SBB | 中国东部南北样带森林生态系统土壤酶活性和化学计量特征

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Info 

原名：Soil enzyme activity and stoichiometry in forest ecosystems along the North-South Transect in eastern China (NSTEC)

译名：中国东部南北样带森林生态系统土壤酶活性和化学计量特征

期刊：Soil Biology & Biochemistry

通讯作者：于贵瑞/张心昱

通讯作者单位：中国科学院地理科学与资源研究所

 Introduction 

森林植被和土壤含有约1240Pg的碳(C)，其中土壤约占三分之二，对全球碳循环有相当大的贡献。土壤酶作为微生物养分需求和代谢过程的指标，在土壤有机碳矿化过程中起着重要作用。因此，研究土壤中C、N、P矿化酶的化学计量特征将有助于深入了解微生物机制对区域C循环的影响。中国东部的南北样带(NSTEC)代表了纬度和温度梯度，是全球变化和陆地生态系统倡议建立的15个国际标准样带之一，也是国际地圈-生物圈计划(IGBP)的关键组成部分。这是一条独特的植被带，根据当地的温度和降水条件，植被范围从北方针叶林到热带雨林。从北到南，平均年温度(MAT)在-7℃在寒冷、温带、大陆性季风气候带超过26℃属赤道季风气候带;平均年降水量从寒温带不到500毫米增加到热带雨林地区约2266毫米。这一样带为在大尺度上探索酶活性的纬度变化和化学计量学提供了最佳设置。NSTEC被认为具有很高的碳封存潜力，这是非常重要的，因为土壤碳库和周转的变化可能会对全球碳循环产生相当大的影响。因此，研究碳的纬度变化和酶活性的化学计量特征可以更好地了解驱动碳封存和分解的微生物机制。

 Methods 

作者选择了呼中、凉水、长白山、东灵山、太岳山、神农架、九连山、鼎湖山、尖峰岭等9个森林生态系统研究点(图1，表1)。它们一起跨越了33个纬度，向北延伸超过3500公里。这些生态系统代表了中国的主要气候带，即温带、暖温带、中亚热带、南亚热带和热带。它们也代表了中国主要地带性植被类型，即温带针叶林、阔叶红松林、落叶阔叶林、常绿阔叶林、季风常绿阔叶林和热带雨林。

2013年7月和8月，在NSTEC沿线9个样点采集土壤样品，深度为0-10cm。取地上生物量、枯死植物部分和凋落物。

 Results 

土壤BG、NAG、LAP和AP酶活性(nmol h-1mg-1SOC)在不同森林生态系统之间存在差异。所有森林生态系统土壤BG酶活性平均值为4.46±0.37 nmol h-1mg-1，土壤AP活性为16.26±1.77 nmol h-1mg-1SOC。土壤NAG和LAP平均活性为1.93±0.22 nmol h-1mg-1SOC和3.59±0.45 nmol h-1mg-1SOC。总体而言，温带森林土壤BG和NAG酶活性高于亚热带和热带森林。土壤BG和NAG酶活性从HZ到TY呈上升趋势，从TY到JF呈下降趋势(图2(A,B))。土壤LAP酶活性没有明显的空间相似性。与其他森林生态系统相比，HZ和LS森林生态系统土壤LAP酶活性较低(图2C)。JL、DH和JF森林生态系统土壤AP酶活性平均值为22-44 nmol h-1mg-1SOC，高于其他森林生态系统(图2D)。

土壤BG：(NAG+LAP)、BG:AP和(NAG+LAP):AP的平均比值分别为0.91、0.43和0.50。亚热带和热带土壤(JL、DH、JF)的土壤BG:AP和(NAG+LAP):AP比值分别为0.07和0.12，显著低于温带森林(表S2)。土壤平均ln(BG):ln(NAG+LAP)比率为0.98±0.01，相应的C:P比值(ln(BG):ln(AP)活性比值)为0.87±0.01(表3)。从这些指标来看，土壤生态酶的平均C:N:P活性比值约为1:1:1，且限制在较窄的范围内。

RDA的两轴解释了83%土壤酶活性与环境变量之间的关系(图4)。超过80%的空间的土壤酶活性变化解释为九个因素的组合(Lambda-B之和在图3)。9个因子的正向选择结果表明，7个生物因子和非生物因子与土壤酶活性的空间变异显著相关，包括平均年降水量(MAP)、平均年温度(MAT)、土壤总磷(TP)、pH (pH)、全氮(TN)和土壤N:P和C:N比值(图3)。土壤有机碳浓度和碳磷比对土壤EEA变化的条件效应可以忽略不计，但边际效应较高。

土壤BG和NAG活性与MAP和MAT呈负相关(图4A,B)。土壤AP酶活性与MAP和MAT呈显著正相关。NAG活性与土壤pH呈显著正相关，AP活性与土壤pH呈显著负相关(图4C)。土壤BG和NAG活性与土壤C:P和N:P比值显著相关(图4D,E)。

生态系统的土壤酶C:N随着MAP和MAT的增加而下降(C:P和N:P也一样图5A,B)。这说明随着土壤风化强度的增加，土壤中P的有效性相对于C的降低。随着土壤pH值的增加，土壤酶C:P和N:P增加(图5C)。土壤酶C:P与土壤C:P和N:P呈负相关(图5D,E)。土壤酶C:P和N:P与叶片C:N:P也呈负相关(图5(F,G,H))，但土壤酶C:N:P与根系C:N:P没有显著关系。

 Conclusion 

综上所述，土壤酶C:N:P的化学计量学在整个生态系统中通常是相似的并且接近1:1:1。在这一狭小的范围内，酶活性的变化受气候和土壤pH值的影响。同时，酶活性与植物、叶片和土壤的化学计量关系是耦合的。土壤EEA化学计量特征表明，热带、亚热带气候区森林以磷限制为主。研究结果为森林生态系统土壤碳和养分循环的控制提供了有用的信息，同时也揭示了土壤微生物代谢的化学计量学和能量限制。

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