濕地圍墾對土壤堿性磷酸酶動力學特征的影響

徐傳紅，盧明星，范弟武，程 虎，韓建剛,2,3

（1.南京林業大學 生物與環境學院，江蘇 南京 210037；2.南京林業大學 南方現代林業協同創新中心，江蘇南京 210037；3.江蘇洪澤湖濕地生態系統國家定位觀測研究站，江蘇 洪澤 223100）

土壤磷酸酶水解土壤有機磷，提高磷素有效性，在土壤磷素轉化及生物利用過程中具有重要調節作用[1-3]。濕地生態系統不僅是重要的磷素儲備庫，在微生物主導的有機磷礦化過程中釋放磷素，為植物生長供應重要的磷源，而且其獨特的干濕交替水文條件增加了磷素轉化的復雜性。自21世紀初以來，濕地磷素的轉化過程越來越受到學者們的重視[4]，特別是濕地土地利用/覆被變化影響下土壤磷酸酶變化的研究日益增多[5-6]。寧沐蕾等[7]和KANG等[8]研究了崇明島濕地土壤堿性磷酸酶(ALP)活性，表明轉變稻田為樟樹Cinnamomum camphora和水杉Metasequoia glyptostroboides林地后ALP活性增大。王樹起等[9]以三江平原濕地為例，研究濕地土地利用變化下的土壤磷酸酶活性變化，表明草甸開墾為農田后ALP活性降低58.5%，而旱地農田轉變為濕地草甸或白樺Betula platyphylla林地后，ALP活性分別增高31.7%和18.7%。與以上結果中農田利用下土壤酶活性低于林地和草甸不同的是，任勃等[10]對洞庭湖濕地的研究表明：水田土壤ALP活性高于楊樹Populus林地和蘆葦Phragmites communis地。劉云鵬等[11]對黃河中游濕地的研究也報道：棉田土壤ALP活性成倍(1.7倍)高于蒲草Typha orientalis植被。而劉琛等[12]則對海涂圍墾區濕地的研究認為：農田(棉花Gossypium hirsutum、水稻Oryza sativa)與林地間土壤磷酸酶活性無明顯差異。由此可見，目前有關濕地不同覆被類型與土地利用下土壤ALP活性變化的研究結論并不一致，有待進一步深入剖析。土地利用變化不但影響土壤酶活性，而且對酶促反應動力學特征產生重要影響，如NOURBAKHSH等[13]指出：天然草地轉變為人工苜蓿Medicago sativa種植地后土壤脲酶的米氏常數(Km)提高。LOEPPMANN等[14]研究哥廷根下薩克森州農業區的草地轉變為玉米Zea mays田后土壤酶的動力學特征，結果表明：酸性磷酸酶的最大酶促反應速率(Vmax)和Km減小，Vmax/Km增大，而β-葡萄糖苷酶的Vmax、Km和Vmax/Km均減小。北美原生態草原的草地和森林轉變為耕地后，淀粉酶的Vmax和Km均減小[15]。以往有關圍墾改變土地利用方式對土壤酶的酶促反應動力學特征影響的研究多在山地、草原等陸地生態系統進行，而對濕地土壤酶的酶促反應動力學特征的研究，特別是對ALP的研究還很不充分。全球氣候變化與人為活動加速影響下，生產和生態兩重壓力下濕地資源保護與合理利用之間的矛盾愈加尖銳[16-17]。其中，濕地圍墾對包括土壤磷素在內的養分轉化的影響備受關注。本研究采集洪澤湖和崇明東灘濕地不同覆被或土地利用方式下共8種土壤，以ALP為例，研究自然演替和圍墾利用對濕地ALP動力學參數的影響，為濕地養分轉化效率及質量提升提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

洪澤湖(33°14′16″N，118°18′43″E)位于江蘇省西部淮河下游，屬于亞熱帶季風氣候。由于泥沙淤積而在河湖交匯處形成光灘，隨演替的推進，光灘演變為蘆葦并成為當地優勢種。隨蘆葦地的淤高，刈割蘆葦栽種楊樹(在人工林中占比達95%以上)或種植水稻，稻田和人工林取代蘆葦而成為主要土地利用方式。

崇明東灘(31°37′31″N，121°23′33″E)位于崇明島東部，屬長江口典型的河口濕地。隨光灘的淤積，蘆葦和互花米草Spartina alterniflora演變為優勢物種。人為活動對土地利用方式的影響表現為人為刈割蘆葦或互花米草，轉變土地利用方式為小麥Triticum sestivum田。

1.2 土壤樣品采集

2017年4月采集崇明東灘的光灘、互花米草、蘆葦和小麥樣地土壤，于2017年7月采集洪澤湖的光灘、蘆葦、楊樹人工林和水稻樣地土壤。2種樣地的農田耕作和人工林種植時間均達20 a以上[18]。通過“S”形布點法(7個樣點)在各樣地(20 m×20 m)采集土樣，各樣點土壤通過“四分法”合并為1個土樣，每個樣地均取0～20 cm的表層土壤10 kg，自然風干后過2 mm的篩，保存于陰涼干燥處待用。

1.3 土壤理化性質的測定

pH值(水土比2.5∶1.0)通過雷磁pH計測定；有機碳(OC)使用高錳酸鉀外加熱法測定；全氮(TN)使用凱氏法，通過流動分析儀測定；電導率(EC，水土比5∶1)通過電導率測定儀測定；土壤粒徑測定參考文獻[19]；土壤全磷(TP)和無機磷(IP)通過灼燒法[20]測定，有機磷(OP)通過TP與IP的值相減得到，微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法[21]測定。結果見表1。

