姚健等

摘要：分析了新疆精河沙區(qū)土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶的活性及土壤有機(jī)質(zhì)等理化性狀。結(jié)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(shí)空動(dòng)態(tài)變化的原因是人為活動(dòng)、土壤環(huán)境、水文條件等因素綜合作用的結(jié)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(dǎo)致出現(xiàn)酶活性隨土層深度增加而減弱的趨勢(shì)，少部分樣地在人為活動(dòng)影響下則出現(xiàn)隨土層深度增加而增強(qiáng)的趨勢(shì)。依據(jù)通徑分析原理，與過氧化氫酶活性相關(guān)性由大到小的順序?yàn)閜H、容重、溫度、有機(jī)質(zhì)；與蔗糖酶活性相關(guān)性由大到小的順序?yàn)闇囟取⑷葜?、pH、有機(jī)質(zhì)；與脲酶活性相關(guān)性由大到小的順序?yàn)閜H、有機(jī)質(zhì)、容重、溫度。有機(jī)質(zhì)、溫度及容重主要通過pH間接對(duì)過氧化氫酶及脲酶活性產(chǎn)生輕微影響，有機(jī)質(zhì)、溫度、pH則通過容重來間接影響蔗糖酶活性。

關(guān)鍵詞：土壤酶活性；土壤有機(jī)質(zhì)；理化性狀；分布特征；通徑分析

中圖分類號(hào)：S154.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jī)成分之一，是土壤生物過程的主要調(diào)節(jié)者[1]，其參與了土壤環(huán)境中的一切生物化學(xué)過程，與有機(jī)物質(zhì)分解、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)移、環(huán)境質(zhì)量等密切相關(guān)[2，3]。土壤生態(tài)系統(tǒng)中生物化學(xué)過程和物質(zhì)循環(huán)均是在土壤酶的催化作用下進(jìn)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(xué)過程在內(nèi)的自然界物質(zhì)循環(huán)過程，酶活性的高低直接影響物質(zhì)轉(zhuǎn)化循環(huán)的速率，因而土壤酶活性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能有很大的影響。在幾乎所有生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和研究中，土壤酶活性的檢測(cè)似乎成了必不可少的測(cè)定指標(biāo)[5]。土壤酶活性的強(qiáng)弱也是土壤肥力的重要標(biāo)志，故針對(duì)土壤酶活性的研究對(duì)于改善區(qū)域土壤肥力及土壤改良意義重大。土壤有機(jī)質(zhì)是指土壤中含碳的有機(jī)化合物，是供給作物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)元素，可直接為作物提供生長(zhǎng)所需養(yǎng)分，也可以改善土壤的物理性狀，是評(píng)價(jià)土壤自然肥力的一個(gè)重要因素，也是研究土壤可持續(xù)利用中一個(gè)重要指標(biāo)[6]。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤酶的直接載體，兩者之間存在非常密切的聯(lián)系，許多學(xué)者通過測(cè)量土壤酶活性強(qiáng)度來判斷土壤肥力的高低[7]，但兩者之間的相關(guān)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(yǎng)分之間的相關(guān)性最好，它與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀及速效氮、磷之間都存在顯著相關(guān)，磷酸酶和過氧化氫酶與有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀及速效氮都存在著顯著相關(guān)，但轉(zhuǎn)化酶和纖維素酶活性與土壤各養(yǎng)分之間沒有良好的相關(guān)性。土壤酶活性的高低，與土壤自身生態(tài)理化性狀之間（土壤溫度、水分、pH等）均有著密切聯(lián)系，故針對(duì)土壤酶活性的時(shí)空分布及其與理化性狀之間的關(guān)系研究成為許多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。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(wàn)勤等[10]對(duì)北碚縉云山森林生態(tài)系統(tǒng)中4種群落的過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性的分布特征和季節(jié)動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究，結(jié)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(jié)變化規(guī)律很明顯，但不同的酶類，其變化規(guī)律不同，但均是冬季酶活性最低，并且，土壤酶活性的季節(jié)動(dòng)態(tài)還與土溫的季節(jié)變化及酶本身的性質(zhì)有關(guān)。Hakulinen等[11]對(duì)位于芬蘭北部郊區(qū)的3個(gè)湖泊水系沉積物的水解酶活性垂直分布情況進(jìn)行了研究。結(jié)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(guān)關(guān)系。有研究[13，14]表明，土壤溫度對(duì)土壤酶活性有較強(qiáng)的影響：當(dāng)溫度由10 ℃上升到60 ℃時(shí)，土壤酶活性顯著增加；但當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，脲酶迅速鈍化；在150 ℃下加熱24 h，土壤酶會(huì)完全失活。在不同溫度培養(yǎng)條件下，有機(jī)質(zhì)含量最低的土壤，其酶活性也最低，溫度對(duì)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(yīng)的速率。有關(guān)研究顯示，H+可以改變酶促反應(yīng)基點(diǎn)和酶的穩(wěn)定性[16]，有些酶促反應(yīng)甚至只能在很小范圍的pH內(nèi)進(jìn)行，并且由不同微生物分泌出的催化同一反應(yīng)的酶的最適pH不同[17]。一般情況下，土壤濕度較大時(shí)，酶活性較高，但土壤過濕時(shí)，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(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)以及生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生直接影響，并通過改變土壤特性，導(dǎo)致土壤退化，對(duì)土壤養(yǎng)分遷移變化以及水文循環(huán)有著十分顯著的影響[19]。因此，研究干旱區(qū)土壤酶與土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)區(qū)域自然理化性狀的響應(yīng)和加深土壤有機(jī)質(zhì)、酶活性等在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)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(jī)質(zhì)及土壤溫度、水分、pH的相關(guān)性的基礎(chǔ)上，利用通徑分析算法來分析土壤酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)及理化性狀之間的通徑系數(shù)等，旨在對(duì)沙區(qū)土地可持續(xù)利用，減緩區(qū)域土壤生態(tài)系統(tǒng)退化以及區(qū)域生態(tài)環(huán)境維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

