全 文 ：植物生态学报 2014, 38 (4): 334–342 doi: 10.3724/SP.J.1258.2014.00030
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2013-11-18 接受日期Accepted: 2014-02-07
* 通讯作者Author for correspondence (E-mail: sicauliuyang@163.com)
川西高山林线交错带凋落物纤维素分解酶活性研究
陈亚梅 和润莲 邓长春 刘 洋* 杨万勤 张 健
四川农业大学生态林业研究所, 四川省林业生态工程重点实验室, 成都 611130
摘 要 以川西高山林线交错带3种典型植被类型(针叶林、高山灌丛、高山草甸)下两个层次(LF层: 新鲜凋落物层和发酵层;
H层: 腐殖质层)的凋落物为研究对象, 分别模拟凋落物分解的前期和后期阶段, 对凋落物分解过程中的纤维素酶活性及凋落
物质量进行了研究。结果表明, 凋落物分解前期的纤维素酶活性和纤维素含量均显著高于分解后期, 但植被类型对LF和H层
的纤维素含量的影响都不显著。双因素方差分析结果表明, 凋落物分解阶段对纤维素酶活性和纤维素含量的影响比植被类型
对纤维素酶活性和纤维素含量的影响更大。不同种类的纤维素酶活性在分解前期和分解后期受到不同因子的限制。凋落物分
解前期, 微晶纤维素酶和β-葡萄糖苷酶活性可能受N、P含量的限制, 而羧甲基纤维素酶主要受底物纤维素含量控制; 凋落物
分解后期, 羧甲基纤维素酶和β-葡萄糖苷酶可能受C、N含量的限制。生态化学计量学的理论预测, 底物质量比C:N > 27或
C:P > 186时会限制微生物生长, 因此判断高山林线交错带凋落物微生物生物量和纤维素酶活性同时受到底物N、P的限制, 尤
其是高山草甸上微生物生物量在凋落物分解前期受到底物N、P的限制比分解后期更显著, 这充分说明了底物质量调控着凋落
物分解过程中的纤维素酶活性和微生物生物量。
关键词 高山林线交错带, 纤维素酶活性, 分解阶段, 凋落物层次, 植被类型
Litter cellulolytic enzyme activities in alpine timberline ecotone of western Sichuan
CHEN Ya-Mei, HE Run-Lian, DENG Chang-Chun, LIU Yang*, YANG Wan-Qin, and ZHANG Jian
Key Laboratory of Ecological Forestry Engineering in Sichuan Province, Institute of Ecology & Forestry, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130,
China
Abstract
Aims Litter constitutes the major source of organic matter entering the soil. Different litter layers reflect differ-
ent phases of decomposition. The litter originated from different plant materials and decomposition phases may
have a significant impact on cellulolytic enzyme activities. Our objective was to explore the effects of vegetation
types and decomposition phases on cellulolytic enzyme activities during litter decomposition process in an alpine
timberline ecotone at the end of snow melting.
Methods The activities of three cellulolytic enzymes (β-1,4-endoglucanase, β-1,4-exoglucanase and β-1,4-
glucosidase) and litter qualities (C, N, P and cellulose content) were measured in the fresh litter and fermentation
layer (LF) and the humus layer (H) in alpine meadow, alpine shrub, and coniferous forest in the alpine timberline
ecotone in western Sichuan. Two-way ANOVA was used for testing the main effects of vegetation types, decom-
position phase and their interactions on cellulolytic enzyme activities and litter qualities. We used Spearman cor-
relations to explore the relationships between cellulolytic enzyme activities and litter qualities of two decomposi-
tion phases.
Important findings Cellulolytic enzyme activities and cellulose contents in the LF layer were significantly
higher than in the H layer across all vegetation types. Two-way ANOVA results showed that decomposition phase
had a more significant impact on cellulolytic enzyme activities and cellulose contents than vegetation types. Cel-
lulolytic enzyme activities were under the control of different factors between the two decomposition stages. In
the early decomposition stage, the activities of β-1,4-exoglucanase and β-1,4-glucosidase appeared to be limited
by N and P contents of the substrate, while β-1,4-endoglucanase activity was mainly controlled by the cellulose
content of litter. In the late decomposition stage, the activities of β-1,4-endoglucanase and β-1,4-glucosidase were
mainly limited by C and N contents. According to the prediction of ecological stoichiometry theory, microbial
growth is considered to be nutrient-limited on substrates with C:N > 27 or C:P > 186. Overall, litter C:N and C:P
were greater than 27 and 186, respectively, in the study area, indicating that cellulolytic enzyme activities were
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limited by litter N and P contents. In particular, the microbial biomass was limited more significantly by N and P
contents in the early decomposition stage in the alpine meadow, indicating that litter quality indirectly regulates
cellulolytic enzyme activities of litter decomposition process in this alpine timberline ecotone.
