賈國梅, 席 穎, 許文年, 陳芳清

(1.三峽大學 生物與制藥學院, 湖北 宜昌 443002; 2.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心, 三峽大學, 湖北 宜昌 443002)

?

三峽庫區(qū)消落帶土壤酶活性特征

賈國梅1,2, 席 穎1, 許文年2, 陳芳清1

(1.三峽大學 生物與制藥學院, 湖北 宜昌 443002; 2.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心, 三峽大學, 湖北 宜昌 443002)

土壤酶驅動土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的循環(huán)和控制生態(tài)系統(tǒng)的功能。選取三峽庫區(qū)消落帶三個海拔梯度的土壤，以從未淹沒的樣地作為對照，研究消落帶土壤酶活性特征。結果表明，消落帶區(qū)域土壤有機碳(OC)、微生物生物量碳(MBC)和所測定的四種酶[磷酸酶(PNP)、芳基硫酸酯酶(PNS)、N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶(NAG)和β-糖苷酶(PAG)]的絕對活性(單位土壤干重的酶活性)和四種酶的幾何平均數(shù)(GME)顯著低于從未淹沒的對照樣地。在消落帶區(qū)域，只有磷酸酶的絕對活性隨著淹沒持續(xù)時間的延長而降低，其他土壤三種酶的絕對活性在三個樣地之間并無顯著性的差異。土壤四種酶的幾何平均數(shù)與有機碳、微生物生物量碳的變化相似，在海拔梯度較低的樣地最低，其他兩個較高海拔梯度的樣地之間無顯著性的差異。然而單位有機碳或微生物生物量碳的四種酶的具體活性的變化趨勢與酶的絕對活性的變化并不一致。PNP的具體活性在所有測定的樣地之間都無顯著性的差異，而其他三個酶的具體活性是海拔最低的樣地顯著高于其他樣地，其他樣地之間并無顯著性的差異。因而，這些結果意味著四種酶的幾何平均數(shù)能夠敏感指示三峽庫區(qū)消落帶水位消漲及其不同淹沒持續(xù)時間對土壤質量的影響，是一個能夠綜合反映所有土壤酶活性對消落帶水位消漲的響應的敏感指標。

土壤質量; 土壤酶; 有機碳; 微生物生物量碳; 消落帶

消落帶是流域景觀內生物地球化學過程最為活躍的區(qū)域[1],其水文是限制消落帶生物活性和生物地球化學過程的關鍵因素[2]，控制和維持消落帶生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能。土壤酶是土壤組分中最活躍的有機成分之一，參與土壤生境中的一切生物化學過程，綜合反映土壤生物化學過程的方向和程度[3]，能夠敏感指示和預警土壤生境的變化[4]，可作為評價土壤質量和養(yǎng)分供養(yǎng)能力的重要表征[5-6]。因而在消落帶水位消漲過程中土壤酶的生態(tài)作用就顯得尤為重要[7-8]。

目前針對消落帶的研究主要集中在土壤理化特性和植被的動態(tài)的研究[9]，但是很少有研究報道消落帶不同海拔梯度土壤酶活性的特征。因而，本研究以三峽庫區(qū)消落帶不同海拔梯度的消落帶土壤為研究對象，對參與有機質分解和營養(yǎng)循環(huán)的幾種酶進行了研究，揭示三峽庫區(qū)消落帶土壤酶特征及其對海拔梯度變化的響應，以期為消落帶生態(tài)系統(tǒng)土壤質量的管理提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)域選擇緊鄰三峽大壩的秭歸縣的童莊河消落帶和香溪河消落帶。該地區(qū)氣候屬亞熱帶大陸性季風氣候，氣候溫暖濕潤，四季分明，雨熱同季，熱量充沛。年平均氣溫為17.9℃，年平均降水量為1 006.8 mm，年日照時間1 631.5 h，無霜期年平均為260 d左右。土壤類型為紫色土。

