鹽城灘涂濕地土壤酶活性特征及其影響因素

習盼，徐馳，劉茂松

(南京大學 生命科學學院，江蘇 南京 210023)

土壤酶主要來源于土壤微生物、植物根系分泌物和動植物殘體的分解，與土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、有機物分解和能量轉(zhuǎn)換等過程密切相關。土壤酶活性的高低直接影響土壤物質(zhì)循環(huán)速率，對生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要的作用[1-2]。大量研究表明，不同種類土壤酶的化學性質(zhì)和作用機制不同，酶活性特征和影響因素也存在明顯的差異[1]。已有的關于酶活性的研究多集中于森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，而對于處于海洋與陸地之間的灘涂濕地生態(tài)系統(tǒng)的研究相對較少。灘涂濕地生態(tài)系統(tǒng)地理位置獨特，在維護區(qū)域和全球生態(tài)系統(tǒng)平衡方面具有重要意義。明確灘涂濕地生態(tài)系統(tǒng)中土壤酶活性特征及其影響因素對于理解濕地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)分解、循環(huán)狀況具有積極意義。

鹽城灘涂濕地是我國面積最大的典型淤泥質(zhì)海濱濕地，從海岸到內(nèi)陸具有典型的植被演替序列，由海到陸分別生長著互花米草(SpartinaalternifloraLoisel.)群落、藨草(Scirpustriqueter)群落、鹽地堿蓬[Suaedasalsa(L.) Pall.]群落、蘆葦[Phragmitesaustralis(Cav.) Trin. ex Steud.]群落[3]。本研究以鹽城灘涂濕地上述4種典型植物群落為研究對象，通過野外調(diào)查和采樣分析，比較不同土壤酶活性的分布特征和影響因素，以期為灘涂濕地的生態(tài)恢復和功能提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

江蘇鹽城濕地珍禽國家級自然保護區(qū)位于江蘇省鹽城市區(qū)正東方向40 km，119°53′45″～121°18′12″E、32°48′47″～34°29′28″N[4]。該保護區(qū)東臨黃海，是世界自然遺產(chǎn)中國黃(渤)海候鳥棲息地的重要組成部分[5]。保護區(qū)處于暖溫帶與北亞熱帶過渡帶，受海洋性和大陸性氣候影響，年平均氣溫13.7～14.6 ℃，年無霜期210～224 d，年平均降水量1 000 mm[6]。

1.2 樣品采集

于2018年10月在保護區(qū)核心區(qū)內(nèi)互花米草群落、藨草群落、堿蓬群落和蘆葦群落中各隨機設置4個1 m×1 m的樣方。各樣地的基本信息如下：互花米草樣地，地理坐標為120.615°E、33.608°N，地上生物量8 746.72 g·m-2，系灘涂向海最外圍的植被帶，植被蓋度約86%，平均株高1.8 m；藨草樣地，地理坐標為120.594°E、33.600°N，地上生物量241.27 g·m-2，植被蓋度約32%，平均株高0.9 m；堿蓬樣地，地理坐標為120.571°E、33.588°N，地上生物量117.12 g·m-2，植被蓋度約23%，平均株高0.3 m；蘆葦樣地，地理坐標為120.554°E、33.579°N，地上生物量240.84 g·m-2，植被蓋度約53%，平均株高1.5 m。

在每個樣方中調(diào)查記錄植物株高、蓋度數(shù)據(jù)，采用全收獲法將植物地上部分收割帶回，在75 ℃恒溫下48 h烘干至恒重，測地上生物量(AGB)。在樣方內(nèi)將土壤從上到下分為0～10 cm(表層)、10～30 cm(中層)和30～60 cm(深層)3個土層，在每個土層分別以多點混合采樣方式采集土樣，共采集48份土樣，裝入塑料密封袋后帶回實驗室，測定土壤理化指標和土壤酶活性。

1.3 樣品處理與分析

1.3.1 樣品處理

土壤樣品帶回后剔除動植物殘體，用四分法取出適量土壤樣品分成2部分：一部分鮮土樣放在4 ℃冰箱中保存，用于測量土壤還原性物質(zhì)總量(RS)、電導率(EC)、平均粒徑(Mz)；另一部分在陰涼處風干、磨碎，過100目篩后裝入密封袋中保存，用于測定土壤pH值(pH)、總氮(TN)、總磷(TP)和土壤酶活性。

1.3.2 土壤理化指標測定

土壤含水量(SWC)采用烘干法測定；土壤容重(BD)采用環(huán)刀法測定；TN采用半微量凱式法測定； TP采用堿熔-鉬銻抗分光光度法測定；pH值用pH計測定(水土體積質(zhì)量比2.5∶1)；RS采用重鉻酸鉀氧化法測定；EC采用減壓過濾法測定；Mz用9300-Z型激光粒度分布儀(丹東百特儀器有限公司)測定土壤粒級結構后，按照Folk-Ward圖解法[7]計算。

