艾比湖5種不同土壤類型酶活性及理化性質(zhì)探究,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學論文酶具有催化活性的蛋白質(zhì),它介入土壤中一切復(fù)雜的生物化學經(jīng)過,在土壤乃至整個陸地生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。作為土壤的重要組成部分,酶活性反映了土壤中進行的各種生物化學經(jīng)過的強度和方向,同時又具有與環(huán)境的統(tǒng)一性,易受環(huán)境中物理、化學、生物因素的影響。長期以來,酶活性研究已成為土壤學的研究熱門,國內(nèi)外學者對酶活性的研究主要集中在農(nóng)田、森林、草地生態(tài)系統(tǒng),對干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)的研究還較少。艾比湖自然保衛(wèi)區(qū)是國內(nèi)最具代表性的溫帶干旱區(qū)濕地荒漠生態(tài)系統(tǒng),生態(tài)區(qū)位與地理位置特別重要,是天山北坡地區(qū)綠洲與荒漠化共軛演進的中心,在調(diào)節(jié)氣候、維持區(qū)域生態(tài)平衡有著重要的作用。艾比湖自然保衛(wèi)區(qū)分布著荒漠、戈壁和濕地等自然景觀。該區(qū)特殊的地理位置和脆弱的生態(tài)系統(tǒng)對土壤、植被等變化非常敏感。由于干旱、風沙、鹽堿等不利自然因素和不斷增加的人口壓力,使該地區(qū)土壤退化、沙化等問題日益嚴重。近幾十年來,十分是人類活動引起了一系列以土地荒漠化為代表的生態(tài)逆向演替,產(chǎn)生了嚴重的環(huán)境惡化問題。因而,開展該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中土壤酶與理化因子互相關(guān)系的研究,有助于揭示土壤性狀間的因果關(guān)系,對于防治土壤荒漠化、鹽漬化,促進生態(tài)可持續(xù)發(fā)展起著重要的作用。本研究以新疆艾比湖國家自然保衛(wèi)區(qū)為例,對5種不同土壤類型酶活性及理化性質(zhì)進行了深切進入的討論,應(yīng)用通徑分析方式方法定量解釋了土壤酶活性與理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系,以期進一步說明土壤中酶活性與各要素之間的影響機理,為干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)的合理開發(fā)利用和生態(tài)保衛(wèi)提供更多的信息。1、材料與方式方法1.1研究區(qū)大概情況艾比湖自然保衛(wèi)區(qū)位于準噶爾盆地西南,地處8236~8350E,4430~4509N。該區(qū)域處于內(nèi)陸干旱區(qū)及阿拉山口大風通道區(qū),氣候極端枯燥,降水稀少,屬典型溫帶大陸性干旱氣候。年蒸發(fā)量1600mm以上,年降水量100mm左右,日照時數(shù)約2800h,極端最高氣溫44℃,極端最低氣溫-33℃。由于保衛(wèi)區(qū)嚴酷的自然環(huán)境和獨特的地形特征,使其發(fā)育了石漠、礫漠、沙漠、鹽漠、沼澤和鹽湖等多樣化的地貌景觀,與之相對應(yīng),區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為多樣化的地帶性土壤,有黑鈣土、栗鈣土、棕漠土、灰鈣土、灰漠土、灰棕漠土和風沙土及其他隱域性土壤。1.2采樣方式方法以艾比湖自然保衛(wèi)區(qū)內(nèi)不同土壤類型為研究對象,采樣時間為2018年6月。采用典型土壤類型取樣的方式方法,選取黑鈣土、栗鈣土、棕漠土、灰漠土和灰鈣土5種土壤類型,每種土壤類型采10~15個樣點,共60個樣點。采集土樣時選取表層土壤(0~15cm),設(shè)置3次重復(fù),將3次重復(fù)的土樣去除植物根系和石塊,充分混勻并用四分法取1kg,混勻風干研磨過篩以供測定。