精河沙區土壤酶分布特征及其對土壤理化性狀的響應

姚健等

摘要：分析了新疆精河沙區土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶的活性及土壤有機質等理化性狀。結果表明，蔗糖酶活性變化范圍在25～535 mL/μg，脲酶活性在0～150.29 mg/100 g，過氧化氫酶活性在18～20 mL/g。酶活性隨時空動態變化的原因是人為活動、土壤環境、水文條件等因素綜合作用的結果。酶活性的垂直分布受土壤通透性、酶屬性等因素的影響，導致出現酶活性隨土層深度增加而減弱的趨勢，少部分樣地在人為活動影響下則出現隨土層深度增加而增強的趨勢。依據通徑分析原理，與過氧化氫酶活性相關性由大到小的順序為pH、容重、溫度、有機質；與蔗糖酶活性相關性由大到小的順序為溫度、容重、pH、有機質；與脲酶活性相關性由大到小的順序為pH、有機質、容重、溫度。有機質、溫度及容重主要通過pH間接對過氧化氫酶及脲酶活性產生輕微影響，有機質、溫度、pH則通過容重來間接影響蔗糖酶活性。

關鍵詞：土壤酶活性；土壤有機質；理化性狀；分布特征；通徑分析

中圖分類號：S154.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）18-4435-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.18.013

土壤酶是土壤組分中最活躍的有機成分之一，是土壤生物過程的主要調節者[1]，其參與了土壤環境中的一切生物化學過程，與有機物質分解、營養物質循環、能量轉移、環境質量等密切相關[2，3]。土壤生態系統中生物化學過程和物質循環均是在土壤酶的催化作用下進行的[4]。土壤酶的分解作用參與并控制著土壤中的生物化學過程在內的自然界物質循環過程，酶活性的高低直接影響物質轉化循環的速率，因而土壤酶活性對生態系統功能有很大的影響。在幾乎所有生態系統的監測和研究中，土壤酶活性的檢測似乎成了必不可少的測定指標[5]。土壤酶活性的強弱也是土壤肥力的重要標志，故針對土壤酶活性的研究對于改善區域土壤肥力及土壤改良意義重大。土壤有機質是指土壤中含碳的有機化合物，是供給作物生長的營養元素，可直接為作物提供生長所需養分，也可以改善土壤的物理性狀，是評價土壤自然肥力的一個重要因素，也是研究土壤可持續利用中一個重要指標[6]。

土壤有機質是土壤酶的直接載體，兩者之間存在非常密切的聯系，許多學者通過測量土壤酶活性強度來判斷土壤肥力的高低[7]，但兩者之間的相關性則取決于土壤酶的種類與屬性。劉建新[8]研究表明，土壤脲酶與土壤養分之間的相關性最好，它與土壤有機質、全氮、全磷、全鉀及速效氮、磷之間都存在顯著相關，磷酸酶和過氧化氫酶與有機質、全氮、全磷、全鉀及速效氮都存在著顯著相關，但轉化酶和纖維素酶活性與土壤各養分之間沒有良好的相關性。土壤酶活性的高低，與土壤自身生態理化性狀之間（土壤溫度、水分、pH等）均有著密切聯系，故針對土壤酶活性的時空分布及其與理化性狀之間的關系研究成為許多學者研究的熱點。Luo等[9]研究表明隨著土壤深度的改變，土壤酶活性差異較大。楊萬勤等[10]對北碚縉云山森林生態系統中4種群落的過氧化氫酶、轉化酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性的分布特征和季節動態進行了研究，結果表明土壤酶活性隨土層加深酶活性降低；土壤酶活性的季節變化規律很明顯，但不同的酶類，其變化規律不同，但均是冬季酶活性最低，并且，土壤酶活性的季節動態還與土溫的季節變化及酶本身的性質有關。Hakulinen等[11]對位于芬蘭北部郊區的3個湖泊水系沉積物的水解酶活性垂直分布情況進行了研究。結果表明，磷酸酶等10種水解酶活性隨湖泊沉積物深度增加而降低，并與沉積物表層相比，位于深層的水解酶也具有較高活性，說明在缺氧條件下，水解酶依然具有活性。Tiwari等[12]研究表明脲酶和脫氫酶與土壤水分呈正相關關系。有研究[13，14]表明，土壤溫度對土壤酶活性有較強的影響：當溫度由10 ℃上升到60 ℃時，土壤酶活性顯著增加；但當溫度進一步升高，脲酶迅速鈍化；在150 ℃下加熱24 h，土壤酶會完全失活。在不同溫度培養條件下，有機質含量最低的土壤，其酶活性也最低，溫度對氧化還原酶活性有顯著影響[15]。土壤pH主要通過影響土壤微生物種類而影響微生物釋放酶的種類及速度，并能夠控制酶促反應的速率。有關研究顯示，H+可以改變酶促反應基點和酶的穩定性[16]，有些酶促反應甚至只能在很小范圍的pH內進行，并且由不同微生物分泌出的催化同一反應的酶的最適pH不同[17]。一般情況下，土壤濕度較大時，酶活性較高，但土壤過濕時，酶活性減弱[18]。