1.2土樣采集

在兩個樣地分別選擇典型消落帶回水區(qū)，劃分不同高程段如表1所示，在每個固定的樣帶首先調查消落帶土壤質地情況，選擇質地相同的樣地隨機取樣。在2011年5月(庫區(qū)水位是155 m左右,即155 m以下處于淹沒狀態(tài))取樣，分別沿海拔高程按照從未淹沒區(qū)(NI)(175～185 m)、淹沒時間較短區(qū)(HL)(165～175 m)、淹沒時間中等區(qū)(ML)(155～165 m)和淹沒較長區(qū)(LL)(145～155 m)選取4個代表樣地，以從未淹沒區(qū)域作為對照(表1)。在每個梯度按照蛇形法在0～20 cm各采取5個點的土壤，然后每5個樣點的土壤分別混合為一個土樣。采取的土樣立即放入塑料袋中密封，帶入實驗室，快速揀去枯枝落葉和石礫，過2 mm的篩子后，一部分很快貯藏到-20℃的冰箱里進行土壤微生物生物量碳和酶活性的分析，另一部分風干，用于土壤pH和有機碳等的分析。

表1　不同高程段樣地特征

1.3土樣分析

土壤含水量采用烘干法測定；土壤pH的測定采用酸度計法；土壤有機碳(OC)采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤微生物生物量碳(MBC)采用熏蒸浸提法測定；N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶(NAG)、β-糖苷酶(PAG)、(磷酸酶)(PNP)、芳基硫酸酯酶(PNS)采用Tabatabai and Bremner[10]的方法測定。以以單位重量的烘干土壤表示的就是土壤酶的絕對活性[11]。而具體酶活性是每一種酶活性除以土壤有機碳[12]或者微生物碳[13]的結果。

1.4土壤質量的綜合酶活性指標

測定的土壤酶活性的幾何平均數(shù)計算如下：

GME=(PNP·NPS·PNAG·PAG)1/4

式中：GME——土壤酶活性的幾何平均數(shù)；PNP，PNS，NAG，PAG——磷酸酶、芳基硫酸酯酶、N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶、β-糖苷酶。

1.5數(shù)據(jù)處理

2個消落帶各海拔梯度的土樣室內分析時，各取3個重復進行分析。每個海拔梯度的試驗結果是分別取2個消落帶6個重復的平均值。試驗數(shù)據(jù)的處理比較用Duncan 單因素方差分析，相關性分析用Pearson′stest 分析,數(shù)據(jù)在SPSS 17.0軟件上分析。

2　結果與分析

2.1土壤pH、有機碳和微生物生物量碳的變化

由表2可知，所測定土壤的pH值均為中性，介于6.96～7.55。與從未淹沒的對照相比，只有消落帶海拔最低樣地的土壤pH值較大，其他的樣地之間并無顯著性的差異，這說明淹沒時間較長且正處于水位波動期的區(qū)域顯著提高土壤pH值。與pH值相反，消落帶區(qū)域各樣地土壤有機碳含量(2.43～5.29 g/kg)顯著低于從未淹沒的對照樣地(8.86 g/kg) (表2)，且隨著海拔的降低分別降低40.29%，46.84%和72.57%。在消落帶區(qū)域中，土壤有機碳是LI樣地顯著小于MI和SI樣地，而MI和SI樣地之間無顯著性差異。

表2　不同海拔梯度土壤pH,有機碳和微生物生物量碳

土壤微生物生物量碳也是從未淹沒的對照樣地(310.3 mg/kg)顯著大于消落帶各海拔梯度的樣地(124.46～220.99 mg/kg)，且隨著海拔梯度的降低，分別高28.78%，29.96%和59.89%。在消落帶區(qū)域，土壤微生物生物量碳也是LI樣地顯著小于MI和SI樣地，而MI和SI樣地之間無顯著性差異。這是由于消落帶區(qū)域水位上升過程中，生長的植被被淹沒死亡，凋落物隨著水的上升而流失，坡面受到上升水的浸泡，土壤抗侵蝕能力降低，部分土壤被沖刷；而水位降低過程中裸露的土壤再次受到雨水的浸泡沖刷而造成土壤侵蝕和養(yǎng)分的淋溶，結果造成土壤有機碳[9]和微生物生物量碳含量的降低。