Key words alpine timberline ecotone, cellulolytic enzyme activity, decomposition phase, litter layer, vegetation
type

凋落物分解过程中, 腐生真菌产生的木质素和
纤维素分解酶, 对于凋落物分解并转化为土壤有机
质有重要意义 (Kanazawa & Miyashita, 1987;
Criquet, 2002; Steffen et al., 2007)。由于纤维素具有
水不溶性并且分子量大, 纤维素先被胞外酶水解为
分子量小的碳水化合物后才能被微生物吸收利用,
因此环境中的纤维素酶活性控制着纤维素的分解
(Criquet, 2002; Doyle et al., 2006)。纤维素酶主要由
羧甲基纤维素酶、微晶纤维素酶和β-葡萄糖苷酶组
成(Sánchez, 2009)。在短期的凋落物分解实验中, 纤
维素酶活性先呈现较缓慢的增加, 在分解前期较长
一段时间保持较高水平, 后随分解进程的推进降低
(Kshattriya et al., 1992; Joshi et al., 1993; Moorhead
& Sinsabaugh, 2000), 纤维素先于木质素被微生物
分解(Fioretto et al., 2000, 2007), 通常在分解初期,
纤维素酶活性高于木质素酶活性。
纤维素酶活性通常受到环境中温度、水分、土
壤pH值及有机物质的化学结构等因素的影响, 同时
也受到植被类型和土壤发生层次的影响(Linkins et
al., 1990; Deng & Tabatabai, 1994; Kähkönen &
Hakulinen, 2011)。由于植被类型的变化可能会引起
凋落物种类和化学组成的改变, 进而影响分解者的
群落结构和多样性(Güsewell & Gessner, 2009), 因
此植被类型的变化会影响纤维素酶活性(Linkins et
al., 1990; Waldrop et al., 2000; Waring, 2013)。同时,
不同分解阶段凋落物的化学组成及养分可利用性不
同 (Osono et al., 2006), 纤维素酶活性也会发生相
应改变, 在空间层次上表现出很强的异质性(Šnajdr
et al., 2008a, 2008b)。
从新鲜凋落物到粗腐殖质为凋落物分解的第
一阶段, 之后凋落物分解进入到第二个分解阶段
(Aber et al., 1990 ; Aber & Melillo, 1991)。通常自然
状态下凋落物层次中新鲜凋落物层和发酵层(LF)和
腐殖质层(H)可以模拟这两个分解阶段(Fujii et al.,
2013)。纤维素酶活性随分解阶段的变化特征与凋落
物质量紧密相关, 纤维素酶活性的早期高峰一般出
现在富含木质素的凋落物中(Linkins et al., 1990;
Sinsabaugh et al., 1992)。
全球气候变化已是无可置疑的事实(Oreskes,
2004), 政府间气候变化专门委员会(IPCC)预测, 到
2100年 , 全球平均气温将升高1.8–4.0 ℃ (IPCC,
2007)。高山林线交错带是陆地生态系统对气候变化
响应的最敏感区域(Baker et al., 1995), 植被类型从
森林过渡到灌丛草甸, 地被物和凋落物种类组成及
厚度发生显著改变(刘洋等, 2011)。在气候变化的背
景下, 林线的位置和植被格局, 以及林线的物种组
成都可能发生变化(Kappelle et al., 1999; Walther et
al., 2005)。我们推测不同植被类型和凋落物分解的
不同阶段都可能会影响或改变凋落物分解过程中的
酶活性, 但目前还缺乏相关的研究。已有的关于酶
活性的研究主要集中在不同土壤层次微生物和酶活
性的分布和变异(Šnajdr et al., 2008a, 2008b), 不同
土壤层次的酶活性、微生物生物量碳和基础呼吸特
征及其关系(Andersson et al., 2004), 酶活性与凋落
物分解速率的关系(Sinsabaugh et al., 1992; Allison
& Vitousek, 2004)等方面, 而忽视了植被类型和凋
落物分解阶段及其交互作用对分解过程中纤维素酶
活性的影响, 且现阶段采用的分解袋法多是短期研
究(Prescott, 2005), 缺乏长期研究和对分解阶段的
对比研究。因此, 本文以川西高山林线交错带典型
的植被类型为研究对象, 以凋落物不同层次(LF层:
新鲜凋落物层和发酵层; H层: 腐殖质层)模拟凋落
物的不同分解阶段(凋落物分解的前期和后期阶段),
对不同植被类型下的凋落物质量和纤维素酶活性进
行研究, 以期为深入理解高山生态系统物质循环过
程及其影响机制提供基础数据。
1 材料和方法
1.1 研究区域概况
研究区位于四川省阿坝州理县米亚罗鹧鸪山
(31.85° N, 102.68° E), 位于青藏高原东缘, 杂谷脑
河上游, 是大渡河与岷江的分水岭, 为重要的江河