1.3.3 土壤酶活性測定

土壤蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水楊酸比色法測定，酶活性以每克土每小時產(chǎn)生葡萄糖(37 ℃)的質(zhì)量(以mg計)表示；土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，酶活性以每天生成酚(37 ℃)的質(zhì)量(以mg計)表示；土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，酶活性以每小時消耗0.1 mol·L-1KMnO4(37 ℃)的體積(以mL計)表示。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Excel 2016和SPSS 19.0進行統(tǒng)計和分析，利用Origin 2019作圖。應用雙因素方差分析法(two-way ANOVA)比較不同植物群落和不同土層土壤酶活性的差異，對有顯著(P<0.05)差異的，采用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較。通過計算數(shù)據(jù)間的皮爾遜(Pearson)相關系數(shù)檢驗土壤酶活性與土壤因子等的相關性。

通徑分析通過對自變量與因變量之間直接相關性的分解，可以用來研究自變量對因變量的直接重要性和間接重要性，從而為統(tǒng)計決策提供可靠的依據(jù)[8]。本研究使用SPSS 19.0軟件的逐步回歸分析方法進行通徑分析[9]，比較各土壤因子和地上生物量對3種土壤酶活性的影響程度和相對貢獻。

2 結果與分析

2.1 鹽城灘涂濕地不同植物群落的土壤酶活性特征

鹽城灘涂濕地不同植物群落土壤蔗糖酶、磷酸酶和過氧化氫酶的活性如圖1所示?；セ撞萑郝?、藨草群落、堿蓬群落和蘆葦群落0～60 cm深度土壤蔗糖酶活性分別為4.89～10.16、1.75～6.71、1.46～3.55、1.63～4.20 mg·g-1·h-1?；セ撞萑郝涞耐寥勒崽敲富钚栽?個土層均顯著高于其他3種植物群落。在表、深層土壤中，藨草群落、蘆葦群落和堿蓬群落蔗糖酶活性無顯著差異；在中層土壤中，藨草群落蔗糖酶活性顯著高于堿蓬群落。垂直剖面上，蔗糖酶活性在表層土壤中最高，中、深層活性相對較低。

互花米草群落、藨草群落、堿蓬群落和蘆葦群落0～60 cm深度土壤磷酸酶活性分別為0.12～0.76、0.11～0.90、0.10～0.26、0.03～0.14 mg·g-1·d-1。表、中層土壤中，磷酸酶活性表現(xiàn)為藨草群落顯著高于堿蓬群落和蘆葦群落；深層土壤中，藨草群落與互花米草群落土壤磷酸酶活性無顯著差異，且均顯著高于堿蓬群落和蘆葦群落。垂直剖面上，互花米草群落磷酸酶活性在3個土層間無顯著差異；藨草群落和堿蓬群落表層土壤磷酸酶活性顯著高于中、深層土壤；蘆葦群落表、中層土壤磷酸酶活性顯著高于深層土壤。

互花米草群落、藨草群落、堿蓬群落和蘆葦群落0～60 cm深度土壤過氧化氫酶活性分別為0.92～1.44、1.77～1.82、0.92～1.69、1.25～1.77 mL·g-1·h-1。在4種群落中，藨草群落的過氧化氫酶活性在各土層均最高，而互花米草群落均最低。表、中層土壤中，藨草群落與蘆葦群落的過氧化氫酶活性無顯著差異，且均顯著高于互花米草群落和堿蓬群落。垂直剖面上，互花米草群落、藨草群落和蘆葦群落3個土層的過氧化氫酶活性無顯著差異，而堿蓬群落的表層土壤過氧化氫酶活性顯著低于中、深層土壤。

柱上無相同大寫字母的表示相同土層不同植物群落間差異顯著(P<0.05)；柱上無相同小寫字母的表示同一植物群落不同土層間差異顯著(P<0.05)。圖2同。圖1 鹽城灘涂濕地不同植物群落的土壤酶活性

2.2 鹽城灘涂濕地不同植物群落土壤因子含量

如圖2所示，RS在不同群落間差異較大，由高到低依次為互花米草群落、蘆葦群落、堿蓬群落、藨草群落，其中，在表、中層，藨草群落顯著低于其他3種群落。垂直剖面上，堿蓬群落RS含量從表層到深層遞減，而其他群落均表現(xiàn)為深層最高。SWC、TN含量由高到低依次為互花米草群落、藨草群落、蘆葦群落、堿蓬群落，互花米草群落、藨草群落SWC、TN含量顯著高于蘆葦群落和堿蓬群落，且TN含量在表層土壤中最高。

