向海濕地不同植被土壤碳代謝相關(guān)酶活性分布特征

趙明宇,沈詩穎,王小丫,呂茜茜,張夢瑤,鄒元春,于秀麗

(1.吉林工程職業(yè)學(xué)院,吉林 四平 136000;2.白城師范學(xué)院旅游與地理科學(xué)學(xué)院,吉林 白城 137000;3.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長春 130102)

土壤酶是土壤生物化學(xué)過程的主要調(diào)節(jié)者[1],是反映土壤環(huán)境變化的敏感指標(biāo),對土壤理化性質(zhì)、肥力和生物狀態(tài)有重要影響.在土壤碳循環(huán)中,土壤酶參與了土壤中腐殖質(zhì)的合成與分解,有機(jī)化合物、動植物和微生物殘體的水解與轉(zhuǎn)化以及土壤中有機(jī)、無機(jī)化合物的各種氧化還原反應(yīng)等生物化學(xué)過程[2],是調(diào)控土壤新陳代謝和養(yǎng)分平衡的關(guān)鍵因子.其中蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶等土壤碳代謝酶則是參與有機(jī)質(zhì)分解過程中的關(guān)鍵酶類.土壤碳代謝酶能將纖維素、木聚糖等土壤糖類充分水解,并將碳源提供給微生物,促進(jìn)土壤碳循環(huán)的正常進(jìn)行;能溶解礦物質(zhì),具有養(yǎng)分輔助劑和土壤分散劑的作用.濕地土壤酶活性受到干濕交替等物理因子的影響,會使土壤微生物體分解并釋放營養(yǎng)元素,從而影響它們活性的高低[3].濕地土壤蔗糖酶的活性是指示濕地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)分解強(qiáng)度的重要指標(biāo).目前,已有大量的國內(nèi)外研究者對土壤酶在濕地生態(tài)系統(tǒng)中的作用、濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤酶的時空分布特征、氣候變化和濕地氮營養(yǎng)環(huán)境變化對濕地土壤酶活性的影響、植被類型和土壤理化性質(zhì)以及人類活動對酶活性的影響等方面開展了大量的工作,為研究濕地在全球氣候變化中的作用奠定了基礎(chǔ).目前關(guān)于向海濕地土壤酶活性的研究較少,為此本文對向海濕地土壤酶活性的分布情況進(jìn)行了研究,以進(jìn)一步揭示濕地土壤酶活性的變化特征,對研究土壤酶在濕地生態(tài)系統(tǒng)中的作用提供理論支持.

1 研究區(qū)概況及樣地的選擇

向海濕地位于吉林省白城市松嫩平原西部邊緣(44°55′～45°9′N,122°5′～122°31′E),是以保護(hù)丹頂鶴等珍稀水禽和蒙古黃榆等稀有植物群落為主要目的內(nèi)陸沼澤濕地.濕地由眾多大型水庫、蘆葦沼澤、泡沼、內(nèi)陸水系及鹽沼、季節(jié)性泛洪區(qū)草甸平原組成,面積為40 379.97 hm2[4].氣候呈典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征,年平均氣溫為5.1 ℃,年降水量約為400 mm,降水主要集中在夏季的7—8月份,年蒸發(fā)量為1 945 mm.地勢由西向東微微傾斜,海拔156～192 m.濕地水源由霍林河、額穆泰河、洮兒河、向海水庫、興隆水庫等地表水和大氣降水補(bǔ)給,植被以蘆葦沼澤、羊草草原等類型為主;土壤主要為栗鈣土、草甸土、鹽堿土和風(fēng)積沙土,土壤中腐殖質(zhì)含量較少,含鹽堿量偏高,pH值為7.5～8.7.濕地土壤水分季節(jié)性變化十分明顯.

