草地生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性研究進展

向澤宇，王長庭，宋文彪，四郎生根，呷絨仁青，達瓦澤仁，扎西羅布

（1．西南民族大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610041；2．青海省湟源縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，青海湟源812100；3．四川省道孚縣農(nóng)牧和科技局，四川道孚626400）

草地是草本和木本飼用植物與其著生的土地構(gòu)成的具有多種功能的自然綜合體，是地球上最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型之一。草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體類型，約占陸地總面積的1／4～1／3［1］。在草地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)的重要成員，其參與草地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量循環(huán)，是土壤中最活躍的部分，對植物地上和地下部分營養(yǎng)有著重要意義。土壤微生物及植物根系等能夠釋放各種酶類進入土壤，土壤酶類和微生物一起推動著土壤的代謝過程。土壤酶（soilenzyme）作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的組分之一，是生態(tài)系統(tǒng)的生物催化劑，在土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用。它們參與包括土壤生物化學(xué)過程在內(nèi)的自然界物質(zhì)循環(huán)，既是土壤有機物轉(zhuǎn)化的執(zhí)行者，又是植物營養(yǎng)元素的活性庫［2－3］。土壤中已經(jīng)被鑒定出的約60種酶活性表明，土壤酶活性與土壤質(zhì)量的很多理化指標(biāo)相關(guān)聯(lián)，酶的催化作用對土壤中元素（包括C、N、P、S）循環(huán)與遷移有著重要作用［4］。

土壤養(yǎng)分、土壤結(jié)構(gòu)等理化特征一直被用作表征土壤質(zhì)量、土壤肥力的指標(biāo)。但隨著氣候變化、人口的不斷增長，土地開發(fā)利用強度不斷加大，為實現(xiàn)土地資源持續(xù)利用和防止土壤退化，對土壤環(huán)境質(zhì)量的評估和監(jiān)測越來越重要，傳統(tǒng)的理化指標(biāo)已難以滿足土壤質(zhì)量健康狀況、土壤恢復(fù)過程及其恢復(fù)潛力研究的需要。特別是20世紀80年代以來，廣泛分布于青藏高原的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)在自然擾動與人為因素的干擾下，呈現(xiàn)出明顯的退化趨勢，陸地生態(tài)系統(tǒng)的退化減少了植被生產(chǎn)力和土壤有機質(zhì)輸入量，并加快了土壤有機質(zhì)的分解速率，加速了土壤生態(tài)系統(tǒng)的退化。因此，用土壤酶活性作為較全面地反映土壤環(huán)境、質(zhì)量和肥力變化，判別脅迫環(huán)境下土壤生態(tài)系統(tǒng)退化的早期主要預(yù)警指標(biāo)之一，對于分析和探討草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及其可持續(xù)利用將具有重要的現(xiàn)實意義。

1 土壤酶的發(fā)展、來源、分類及功能

1．1土壤酶學(xué)發(fā)展簡史自Wood［5］首次從土壤中檢測出過氧化氫酶活性以來，土壤酶研究經(jīng)歷了一個較長的奠定和發(fā)展時期。20世紀50年代以前為土壤酶學(xué)的奠定時期，許多土壤學(xué)者從各種土壤中共檢測出了40余種土壤酶的活性，并發(fā)展了土壤酶活性的研究方法和理論，土壤酶研究逐漸發(fā)展成一門介于土壤生物學(xué)和生物化學(xué)之間的新興邊緣交叉學(xué)科［6］。20世紀50－80年代中期為土壤酶學(xué)迅速發(fā)展的時期，土壤酶的檢測技術(shù)和方法不斷改進，一些新的土壤酶逐漸被檢測出來；到80年代中期，大約有60種土壤酶被檢測出來，土壤酶學(xué)的理論體系逐漸完善，土壤酶活性被作為土壤肥力指標(biāo)而受到土壤學(xué)家的普遍重視［7］。20世紀80年代中期以后為土壤酶學(xué)與林學(xué)、生態(tài)學(xué)、農(nóng)學(xué)和環(huán)境科學(xué)等學(xué)科相互滲透的時期，土壤酶學(xué)的研究已經(jīng)超越了經(jīng)典土壤學(xué)的研究范疇，在幾乎所有的陸地生態(tài)系統(tǒng)研究中，土壤酶活性的檢測成了必不可少的測定指標(biāo)。由于土壤酶活性與土壤生物、土壤理化性質(zhì)和環(huán)境條件密切相關(guān)［8］，因而土壤酶活性對環(huán)境擾動的響應(yīng)、根際土壤酶的功能重要性、土壤酶研究技術(shù)以及土壤酶作為土壤質(zhì)量的指標(biāo)等成為主攻方向［9－10］。

