(水位為泥炭柱表面以上10 cm)、持續低水位(水位為泥炭柱表面以下20 cm)、波動水位(水位泥炭柱表面以下20 cm 與表面以上10 cm 之間波動)，分析實驗過程中持續低水位和水位波動處理下泥炭中活性有機碳組分、微生物生物量和酶活性的變化特征，每種處理3個重復。在本實驗中，波動水位處理的水位波動頻率為10 d/次，先將水位控制在泥炭柱表面以下20 cm，培養10 d 后，將水位調整至泥炭柱表面以上10 cm，通過PVC 管底部的排水孔排水，控制水位。如此循環直至培養實驗結束。培養過程中根據細管水位高度，監測水位動態，及時補充蒸餾水。

水位調控實驗結束后，將各處理中的泥炭柱分為兩層，分別為0～20 cm(不飽和泥炭層)和＞20～50 cm(飽和泥炭層)，測定不同深度泥炭的理化指標、活性有機碳組分、微生物生物量和酶活性。

1.3 泥炭理化指標測定

采用105 ℃恒溫烘干稱重法，測定泥炭含水量。利用pH 酸度計(pH S-3，上海雷磁)，測定pH，土水比為1∶5。利用元素分析儀(Vario Max CN，德國Elementar)，測定泥炭全碳和全氮含量[25]。采用H2SO4- HClO4消煮鉬銻抗- 分光光度法(UV2600，日本Shimadzu)，測定泥炭全磷含量[25]。采用333 mmol/L KMnO4溶液氧化法，提取并測定泥炭易氧化有機碳含量[25]。采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法，測定泥炭微生物量碳含量[25]。利用總有機碳分析儀，測定泥炭可溶性有機碳含量。

1.4 泥炭微生物磷脂脂肪酸與酶活性測定

采用KOH-甲醇溶液甲酯化法，以十九烷酸為內標，采用氣相色譜-質譜儀(TRACE GC Ultra ISQ，美國)，測定泥炭微生物磷脂脂肪酸含量[16]。根據微生物類群磷脂脂肪酸特征圖譜，采用磷脂脂肪酸標記法，將其分5類，分別為革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、細菌、真菌和放線菌，其中總磷脂脂肪酸含量為細菌、真菌和放線菌含量之和。

測定泥炭中的3 種水解酶和2 種氧化酶的活性，其中，水解酶分別為β-1,4-葡萄糖苷酶、β-1,4-N-乙酰葡萄糖胺糖苷酶和酸性磷酸酶，氧化酶為過氧化物酶和多酚氧化酶。分別采用微孔板熒光法和微孔板吸收光法，利用多功能酶標儀(Cytation 5，美國)，測定泥炭水解酶和氧化酶活性[17]。

1.5 數據處理與統計

采用單因素方差分析方法，分析不同水位處理間泥炭理化性質、微生物磷脂脂肪酸含量、酶活性的差異。采用Pearson相關分析法，分析泥炭理化性質與微生物和酶活性的關系。采用冗余分析方法，分析泥炭理化性質對微生物及酶活性的影響。在冗余分析中，采用逐步回歸和蒙特卡羅排列檢驗，確定對土壤微生物指標變化顯著相關的環境因素。

利用SPSS 22.0 軟件，處理數據。利用Origin 9.0 軟件，繪圖。利用Canoco 4.5 軟件，進行冗余分析。

2 結果與分析

2.1 泥炭理化性質

由表1可知，持續低水位處理的0～20 cm和＞20～50 cm 深度泥炭土壤pH 都顯著小于對照(p＜0.05)，＞20～50 cm深度泥炭土壤含水量顯著小于對照(p＜0.05)。波動水位處理的0～20 cm和＞20～50 cm深度泥炭土壤pH顯著小于對照(p＜0.05)，0～20 cm 和＞20～50 cm 深度泥炭土壤全碳含量小于對照和持續低水位處理(p＜0.05)。

表1 不同水位處理下各深度泥炭土壤理化指標Table 1 Physical and chemical indexes of peat soil at different depths under different water level treatment

2.2 泥炭活性有機碳和微生物磷脂脂肪酸含量

持續低水位處理的0～20 cm深度泥炭土壤微生物量碳和易氧化有機碳含量都顯著小于對照(p＜0.05)，可溶性有機碳含量無明顯差異；＞20～50 cm 深度泥炭土壤可溶性有機碳和易氧化有機碳含量都顯著大于對照(p＜0.05)，微生物量碳含量無明顯差異。波動水位處理的0～20 cm深度泥炭土壤易氧化有機碳含量小于對照(p＜0.05)；＞20～50 cm 深度泥炭土壤微生物量碳和易氧化有機碳含量都顯著大于對照(p＜0.05)，可溶性有機碳含量顯著小于對照(p＜0.05)。持續低水位處理的0～20 cm深度泥炭土壤微生物量碳含量顯著小于波動水處理(p＜0.05)；持續低水位處理＞20～50 cm 深度泥炭土壤可溶性有機碳含量顯著大于波動水位處理，而土壤微生物量碳含量顯著小于波動水位處理(p＜0.05)(表2)。

