土壤酶活性與土壤肥力的關(guān)系研究進(jìn)展

高彥波，翟鵬輝，譚德遠(yuǎn) (北京東方園林生態(tài)股份有限公司，北京100012)

作為土壤組分之一，以穩(wěn)定蛋白質(zhì)形態(tài)存在的土壤酶素具有生物催化劑之稱。它們既是土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化的執(zhí)行者，又是植物營養(yǎng)元素的活性庫［1］。土壤酶活性反映土壤中進(jìn)行各種生物化學(xué)過程的強(qiáng)度和方向。它們易受環(huán)境中物理、化學(xué)和生物因素的影響。因此，土壤酶活性與土壤狀況的關(guān)系為各國學(xué)者所關(guān)注。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在研究土壤酶活性與土壤肥力的關(guān)系時(shí)，主要采用相關(guān)性分析和主成分分析等方法。主成分分析作為一種重要的多元統(tǒng)計(jì)分析方法在諸多復(fù)雜體系研究如經(jīng)濟(jì)金融分析、復(fù)雜環(huán)境分析、環(huán)境質(zhì)量評價(jià)以及圖像識別等領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用［2－4］。對于一些多變量的復(fù)雜體系，主成分分析可有效地降維，在一個(gè)相對低維空間內(nèi)對研究體系進(jìn)行描述。但是，主成分是全體測定指標(biāo)的線性組合，其表征的意義往往不明確;相關(guān)分析反映的只是兩個(gè)單變量之間的總體關(guān)系，相關(guān)性分析的結(jié)果并不代表因果性。筆者總結(jié)了國內(nèi)外土壤酶活性與土壤肥力關(guān)系的最新研究進(jìn)展，并且針對國內(nèi)外學(xué)者在研究土壤酶活性與土壤肥力的關(guān)系時(shí)存在的不足給予建議。

1 土壤酶的研究概況

1.1 土壤酶的來源 土壤酶主要來源于植物根系、微生物和動植物殘?bào)w。Hoffmann認(rèn)為，微生物是脫離活體的酶的唯一來源。Phaff曾詳細(xì)地研究了微生物在合成的和天然的培養(yǎng)基中釋放出各種胞外糖酶的情況［5］。另一些學(xué)者則傾向于認(rèn)為土壤酶活性主要來源于植物根系。有研究表明，玉米和番茄根能分泌出磷酸酶和核酸酶［6］。然而，許多植物生理學(xué)家累積的大量資料表明，植物根系確實(shí)能將一些酶分泌到根際土壤，但是由于技術(shù)的原因，很難區(qū)別根際土壤中植物和微生物對土壤酶的貢獻(xiàn);半分解和分解的根茬、莖桿、落葉、腐朽的樹枝、藻類和死亡的土壤動物都不斷地向土壤釋放各種酶類;翻壓的綠肥和還田的各種作物秸稈是土壤酶的良好基質(zhì)，在腐解過程中也向土壤釋放大量的酶類。蔗糖酶來源于酵母、鏈孢酶、小麥根、植物根系;脲酶來源于真菌、細(xì)菌、植物根系、水稻根;蛋白酶來源于小麥根、植物根系;磷酸酶來源于玉米根、番茄根、枯草桿菌、細(xì)菌、變形蟲;過氧化氫酶來源于植物根系;多酚氧化酶來源于植物根系;果膠酶來源于球形固氮菌。

1.2 土壤酶的存在狀態(tài) 土壤中酶的狀態(tài)研究較少。有限的資料認(rèn)為，土壤中的酶包括胞內(nèi)酶和胞外酶。胞外酶存在于土壤溶液中，一部分呈游離狀態(tài)，附著在植物根冠、根的表皮組織表面或附著在微生物、土壤動物機(jī)體的表面;另一部分呈吸附狀態(tài)，有關(guān)資料表明，黏土礦物對酶有吸附作用，這種作用程度因黏土礦物和酶的種類而異。周禮凱等［7］研究表明，我國東北地區(qū)荒地黑土和不同肥力耕地的黑土中土壤酶的活性存在顯著差異，肥力越高，土壤酶的活性越強(qiáng)。在無機(jī)組分，土壤中不同種類的酶與不同的土壤機(jī)械組成都會表現(xiàn)出不同的酶活性。劉廣深等［8］指出，粉粒對轉(zhuǎn)化酶活性的作用尤為顯著，黏粒對酸性磷酸酶、沙粒對脲酶有一定的影響且均主要體現(xiàn)在直接效應(yīng)。

