黃河三角洲濕地典型鹽生植物群落土壤酶活性研究

郭嘉 陳紀(jì)香 于一雷 徐衛(wèi)剛 馬牧源 趙娜娜 李肖夏 朱耀軍*

（1中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所，濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100091；2東營(yíng)市林業(yè)局，山東 東營(yíng) 257091）

黃河三角洲濕地位于山東省東北部的渤海之濱，是世界上暖溫帶保存最廣闊、最完善、最年輕的濕地生態(tài)系統(tǒng)(Yu et al, 2014)，然而，由于成陸前受海水長(zhǎng)期浸漬，成陸時(shí)間短，地下水位和礦化度較高，年蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨量等原因，黃河三角洲濕地又形成大面積鹽堿地。一方面，鹽堿地上分布著種類眾多的鹽生植物，為鹽生植物研究提供了重要的研究材料，另一方面，鹽堿地的形成和擴(kuò)大使得該地區(qū)植被恢復(fù)和綠化受到嚴(yán)重鹽堿脅迫(Yang et al, 2017)。因此，對(duì)鹽生植物進(jìn)行深入研究可為鹽堿地改良和綠化提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

土壤酶是地下生物學(xué)過(guò)程的重要催化劑，主要來(lái)源于植物根系、微生物、動(dòng)植物殘?bào)w分解釋放等，表征了土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量代謝，反映了土壤養(yǎng)分狀況、肥力高低、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣、微生物活性等，因此，土壤酶在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中扮演著重要角色(Henry, 2012; Sinsabaugh et al,2012; Cenini et al, 2015; Jian et al, 2016)。由于不同植物的根系生長(zhǎng)特性、地下分布形態(tài)、養(yǎng)分吸收不同，因此，向土壤中釋放的根系分泌物的種類、多少、分布等也有所不同，一方面，直接影響了釋放到土壤中的酶，另一方面，由于根系分泌物為微生物提供碳氮源和底物，從而影響了土壤微生物的生長(zhǎng)、組成和活性，進(jìn)而影響了微生物向土壤中釋放的酶活性(Sinsabaugh et al, 2009; Yin et al, 2014)。土壤酶通過(guò)作用于土壤生化過(guò)程和產(chǎn)物又反過(guò)來(lái)作用于微生物活性和過(guò)程，影響了土壤養(yǎng)分和理化特性等，進(jìn)而又影響了植物的養(yǎng)分吸收和生長(zhǎng)(Burns et al, 2013; Allison et al,2005)。因此，研究黃河三角洲濕地不同植物群落生長(zhǎng)過(guò)程中土壤酶特性，可以探明植物生長(zhǎng)和土壤酶活之間的相互關(guān)系和作用，從而豐富鹽堿地土壤酶活理論和知識(shí)，為鹽堿地改良提供技術(shù)支撐。

本研究在黃河三角洲濕地，選擇6種典型鹽生植物(鹽角草、堿蓬、二色補(bǔ)血草、中亞濱藜、獐毛、星星草)群落，通過(guò)采集不同生育期各植物群落土壤樣品，分析土壤酶特征及其與植物群落間的相互關(guān)系，探明濱海濕地鹽生植物對(duì)土壤酶活性的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國(guó)林科院黃河三角洲綜合實(shí)驗(yàn)中心(37°40′57.32″ N，118°53′41.59″ E)位 于 山 東 省東營(yíng)市墾利縣，緊鄰黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū) (37°59′～ 38°5′ N，118°36′ ～ 118°57′ E)。 該 試驗(yàn)中心所屬區(qū)域氣候?yàn)榕瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候。年均日照時(shí)數(shù)2 590～2 830 h，年均氣溫11.7℃～12.8℃，年無(wú)霜期206 d，≥10℃年積溫4 300℃，年均降水量530～630 mm，70%降水分布在夏季，年均蒸發(fā)量1 900～2 400 mm(韓廣軒等,2011)。試驗(yàn)中心周邊自然植被為草甸植被，主要以鹽生草甸占顯著地位。試驗(yàn)中心野外田間土壤基礎(chǔ)理化狀況見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)中心野外田間有鹽角草、堿蓬、二色補(bǔ)血草、中亞濱藜、獐毛、星星草6種典型鹽生植物群落，在每個(gè)群落中間劃定3個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，共計(jì)18個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。

