向海濕地不同植被土壤碳代謝相關酶活性分布特征

趙明宇,沈詩穎,王小丫,呂茜茜,張夢瑤,鄒元春,于秀麗

(1.吉林工程職業學院,吉林 四平 136000;2.白城師范學院旅游與地理科學學院,吉林 白城 137000;3.中國科學院東北地理與農業生態研究所,吉林 長春 130102)

土壤酶是土壤生物化學過程的主要調節者[1],是反映土壤環境變化的敏感指標,對土壤理化性質、肥力和生物狀態有重要影響.在土壤碳循環中,土壤酶參與了土壤中腐殖質的合成與分解,有機化合物、動植物和微生物殘體的水解與轉化以及土壤中有機、無機化合物的各種氧化還原反應等生物化學過程[2],是調控土壤新陳代謝和養分平衡的關鍵因子.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質分解過程中的關鍵酶類.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,促進土壤碳循環的正常進行;能溶解礦物質,具有養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系統物質分解強度的重要指標.目前,已有大量的國內外研究者對土壤酶在濕地生態系統中的作用、濕地生態系統土壤酶的時空分布特征、氣候變化和濕地氮營養環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.目前關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行了研究,以進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系統中的作用提供理論支持.

1 研究區概況及樣地的選擇

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陸沼澤濕地.濕地由眾多大型水庫、蘆葦沼澤、泡沼、內陸水系及鹽沼、季節性泛洪區草甸平原組成,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、鹽堿土和風積沙土,土壤中腐殖質含量較少,含鹽堿量偏高,pH值為7.5～8.7.濕地土壤水分季節性變化十分明顯.

在向海濕地內選取無人干擾的地帶,該區位于泡沼的外緣,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,涵養水源,生長區地表常年積水;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,可抵御風沙,堿蓬和堿草生長于地表季節性積水區域;黃花蒿對生境適應性強,生長區地表常年無積水.

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(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 土壤采集及預處理

2022年9月上旬,在已選擇的樣地內,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率和pH值.將采集的土壤裝在恒溫泡沫箱運回實驗室,去除雜質后測定土壤含水量,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,將反應混合物充分震蕩,在 35 ℃恒溫箱中培養72 h后,加熱至100 ℃終止反應,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]進行.蔗糖酶活性測定采取DNS葡萄糖法,以24 h后1 g風干土中所含葡萄糖的毫克數為酶活性單位(mg/(g·d));淀粉酶活性測定采取DNS麥芽糖法,以24 h后1 g風干土中所含麥芽糖的毫克數為酶活性單位(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風干土中所含葡萄糖的毫克數為酶活性單位(mg/(g·d)).每個土壤樣品測定3次后取平均值.

2.2.3 數據處理

使用Microsoft Excel 2013對實驗數據進行統計、處理及作圖.運用SPSS軟件,進行單因素多重比較分析及相關分析.

3 結果與分析

3.1 土壤碳代謝相關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酶活性差異

由同一深度土層不同植被土壤酶活性測定結果(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酶活性多表現為差異顯著(P<0.05).

3.1.2 不同深度土壤碳代謝相關酶活性差異

對比同一植被不同深度土壤酶活性測定結果(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酶活性差異多表現為顯著(P<0.05).

3.2 土壤含水量、電導率及pH值的測定結果與分析

土壤含水量測定結果表明,蘆葦、堿蓬、堿草3種植被下土壤含水量最大值均出現在0～10 cm土層,最小值均出現在40～60 cm土層,表現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在40～60 cm土層,最小值出現在0～10 cm土層,表現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%,垂直變異系數為20.84%;堿草植被下土壤含水量為19.4%～12.9%,垂直變異系數為17.85%;堿蓬植被下土壤含水量為14.1%～12.5%,垂直變異系數為5.9%;黃花蒿植被下土壤含水量為9.2%～12.5%,垂直變異系數為13.38%.

土壤電導率測定結果表明,堿草植被下土壤電導率最高,為(551.50±127.75)μS/cm;其次為蘆葦植被下土壤,電導率最高值為(317.05±136.10)μS/cm;堿蓬植被下土壤電導率為(110.85±41.25)μS/cm;黃花蒿植被下土壤電導率最低,為(56.22±19.63)μS/cm.蘆葦植被下土壤電導率最低值出現10～20 cm土層,總體上呈現出隨著土層深度的增加而逐漸上升的現象;其他3種植被下土壤電導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、土壤中有機物質(如腐殖酸)含量對土壤電導率具有重要影響[9].土壤的電導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.從土壤電導率隨著土層深度的增加而升高這一現象來推測,深層土壤比淺層土壤含鹽量高,且隨土層深度的增加,金屬離子發生沉積.