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源区。鹧鸪山山体海拔3 200–4 800 m, 山地垂直地
带性明显, 自河谷至山顶依次分布的植被类型有针
阔混交林、暗针叶林、高山疏林灌丛、高山草甸, 4 500
m以上为高山荒漠和积雪带。气候属于冬寒夏凉的高
寒气候, 年平均气温6–12 , 1℃ 月平均气温–8 , 7℃ 月
平均气温12.6 , ℃ 年积温1 200–1 400 , ℃ 年降水量
600–1 100 mm, 年蒸发量1 000–1 900 mm。冬季雪被
期明显, 从10月到次年4月, 长达6–7个月。
采用GPS定位, 沿垂直于等高线方向, 根据高
山林线交错带的植被类型变化分别设置3个海拔梯
度——暗针叶林3 905 m, 高山灌丛4 058 m, 高山
草甸4 215 m。从暗针叶林到高山灌丛和草甸, 光照
逐渐增强, 蒸发量逐渐增大, 地被物厚度逐渐降低
(刘洋等, 2011)。暗针叶林内植被发育良好, 完全郁
闭, 生境阴冷潮湿, 以高山杜鹃(Rhododendron lap-
ponicum)-岷江冷杉(Abies fargesii var. faxoniana)林
为主要景观, 土壤类型为山地假灰化棕色针叶林土,
土壤腐殖质含量高, 但多系粗腐殖质, 未很好矿质
化。该区域的高山林线大约在海拔4 000 m的位置,
位于暗针叶林和高山疏林灌丛交界处, 且保存完
好。疏林灌丛和高山草甸的土壤类型为高山草甸土,
地表石砾含量较高, 灌木优势种有红毛花楸(Sorbus
rufopilosa)、柳叶忍冬(Lonicera lanceolata)、康定柳
(Salix paraplesia)、越桔叶忍冬 (Lonicera myrtillus
var. myrtillus)、峨眉蔷薇(Rosa omeiensis)、大理杜
鹃(Rhododendron taliense)、华西小檗(Berberis sil-
va-taroucana)、金露梅(Potentilla fruticosa); 草本优
势种主要有禾本科、菊科和龙胆科植物。
1.2 样品采集和分析
2013年4月30日, 于雪被融化末期采集样品。分
别在3 905 m (暗针叶林)、4 058 m (高山灌丛)、4 215
m (高山草甸) 3个海拔梯度沿等高线随机选择5个样
点采集样品。测定取样点各凋落物层(LF层和H层)
的厚度后, 按10 cm × 10 cm面积收集LF层凋落物,
并收集相应的H层凋落物。编号放入无菌塑料袋内,
置于有冰袋的保鲜盒中运回实验室, 放入4 ℃冰箱
保存备用, 在一周内完成纤维素酶活性的测定。
读取每个海拔地表放置的纽扣式温度记录器
(iButton DS1923-F5, Maxim/Dallas Semiconductor,
Sunnyvale, USA)采样当天0:00到采样时(9:00)的温
度, 并用直尺直接多点测量雪被厚度, 结果见表1。
取部分样品于烘箱中, 在65 ℃烘干至恒重, 进行凋
落物含水量的测定, 结果见表1。将剩余样品风干、
粉碎, 烘干至恒重后, 进行C、N、P和纤维素含量测
定, 结果见表2。凋落物C含量采用重铬酸钾氧化-
外加热法(林业行业标准(LY/T 1237-1999))测定, 全
氮含量采用半微量凯氏定氮法(林业行业标准(LY/T
1269-1999))测定, 全磷含量采用钼锑钪比色法(林
业行业标准(LY/T 1270-1999))测定; 纤维素含量采
用改进的范氏酸性洗涤纤维法(Rowland & Roberts,
1994)测定。
粗酶液的制备参考张瑞清等 (2008)修改的
Criquet等(1999)的方法, 并做了部分修改, 具体方
法如下: 称取4.00 g被剪碎的样品( < 0.5 mm)于冰浴
研钵中, 加入20 mL预冷(4 , 12 h)℃ 的提取液(1
mol·L–1 CaCl2溶液, 其中含有0.5 mL Tween-80), 迅
速研磨成匀浆, 转移至50 mL离心管中, 加入0.40 g
预冷的交联聚乙烯吡咯烷酮(PVPP), 摇动后放置过
夜, 12 000 g 4 ℃冷冻离心20 min, 将上清液转移到
预处理过的透析袋(截留分子量为10 kD)中, 置于2
mmol·L–1的Bis-Tris缓冲液(pH 6.0)中, 在4 ℃透析48
h, 期间, 每12 h更换一次透析液。将粗酶液转移到
刻度为25 mL的试管中定容, 4 ℃保存备用。羧甲基
纤维素酶、微晶纤维素酶和β-葡萄糖苷酶酶活性测


表1 高山林线交错带凋落物含水量、表层温度和雪被厚度(平均值±标准偏差)
Table 1 Litter water content, surface litter temperature, and snow cover thickness in the alpine timberline ecotone (mean ± SD)
植被类型
Vegetation type
