酶具有催化活性的蛋白質,它參與土壤中一切復雜的生物化學過程,在土壤乃至整個陸地生態系統中發揮著重要作用。作為土壤的重要組成部分,酶活性反映了土壤中進行的各種生物化學過程的強度和方向,同時又具有與環境的統一性,易受環境中物理、化學、生物因素的影響。長期以來,酶活性研究已成為土壤學的研究熱點,國內外學者對酶活性的研究主要集中在農田、森林、草地生態系統,對干旱區荒漠生態系統的研究還較少。
艾比湖自然保護區是國內最具代表性的溫帶干旱區濕地荒漠生態系統,生態區位與地理位置十分重要,是天山北坡地區綠洲與荒漠化共軛演進的中心,在調節氣候、維持區域生態平衡有著重要的作用。艾比湖自然保護區分布著荒漠、戈壁和濕地等自然景觀。該區特殊的地理位置和脆弱的生態系統對土壤、植被等變化非常敏感。由于干旱、風沙、鹽堿等不利自然因素和不斷增加的人口壓力,使該地區土壤退化、沙化等問題日益嚴重。近幾十年來,特別是人類活動引起了一系列以土地荒漠化為代表的生態逆向演替,產生了嚴重的環境惡化問題。因此,開展該地區生態系統中土壤酶與理化因子相互關系的研究,有助于揭示土壤性狀間的因果關系,對于防治土壤荒漠化、鹽漬化,促進生態可持續發展起著重要的作用。
本研究以新疆艾比湖國家自然保護區為例,對5 種不同土壤類型酶活性及理化性質進行了深入的探討,應用通徑分析方法定量解釋了土壤酶活性與理化性質之間的相關關系,以期進一步闡明土壤中酶活性與各要素之間的影響機理,為干旱區荒漠生態系統的合理開發利用和生態保護提供更多的信息。
1、 材料與方法
1. 1 研究區概況
艾比湖自然保護區位于準噶爾盆地西南,地處82°36' ~ 83°50'E,44°30' ~ 45°09'N。該區域處于內陸干旱區及阿拉山口大風通道區,氣候極端干燥,降水稀少,屬典型溫帶大陸性干旱氣候。年蒸發量1 600 mm以上,年降水量 100 mm 左右,日照時數約2 800 h,極端最高氣溫44℃ ,極端最低氣溫- 33 ℃ 。由于保護區嚴酷的自然環境和獨特的地形特征,使其發育了石漠、礫漠、沙漠、鹽漠、沼澤和鹽湖等多樣化的地貌景觀,與之相對應,區內表現為多樣化的地帶性土壤,有黑鈣土、栗鈣土、棕漠土、灰鈣土、灰漠土、灰棕漠土和風沙土及其他隱域性土壤。
1. 2 采樣方法
以艾比湖自然保護區內不同土壤類型為研究對象,采樣時間為 2009 年 6 月。采用典型土壤類型取樣的方法,選取黑鈣土、栗鈣土、棕漠土、灰漠土和灰鈣土 5 種土壤類型,每種土壤類型采 10 ~ 15 個樣點,共 60 個樣點。采集土樣時選取表層土壤\\(0 ~15 cm\\) ,設置 3 次重復,將 3 次重復的土樣去除植物根系和石塊,充分混勻并用四分法取 1 kg,混勻風干研磨過篩以供測定。以上樣地選取時要求地理位置相近、土壤性質均一。艾比湖流域鹽堿脅迫嚴重,土壤養分含量低。
因此,根據當地土壤狀況,選取與鹽堿脅迫相關的過氧化氫酶,與 N、P 物質循環有關的脲酶、磷酸酶以及與土壤有機碳相關的蔗糖酶作為土壤酶指標,同時選取相關的土壤理化指標\\(表 1\\) 。
過氧化氫酶活性測定采用高錳酸鉀容量法; 磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉比色法; 脲酶活性測定采用苯酚鈉比色法; 蔗糖酶\\(又名 1 轉化酶或 β -呋喃果糖苷酶\\) 活性測定采用硫代硫酸鈉滴定法。具體測量參照李振高等對土壤酶活性測定方法。
