不同沙生植被土壤酶活性分異特征研究*

余 娜,劉濟(jì)明,張 超,戴全厚

(1.貴州大學(xué)林學(xué)院,貴陽 550025;2.西北農(nóng)林科技大學(xué),陜西 楊陵 712100)

沙漠化是當(dāng)今全球最嚴(yán)重的環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)問題之一,我國是世界上荒漠化危害嚴(yán)重的國家之一,尤其是我國北方的沙漠化以其面積廣大和發(fā)展迅速而引人關(guān)注。沙漠化過程使土壤的風(fēng)蝕作用加劇,破壞了土壤的理化性質(zhì),蓄水量減少且易蒸發(fā)失水,嚴(yán)重降低了土地生產(chǎn)潛力。通過篩選合適的植被類型構(gòu)建植被群落體系,可以有效地減少沙漠化土壤的風(fēng)蝕作用,固定流沙,促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)和黏粒積累,形成地表結(jié)皮,進(jìn)而改善土壤質(zhì)量[1-2]。土壤酶是高分子有機(jī)物催化分解的一類具有蛋白質(zhì)性質(zhì)的生物催化劑,主要來源于土壤微生物的活動、植物根系分泌物和腐解的動植物殘體[3],參與土壤中各種有機(jī)質(zhì)的分解、合成與轉(zhuǎn)化,以及無機(jī)物質(zhì)的氧化與還原等過程,是土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝的一類重要動力,在很大程度上反映土壤物質(zhì)循環(huán)與轉(zhuǎn)化的強(qiáng)度,常被用來反映土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警和敏感指標(biāo)[4-5],特別是在極其脆弱的荒漠化生態(tài)系統(tǒng)中土壤酶的生態(tài)作用就顯得更加重要[6]。

目前針對沙漠化土壤質(zhì)量的研究主要集中于土壤理化性質(zhì)和沙生植物的固沙機(jī)理上[7-10],而有關(guān)土壤生物學(xué)性質(zhì)雖有個別報道[6],但仍較為薄弱。因此本文選取毛烏素沙地南緣陜西省榆林沙生植物園中9種不同人工固沙植被土壤為研究對象,分析了土壤養(yǎng)分和酶活性的變化,旨在從土壤酶學(xué)角度篩選出適合沙地生長的植物類型,從而為制訂合理可行的防風(fēng)固沙林地的建設(shè)與管理方案提供參考,為人類研究退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

該研究區(qū)位于毛烏素沙地南緣陜西省榆林沙生植物園(109°41′75″E,38°22′38″N),地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原的過渡地帶,屬于典型的生態(tài)脆弱區(qū),平均海拔1 300 m,年均氣溫10℃,年均降水量400 mm。該區(qū)域長期來由于不合理的土地利用,導(dǎo)致嚴(yán)重的土地荒漠化,1958年開始在流動沙丘上進(jìn)行各項(xiàng)治沙技術(shù)和固沙林試驗(yàn)研究,經(jīng)過多年的工作,流動沙地全部改造為固定沙地,植被蓋度達(dá)80%以上。

在研究區(qū)內(nèi)選擇改造年限、相近坡位坡向一致的9種植被類型為研究對象,它們分別為刺槐(Robinia pseudoacacia,RP),沙蒿(Artemisia desertorum,AD),踏郎(Hedysarum mongolicum,HM),花棒(Hedysarum scoparium,HS),白檸條(Caragana korshinkii,CA),小葉楊(Simon poplar,SP),樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica,PS),油松(Pinus tabulaef ormis,PT),臭柏(Sabina vulgaris,SV),并選擇一個沙裸地為對照樣地(CK),具體樣點(diǎn)描述如表1。

表1 樣地基本特征

1.2 樣品采集及分析

在試驗(yàn)地各處理小區(qū)按S型選取9種沙生植物土壤:用土鉆法取0-20 cm混合土樣,重復(fù)3次。土壤p H值、全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷及速效鉀含量采用常規(guī)方法測定[11]。蔗糖酶測定:3,5-二硝基水楊酸比色法,以24 h后1 g土壤中含有的葡萄糖毫克數(shù)表示;脲酶測定:靛酚比色法,活性以24 h后1 g土壤中NH 3-N的毫克數(shù)表示;磷酸酶測定:磷酸苯二鈉比色法,以1 g土壤中24 h后苯酚的毫克數(shù)表示;過氧化氫酶測定:滴定法(0.1 mol/L的標(biāo)準(zhǔn)KMnO4液滴定),活性以1 g土壤20 min后消耗0.1 mol/L KMnO4毫升數(shù)表示;多酚氧化酶測定:碘量滴定法,酶活性用滴定相當(dāng)于1 g土壤慮液的0.01 mol/L I2的毫升數(shù)[3]。土壤酶評價指數(shù)方法參見參考文獻(xiàn)[12]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 15.0統(tǒng)計(jì)軟件,顯著水平為 P＜0.05和P＜0.01。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 不同沙生植物林地土壤化學(xué)性質(zhì)