凋落物含水量
Litter water content (%)
凋落物表层温度
Surface litter temperature (℃)
雪被厚度
Snow cover thickness (cm)
高山草甸 Alpine meadow 41 ± 5a 1.8 ± 2.5a 0.0 ± 0.0a
高山灌丛 Alpine shrub 62 ± 7b 3.9 ± 6.4b 4.1 ± 2.2b
针叶林 Coniferous forest 55 ± 1b –0.3 ± 0.3a 1.3 ± 1.0a
同列中不同小写字母表示不同植被类型差异显著(p < 0.05)。
Different lower-case letters within the same column indicate significant differences among vegetation types (p < 0.05).


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定方法参考张瑞清等(2008)的文献。设失活酶为对
照 , 重复测定5次。酶活力单位定义为μmol glu-
cose·g–1 DM·h–1 (DM代表干质量)。
1.3 数据处理和统计分析
采用SPSS 17.0对不同植被类型同一凋落物层
的酶活性和C、N、P等凋落物质量指标进行单因素
方差分析 (one-way ANOVA)和最小显著差异法
(LSD)检验。用配对样本t检验对比分析了同一植被
类型下不同凋落物层的酶活性和C、N、P等凋落物
质量指标。用双因素方差分析(two-way ANOVA)检
验植被类型和凋落物层及其交互作用对酶活性的影
响, 酶活性之间以及酶活性和凋落物质量各指标间
的关系采用Pearson相关分析。
2 结果和分析
2.1 凋落物层次和环境因子特征
针叶林、高山灌丛、高山草甸的LF层厚度分别
为10 cm、3 cm和4 cm, H层厚度分别为11 cm、3 cm
和6 cm。针叶林凋落物主要是岷江冷杉和大理杜鹃
的枝叶, LF层和H层均最厚; 高山灌丛凋落物主要
由红毛花楸、康定柳和大理杜鹃的凋落物组成, LF
层和H层较薄 ; 高山草甸凋落物主要由草血竭
(Polygonum paleaceum) 、 圆 叶 筋 骨 草 (Ajuga
ovalifolia)和圆穗蓼( Polygonum sphaerostachyum)的
凋落物组成, LF层中半分解凋落物所占的比例较少,
多为新鲜凋落物, H层较高山灌丛的厚。高山灌丛和
针叶林的凋落物含水量显著高于高山草甸, 高山灌
丛雪被厚度显著高于高山草甸和针叶林, 不同植被
类型下的凋落物表层温度无显著差异(表1)。相关分
析结果表明, 凋落物不同层次的含水量、表层温度、
雪被厚度与酶活性相关性均不显著(p > 0.05)(统计
结果未列出)。
2.2 凋落物纤维素酶活性特征
凋落物层次和不同植被类型显著影响羧甲基
纤维素酶活性, 但其交互作用对羧甲基纤维素酶活
性影响不显著(表2)。LF层各植被类型间的差异不显
著; 而H层针叶林羧甲基纤维素酶活性显著高于高
山草甸, 但高山灌丛与针叶林、高山草甸间的差异
不显著。凋落物层次间羧甲基纤维素酶活性差异显
著, LF层羧甲基纤维素酶活性在各个植被类型条件
下均高于H层(图1)。凋落物层次和不同植被类型及
其交互作用对微晶纤维素酶活性均没有显著影响


图1 高山林线交错带凋落物不同层次纤维素酶活性(平均
值±标准偏差)。H, 腐殖质层; LF, 新鲜凋落物层和发酵层。
F, 针叶林; M, 高山草甸; S, 高山灌丛。不同小写字母表示
同一植被类型凋落物H层与LF层差异显著(t检验, p < 0.05);
不同大写字母表示同一凋落物层次不同植被类型差异显著
(p < 0.05)。
Fig. 1 Cellulolytic enzyme activities in different litter layers
in the alpine timberline ecotone (mean ± SD). H, humus layer;
LF, fresh litter layer and fermentation layer. F, coniferous for-
est; M, alpine meadow; S, alpine shrub. Different lower-case
letters indicate significant differences between the H layer and
the LF layer of litter within the same vegetation type (t-test, p <
0.05). Different capital letters indicate significant differences
among vegetation types within the same litter layer ( p < 0.05).