土壤水分測定采用烘干法; 土壤酸堿度\\(pH\\) 測定采用電位法; 土壤可溶性總鹽含量測定采用重量法; 土壤有機質測定采用重鉻酸鉀法; 土壤全氮測定采用凱氏定氮法; 土壤速效磷測定采用碳酸氫鈉法; 堿解氮采用堿解擴散法。具體測定方法參照《土壤農化分析》和《土壤理化分析》。
1. 3 數據處理
對原始數據進行數據轉換和正態分布檢驗后,采用 SPSS 17. 0 軟件開展數據統計分析,結合單因素方差分析進行不同土壤類型酶活性和理化指標的差異性分析,最后用 Excel 2003 作圖; 對數據標準化后,建立土壤酶活性與理化因子的多元線性回歸方程,并完成顯著性檢驗,在顯著性檢驗成功后,利用通徑分析方法,計算理化因子對土壤酶活性的直接、間接通徑系數和決定系數。
2、結果分析
2. 1 不同土壤類型酶活性與理化性質
不同土壤類型受流域地區復雜的氣候與水鹽運移規律影響,其土壤理化性質和酶活性差異較大。
由圖 1 可知,各土壤類型的理化狀況,土壤含水量表現為: 黑鈣土 > 栗鈣土 > 棕漠土 > 灰鈣土 > 灰漠土;土壤總鹽含量棕漠土最高,且與其他 4 種土壤類型之間存在顯著差異。各土壤類型 pH 差異不顯著,其中,黑鈣土最低; 土壤營養元素中,有機質、全氮和堿解氮均表現為相似的分布規律,其在黑鈣土中含量最高,而速效磷在黑鈣土中含量相對較小,其在栗鈣土中含量最高。
由圖 2 可知,各土壤類型酶活性分異規律明顯,黑鈣土過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性均較高,分別為\\(4. 327 ± 0. 403\\) mL·g- 1、\\(0. 341 ±0. 043\\) mg · g- 1、\\(1. 975 ± 0. 126\\) mL · g- 1和\\(0. 298 ±0. 080\\) mg·g- 1,與其他土壤類型差異顯著。主要是由于黑鈣土發育程度較高,植被豐富,土壤含水量、有機質、全氮、堿解氮及酶活性較高,而含鹽量、pH 相對較低,生態性能較好。
2. 2 土壤酶活性與理化性質之間的通徑分析
2. 2. 1 土壤酶活性和土壤理化性質典型相關分析對土壤 4 種酶活性〔過氧化氫酶\\(y1\\) 、磷酸酶\\(y2\\) 、脲酶\\(y3\\) 、蔗糖酶\\(y4\\) 〕與 7 種土壤理化因子〔土壤含水量\\(x1\\) 、總鹽\\(x2\\) 、pH\\(x3\\) 、有機質\\(x4\\) 、速效磷\\(x5\\) 、全氮\\(x6\\) 、堿解氮\\(x7\\) 〕進行典型相關分析\\(表 2\\) 。土壤酶活性與理化性質之間相關關系表現為: 總鹽和 pH 對土壤酶活性整體表現為負效應,土壤水分、有機質、速效磷和堿解氮對土壤酶活性均表現為正效應,且均表現為顯著相關性。用典型相關分析得出的土壤酶活性與土壤理化性質之間的關系較為單一,結論簡單,為了能更加深入地分析土壤中各理化性質對土壤酶活性的影響,進行通徑分析。