1．2 土壤酶的來源 通常認為土壤酶在很大程度上起源于土壤微生物，同樣它也可能來源于植物和土壤動物。植物活的根對土壤酶活性具有影響，一方面在于植物根能分泌胞外酶，另一方面也可能是根刺激了土壤微生物的活性。Skujins［11］以及后來的 Speir等［12］、Castellano和 Dick［13－14］的研究都表明，根際土壤比非根際土壤更能增加諸如磷酸酶、核酸酶、蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、芳基硫酸酯酶和蛋白酶的活性，但是這些研究均不能區(qū)分酶是起源于植物根還是起源于土壤微生物。植物殘體在分解的過程中也能夠向土壤中釋放酶，或者在分解的植物細胞組織中保持部分活性。土壤酶也可能來源于土壤動物，已有報道表明，脲酶［15］、磷酸酶［16］和轉(zhuǎn)化酶［17］活性來源于蚯蚓的排泄物，同時螞蟻對轉(zhuǎn)化酶活性也有一定的貢獻［18］。

1．3 土壤酶的分類和功能 為有效研究和應(yīng)用各種酶，國際酶學(xué)委員會（International Enzyme Committee）于1961年提出了一個分類系統(tǒng)，按照酶的催化反應(yīng)類型和功能，把已知的酶分為六大類［19］，即氧化還原酶、水解酶、轉(zhuǎn)移酶、裂合酶、連接酶和異構(gòu)酶，土壤中酶活性的研究主要涉及到前4種酶。

氧化還原酶類（oxidoreductases）：主要包括脫氫酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、硫酸鹽還原酶等。氧化還原酶是土壤中研究較多的一類酶，由于這些酶所催化的反應(yīng)大多與獲得或釋放能量有關(guān)，因此在土壤的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化中有很重要的地位；它參與土壤腐殖質(zhì)組分的合成，也參與土壤形成過程，因此對于土壤氧化還原酶系的研究，有助于對土壤發(fā)生及有關(guān)土壤肥力實質(zhì)等問題的了解［20］。

水解酶類（hydrolases）：主要包括蔗糖酶、淀粉酶、脲酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶、纖維素分解酶、芳基硫酸酯酶、β－葡萄糖苷酶、熒光素二乙酸酯酶等。水解酶能水解多糖、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)，從而形成簡單的、易被植物吸收的小分子物質(zhì)，對于土壤生態(tài)系統(tǒng)中的C、N循環(huán)具有重要作用；例如高等植物具有脲酶（urease），能酶促有機質(zhì)分子中肽鍵的水解。土壤脲酶活性與土壤微生物數(shù)量、有機質(zhì)含量、全氮和速效氮含量呈正相關(guān)，常用土壤脲酶活性表征土壤的氮素狀況［20］。

轉(zhuǎn)移酶類（transferases）和裂合酶類（lyases）：主要包括轉(zhuǎn)氨酶、果聚糖蔗糖酶、轉(zhuǎn)糖苷酶、硫氰酸酶、天門冬氨酸脫羧酶、谷氨酸脫羧酶、色氨酸脫羧酶等。這兩類酶在土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化中同樣起著重要作用，轉(zhuǎn)移酶不僅參與蛋白質(zhì)、核酸和脂肪的代謝，還參與激素和抗菌素的合成與轉(zhuǎn)化；裂合酶在土壤中也具有某些活性，但直到現(xiàn)在對于這類酶的研究還很少［4］。

2 土壤酶活性的影響因子

草地土壤系統(tǒng)中，一切復(fù)雜的生化過程都是在土壤酶的參與下進行的，草地土壤酶的活性大致反映了草地土壤生物化學(xué)過程的相對強度；測定相應(yīng)酶的活性，可以間接了解某種物質(zhì)在土壤中的轉(zhuǎn)化情況。因此，草地生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性的高低與草地土壤肥力密切相關(guān)，也是判別草地土壤肥力與土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。