(表2), LF层和H层各植被类型间以及凋落物层间差
异均不显著(图1)。凋落物层次对β-葡萄糖苷酶活性
有显著影响, 而不同植被类型和凋落物层次与植被
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表2 植被类型(针叶林、高山灌丛和高山草甸)和凋落物层次(腐殖质层、新鲜凋落物层和发酵层)及其交互作用对酶活性和凋
落物质量的双因素方差分析结果
Table 2 Results of two-way ANOVA for testing the main effects of vegetation types (coniferous forest, alpine shrub and alpine
meadow), litter layers (humus layer, fresh litter layer and fermentation layer) and their interactions on cellulolytic enzyme activities
and litter qualities
变量
Variable
凋落物层次
Litter layer
植被类型
Vegetation type
凋落物层次×植被类型
Litter layer × Vegetation type
df F p df F p df F p
羧甲基纤维素酶
β-1,4-endoglucanase
1 58.669 < 0.001 2 8.762 < 0.010 2 0.222 0.803
微晶纤维素酶
β-1,4-exoglucanase
1 0.069 0.795 2 0.207 0.815 2 1.724 0.200
β-葡萄糖苷酶
β-1,4-glucosidase
1 55.989 < 0.001 2 2.241 0.128 2 2.085 0.146
纤维素含量
Cellulose content
1 84.515 < 0.001 2 1.272 0.299 2 10.024 0.001
C含量 C content 1 92.313 < 0.001 2 32.110 < 0.010 2 11.135 < 0.010
N含量 N content 1 5.290 0.030 2 16.722 < 0.010 2 12.378 < 0.010
P含量 P content 1 1.425 0.244 2 8.302 0.002 2 9.394 0.001
C:N 1 47.476 < 0.001 2 12.932 < 0.010 2 8.864 0.001
C:P 1 31.050 < 0.001 2 13.771 < 0.001 2 13.308 < 0.001
N:P 1 3.149 0.089 2 14.313 < 0.001 2 31.118 < 0.001



表3 高山林线交错带凋落物不同层次的质量特征(平均值±标准偏差)
Table 3 Quality characteristics of different litter layers in the alpine timberline ecotone (mean ± SD)
凋落物层次
Litter layer
植被类型
Vegetation type
C
(mg·g–1)
N
(mg·g–1)
P
(mg·g–1)
C:N C:P N:P 纤维素
Cellulose (mg·g–1)
LF M 381.5 ± 23.5aA 8.7 ± 1.5aA 1.0 ± 0.2aA 45.3 ± 9.1aA 413.0 ± 113.4aA 9.0 ± 0.9aA 253.4 ± 64.1aA
S 387.3 ± 78.6aA 13.5 ± 2.4aB 1.6 ± 0.3aB 29.2 ± 6.3aB 238.4 ± 33.8aB 8.3 ± 0.9aA 167.3 ± 34.5aB
F 448.8 ± 37.5aA 9.0 ± 1.1aA 1.1 ± 0.2aA 50.7 ± 9.7aA 410.1 ± 88.2aA 8.1 ± 0.3aA 151.6 ± 49.1aBC
H M 118.3 ± 28.9bA 6.4 ± 1.5aA 1.2 ± 0.1aA 18.6 ± 2.0bA 97.2 ± 12.6bA 5.3 ± 0.8bA 25.1 ± 7.7bA
S 244.5 ± 47.6bB 9.3 ± 1.7bB 1.2 ± 0.2bA 26.2 ± 1.4aB 211.8 ± 39.2aB 8.1 ± 1.2aB 67.9 ± 29.0bB
F 375.5 ± 34.6aC 11.5 ± 0.5bC 1.1 ± 0.1aA 32.7 ± 4.2aC 339.9 ± 62.8aC 10.4 ± 1.0bC 72.4 ± 34.2bBC
H, 腐殖质层; LF, 新鲜凋落物层和发酵层。F, 针叶林; M, 高山草甸; S, 高山灌丛。不同小写字母表示同一植被类型凋落物H层与LF层差异
显著(t检验, p < 0.05); 不同大写字母表示同一凋落物层次不同植被类型差异显著(p < 0.05)。
H, humus layer; LF, fresh litter and fermentation layer. F, coniferous forest; M, alpine meadow; S, alpine shrub. Different lower-case letters indicate
significant differences between the H layer and the LF layer of litter within the same vegetation type (t -test, p < 0.05). Different capital letters indicate
significant differences among vegetation types within the same litter layer (p < 0.05).


