全 文 ：植物生态学报 2014, 38 (5): 468–476 doi: 10.3724/SP.J.1258.2014.00043
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2014-03-13 接受日期Accepted: 2014-04-10
* 通讯作者Author for correspondence (E-mail: lxw@sicau.edu.cn)
冬季火对川西亚高山草地土壤微生物功能多样性
及其强度的短期影响
王 谢1 向成华1,2 李贤伟1* 文冬菊1
1四川农业大学林学院, 四川雅安 625014; 2四川省林业科学研究院森林生态与资源环境研究所, 成都 610081
摘 要 为可持续管理川西亚高山草地生态系统, 全面地了解火后土壤微生物功能的多样性和强度的变化及其恢复状况,
基于2010年“12·5”冬草场的火烧事件, 以川西亚高山草地为研究对象, 对比了火烧和未火烧区域0–20 cm土层土壤中7种酶(β-
葡糖苷酶、酸性磷酸酶、碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、蛋白酶和过氧化氢酶)的活性变化, 分析了土壤微生物功能多样性及
其强度对火处理的响应。结果发现, 7种酶的潜在活性在0–5 cm土层中皆有所增加, 但对火处理、土层深度和两者交互作用的
响应有所差异; 其中, 碱性磷酸酶在指示该区域火后微生物功能多样性和强度短期内的变化时具有较好的灵敏性和指示性。
火在一定程度上促进了表土层微生物功能的发挥, 但是土壤微生物功能多样性及其强度对火和土层深度(0–20 cm)的响应并
不显著。因此, 为能更好地揭示干扰行为对微生物生物多样性的影响机制, 未来应加强土壤微生物群落功能稳定性的研究。
关键词 多样性, 酶活性, 微生物功能, 亚高山草地, 冬季火烧
Short-term effects of a winter wildfire on diversity and intensity of soil microbial function in
the subalpine grassland of western Sichuan, China
WANG Xie1, XIANG Cheng-Hua1,2, LI Xian-Wei1*, and WEN Dong-Ju1
1College of Forestry, Sichuan Agricultural University, Ya’an, Sichuan 625014, China; and 2Institute of Forest Ecology and Resource Environment, Sichuan
Academy of Forestry, Chengdu 610081, China
Abstract
Aims For sustainably managing the subalpine grassland of western Sichuan, a post-fire recovery in diversity and
intensity of soil microbial function was studied.
Methods The activities of seven soil enzymes, including β-glucosidase, acid phosphatase, alkaline phosphatase,
urease, sucrase, protease, catalase, and fluorescein diacetate hydrolase, were measured on soil samples collected
from burned and unburned sites in the study area following a wildfire on 5 December 2010. The diversity and in-
tensity of soil microbial function were estimated by the methods of Bending and Perucci.
Important findings In this study, we found that the activities of the seven soil enzymes in the 0–5 cm soil layer
were all increased significantly by the fire, but the responses to fire and soil depth varied among different soil en-
zymes. The alkaline phosphatase appeared to be a good indicator of the short-term responses in the diversity and
intensity of soil microbial function to fire in this area. On the whole, although fire enhanced the surface soil mi-
crobial function to some extent, the diversity and intensity of soil microbial function were not significantly af-
fected by the fire in the 0–20 cm soil layer. Future research on the functional stability of soil microbial community
could better reveal the underlying mechanisms of the impact of disturbance on soil microbial biodiversity.
Key words diversity, enzyme activity, microbial function, subalpine grassland, winter wildfire

川西亚高山草地不仅是当地牧民维持生计的重
要资源, 而且是维持区域生态平衡的重要生态因
子。除了为更新而进行的炼山外, 受放牧、祭祀等
人类生活方式的影响, 小规模、低强度的火灾时有
发生, 特别是在冬季, 地表宿存了大量干枯易燃的
植物残体, 极易发生快速的草地过火事件。火, 作为
许多生态系统进化史中的重要生态因子, 已成为人
们修复生态系统功能的一种手段和工具。前期研究
发现冬季火烧改变了区域植被群落的结构, 降低了
牧草的可食性(王谢等, 2013)。为了全面地掌握火生
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态学信息, 使人们能像森林用火一样将火更安全地
应用于草地生态系统, 本研究从土壤微生物功能的
角度出发, 探索火对地下生态系统的影响。
相对于火后植被动态和土壤物理化学性质的
变化, 土壤微生物功能响应火的研究相对较少(Hart
et al., 2005)。然而, 火烧确实改变了土壤微生物群