精河縣隸屬新疆維吾爾自治區(qū)博爾塔拉蒙古自治州，位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，天山支脈婆羅科努山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地西南邊緣。南部為天山山區(qū)，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(shì)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(qū)最北[20]。全縣國(guó)土面積11 289 km2，耕地面積412.6 km2，境內(nèi)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?qū)俚湫偷谋睖貛Ц珊祷哪痛箨懶詺夂?。主要特點(diǎn)是光照充足，干燥少雨，蒸發(fā)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(jù)宏觀自然地理特征及區(qū)域景觀格局現(xiàn)狀，利用便攜式GPS進(jìn)行定位，合理選取具有代表性土壤樣地（共10個(gè)土壤剖面調(diào)查取樣，如圖1所示）。其中10個(gè)樣地分別代表不同土地覆被及不同土地利用類型：1號(hào)樣地為荒漠沙土地；2號(hào)樣地為農(nóng)田荒漠交錯(cuò)帶；3號(hào)樣地為人工小型農(nóng)田防護(hù)林；4號(hào)樣地為農(nóng)田枸杞樣地；5號(hào)樣地為農(nóng)田棉花地；6號(hào)樣地為綠洲自然灌叢；7號(hào)樣地為高速公路邊綠洲內(nèi)部低蓋度土壤樣地；8號(hào)樣地為沙區(qū)北部鹽堿草地；9號(hào)樣地為高速公路旁人工防護(hù)林；10號(hào)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(huán)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(nèi)5 ℃保存，以便進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試[21]。取樣過程中利用便攜式Hydra土壤水分/溫度/電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x測(cè)量不同深度剖面各項(xiàng)理化數(shù)據(jù)。

1.3 試驗(yàn)方法

將采集的新鮮土壤樣品磨碎，自然風(fēng)干并裝袋。做3次平行測(cè)定，具體測(cè)定方法如下。土壤容重采用環(huán)刀法；土壤蔗糖酶活性采用硫代硫酸鈉滴定法測(cè)定；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定；土壤脲酶活性采用可見光分光光度計(jì)法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法[22]測(cè)定。利用EXCEL 2007對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