类型的交互作用对β-葡萄糖苷酶活性不具有显著影
响(表2), 其中LF层和H层各植被类型间差异均不显
著, LF层羧甲基纤维素酶活性在各个植被类型条件
下均高于H层(图1)。
三种酶活性之间的相关性分析结果(统计结果
未列出)表明, LF层微晶纤维素酶和β-葡萄糖苷酶显
著相关(p < 0.05), 其他酶之间相关性不显著(p >
0.05); H层羧甲基纤维素酶、微晶纤维素酶和β-葡萄
糖苷酶两两间显著(p < 0.05)或极显著(p < 0.01)相关。
2.3 凋落物质量特征
不同凋落物层次和凋落物层次与植被类型的
交互作用对凋落物C含量、N含量、C:N、C:P均有
显著影响(表2), 其中高山草甸和灌丛LF层C含量显
著高于H层, 针叶林凋落物层次间差异不显著。高山
草甸LF层C:N、C:P显著高于H层。高山灌丛和针叶
林LF层N含量与H层差异显著, 而C:N、C:P与H层差
异不显著。不同植被类型下LF层C含量差异不显著,
LF层高山灌丛N含量显著高于高山草甸和针叶林,
C:N、C:P低于高山草甸和针叶林。而H层高山草甸、
高山灌丛和针叶林C含量、N含量、C:N、C:P两两
间均具有显著差异(表3)。凋落物层次对P含量和N:P
无显著影响, 植被类型及其与凋落物层次的交互作
用对P含量和N:P影响显著(表2)。高山灌丛LF层P含
量显著高于H层, 高山草甸和针叶林凋落物层次间
陈亚梅等: 川西高山林线交错带凋落物纤维素分解酶活性研究 339

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表4 纤维素酶活性与凋落物质量的相关关系
Table 4 Correlations between cellulolytic enzyme activities and litter quality
纤维素酶种类 Cellulose sort 凋落物层次
Litter layer
C N P C:N C:P N:P 纤维素
Cellulose
羧甲基纤维素酶 β-1,4-endoglucanase LF 0.206 0.082 0.072 0.116 0.001 –0.176 –0.586*
微晶纤维素酶 β-1,4-exoglucanase LF –0.131 0.605* 0.573* –0.545* –0.491 0.009 –0.079
β-葡萄糖苷酶 β-1,4-glucosidase LF –0.381 0.696** 0.557* –0.647** –0.601* 0.121 –0.356
羧甲基纤维素酶 β-1,4-endoglucanase H 0.801** 0.752** 0.100 –0.002 –0.132 –0.403 0.535*
微晶纤维素酶 β-1,4-exoglucanase H 0.449 0.370 0.382 –0.120 –0.113 0.047 0.531*
β-葡萄糖苷酶 β-1,4-glucosidase H 0.626* 0.610* 0.289 –0.141 –0.220 –0.279 0.405
*, p < 0.05; **, p < 0.01.


P含量差异不显著, N:P差异显著。LF层高山灌丛P
含量显著高于高山草甸和针叶林, LF层N:P和H层P
含量在不同植被类型下差异不显著, H层在不同植
被类型下N:P两两间差异显著(表3)。
凋落物层次及其与植被类型的交互作用对纤
维素含量影响显著, 植被类型对纤维素含量无显著
影响(表2)。各植被类型条件下LF层纤维素含量显著
高于H层, LF层高山灌丛和针叶林的纤维素含量显
著低于高山草甸, H层高山灌丛和针叶林的纤维素
含量显著高于高山草甸(表3)。
2.4 凋落物质量与酶活性的关系
凋落物质量与酶活性的相关性分析结果(表4)
表明, LF层羧甲基纤维素酶, 微晶纤维素酶和β-葡
萄糖苷酶与C含量的相关性不显著, H层酶活性与C
含量呈正相关关系, 羧甲基纤维素酶和β-葡萄糖苷
酶的相关性达到显著(p < 0.05)或极显著(p < 0.01)
水平。纤维素酶活性与N、P含量正相关, 其中, LF
层微晶纤维素酶和β-葡萄糖苷酶与N、P含量相关性
显著(p < 0.05)或极显著(p < 0.01)。H层羧甲基纤维
素酶、LF层和H层的微晶纤维素酶和β-葡萄糖苷酶
酶活性与C:N和C:P均呈现负相关关系, 部分达到显
著(p < 0.05)或极显著(p < 0.01)水平。LF层纤维素含