2.2土壤酶的絕對活性

磷酸酶(PNP)和β-糖苷酶(PAG)經(jīng)常被作為土壤有機質的數(shù)量和質量變化的指標[14]。N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶(NAG)是一種能水解殘留于非還原性殼寡糖末端的一種酶，對于碳氮循環(huán)是非常重要的[15]。芳基硫酸酯酶(PNS)是間接地指示真菌的數(shù)量的重要酶類，與土壤有機質的循環(huán)緊密聯(lián)系。本研究中，與從未淹沒的對照相比，消落帶土壤PNP，NAG，PNS 和PAG的絕對活性都顯著地降低(圖1)。然而在消落帶區(qū)域，PNP隨著海拔的降低逐漸降低，但其他三種酶的絕對活性在消落帶的三個海拔梯度之間并無顯著性的差異，這說明雖然土壤4種酶的絕對活性對水位升降響應敏感，但是NAG，PNS 和PAG的絕對活性對消落帶淹沒持續(xù)時間長短的響應并不敏感，只有PNP的絕對活性對淹沒持續(xù)時間長短的響應敏感。相關性分析的結果表明，四種酶的絕對活性都與土壤有機碳及其微生物生物量碳之間具有顯著的正相關性(表3)。這說明消落帶區(qū)域土壤四種酶的絕對活性也隨著土壤有機碳和微生物生物量的降低而降低，但是三個海拔梯度之間降低的程度有差異。

表3　土壤有機碳、微生物生物量碳與土壤酶絕對活性的相關性

注：**極顯著水平p<0.01。

圖1　不同海拔梯度土壤絕對酶活性

2.3土壤酶的幾何平均數(shù)

研究表明，土壤酶的幾何平均數(shù)能夠綜合反映所測定的土壤酶活性的信息，已經(jīng)證明是一個能綜合所有測定酶的信息作為評價土壤質量變化的早期的敏感指標[16]。本研究中，土壤四種酶的幾何平均數(shù)的變化范圍在5.80～13.33之間，其變化規(guī)律與土壤有機碳及其微生物生物量碳的變化相似，也是消落帶區(qū)域的酶的幾何平均數(shù)小于從未淹沒的樣地(圖1)。在消落帶區(qū)域，土壤酶的幾何平均數(shù)的大小順序是：SI>MI>LI,但是方差分析的結果表明，SI和MI兩個樣地之間無顯著性的差異。土壤酶的幾何平均數(shù)與有機碳及其微生物生物量碳之間具有顯著的正相關性(p<0.01)(表3)。

這說明土壤四種酶的幾何平均數(shù)不僅對消落帶水位消漲響應敏感，而且對消落帶不同淹沒持續(xù)時間的響應也敏感，酶的幾何平均數(shù)能夠綜合反映消落帶土壤質量的變化，水位消漲導致消落帶土壤質量降低，且淹沒持續(xù)時間較長且正處于水位波動期的土壤質量退化更顯著。

2.4土壤酶的具體活性(單位有機碳或者單位微生物生物量的酶活性)

土壤有機碳和微生物生物量碳影響土壤酶活性[17]。本研究中，不同海拔梯度土壤單位有機碳或微生物生物量碳的土壤酶活性(土壤酶的具體活性)與土壤酶的絕對活性的變化不同(表4，5)。單位有機碳或微生物生物量碳的PNP具體活性在所測定的所有樣地之間都沒有顯著性的差異(表4，5)，且土壤有機碳或微生物生物量碳都與PNP具體活性之間無顯著的相關性，這說明土壤有機碳的有效性顯著影響土壤PNP的具體活性[18]。單位有機碳或微生物生物量碳的NAG，PNS和PAG具體酶活性都是消落帶海拔最低的樣地顯著的大于其他的樣地，其他樣地之間并無顯著性的差異。相關性分析的結果表明，土壤有機碳、微生物生物量碳與單位有機碳的PNS，NAG和PAG之間具有顯著的負相關性(表6)，與單位微生物碳的NAG和PAG之間具有顯著的負相關性(表6)。我們的研究結果與Wang等[19]的研究結果一致。他們的研究也表明，土壤有機碳與單位有機碳的酶活性之間具有顯著的負相關性[19]。這一方面說明在土壤有機碳含量低的區(qū)域其土壤酶對有機碳的利用效率反而被增強，從而保持了其土壤的代謝活性[19]。此研究結果與常規(guī)的假設相反，一般認為土壤有機碳含量低的將伴隨著土壤酶活性的降低。而本研究的結果可能是由于淹沒時間較長，對土壤微生物產生了一定的脅迫，微生物通過提高NAG，PNS和PAG活性來響應其脅迫，結果引起了土壤NAG，PNS和PAG活性的富集[20]。這另一方面也意味著淹沒持續(xù)時間較長導致有機碳的損失比NAG，PNS和PAG活性的降低更大。這些結果進一步說明淹沒持續(xù)時間較長的樣地通過提高單位有機碳的酶活性來維持土壤的代謝活性是水位波動顯著降低有機碳的一種生態(tài)機制[21]。

