不同淋溶過程下土壤酶活性變化特征研究

童川 胡振 沈仁豪

摘? 要：為了研究不同降雨淋溶過程中土壤酶活性變化趨勢，利用模擬土柱裝置，設(shè)計(jì)了300、600、900和1200mm的模擬雨量水平，共進(jìn)行12次淋溶實(shí)驗(yàn)，分析淋溶后土柱內(nèi)土壤酶活性。結(jié)果表明：淋溶作用與土壤脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶之間存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01），隨著設(shè)計(jì)淋溶水量的增加，三者活性均表現(xiàn)降低趨勢。但是增加淋溶水量時(shí)，脲酶和蔗糖酶的活性變化減小，酸性磷酸酶受影響仍非常明顯，各組內(nèi)均有顯著性差異（P<0.05）。實(shí)驗(yàn)中土壤過氧化氫酶的活性沒有受到淋溶作用影響，在各處理組間基本沒有變化。

關(guān)鍵字：淋溶;模擬土柱;土壤酶活性

中圖分類號 X171.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2019）13-0123-03

Abstract：In order to study the trend of soil enzyme activities during different rainfall leaching processes，a soil column device was used to simulate leaching experiments with rainfall of 300，600，900 and 1200 mm. A total of 12 leaching experiments were carried out to analyze the soil enzyme activities in the soil column after leaching. The results showed that：There was a significant negative correlation between the activities of soil urease，acid phosphatase and invertase in leaching（P<0.01）. As the amount of leaching water increases，the activities of these three decreases. However，when the amount of leaching water was increased，the changes of soil urease and invertase activities were gradually reduced，but the effect to soil acid phosphatase was still very obvious. There were significant differences among the groups in acid phosphatase （P<0.05）. The soil catalase activity in the experiment was not affected by leaching，and the enzyme activities of each group were basically unchanged.

Key words：Leaching;Simulated soil column;Soil enzyme activity

土壤環(huán)境質(zhì)量變化一直是土壤學(xué)科研究的重點(diǎn)問題，其中，土壤酶作為土壤生態(tài)化學(xué)反應(yīng)的重要參與者和催化劑，反映出土壤中與特定酶種類相關(guān)的有機(jī)物轉(zhuǎn)化程度，是表征土體質(zhì)量與肥力的重要指標(biāo)[1]，在各類研究中越來越受到人們的重視。傳統(tǒng)方法一直以來根據(jù)土壤化學(xué)和物理屬性研究土壤質(zhì)量情況，但是隨著研究的深入和土地利用程度的加強(qiáng)，這種方法已經(jīng)難以滿足檢測精度和研究目的需要。因此，重新選擇可以全面又準(zhǔn)確地表現(xiàn)土壤環(huán)境變化的指標(biāo)，大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)利用土壤酶活性是完全有可能的[2]。土壤酶作用在特定基質(zhì)底物上，對外界條件的改變非常敏感，其活性大小直接影響?zhàn)B分轉(zhuǎn)化效率。研究表明，氧化還原酶與土壤腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化密切相關(guān)，可以將各種養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為易于吸收的小分子物質(zhì)，促進(jìn)土壤呼吸作用等，水解酶活性高低則代表了土壤分解氮磷等有機(jī)物的能力[3]。

另一方面，降雨淋溶過程中的土壤可溶性物質(zhì)和細(xì)顆粒隨土壤中流向下遷移，不僅影響了土壤養(yǎng)分流失，同時(shí)造成土壤孔隙結(jié)構(gòu)和透氣性等條件的改變，微生物活性和養(yǎng)分分解效率的下降，最終會(huì)對土壤質(zhì)量造成相應(yīng)改變。為了解淋溶過程對土壤環(huán)境的影響，本文利用室內(nèi)模擬土柱裝置并設(shè)計(jì)梯度淋溶水量條件，選取研究中較為常見的土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶作為研究對象，分析不同淋溶過程下的土壤酶活性變化特征，為研究保護(hù)土壤生態(tài)環(huán)境提供合理的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)土樣 本次研究土壤樣品取自合肥工業(yè)大學(xué)斛兵塘畔0～20cm表層土，人工挑去肉眼可見的雜質(zhì)和礫石，經(jīng)自然風(fēng)干后碾碎，并過2mm篩網(wǎng)貯存?zhèn)溆谩?shí)驗(yàn)土樣的基本理化性質(zhì)測定參考《土壤農(nóng)化分析》一書[4]，結(jié)果如表1所示。