表2 不同水位處理下各深度泥炭土壤活性有機碳、微生物磷脂脂肪酸含量Table 2 Active organic carbon and microbial phospholipid fatty acid concentrations of peat soil at different depths under different water level treatment

持續低水位處理的0～20 cm 和＞20～50 cm深度泥炭土壤微生物總磷脂脂肪酸、細菌磷脂脂肪酸和真菌磷脂脂肪酸含量都顯著小于對照(p＜0.05)，而波動水位處理的0～20 cm 深度泥炭土壤微生物總磷脂脂肪酸、細菌磷脂脂肪酸和放線菌磷脂脂肪酸含量顯著大于對照和持續低水位處理(p＜0.05)(表2)。在不同水位處理條件下，泥炭土壤中真菌磷脂脂肪酸與細菌磷脂脂肪酸之比、革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌之比之間無顯著差異。

2.3 泥炭酶活性

對照處理的＞20～50 cm 深度泥炭土壤多酚氧化酶活性顯著高于持續低水位處理和波動水位處理(p＜0.05)。波動水位處理的0～20 cm 和＞20～50 cm 深度泥炭土壤過氧化物酶活性顯著高于對照和持續低水位處理(p＜0.05)(表3)。

表3 不同水位處理下各深度泥炭土壤酶活性Table 3 Enzyme activities of peat soil at different depths under different water level treatment

持續低水位處理的0～20 cm深度泥炭土壤水解酶活性都顯著高于對照，＞20～50 cm深度泥炭土壤水解酶活性都顯著低于對照(p＜0.05)。波動水位處理的0～20 cm 深度泥炭土壤β-1,4-N-乙酰葡糖胺糖苷酶活性顯著高于對照，酸性磷酸酶活性顯著低于對照(p＜0.05)；＞20～50 cm深度泥炭土壤水解酶活性都顯著低于對照(p＜0.05)。持續低水位處理的0～20 cm深度泥炭土壤水解酶活性都顯著高于波動水位處理，＞20～50 cm深度泥炭土壤β-1,4-N-乙酰葡糖胺糖苷酶活性顯著低于波動水位處理(p＜0.05)(表3)。

2.4 泥炭微生物磷脂脂肪酸、酶活性與理化性質的關系

由表4可知，泥炭土壤全碳含量分別與泥炭含水量和碳氮比顯著負相關(p＜0.01)，分別與全氮含量、碳磷比和氮磷比顯著正相關(p＜0.01)。泥炭土壤中可溶性有機碳含量分別與泥炭含水量(p＜0.01)、pH(p＜0.05)和碳氮比(p＜0.05)顯著負相關，分別與碳磷比和氮磷比顯著正相關(p＜0.01)。泥炭土壤中微生物量碳含量與泥炭含水量顯著正相關(p＜0.01)，分別與全氮含量和碳磷比顯著負相關(p＜0.05)。

表4 泥炭土壤活性有機碳組分與土壤理化指標的關系Table 4 Relationship between active organic carbon components of peat soil and soil physical and chemical indexes

冗余分析結果顯示，在不同水位處理下，泥炭土壤微生物磷脂脂肪酸含量和酶活性差異顯著。泥炭土壤的理化性質對泥炭微生物磷脂脂肪酸和酶活性的解釋量分別為96.1%和62.8%(圖1)。泥炭土壤中全氮和全碳含量共同解釋了泥炭微生物磷脂脂肪酸含量變化的93.8%。泥炭土壤微生物量碳含量對泥炭酶活性的影響顯著，解釋率為20.7%。易氧化有機碳含量和碳磷比對酶活性都影響顯著，其解釋率分別為20.6%和20.5%。

圖1 泥炭土壤微生物磷脂脂肪酸(a)含量和酶活性(b)與泥炭理化性質的冗余分析圖Fig.1 Redundancy analysis of peat soil microbial phospholipid fatty acid(a),enzyme activities(b)and soil physical and chemical properties