量与纤维素酶活性呈负相关关系, 其中, 羧甲基纤
维素酶达到显著水平(p < 0.05), H层纤维素含量与
纤维素酶活性正相关, 羧甲基纤维素酶和微晶纤维
素酶的相关性达到显著水平(p < 0.05)。
3 讨论
3.1 凋落物分解阶段和植被类型对纤维素酶活性
和纤维素含量的影响
随着凋落物的逐步分解, 凋落物质量在土壤垂
直层次上产生差异(Koide et al., 2005), 从而导致微
生物生物量减少, 纤维素酶活性减低(Andersson et
al., 2004)。本研究中3种植被类型的LF层羧甲基纤
维素酶、β-葡萄糖苷酶活性和高山灌丛、草甸的微
晶纤维素酶活性高于H层, 其活性在不同凋落物层
次上表现出很强的空间异质性, 这与Kanazawa 和
Miyashita (1987)、Andersson等 (2004)和Šnajdr等
(2008b)的研究结果一致。研究表明, 纤维素酶活性
也受到植被类型和凋落物种类的影响(Linkins et al.,
1990; Waldrop et al., 2000; Waring, 2013), 本研究中
植被类型仅对羧甲基纤维素酶活性影响显著, 表明
羧甲基纤维素酶可能对凋落物种类变化更为敏感,
同样, Kshattriya等(1992)也得到了不同物种凋落物
的羧甲基纤维素酶活性具有差异的结果。总体来看,
凋落物分解阶段比植被类型对酶活性的影响更显
著。从纤维素酶的来源来看, 木质素和纤维素分解
酶主要来源于真菌(Boddy et al., 2007; Steffen et al.,
2007; Elisashvili et al., 2008), 通常LF层的真菌生物
量更高, 从而导致LF层的纤维素分解酶活性也较
高, 这与微生物生物量的增加易受到N、P可利用性
限制有关(Allen & Gillooly, 2009)。目前, 本研究只
讨论了酶活性的表现特征, 未涉及不同植被类型和
凋落物分解阶段的真菌类群及其生物量, 对纤维素
酶活性的影响机制还有待进一步探索。
随着凋落物层深度的增加, 纤维素含量逐渐减
少 , 比纤维素更加复杂的有机物质逐渐增加
(Kanazawa & Miyashita, 1987)。本研究中, 凋落物分
解阶段对纤维素含量影响显著, LF层纤维素含量显
著高于H层。由植被类型差异引起的凋落物种类的
差异也会引起纤维素含量的差异 (Moorhead &
Sinsabaugh, 2000), 本研究中尽管双因素方差分析
结果表明植被类型对纤维素含量没有显著影响, 但
凋落物分解阶段和植被类型的交互作用显著影响纤
340 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2014, 38 (4): 334–342

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维素含量, LF层纤维素含量为高山草甸>高山灌
丛>针叶林, 而H层纤维素含量为针叶林>高山灌
丛>高山草甸, 高山草甸LF层纤维素含量最高, H层
纤维素含量最低, 与之相对应的是LF层酶活性较H
层高(高山草甸LF层的羧甲基纤维素酶活性和β-葡
萄糖苷酶活性分别是H层的8.8倍和30倍), 说明草
本植物的凋落物纤维素含量比木本植物更高, 酶与
底物的相互作用造成了酶活性的差异(Sinsabaugh et
al., 1991), 使得草本植物纤维素比木本植物分解更
快。总体来看, 凋落物分解阶段比植被类型对凋落
物纤维素含量的影响更为显著。
纤维素酶的主要作用是降解纤维素(Linkins et
al., 1990; Joshi et al., 1993), 因此纤维素含量与纤维
素酶活性密切相关, 可以通过测定土壤中的纤维素
酶活性来估算土壤中纤维素的含量(Kanazawa &
Miyashita, 1987)。本研究中LF层纤维素酶和纤维素
含量呈负相关, 羧甲基纤维素酶达到显著水平。
Kshattriya等(1992)和Joshi等(1993)的研究表明, 羧
甲基纤维素酶与纤维素含量也呈负相关关系, 并认
为羧甲基纤维素酶活性较高是由纤维素含量较高导
致的。本研究中H层纤维素酶活性与纤维素含量呈
正相关, 羧甲基纤维素酶和微晶纤维素酶活性达到
显著水平, 与Kanazawa和Miyashita (1987)的研究结
果基本相同。
微生物对有机残体的分解并不是通过某个酶
单独起作用的, 而是通过多种酶联合起作用的(张