落结构和活性(Debano et al., 1998), 这是一个不争
的事实。D’Ascoli等(2005)研究发现, 火后地中海灌
木林土壤微生物群落持续减少, 且结构发生变化,
其功能多样性则快速恢复。Giai和Boerner (2007)在
研究橡树混交林的生态修复技术时发现, 火对土壤
微生物的影响是短暂和可恢复的, 但对土壤微生物
功能多样性的影响却是长久的。因此, 本研究基于
川西地区亚高山草地2010年“12·5”冬草场的火烧事
件, 鉴于该事件中火处理时间为冬季、频度小、地
被可燃物少、火烧强度低等情况, 提出“冬季火不降
低土壤微生物功能多样性和强度”的假设。通过对比
火烧与未火烧草地表层0–20 cm土层7种主要土壤酶
活性的差异, 基于Shannon-Weaver多样性指数综合
评估法(Bending’s method)和荧光素评估法(Perucci’s
method), 探索冬季火烧对亚高山草地土壤微生物
功能多样性和强度的影响, 为区域草地生态系统的
可持续经营管理提供参考依据。
1 研究地区与方法
1.1 研究区概况
研究区设置在四川省甘孜藏族自治州道孚县
(100.10° E, 31.00° N, 海拔3 000 m以上), 该县是川
西北草原重点县, 中国五大牧区之一, 拥有草地3.5
× 105 hm2, 年平均气温11 ℃, 年日照时数2 341.2 h,
无霜期150天, 年降水量699.2 mm, 为大陆性季风、
高原性气候, 属青藏高原气候的组成部分(四川省道
孚县志编纂委员会, 1997)。土壤属于亚高山草甸土,
土壤表层为明显的草毡层, 草根盘根错节, 透气性
较差, 腐殖层较厚, 30–40 cm, 且腐殖化程度较高。整
个土壤剖面过渡明显, 构型为残落物层(O)—自然矿
质土壤的有机质的自然积聚层(Ah)—腐殖质层向氧
化还原层的过渡层(AhBg)—锈色斑纹层(Cg)—砾石
或岩石(R), 颜色从暗褐—灰棕—棕色过渡。山地草
地呈现坡度较大、土粒少、土层薄、土中石渣(砾)
含量高, 保水力差, 且水土流失严重。植物种类多,
常见植物有56科158属321种, 以禾草、莎草为优势
种(四川省道孚县志编纂委员会, 1997)。由于气候干
燥和放牧干扰, 该区域易发生草地火灾。 最近一次
较大的火灾发生在2010年12月5日, 起因为放牧过
程中的意外失火, 过火面积33 hm2, 造成25人死亡。
1.2 样地设置及土壤样品采集
2010年12月, 分别在子龙山和呷乌山的火烧和
未火烧区域(两区为5 m宽的公路形成的防火带所隔
离), 选择18个5 m × 5 m的样方作为典型样地, 共设
样地36个, 并标注样地位置。根据样地的处理情况、
坡位和坡向特征 , 36个样地被划分为12个类型
(B1–B6和U1–U6, 表1), 样地与类型之间的对应关
系已有研究报道(王谢等, 2013)。2011年1月(火后4
周), 在每个样地随机设置3个点, 用镰刀和小铲轻
轻除去表层植被和火烧残渣, 用体积为100 cm3的
环刀取出表层0–5 cm的环刀土样分析土壤水分含
量; 然后在每个样地随机设置5个点, 用直径为58
mm的土芯取样器, 取出表层25–30 mm厚的土芯。
由于高寒草甸的地下生物量主要分布在0–10 cm的
土层中(王长庭等, 2007), 且地下生物量的年变化很
小, 加之冬季2–5 cm以下的土壤为冻土, 不容易取
出, 将土芯按照0–5 cm (草毡层)、5–10 cm (腐殖质
层)、10–20 cm (腐殖质层)分割, 20 cm以上的原位返
还土壤。将来自同一样方、同一土层的土样混合为1
个样品, 编号后装入聚乙烯塑料袋中, 保存在–4 ℃
下带回实验室, 剔除石头和明显的根系, 每份土样
约取出200 g鲜土, 保存在–20 ℃下供土壤酶活性和
微生物生物量测定(样品保存时间不超过15天), 其
余自然风干后用于测定其他化学性质。各样地类型
土壤的基本理化性质见表1。
1.3 土壤酶活性的测定
荧光素二乙酸酯酶活性采用Adam和Duncan
(2001)使用的方法测定, 反应基质为1 000 μg·mL–1
的荧光素二乙酸, 缓冲液为60 mmol·L–1的 KH 2 PO4
溶液(pH 7.6), 培养温度为30 ℃, 标准溶液为荧光
素钠(FDA)溶液, 培养时间为20 min; 荧光素二乙酸
酯酶活性单位为μmol·g–1。脲酶活性采用Kandeler
提出的方法(Schinner et al., 1995)测定, 反应基质为
0.27 mol·L–1的脲素, 缓冲液为0.1 mol·L–1的硼酸溶液
(pH 10), 培养温度为37 ℃, 标准溶液为(NH4)2SO4
溶液, 脲酶活性单位为mg NH4+·g–1·h–1。酸性磷酸酶
活性与碱性磷酸酶活性采用Tabatabai提出的方法
(Weaver et al., 1994)测定, 反应基质为对硝基苯
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表1 样地基本情况
Table 1 General information of sampling plots
类型编号
Type ID
处理
Treatment
坡位
Slope position
坡向
Slope aspect
海拔 (m)
Elevation
容重 (g·cm–3)1)
Bulk density
含水量(%)1)
Water content
酸碱度2)
pH
B1 火烧 Burned 上 Upper 东 East 3 429 0.992 22.3 6.60
B2 火烧 Burned 中 Middle 东 East 3 454 1.055 15.1 7.28
B3 火烧 Burned 下 Lower 东 East 3 461 1.051 15.4 7.54
B4 火烧 Burned 上 Upper 西 West 3 315 0.932 26.6 6.30
B5 火烧 Burned 中 Middle 西 West 3 243 1.058 15.6 6.71
B6 火烧 Burned 下 Lower 西 West 3 487 0.946 16.7 7.24
U1 未火烧 Unburned 上 Upper 东 East 3 409 0.993 23.4 6.44
U2 未火烧 Unburned 中 Middle 东 East 3 334 1.043 22.2 7.04
U3 未火烧 Unburned 下 Lower 东 East 3 444 0.987 19.3 7.47
U4 未火烧 Unburned 上 Upper 西 West 3 424 0.929 32.4 6.36
U5 未火烧 Unburned 中 Middle 西 West 3 196 1.068 17.0 6.63
U6 未火烧 Unburned 下 Lower 西 West 3 484 1.079 18.5 7.15
1), 同一样地类型的3个样地的平均值; 2), 同一样地类型的3个样地0–5 cm土层的pH值的平均值。
1), mean of the three plots of the same type; 2), mean of the three plots of the same type for the 0–5 cm soil layer.