利用上述試驗(yàn)方法，對(duì)10個(gè)土壤樣地，50個(gè)土壤樣本進(jìn)行試驗(yàn)，供試土壤養(yǎng)分狀況如表1所示。

2.1 土壤酶活性的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析

土壤酶活性對(duì)于土壤中有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、釋放植物能利用的碳、氮、磷等養(yǎng)分有直接的作用[23]。其中，過氧化氫酶能夠酶促土壤中對(duì)植物或生物有負(fù)效應(yīng)的過氧化氫物質(zhì)的分解，脲酶能夠?qū)⒛蛩厮獬砂?，可供植被吸收利用，蔗糖酶參與的反應(yīng)是土壤碳循環(huán)的主要環(huán)節(jié)，其主要作用是催化蔗糖水解成葡萄糖和果糖，為植物生長(zhǎng)提供所需能量。這3種酶在土壤碳、氮元素循環(huán)代謝過程中有重要的作用，部分學(xué)者認(rèn)為土壤酶活性是土壤中生物化學(xué)過程的總體現(xiàn)，可以綜合反映出土壤性質(zhì)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(qiáng)弱隨時(shí)空動(dòng)態(tài)變化具有很強(qiáng)的差異性，其最高值出現(xiàn)在4號(hào)樣地，其次是5、3、6、7、8、9、10、2、1號(hào)樣地。過氧化氫酶活性變化范圍不大，大多數(shù)處于18～20 mL/g KMnO4，其中最高值出現(xiàn)在10號(hào)樣地，最低值出現(xiàn)在2號(hào)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(xiàn)在5號(hào)樣地，最低值在3號(hào)樣地，脲酶活性幾乎趨近于0，其次2號(hào)樣地與1號(hào)樣地脲酶活性較低。相對(duì)而言，4號(hào)、5號(hào)等樣地土壤酶活性較強(qiáng)，而1號(hào)，2號(hào)等樣地土壤酶活性較弱。由于每個(gè)采樣點(diǎn)具有不同的土壤類型與環(huán)境，包括氣候及水文條件等，是導(dǎo)致酶活性具有較強(qiáng)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的原因。從表2中可以看出，酶活性強(qiáng)度較高的樣地，主要是農(nóng)田、人工林地等被利用地，而酶活性強(qiáng)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(shí)空動(dòng)態(tài)變化是土壤環(huán)境、氣候、水分、人為活動(dòng)等因素的綜合作用的結(jié)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(shì)。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(dǎo)致酶活性隨土層深度增加而減少。只有較少樣地出現(xiàn)酶活性隨土層深度的增加而增加的現(xiàn)象，這可能與樣地本身的土壤利用方式有關(guān)，如5號(hào)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(hào)樣地是農(nóng)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(duì)土壤酶活性的垂直分布產(chǎn)生了影響。過氧化氫酶活性隨土層深度的增加變化趨勢(shì)并不太大，這可能與研究區(qū)土壤基本狀況和過氧化氫酶基本屬性相關(guān)，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(yīng)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(zhì)的，水解反應(yīng)的要求較低，并不需要很苛刻的反應(yīng)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(guī)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(gè)土層中，這是因?yàn)檫@3個(gè)土層相對(duì)較淺，對(duì)水分、陽(yáng)光等能源的吸收與傳遞較強(qiáng)等原因所決定的。

2.3 土壤酶活性對(duì)土壤理化性狀的響應(yīng)

從土壤發(fā)生學(xué)角度，土壤酶與土壤有機(jī)質(zhì)等理化性狀之間的相關(guān)性主要取決于土壤自身類型，沙區(qū)典型干旱氣候及特殊植被分布是構(gòu)成沙區(qū)土壤類型的重要因素；自然因素及人為因素發(fā)展和變化制約著沙區(qū)土壤的形成和演化，兩種因素也是導(dǎo)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(qiáng)弱，是土壤酶對(duì)土壤理化性狀、土壤類型、植被、氣候等環(huán)境因素的綜合響應(yīng)[23]。通過對(duì)10個(gè)樣地3種土壤酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)、pH、土壤容重及溫度的測(cè)定，利用通徑系數(shù)分析計(jì)算土壤酶活性對(duì)土壤各理化性狀的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。將土壤有機(jī)質(zhì)、pH、土壤容重及溫度看作原因因素（Xi），土壤酶活性看作結(jié)果因素（Y），如表3所示，首先對(duì)各原因因素（Xi）進(jìn)行相關(guān)性分析，建立各變量間相關(guān)系數(shù)矩陣。有機(jī)質(zhì)、溫度、容重及pH在對(duì)土壤酶活性的變化影響中是相互影響的復(fù)雜關(guān)系，彼此之間不是獨(dú)立的，各要素間具有一定的相關(guān)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(jì)算各原因因素（Xi）對(duì)3種酶活性的直接通徑系數(shù)，如表4所示。然后結(jié)合表3數(shù)據(jù)，計(jì)算各原因因素對(duì)3種酶活性的間接作用，結(jié)果如表5～表7所示。