土地利用造成土地覆蓋變化，而土地覆蓋變化對陸地生態系統以及生物地球化學循環產生直接影響，并通過改變土壤特性，導致土壤退化，對土壤養分遷移變化以及水文循環有著十分顯著的影響[19]。因此，研究干旱區土壤酶與土壤有機質對區域自然理化性狀的響應和加深土壤有機質、酶活性等在生態系統物質循環過程中的作用等，有著十分重要的意義。在利用線性回歸分析土壤酶活性與有機質及土壤溫度、水分、pH的相關性的基礎上，利用通徑分析算法來分析土壤酶活性與土壤有機質及理化性狀之間的通徑系數等，旨在對沙區土地可持續利用，減緩區域土壤生態系統退化以及區域生態環境維護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

精河縣隸屬新疆維吾爾自治區博爾塔拉蒙古自治州，位于新疆維吾爾自治區西北部，天山支脈婆羅科努山北麓，準噶爾盆地西南邊緣。南部為天山山區，面積4 642 km2，為總面積的41%。中部為博爾塔拉河沖積平原，面積約為6 111 km2，占總面積的54%，地勢由南向北傾斜，地形平坦開闊，多為戈壁荒漠，其次是耕地，平均海拔230～440 m；北部為沖積-洪積平原，大部分地下水位偏高，多為鹽堿沼澤地帶，艾比湖在縣區最北[20]。全縣國土面積11 289 km2，耕地面積412.6 km2，境內自然荒漠以及海拔800 m以上的山地占全縣66%以上的面積。精河縣氣候屬典型的北溫帶干旱荒漠型大陸性氣候。主要特點是光照充足，干燥少雨，蒸發量大。1月份平均氣溫-15 ℃，7月份平均氣溫26 ℃，極端最低氣溫為-34 ℃，極端最高氣溫為42 ℃；年平均降水量102 mm。

1.2 樣品采集

土樣采自新疆博爾塔拉自治州精河縣，依據宏觀自然地理特征及區域景觀格局現狀，利用便攜式GPS進行定位，合理選取具有代表性土壤樣地（共10個土壤剖面調查取樣，如圖1所示）。其中10個樣地分別代表不同土地覆被及不同土地利用類型：1號樣地為荒漠沙土地；2號樣地為農田荒漠交錯帶；3號樣地為人工小型農田防護林；4號樣地為農田枸杞樣地；5號樣地為農田棉花地；6號樣地為綠洲自然灌叢；7號樣地為高速公路邊綠洲內部低蓋度土壤樣地；8號樣地為沙區北部鹽堿草地；9號樣地為高速公路旁人工防護林；10號樣地為人工片林。在采集土樣的過程中，分別按照0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm不同剖面深度利用環刀采集土壤樣本，去除植物根系、碎屑等，樣品裝入塑料密封袋，帶回室內5 ℃保存，以便進行各項測試[21]。取樣過程中利用便攜式Hydra土壤水分/溫度/電導率測量儀測量不同深度剖面各項理化數據。

1.3 試驗方法

將采集的新鮮土壤樣品磨碎，自然風干并裝袋。做3次平行測定，具體測定方法如下。土壤容重采用環刀法；土壤蔗糖酶活性采用硫代硫酸鈉滴定法測定；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定；土壤脲酶活性采用可見光分光光度計法測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化法[22]測定。利用EXCEL 2007對試驗數據進行處理。

2 結果與分析

利用上述試驗方法，對10個土壤樣地，50個土壤樣本進行試驗，供試土壤養分狀況如表1所示。

2.1 土壤酶活性的時空動態變化分析

土壤酶活性對于土壤中有機物質轉化、釋放植物能利用的碳、氮、磷等養分有直接的作用[23]。其中，過氧化氫酶能夠酶促土壤中對植物或生物有負效應的過氧化氫物質的分解，脲酶能夠將尿素水解成胺，可供植被吸收利用，蔗糖酶參與的反應是土壤碳循環的主要環節，其主要作用是催化蔗糖水解成葡萄糖和果糖，為植物生長提供所需能量。這3種酶在土壤碳、氮元素循環代謝過程中有重要的作用，部分學者認為土壤酶活性是土壤中生物化學過程的總體現，可以綜合反映出土壤性質和肥力水平[21]。