由表5可知，泥炭土壤微生物磷脂脂肪酸含量分別與泥炭土壤全碳含量、全氮含量、可溶性有機碳含量、碳磷比和氮磷比顯著負相關(p＜0.01)，與土壤含水量、微生物量碳含量和碳氮比顯著正相關(p＜0.05)。泥炭土壤β-1,4-葡萄糖苷酶活性分別與全碳含量和碳磷比顯著正相關(p＜0.05)。泥炭土壤酸性磷酸酶活性分別與含水量和pH 顯著正相關。泥炭土壤中微生物量碳含量分別與β-1,4-葡萄糖苷酶和β-1,4-N-乙酰葡糖胺糖苷酶活性顯著負相關(p＜0.05)，與過氧化物酶活性顯著正相關(p＜0.05)。泥炭土壤中易氧化有機碳含量與泥炭β-1,4-N-乙酰葡糖胺糖苷酶和酸性磷酸酶活性顯著負相關(p＜0.05)。

表5 泥炭土壤微生物磷脂脂肪酸、酶活性與泥炭理化指標的關系Table 5 The relationship between the microbial enzyme activities,microbial phospholipid fatty acid and soil physical and chemical indexes

3 討 論

排水對泥炭沼澤最直接的影響是改變水文條件和氧化還原等理化性質，進而改變土壤微生物活性，最終影響土壤碳循環過程[24]。在本研究中，持續低水位和波動水位處理下，泥炭土壤pH顯著減小，這是有機碳分解過程中有機酸類物質釋放、硝態氮淋失等原因導致的[26]，并與長期排水后土壤pH等理化性質的變化結果一致[17,27]。持續低水位和波動水位條件下，泥炭土壤微生物量碳和易氧化有機碳含量都減小。持續低水位和波動水位條件下，好氧環境使得泥炭中有機碳的轉化速率加快且分解徹底，泥炭易氧化有機碳被快速分解而含量減小[17,28]，微生物因缺乏能量來源并受到養分限制而生長緩慢[27]，使泥炭微生物量碳含量減小，這與對本研究區野外原位長期排水的研究結果[29]一致。水位的波動變化會減弱泥炭微生物量碳和易氧化有機碳含量的減小趨勢。水位的干濕交替變化有利于土壤可利用養分和活性有機碳的釋放，促進微生物生長[30]，導致土壤全碳含量顯著減小。

土壤含水量是影響土壤有機碳及其活性碳組分變化的關鍵因素[31]。淹水條件有助于土壤團聚體的分散和可溶性有機碳的釋放，從而被微生物利用[32]，提高土壤微生物活性[4]，使可溶性有機碳含量減小而土壤微生物量碳含量增大。同時，淹水條件使得可溶性有機碳更容易進入水體而流失，造成土壤碳的損失[32]。土壤含水量會通過改變土壤養分條件來改變土壤活性有機碳組分[33]，而較高的土壤氮、磷養分水平有利于土壤有機碳含量的增加[21,34-35]。土壤有機質中的氮含量會影響到微生物對其分解和利用速度[35]，含氮量高的有機質易被微生物分解，對土壤有機碳含量產生影響。在本研究中，泥炭土壤中全碳含量與全氮含量顯著正相關。較高的土壤碳氮比可能導致微生物分解有機質的過程受氮限制，為了從土壤中獲取可利用氮，微生物將會分泌更多的與土壤碳循環相關的酶去分解有機質、促進養分釋放，滿足其自身生長需求[36-37]。

微生物作為泥炭沼澤土壤物質與能量轉化的重要參與者，對環境變化十分敏感，水文條件作為濕地生態系統結構和功能的主要控制因素，會對土壤微生物生物量產生顯著影響[38-39]。在本研究中，持續低水位條件下泥炭微生物量碳及磷脂脂肪酸含量減小，并與已有的長期排水后泥炭微生物生物量的變化結果一致[17]，這可能與排水后土壤pH降低有關。研究發現，微生物磷脂脂肪酸與土壤pH 正相關[30,40]。在本研究中，持續低水位處理下的泥炭pH 顯著減小。水位波動引起的干濕變化可以通過促進養分釋放、提供更多的生態位來促進微生物的生長[17]；同時，水位波動會促進溶解性有機碳濃度升高[41]，為微生物提供重要的能量來源，導致土壤微生物生物量增大。研究表明，野外原位長期排水后，土壤真菌磷脂脂肪酸與細菌磷脂脂肪酸比值、革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌比值顯著減小[17]，但是本研究中不同水位處理的泥炭微生物量比值都無顯著差異，這可能與土壤氮、磷含量的變化有關。不同微生物生長策略不同，且對養分的需求量不同[42]，當土壤氮、磷含量無顯著差異時，土壤微生物量比值無顯著變化。