表層土壤中，EC含量表現(xiàn)為堿蓬群落顯著高于其他3種群落，藨草群落顯著低于其他3種群落，而互花米草群落和蘆葦群落無顯著差異；中層土壤中，各植物群落的EC含量無顯著差異；深層土壤中，互花米草群落和堿蓬群落的EC值顯著大于蘆葦群落和藨草群落。各土層中，互花米草群落的土壤pH值均最低，且顯著低于其他3種群落；除深層外，藨草群落、蘆葦群落和堿蓬群落的pH值無顯著差異。

Mz在各土層均表現(xiàn)為堿蓬群落和蘆葦群落顯著高于互花米草群落和藨草群落。其中，互花米草群落和堿蓬群落的Mz隨土壤深度增加遞減，而藨草群落、蘆葦群落的Mz則是在中層最高?；セ撞萑郝浔怼⒅袑拥腡P顯著高于其他群落，而其他群落在各土層間TP均無顯著差異。在表層和深層，蘆葦群落和堿蓬群落的BD均顯著大于互花米草群落和藨草群落。

2.3 土壤酶活性與土壤因子和地上生物量的關系

2.3.1 相關性分析

比較土壤酶活性與土壤因子和地上生物量的Pearson相關系數(shù)發(fā)現(xiàn)，3種土壤酶活性與土壤因子的關系存在差異(表1)。蔗糖酶活性與TN、TP、SWC、AGB、RS極顯著正相關，與BD、pH極顯著負相關，與土壤Mz顯著負相關(P<0.05)；磷酸酶活性與TN、SWC極顯著正相關，與TP顯著正相關，與BD、Mz極顯著負相關，與pH顯著負相關；過氧化氫酶活性與土壤pH極顯著正相關，與TP、RS、AGB、EC極顯著負相關。

圖2 鹽城灘涂濕地不同植物群落土壤因子含量

表1 土壤酶活性與土壤因子和地上生物量的相關系數(shù)

2.3.2 通徑分析

通徑分析可把相關系數(shù)分解為直接作用系數(shù)和間接作用系數(shù)，解釋因變量對自變量的相對重要性。土壤理化因子等對酶活性的影響較為復雜，為了正確評價土壤因子等對土壤酶活性的影響程度，選擇直接通徑系數(shù)和各土壤因子的間接通徑系數(shù)，定量闡釋各土壤因子對酶活性的影響程度[10]，結果如表2所示。

通徑分析結果表明，不同土壤酶活性的影響因子存在差異。AGB、TN和SWC是影響蔗糖酶活性的重要因子。AGB對蔗糖酶的直接正作用最大，TN對蔗糖酶活性主要是直接正作用和通過AGB起間接正作用，SWC對蔗糖酶活性起直接負作用，并通過AGB、TN對其產(chǎn)生間接正作用。

TN和RS是影響土壤磷酸酶活性的重要因子，且TN與磷酸酶活性的相關性大于RS。TN、RS對其直接通徑系數(shù)均大于間接通徑系數(shù)，表明兩者對磷酸酶活性的主要貢獻表現(xiàn)為直接作用。TN對磷酸酶的直接正作用最大，并通過RS起間接負作用；RS對磷酸酶活性起直接負作用，并通過TN對其產(chǎn)生間接正作用。

AGB、BD、EC和SWC是影響過氧化氫酶活性的重要因子。AGB對過氧化氫酶的直接負作用最大，并通過BD產(chǎn)生間接正作用。EC對過氧化氫酶活性產(chǎn)生直接負作用，并主要通過AGB起間接負作用。BD通過AGB、SWC對過氧化氫酶活性產(chǎn)生間接正作用，并對其有較強的直接負作用。

表2 土壤因子和地上生物量對土壤酶活性的通徑系數(shù)

SWC對過氧化氫酶活性起直接負作用，并通過AGB對其產(chǎn)生間接負作用，通過BD對其產(chǎn)生間接正作用。

3 討論

3.1 鹽城灘涂濕地不同植物群落土壤酶活性差異

土壤酶是土壤中的生物催化劑，在濕地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過程中起重要作用，可以反映土壤生物化學過程的方向和強度[11]。蔗糖酶和磷酸酶是土壤中重要的水解酶，其中，蔗糖酶是參與土壤有機碳循環(huán)的酶，磷酸酶是促進有機磷化合物分解的酶類[12]。過氧化氫酶屬于氧化還原酶，可以促進多種化合物的氧化，防止過氧化氫積累對生物體造成毒害。