在向海濕地內(nèi)選取無人干擾的地帶,該區(qū)位于泡沼的外緣,由泡沼邊緣向外圍按一定距離分別選取4個不同類型的樣地.樣地內(nèi)代表性植物分別是蘆葦(Phragmitesaustralis)、堿蓬(Suaedaglauca)、堿草(Leymuschinensis)、黃花蒿(ArtemisiaannuaLinn).蘆葦可凈化水質(zhì),涵養(yǎng)水源,生長區(qū)地表常年積水;堿蓬為鹽生植物,可降低土壤鹽分及重金屬含量,堿草耐鹽堿,可抵御風(fēng)沙,堿蓬和堿草生長于地表季節(jié)性積水區(qū)域;黃花蒿對生境適應(yīng)性強(qiáng),生長區(qū)地表常年無積水.

2 材料與方法

2.1 材料與儀器

實驗材料:蘆葦、堿草、堿蓬、黃花蒿植被下不同深度土壤樣品.

主要儀器:紫外分光光度計(島津UVMINI-1240)、JM-B5003電子天平、離心機(jī)(DD-5MC/LDZ4-1.2,北京京力)、恒溫水浴鍋(HH-4)等.

2.2 實驗方法

2.2.1 土壤采集及預(yù)處理

2022年9月上旬,在已選擇的樣地內(nèi),以蘆葦、堿草、堿蓬、黃花蒿植被下的土壤為對象,按4個不同深度(0～10,10～20,20～40,40～60 cm)進(jìn)行土壤采集,每一植被下取3個采樣點,每一采樣點分別取4個層次的土壤,然后將采集的相同土層的3個土樣進(jìn)行混合,取1 kg作為一個土壤樣品裝袋保存[5-6].采樣后立即測定土壤的電導(dǎo)率和pH值.將采集的土壤裝在恒溫泡沫箱運(yùn)回實驗室,去除雜質(zhì)后測定土壤含水量,樣品編號后儲存在-80 ℃冰箱中備用[5-6].

2.2.2 土壤碳代謝相關(guān)酶樣液制備及酶活性測定

稱取2 g樣品,加入10 mL 8%的蔗糖溶液、5 mL磷酸緩沖液(pH=5.5)和5滴甲苯,搖勻,放入37 ℃恒溫箱培養(yǎng)24 h后,迅速過濾,定容即為蔗糖酶樣液.稱取2 g樣品,加入10 mL 1%的淀粉溶液,再加10 mL磷酸鹽緩沖液(pH=5.5)和5滴甲苯,搖勻,在37 ℃恒溫箱中培養(yǎng)24 h后,過濾、定容即為淀粉酶樣液.稱取2 g 樣品加入2 mL甲苯,放置15 min后加入5 mL醋酸鹽緩沖液(pH=5.5)和5 mL 1%羧甲基纖維素,將反應(yīng)混合物充分震蕩,在 35 ℃恒溫箱中培養(yǎng)72 h后,加熱至100 ℃終止反應(yīng),然后加入適量鋁鉀礬,靜置、過濾、定容即為纖維素酶樣液.

土壤碳酶活性測定參照《土壤酶及其研究方法》[7]進(jìn)行.蔗糖酶活性測定采取DNS葡萄糖法,以24 h后1 g風(fēng)干土中所含葡萄糖的毫克數(shù)為酶活性單位(mg/(g·d));淀粉酶活性測定采取DNS麥芽糖法,以24 h后1 g風(fēng)干土中所含麥芽糖的毫克數(shù)為酶活性單位(mg/(g·d));纖維素酶活性測定采取蒽酮葡萄糖法,以24 h后1 g風(fēng)干土中所含葡萄糖的毫克數(shù)為酶活性單位(mg/(g·d)).每個土壤樣品測定3次后取平均值.

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2013對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、處理及作圖.運(yùn)用SPSS軟件,進(jìn)行單因素多重比較分析及相關(guān)分析.

