松嫩平原鹽堿草地土壤酶活性與植物群落特征的關(guān)系初探

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(哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江省普通高等學(xué)校植物生物學(xué)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150025)

松嫩平原草地是我國著名的天然草場，又是東北西部的綠色生態(tài)屏障，也是我國重要的畜牧業(yè)基地之一，具有較高的經(jīng)濟價值和重要的生態(tài)意義。但隨著自然環(huán)境的變化以及人類活動的干擾，草地鹽堿化程度逐漸加重，鹽堿化的加劇會對土壤微生物活性和群落組成產(chǎn)生直接的影響[1-2]，也會通過影響植物根系和土壤動物的活動而對土壤微生物群落產(chǎn)生間接的作用，最終影響土壤酶的活性[3-5]。土壤中的一切生物化學(xué)反應(yīng)，實際上都是在酶的參與下進行的，土壤的酶活性反映了土壤中進行的各種生物化學(xué)過程的強度和方向，它是土壤的本質(zhì)之一[6]，也是土壤變化的敏感指標(biāo)[7]。Dick等[8]早在1992年就指出：“土壤酶有助于描述和預(yù)測不同生態(tài)系統(tǒng)的功能、質(zhì)量及各系統(tǒng)間的相互作用”。進入21世紀(jì)以后，不同生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性的研究已經(jīng)成為生態(tài)學(xué)的熱點問題之一。在草地生態(tài)系統(tǒng)中，人們對土壤酶的研究主要集中在以下幾個方面：1)不同類型草地土壤酶活性研究，涉及的草地類型包括草甸草地[9]、荒漠草地[10-11]、高寒草地[12-13]、鹽堿草地[14-16]、沙化草地[17]等；2)草地逆行演替不同階段土壤酶活性研究，包括輕度、中度、重度退化草地[18-21]；3)人為干擾對草地酶活性影響的研究，如放牧[22-23]、刈割[24-25]、施肥[26]、外來污染[27-30]等；4)不同恢復(fù)措施下草地土壤酶活性研究，包括合理放牧[31]、圍封禁牧[32-33]、土耕恢復(fù)[34]等。從這些研究不難看出，學(xué)者們關(guān)注的焦點在于不同生物、非生物環(huán)境對土壤酶活性的影響，而在草地土壤-植被連續(xù)系統(tǒng)中，地上生物環(huán)境變化(植物群落)是否會引起土壤酶活性的響應(yīng)還較少涉及，因此在前期研究工作的基礎(chǔ)上[35-36]，進一步探討松嫩平原鹽堿草地土壤酶活性與植物群落特征的關(guān)系，為鹽堿草地的合理利用和改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于松嫩平原的西南部草地，地理位置為45°53′-47°08′ N和123°45′-124°42′ E，平均海拔152 m。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬長雪少，天氣寒冷；夏短濕熱，降水集中；春季風(fēng)大，氣候干燥；秋涼氣爽，時有早霜。年平均氣溫4.0 ℃，月平均氣溫穩(wěn)定在0 ℃以上的日數(shù)為210 d，年降水量300～500 mm。土壤類型為草甸鹽堿土，一般鹽分含量為15～100 g·kg-1。

1.2 樣品采集與處理

2016年5-9月的每月15-20日，5月平均氣溫11.5 ℃，降水總量36 mm；6月平均氣溫18.5 ℃，降水總量74 mm；7月平均氣溫21 ℃，降水總量127 mm；8月平均氣溫19 ℃，降水總量110 mm；9月平均氣溫12 ℃，降水總量61 mm。在研究區(qū)域內(nèi)隨機選取1 m×1 m的典型樣方9個，在每個樣方內(nèi)進行植物群落調(diào)查，記錄植物種類、蓋度、高度等群落特征。5月樣地內(nèi)植物有8科15屬13種、6月樣地內(nèi)植物有12科22屬22種、7月樣地內(nèi)植物有9科19屬20種、8月樣地內(nèi)植物有10科22屬22種、9月樣地內(nèi)植物有8科16屬18種。主要的植物有羊草(Aneurolepidiumchinense)、苔草(Carextristachya)、虎尾草(Chlorisvirgata)、鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)、蔓委陵菜(Potentillachinensis)、蒲公英(Taraxacumofficinale)、車前草(Plantagoasiatica)、黃蒿(Artemisiascoparia)、稗草(Echinochloacrusgalli)等。

將所有地上植被沿地表剪下，按照植物種類分別封裝。然后在每個樣方內(nèi)去除植被殘體，隨機選取3個樣點，采集0～20 cm土層土壤樣品，充分混合。將植物和土壤樣品帶回實驗室，將植物樣品烘干，用于生物量的測定；將土壤樣品除去植物殘根，自然風(fēng)干后，過1 mm篩，用于土壤酶活性的測定。