由表2可以得出，蔗糖酶的變化范圍為25～535 mL/μg NaS2O4，其活性強弱隨時空動態變化具有很強的差異性，其最高值出現在4號樣地，其次是5、3、6、7、8、9、10、2、1號樣地。過氧化氫酶活性變化范圍不大，大多數處于18～20 mL/g KMnO4，其中最高值出現在10號樣地，最低值出現在2號樣地，其余各樣地過氧化氫酶活性變化不是十分明顯。脲酶活性由表2可以看出，變化范圍主要集中在0～150.29 NH3-N（mg/100 g），最高值出現在5號樣地，最低值在3號樣地，脲酶活性幾乎趨近于0，其次2號樣地與1號樣地脲酶活性較低。相對而言，4號、5號等樣地土壤酶活性較強，而1號，2號等樣地土壤酶活性較弱。由于每個采樣點具有不同的土壤類型與環境，包括氣候及水文條件等，是導致酶活性具有較強時空動態變化的原因。從表2中可以看出，酶活性強度較高的樣地，主要是農田、人工林地等被利用地，而酶活性強度較低的樣地主要集中在荒漠、鹽堿地等未被利用地。土壤酶活性的時空動態變化是土壤環境、氣候、水分、人為活動等因素的綜合作用的結果。

2.2 土壤酶活性的垂直分布特性分析

從表2中我們可以得出，隨著土層深度的增加，蔗糖酶與脲酶活性基本處于逐漸降低的趨勢。這是由于隨著土層深度的增加，土壤通氣性逐漸降低，分泌土壤酶的微生物含量減少，且酶活性分子的存活需要空氣，導致酶活性隨土層深度增加而減少。只有較少樣地出現酶活性隨土層深度的增加而增加的現象，這可能與樣地本身的土壤利用方式有關，如5號樣地的蔗糖酶活性與脲酶活性隨土層深度增加而增加，而5號樣地是農田棉花地，人為耕作過程增大了土壤的通透性及水熱狀況，從而對土壤酶活性的垂直分布產生了影響。過氧化氫酶活性隨土層深度的增加變化趨勢并不太大，這可能與研究區土壤基本狀況和過氧化氫酶基本屬性相關，各樣地土層中過氧化氫含量較少，則消耗掉的酶較少，且過氧化氫酶是一種氧化還原酶，隨著土層深度增加，氧化還原反應的難度增大，故過氧化氫酶活性的變化范圍不大，它不同于脲酶與蔗糖酶，二者均屬于水解類酶，是水解土層中的蔗糖，尿素等物質的，水解反應的要求較低，并不需要很苛刻的反應條件，故蔗糖酶與脲酶變化范圍較大，但三者基本上遵循隨土層深度增加而減少這一規律。從表2可以得出，大部分酶活性的最大值一般集中在前3個土層中，這是因為這3個土層相對較淺，對水分、陽光等能源的吸收與傳遞較強等原因所決定的。

2.3 土壤酶活性對土壤理化性狀的響應

從土壤發生學角度，土壤酶與土壤有機質等理化性狀之間的相關性主要取決于土壤自身類型，沙區典型干旱氣候及特殊植被分布是構成沙區土壤類型的重要因素；自然因素及人為因素發展和變化制約著沙區土壤的形成和演化，兩種因素也是導致土壤各理化性狀間相互依存和作用的原因。土壤酶活性的強弱，是土壤酶對土壤理化性狀、土壤類型、植被、氣候等環境因素的綜合響應[23]。通過對10個樣地3種土壤酶活性與土壤有機質、pH、土壤容重及溫度的測定，利用通徑系數分析計算土壤酶活性對土壤各理化性狀的動態響應。將土壤有機質、pH、土壤容重及溫度看作原因因素（Xi），土壤酶活性看作結果因素（Y），如表3所示，首先對各原因因素（Xi）進行相關性分析，建立各變量間相關系數矩陣。有機質、溫度、容重及pH在對土壤酶活性的變化影響中是相互影響的復雜關系，彼此之間不是獨立的，各要素間具有一定的相關性；其次，將土壤過氧化氫酶活性看作為Y1，蔗糖酶活性為Y2，脲酶活性為Y3，利用通徑分析原理，計算各原因因素（Xi）對3種酶活性的直接通徑系數，如表4所示。然后結合表3數據，計算各原因因素對3種酶活性的間接作用，結果如表5～表7所示。