以上樣地選取時要求地理位置相近、土壤性質(zhì)均一。艾比湖流域鹽堿脅迫嚴重,土壤養(yǎng)分含量低。因而,根據(jù)當?shù)赝寥罓顩r,選取與鹽堿脅迫相關(guān)的過氧化氫酶,與N、P物質(zhì)循環(huán)有關(guān)的脲酶、磷酸酶以及與土壤有機碳相關(guān)的蔗糖酶作為土壤酶指標,同時選取相關(guān)的土壤理化指標(表1)。過氧化氫酶活性測定采用高錳酸鉀容量法;磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉比色法;脲酶活性測定采用苯酚鈉比色法;蔗糖酶(又名1轉(zhuǎn)化酶或-呋喃果糖苷酶)活性測定采用硫代硫酸鈉滴定法。詳細測量參照李振高等對土壤酶活性測定方式方法。土壤水分測定采用烘干法;土壤酸堿度(pH)測定采用電位法;土壤可溶性總鹽含量測定采用重量法;土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀法;土壤全氮測定采用凱氏定氮法;土壤速效磷測定采用碳酸氫鈉法;堿解氮采用堿解擴散法。詳細測定方式方法參照(土壤農(nóng)化分析〕和(土壤理化分析〕。1.3數(shù)據(jù)處理對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和正態(tài)分布檢驗后,采用SPSS17.0軟件開展數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,結(jié)合單因素方差分析進行不同土壤類型酶活性和理化指標的差異性分析,最后用Excel2003作圖;對數(shù)據(jù)標準化后,建立土壤酶活性與理化因子的多元線性回歸方程,并完成顯著性檢驗,在顯著性檢驗成功后,利用通徑分析方式方法,計算理化因子對土壤酶活性的直接、間接通徑系數(shù)和決定系數(shù)。2、結(jié)果分析2.1不同土壤類型酶活性與理化性質(zhì)不同土壤類型受流域地區(qū)復(fù)雜的氣候與水鹽運移規(guī)律影響,其土壤理化性質(zhì)和酶活性差異較大。由圖1可知,各土壤類型的理化狀況,土壤含水量表現(xiàn)為:黑鈣土栗鈣土棕漠土灰鈣土灰漠土;土壤總鹽含量棕漠土最高,且與其他4種土壤類型之間存在顯著差異。各土壤類型pH差異不顯著,華而不實,黑鈣土最低;土壤營養(yǎng)元素中,有機質(zhì)、全氮和堿解氮均表現(xiàn)為類似的分布規(guī)律,其在黑鈣土中含量最高,而速效磷在黑鈣土中含量相對較小,其在栗鈣土中含量最高。由圖2可知,各土壤類型酶活性分異規(guī)律明顯,黑鈣土過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性均較高,分別為(4.3270.403)mLg-1、(0.3410.043)mgg-1、(1.9750.126)mLg-1和(0.2980.080)mgg-1,與其他土壤類型差異顯著。主要是由于黑鈣土發(fā)育程度較高,植被豐富,土壤含水量、有機質(zhì)、全氮、堿解氮及酶活性較高,而含鹽量、pH相對較低,生態(tài)性能較好。2.2土壤酶活性與理化性質(zhì)之間的通徑分析2.2.1土壤酶活性和土壤理化性質(zhì)典型相關(guān)分析對土壤4種酶活性〔過氧化氫酶(y1)、磷酸酶(y2)、脲酶(y3)、蔗糖酶(y4)〕與7種土壤理化因子〔土壤含水量(x1)、總鹽(x2)、pH(x3)、有機質(zhì)(x4)、速效磷(x5)、全氮(x6)、堿解氮(x7)〕進行典型相關(guān)分析(表2)。土壤酶活性與理化性質(zhì)之間相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)為:總鹽和pH對土壤酶活性整體表現(xiàn)為負效應(yīng),土壤水分、有機質(zhì)、速效磷和堿解氮對土壤酶活性均表現(xiàn)為正效應(yīng),且均表現(xiàn)為顯著相關(guān)性。