磷酸二钠(PNPP), 缓冲液为修正的通用缓冲液(pH
分别为6.5和11.0), 培养温度为37 ℃, 标准溶液为
对硝基苯酚(p-nitrophenol, PNP)溶液, 酸性磷酸酶
活性与碱性磷酸酶活性单位皆为μg PNP ·g–1·h–1。β-
葡糖苷酶活性采用Eivazi和Tabatabai (1998)提出的
方法测定, 反应基质为对硝基苯基-β-D-吡喃葡萄糖
苷(PNPG), 缓冲液为修正的通用缓冲液(pH 6.0),
培养温度为37 ℃, 标准溶液为对硝基苯酚溶液, β-
葡糖苷酶活性单位为μg PNP·g–1·h–1。蔗糖酶活性采
用关松荫(1986)提出的方法测定, 反应基质为18%
的蔗糖溶液, 缓冲液为修正的通用缓冲液(pH 6.0),
培养温度为37 ℃, 标准溶液为葡萄糖溶液, 蔗糖酶
活性单位为mg glucose·g–1·h–1。蛋白酶活性采用关松
荫(1986)提出的方法测定, 反应基质为1%的酪蛋白
溶液, 缓冲液为修正的通用缓冲液(pH 6.0), 培养温
度为37 °C, 标准溶液为酪氨酸溶液, 蛋白酶活性单
位为mg NH2-N·g–1·h–1。过氧化氢酶活性采用《土壤
与环境微生物研究法》(李振高等, 2008)中的方法测
定, 反应基质为0.3%的H2O2溶液, 培养20 min, 用
0.1 mol·L–1的KMnO4滴定; 过氧化氢酶活性单位为
mL·g–1。所有酶活性的测定设无基质和无土壤对照。
1.4 计算方法与数据分析
受微生物分类和检测技术的限制, 微生物群落
多样性很难被人们直接了解, 但通过检测微生物的
功能多样性可间接地了解微生物的群落多样性, 该
方法已被证实符合生物学原理(Zak et al., 1994)。土
壤微生物功能多样性取决于众多生物群的体内代谢
反应和交互作用。虽然有研究指出用某一种单独的
酶活性可以指示土壤微生物的活性, 但用单一酶活
性来表征土壤微生物功能多样性并不现实, 同时测
定一系列酶活性十分必要(Rodriguez-Loinaz et al.,
2008)。Beck (1984)基于5种不同的酶活性建立了酶
数量指标。Bending等(2004)基于多种酶的活性使用
Shannon-Weaver多样性指数来反映土壤微生物功能
多样性。此外, 以Perucci (1992)、Sàchez-Monedero
等(2008)为代表的一些学者认为, 土壤中水解出来
的荧光素含量可以反映土壤微生物功能的强弱。
参考Bending等(2004)的研究方法, 本研究采用
Shannon-Weaver多样性模型(Shannon, 2001)综合β-
葡糖苷酶活性、酸性磷酸酶活性、碱性磷酸酶活性、
脲酶活性、蔗糖酶活性、蛋白酶活性和过氧化氢酶
活等7种酶活性指标, 得出土壤微生物功能多样性指
数(MFDI)来表示土壤微生物功能多样性; 采用荧光
素二乙酰酯酶活性(Perucci, 1992)作为土壤微生物功
能强度指数(MFII)来表示土壤微生物功能的强弱。
采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD
多重比较法, 置信度为95%。所有统计分析皆依托
于R 3.0.2软件。
2 结果和分析
2.1 7种土壤酶活性对冬季火烧的响应
β-葡糖苷酶(EC 3.2.1.21)主要来自于土壤细菌,
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参与β-D-葡糖苷类物质的特异性水解反应, 和一些
β-D-半乳糖苷类、α-L-阿拉伯糖苷类、β-D-木单苷
类和β-D-岩藻糖苷类的分解, 释放非还原性β-D-葡
萄糖(The European Bioinformatics Institute, 2004);
其活性常用来快速地监测土壤管理背景下土壤有机
碳的变化(Bandick & Dick, 1999)。由表2可知, 火烧
区域和未火烧区域土壤β-葡糖苷酶活性均表现为从
上到下依次降低的趋势(p < 0.01), 且显著响应火烧
与土层深度的交互作用(p < 0.05)。火烧对β-葡糖苷
酶活性的影响极为显著(p < 0.01), 特别是在0–5 cm
土层。火烧区域0–5 cm土层的β-葡糖苷酶活性约为
9.12 μg PNP·g–1·h–1, 是未火烧区域的1.26倍(p <
0.05)。而5–10和10–20 cm土层的β-葡糖苷酶活性对
于火处理的响应并不显著(p < 0.05)。表明火对β-葡
糖苷酶活性有一定的影响, 特别是在0–5 cm土壤表
层。
酸性磷酸酶(EC 3.1.3.2)主要来自于土壤细菌,
特异性较广, 主要参与磷酸单酯水解反应, 释放磷
酸(The European Bioinformatics Institute, 2004), 其
活性常用于监测土壤管理背景下土壤磷的供应能力
(Huang et al., 2011)。由表2可知, 虽然火烧区域和未
火烧区域土壤的酸性磷酸酶活性均表现为从上到下