相關分析及冗余分析結果發現，泥炭全碳和全氮含量是影響不同水位處理條件下微生物磷脂脂肪酸含量和群落的變化主要因素。土壤碳、氮、磷元素含量是影響土壤微生物群落和功能變化的重要因素[43]。一般土壤全碳和總氮含量越高，土壤微生物生物量越高[44]，但這與本研究結果不一致。這是因為土壤微生物的生長取決于土壤中碳、氮、磷元素的相對供應狀況，而泥炭沼澤普遍被認為是一個磷限制的生態系統[45]。根據微生物的內穩態機制，土壤中碳和氮元素含量大會加劇微生物生長的磷限制狀態，進而限制微生物的生長[46]。在本研究中，泥炭不同類型微生物磷脂脂肪酸含量與全碳和全氮含量及碳磷比和氮磷比顯著負相關，這與其他研究結果[45]一致。相對于革蘭氏陰性菌，革蘭氏陽性菌更喜歡營養豐富的環境[47]。研究表明，土壤微生物革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌與土壤全碳、全氮含量正相關[48]，這與本研究的結果一致。土壤含水量通過影響土壤養分含量及其相對供應狀況，來影響土壤微生物[49]。土壤含水量的升高通過促進土壤團聚體的分散而增加土壤養分的可利用性，進而有利于土壤微生物的生長[50]。相對于真菌，細菌更喜好濕潤的土壤環境[51]。因此，土壤中真菌/細菌比與土壤含水量負相關。

“酶閂”機制認為，氧氣是控制泥炭沼澤有機碳分解的關鍵，因此長期排水后土壤曝氣條件改善，土壤氧化酶活性和水解酶活性都升高[18]。在本研究中，持續低水位和波動水位泥炭土壤水解酶活性顯著升高，這與“酶閂”機制中氧化酶活性對水位的響應并不完全一致?？梢?，水位變化的過程中可能存在除氧氣以外的其他因素控制土壤酶活性的變化規律[52]。隨著水位降低，除了氧氣可利用性增加外，也伴隨著土壤pH及養分可利用性的變化[6,8]。研究表明，土壤多酚氧化酶活性最適pH為8.0[53]，而本研究中的泥炭pH都小于6。排水后，泥炭沼澤土壤pH的降低可能抑制了土壤氧化酶活性，使得排水后氧化酶活性無顯著升高[26]。同時，根據長白山地區泥炭沼澤中參與碳、氮、磷元素循環的土壤酶活性化學計量比的研究發現，泥炭沼澤生物化學循環過程同時受到碳、磷元素的限制[45]。盡管泥炭沼澤土壤有機碳含量高，但大量有機碳以不易被微生物利用的頑固有機碳形式存在[40]。同時，泥炭沼澤的酸性環境也不利于可溶性有機碳的釋放[54]。在本研究中，持續低水位和波動水位條件下，微生物有氧呼吸增強，泥炭沼澤土壤有機質分解徹底，微生物量碳和易氧化有機碳含量減小(表2)，微生物的碳、磷限制加劇，泥炭沼澤依舊處于能量和養分匱乏的狀態[55]。根據酶活性的生態學計量學理論，當能量和養分不充足時，微生物會分泌更多的酶，以便從土壤中獲取能量和養分[6]，導致排水后水解酶活性增加。然而，波動水位促進了養分的釋放，泥炭中β-1,4-葡萄糖苷酶活性并無顯著變化。因此，冗余分析中土壤微生物量碳和易氧化有機碳是影響泥炭酶活性的主要因素。在本研究中，土壤碳循環相關酶活性與碳磷比顯著相關。研究也發現，土壤元素計量比對土壤酶活性具有重要調節作用[56]。土壤碳磷比可以衡量微生物礦化有機質的能力，反映了土壤中碳或磷的相對可利用性[46]。持續低水位處理后土壤碳磷比的升高意味著碳的可利用性降低，在土壤中微生物活動受碳限制的情況下微生物會釋放更多的碳循環相關的酶以滿足其對碳的需求。

4 結 論

持續低水位和波動水位處理會引起泥炭沼澤土壤酸化。相對于持續淹水處理，持續低水位處理下0～20 cm深度泥炭土壤微生物量碳和易氧化有機碳含量顯著減小，而水位波動會減緩土壤微生物量碳和易氧化有機碳含量的減小趨勢。土壤活性有機碳對水位變化的響應主要受土壤含水量、全氮含量和碳磷比的影響。

在持續低水位處理下，泥炭土壤微生物磷脂脂肪酸含量減小，而波動水位處理下土壤微生物磷脂脂肪酸含量保持不變或增大。土壤有機碳和全氮含量可能通過加劇土壤磷限制的水平，限制微生物生長，土壤微生物磷脂脂肪酸含量減小。

持續低水位處理對泥炭土壤氧化酶活性無顯著影響(＞20～50 cm深度土壤的多酚氧化酶活性除外)，卻使0～20 cm 深度土壤水解酶活性增強。土壤微生物量碳含量是影響不同水位處理下泥炭土壤酶活性變化的主要因素。