用典型相關(guān)分析得出的土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系較為單一,結(jié)論簡單,為了能愈加深切進入地分析土壤中各理化性質(zhì)對土壤酶活性的影響,進行通徑分析。2.2.2直接和間接通徑系數(shù)通徑分析是一種因果機理分析方式方法,其直接和間接通徑系數(shù)之和在數(shù)值上等于相關(guān)系數(shù),直接通徑系數(shù)反映各主要土壤理化因子對土壤酶活性直接影響作用的大小,而間接通徑系數(shù)反映了某一理化因子通過其他理化因子對土壤酶活性產(chǎn)生的間接影響程度,這種影響力更具客觀性,因此也更具真實表現(xiàn)力。與典型相關(guān)分析相比,通徑分析提供更多信息,可揭示土壤酶活性與各理化性質(zhì)的密切程度,且能指出這種關(guān)系中哪種作可用之處于主導(dǎo)地位。將土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)的測定結(jié)果做標準化處理,并逐步多元回歸分析,得到標準多元回歸方程:過氧化氫酶(y1)、磷酸酶(y2)、脲酶(y3)、蔗糖酶(y4)活性與土壤理化性質(zhì)的多元線性回歸方程均達顯著性水平(P0.01),自變量x1~x7能夠分別解釋96.09%、86.61%、96.06%和92.07%的y1~y4變化,誤差分別為3.91%、13.39%、3.94%和7.93%。回歸方程中的系數(shù)即為直接通徑系數(shù),它乘以各因子之間的相關(guān)系數(shù)(表2)就得到間接通徑系數(shù)(表3)。土壤理化因子對過氧化氫酶活性的直接作用系數(shù)為:速效磷有機質(zhì)含水量全氮堿解氮pH總鹽。速效磷和有機質(zhì)對過氧化氫酶活性的直接通徑系數(shù)較大,表現(xiàn)為對脲酶活性有強烈的直接正效應(yīng)。全氮和堿解氮與過氧化氫酶活性之間的直接通徑系數(shù)較小,但通過其他理化因子能較大程度上作用于過氧化氫酶活性,對過氧化氫酶活性有較大的間接正效應(yīng)。土壤pH對過氧化氫酶活性存在較小的直接負效應(yīng),但主要通過負作用于速效磷等因子,較大程度上間接影響過氧化氫酶活性。從通徑分析結(jié)果可見,直接影響過氧化氫酶活性的主導(dǎo)因子是有機質(zhì)和速效磷。有機質(zhì)和堿解氮對磷酸酶活性的直接通徑系數(shù)較大,為0.554和0.334,對磷酸酶活性有較大的直接正效應(yīng)。土壤含水量、速效磷和全氮等理化因子均對磷酸酶活性的直接影響較小,其主要通過影響土壤有機質(zhì)而作用于磷酸酶活性,對磷酸酶活性存在較大的間接正效應(yīng)。pH對磷酸酶活性有較小的直接作用,但通過作用于其他理化因子,亦能在一定程度上影響磷酸酶活性。因而,有機質(zhì)和堿解氮是直接影響磷酸酶活性的主導(dǎo)因子。土壤全氮和有機質(zhì)均對脲酶活性存在較大的直接正效應(yīng),分別為0.613和0.537。土壤含水量對脲酶活性存在直接的負效應(yīng)和較大的間接正效應(yīng),間接通徑系數(shù)達1.147。土壤總鹽、pH及速效磷均與脲酶活性之間的直接、間接通徑系數(shù)均較低,影響較小。因而,全氮、有機質(zhì)和土壤水分是影響脲酶活性的最主要因子。總鹽、堿解氮對土壤蔗糖酶活性的直徑通徑系數(shù)較大,分別為-0.647和1.056,兩者對蔗糖酶活性分別有強烈的直接負效應(yīng)和直接正效應(yīng)。土壤含水量、有機質(zhì)、速效磷和全氮等理化因子對蔗糖酶活性表現(xiàn)為較小的直接通徑系數(shù),但主要通過作用于其他土壤因子而獲得對蔗糖酶活性較大的間接正效應(yīng)。pH是制約蔗糖酶活性的主要因子,與蔗糖酶活性之間表現(xiàn)為較小的直接正效應(yīng)和較大的間接負效應(yīng)。影響蔗糖酶活性的主導(dǎo)因子是總鹽和堿解氮。