1.2 模擬土柱裝置 實(shí)驗(yàn)所用土柱由內(nèi)徑5cm，高30cm的有機(jī)玻璃管制成。將過篩后土樣按實(shí)測容重填裝，形成約20cm高的模擬土柱。整個(gè)模擬土柱裝置從下往上依次為2cm厚石英砂層（20～40目，國藥），20cm模擬土柱，2cm厚石英砂層（20～40目，國藥），1cm高玻璃珠層以及5cm的超高，土柱和石英砂交界面均用100目紗網(wǎng)隔開，下端也用100目紗網(wǎng)仔細(xì)扎緊。利用馬氏瓶原理在土柱上方固定入水裝置控制淋溶水量和流速，防止靜水壓力破壞土柱穩(wěn)定性。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 通過參考年平均降雨量水平，設(shè)計(jì)了300、600、900和1200mm 4組模擬雨量水平，分別標(biāo)記為A、B、C和D。每隔3d進(jìn)行1次淋溶，給土壤充分的反應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)總時(shí)間39d，共進(jìn)行12次淋溶，模擬2年內(nèi)的降雨入滲水量?？鄢乇韽搅骱驼舭l(fā)損失（按40%計(jì)）[5]，折算成每次淋溶至土柱內(nèi)的水量分別為：60、118、177和235mL，淋溶用水為去離子水，同時(shí)設(shè)置未經(jīng)淋溶的土柱作為對照組（CK），每個(gè)處理均設(shè)3組平行。開始實(shí)驗(yàn)前將整個(gè)土柱浸泡在去離子水中2 d用以充分反應(yīng)、沉淀土體，之后取出土柱固定在鐵架臺(tái)上靜置3d達(dá)到田間最大持水量，開始淋溶實(shí)驗(yàn)。在淋溶結(jié)束后將整個(gè)土柱原樣倒出，置于室內(nèi)干凈、陰涼處自然風(fēng)干并研磨混勻，貯存?zhèn)溆?。根?jù)后續(xù)各土壤酶測試要求，取適量樣品過不同孔徑篩網(wǎng)進(jìn)行測定與分析。

1.4 測試和分析方法 土壤酶活性檢測方法參考《土壤酶及其研究方法》一書[6]。其中土壤脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，以24h酶促反應(yīng)后每克土樣中NH-N含量表示脲酶活性。酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法，以24h反應(yīng)后每克土樣釋放酚的質(zhì)量代表酸性磷酸酶活性。蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法，以24h反應(yīng)后每克土樣生成葡萄糖含量表示蔗糖酶活性。過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法，以每克土樣1h內(nèi)消耗0.1mol/L的KMnO4體積代表土壤過氧化氫酶活性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果用單因素方差分析（Oneway-ANOVA）研究各組數(shù)據(jù)之間的差異（顯著性水平α=0.05，n=3），并利用皮爾遜（Pearson）相關(guān)性法分析研究淋溶作用和各土壤酶活性的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同淋溶過程中土壤酶活性變化特征 經(jīng)檢測得出淋溶結(jié)束后各處理組土柱內(nèi)土壤酶活性大小如圖1所示。從圖中可以看出，經(jīng)過39d的不同淋溶水量處理后，隸屬于水解酶類的脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性的改變程度受淋溶作用影響較為明顯，均表現(xiàn)出不斷降低趨勢。各組土柱中土壤脲酶活性分別由0.65mg[·]g-1依次下降為0.39、0.33、0.29和0.26mg[·]g-1;酸性磷酸酶活性分別由0.49mg[·]g-1依次下降為0.42、0.37、0.31和0.25mg[·]g-1;蔗糖酶活性則分別由3.86mg[·]g-1依次下降為3.12、2.67、2.51和2.26mg[·]g-1。而各處理的土壤中過氧化氫酶活性幾乎沒有變化，空白和實(shí)驗(yàn)組中過氧化氫酶活性分別是2.01、2.07、2.11、2.02和2.09mL[·]g-1，基本不受土壤入滲水的影響。

用單因素方差分析法研究各組內(nèi)的關(guān)系，結(jié)果表明在B、C、D 3組間的土壤脲酶活性沒有顯著性差異，同樣，4個(gè)處理組內(nèi)的蔗糖酶活性也均沒有顯著性差異，說明增加淋溶水量對脲酶和蔗糖酶活性改變的影響變小。但是酸性磷酸酶受淋溶作用改變較大，5組不同處理之間均存在顯著性差異（P<0.05），增加淋溶水量對其活性影響很明顯。