依次降低的趋势(p < 0.01), 但是火烧对酸性磷酸酶
活性的影响却不显著(p > 0.05)。火烧区域酸性磷酸
酶活性最大值出现在0–5 cm土层, 约为16.58 μg
PNP·g–1·h–1, 是未火烧区域的1.25倍(p < 0.05)。然而,
5–10和10–20 cm土层的酸性磷酸酶活性对于火处理
的响应并不显著(p > 0.05)。表明火对酸性磷酸酶活
性的影响较弱, 远不及土层深度的影响。
碱性磷酸酶(EC 3.1.3.1)主要来自于土壤细菌,
特异性较广, 作用同酸性磷酸酶, 在高pH下功能凸
显(The European Bioinformatics Institute, 2004), 其
活性常与酸性磷酸酶活性一起用于反映土壤磷的矿
化能力。由表2可知, 火烧区域和未火烧区域土壤的
碱性磷酸酶活性均表现为表层0–5 cm大于5–10 cm
和10–20 cm土层(p < 0.05), 其中5–10 cm和10–20
cm土层之间无显著差异(p > 0.05)。火处理对碱性磷
酸酶活性有显著影响(p < 0.05), 火烧区域0–5 cm土
层碱性磷酸酶活性是未火烧区域的1.48倍 (p <
0.05)。此外, 火和土层深度的交互作用对碱性磷酸
酶活性的影响显著(p < 0.05), 表现为火烧区域与未
火烧区域0–5 cm土层碱性磷酸酶活性差异显著(p <
0.05), 而5–10 cm和10–20 cm土层的碱性磷酸酶活
性无显著差异(p > 0.05)。表明火对碱性磷酸酶活性
具有一定的影响, 特别是在0–5 cm土壤表层。
脲酶(EC 3.5.1.5)主要来自土壤细菌, 参与脲素
的水解, 生成氨态氮(The European Bioinformatics
Institute, 2004), 其活性常用于表征土壤氮的矿化能


表2 火烧区域与未火烧区域土壤酶活性(平均值±标准偏差)
Table 2 Activities of soil enzymes on burned and unburned sites (mean ± SD)
0–5 cm土层 0–5 cm soil layer 5–10 cm土层 5–10 cm soil layer 10–20 cm土层 10–20 cm soil layer
火烧
Burned
未火烧
Unburned
火烧
Burned
未火烧
Unburned
火烧
Burned
未火烧
Unburned
β-葡糖苷酶活性
β-glucosidase activity
9.12 ± 1.94a 7.24 ± 2.46b 4.89 ± 1.19c 3.81 ± 1.54cd 2.80 ± 1.20d 3.16 ± 1.03d
酸性磷酸酶活性
Acid phosphatase activity
16.58 ± 7.85a 13.26 ± 3.81b 10.93 ± 5.03bc 10.65 ± 4.52bc 6.78 ± 2.01d 8.12 ± 2.98cd
碱性磷酸酶活性
Alkaline phosphatase activity
11.20 ± 3.45a 7.55 ± 3.53b 6.47 ± 2.12bc 6.26 ± 3.28bc 5.20 ± 1.91c 4.95 ± 2.40c
脲酶活性
Urease activity
0.30 ± 0.15a 0.20 ± 0.09b 0.17 ± 0.04bc 0.16 ± 0.09bc 0.14 ± 0.09bc 0.11 ± 0.10c
蔗糖酶活性
Invertase activity
60.39 ± 16.07a 50.66 ± 7.53b 40.77 ± 7.48c 39.91 ± 7.08c 30.51 ± 7.76d 29.83 ± 9.21d
蛋白酶活性
Proteinase activity
1.08 ± 0.28a 0.96 ± 0.24ab 0.93 ± 0.19bc 0.81 ± 0.18c 0.63 ± 0.21d 0.56 ± 0.05d
过氧化氢酶活性
Catalase activity
1.39 ± 0.11a 1.28 ± 0.10b 1.14 ± 0.09c 1.10 ± 0.09c 1.01 ± 0.07d 0.92 ± 0.05e
微生物功能强度
Microbial functional intensity
1.26 ± 0.60a 1.21 ± 0.39a 1.49 ± 0.49a 1.22 ± 0.49a 1.31 ± 0.59a 1.36 ± 0.40a
微生物功能多样性
Microbial functional diversity
1.18 ± 0.58a 1.14 ± 0.06ab 1.14 ± 0.83ab 1.10 ± 0.07b 1.10 ± 0.07b 1.13 ± 0.11ab
同行不同字母表示差异显著(p < 0.05)。
Different letters in the same row show significant differences (p < 0.05).