1.3 土壤酶活性的測定方法

過氧化氫酶(catalase，CAT)活性的測定采用高錳酸鉀滴定法，多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)活性和過氧化物酶(peroxidase，POD)活性的測定采用鄰苯三酚比色法，蛋白酶(protease，PRO)活性的測定采用茚三酮比色法，堿性磷酸酶(alkline phosphatase，AKP)活性的測定采用磷酸苯二鈉比色法，轉(zhuǎn)化酶(invertase，INV)活性的測定采用二硝基水楊酸比色法[37]。

1.4 植物群落特征計算方法

利用Pielou均勻度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、物種均勻度指數(shù)來表征各樣地的植物群落特征。各指數(shù)的計算方法如下：

豐富度指數(shù)(R):R=S

式中：S為物種總數(shù)；ni為抽樣中第i個物種的重要值；N為抽樣中所有物種的重要值總和；Pi是第i個物種的重要值ni占所有種的重要值總和N的比例，即Pi=ni/N。

重要值=[(相對重量+相對蓋度+相對密度+相對高度)/4]×100%

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

采用SAS 9.2軟件對試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析、相關(guān)分析和逐步回歸分析；應(yīng)用典范對應(yīng)分析(canonical correspondence analysis, CCA)對土壤酶活性與植物群落特征的關(guān)系進行分析，通過CANOCO 4.5軟件建立二維排序圖。采用Excel軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿草地生長季內(nèi)土壤酶活性的變化

在植物不同生長季內(nèi)，鹽堿草地6種土壤酶活性的變化規(guī)律不同(圖1)。土壤多酚氧化酶和過氧化物酶活性在5月較高，隨后降低，到8月最低，9月又升高(圖1A，圖1C)；土壤過氧化氫酶活性、轉(zhuǎn)化酶活性先升高后降低，峰值出現(xiàn)在8月(圖1B，圖1F)；土壤蛋白酶活性先降低后升高，最低值出現(xiàn)在7月(圖1D)；土壤堿性磷酸酶活性在6月降低，隨后升高，到9月達(dá)到最大(圖1E)。

2.2 鹽堿草地生長季內(nèi)植物群落特征的變化

在植物不同生長季內(nèi)，鹽堿草地植物群落特征的變化規(guī)律不同(圖2)。Pielou指數(shù)在整個生育期變化較小(圖2A)；Shannon指數(shù)和豐富度呈“雙峰”變化，在6和8月較高，而在5、7、9月較低(圖2B，圖2D)；Simpson指數(shù)在8月最高，其他月份較低(圖2C)；均勻度指數(shù)先降低后升高，在6月最低，而在9月最高(圖2E)；生物量先增加后降低，峰值出現(xiàn)在8月(圖2F)。

2.3 鹽堿草地生長季內(nèi)土壤酶活性與植物群落特征的關(guān)系

2.3.1土壤酶活性與植物群落特征的相關(guān)分析 對整個植物生長季內(nèi)的土壤酶活性和植物群落特征關(guān)系進行相關(guān)分析(表 1)，結(jié)果表明多酚氧化酶活性和Shannon 指數(shù)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；過氧化物酶活性和Shannon指數(shù)、豐富度指數(shù)、Simpson指數(shù)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01，P<0.05)；轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶活性和Pielou指數(shù)顯著正相關(guān)(P<0.05)；過氧化氫酶、蛋白酶活性和植物群落特征間無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05)；植物群落特征中的均勻度指數(shù)和生物量與酶活性間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。

圖1 不同生長季內(nèi)土壤酶活性的變化Fig.1 Changes of soil enzyme activities in different growing season

2.3.2土壤酶活性與植物群落特征的逐步回歸分析 對具有相關(guān)關(guān)系的多酚氧化酶、過氧化物酶、堿性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶和Pielou指數(shù)、Shannon 指數(shù)、Simpson指數(shù)、豐富度指數(shù)進一步進行回歸分析，結(jié)果表明,多酚氧化酶活性在8月與Simpson指數(shù)有較好的量化關(guān)系，關(guān)系式為Y=-0.009+0.053X(F=5.72，P<0.05)；過氧化物酶活性在7月與Shannon 指數(shù)有較好的量化關(guān)系，關(guān)系式為Y=2.047-1.950X(F=7.56，P<0.05)；堿性磷酸酶活性在9月與Pielou均勻度指數(shù)有較好的量化關(guān)系，關(guān)系式為Y=1.535+4.388X(F=9.31，P<0.05)；轉(zhuǎn)化酶活性在7月與豐富度指數(shù)有較好的量化關(guān)系，關(guān)系式為Y=2.887+0.551X(F=6.11，P<0.05)。