1.3 土壤酶活性的動態(tài)變化 土壤酶隨著土層深度的增加，表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。曹幫華等［9］研究了濱海鹽堿地刺槐白蠟混交林土壤酶活性的分布狀況，發(fā)現(xiàn)土壤酶活性在土層中的分布有一定的規(guī)律性，總的來說，隨著土層的加深，土壤酶活性逐漸減弱。宋海燕等［10］在濱海鹽堿地棗園土上研究了過氧化氫酶、脲酶和多酚氧化酶在土層中酶活性的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)3種酶的活性隨土層深度的增加均不斷減弱，且過氧化氫酶活性的下降幅度最大，其次是脲酶和多酚氧化酶。安韶山等［11］研究表明，以植物的根系為中心，土壤酶的活性在水平方向上表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。曹幫華等［9］通過對濱海鹽堿地刺槐白蠟混交林土壤酶的研究表明，純林和混交林中根際土的磷酸酶、蛋白酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶的活性明顯高于林地土中酶的活性。土壤酶活性的季節(jié)性變化主要受環(huán)境條件和植物生長等的綜合影響。張其水等［12］在杉木林連在林地營造混交林后研究表明，土壤酶活性以林木旺盛生長的夏季最高，春季次之，冬季最低。這與胡延杰等［13－14］的研究一致。

2 土壤酶活性與土壤肥力因素關(guān)系的研究方法概況

2.1 土壤酶活性與土壤肥力因素的相關(guān)性分析 土壤酶學(xué)的研究從一開始就是與土壤肥力的研究緊密聯(lián)系在一起的。大量的研究表明，土壤的酶活性與土壤的物理特性、水熱狀況、土壤的無機(jī)組分和化學(xué)組成、吸收性復(fù)合體的特征以及農(nóng)業(yè)技術(shù)措施等都密切相關(guān)。土壤供應(yīng)作物養(yǎng)分的能力不僅取決于潛在養(yǎng)分的有效化過程，而且取決于土壤膠體吸收性離子的有效程度。這兩個(gè)方面的作用都和土壤酶的活性有關(guān)，所以土壤酶活性和土壤肥力的關(guān)系十分緊密［15］。但是，簡單相關(guān)不能全面考察變量間的相互關(guān)系，使得結(jié)果帶有一定的片面性。宋海燕等［10］研究了濱海鹽堿地棗園土壤酶活性與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土壤脲酶與速效氮、全磷、速效磷、有機(jī)質(zhì)和速效鉀活性不相關(guān)。而許景偉等［16］在不同類型的黑松混交林的研究中認(rèn)為，脲酶與有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效鉀密切相關(guān)。陳光升等［17］在研究縉云山常綠闊葉林土壤酶活性與土壤肥力的關(guān)系中指出，多酚氧化酶活性與全氮含量、有機(jī)質(zhì)和有效磷均呈顯著負(fù)相關(guān)，與水解氮、有效鉀、pH都未達(dá)到顯著水平。這表明多酚氧化酶活性越大，土壤養(yǎng)分含量越低。過氧化氫酶的活性與有效磷、全氮、水解氮、有機(jī)質(zhì)、有效鉀均呈0.01水平顯著相關(guān)，與pH呈0.05水平顯著相關(guān)［17］。而趙林森等［18］研究表明，過氧化氫酶與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷含量間差異均未達(dá)到顯著水平。楊樹混交林的研究表明，酸性磷酸酶活性與土壤中全氮、堿解氮、全鉀、有效鉀及速效磷的含量呈正相關(guān)，與全磷呈負(fù)相關(guān)［19］。