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力。由表2可知, 火烧区域和未火烧区域的脲酶活性
均表现为表层0–5 cm大于5–10 cm和10–20 cm土层
(p < 0.05), 其中5–10 cm和10–20 cm土层之间无显
著差异(p > 0.05)。土层深度及其与火的交互作用对
脲酶活性影响显著(p < 0.05), 火烧区域0–5 cm土层
的脲酶活性最大, 约0.30 mg NH4+·g–1·h–1, 显著大
于未火烧区域, 而其余土层对火的响应不显著(p >
0.05)。表明火对脲酶活性的影响较弱, 仅限于0–5
cm土壤表层。
蔗糖酶又称β-果糖甙酶(EC 3.2.1.26), 主要来
自植物和土壤细菌, 参与蔗糖的水解, 生成非还原
性呋喃果糖苷, 有时也促进β-果糖基转移酶的反应
(The European Bioinformatics Institute, 2004), 其活
性常用于表征土壤有机碳的矿化能力。由表2可知,
火烧区域和未火烧区域蔗糖酶活性均表现为从上到
下依次降低的趋势(p < 0.01)。土壤中的蔗糖酶活性
对土层深度响应极显著(p < 0.01), 对火响应不显著
(p > 0.05)。火烧区域0–5 cm土层的蔗糖酶活性最大,
约60 mg glucose·g–1·h–1, 是未火烧区域0–5 cm土层
蔗糖酶活性的1.2倍, 是未火烧区域5–10 cm和10–20
cm土层蔗糖酶活性的1.4–2.0倍。表明火对蔗糖酶活
性的影响较弱, 仅限于0–5 cm土壤表层。
蛋白酶又称肽链内切酶(EC 3.4.21.92), 属肽酶
家族(peptidase family, S14), 主要来自植物和土壤
微生物, 参与蛋白水解, 生成小肽, 常用α-酪蛋白
作为测试基质(The European Bioinformatics Institute,
2004), 其活性常与脲酶活性一起用于反映土壤氮
矿化能力。由表2可知, 火烧区域和未火烧区域土壤
蛋白酶活性皆表现为从上到下依次降低的趋势(p <
0.01)。土壤中的蛋白酶活性不仅对土层深度有显著
的响应(p < 0.01), 还对火的作用表现出显著的响应
(p < 0.01), 但火与土层深度的交互作用对蛋白酶活
性无显著影响(p > 0.05)。蛋白酶活性的最大值出现
在火烧区域0–5 cm土层, 约1.08 mg NH2-N·g–1·h–1,
是未火烧区域的1.1倍, 是区域5–10和10–20 cm土层
蛋白酶活性的1.3–1.9倍。表明火对蛋白酶活性具有
一定的影响, 特别是在0–5 cm土壤表层。
过氧化氢酶(EC 1.11.1.6)主要来自于土壤微生
物有机体, 是一种假触酶, 主要分解H2O2, 生成O2
和H2O, 在一些基质(如乙醇)条件下也扮演着过氧
化物酶的作用(The European Bioinformatics Institute,
2004), 有助于消除和减轻H2O2对土壤的危害。由表
2可知, 火烧区域和未火烧区域土壤过氧化氢酶活
性均表现为从上到下依次降低的趋势(p < 0.01)。火
和土层深度均对过氧化氢酶活性有显著的影响(p
< 0.01), 但火与土层深度的交互作用对过氧化氢酶
活性无显著影响(p > 0.05)。过氧化氢酶活性的最大
值出现在火烧区域0–5 cm土层, 约1.39 mL·g–1, 是
未火烧区域的1.1倍, 是区域5–10和10–20 cm土层
过氧化氢酶活性的1.2–1.5倍。这表明火对过氧化氢
酶活性具有一定的影响 , 特别是在0–5 cm土壤
表层。
2.2 火对土壤微生物功能强度的影响
由表2可知, 土壤荧光素二乙酰酯酶活性对于
土层深度、火和两者间交互作用的响应都不显著(p
> 0.05), 其均值范围为1.21–1.49 μmol·g–1。表明火并
不能影响0–20 cm土层的微生物功能强度。
2.3 火对土壤微生物功能多样性的影响
由表2可知, 火烧区域和未火烧区域土壤微生
物功能多样性与土层深度间和火处理的关系皆不显
著(p > 0.05), 表明火并不能影响0–20 cm土层的微
生物功能多样性。
2.4 微生物功能与7种土壤酶活性之间的关系
由表3可知, 微生物功能多样性与β-葡糖苷酶
活性、碱性磷酸酶活性和微生物功能强度显著相关
(p < 0.05), 而与酸性磷酸酶活性、脲酶活性、蔗糖
酶活性和过氧化氢酶活性相关性不显著(p > 0.05),
这表明除β-葡糖苷酶活性、碱性磷酸酶活性和微生
物功能强度外, 其他单一的酶活性不适宜表征土壤
微生物的功能多样性。此外, 微生物功能强度与酸
性磷酸酶活性、碱性磷酸酶活性、蔗糖酶活性和微
生物功能多样性显著相关(p < 0.05), 而与β-葡糖苷
酶活性、脲酶活性、蛋白酶活性和过氧化氢酶活性
相关性不显著(p > 0.05), 表明微生物功能的强弱与