1.3 樣品采集與處理

分別在植物苗期(6月初)、生長(zhǎng)中期(7月中旬、8月中旬)、生長(zhǎng)后期(9月中下旬)，采集各植物群落所在試驗(yàn)小區(qū)的土樣，每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)布置3個(gè)取樣點(diǎn)(3次重復(fù))取土，取土深度為30 cm，每個(gè)小區(qū)內(nèi)3個(gè)樣點(diǎn)的樣品在取樣后立即均勻混合成為一個(gè)樣品，代表該小區(qū)土樣。

1.4 樣品分析與測(cè)定

土壤蔗糖酶、纖維素酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶活性的測(cè)定采用分光光度法，試劑盒由上海優(yōu)選生物科技有限公司提供，具體操作步驟參照試劑盒說(shuō)明書(shū)進(jìn)行。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和繪圖。利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蔗糖酶

6-9月各植物群落土壤蔗糖酶活性均表現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)(圖1)。6月鹽角草、鹽地堿蓬、二色補(bǔ)血草、中亞濱藜、獐毛、星星草群落土壤蔗糖酶活性分別為245.27 U/g、234.93 U/g、247.43 U/g、233.50 U/g、234.33 U/g、234.44 U/g。隨后，土壤蔗糖酶活性逐漸提高，7月獐毛、星星草群落土壤蔗糖酶活性中顯著高于6月；8月二色補(bǔ)血草、中亞濱藜、獐毛、星星草群落土壤蔗糖酶活性顯著高于6月，9月達(dá)最高值，分別為279.05 U/g、291.62 U/g、304.82 U/g、334.60 U/g、333.03 U/g、357.30 U/g，顯著高于6、7月。

表1 試驗(yàn)地土壤基礎(chǔ)理化狀況Table 1 Soil basic physical and chemical properties of experiment site

相同生長(zhǎng)期不同植物群落相比，7、8、9三個(gè)月的星星草、獐毛、中亞濱藜群落土壤蔗糖酶活性均高于鹽角草、鹽地堿蓬、二色補(bǔ)血草群落，且星星草和獐毛群落顯著高于鹽角草和鹽地堿蓬群落。

2.2 纖維素酶

由圖2可知，鹽角草、鹽地堿蓬、二色補(bǔ)血草、中亞濱藜群落土壤纖維素酶活性在各生長(zhǎng)期之間變化不大，獐毛和星星草群落8月和9月顯著高于6月。9月獐毛和星星草群落土壤纖維素酶活性分別為304.59 U/g和338.16 U/g，比6月顯著提高60.49%和80.83%。

8月星星草群落土壤纖維素酶活性為242.09 U/g，分別比鹽角草、二色補(bǔ)血草和中亞濱藜群落顯著提高22.35%、21.71%、21.19%。9月獐毛和星星草群落土壤纖維素酶活性最高，分別為304.59 U/g和338.16 U/g，均顯著高于鹽角草、堿蓬、二色補(bǔ)血草和中亞濱藜群落(圖2)。

圖1 不同生長(zhǎng)期土壤蔗糖酶活性特征Fig.1 Characteristics of soil invertase activities in diあerent plant growth stages

圖2 不同生長(zhǎng)期土壤纖維素酶活性特征Fig.2 Characteristics of soil cellulase activities in diあerent plant growth stages

圖3 不同生長(zhǎng)期土壤脲酶活性特征Fig.3 Characteristics of soil urease activities in diあerent plant growth stages

