2020, Vol. 29
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2. 中国地质调查局 黑土地演化与生态效应重点实验室, 辽宁 沈阳 110034
2. Key Laboratory of Black Land Evolution and Ecological Effects, CGS, Shenyang 110034, China
土壤酶是土壤的重要组成部分, 在土壤有机质分解和养分循环等生物化学过程中起着非常重要的催化作用[1].土壤酶活性的强弱能够影响作物吸收养分的有效性, 是土壤肥力和健康程度的一个重要指标[2-7].土壤中酶活性主要受土壤理化性质和管理方式等因素的影响[7-8].研究表明, 有机质能增加土壤酶活性、改善土壤结构、提高作物产量[9].不合理的土地利用会改变土壤中植物残体和腐殖质的状况, 进而影响土壤酶的活性[10-11].
东北黑土地是世界三大黑土地之一, 具有较高的自然肥力, 理化性状较好, 垦殖指数在80%以上, 是我国重要的商品粮生产基地, 对保障我国的粮食安全起着举足轻重的作用.但由于长期过度垦殖和落后的经营管理, 黑土质量退化严重.目前黑土质量已成为国内研究的重点课题之一, 但其中研究多指向土壤的物理和化学性质, 而从生态学的角度出发, 比较不同生态系统的生物和生物化学过程, 以揭示黑土质量退化机制的研究报道较少[12].
李东坡等[13]通过吉林省农业科学院黑土肥力长期定位研究表明, 不同的肥料管理方式对黑土微生物量和几种土壤酶活性影响较大.王树起[14]等在中科院海伦农业生态实验站长期定位实验基础上, 得出了长期施用化肥和有机肥均可不同程度地提高蔗糖酶和脲酶的活性, 而对过氧化物酶活性的影响微弱.前人通过大量的监测[15-18]认为农药的使用对土壤蔗糖酶、脲酶和过氧化物酶活性均产生不同程度的影响.王光华等[19]研究了不同管理方式对黑土土壤微生物量碳和土壤酶活性的影响, 结果表明表层土壤微生物量碳和土壤酶活性均表现为自然恢复>种植作物>休闲裸地; 土壤全碳和全氮、土壤全碳和微生物量碳、土壤微生物量碳和土壤酶活性之间都存在极显著的正相关关系; 土壤酶活性和土壤微生物量碳两项指标表明在自然恢复条件下黑土土壤质量较好.种植方式[20]、农作物种类[21-22]、土壤类型[23-24]等因素对土壤酶活性也具有重要的影响.本文旨在研究调查区内土地利用方式及主要理化指标对土壤酶活性的影响.
1 研究区概述研究区位于黑龙江省绥化海伦市(47°26′ N, 126°38′ E), 平均海拔234 m, 属温带大陆性季风气候, 冬季寒冷干燥, 夏季高温多雨, 雨热同季, 全年降水量500~600 mm, 其中80%以上集中在5~9月.年平均气温1.5 ℃, 无霜期120~130 d.研究区自然植被为草原化草甸杂草, 农作物以水稻、大豆、玉米为主.
2 研究方法 2.1 样品的采集本次工作于2019年7月在海伦市设计了11个土壤样品采集点, 除PM1921为单独的松树林外, 其余采样点都为相邻耕地和林地成对设计, 其中剖面编号奇数为林地, 偶数为耕地, 位置见图 1.表层和深层土壤地球化学样分别采集自深度0~10 cm和10~20 cm.在距地表 5~10 cm和15~20 cm分别采集表层和深层土壤酶活性土样.
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图 1 海伦市土壤样品采集点位置图 Fig.1 Soil sampling sites in Hailun City 1-研究区位置(study area); 2-样品采集点(sampling site) |
蔗糖酶酶解生成的还原糖可以与3, 5-二硝基水杨酸共热反应而生成橙色的3-氨基-5-硝基水杨酸, 在一定范围内还原糖的量和反应液的颜色深度成正比.本文利用可见光分光光度计测定还原糖含量来表示蔗糖酶的活性, 单位用10-3/d表示.为消除土壤中原有的蔗糖、葡萄糖引起的误差, 每一土样需做无基质对照, 整个实验均作了无土壤对照.
脲酶可以水解尿素产生NH3-N, 实验中利用可见光分光光度计测定脲酶在37 ℃环境下酶解产生的NH3-N含量来表示土壤脲酶活性, 单位为10-6/d.
过氧化物酶(POD)在过氧化氢存在下催化新型灵敏无毒显色剂生成有色物质, 后者在650 nm处有最大光吸收, 本次实验通过监测吸光度的变化来得出酶活性.本实验中将每克土样在37 ℃环境中每小时在反应体系中使650 nm处吸光值增加0.1为一个酶活力单位, 用ΔOD 650/(h·g)表示.
3 结果与分析 3.1 蔗糖酶土壤蔗糖酶又叫转化酶, 是土壤酶中的一种重要的酶类, 其酶促作用产物--葡萄糖是植物、微生物的营养源, 直接关系到作物的生长[25-26].