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤碳代謝相關(guān)酶活性單因素多重比較分析

3.1.1 不同植被土壤碳代謝相關(guān)酶活性差異

由同一深度土層不同植被土壤酶活性測定結(jié)果(見圖1)可見,0～10,10～20,20～40 cm 3個土層蘆葦、堿草、堿蓬、黃花蒿植被下土壤蔗糖酶活性差異均顯著(P<0.05);40～60 cm土層堿草和堿蓬植被下土壤蔗糖酶活性差異不顯著(P>0.05),其余差異顯著.同種植被下0～60 cm土層土壤蔗糖酶活性取均值后,土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)為黃花蒿>堿草>堿蓬>蘆葦.

注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同.圖1 土壤蔗糖酶水平方向比較分析

由圖2可見,10～20和20～40 cm兩個土層,蘆葦、堿草、堿蓬、黃花蒿植被下土壤淀粉酶活性差異均顯著(P<0.05);0～10 cm土層蘆葦和黃花蒿植被下土壤淀粉酶活性差異不顯著(P>0.05),其余差異顯著;40～60 cm土層蘆葦和堿蓬植被下土壤淀粉酶活性差異不顯著(P>0.05),其余差異顯著.同種植被下0～60 cm土層土壤淀粉酶活性取均值后,土壤淀粉酶活性表現(xiàn)為黃花蒿>堿草>蘆葦>堿蓬.

圖2 土壤淀粉酶水平方向比較分析

由圖3可見,0～10,10～20,20～40和40～60 cm 4個土層蘆葦、堿草、堿蓬、黃花蒿植被下土壤纖維素酶活性差異均顯著(P<0.05).同種植被下0～60 cm土層土壤纖維素酶活性取均值后,土壤纖維素酶活性表現(xiàn)為黃花蒿>堿蓬>堿草>蘆葦.

圖3 土壤纖維素酶水平方向比較分析

通過比較分析可知,同深度土層4種植被下土壤碳代謝相關(guān)酶活性多表現(xiàn)為差異顯著(P<0.05).

3.1.2 不同深度土壤碳代謝相關(guān)酶活性差異

對比同一植被不同深度土壤酶活性測定結(jié)果(見圖4)可見,蘆葦植被下10～20和40～60 cm之間土層的土壤蔗糖酶活性差異不顯著(P>0.05),其余差異顯著.堿草植被下0～10和20～40 cm土層之間的土壤蔗糖酶活性差異不顯著(P>0.05),10～20和40～60 cm之間的土層土壤蔗糖酶活性差異不顯著(P>0.05).堿蓬植被下20～40和40～60 cm土層之間的土壤蔗糖酶活性差異不顯著(P>0.05),其余差異顯著.黃花蒿植被下0～10和40～60 cm之間的土層土壤蔗糖酶活性差異不顯著(P>0.05),其余差異顯著.從整體來看,0～40 cm土層隨土層深度的增加,蘆葦、堿蓬植被下土壤蔗糖酶活性呈上升趨勢,蘆葦、堿草、黃花蒿植被下土壤蔗糖酶活性最低值出現(xiàn)在40～60 cm土層.

圖4 土壤蔗糖酶垂直方向比較分析

由圖5可見,蘆葦植被下20～40和40～60 cm之間土層的土壤淀粉酶活性差異不顯著(P>0.05),其余差異顯著.堿草植被下0～10和40～60 cm 之間土層的土壤淀粉酶活性差異不顯著(P>0.05),10～20和20～40 cm之間土層的土壤淀粉酶活性差異不顯著(P>0.05).堿蓬植被下0～10和40～60 cm之間土層的土壤淀粉酶活性差異不顯著(P>0.05),其余差異顯著.黃花蒿植被下0～10和20～40 cm之間土層的土壤淀粉酶活性差異不顯著(P>0.05),其余差異顯著.從整體來看,隨土層深度增加,蘆葦、黃花蒿植被下土壤淀粉酶活性呈下降趨勢,這與李紅琴等[8]的研究結(jié)論一致.