表4　不同海拔梯度土壤單位有機碳的酶活性　mg/(g·h)

表5　不同海拔梯度土壤單位微生物生物量碳的酶活性　mg/(kg·h)

表6　土壤有機碳、微生物生物量碳與具體酶活性之間的相關性

注：**極顯著水平p<0.01;*顯著水平p<0.05。

3　結 論

雖然四種酶的絕對活性能夠敏感指示消落帶土壤質量退化，但是并不都能一致的敏感指示消落帶區(qū)域淹沒持續(xù)時間長短對土壤質量的影響，且單位有機碳或微生物生物量碳的四種酶具體活性的變化趨勢并不趨于一致，而四種酶的幾何平均數(shù)不但能敏感指示從未淹沒樣地與消落帶區(qū)域的差異，還能敏感指示消落帶不同海拔梯度受淹沒持續(xù)時間長短的土壤質量的變化，因而酶的幾何平均數(shù)比土壤酶的絕對或具體活性更能反映土壤質量隨著水位消漲的變化。

三峽庫區(qū)消落帶由于受每年水位的消漲，植被生長和死亡交替發(fā)生，植被凋落物隨水流失，造成地表裸露，經(jīng)過雨水不斷的浸泡和沖刷，土壤有機碳、微生物生物量碳、土壤酶的絕對活性及其幾何平均數(shù)都顯著低于從未淹沒的樣地，土壤質量退化，且淹沒持續(xù)時間較長、正處于水位波動期的樣地，土壤質量退化更嚴重。因而，應該采取一定的措施防止三峽庫區(qū)消落帶土壤質量的進一步退化。

[1]袁興中,劉紅,王建修,等.三峽水庫消落帶濕地碳排放生態(tài)調控的科學思考[J].重慶師范大學學報,2010,27(2):23-25.

[2]Valett H M, Baker M A, Morrice J A, et al. Biogeochemical and metabolic responses to the flood pulse in a semiarid floodplain[J]. Ecology, 2005,86：220-234.

[3]Dick R P, Pankhurst C, Doube B M, et al. Soil enzyme activities as integrative indicators of soil health[M]. Biological Indicators of Soil Health, 1997.

[4]萬忠梅,宋長春.土壤酶活性對生態(tài)環(huán)境的響應研究進展[J].土壤通報,2009,40(4):951-956.

[5]Dick R P. Soil enzyme activities as indicators of soil quality[M] ∥Doran J W, Coleman D C, Bezdicek D F, et al. Defining Soil Quality for a Sustainable Environment. Amerian Society of Agronmy. Madison, WI.1994.

[6]劉艷,馬風云,宋玉民,等.黃河三角洲沖積平原濕地土壤酶活性與養(yǎng)分相關性研究[J].水土保持研究,2008,15(1):59-61.

[7]Popova I E, Deng S. A high-throughput microplate assay for simultaneous colorimetric quantification of multipleenzyme actiivies in soil[J]. Applied Soil Ecology, 2010,45(3)：315-318.

[8]余娜,劉濟明,張超,等.不同沙生植被土壤酶活性分異特征研究[J].水土保持研究,2010,17(1)：78-82.

[9]郭泉水,康義,趙玉娟,等.三峽庫區(qū)消落帶土壤氮磷鉀,pH值和有機質變化[J].林業(yè)科學,2012,48(3):7-10.

[10]Tabatabai M A, Bremner J M. Use of p-nitrophenyl phosphate for assay of soil phosphatase activity[J]. Siol Biology & Biochemistry, 1969,1(4):301-307.

