不同類型高寒草地土壤酶活性測定與分析

史惠蘭+劉夢萍+龐文豪

摘要：以青海省黃南藏族自治州河南蒙古族自治縣地區高寒草地為研究對象，測定不同類型草地土壤過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性，分析其分布特征及相互之間的關系。結果表明，各類草地土壤酶活性均沿土壤垂直剖面依次降低，差異顯著（P<0.05），且在冬季牧場和夏季牧場不同草地類型間也均表現為差異顯著（P<0.05）；相關性分析結果表明，土壤酶之間存在相互促進關系，也存在抑制作用。

關鍵詞：高寒草地；土壤酶活性；過氧化氫酶；蔗糖酶；脲酶

中圖分類號：S154.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）15-2835-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.15.010

Abstract： Taking Alpine Grasslands of Henan Mongol Autonomous County， Huangnan Tibetan Autonomous Prefecture， Qinghai Province as objects，soil catalase，sucrose and urease activity were measured，and their distribution characteristics and relationship were analyzed. The results showed that soil enzyme activities were decreased with the increase of soil depth，and the difference was significant（P<0.05）； And soil catalase，sucrose and urease activity among different grassland in winter pasture grassland and summer pasture grassland were significant differences（P<0.05）. The correlation indicated that the relationship of promotion and inhibitory both exist among those soil enzymes.

Key words： Alpine grassland； soil enzyme activity； catalase； sucrose； urease

土壤酶主要來源于動植物的分泌，是土壤中活躍的有機成分之一，在土壤養分循環以及植物生長所需養分的供給過程中起到重要的作用[1]。土壤酶活性強弱表征了土壤中物質代謝的旺盛程度，與微生物一起推動著土壤生物化學過程，并對土壤肥力的演化具有重要影響[2-4]。20世紀80年代中期以后，陸地生態系統中土壤酶活性的檢測成了必不可少的測定指標[5]。國內土壤酶學工作者就酶在植物殘體轉化、分解和防止土壤污染中的作用，以及土壤酶活性作為評價土壤肥力水平指標的可能性等方面進行了研究[6]。近年，土壤酶對農藥污染的修復作用[7]、脲酶抑制劑添加條件下土壤脲酶的抑制作用動力學研究[8-10]、大氣CO2升高對土壤酶活性的影響[11-13]等方面的研究取得了重要成果。土壤酶活性對環境擾動的響應、根際土壤酶功能、土壤酶研究技術以及土壤酶作為土壤質量的指標等成為未來發展的主攻方向[14-16]。

脲酶存在于大多數細菌、真菌和高等植物里。土壤的脲酶活性與土壤的微生物數量、有機物質含量，全氮和速效氮含量呈正相關[17]。過氧化氫酶在一定程度上反映了土壤微生物學過程的強度[18]。蔗糖酶是研究最多的一種土壤酶，其活性與環境土壤中的腐殖質、水溶性有機質和黏粒含量有關[19]。

本試驗以來自高原地區不同天然草地土壤垂直剖面土層樣品為研究對象，通過測定8種高寒草地在0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm垂直土層的過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性，比較不同草地類型土壤酶的分布特征，旨在探討土壤酶活性的變化特征以及它們之間的關系，為揭示高原草地土壤質量，深入研究青藏高原草甸不同生態系統結構和功能提供科學的基礎數據，同時為該地區的可持續發展提供理論依據。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

青藏高原因海拔高和氣候寒冷被認為是氣候變化的敏感區和脆弱區[20]。高寒草甸類草地是青藏高原優勢的草地類型[21]。高寒草甸在不同地形部位形成了差異較大的灌叢草甸、嵩草草甸、沼澤化草甸等植被類型[22]。

河南蒙古族自治縣位于青藏高原東部，青海省的東南部，地處北緯34°05′-34°56′，東經100°53′06″-102°16′12″[23]。土地總面積69.97萬hm2，現有草地面積65.65萬hm2，占土地總面積的92.59%，可利用草地面積60.91萬hm2，占草地面積的92.79%[24]。境內最高海拔4 539 m，最低海拔3 168 m，屬高原亞寒帶濕潤氣候區，高原大陸性氣候特點明顯。年均氣溫在9.2～14.6 ℃，年降水量597.1～615.5 mm，年平均蒸發量為1 349.7 mm，年平均風速2.6 m/s，日照率為57.58%～58.15%，略低于省內西部地區[25]。縣內土壤分布有高山寒漠土、高山草甸土、山地草甸土、灰褐土、黑鈣土、沼澤土6種土壤類型；土壤有機質含量豐富，潛在肥力高，但因高寒缺氧，土壤微生物不易生長，營養物質流轉率低，周轉時間長，供肥效能差[26]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇與樣品采集 在研究區選擇在3種放牧管理方式下的8種草地類型，見表1。