2. 2. 2 直接和間接通徑系數 通徑分析是一種因果機理分析方法,其直接和間接通徑系數之和在數值上等于相關系數,直接通徑系數反映各主要土壤理化因子對土壤酶活性直接影響作用的大小,而間接通徑系數反映了某一理化因子通過其他理化因子對土壤酶活性產生的間接影響程度,這種影響力更具客觀性,因而也更具真實表現力。與典型相關分析相比,通徑分析提供更多信息,可揭示土壤酶活性與各理化性質的密切程度,且能指出這種關系中哪種作用處于主導地位。將土壤酶活性與土壤理化性質的測定結果做標準化處理,并逐步多元回歸分析,得到標準多元回歸方程:
過氧化氫酶\\(y1\\) 、磷酸酶\\(y2\\) 、脲酶\\(y3\\) 、蔗糖酶\\(y4\\) 活性與土壤理化性質的多元線性回歸方程均達顯著性水平\\(P < 0. 01\\) ,自變量 x1~ x7可以分別解釋 96. 09%、86. 61%、96. 06% 和 92. 07% 的y1~ y4變化,誤差分別為 3. 91%、13. 39%、3. 94% 和7. 93% ?；貧w方程中的系數即為直接通徑系數,它乘以各因子之間的相關系數\\(表 2\\) 就得到間接通徑系數\\(表 3\\) 。
土壤理化因子對過氧化氫酶活性的直接作用系數為: 速效磷 > 有機質 > 含水量 > 全氮 > 堿解氮 >pH > 總鹽。速效磷和有機質對過氧化氫酶活性的直接通徑系數較大,表現為對脲酶活性有強烈的直接正效應。全氮和堿解氮與過氧化氫酶活性之間的直接通徑系數較小,但通過其他理化因子能較大程度上作用于過氧化氫酶活性,對過氧化氫酶活性有較大的間接正效應。土壤 pH 對過氧化氫酶活性存在較小的直接負效應,但主要通過負作用于速效磷等因子,較大程度上間接影響過氧化氫酶活性。從通徑分析結果可見,直接影響過氧化氫酶活性的主導因子是有機質和速效磷。
有機質和堿解氮對磷酸酶活性的直接通徑系數較大,為 0. 554 和 0. 334,對磷酸酶活性有較大的直接正效應。土壤含水量、速效磷和全氮等理化因子均對磷酸酶活性的直接影響較小,其主要通過影響土壤有機質而作用于磷酸酶活性,對磷酸酶活性存在較大的間接正效應。pH 對磷酸酶活性有較小的直接作用,但通過作用于其他理化因子,亦能在一定程度上影響磷酸酶活性。因此,有機質和堿解氮是直接影響磷酸酶活性的主導因子。
土壤全氮和有機質均對脲酶活性存在較大的直接正效應,分別為 0. 613 和 0. 537。土壤含水量對脲酶活性存在直接的負效應和較大的間接正效應,間接通徑系數達 1. 147。土壤總鹽、pH 及速效磷均與脲酶活性之間的直接、間接通徑系數均較低,影響較小。因此,全氮、有機質和土壤水分是影響脲酶活性的最主要因子。
總鹽、堿解氮對土壤蔗糖酶活性的直徑通徑系數較大,分別為 -0. 647 和 1. 056,兩者對蔗糖酶活性分別有強烈的直接負效應和直接正效應。土壤含水量、有機質、速效磷和全氮等理化因子對蔗糖酶活性表現為較小的直接通徑系數,但主要通過作用于其他土壤因子而獲得對蔗糖酶活性較大的間接正效應。pH 是制約蔗糖酶活性的主要因子,與蔗糖酶活性之間表現為較小的直接正效應和較大的間接負效應。影響蔗糖酶活性的主導因子是總鹽和堿解氮。