对取样位置接近而土地利用方式不同的采样点进行比较可知: PM1901/PM1902和PM1905/PM1906两组样品中林地蔗糖酶活性高于耕地; 而PM1903/PM1904和PM1907/PM1908两组结果指示林地蔗糖酶活性低于耕地(图 2).由此可以看出, 土地利用方式并不是决定土壤中蔗糖酶活性的主要因素.除PM1910和PM1921外, 其他采样点表层土壤蔗糖酶活性均高于深层土壤.通过对比表层和深层土壤蔗糖酶的活性可以发现, 相较于林地区, 耕地区表层和深层土壤蔗糖酶活性更为接近.人类每年的翻耕可能是造成这一现象的主要原因.
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图 2 不同土地利用方式土壤蔗糖酶活性比较 Fig.2 Comparison of soil sucrase activity by land use types 1-表层土壤(surface soil); 2-深层土壤(deep soil); PM1901、PM 1903、PM1907、PM1909采自杨树林(samples from poplar forest); PM1905、PM1921采自松树林(samples from pine forest); PM1902、PM1904、PM1906、PM1910采自玉米地(samples from corn field); PM1908来自大豆地(sample from soybean field) |
土壤脲酶是由简单蛋白质构成的生物催化剂, 一般认为是由土壤中的微生物产生的, 是存在于土壤中能催化尿素分解、具有氨化作用的高度专一性的一类好气性水解酶[27].
除位于大豆地中的PM1908样品脲酶活性显著高于邻近PM1907样品外, 其余相邻采样点土壤脲酶活性基本相当(图 3).就表层土壤而言, 耕地样品PM1902、PM1904和PM1908脲酶活性高于相邻林地样品PM1901、PM1903和PM1907;而耕地样品PM1906和PM1910土壤脲酶活性低于相邻林地样品PM1905和PM1909.相邻耕地和林地剖面深层土壤脲酶活性也没有表现出明显的差别.由此可以看出, 种植大豆可以显著地增加表层和深层土壤脲酶的活性, 除此之外土地利用方式的不同并不能引起土壤脲酶活性的显著变化.
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图 3 不同土地利用方式土壤脲酶活性比较 Fig.3 Comparison of soil urease activity by land use types 1-表层土壤(surface soil); 2-深层土壤(deep soil); PM1901、PM 1903、PM1907、PM1909采自杨树林(samples from poplar forest); PM1905、PM1921采自松树林(samples from pine forest); PM1902、PM1904、PM1906、PM1910采自玉米地(samples from corn field); PM1908采自大豆地(sample from soybean field) |
由表 1可以看出, 土壤脲酶活性与多种物理化学有一定相关性.其中土壤黏粒的含量与脲酶活性之间的相关性最为明显, 黏粒含量较多的土样中脲酶的活性也相对较高, 黏粒含量较少的土样中的脲酶活性也相对较低.有机质对脲酶的活性也具有一定的影响, 有机质含量较高的采样点脲酶活性也相对较高, 反之亦然.这与前人关于土壤脲酶活性的研究结论较为一致.有研究指出pH值对土壤脲酶的活性具有显著的影响[28], 而本次测试结果该特征并不明显, 这可能与研究区土壤均以弱酸性为主, pH值波动较小有关.
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表 1 土壤脲酶活性与理化指标 Table 1 Soil urease activity and physicochemical indexes for samples |
过氧化物酶是以过氧化氢为电子受体催化底物氧化的酶, 是由微生物或植物所产生的一类氧化还原酶, 它们能催化很多反应.
由图 4可以看出, 表层土壤和深层土壤中过氧化物酶活性并无显著的差别.就表层土样而言, 林地样品PM1901、PM1903、PM1907过氧化物酶活性高于相邻耕地样品, 而PM1905、PM1909林地土壤过氧化物酶活性低于相邻耕地, 即耕作与否对表层土壤过氧化物酶活性影响并不明显.不同于表层土壤, 深层土壤过氧化物酶活性普遍显示出林地高于耕地的特征.
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图 4 不同土地利用方式土壤过氧化物酶活性比较 Fig.4 Comparison of soil peroxidase activities by land use types 1-表层土壤(surface soil); 2-深层土壤(deep soil); PM1901、PM 1903、PM1907、PM1909采自杨树林(samples from poplar forest); PM1905、PM1921采自松树林(samples from pine forest); PM1902、PM1904、PM1906、PM1910采自玉米地(samples from corn field); PM1908采自大豆地(sample from soybean field) |
通过对比过氧化物酶活性平均值与土样的物理化学指标可以发现, 与酶活性最相关的因素为土壤有机质含量(表 2).通常而言, 有机质含量较高的土壤中过氧化物酶活性也越高, 此规律对深层土壤样品而言更加有效.
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表 2 土壤过氧化物酶活性与主要理化性质 Table 2 Soil peroxidase activity and physicochemical indexes for samples |
综合上述分析与结果可得, 同种土地利用方式下表层蔗糖酶活性高于深层土壤, 而脲酶和过氧化物酶则不受土壤深度的影响; 种植大豆可以显著增加土壤脲酶活性, 可能与大豆根系较强的固氮能力有关; 表层土壤过氧化物酶活性不受土地利用方式影响, 而深层土壤则显示出林地高于耕地的特征; 蔗糖酶活性与土地利用方式无关, 然而耕地区表层和深层蔗糖酶较于林地则显示出明显的均一性, 这可能与耕地每年翻耕作用有关; 土壤脲酶活性与土壤黏粒含量具有较强的正相关性, 而深层土壤过氧化物酶活性随着土壤有机碳含量的增加而增强.
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