1.2.2 土壤樣品采集與預處理 采樣于2014年8月進行，選擇地勢平坦，植被及土壤基本一致的地區作為取樣點，定點取土，3次重復，取樣深度30 cm，每隔10 cm為1層，0～10 cm取樣時去除土壤表層凋落物，所取樣品剔除植物根系和石塊。將采集回來的土壤樣品在烘箱中進行人工烘干，將烘干后的土壤樣品過0.25 mm篩，編號存放，用于土壤酶活性的測定。endprint

采用高錳酸鉀滴定法測定土壤的過氧化氫酶活性，其活性以1 h后每克風干土壤消耗0.02 mol/L高錳酸鉀的毫升數表示[mL/（g·h）]；采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶活性，其活性以培養24 h后1 g干土生成葡萄糖毫克數表示[mg/（g·24 h）]；采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶活性，其活性以培養24 h后每克風干土壤中NH3-N的毫克數來表示[mg/（g·24 h）][17]。

1.2.3 數據統計分析 在野外采樣、樣方調查和實驗室測定的基礎上，采用SPSS 17.0軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同類型草地土壤酶活性特征

2.1.1 土壤過氧化氫酶活性的變化 過氧化氫酶是土壤肥力狀況和總生物學活性的表征。在各類型草地中，土壤過氧化氫酶活性隨土壤剖面的加深均呈下降趨勢（圖1），并且在金露梅灌叢、垂穗披堿草草地、雜類草退化草地各層差異顯著（P<0.05）；矮嵩草草地、退牧還草垂穗披堿草草地10～20 cm與20～30 cm土層差異不顯著，但都與0～10 cm土層差異顯著（P<0.05）；藏嵩草草地0～10 cm與10～20 cm土層差異不顯著，與20～30 cm土層差異顯著（P<0.05）。

土壤過氧化氫酶活性在藏嵩草草地為最高， 0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層分別為5.38、5.30、4.80 mL/（g·h）。在0～10 cm土層，藏嵩草草地與垂穗披堿草草地、金露梅灌叢（冬季牧場）差異均不顯著，但與金露梅灌叢（夏季牧場）差異顯著，金露梅灌叢（夏季牧場）與矮嵩草草地差異不顯著，但與雜類草退化草地差異顯著，矮嵩草草地與雜類草退化草地差異不顯著，但與退牧還草垂穗披堿草草地差異顯著，其分布狀況為藏嵩草草地、垂穗披堿草草地、金露梅灌叢>雜類草退化草地>退牧還草垂穗披堿草草地（P<0.05）；在10～20 cm土層過氧化氫酶活性分布狀況為藏嵩草草地>垂穗披堿草草地（冬季牧場）>金露梅灌叢（冬季牧場）、垂穗披堿草草地（夏季牧場）>雜類草退化草地、矮嵩草草地、退牧還草垂穗披堿草草地>金露梅灌叢（夏季牧場）（P<0.05）；在20～30 cm土層過氧化氫酶活性分布狀況為藏嵩草草地、垂穗披堿草草地（冬季牧場）>金露梅灌叢（冬季牧場）>垂穗披堿草草地（夏季牧場）、雜類草退化草地、退牧還草垂穗披堿草草地、矮嵩草草地>金露梅灌叢（夏季牧場）（P<0.05）。

不同土層過氧化氫酶活性大小順序基本一致，均以藏嵩草草地、垂穗披堿草草地（冬季牧場）土壤過氧化氫酶活性較高，金露梅灌叢（冬季牧場）、垂穗披堿草草地（夏季牧場）次之。

2.1.2 土壤蔗糖酶活性的變化 蔗糖酶是土壤熟化程度和肥力水平的表征。在各類型草地中，土壤蔗糖酶活性沿土壤剖面的垂直分布基本一致，均隨土壤剖面的加深而降低，且各土層之間差異達到顯著水平（P<0.05）（圖2）。

在0～10 cm土層，蔗糖酶活性變化為金露梅灌叢（夏季牧場）>垂穗披堿草草地（冬季牧場）>雜類草退化草地>垂穗披堿草草地（夏季牧場）>矮嵩草草地>金露梅灌叢（冬季牧場）、藏嵩草草地>退牧還草垂穗披堿草草地（P<0.05）；在10～20 cm土層，蔗糖酶活性的分布狀況為矮嵩草草地、垂穗披堿草草地（夏季牧場）>垂穗披堿草草地（冬季牧場）>雜類草退化草地>金露梅灌叢（夏季牧場）>藏嵩草草地>退牧還草垂穗披堿草草地、金露梅灌叢（冬季牧場）（P<0.05）；在20～30 cm土層，蔗糖酶活性很小，均在3 mg/（g·24 h）以下。