2. 2. 3 決定系數 決定系數 Dij表示兩相關原因共同對結果的相對決定程度,從計算結果\\(表 4\\) 可知,速效磷對過氧化氫酶的直接通徑系數較大,得出的決定系數較大,表明速效磷是影響過氧化氫酶的主導因子; 有機質對磷酸酶活性的決定系數 D44較大,堿解氮對磷酸酶活性的決定系數 D77亦較大,同時有機質和堿解氮的共同決定系數 D47也相對較大,因此,土壤有機質和堿解氮是影響磷酸酶活性的最主要因子; 全氮、有機質對土壤脲酶活性的直接通徑系數較大,其對脲酶活性的決定系數值 D66和 D44相對較大且為正值,同時共同決定系數 D46亦較大,表明影響脲酶活性的主要因子是有機質和全氮。蔗糖酶活性的決定系數 D77和 D22相對其他理化因子較大,表明堿解氮和總鹽對蔗糖酶活性起著決定性作用。
3、 結論與討論
干旱區荒漠生態系統不同土壤類型理化性質表現不一?？傮w表現為黑鈣土土壤含水率較高,有機質、速效磷、全氮等土壤養分相對豐富,酶活性較高,生態性能較其他土壤類型更好。棕漠土、栗鈣土總鹽含量高,鹽漬化程度重,土壤養分及酶活性相對較低,生態性能較之黑鈣土相對較差?；意}土、灰漠土土壤含水率極低,養分含量較低,酶活性較小,土壤貧瘠。
土壤理化性質對土壤酶活性具有深刻的影響,土壤水分、空氣、鹽分、有機質、礦質元素和 pH 影響著土壤酶的活性及穩定性。結合通徑分析和決定系數表明,不同理化因子對各種酶活性的影響方式、影響強度均有所差異。土壤有機質是影響該地區酶活性的主導因子,對過氧化氫酶、磷酸酶和脲酶活性均存在較大的直接正效應。土壤有機質是土壤中酶促底物的主要供源,是土壤酶的載體,當土壤有機質含量增加時,一定程度上可以促進微生物的活動,極大地提高土壤酶活性。Taylor 等研究表明,土壤酶與土壤有機質之間存在顯著正相關。胡斌等對退化生態系統土壤酶與肥力的關系研究中,也得出土壤有機質是影響酶活性的主要因子。
速效磷對過氧化氫酶活性的直接通徑系數較大,較大程度影響過氧化氫酶活性。速效磷是土壤中可被植物、動物和細菌真菌等吸收的磷組分,而過氧化氫酶主要來源于細菌、真菌及植物根系的分泌物。因此,速效磷含量與過氧化氫酶活性息息相關,是影響過氧化氫酶活性的關鍵因子。全氮對脲酶活性直接通徑系數較大,是直接影響脲酶活性的主導因子。氮素不僅是土壤酶的組成部分,而且累積在土壤有機質中的氮還決定了酶進入土壤中的數量。
侯彥會等研究得出,全氮對脲酶活性具有顯著的直接效應,土壤速效氮、速效磷等對脲酶活性的直接作用不大,主要通過全氮對脲酶活性產生間接影響。
堿解氮對磷酸酶和蔗糖酶活性有強烈的直接作用。堿解氮是在近期內可被植物吸收利用的有效氮,能夠較好地反映近期內土壤氮素供應狀況和氮素釋放速率,是直接參與土壤酶合成的主要原料,直接影響土壤酶活性。這與漆良華等對湘西北小流域土壤酶活性及養分之間關系的研究結果相似,水解氮、全氮質量分數對土壤蔗糖酶活性有顯著地影響。 土壤總鹽含量對蔗糖酶存在較大的直接負效應。本文研究對象為干旱區荒漠生態系統,其鹽漬化現象普遍,土壤 pH 相對較大,含鹽量較高,對蔗糖酶活性存在顯著的負效應,亦通過影響土壤有機質、養分等理化因子間接制約蔗糖酶活性。
與簡單相關或多元回歸分析方法不同,應用通徑分析方法研究土壤酶活性與理化性質之間的關系,可以獲得更多的信息,更客觀,更全面地解釋二者之間的相互關系,詳細闡釋了理化因子對土壤酶活性的影響方式和強度,為干旱區荒漠生態系統的合理開發利用及生態保護提供更多可用信息。本研究僅選取了部分主要的土壤酶活性和理化因子,影響酶活性變化的其他因素尚待進一步研究。
參考文獻 :
〔1〕 張玉蘭,陳利軍,張麗莉. 土壤質量的酶學指標研究〔J〕. 土壤通報,2005,36\\(4\\) : 598 - 604.