2.3.3土壤酶活性與植物群落特征的典范對應(yīng)分析 在整個生長季內(nèi)，對不同月份土壤酶活性和植物群落特征進行典范對應(yīng)分析(圖3，表2)，結(jié)果表明，在研究的6種土壤酶中，只有過氧化物酶活性出現(xiàn)在第一排序軸，其特征值為0.107，梯度長度為0.523，其余5種土壤酶活性均未出現(xiàn)在圖中，說明多酚氧化酶、過氧化氫酶、蛋白酶、堿性磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶活性與植物群落特征沒有典范對應(yīng)關(guān)系。過氧化物酶活性與各植物群落特征都是負(fù)對應(yīng)關(guān)系，對應(yīng)大小的順序是：豐富度指數(shù)>Shannon多樣性指數(shù)>均勻度指數(shù)>Simpson多樣性指數(shù)>生物量>Pielou均勻度指數(shù)。

圖2 不同生長季內(nèi)植物群落特征的變化Fig.2 Changes of plant community characteristics in different growing season

指標(biāo)IndexPielou指數(shù)Pielou indexShannon 指數(shù)Shannon indexSimpson指數(shù)Simpson index豐富度指數(shù)Species richness index均勻度指數(shù)Evenness index生物量Biomass多酚氧化酶PPO-0.193-0.367*-0.185-0.226-0.180-0.097過氧化氫酶CAT-0.2570.054-0.0560.104-0.081-0.187過氧化物酶POD-0.181-0.470**-0.266*-0.331*-0.245-0.163蛋白酶PRO0.190-0.113-0.074-0.217-0.078-0.272堿性磷酸酶AKP0.340*-0.1520.188-0.2590.201-0.039轉(zhuǎn)化酶INV0.331*0.2300.2020.1030.1800.079

注：* 表示相關(guān)顯著(P<0.05)，** 表示相關(guān)極顯著(P<0.01)；n=45。

Note：* indicate significant correlation on the 0.05 level, ** indicate significant correlation on the 0.01 level;n=45.

3 討論

圖3 土壤酶活性與植物群落特征間的典范對應(yīng)分析Fig.3 The CCA analysis of soil enzyme activity and plant community characteristics A: 均勻度指數(shù)Evenness index; B: Simpson多樣性指數(shù)Simpson index; C: Pielou均勻度指數(shù)Pielou index; D: 生物量Biomass; E: Shannon多樣性指數(shù)Shannon index; F: 豐富度指數(shù)Species richness index；圖中數(shù)字代表不同月份Numerals represent different months.

3.1 鹽堿草地生長季內(nèi)土壤酶活性的變化

在以往草地研究中，學(xué)者們研究得比較多的酶類有過氧化氫酶、磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶、脲酶等[38-40]，這些酶類在土壤呼吸及土壤碳、氮、磷循環(huán)中具有重要作用，而課題組在研究中發(fā)現(xiàn)多酚氧化酶、過氧化物酶與土壤代謝間也存在著密切關(guān)系[16,18,41]，因此選擇了多酚氧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、蛋白酶、堿性磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶這6種典型酶類來進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著生育期的變化，各個酶表現(xiàn)出一定的順序作用，在春季(5、6月)多酚氧化酶、過氧化物酶、蛋白酶和堿性磷酸酶的活性都較高，說明土壤代謝過程比較活躍，土壤氮、磷代謝旺盛，到夏季時(7、8月)過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶活性升高，土壤呼吸和土壤碳代謝強烈，而9月各個酶恢復(fù)到原來水平，這與朱麗等[42]、李鳳霞等[43]研究的過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶、多酚氧化酶及堿性磷酸酶活性的變化規(guī)律一致。過氧化物酶在松嫩鹽堿草地中的研究還較少報道，需要在以后的工作中進一步研究探討。

3.2 鹽堿草地生長季內(nèi)植物群落特征的變化

植物群落的生產(chǎn)力和物種多樣性是表征群落結(jié)構(gòu)和功能的重要量化指標(biāo)[44]，它們是植物生物學(xué)特性和外界環(huán)境條件共同作用的產(chǎn)物，也可以反映不同自然地理條件與群落的相互關(guān)系[45]。Shannon多樣性指數(shù)能客觀地反映物種的豐富度和均勻度，Pielou均勻度指數(shù)能較好地反映物種的均勻程度，Simpson指數(shù)能較好地反映群落的優(yōu)勢度，豐富度指數(shù)能較好地反映不同植物群落類型在物種組成方面的差異，物種均勻度是指一個群落或環(huán)境中的全部物種個體數(shù)目的分配狀況。本研究中，不同鹽堿草地植物群落特征隨季節(jié)變化呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，這是由于鹽堿草地的異質(zhì)性較強，不同樣地植被多樣性變化較大，而不同植被的生長發(fā)育特性不同，在不同生育期對環(huán)境的適應(yīng)能力也不同，只有生物量的變化與以往研究的單一群落如堿蓬(Suaedaglauca)群落、虎尾草群落、羊草群落生物量的季節(jié)動態(tài)變化有相似之處[46]，但Pielou均勻度指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)、Simpson指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)等群落特征指數(shù)的變化還無一定的規(guī)律可循，在研究時要綜合考慮氣候及土壤環(huán)境因子的變化進行探討。