圖5 土壤淀粉酶垂直方向比較分析

由圖6可見,蘆葦、堿草、堿蓬、黃花蒿植被各土層之間的土壤纖維素酶活性差異均顯著(P<0.05).從整體來看,0～40 cm土層隨土層深度增加,蘆葦、堿蓬植被下土壤纖維素酶活性呈上升趨勢,蘆葦、堿草、黃花蒿植被下土壤纖維素酶活性最低值出現(xiàn)在40～60 cm土層.

圖6 土壤纖維素酶垂直方向比較分析

通過比較分析可知,不同深度土層4種植被下土壤碳代謝相關(guān)酶活性差異多表現(xiàn)為顯著(P<0.05).

3.2 土壤含水量、電導(dǎo)率及pH值的測定結(jié)果與分析

土壤含水量測定結(jié)果表明,蘆葦、堿蓬、堿草3種植被下土壤含水量最大值均出現(xiàn)在0～10 cm土層,最小值均出現(xiàn)在40～60 cm土層,表現(xiàn)為隨土層深度增加含水量降低的趨勢;黃花蒿植被下土壤含水最大值出現(xiàn)在40～60 cm土層,最小值出現(xiàn)在0～10 cm土層,表現(xiàn)為隨土層深度增加含水量升高的趨勢.蘆葦植被下土壤含水量為24.5%～14.8%,垂直變異系數(shù)為20.84%;堿草植被下土壤含水量為19.4%～12.9%,垂直變異系數(shù)為17.85%;堿蓬植被下土壤含水量為14.1%～12.5%,垂直變異系數(shù)為5.9%;黃花蒿植被下土壤含水量為9.2%～12.5%,垂直變異系數(shù)為13.38%.

土壤電導(dǎo)率測定結(jié)果表明,堿草植被下土壤電導(dǎo)率最高,為(551.50±127.75)μS/cm;其次為蘆葦植被下土壤,電導(dǎo)率最高值為(317.05±136.10)μS/cm;堿蓬植被下土壤電導(dǎo)率為(110.85±41.25)μS/cm;黃花蒿植被下土壤電導(dǎo)率最低,為(56.22±19.63)μS/cm.蘆葦植被下土壤電導(dǎo)率最低值出現(xiàn)10～20 cm土層,總體上呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而逐漸上升的現(xiàn)象;其他3種植被下土壤電導(dǎo)率均隨著土層深度的增加而逐漸升高.土壤含鹽量、土壤中的金屬離子含量、土壤中有機(jī)物質(zhì)(如腐殖酸)含量對土壤電導(dǎo)率具有重要影響[9].土壤的電導(dǎo)率能直接反映出土壤混合鹽的含量[10],堿蓬和黃花蒿植被下土壤電導(dǎo)率較低,表明了堿蓬和黃花蒿可降低土壤鹽分的作用.從土壤電導(dǎo)率隨著土層深度的增加而升高這一現(xiàn)象來推測,深層土壤比淺層土壤含鹽量高,且隨土層深度的增加,金屬離子發(fā)生沉積.

土壤 pH 值測定結(jié)果表明,4種植被下土壤 pH 值為7.6～8.7,偏堿性.其中,蘆葦植被下土壤pH 值為8.1～8.3,堿草植被下土壤pH 值為7.7～8.7,堿蓬植被下土壤pH 值為7.6～8.3,黃花蒿植被下土壤pH 值為7.6～8.0,且均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而逐漸升高.向海濕地受干旱氣候影響,大氣降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于蒸發(fā)量,大量鹽分積累[11];降雨時,鹽分下移到一定深度,蒸發(fā)時又不易溶解,致使4種植被下土壤 pH 值呈堿性,且隨土層深度的增加呈現(xiàn)小幅度上升的趨勢.