2.2 淋溶作用與土壤酶活之間的相關(guān)性 利用Pearson相關(guān)性計(jì)算設(shè)計(jì)淋溶水量與各土壤酶的變化情況，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯敬窝芯窟x用的土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶的活性與淋溶作用之間均存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01），說明三者受淋溶的影響很大。一般來說，土壤酶活性與含水率之間的關(guān)系緊密，因?yàn)橥寥浪謼l件的改善有利于微生物活動(dòng)，并促進(jìn)土壤的物質(zhì)分解與循環(huán)[7]。但是研究表明含水率對土壤酶的影響存在閾值，超過該范圍后的酶活性受到抑制[8]。這是因?yàn)榱苋茏饔酶淖兺寥揽紫督Y(jié)構(gòu)和透氣性，隨著淋溶水量以及淋溶次數(shù)的增加，土壤孔隙越來越緊密，含氧量下降，厭氧環(huán)境中的微生物分解作用較弱，從而導(dǎo)致酶活性降低[9]。但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明過氧化氫酶活性與淋溶作用不相關(guān)，這與許華等人的結(jié)果相似[10]，可能是因?yàn)檫^氧化氫酶是廣泛存在于厭氧菌中的胞內(nèi)酶，因此受影響較小。也有研究證實(shí)土壤微生物結(jié)構(gòu)組成會(huì)影響酶活性，淋溶實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了4組階梯式淋溶水量，對土柱內(nèi)真菌、放線菌的數(shù)量和結(jié)構(gòu)均有一定影響，會(huì)在某一方面影響土壤酶促反應(yīng)過程[11]。此外，由于脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶同屬于水解酶類，作用功能相近，因此三者針對外界環(huán)境條件變化的反應(yīng)趨勢類似。

3 結(jié)論

（1）淋溶作用對土壤中脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶的活性影響顯著，三者均隨著淋溶水量增加不斷降低，說明淋溶過程影響了土壤正常生態(tài)循環(huán)過程。增加淋溶水量對脲酶和蔗糖酶活性的抑制作用逐漸變小，但是酸性磷酸酶活性受影響仍十分明顯。

（2）實(shí)驗(yàn)土壤中的過氧化氫酶反應(yīng)過程基本不受淋溶入滲水和顆粒結(jié)構(gòu)等條件改變的影響，各處理組中過氧化氫酶活性基本沒有區(qū)別。

（3）由于脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶均屬與水解酶類，三者對于外界條件的響應(yīng)表現(xiàn)出一定程度上的相似性。

參考文獻(xiàn)

[1]Burns R G，Deforest J L，Marxsen J，et al. Soil enzymes in a changing environment：current knowledge and future directions [J]. Soil Biology & Biochemistry，2013，58：216-234.

[2]Badiane N N Y，Chotte J，Pate E，et al. Use of soil enzyme activities to monitor soil quality in natural and improved fallows in semi-arid tropical regions [J]. Applied Soil Ecology，2001，18（3）：229-238.

[3]曹慧，孫輝，楊浩，等.土壤酶活性及其對土壤質(zhì)量的指示研究進(jìn)展[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2003，01：105-109.

[4]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2001.

[5]韓亞萍，馬耀光，吉鴻敏.酸雨對黃土磷的淋溶效應(yīng)[J].水土保持通報(bào)，2013，33（02）：66-71.

[6]關(guān)松陰.土壤酶及其研究法[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1986.

[7]Baldrian P. Microbial enzyme-catalyzed processes in soils and their analysis [J]. Plant Soil and Environment，2018，55（9）：370-378.

[8]Kivlin S N，Treseder K K. Soil extracellular enzyme activities correspond with abiotic factors more than fungal community composition [J]. Biogeochemistry，2014，117（1）：23-37.

[9]Gutknecht J L M，Henry H A L，Balser T C. Inter-annual variation in soil extra-cellular enzyme activity in response to simulated global change and fire disturbance [J]. Pedobiologia，2010，53（5）：283-293.

[10]許華，何明珠，孫巖.干旱荒漠區(qū)土壤酶活性對降水調(diào)控的響應(yīng)[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，54（06）：790-797.

[11]張靜茹，張雷一，劉方，等.降雨對干旱半干旱地區(qū)土壤微生物影響研究進(jìn)展[J].世界林業(yè)研究，2014，27（04）：6-12.

（責(zé)編：王慧晴）