2.3 脲酶

6-9月土壤脲酶活性逐漸升高，8月達(dá)最高，9月又降低(圖3)。8月鹽角草、鹽地堿蓬、二色補(bǔ)血草、中亞濱藜、獐毛、星星草群落土壤脲酶活性分別為151.65 U/g、165.36 U/g、177.85 U/g、197.30 U/g、189.71 U/g、203.00 U/g，其中，除鹽角草群落外，其他群落的土壤脲酶活性均顯著高于6、7月。

各群落間土壤脲酶活性在8月存在顯著差異，星星草、獐毛、中亞濱藜群落土壤脲酶活性顯著高于鹽角草和堿蓬群落(圖3)。

2.4 蛋白酶

由圖4可知，6-9月除鹽角草群落外，鹽地堿蓬、二色補(bǔ)血草、中亞濱藜、獐毛、星星草群落土壤蛋白酶活性均表現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)，9月達(dá)最高，分別為24.01 U/g、25.40 U/g、30.09 U/g、30.89 U/g、33.12 U/g，比6月顯著提高28.48%、33.55%、63.09%、69.81%、75.60%。

圖4 不同生長(zhǎng)期土壤蛋白酶活性特征Fig. 4 Characteristics of soil protease activities in diあerent plant growth stages

圖5 不同生長(zhǎng)期土壤磷酸酶活性特征Fig.5 Characteristics of soil phosphatase activities in diあerent plant growth stages

8月星星草和獐毛群落土壤蛋白酶活性顯著高于鹽角草、鹽地堿蓬、二色補(bǔ)血草群落。9月星星草、獐毛、中亞濱藜群落顯著高于鹽角草、鹽地堿蓬、二色補(bǔ)血草群落。

2.5 磷酸酶

各群落土壤磷酸酶活性7月有較大提高，之后，隨時(shí)間無(wú)顯著變化（圖5）。除鹽角草群落外，與植物生長(zhǎng)初期(6月)相比，7月鹽地堿蓬、二色補(bǔ)血草、中亞濱藜、獐毛、星星草群落土壤磷酸酶活性均顯著提高，分別為115.17 U/g、115.18 U/g、119.41 U/g、115.24 U/g、117.48 U/g( 圖 5)。

同一生長(zhǎng)期各植物群落間相比，土壤磷酸酶活性總體表現(xiàn)出星星草、獐毛、中亞濱藜群落高于鹽角草、堿蓬、二色補(bǔ)血草群落，8月中亞濱藜和獐毛群落顯著高于鹽角草和堿蓬群落(圖5)。

3 討論

土壤酶活性主要與土壤特性和地下生物學(xué)過(guò)程密切相關(guān)(Dick et al, 1996)。土壤蔗糖酶和纖維素酶與土壤碳循環(huán)緊密相關(guān)。土壤蔗糖酶催化土壤有機(jī)物的分解轉(zhuǎn)化，促進(jìn)土壤碳循環(huán)，提升土壤熟化程度和肥力水平(Kotroczoa et al, 2014)。纖維素酶可將土壤中纖維素水解為簡(jiǎn)單碳水化合物，為微生物提供碳源，增加微生物活性，從而間接提升土壤養(yǎng)分有效性，同樣促進(jìn)土壤碳循環(huán)(Wang et al, 2010; 張麗娟等, 2017; 鄧雪梅等, 2017)。本研究結(jié)果顯示，蔗糖酶活性隨植物生長(zhǎng)逐漸提高，纖維素酶活性則在植物生長(zhǎng)后期的星星草和獐毛群落提高較大，這可能與酶活底物有關(guān)。植物根系的生長(zhǎng)增加了向土壤中輸出的分泌物，為微生物提供了碳氮源，提升了微生物的生長(zhǎng)和活性，促進(jìn)了其向土壤輸出分泌物，加快了土壤有機(jī)物的分解轉(zhuǎn)化(Wang et al, 2014; 趙仁竹等, 2015)，因此表現(xiàn)出蔗糖酶活性逐漸升高，而土壤中纖維素主要來(lái)源于植物根系和凋落物等，星星草和獐毛根系發(fā)達(dá)，生長(zhǎng)快，細(xì)根和須根多，更新較快(未發(fā)表數(shù)據(jù))，衰老后的殘?bào)w進(jìn)入土壤中的也較多，增加了纖維素酶的底物，從而提高了纖維素酶活性。