3.3 土壤碳代謝相關(guān)酶與土壤含水量、電導(dǎo)率及pH值的相關(guān)分析

相關(guān)分析結(jié)果(見表1)表明,3種土壤酶活性與土壤含水量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中土壤蔗糖酶活性與土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.586(P<0.05);土壤淀粉酶和纖維素酶活性與土壤含水量之間的相關(guān)關(guān)系不顯著.土壤蔗糖酶和纖維素酶活性與土壤電導(dǎo)率均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但土壤淀粉酶活性與土壤電導(dǎo)率呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性均不顯著.3種土壤酶活性與土壤pH值均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性也不顯著.

表1 土壤酶活性與土壤環(huán)境要素相關(guān)性分析

對比分析不同植被下土壤酶活性與土壤含水量之間的關(guān)系(見表2)可見,蘆葦植被下土壤蔗糖酶活性與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,土壤淀粉酶和纖維素酶活性與土壤含水量呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性均不顯著;堿草植被下3種土壤酶活性與土壤含水量均呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性均不顯著;堿蓬和黃花蒿兩種植被下3種酶活性與土壤電導(dǎo)率均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中堿蓬下土壤蔗糖酶活性與土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.980(P<0.05),其他各指標(biāo)之間相關(guān)性均不顯著.

表2 不同植被下土壤酶活性與土壤環(huán)境要素相關(guān)性分析

對比分析不同植被下土壤酶活性與土壤電導(dǎo)率之間的關(guān)系(見表2)可見,蘆葦和黃花蒿兩種植被下3種酶活性與土壤電導(dǎo)率均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性不顯著;堿草植被下土壤蔗糖酶和纖維素酶活性與土壤電導(dǎo)率均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但土壤淀粉酶活性與土壤電導(dǎo)率呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性均不顯著;堿蓬植被下3種土壤酶活性與土壤電導(dǎo)率均呈正相關(guān)關(guān)系,其中土壤蔗糖酶活性與土壤電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.968(P<0.05).

對比分析不同植被下土壤酶活性與土壤pH值之間的關(guān)系(見表2)可見,蘆葦和黃花蒿兩種植被下3種酶活性與土壤pH值均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性不顯著;堿草植被下土壤蔗糖酶和纖維素酶活性與土壤pH值均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但土壤淀粉酶活性與土壤pH值呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性均不顯著;堿蓬植被下土壤蔗糖酶和纖維素酶活性與土壤pH值均呈正相關(guān)關(guān)系,但土壤淀粉酶活性與土壤pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性均不顯著.

4 結(jié)果與討論

以上分析結(jié)果表明,3種土壤碳代謝酶活性平均值大體呈現(xiàn)為黃花蒿植被土壤最高、蘆葦植被土壤最低的現(xiàn)象.有研究[12]表明,土壤水分、養(yǎng)分、溫度和酸堿度改變時,都會引起土壤酶活性的變化,如土壤含水量過大會限制土壤酶活性,堿性土壤pH值與土壤酶活性有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.由本文的研究結(jié)果可見,4種植被土壤中蘆葦土壤含水量最大、pH值最高、酶活性最低,而黃花蒿土壤含水量最小、pH值最低、酶活性最高,這一現(xiàn)象與大多研究結(jié)果一致.另外,蘆葦植被土壤因漬水條件及較高pH值的影響,土壤通透性最差,影響了土壤酶的穩(wěn)定性,也可能是導(dǎo)致蘆葦植被土壤碳代謝酶活性低的原因之一.本研究中黃花蒿植被土壤碳代謝相關(guān)酶活性最高,這可能是因為采樣時間為9月初,此時黃花蒿已停止長高,通過植株殘體腐解、淋溶、根系分泌等途徑向土壤釋放出多種化感物質(zhì)[13],促使土壤微生物數(shù)量和活性增強(qiáng),導(dǎo)致其土壤酶活性較高.