2．1 草地退化程度 談嫣蓉等［21］對東祁連山不同退化程度草地土壤酶活性的研究發(fā)現(xiàn)，3個不同退化程度樣地的中性磷酸酶、纖維素酶和過氧化物酶活性隨土壤深度的加深而呈現(xiàn)遞減的規(guī)律，主要是由于土壤表層積累了較多的枯枝落葉和腐殖質(zhì)，有機質(zhì)含量高，有充分的營養(yǎng)源支持微生物的生長，加之水熱條件和通氣狀況好，微生物生長旺盛，代謝活躍，呼吸強度加大從而使表層的土壤酶活性較高。隨著土壤剖面的加深，土壤容重變大，孔隙度變小，限制了土壤生物的正?；顒樱挥袡C質(zhì)也隨土層的加深而急劇下降，pH值變大，土壤地下生物量也隨之下降；土壤溫度的降低及土壤水分的減少，限制了土壤微生物的代謝產(chǎn)酶能力。由于這些因素的綜合作用，土壤酶活性隨著土層的加深逐漸降低［22］。此外，在高寒草地，由于其寒冷的氣候環(huán)境條件，土壤微生物的種類和數(shù)量較少［23］，退化草地植被的結(jié)構(gòu)和生物量發(fā)生了變化，從而使得下墊面狀況和局地微氣候有所改變［24］，對土壤微生物的活動和數(shù)量產(chǎn)生了影響。具體表現(xiàn)為，不同退化演替階段的草地，土壤過氧化氫酶、脲酶和中性磷酸酶在0～20cm土層均隨草地退化程度加劇而降低，這與土壤有機碳、土壤微生物總數(shù)、細菌和真菌數(shù)量的變化趨勢相同。在20～30cm土層，3種土壤酶在不同草地中的活性大小順序為：未退化＞輕度退化＞重度退化＞中度退化，這可能與重度退化草地上的植物種類有關(guān)，而未退化草地的各種土壤酶活性較高：一方面，未退化草地土壤有機質(zhì)、全氮含量豐富，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙比例適當(dāng)，這種條件為土壤微生物提供了相對充足的碳源和能源物質(zhì)，利于土壤動物、土壤微生物和植物根系的生命活動；另一方面，草地退化引起的植被結(jié)構(gòu)和生物量變化，對土壤微生物的活動和數(shù)量產(chǎn)生影響，而土壤微生物活性與土壤酶活性密切相關(guān)［25］。

2．2 施肥 施肥可以改善土壤理化特性、水熱狀況和微生物區(qū)系，從而對土壤酶活性產(chǎn)生影響。有機肥料以及化學(xué)肥料的施用都會對土壤酶活性產(chǎn)生明顯的影響。長期不同施肥方式可明顯提高土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶活性［26］。在早熟禾（Poa annua）草坪中，閏雙堆等［27］研究表明，在N、P、K施用總量相同的條件下，隨復(fù)混肥中污泥含量的增加，草坪土壤脲酶、蛋白酶、轉(zhuǎn)化酶和磷酸酶活性顯著提高，各施肥處理與對照比較差異均達到顯著水平。說明無機肥料與適量污泥配施也對土壤酶活性的提高起一定作用，但污泥使用量較高后作用不再明顯。而施肥對天然草地土壤酶活性的影響，主要體現(xiàn)在施入的氮肥對脲酶活性抑制作用較強，而N、P肥混施在一定程度上既能使脲酶活性受到激活，又能使磷酸酶活性受到激活，N、P肥混施的量為45g／m2時，脲酶與磷酸酶活性最強，而且相應(yīng)蔗糖酶活性也有所增強［28］。

2．3 放牧 放牧是草地利用的主要方式之一。放牧家畜主要通過采食、踐踏影響土壤的物理結(jié)構(gòu)（如緊實度、滲透率），同時通過采食活動及畜體對營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和排泄物歸還等影響草地營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，導(dǎo)致草地土壤理化性質(zhì)和酶活性的變化。不同程度的放牧均可導(dǎo)致典型草原土壤中多酚氧化酶和過氧化氫酶活性的增加，輕度放牧使土壤中脲酶、蔗糖酶和蛋白酶活性增加，中度和重度放牧導(dǎo)致此3種酶活性降低［29］。在貝加爾針茅（Stipa capillata）草原，放牧顯著提高了0～10cm土層中的脲酶活性，而大針茅（S．grandis）草原土壤脲酶活性在放牧條件下顯著降低，克氏針茅（S．sareptana var．krylovii）草原土壤脲酶活性則無顯著變化。貝加爾針茅、大針茅和克氏針茅群落0～10cm土壤的磷酸酶活性和轉(zhuǎn)化酶活性在放牧壓力下均顯著增加。而放牧干擾下過氧化氫酶活性在貝加爾針茅群落0～10 cm土層中顯著降低（P＜0．05），在大針茅群落顯著升高（P＜0．05），而在克氏針茅群落沒有發(fā)生顯著變化?？傊?，中度放牧壓力下不同類型草原土壤酶活性變化各不相同，但整體呈上升趨勢，說明適度放牧有利于提高草原土壤酶活性，加強土壤中營養(yǎng)元素的礦質(zhì)化作用，有利于系統(tǒng)內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)［30］。