2.1.3 土壤脲酶活性的變化 脲酶是土壤氮素狀況的表征。土壤脲酶活性在不同類型草地土壤中的變化除金露梅灌叢（冬季牧場）20～30 cm高于10～20 cm外，其他類型草地均表現為上層土壤高于下層土壤（圖3）。

在0～10 cm土層脲酶活性變幅較大，在10～20 cm和20～30 cm土層中的變幅較小。在0～10 cm土層各類型草地的脲酶活性差異均達顯著水平（P<0.05）。

2.2 不同類型草地土壤酶活性變化特點

冬季牧場、夏季牧場土壤過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性在不同草地類型間均表現為差異顯著（P<0.05），土壤脲酶活性在冬季牧場、夏季牧場不同草地類型中處于較低水平（圖4、圖5）。在冬季牧場，不同草地類型土壤過氧化氫酶活性較高；在夏季牧場，不同草地類型土壤蔗糖酶活性處于較高水平。

2.3 同類草地土壤酶活性變化特點

土壤過氧化氫酶活性在金露梅灌叢、垂穗披堿草草地均表現為冬季牧場高于夏季牧場，且差異顯著（P<0.05）；而蔗糖酶和脲酶活性在金露梅灌叢夏季牧場顯著高于冬季牧場（P<0.05），在垂穗披堿草草地卻無明顯季節變化特點（圖6、圖7）。

2.4 不同酶活性指標相關性分析

為探討不同草地類型的土壤酶活性之間及其與土壤溫度間的關系，對3種土壤酶活性進行了相關分析，分析結果見表2。所研究的3種酶活性均表現為相關不顯著。其中，土壤過氧化氫酶與蔗糖酶間表現為負相關，過氧化氫酶與脲酶間表現為正相關，蔗糖酶與脲酶間表現為正相關。由此可以說明，在所研究范圍內，土壤過氧化氫酶與蔗糖酶之間存在一定的抑制作用，而脲酶與過氧化氫酶、蔗糖酶之間都存在相互影響相互促進的關系，脲酶與蔗糖酶間的影響促進關系更為明顯。

所研究的3種酶活性與溫度之間均表現為相關不顯著。其中，土壤過氧化氫酶與溫度間表現為負相關，蔗糖酶與溫度間表現為正相關，脲酶與溫度間表現為負相關。由此可以說明，在所研究范圍內，土壤溫度對過氧化氫酶活性的影響較大；溫度升高對土壤蔗糖酶活性具有一定促進作用。

3 討論

土壤溫度的下降限制了土壤生物的代謝產酶能力，使得土壤酶活性隨著土層的加深而降低。在所研究的8種草地類型中，金露梅灌叢（夏季牧場）酶活性最大，垂穗披堿草草地（冬季牧場）次之，這與草地植被類型、物種豐富度有較大關系。endprint

表層土中的脲酶活性在土層總酶活性中占有較大比例，表明脲酶在表層通過酶促反應形成無機氮的能力較強。這主要是由于土壤表層積累了較多的枯落物、腐殖質，植物根系集中在土壤表層，其分泌物和細胞脫落促使酶進入土壤，一定程度上提高了土壤表層的脲酶活性。

在放牧管理方式相同，草地類型不同條件下，土壤酶活性均表現為差異顯著（P<0.05）。相同草地類型，在不同放牧管理方式下，土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性變化較大，且處于較高水平；而土壤脲酶活性在低水平波動，變化不明顯，這與土壤中脲酶數量及其作用的專一性有一定關系。土壤過氧化氫酶在冬季牧場表現出更高活性。

土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶活性在不同草地類型土壤中表現出相似規律，局部出現分異，這與土層溫度垂直變化有一定聯系。因土壤上層擁有高等植物，大量枯枝落葉堆積，有機質等養分富集，而下層土壤有機質少，因而土壤酶活性的分布大多隨土層加深而降低。

4 小結

土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶活性在不同草地類型土壤中均表現為隨土壤深度的增加而逐漸下降，且差異顯著（P<0.05）。不同草地類型土壤酶活性存在一定的相關關系，主要表現為相互影響促進。

不同草地類型、不同放牧管理方式對于土壤酶活性都存在一定影響作用，可以通過改變管理放牧方式來改善有機畜牧業生產地區的草地土壤質量，一定程度上與三江源保護地區的可持續發展相協調。

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