國內(nèi)學者在鹽城灘涂濕地的相關研究表明，不同植物群落間土壤酶活性存在差異。毛志剛等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，互花米草群落下土壤蔗糖酶、過氧化氫酶和磷酸酶活性最高，堿蓬群落相對較低。李洪山等[14]的研究表明，土壤磷酸酶活性表現(xiàn)為互花米草群落>蘆葦群落>堿蓬群落，且蘆葦群落與堿蓬群落無顯著差異。黃利東等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，蘆葦群落土壤蔗糖酶和磷酸酶活性均值最高，堿蓬群落最低。

本研究發(fā)現(xiàn)，鹽城灘涂濕地不同植物群落下3種土壤酶活性存在較大差異。相比于堿蓬群落和蘆葦群落，互花米草群落和藨草群落下土壤蔗糖酶、磷酸酶活性較高，這與毛志剛等[13]的研究結果相同。毛志剛等[13]認為，不同植物群落的植被特征，尤其是植物生物量的差異會導致不同植物群落間土壤酶活性存在差異。蔗糖酶和磷酸酶與土壤營養(yǎng)物質(zhì)分解循環(huán)關系密切。本研究中地上生物量由高到低依次為互花米草群落、藨草群落、蘆葦群落、堿蓬群落，高地上生物量會向土壤中輸入較多的有機質(zhì)，從而導致較高的土壤酶活性。土壤過氧化氫酶在不同植物群落間的活性特征與蔗糖酶和磷酸酶差異較大，其中，藨草群落土壤過氧化氫酶活性最高，互花米草群落最低，堿蓬群落和蘆葦群落之間差異較小。

垂直剖面上，土壤蔗糖酶和磷酸酶活性在表層土壤中最高，顯示蔗糖酶和磷酸酶活性主要積累在表層土壤中，深層土壤中酶活性相對較低。而過氧化氫酶活性在中、深層土壤中高于表層土壤，這與李林海等[16]的研究結果相似，表明過氧化氫酶在不同群落間和不同土壤深度與蔗糖酶和磷酸酶等水解酶呈現(xiàn)出不同的活性特征。李林海等[16]認為，過氧化氫酶屬氧化還原酶類，其活性大小除與凋落物組成和根系分泌物有關外，土壤環(huán)境等也是影響其分布的重要因素。

3.2 鹽城灘涂濕地土壤酶活性與土壤因子和地上生物量的關系

相關性分析發(fā)現(xiàn)，3種土壤酶活性均與土壤含水量呈正相關，與容重呈負相關，顯示土壤含水量越高，土壤酶活性越強。此外，3種土壤酶活性與土壤平均粒徑呈負相關，這與劉存歧等[17]在長江口潮灘濕地的研究結果相同。劉存歧等[17]認為，土壤細顆粒有利于有機物的吸附，高有機物含量能夠為微生物提供電子受體，從而導致高的土壤酶活性。

此外，3種土壤酶活性的影響因子也存在差異。土壤蔗糖酶和磷酸酶活性與地上生物量和土壤N、P養(yǎng)分關系密切，與地上生物量、土壤TN、TP含量均為正相關。李艷紅等[18]對其的解釋為，較高的有機質(zhì)可以改善土壤通透性和緩沖能力，為土壤酶提供良好的土壤環(huán)境，同時有利于微生物的數(shù)量增加和生長代謝活動，因此，酶活性較強。土壤pH值與蔗糖酶、磷酸酶活性顯著負相關，顯示較高的土壤pH值不利于蔗糖酶、磷酸酶活性的提高。過氧化氫酶與土壤因子的關系與蔗糖酶和磷酸酶有較大不同，與土壤pH值顯著正相關，與地上生物量、TP顯著負相關，顯示出與水解酶類不同的響應特征。

通徑分析結果進一步表明，不同土壤酶活性的主要影響因子存在較大差異：地上生物量、總氮和土壤含水量是影響土壤蔗糖酶活性的主要因素；土壤總氮和還原性物質(zhì)總量是影響土壤磷酸酶的主要因子；地上生物量、土壤容重、土壤含水量和電導率是影響土壤過氧化氫酶活性的主要因素。TN對蔗糖酶、磷酸酶具有強烈的直接正作用；地上生物量對蔗糖酶具有較強直接正作用，對過氧化氫酶則表現(xiàn)出強烈負作用；SWC對蔗糖酶和過氧化氫酶的直接負作用被通過其他因素產(chǎn)生的正向間接作用所抵消；RS對磷酸酶起直接負作用，并被通過TN對磷酸酶活性的正向間接作用部分抵消；BD對過氧化氫酶起直接負作用，并被通過其他因素對過氧化氫酶活性的正向間接作用所抵消。