2．4 土壤微生物 貝加爾針茅草原土壤脲酶活性與土壤中固氮菌、真菌的數(shù)量分別具有極顯著和顯著正相關(guān)關(guān)系，這與土壤脲酶本身的特性有關(guān)［31］。土壤脲酶是一種分解含氮有機物的水解酶，普遍存在于真菌中，是植物氮素營養(yǎng)的直接來源。土壤細菌、真菌、總微生物數(shù)量與過氧化氫酶、脲酶、中性磷酸酶呈顯著或極顯著相關(guān)，這在很大程度上反映了微生物量對土壤酶活性的重要影響和貢獻［25］。在伊犁絹蒿（Seriphidium transiliense）荒漠退化草地中，土壤細菌與脲酶呈顯著正相關(guān)（P＜0．05），真菌與過氧化氫酶、脲酶呈顯著負相關(guān)（P＜0．05）［32］，但真菌所釋放的復(fù)雜的酶系統(tǒng)能積極參與有機物質(zhì)的分解，使枯落物中的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化成草地植物可直接吸收的可溶性氨基酸和銨鹽等，同時它對無機營養(yǎng)的吸收也有顯著影響［33］，這些都說明土壤微生物對土壤酶的貢獻較大。

2．5 季節(jié)變化 不同鹽堿草地土壤酶活性對季節(jié)變化的響應(yīng)不同，過氧化氫酶、多酚氧化酶和堿性磷酸酶活性在中度、重度鹽堿化草地中的季節(jié)變化幅度大于輕度鹽堿化草地，說明草地的退化雖然沒有使這3種酶活性的季節(jié)動態(tài)趨勢發(fā)生變化，但卻使其對環(huán)境變化的敏感性增加；而土壤過氧化物酶、蛋白酶和轉(zhuǎn)化酶活性的季節(jié)變化幅度都表現(xiàn)為中度、重度鹽堿化草地小于輕度鹽堿化草地，說明鹽堿化程度的加重在一定程度上抑制了這3種酶活性對季節(jié)變化的敏感性；堿斑土壤由于沒有地上植被生長，其活性主要受土壤溫度和本身特性的影響，表現(xiàn)為過氧化氫酶、蛋白酶和轉(zhuǎn)化酶的活性都較低，在不同季節(jié)中的變化幅度較小，而過氧化物酶、多酚氧化酶、堿性磷酸酶活性的變化幅度較大［34］。羊草（Leymus chinensis）草原土壤過氧化氫酶活性的季節(jié)動態(tài)呈拋物線型［35］，在大多數(shù)群落中各土層的土壤過氧化氫酶活性的最大值均出現(xiàn)在8月，最小值出現(xiàn)在6月或10月。因為土壤微生物總量隨著春季溫度上升而逐漸增高，最高峰出現(xiàn)在8月中旬，土壤溫度和濕度都最適宜微生物的生長；隨著季節(jié)的變化，9月以后，溫度和濕度同步下降，土壤微生物生物量也逐漸下降［36］。土壤微生物是土壤酶的主要來源，因而，土壤酶活性也呈現(xiàn)出相應(yīng)的季節(jié)波動。