由表3數據可以得出過氧化氫酶活性與pH的相關性較高，其次是容重和溫度，土壤有機質對過氧化氫酶活性的影響相對較低；蔗糖酶活性與溫度和容重的相關性較強，其次是pH與有機質；脲酶活性與pH的相關性最高，土壤有機質含量與脲酶活性之間的相關性也較為顯著。這也與前人的研究相一致[24-26]。4種土壤理化性狀在對3種土壤酶活性的影響中，彼此之間并不孤立，而是存在相互制約與促進的復雜關系。其中pH與容重、容重與有機質具有較為顯著的相關性。

根據通徑分析原理，pH及溫度在對各土層中過氧化氫酶活性的變化直接影響較大，容重和土壤有機質含量的直接通徑系數較小；蔗糖酶活性主要依靠土壤容重與溫度的直接影響，pH與有機質含量影響較小；針對脲酶活性，pH及有機質含量對其活性的直接影響較大，而溫度與容重直接影響較小。由表5-表7的數據可知，土壤有機質、溫度及容重主要通過pH間接對過氧化氫酶及脲酶活性產生影響，但作用程度并不是很強烈；而有機質、溫度、pH則是通過容重間接影響蔗糖酶活性。

3 結論

1）從總體上看，蔗糖酶與脲酶隨時空動態變化的差異性較大，蔗糖酶活性變化范圍在25～535 mL/μg NaS2O4；脲酶變化范圍在0～150.29 mg/100 g NH3-N。導致酶活性分布差異性較大的原因主要是因為不同采樣點具有不同的土壤理化性狀、土壤類型、植被覆蓋、土壤含水率，鹽漬化程度等自然環境因素，也包括人為耕作、利用土地對該區域土壤酶活性產生的影響。利用耕作及種植林地等手段改變干旱區土壤生態環境，在一定程度上對區域土壤酶活性分布起到一定的積極作用。過氧化氫酶隨時空動態變化范圍不大，大多數均處于18～20 mL/g KMnO4，這可能與酶自身屬性和區域土壤中過氧化氫含量較少有關，過氧化氫酶屬于氧化還原酶，蔗糖酶與脲酶均為水解酶，其反應條件相對與水解酶而言較為苛刻，故消耗的過氧化氫酶較少，變化范圍不大。研究區土壤3種酶自身屬性不同，不同酶屬性有著不同的反應條件與機理，從而導致3種酶活性變化范圍存在差異，但3者基本上均遵循隨土層深度增加而減少這一規律，這也與前人的研究結果相一致[7，8-11]，且大部分酶活性的最大值一般集中在前3個土層中，這是因為這3個土層相對較淺，對水分、陽光等能源的吸收與傳遞較強，土壤通透性較強等原因所決定的。

2）在4種土壤理化性狀對3種土壤酶活性的影響中，彼此之間并不孤立，其中pH與容重、容重與有機質具有較為顯著的相關性。過氧化氫酶活性與pH的相關性較高，其次是容重、溫度和土壤有機質；蔗糖酶活性與溫度和容重的相關性較強，其次是pH與有機質；脲酶活性與pH的相關性最高，土壤有機質含量與脲酶活性之間的相關性也較為顯著。根據通徑分析原理可知，土壤有機質、溫度及容重主要通過pH間接對過氧化氫酶及脲酶活性產生影響，但作用程度并不是很強烈；而有機質、溫度、pH則通過容重間接影響蔗糖酶的活性。

3）通過研究精河沙區土壤酶活性時空動態以及垂直分布特征及其對各理化性狀包括土壤有機質的響應，旨在對沙區土地資源合理與可持續利用，維護區域生態環境現狀，水土資源高度耦合模式提供依據。結果表明，精河沙區土壤酶活性與土壤有機質含量總體偏低，作者通過實地調查取證發現沙區土壤利用程度相對較低，一般都選擇生態環境較好的區域進行耕作、種植等，針對較為干燥和鹽漬化程度較深，水土資源較為匱乏的土地，開發和利用程度較低，長久如此則可能導致精河沙區土壤生態格局出現不平衡發展趨勢。建議在土壤環境較弱，資源相對缺失的地區推廣種植耐旱耐鹽堿的作物，如羅布麻等作物，不僅能為沙區帶來經濟收益，還能改善區域生態環境，提高土壤理化性狀水平，實現沙區水土資源高度耦合的發展模式。

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