從垂直分布看,土壤淀粉酶活性從土壤表層至深層呈逐漸遞減的規(guī)律,這可能與土壤表層因積累較多的植物殘體和腐殖質(zhì)而導(dǎo)致的土壤有機(jī)質(zhì)含量過高有關(guān).張麗娜等[14]研究發(fā)現(xiàn),土壤有機(jī)質(zhì)含量對土壤淀粉酶活性具有強(qiáng)烈的直接效應(yīng).土壤淀粉酶和纖維素酶活性最低值出現(xiàn)在深層(40～60 cm)土壤中,表明隨著土層深度的增加,土壤地下生物量隨之下降,土壤有機(jī)質(zhì)含量也逐漸降低,土壤根系分泌物也減少,土壤淀粉酶活性亦受到限制.在蘆葦和堿蓬土壤中,土壤蔗糖酶和纖維素酶活性表現(xiàn)為從土壤表層至深層逐漸升高,顯示蘆葦和堿蓬土壤酶在深層土壤中活性較高、表層土壤相對較低,與許多其他相關(guān)的研究結(jié)果不一致,這可能與研究區(qū)土壤環(huán)境條件差異有關(guān).土壤中的酶主要來源于土壤微生物[15],蘆葦區(qū)土壤表層因積水條件導(dǎo)致根系正常生長活動受到抑制,也限制了土壤微生物的數(shù)量及其活性,降低了土壤酶活性;堿蓬區(qū)表層土壤板結(jié)堅硬,限制了微生物的活性,降低了土壤酶活性.土壤酶活性表層低而向深層逐漸升高的具體原因及機(jī)理尚待深入研究.

本文通過對向海濕地4種植被下土壤碳代謝相關(guān)酶活性及與環(huán)境影響因素的分析,結(jié)論如下:

(1) 4種植被土壤比較,3種土壤碳代謝酶活性大體呈現(xiàn)為黃花蒿植被土壤最高、蘆葦植被土壤最低的現(xiàn)象.土壤蔗糖酶和纖維素酶活性最低值出現(xiàn)在蘆葦植被土壤中、土壤淀粉酶活性最低值出現(xiàn)在堿蓬植被土壤中.多重比較分析表明3種酶酶活差異大都顯著(P<0.05).

(2) 從垂直分布看,土壤蔗糖酶和纖維素酶活性在蘆葦和堿蓬區(qū)表現(xiàn)為從土壤表層至深層(0～40 cm)逐漸升高,但在堿草和黃花蒿區(qū)土壤酶活性垂直規(guī)律不明顯;蘆葦、堿草和黃花蒿土壤淀粉酶活性從土壤表層至深層逐漸遞減,堿草蓬區(qū)土壤淀粉酶活性垂直規(guī)律不明顯.

(3) 研究區(qū)蘆葦、堿草、堿蓬土壤含水量隨土層深度增加而降低,但黃花蒿土壤含水量表現(xiàn)為隨土層深度增加含水量升高的趨勢,土壤含水量:蘆葦土壤>堿草土壤>堿蓬土壤>黃花蒿土壤,但垂直變異系數(shù):蘆葦>堿草>黃花蒿>堿蓬.土壤電導(dǎo)率:堿草土壤>蘆葦土壤>堿蓬土壤>黃花蒿土壤,蘆葦植被下土壤電導(dǎo)率最低值出現(xiàn)10～20 cm土層,總體上呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而逐漸上升的現(xiàn)象,其他3種植被下土壤電導(dǎo)率均隨著土層深度的增加而逐漸升高.土壤 pH 值:蘆葦>堿草>堿蓬>黃花蒿,均隨著土層深度的增加土壤pH 值逐漸升高.

(4) 3種土壤酶活性與土壤含水量和土壤pH值均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,土壤蔗糖酶和纖維素酶活性與土壤電導(dǎo)率均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但土壤淀粉酶活性與土壤電導(dǎo)率呈正相關(guān)關(guān)系.其中土壤蔗糖酶活性與土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)(-0.586,P<0.05),其他相關(guān)性均不顯著.