不同學(xué)者在研究土壤酶活性與土壤肥力的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)不同地域的氣候條件、土地類型、地理環(huán)境、植被和土壤的肥力狀況等眾多因素對描述土壤酶活性與土壤肥力的相關(guān)性分析結(jié)果不盡相同。但是，相關(guān)性不等于因果性，例如土壤脲酶的活性與土壤有機(jī)質(zhì)含量在不同環(huán)境表現(xiàn)出相反的相關(guān)性，并不代表正相關(guān)時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量越高，對脲酶活性的直接正效應(yīng)就越大，或負(fù)相關(guān)時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量越高，對脲酶活性的直接正效應(yīng)越小。因此，要透過現(xiàn)象看本質(zhì)，通過進(jìn)一步的分析對土壤酶活性與土壤肥力的關(guān)系進(jìn)一步挖掘。

2.2 土壤酶活性與土壤肥力因素的通徑分析 通徑分析的本質(zhì)是將回歸自變量和因變量之間的簡單相關(guān)系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)。這樣不但可以反映自變量對因變量的直接效應(yīng)，而且可以反映自變量之間的相互作用對因變量的間接效應(yīng)。若將土壤脲酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶、轉(zhuǎn)化酶活性與土壤的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行回歸，得到4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)回歸方程，回歸方程中自變量xi的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)即直接通徑系數(shù)用Pyxi表示，Pyxi代表xi對依變量的直接效應(yīng);若以Rij代表xi和xj的簡單相關(guān)系數(shù)，則Rij×Pyxj為xj對依變量的間接通徑系數(shù)，Rij×Pyx代表xi通過xj對依變量的間接效應(yīng)。直接通徑系數(shù)和間接統(tǒng)計(jì)系數(shù)滿足Riy=Pyxi+∑Rij×Pyxj(j≠i)，以脲酶、酸性磷酸酶與土壤養(yǎng)分關(guān)系為例。

2.2.1 脲酶。脲酶是一種對土壤有機(jī)氮分解、轉(zhuǎn)化起非常重要作用的酶。它是一種專一性酶，主要促使尿素生成氨、二氧化碳和水，從而被樹木吸收利用。黃書濤［19］采用通徑分析法研究了黃河三角洲鹽堿地土壤脲酶的活性與土壤性質(zhì)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在表面上，土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀與脲酶活性的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到顯著水平，但是它們對脲酶的直接作用都很小，而是通過其他因素對脲酶活性的間接作用引起的，速效氮與脲酶的活性也達(dá)到0.05顯著水平，且是通過自身直接作用實(shí)現(xiàn)的。含鹽量對土壤脲酶活性有顯著的直接效應(yīng)，pH對脲酶活性的直接作用和間接作用都很小［20］。

2.2.2 酸性磷酸酶。磷酸酶活性能夠表示有機(jī)磷轉(zhuǎn)化狀況。酶促反應(yīng)的產(chǎn)物——有效磷是植物磷素營養(yǎng)源之一。劉廣深等［7］用通徑分析法研究了磷酸酶與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系，結(jié)果表明全氮、有機(jī)質(zhì)是影響磷酸酶活性的兩個(gè)最重要的指標(biāo)。全磷、pH、黏粒對磷酸酶的直接作用最大，而間接作用很小，說明它們是主要通過直接效應(yīng)作用于磷酸酶的。CEC、粉粒、沙粒、黏粒對磷酸酶的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)都很小，因此它們不是影響磷酸酶的主要因素［9］。

2.3 逐步回歸及通徑分析在主成分分析中的應(yīng)用 將逐步回歸分析和通徑分析引入主成分分析中，測定指標(biāo)對主成分逐步回歸分析保留了對主成分影響顯著的指標(biāo)，剔除了對主成分作用較小或存在共線性的指標(biāo);通徑分析揭示了測定指標(biāo)對主成分的直接影響和間接影響，體現(xiàn)了指標(biāo)間的相互作用，能夠?qū)χ鞒煞值谋碚饕饬x進(jìn)行充分地揭示和命名?？傊鞒煞址治鼋Y(jié)合逐步回歸分析和通徑分析可對多指標(biāo)體系中的指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，實(shí)現(xiàn)測定指標(biāo)的真正降維。目前，這種方法在土壤酶活性及土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系的應(yīng)用方面還從未見過，但值得一提。

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