酸性磷酸酶活性、碱性磷酸酶活性、蔗糖酶活性和
微生物功能多样性密不可分。由此可知, 短期内碱
性磷酸酶活性在指示火后微生物功能多样性和强度
上具有较好的灵敏性和指示性。
从单一酶活性来看, 除脲酶和蛋白酶之间无显
著相关性外(p > 0.05), β-葡糖苷酶活性、酸性磷酸酶
活性、碱性磷酸酶活性、蔗糖酶活性和过氧化氢酶
活性都和除自身以外的其他6种酶之间具有显著的
相关性(p < 0.01), 表明微生物各种功能之间存在紧
密的关联性, 且在很大程度上不可分割。
王谢等: 冬季火对川西亚高山草地土壤微生物功能多样性及其强度的短期影响 473

doi: 10.3724/SP.J.1258.2014.00043
表3 7种土壤酶活性与土壤微生物功能多样性及强度之间的相关性
Table 3 Correlations among the specific soil enzyme activities and the diversity and intensity of soil microbial function
数值为Pearson相关系数。**, p < 0.01; *, p < 0.05; ns, p > 0.05。
Data are Pearson’s correlation coefficient. **, p < 0.01; *, p < 0.05; ns, p > 0.05.


3 讨论
3.1 火烧对7种土壤酶活性的影响
本研究发现, 就单一酶活性而言, 发生在冬季
川西亚高山的草地火灾显著提高了土壤中的β-葡
糖苷酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和蛋白酶的潜在
活性, 而对酸性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶无显著影响;
整体而言, 该火行为并未对土壤微生物功能多样
性和强度造成显著影响。火烧区域0–5 cm土层内除
酸性磷酸酶和蛋白酶活性与未火烧区域差异不显
著(p > 0.05)外, β-葡糖苷酶、转化酶、脲酶、碱性
磷酸酶和过氧化氢酶等5种酶的活性分别显著高出
未火烧区域25.96%、19.20%、106.95%、48.33%和
8.69% (p < 0.05)。而在5–10 cm土层, 火烧区域β-
葡糖苷酶和蛋白酶活性分别高出未火烧区域
28.32%和12.76% (p < 0.05), 而脲酶活性仅为未火
烧区域的54.53% (p < 0.05), 其他5种酶活性较未火
烧区域也无显著差异(p > 0.05)。对于10–20 cm土
层, 火烧区域除过氧化氢酶活性高出未火烧区域
10.28% (p < 0.05)外, 其余7种酶活性相对于未火烧
区域都无明显差异(p > 0.05)。这些结论与Boerner
和Brinkman (2003)在落叶林的研究结果相反 ,
Boerner和Brinkman (2003)发现β-葡糖苷酶和酸性
磷酸酯酶的活性分别减少5%–50%和15%–50%。然
而, Zhang等(2005)在研究青藏高原东部云杉林火
烧后土壤酶的变化时发现, 火后蔗糖酶和蛋白酶
没有发生改变, 酸性磷酸酶活性、过氧化氢酶活性
增加。Saa等(1993)在研究森林生态系统时发现, 火
后磷酸酶活性会急剧地减弱, 有机磷矿化加强。这
些结果的差异性进一步说明了不同区域不同生态
系统的植被火行为对其土壤酶活性的影响存在较
大差异。
不仅如此, 不同强度、季节、火后恢复的时间
及地被物数量等差异也会造成火对土壤酶活性影响
程度的差异性。如Gutknecht等(2010)研究加州草原
2003年火灾后土壤酶活性时发现, 2004–2005年, 除
了β-葡糖苷酶和酸性磷酸酶活性之外, α-葡糖苷酶、
纤维素酶、β-木糖酶和β-氨基葡糖苷酶活性分别减
少了43%、55%、17%和55%; 2005–2006年, 纤维素
酶、β-葡糖苷酶和β-氨基葡糖苷酶活性降低了
46%–66%, α-葡糖苷酶、酸性磷酸酶和β-木糖酶活性
减少了约80%。Boerner等(2000)在研究俄亥俄州阔
叶林单季节火烧时发现, 磷酸酶活性在火烧时降低,
并随着长期土壤水分含量的增加而减少, 而β-葡糖
苷酶活性变化很小。此外, Boerner等(2008)研究发
现, 计划用火对于磷酸酶和几丁质酶没有显著影响,
但火烧减少了多酚氧化酶活性。虽然不同研究得出
的火对土壤酶活性影响的结果不尽相同, 但这暗示
了火对土壤作用所涉及的范围较广, 控制好火可以
达到各种不同的生态效应。
β-葡糖苷酶
活性
β-glucosidase
activity
酸性磷
酸酶活性
Acid
phosphatase
activity
碱性磷酸酶
活性
Alkaline
phosphatase
activities
脲酶活性
Urease
activity