[11]Raiesi F, Beheshti A. Soil specific enzyme activity shows more clearly soil responses to paddy rice cultivation than absolute activity in primary forests of northwest Iran[J]. Applied Soil Ecology, 2014,75:63-70.

[12]Trasar-Cepeda C, Leiros M C, Gil-Sotres F. Hydrolytic enzyme activities in agricultural and forest soils. Some implications for their their use as indicators of soil quality[J]. Siol Biology & Biochemistry, 2008,940:2146-2155.

[13]Waldrop M P, Balser T C, Firestone M K. Linking microbial community composition to function in a tropical soil[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2000,32(13):1837-1846.

[14]Gil-Sotresa F, Trasar-Cepedab C. Different approaches to evaluating soil quality using biochemical properties[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2005,37(5):877-887.

[15]Ekenler M, Tabatabai MA. Effects of trace elements on β-glucosaminidase activity in soils[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2002,34(11):1829-1832.

[16]Hinojosa M B, Carreira J A, García-Rúíz R, et al. Soil moisture pre-treatment effects on enzyme activities as indicators of heavy metal-contaminated and reclaimed soils[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2004,36:1559-1568.

[17]Tabatabai M A. Soil Enzymes[M]∥Weaver R W, Angle J S, Bottom′y P S. Encyclopedia of Environmental Microbilogy. John wiley & sons, Inc.,2003.

[18]Lagomarsino A, Benedetti A, Marinari S, et al. Soil organic C variability and microbial functions in a Mediterranean agro-forest ecosystem[J]. Soil Biology and Fertility, 2011,47:283-291.

[19]Wang B, Xue S, Liu G B, et al. Changes in soil nutrient and enzyme activities under different vegetations in the Loess Plateau area, northwest China[J]. Catena, 2012,92:186-195.

[20]Doran J W. Soil microbial and biochemical changes associated with reduced tillage[J]. Soil Science Society of America Journal, 1980,44:765-771.

[21]Burns R G. Enzyme activity in soil: location and a possible role in microbial ecology[J]. Soil Biology & Biochemistry, 1982,14:423-427.

Characteristics of the Activities of Soil Enzymes in Riparian Zone of Three Gorges Reservoir Area

JIA Guomei1,2, XI Ying1, XU Wennian2, CHEN Fangqing1

(1.College of Biological and Pharmaceutical Sciences, Three Gorges Univiersity,Yichang,Hubei443002,China; 2.EngineeringResearchCenterofEco-environmentinThreeGorgesReservoirRegion,MinistryofEducation,ThreeGorgesUniversity,Yichang,Hubei443002,China)

Soil enzyme catalyzes soil nutrient cycles and controls the function of ecosystem. The results showed that soil organic carbon(SOC), microbial biomass carbon(MBC), absolute activities of soil four enzymes: phosphatase(PNP), arylsulfatase(PNS), N-acetyl-β-glucosaminidase(NAG) andβ-glucosidase (PAG)) (i. e. activity per dry soil mass) and the geometric mean of enzyme activities (GME) were lower in riparian zone than those of the never inundation of uplands(NI). In riparian zone, although the absolute activity of PNP increased with the elevation, there was no significant difference for the absolute activities of other soil three enzymes. The change in GME which was similar to the change in SOC and MBC, was lower in LI than MI and SI which had no significant difference in riparian zone. However, the change in the soil specific enzyme activities expressed either per unit of SOC or MBC was different from absolute activities of soil enzymes. There was no significant for PNP specific activity among sites measured, whereas PNS, NAG and PAG specific activities were higher in LI than other sites which were no significant difference. Therefore, the results suggested that GME was a suitable index to condense the whole set of soil enzyme values in a single numerical value, which was sensitive to the extent of soil quality degradation resulted from elevation gradient in riparian zone of Three Gorges Reservoir Area.

soil quality; soil enzymes; organic carbon; microbial biomass carbon; riparian zone

2014-09-29

2014-10-12

三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心課題(KF2013-09);三峽大學預研基金(Hy1406)

賈國梅(1965—),女,甘肅永登人,教授,博士,主要從事土壤生態(tài)學研究。E-mail:jjjgm@126.com

S151.9

A

1005-3409(2015)04-0024-05