土壤作為一種獨(dú)立的自然體,對水、肥、氣、熱及根系生長空間具有調(diào)節(jié)功能,同時又受各種環(huán)境因素的影響,土地利用方式的變化,可使土壤性質(zhì)發(fā)生顯著改變。退化的流動沙地經(jīng)過植被恢復(fù)后,不僅固定了流沙,而且顯著改善了土壤化學(xué)性質(zhì)(表1),總體表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷含量顯著增加,分別較沙裸地增加了53.4%～322.1%、49.6%～261.6%、32.5%～167.8%、501.1%～1415%、28.1%～2627%、17.1%～304.8%,p H 值除沙蒿和油松外均呈現(xiàn)降低趨勢。在不同化學(xué)性質(zhì)中各種植被對全磷和速效磷的改善作用最強(qiáng),而不同植被類型對土壤化學(xué)性質(zhì)的作用不一,總體來說臭柏、檸條、花棒、刺槐和樟子松對有機(jī)質(zhì)和氮素的改善作用最強(qiáng),踏郎、檸條和花棒對速效磷的改善作用最強(qiáng),小葉楊對速效鉀的增加作用最強(qiáng)。

表2 不同沙生植被土壤養(yǎng)分

2.2 不同沙生植物林地土壤酶活性分異特征

2.2.1 蔗糖酶 蔗糖酶直接參與土壤有機(jī)質(zhì)的代謝過程,對增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)起著重要的作用,其活性可以作為評價土壤熟化程度和土壤肥力水平的一個指標(biāo)[3,13-14]。一般情況下,土壤有機(jī)質(zhì)含量越高,蔗糖酶活性越強(qiáng)。沙裸地種植植被后,土壤蔗糖酶活性除沙蒿外均呈現(xiàn)顯著增加趨勢(圖1),分別較沙裸地增加69%～1 107%,其中刺槐和樟子松增幅最大,踏郎增幅最低,不同植被類型增加幅度差異較大。表明沙裸地種植植被后,歸還到土壤中的枯枝落葉增多,促進(jìn)了微生物代謝,蔗糖酶活性明顯提高,碳素轉(zhuǎn)化作用增強(qiáng)。

2.2.2 磷酸酶 土壤磷酸酶是生物磷代謝的重要酶類,在土壤磷素循環(huán)中起重要作用,可以加速有機(jī)磷的脫磷速度。磷酸酶活性與土壤中有機(jī)磷的含量呈正相關(guān),活性越高,土壤中有機(jī)磷的礦化速度越大,因此其活性可以被用來評價土壤磷素生物轉(zhuǎn)化方向與強(qiáng)度指標(biāo)和作為生態(tài)系統(tǒng)對外界環(huán)境因素響應(yīng)的指示物[15-16]。流沙地土壤磷酸酶活性較低,營造植被后除沙蒿和踏郎外均可顯著增加磷酸酶活性(圖3),增幅分別達(dá)83%～229%,其中樟子松和刺槐增幅最高,小葉楊增幅最低。磷是植物生長的主要營養(yǎng)元素之一,土壤中95%的磷是以遲效性狀態(tài)存在,當(dāng)全磷含量低于0.8～1.0 g/kg時,土壤常出現(xiàn)磷供應(yīng)不足。沙裸地由于沒有植被生長,長期處于侵蝕狀態(tài),導(dǎo)致土壤磷素貧瘠,隨著種植植被,磷酸酶活性明顯增強(qiáng),促進(jìn)了有機(jī)磷向無機(jī)磷轉(zhuǎn)化,從而為植物提供了更多的可利用的無機(jī)磷酸鹽,提高了磷素的有效性。

2.2.3 脲酶 土壤脲酶是存在于土壤中由簡單蛋白質(zhì)構(gòu)成的生物催化劑,其可將土壤中的有機(jī)化合物尿素水解為氨態(tài)氮,使植物所需的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為有效態(tài),對提高氮素的利用率和促進(jìn)土壤氮素循環(huán)具有重要意義[3]。沙裸地種植植被后,脲酶活性變化顯著(圖2),沙裸地上營造其它植被類型后,除小葉楊和踏郎沒有顯著增高外,其余7種植被類型較沙裸地均有顯著增加,增幅達(dá)19.9%～152.3%,花棒和白檸條增幅最高,其次為樟子松和沙蒿,最后增幅最小的刺槐、油松和臭柏。安韶山[14]等研究表明植被恢復(fù)可以提高土壤脲酶活性,并依賴于有機(jī)質(zhì)的存在,當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量增加時,酶積極參與其轉(zhuǎn)化分解過程,活性提高。本研究也表明植被生長可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,提高了土壤脲酶轉(zhuǎn)化底物的含量,脲酶活性增加,促進(jìn)了氮素的循環(huán)。