土壤脲酶和蛋白酶均與土壤氮循環(huán)緊密相關(guān)。土壤脲酶催化土壤中尿素酰胺態(tài)氮水解為銨態(tài)氮，其活性反映了土壤有機(jī)氮水解為無(wú)機(jī)氮的強(qiáng)度，從而間接顯示了土壤供氮水平與狀況(Zantua et al, 2017)。土壤蛋白酶催化土壤中的蛋白質(zhì)類物質(zhì)分解為簡(jiǎn)單含氮化合物，為植物和微生物提供氮源，調(diào)節(jié)土壤氮素代謝，促進(jìn)土壤氮循環(huán)，可用于指示氮的礦化(李新悅等, 2019; 王鳳花等, 2018)。本研究中，土壤脲酶和蛋白酶隨植物生長(zhǎng)，均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，這可能主要是由于此期間植物根系生長(zhǎng)加快，分泌物增多，一方面直接增加了土壤脲酶，另一方面，提升了微生物碳氮源的供給，從而使得微生物量和活性提高，分泌物增多，也提高了土壤脲酶活性。進(jìn)入9月份，土壤脲酶降低，蛋白酶仍表現(xiàn)出升高趨勢(shì)，這可能與底物有關(guān)，鹽堿土氮素較為匱乏，植物和微生物共同競(jìng)爭(zhēng)氮素，氮含量降低，導(dǎo)致脲酶活性降低，而蛋白酶底物為蛋白質(zhì)類物質(zhì)，后期根系和微生物殘?bào)w進(jìn)入到土壤中，提高了蛋白酶底物水平，所以蛋白酶活性提高。

土壤磷酸酶是土壤有機(jī)磷礦化水解的催化劑，其活性高低反映了土壤有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化程度(張艾明等, 2016)。本研究土壤磷酸酶活性7月提高較大，隨后變化不大，這可能與有機(jī)磷底物有關(guān)，鹽堿土有機(jī)磷含量較低，生長(zhǎng)初期由于植物根系和微生物分泌物和活性的作用，提高較大，中后期由于底物(有機(jī)磷)成為限制因素，從而導(dǎo)致酶活變化不大(Olander et al, 2000)。

8、9月不同植物群落的土壤酶活性表現(xiàn)一定的差異性，基本表現(xiàn)為星星草和獐毛群落高于鹽角草和堿蓬群落，可見(jiàn)，土壤酶活特性的變化主要與植物種類有關(guān)。星星草和獐毛根系發(fā)達(dá)密集，生長(zhǎng)迅速，細(xì)根須根多，更新周轉(zhuǎn)快，從而根系分泌物也較多，這樣，不僅直接增加了向土壤中的酶供應(yīng)，而且增加了微生物碳氮源，提升其活性，增強(qiáng)其分泌物，進(jìn)一步增強(qiáng)了酶活性。

4 結(jié)論

本文以黃河三角洲濕地6種典型耐鹽植物群落為研究對(duì)象，深入研究這6種植物群落土壤蔗糖酶、纖維素酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶活性隨植物生長(zhǎng)的變化特征。結(jié)果顯示，土壤蔗糖酶和蛋白酶活性逐漸升高，纖維素酶在植物生長(zhǎng)后期的獐毛和星星草群落顯著提高，脲酶先升高到后期又降低，磷酸酶變化不大。對(duì)比不同植物對(duì)土壤酶活性的影響發(fā)現(xiàn)，星星草和獐毛群落對(duì)土壤酶活性的增強(qiáng)作用大于鹽角草和堿蓬群落。本研究結(jié)果可為未來(lái)濱海濕地土地改良和治理提供相關(guān)理論參考和依據(jù)。