由表3數(shù)據(jù)可以得出過氧化氫酶活性與pH的相關(guān)性較高，其次是容重和溫度，土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)過氧化氫酶活性的影響相對(duì)較低；蔗糖酶活性與溫度和容重的相關(guān)性較強(qiáng)，其次是pH與有機(jī)質(zhì)；脲酶活性與pH的相關(guān)性最高，土壤有機(jī)質(zhì)含量與脲酶活性之間的相關(guān)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(duì)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(jìn)的復(fù)雜關(guān)系。其中pH與容重、容重與有機(jī)質(zhì)具有較為顯著的相關(guān)性。

根據(jù)通徑分析原理，pH及溫度在對(duì)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(jī)質(zhì)含量的直接通徑系數(shù)較??；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(jī)質(zhì)含量影響較?。会槍?duì)脲酶活性，pH及有機(jī)質(zhì)含量對(duì)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(shù)據(jù)可知，土壤有機(jī)質(zhì)、溫度及容重主要通過pH間接對(duì)過氧化氫酶及脲酶活性產(chǎn)生影響，但作用程度并不是很強(qiáng)烈；而有機(jī)質(zhì)、溫度、pH則是通過容重間接影響蔗糖酶活性。

3 結(jié)論

1）從總體上看，蔗糖酶與脲酶隨時(shí)空動(dòng)態(tài)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(dǎo)致酶活性分布差異性較大的原因主要是因?yàn)椴煌蓸狱c(diǎn)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(huán)境因素，也包括人為耕作、利用土地對(duì)該區(qū)域土壤酶活性產(chǎn)生的影響。利用耕作及種植林地等手段改變干旱區(qū)土壤生態(tài)環(huán)境，在一定程度上對(duì)區(qū)域土壤酶活性分布起到一定的積極作用。過氧化氫酶隨時(shí)空動(dòng)態(tài)變化范圍不大，大多數(shù)均處于18～20 mL/g KMnO4，這可能與酶自身屬性和區(qū)域土壤中過氧化氫含量較少有關(guān)，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(yīng)條件相對(duì)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(qū)土壤3種酶自身屬性不同，不同酶屬性有著不同的反應(yīng)條件與機(jī)理，從而導(dǎo)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(guī)律，這也與前人的研究結(jié)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(gè)土層中，這是因?yàn)檫@3個(gè)土層相對(duì)較淺，對(duì)水分、陽(yáng)光等能源的吸收與傳遞較強(qiáng)，土壤通透性較強(qiáng)等原因所決定的。

2）在4種土壤理化性狀對(duì)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(jī)質(zhì)具有較為顯著的相關(guān)性。過氧化氫酶活性與pH的相關(guān)性較高，其次是容重、溫度和土壤有機(jī)質(zhì)；蔗糖酶活性與溫度和容重的相關(guān)性較強(qiáng)，其次是pH與有機(jī)質(zhì)；脲酶活性與pH的相關(guān)性最高，土壤有機(jī)質(zhì)含量與脲酶活性之間的相關(guān)性也較為顯著。根據(jù)通徑分析原理可知，土壤有機(jī)質(zhì)、溫度及容重主要通過pH間接對(duì)過氧化氫酶及脲酶活性產(chǎn)生影響，但作用程度并不是很強(qiáng)烈；而有機(jī)質(zhì)、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(qū)土壤酶活性時(shí)空動(dòng)態(tài)以及垂直分布特征及其對(duì)各理化性狀包括土壤有機(jī)質(zhì)的響應(yīng)，旨在對(duì)沙區(qū)土地資源合理與可持續(xù)利用，維護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，水土資源高度耦合模式提供依據(jù)。結(jié)果表明，精河沙區(qū)土壤酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)含量總體偏低，作者通過實(shí)地調(diào)查取證發(fā)現(xiàn)沙區(qū)土壤利用程度相對(duì)較低，一般都選擇生態(tài)環(huán)境較好的區(qū)域進(jìn)行耕作、種植等，針對(duì)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(fā)和利用程度較低，長(zhǎng)久如此則可能導(dǎo)致精河沙區(qū)土壤生態(tài)格局出現(xiàn)不平衡發(fā)展趨勢(shì)。建議在土壤環(huán)境較弱，資源相對(duì)缺失的地區(qū)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(qū)帶來經(jīng)濟(jì)收益，還能改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，提高土壤理化性狀水平，實(shí)現(xiàn)沙區(qū)水土資源高度耦合的發(fā)展模式。

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