蔗糖酶活性
Invertase
activity
蛋白酶
活性
Proteinase
activity
过氧化氢
酶活性
Catalase
activity
微生物
功能强度
Microbial
functional
intensity
酸性磷酸酶活性
Acid phosphatase activity
0.536**
碱性磷酸酶活性
Alkaline phosphatase activities
0.579** 0.280**
脲酶活性
Urease activity
0.296** 0.361** 0.235*
蔗糖酶活性
Invertase activity
0.765** 0.815** 0.528** 0.415**
蛋白酶活性
Proteinase activity
0.533** 0.465** 0.619** 0.146ns 0.621**
过氧化氢酶活性
Catalase activity
0.682** 0.684** 0.543** 0.238* 0.766** 0.643**
微生物功能强度
Microbial functional intensity
0.055ns –0.434** 0.495** 0.017ns –0.259** 0.169ns –0.148ns
微生物功能多样性
Microbial functional diversity
0.236* –0.009ns 0.499** 0.104ns –0.149 ns 0.227* 0.158ns 0.592**
474 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2014, 38 (5): 468–476

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3.2 磷酸酶活性可用于指示微生物功能对火的响应
磷酸酶是参与磷酸酯、磷酸酐水解的一大类酶,
大多数的磷酸酶都是胞外酶, 它们在扰动后的土壤
生态系统中扮演着重要的角色 (Pourreza et al.,
2014)。研究发现酸性磷酸酶与微生物生物量碳、真
菌菌丝长度和氮的矿化密切相关, 因此常用酸性磷
酸酶指示整个微生物群落的活性(Giai & Boerner,
2007)。本研究发现, 酸性磷酸酶活性同微生物功能
多样性和微生物功能强度一样, 都未受到冬季火行
为的显著影响, 并且酸性磷酸酶活性与其他6种酶
活性存在密切的关系, 表明了酸性磷酸酶在微生物
功能多样性中具有重要的地位。但酸性磷酸酶与微
生物功能多样性无显著相关性, 与微生物功能强度
呈显著负相关关系, 因此, 在本研究区内不适宜采
用酸性磷酸酶来指示整个微生物群落对火的响应情
况。相反, 碱性磷酸酶活性对火的响应显著, 且碱性
磷酸酶与7种酶活性、微生物功能多样性和强度都具
有显著的正相关关系 , 考虑到土壤略偏碱性(pH
6–8), 我们认为碱性磷酸酶用于指示区域微生物活
性对于火干扰的响应具有重要意义。结合酸性磷酸
酶活性、碱性磷酸酶与微生物功能多样性和强度之
间的相关性可以发现, 碱性磷酸酶活性越强, 土壤
微生物功能多样性越大, 土壤微生物功能也就更
强。
此外, Pourreza等(2014)在研究伊朗橡树林时指
出, 磷酸酶活性是区分火烧强度的最好指标, 低强
度的火烧不会改变土壤微生物特征, 酸性和碱性磷
酸酶的活性也只会在高强度的火情下减少。结合本
研究结果——酸性磷酸酶无变化和碱性磷酸酶略微
增加, 可以判定本区域的火情属于低强度。对比不
同类型区火烧和未火烧的土壤酸碱度可以发现, 火
烧区表层土壤更偏碱性。而土壤表层恰是碱性磷酸
酶显著增加的部分, 表明0–5 cm土层中的有机酸正
在或已经发生了变性, 这暗示了火中地表温度已经
超过450–500 ℃ (Certini, 2005)或200–400 ℃ (室
内加热模拟) (Bárcenas-Moreno & Bååth, 2009)。此
外, 碱性磷酸酶活性的增加表明了表层土壤增加了
部分可用的有效磷, 这部分磷可能来源于火烧过程
中植物残体的增加, 也有可能来自表层土壤磷的矿
化。众所周知, 土壤中的磷是不可燃的, 但研究发现
火可以将有效磷从表层土壤的有机质中释放出来,
然而磷的挥发只会在温度超过700 ℃的情况下发生
(Pourreza et al., 2014)。因此, 通过碱性磷酸酶活性
的变化可联想到火灾发生时的地表温度。虽然在本
研究中火烧已经达到了改变土壤微生物和土壤理化
性质的瞬时高温, 但由于研究区可燃物有限、过火
时间较短、气温较低, 使得整个生态系统的土壤微
生物功能多样性和强度未受到显著影响; 仅从数值
看, 只是略有提升。因此, 在客观上, 本研究认为该
火行为对土壤地下生物生态环境起到了积极的影响
作用。
3.3 火对土壤微生物生物多样性的影响
微生物生物多样性对生态系统过程的影响是