土壤 pH 值測定結果表明,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,大氣降水量遠遠低于蒸發量,大量鹽分積累[11];降雨時,鹽分下移到一定深度,蒸發時又不易溶解,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小幅度上升的趨勢.

3.3 土壤碳代謝相關酶與土壤含水量、電導率及pH值的相關分析

相關分析結果(見表1)表明,3種土壤酶活性與土壤含水量均呈負相關關系,其中土壤蔗糖酶活性與土壤含水量呈顯著負相關,相關系數為-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關系不顯著.土壤蔗糖酶和纖維素酶活性與土壤電導率均呈負相關關系,但土壤淀粉酶活性與土壤電導率呈正相關關系,相關性均不顯著.3種土壤酶活性與土壤pH值均呈負相關關系,相關性也不顯著.

表1 土壤酶活性與土壤環境要素相關性分析

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相關關系,土壤淀粉酶和纖維素酶活性與土壤含水量呈正相關關系,相關性均不顯著;堿草植被下3種土壤酶活性與土壤含水量均呈正相關關系,相關性均不顯著;堿蓬和黃花蒿兩種植被下3種酶活性與土壤電導率均呈負相關關系,其中堿蓬下土壤蔗糖酶活性與土壤含水量呈顯著負相關關系,相關系數為-0.980(P<0.05),其他各指標之間相關性均不顯著.

表2 不同植被下土壤酶活性與土壤環境要素相關性分析

對比分析不同植被下土壤酶活性與土壤電導率之間的關系(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率均呈負相關關系,相關性不顯著;堿草植被下土壤蔗糖酶和纖維素酶活性與土壤電導率均呈負相關關系,但土壤淀粉酶活性與土壤電導率呈正相關關系,相關性均不顯著;堿蓬植被下3種土壤酶活性與土壤電導率均呈正相關關系,其中土壤蔗糖酶活性與土壤電導率呈顯著正相關,相關系數為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值均呈負相關關系,相關性不顯著;堿草植被下土壤蔗糖酶和纖維素酶活性與土壤pH值均呈負相關關系,但土壤淀粉酶活性與土壤pH值呈正相關關系,相關性均不顯著;堿蓬植被下土壤蔗糖酶和纖維素酶活性與土壤pH值均呈正相關關系,但土壤淀粉酶活性與土壤pH值呈負相關關系,相關性均不顯著.

4 結果與討論

以上分析結果表明,3種土壤碳代謝酶活性平均值大體呈現為黃花蒿植被土壤最高、蘆葦植被土壤最低的現象.有研究[12]表明,土壤水分、養分、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相關關系.由本文的研究結果可見,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,這一現象與大多研究結果一致.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,影響了土壤酶的穩定性,也可能是導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[13],促使土壤微生物數量和活性增強,導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律,這可能與土壤表層因積累較多的植物殘體和腐殖質而導致的土壤有機質含量過高有關.張麗娜等[14]研究發現,土壤有機質含量對土壤淀粉酶活性具有強烈的直接效應.土壤淀粉酶和纖維素酶活性最低值出現在深層(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,土壤有機質含量也逐漸降低,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,與許多其他相關的研究結果不一致,這可能與研究區土壤環境條件差異有關.土壤中的酶主要來源于土壤微生物[15],蘆葦區土壤表層因積水條件導致根系正常生長活動受到抑制,也限制了土壤微生物的數量及其活性,降低了土壤酶活性;堿蓬區表層土壤板結堅硬,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酶活性及與環境影響因素的分析,結論如下:

(1) 4種植被土壤比較,3種土壤碳代謝酶活性大體呈現為黃花蒿植被土壤最高、蘆葦植被土壤最低的現象.土壤蔗糖酶和纖維素酶活性最低值出現在蘆葦植被土壤中、土壤淀粉酶活性最低值出現在堿蓬植被土壤中.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表現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土壤酶活性垂直規律不明顯;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,堿草蓬區土壤淀粉酶活性垂直規律不明顯.

(3) 研究區蘆葦、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:蘆葦>堿草>黃花蒿>堿蓬.土壤電導率: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率最低值出現10～20 cm土層,總體上呈現出隨著土層深度的增加而逐漸上升的現象,其他3種植被下土壤電導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值均呈負相關關系,土壤蔗糖酶和纖維素酶活性與土壤電導率均呈負相關關系,但土壤淀粉酶活性與土壤電導率呈正相關關系.其中土壤蔗糖酶活性與土壤含水量呈顯著負相關(-0.586,P<0.05),其他相關性均不顯著.