表2 植物群落分布DCA排序Table 2 DCA ordinations of plant communities

3.3 鹽堿草地生長季內(nèi)土壤酶活性與植物群落特征的關(guān)系

在土壤-植物-大氣連續(xù)體(soil-plant-atmosphere continuum，SPAC)中，土壤、植被生長以及外界環(huán)境間會存在某種聯(lián)系，在不同生態(tài)系統(tǒng)中表現(xiàn)也會不同[47]。在草地生態(tài)系統(tǒng)中，學(xué)者們很少關(guān)注地上植被生長與土壤特性間的關(guān)系，僅有的研究表明，松嫩鹽堿草地植物群落特征受土壤養(yǎng)分、鹽分的共同影響，在不同季節(jié)各種土壤因子和植物群落特征的關(guān)系不同[48]。盡管研究中發(fā)現(xiàn)土壤酶(多酚氧化酶、過氧化物酶、堿性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶)和植物群落特征(Pielou指數(shù)、Shannon 指數(shù)、Simpson指數(shù)、豐富度指數(shù))間存在一定的相關(guān)關(guān)系或在某個月份表現(xiàn)出量化關(guān)系，但將土壤酶活性與植物群落特征作為兩組變量進行CCA分析后，這種對應(yīng)關(guān)系基本消失(過氧化物酶除外)，說明在SPAC系統(tǒng)中，還很難將土壤酶的活性和植物群落特征指數(shù)聯(lián)系在一起，這可能是因為地上植物的生長并不會立即對土壤生物產(chǎn)生直接的影響，尤其當(dāng)植物群落特征分異較大時，植物群落特征分異與土壤生物學(xué)的變化并不同步，植物群落特征發(fā)生反應(yīng)需要經(jīng)過一定的時間，其生長后的凋落物進入土壤后才會引起土壤生物發(fā)生響應(yīng)。至于在何種生境中植物群落特征會與土壤酶存在某種聯(lián)系，還有待于進一步研究。

值得一提的是，過氧化物酶活性與植物群落特征間存在較好的對應(yīng)關(guān)系，過氧化物酶是土壤中一種重要的氧化還原酶類，能利用微生物活動和某些氧化酶(例如尿酸鹽氧化酶)的作用來氧化土壤有機物質(zhì)，在腐殖質(zhì)的形成中具有重要作用[49]。本研究發(fā)現(xiàn)過氧化物酶表現(xiàn)為與各群落特征指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，這說明在鹽堿草地鹽堿化過程中，過氧化物酶活性逐漸增強，這可能是土壤對不良環(huán)境的一種適應(yīng)性反應(yīng)，有利于土壤在逆境條件下進行有機質(zhì)的代謝過程，可以在鹽堿草地研究中，嘗試將過氧化物酶作為一個敏感的指標(biāo)來指示植物群落的變化過程。但需要指出的是研究過氧化物酶活性在鹽堿草地中的變化規(guī)律只是對土壤生物學(xué)指標(biāo)的一種初步嘗試，還應(yīng)選擇不同的酶類及不同區(qū)域的鹽堿草地類型進行深入研究。

4 結(jié)論

1)在不同生長季內(nèi)，土壤酶活性和植物群落特征變化規(guī)律不同，與以往研究結(jié)論一致。2)在整個生長季內(nèi)，多酚氧化酶活性和Shannon 指數(shù)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；過氧化物酶活性和Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)和豐富度指數(shù)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01，P<0.05)；轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶活性和Pielou指數(shù)顯著正相關(guān)(P<0.05)。3)在不同生長季內(nèi)，土壤酶活性和植物群落特征關(guān)系不同。7月過氧化物酶活性與Shannon指數(shù)、轉(zhuǎn)化酶活性與豐富度指數(shù)有量化關(guān)系，8月多酚氧化酶活性與Simpson指數(shù)有量化關(guān)系，9月堿性磷酸酶活性與Pielou指數(shù)有量化關(guān)系。4)CCA分析結(jié)果表明過氧化物酶與植物群落特征間存在較好的對應(yīng)關(guān)系。