人们所关心的重要问题(Schimel, 1995)。大多数学者
已达成共识: 微生物参与了许多重要的生态系统功
能和过程, 这些功能和过程存在大量的交互作用,
关系非常复杂。因此, 对微生物功能多样性的研究
显得十分重要, 但该研究进展相对缓慢, 如何在不
同尺度上采用同一指标量化土壤微生物群落响应火
的情况成为一个难以突破的瓶颈。当研究尺度或研
究范围足够小时, 微生物群落结构可主导整个生态
学过程; 一旦将尺度不断地延伸和扩大, 如上升至
生态系统, 甚至是多个单独群落的集合时, 微生物
群落结构的主导效应将会减弱(Schimel, 1995)。
Griffiths等(2000)研究表明微生物生物多样性与功
能之间并不存在直接联系, 当微生物生物多样性降
低时, 如胸腺嘧啶核苷掺入、养分释放量、植物残
体分解率等一些广泛的功能性指标却在增加, 而如
硝化、脱氮和甲烷氧化等其他一些特定的指标则随
着微生物生物量的降低而降低。因此, 在较大尺度
上研究土壤生态系统对干扰行为的响应时, 选用一
些更为广泛的功能性指标更具有说服力。
以火干扰为例, 火对土壤微生物最直接的作用
是溶解其细胞、改变其繁殖状况, 这主要源于火的
加热作用(Hart et al., 2005)。加热过程中, 土壤中微
生物生物量的大小、活性和组成发生了改变, 且主
要集中在土壤表层, 这归因于表层土壤的微生物丰
度最大(Neary et al., 1999; Hart et al., 2005)。就研究
结果而言, 火烧显著地提高了土壤中的β-葡糖苷
酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和蛋白酶的潜在活性,
对酸性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶等其他酶活性也无负
面影响, 那么是否可以认为该火行为对土壤微生物
功能多样性有促进作用？其实, 本研究中土壤微生
物功能多样性并未发生改变, 土壤微生物群落结构
王谢等: 冬季火对川西亚高山草地土壤微生物功能多样性及其强度的短期影响 475

doi: 10.3724/SP.J.1258.2014.00043
也尚未知晓。而土壤微生物功能本身就存在冗余,
对外界具有较强的抵抗力, 加之火后土壤微生物群
落可快速地恢复, 对单次没有影响到土壤微生物功
能的冬季火而言, 研究土壤微生物群落的意义相对
减弱。如Hamman等(2007)发现, 虽然火烧对不同的
微生物功能群的影响存在差异, 火并不影响微生物
生物量以及细菌的丰富度, 但无论是高强度还是低
强度的火都显著降低了真菌的生物指标。而Hart等
(2005)发现火后细菌功能多样性的变化幅度有所减
小, 而真菌功能多样性的变化幅度有所增加。不同
的结论反映出人们对生态系统水平上微生物群落结
构和多样性的作用知之甚少(Schimel, 1995)。因此,
从功能稳定性的角度出发, 才能更好地揭示干扰行
为对微生物生物多样性的影响机制。
3.4 土壤微生物功能与草地可持续经营管理
微生物群落结构是土壤质量的重要组成部分,
多样性较高和功能的冗余是保证生态系统可持续发
展的关键(Guénon & Gros, 2013)。微生物功能的稳
定性不仅影响着养分循环, 还控制着土壤有机质的
转换和碳的封存, 甚至是植物的生产力; 因此, 火
干扰对微生物功能稳定性影响的研究非常重要
(Guénon & Gros, 2013)。理论上, 低强度的草地火行
为改变了草地的物理化学性质, 进而改变了微生物
的群落结构, 特别是在15 cm以上微生物富集的表
层土壤(Raison, 1979; Docherty et al., 2012)。短期内,
火导致微生物死亡, 并且将地上部分和凋落物化为
灰烬, 使土壤失去地表的保护; 在太阳辐射的作用
下, 土壤温度升高, 加剧了干旱效应, 长远地影响
了地表植被的生产力(Docherty et al., 2012)。为更好
地维持草地生态系统的生产力, 保证草地土壤微生
物功能多样性, 防止土壤质量降低, 火的防控和合
理利用具有非常重要的意义。现有结果表明, 冬季低
强度单次火烧对土壤微生物功能的多样性及其强度
具有积极的作用。在今后的研究中, 应更加深入地探
究草地生态系统不同用火方式的响应机制, 总结出
一套适用于草地生态系统功能恢复的用火技术。
基金项目 “十二五”农村领域国家科技计划子课题
(2011BAD38B0204)和 “十二五 ”科技支撑项目
(2011BAC09B05)。
致谢 感谢四川农业大学林学院操国兴教授的支持
和帮助, 感谢四川农业大学林学院邹四轩、李谨宵、
牛涛和钟军同学在室内分析工作中给予的帮助。
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特邀编委: 冯晓娟 责任编辑: 王 葳