2.2.3決定系數(shù)決定系數(shù)Dij表示兩相關(guān)原因共同對結(jié)果的相對決定程度,從計算結(jié)果(表4)可知,速效磷對過氧化氫酶的直接通徑系數(shù)較大,得出的決定系數(shù)較大,表示清楚速效磷是影響過氧化氫酶的主導(dǎo)因子;有機質(zhì)對磷酸酶活性的決定系數(shù)D44較大,堿解氮對磷酸酶活性的決定系數(shù)D77亦較大,同時有機質(zhì)和堿解氮的共同決定系數(shù)D47也相對較大,因而,土壤有機質(zhì)和堿解氮是影響磷酸酶活性的最主要因子;全氮、有機質(zhì)對土壤脲酶活性的直接通徑系數(shù)較大,其對脲酶活性的決定系數(shù)值D66和D44相對較大且為正值,同時共同決定系數(shù)D46亦較大,表示清楚影響脲酶活性的主要因子是有機質(zhì)和全氮。蔗糖酶活性的決定系數(shù)D77和D22相對其他理化因子較大,表示清楚堿解氮和總鹽對蔗糖酶活性起著決定性作用。3、結(jié)論與討論干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)不同土壤類型理化性質(zhì)表現(xiàn)不一。總體表現(xiàn)為黑鈣土土壤含水率較高,有機質(zhì)、速效磷、全氮等土壤養(yǎng)分相對豐富,酶活性較高,生態(tài)性能較其他土壤類型更好。棕漠土、栗鈣土總鹽含量高,鹽漬化程度重,土壤養(yǎng)分及酶活性相對較低,生態(tài)性能較之黑鈣土相對較差。灰鈣土、灰漠土土壤含水率極低,養(yǎng)分含量較低,酶活性較小,土壤貧瘠。土壤理化性質(zhì)對土壤酶活性具有深入的影響,土壤水分、空氣、鹽分、有機質(zhì)、礦質(zhì)元素和pH影響著土壤酶的活性及穩(wěn)定性。結(jié)合通徑分析和決定系數(shù)表示清楚,不同理化因子對各種酶活性的影響方式、影響強度均有所差異。土壤有機質(zhì)是影響該地區(qū)酶活性的主導(dǎo)因子,對過氧化氫酶、磷酸酶和脲酶活性均存在較大的直接正效應(yīng)。土壤有機質(zhì)是土壤中酶促底物的主要供源,是土壤酶的載體,當土壤有機質(zhì)含量增加時,一定程度上能夠促進微生物的活動,極大地提高土壤酶活性。Taylor等研究表示清楚,土壤酶與土壤有機質(zhì)之間存在顯著正相關(guān)。胡斌等對退化生態(tài)系統(tǒng)土壤酶與肥力的關(guān)系研究中,也得出土壤有機質(zhì)是影響酶活性的主要因子。速效磷對過氧化氫酶活性的直接通徑系數(shù)較大,較大程度影響過氧化氫酶活性。速效磷是土壤中可被植物、動物和細菌真菌等吸收的磷組分,而過氧化氫酶主要來源于細菌、真菌及植物根系的分泌物。因而,速效磷含量與過氧化氫酶活性息息相關(guān),是影響過氧化氫酶活性的關(guān)鍵因子。全氮對脲酶活性直接通徑系數(shù)較大,是直接影響脲酶活性的主導(dǎo)因子。氮素不僅僅是土壤酶的組成部分,而且累積在土壤有機質(zhì)中的氮還決定了酶進入土壤中的數(shù)量。侯彥會等研究得出,全氮對脲酶活性具有顯著的直接效應(yīng),土壤速效氮、速效磷等對脲酶活性的直接作用不大,主要通過全氮對脲酶活性產(chǎn)生間接影響。堿解氮對磷酸酶和蔗糖酶活性有強烈的直接作用。堿解氮是在最近內(nèi)可被植物吸收利用的有效氮,能夠較好地反映最近內(nèi)土壤氮素供給狀況和氮素釋放速率,是直接介入土壤酶合成的主要原料,直接影響土壤酶活性。這與漆良華等對湘西北小流域土壤酶活性及養(yǎng)分之間關(guān)系的研究結(jié)果類似,水解氮、全氮質(zhì)量分數(shù)對土壤蔗糖酶活性有顯著地影響。土壤總鹽含量對蔗糖酶存在較大的直接負效應(yīng)。本文研究對象為干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng),其鹽漬化現(xiàn)象普遍,土壤pH相對較大,含鹽量較高,對蔗糖酶活性存在顯著的負效應(yīng),亦通過影響