2.2.4 過氧化氫酶 過氧化氫酶能酶促水解過氧化氫分解為水和氧的反應(yīng),解除過氧化氫對植物的毒害作用,可以用來表征土壤的生化活性[17],與土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化速度密切相關(guān),在土壤物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化中占有重要地位[18]。如圖4所示,種植植被后除踏郎外過氧化氫酶活性均顯著高于沙裸地。增幅達(dá)54%～271%,其中油松和樟子松增幅最大,檸條增幅最低。以上說明隨著沙裸地種植植被有效地增加了土壤中營養(yǎng)物質(zhì),促進(jìn)了土壤生化代謝能力增強(qiáng),同時產(chǎn)生了更多的過氧化氫等有毒物質(zhì),為了緩解生物氧化作用對土壤和生物體的破壞能力,提高過氧化氫酶活性是一個主要的途徑。

2.2.5 多酚氧化酶 多酚氧化酶主要起著促進(jìn)土壤腐殖質(zhì)組分中芳香族化合物的轉(zhuǎn)化作用,從而形成胡敏酸分子,完成土壤芳香族化合物循環(huán)[19-22],常用來反映土壤腐殖質(zhì)狀況。相對于其它幾種酶沙裸地種植植被后,多酚氧化酶活性總體變幅不大,僅刺槐、油松和臭柏顯著降低,其余6種植被并未有顯著變化(圖5)。

目前針對植被恢復(fù)后土壤多酚氧化酶活性的變化規(guī)律還沒有一致的結(jié)論[23-25],這主要是由于凋落物的分解途徑較為復(fù)雜,我們的研究表明沙裸地種植不同植被后,雖然凋落物的種類差異較大,但是并未顯著影響多酚氧化酶活性,另一方面凋落物可能通過直接降解再縮合形成腐殖質(zhì)等途徑分解,從而造成多酚氧化酶活性的降低。

圖1 不同沙生植物蔗糖酶活性變化

圖2 不同沙生植物脲酶活性變化

圖3 不同沙生植物磷酸酶活性變化

圖4 不同沙生植物過氧化氫酶活性變化

圖5 不同沙生植物多酚氧化酶活性變化

圖6 不同沙生植物土壤酶活性變化

2.3 土壤酶活性與養(yǎng)分之間的相關(guān)關(guān)系

相關(guān)性分析表明(表 3),蔗糖酶、磷酸酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶活性之間具有顯著或極顯著的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)(P＜0.05,P＜0.01),且它們還和有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮具有顯著或極顯著的相關(guān)性,而與全磷、速效磷、速效鉀和p H值的相關(guān)性相對較弱;脲酶較其它酶活性相關(guān)性較低,僅和磷酸酶、堿解氮、速效磷具有較強(qiáng)的相關(guān)性。以上結(jié)果說明,不同種類的酶活性由于其在土壤中參與的生化反應(yīng)作用不同,造成和土壤不同養(yǎng)分因子之間的相關(guān)性具有一定差異性,但是總體上和土壤養(yǎng)分等具有較強(qiáng)的相關(guān)性,可以用來指示治沙過程中土壤質(zhì)量的演變過程。

2.4 土壤酶指數(shù)

從前面的分析可以看出,不同的植被類型對不同的酶種類影響差異都較大,為了克服不同酶活性在反映治理沙裸地的過程中土壤酶屬性演變過程的片面性,采用土壤酶指數(shù)(SEI)作為酶因子的綜合作用表征,從而客觀、全面地反映土壤酶活性的變化過程。

研究表明(圖6),SEI在沙裸地種植植被后變化顯著,增幅從大到小依次為刺槐林和樟子松、花棒、油松、臭柏、白檸條、小葉楊、沙蒿,踏郎和沙裸地沒有顯著差異。沙裸地由于沒有植被生長,因此很難有枯落物等物質(zhì)歸還到土壤中,造成土壤養(yǎng)分低下,加之水分虧缺,嚴(yán)重地制約了微生物的生長與繁殖,因此土壤酶活性相對較低,種植植被后,歸還到土壤中的枯落物顯著增加,促進(jìn)了微生物的生長與繁殖,酶活性增加。不同植被類型由于其枯落物種類、數(shù)量和根系分泌物等多種因素的差異,導(dǎo)致微生物種群數(shù)量發(fā)生異質(zhì)性,土壤酶活性產(chǎn)生分化。

表3 土壤酶活性與養(yǎng)分之間的相關(guān)分析

3 結(jié)論

(1)沙裸地種植植被后,土壤養(yǎng)分得到改善,總體表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷含量顯著增加,p H 值降低,臭柏、檸條、花棒、刺槐和樟子松對有機(jī)質(zhì)和氮素的改善作用最強(qiáng),踏郎、檸條和花棒對速效磷的改善作用最強(qiáng),小葉楊對速效鉀的增加作用最強(qiáng)。

(2)土壤酶隨沙裸地種植植被變化明顯,蔗糖酶、磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性總體呈升高趨勢,多酚氧化酶有所降低;不同植被類型對不同酶活性的改善作用表現(xiàn)出較強(qiáng)的異質(zhì)性;相關(guān)性分析表明土壤蔗糖酶、磷酸酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶活性之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性,并和有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮相關(guān)性較高;SEI在沙裸地種植植被后顯著增加,增幅從大到小依次為刺槐林和樟子松、花棒、油松、臭柏、白檸條、小葉楊、沙蒿,踏郎和沙裸地沒有顯著差異。

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