瑞清等, 2008)。在纤维素分解过程中, 羧甲基纤维
素酶先随机攻击纤维素无定型区的多个内部点
(Lynd et al., 1991), 之后, 微晶纤维素酶从葡聚糖链
的末端移除单体和二聚体, 最后, β-葡萄糖苷酶将
葡萄糖二聚体和某些纤维素低聚糖水解为葡萄糖
(Sánchez, 2009)。在水解纤维素过程中, 羧甲基纤维
素酶和微晶纤维素酶具有协同性(Rabinovich et al.,
2002), 本研究中不同分解阶段的纤维素酶活性间
相关性显著也证明了纤维素酶之间具有协同性。
3.2 凋落物化学计量特征与酶活性的关系
酶活性指标可以用于预测凋落物分解速率和
评价底物N、P的可利用性(Sinsabaugh & Moorhead,
1994), 反过来, 底物养分可利用性也能指示酶活性
的高低。研究表明, 添加N可以增加纤维素酶活性
(Sinsabaugh et al., 2002), 降低凋落物分解过程中的
N限制可以增加凋落物的分解速率(Berg & Matzner,
1997)。从相关分析的结果来看, 纤维素酶活性在凋
落物分解的不同阶段受不同因子的限制。在凋落物
分解前期, 微晶纤维素酶和β-葡萄糖苷酶活性可能
受到N、P含量的限制, 而羧甲基纤维素酶活性主要
受底物纤维素含量的控制; 在凋落物分解后期, 羧
甲基纤维素酶和β-葡萄糖苷酶可能受到C、N含量的
限制。凋落物分解过程中基质质量和胞外酶活性间
密切关联(Fioretto et al., 2007), 产生这种差异的原
因可能是不同分解阶段凋落物质量的变化, 尤其是
纤维素含量、C、N含量和P含量的变化, 使得酶活
性与底物质量关系产生差异, 多数研究也证实了凋
落物分解过程中化学组成的变化是酶活性变异的主
要原因(Dilly & Munch, 1996; Fioretto et al., 2000;
Wittmann et al., 2004)。
生态化学计量学的理论预测, 微生物能调控胞
外酶的产量, 以获得最短缺的资源(Waring, 2013),
大多数情况下, 底物质量比C:N > 27或C:P > 186会
限制微生物生长(Sinsabaugh et al., 2009)。本研究区
除高山草甸分解后期的C:N、C:P和灌丛分解后期
C:N外, 其余植被类型和分解阶段底物C:N均大于
27, C:P均大于186, 且草甸的C:N、C:P在分解前期显
著大于分解后期, 说明微生物的繁殖在凋落物分解
前期受到底物N、P的限制很明显, 后期逐步得到缓
解(Sterner & Hessen, 1994; Allen & Gillooly, 2009)。
从纤维素酶活性与凋落物质量的相关关系来看, 3种
酶活性与底物N、P的相关性十分密切, 由此也可以
推测酶活性同时受到底物N、P的限制。Waring
(2013)研究认为热带森林中N、P含量并不是限制微
生物生长的因子, 而在高寒生态系统中微生物的繁
殖易受到N、P含量的限制(Schmidt & Lipson, 2004)。
因此, 本研究区底物N、P的含量间接地影响着凋落
物分解过程的酶活性。
综上所述, 林线交错带植被类型的变化并不是
影响凋落物纤维素分解酶活性的主导因素, 凋落物
分解阶段比凋落物种类对纤维素分解酶活性的影响
更显著, 分解前期凋落物的纤维素酶活性和纤维素
含量均显著高于分解后期。从凋落物纤维素分解酶
活性的角度来看, 推测气候变化导致的高山林线交
错带植物物种改变对凋落物分解速率和碳循环的影
响可能并没有预测的大。根据酶活性与凋落物质量
的相关性和底物C:N和C:P的大小判断, 高山林线交
错带微生物生物量和纤维素酶活性受底物N、P的限
陈亚梅等: 川西高山林线交错带凋落物纤维素分解酶活性研究 341

doi: 10.3724/SP.J.1258.2014.00030
制作用较强, 微生物类群及其生物量和酶活性的相
互关系及其影响机制还有待于进一步研究。
基金项目 国家自然科学基金(31200345)、国家科
技支撑计划(2011BAC09B05)、教育部博士点基金
(20115103120003) 、四川省教育厅重点项目(11ZA-
079)和四川省科技厅应用基础项目(2012JY0047)。
致谢 感谢四川农业大学生态林业研究所欧江、宋
小艳、李建平、邓超、胡相伟等同学在采样和室内
分析过程中给予的帮助。
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责任编委: 孙建新 责任编辑: 王 葳