2．6 其他因素 除了上述幾種因子對草地土壤酶活性有影響外，土壤的理化性質(zhì)、草地生長年限等對草地土壤酶活性也有一定的影響。王啟蘭等［37］對高寒矮嵩草（Kobresia humilis）草甸土壤性質(zhì)及酶活性進行了研究，結(jié)果表明，對0～20cm土層所測的7種土壤酶中，土壤有機質(zhì)和有效鉀除與多酚氧化酶呈顯著負相關(guān)外，與其余6種酶（過氧化氫酶、脲酶、蛋白酶、纖維素酶、轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶）呈顯著正相關(guān)；全氮、有效磷、陽離子交換量除與轉(zhuǎn)化酶相關(guān)性不顯著外，與其他6種酶呈顯著相關(guān)；有效氮、全鉀只與纖維素酶、堿性磷酸酶存在顯著的相關(guān)關(guān)系；pH值、全磷與所測的7種酶均無明顯的相關(guān)性?？傊鞣N土壤因子不僅直接影響土壤酶活性的大小，還通過相互之間的作用間接調(diào)控土壤酶活性。土壤酶活性與土壤肥力也存在一定關(guān)系。在高寒草甸草地，隨載畜量增加，0～20cm土層土壤脲酶、過氧化氫酶和堿性磷酸酶活性均表現(xiàn)為高載畜量區(qū)高于中載畜量區(qū)和低載畜量區(qū)；與全氮、速效氮、速效磷和速效鉀養(yǎng)分變化基本一致，這可能與“高區(qū)”放牧家畜排泄的糞便增加了土壤中的速效養(yǎng)分有關(guān)［38］。在農(nóng)牧交錯帶退耕還草草地的土壤酶活性與土壤肥力高度相關(guān)［39］。土壤中可供植物利用的營養(yǎng)元素的多少，與土壤酶活性的高低直接相關(guān)。在良好的有機養(yǎng)分狀況下，土壤酶活性較高，其對土壤中營養(yǎng)元素的礦質(zhì)化作用強度愈大，愈有利于系統(tǒng)內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)［40］。另外，不同生長年限紫花苜蓿（Medicago sativa）栽培草地0～40cm土層內(nèi)，脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和淀粉酶的活性在生長2年的紫花苜蓿地中均高于生長5年的紫花苜蓿地，纖維素酶活性在生長5年的紫花苜蓿地中高于生長2年的紫花苜蓿地［41］，說明隨著生長年限的增加多數(shù)酶的活性呈下降趨勢，這可能是因為土壤的理化性質(zhì)逐漸趨于成熟穩(wěn)定。

3 結(jié)論

雖然土壤酶活性的研究工作方興未艾，但由于土壤酶活性的影響因素非常復(fù)雜，土壤中微生物種類、水氣熱狀況、酸堿度、結(jié)構(gòu)組成、養(yǎng)分豐缺、擾動（人為和自然）等都顯著地影響土壤酶活性。因此，土壤酶作為土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，必須考慮其測定方法。目前對于土壤酶的研究，無論是土壤的前處理、土壤滅菌、分析條件，還是在表達土壤酶活性單位方面都有待進一步完善。規(guī)范土壤酶活性的研究方法已成為當(dāng)務(wù)之急。

基于土壤酶目前的研究狀況，今后的研究需要注意：1）土壤生態(tài)系統(tǒng)。土壤作為草地生態(tài)系統(tǒng)研究媒介之一，其作用和作用機理還需要大量具體數(shù)據(jù)的支持。2）土壤酶活性變化與草地退化和恢復(fù)之間的關(guān)系，主要指不同退化、不同恢復(fù)程度植被生物量（地上、地下生物量）、土壤理化特征、土壤肥力、土壤微生物區(qū)系，以及其與土壤酶活性的關(guān)系等。3）全球變化對土壤酶活性的影響。伴隨著全球變化研究的展開，氣候因素變化對草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤環(huán)境、土壤質(zhì)量等的影響，引起越來越多國內(nèi)外研究者的關(guān)注。人們希望找到一個綜合的酶活性指標(biāo)，來表征外部管理或環(huán)境條件下土壤化學(xué)和生物化學(xué)的變化。

4 展望

青藏高原被譽為中國的水塔，其生態(tài)安全一直受到中國乃至周邊國家的關(guān)注。高寒草甸草地作為該區(qū)重要的植被類型，其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的維持機理研究對退化草地恢復(fù)措施的確定和建立具有重要的現(xiàn)實意義。但目前對于退化高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的研究還有很多亟待解決的問題，如高寒嵩草（Kobresia myosuroides）草甸植被和土壤退化程度的標(biāo)志性指標(biāo)是什么？其退化的閾值如何？“黑土灘型”草地進行人工修復(fù)后其演替規(guī)律和方向（正、逆向演替）？人工修復(fù)草地完成植被演替過程而成為氣候頂級群落的時限？酶活性指標(biāo)能否表征不同修復(fù)條件下土壤質(zhì)量、肥力和土壤環(huán)境的變化？等等。因而，作為土壤肥力和土壤質(zhì)量重要指標(biāo)的土壤酶活性，其在其他草地類型退化、施肥、放牧、土壤微生物、季節(jié)變化等方面的研究方法和結(jié)果將為高寒草地生態(tài)系統(tǒng)功能的維持和發(fā)展提供新的方向和視角，這也是未來土壤酶學(xué)發(fā)展必須努力的方向。

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