酶指示剂揭示了温带森林中枯木-土壤系统对干旱的敏感性

摘要

干旱会通过限制微生物活动和胞外酶的产生，破坏森林生态系统中的生物地球化学过程。我们研究了模拟水分不足对枯木-土壤系统中参与碳（C）、氮（N）和磷（P）吸收的五种酶活性的影响：β-葡萄糖苷酶（BG）、β-D-纤维二糖苷酶（CB）、β-木糖苷酶（XYL）、N-乙酰-β-D-葡萄糖胺酶（NAG）和磷酸酶（PH）。六种温带树种（阔叶树和针叶树）的枯木在2023至2024年间分别处于干旱条件和对照条件下，研究人员定期测量了枯木及其下方土壤中的酶活性。干旱条件下，枯木中所有分析酶的活性均显著下降，降幅通常超过50%，这表明在木材分解过程中微生物活动受到严重的水分限制。枯木下方土壤中的酶活性也有所下降，但土壤中观察到的绝对变化较小，这可能与其初始活性水平较低而非对干旱的抵抗力增强有关。不同酶和树种之间的活性下降程度存在差异，其中β-葡萄糖苷酶和β-木糖苷酶在土壤中的活性变化约为30-40%，某些树种（如山毛榉和云杉）对干旱的响应较弱。这两种底物中的酶活性均呈现一致的季节性变化趋势，夏季活性最高，冬季最低。第二年对照组与干旱组之间的差异进一步凸显了长期水分限制的累积效应。研究结果表明，胞外酶活性对水分供应极为敏感，枯木和其下方土壤对干旱的响应方式不同。这为理解干旱如何改变森林生态系统中枯木-土壤界面的微生物活动和分解过程提供了机制上的见解。广义线性模型、相关性分析和主成分分析（PCA）一致表明水分是影响酶活性的主要因素，而温度与酶活性之间没有显著关联。干旱条件下酶活性降低表明微生物分解过程和养分吸收受到限制，尤其是与碳、氮和磷相关的代谢途径，可能导致枯木-土壤界面有机物的转化速度减缓。