表1 不同土地利用下土壤基礎理化性質Table 1 Soil basic physicochemical properties under different land uses

1.4 酶促反應動力學

ALP活性的測定參照文獻[22]。稱取2.0 g土樣置于20 mL棕色小玻璃瓶中，設置3組平行，加入pH 8.4的氨基丁三醇鹽酸(Tris-HCl)緩沖液3.0 mL，土樣分別加入0、1.7、2.0、2.5、3.3、5.0和10.0 mmol·L-1對硝基苯磷酸二鈉(PNPP)溶液1 mL，加入0.5 mol·L-1氯化鈣(CaCl2)溶液1 mL，搖勻，37 ℃水浴1 h(對照組不水浴)，取出玻璃瓶，立刻加入0.5 mol·L-1氫氧化鈉(NaOH)4.0 mL終止反應，過濾。取濾液5.0 mL于25 mL具塞比色管中，加入2.0 mol·L-1氨基丁三醇(Tris)溶液2 mL，定容，采用紫外分光光度計(UV-2550型)在400 nm波長下測定對硝基苯酚(p-NP)吸光度(ALP活性以1 kg土壤1 h生成的p-NP的量表示)。ALP活性計算如下：

式(1)中：V為ALP活性(mmol·kg-1·h-1)；C1和C0分別為25 mL具塞比色管中處理組和對照組p-NP濃度(mmol·L-1)；m為土壤質量(g)；t為水浴時間(h)。

酶促反應動力學參數計算如下：

式(2)中：V為酶促反應速率(mmol·kg-1·h-1)；Km為米氏常數(mmol·L-1)；Vmax為最大酶促反應速率(mmol·kg-1·h-1)；[S]為底物濃度(mmol·L-1)。

1.5 統計方法

采用CANOCO 5.0進行數據的統計分析，使用Excel 2010制作表格。運用冗余分析方法分析酶促反應動力學參數與土壤基礎理化性質的相關性，采用SPSS 20.0進行單因素方差分析。ALP活性以平均值±標準差的形式表示。

2 結果與分析

2.1 不同覆被/土地利用下ALP活性

底物PNPP在0、1.7、2.0、2.5、3.3、5.0和10.0 mmol·L-1的不同濃度下，土壤ALP活性表現出隨PNPP濃度的增加而增大的趨勢(表2)。自然覆被和人為土地利用方式下ALP活性差異顯著(P＜0.05)。光灘轉變為蘆葦濕地的自然演替過程中，洪澤湖濕地不同PNPP濃度下ALP活性平均減小約10.9%，而在崇明東灘濕地表現為增大74.0%。崇明東灘互花米草入侵光灘后，ALP活性僅增加10.7%。人類活動影響下，洪澤湖蘆葦濕地轉變為人為利用方式楊樹林地或水稻田后，ALP活性增大約為2.2～2.3倍。而崇明東灘蘆葦和互花米草濕地轉變為小麥田后，ALP活性分別減小17.9%和增加23.3%。

表2 濕地不同土地類型下ALP活性隨PNPP濃度的變化Table 2 ALP activities with the concentration of PNPP in different land use changes

2.2 不同土地利用/覆被下ALP酶促反應動力學特征

ALP動力學參數的研究結果表明：洪澤湖和崇明東灘濕地自然覆被下的光灘、蘆葦/互花米草和人為利用下的楊樹、水稻和小麥土壤ALP的Vmax和Km差異顯著(P＜0.05)(表3)。洪澤湖光灘轉變為蘆葦濕地的自然演變過程中，Vmax和Km分別增加13.0%和50.8%，Vmax/Km減少25.0%；土地利用類型由蘆葦轉變為稻田和楊樹人工林后，Vmax、Km和Vmax/Km的增長幅度分別為290.6%～313.4%、21.0%～21.7%和224.4%～239.6%。相比較而言，崇明東灘濕地光灘演變為蘆葦植被后，Vmax增加697.1%，Km增加622.4%，Vmax/Km增加11.1%。而互花米草入侵光灘后，Vmax和Vmax/Km分別增加7.9%和10.2%，Km變化不明顯。刈割蘆葦栽種小麥，Vmax、Km和Vmax/Km分別減少54.8%、47.0%和13.3%。不難發現，洪澤湖濕地光灘和蘆葦植被土壤ALP的Vmax/Km顯著小于稻田和楊樹人工林(P＜0.05)，而崇明東灘濕地表現為麥田土壤ALP的Vmax/Km小于光灘、蘆葦和互花米草植被，兩地自然覆被與土地圍墾利用后土壤ALP的Vmax/Km表現出較大的變化差異。

表3 不同土地利用下土壤ALP的動力學參數Table 3 Kinetics of enzyme-catalyzed reactions of ALP under different land uses

2.3 Vmax、Km和Vmax/Km與土壤理化性質的關系

洪澤湖和崇明東灘濕地土壤ALP的動力學參數受土壤磷素的存在形式和碳氮質量分數影響明顯(圖1)，洪澤湖濕地土壤IP質量分數的增加有利于Vmax的增大，土壤OP的增大抑制Km的增加，C∶N、OC的增大有利于Km的增大，TN和EC質量分數的增加有利于Vmax/Km的增大。崇明東灘濕地0.1～2.0 μm粒徑土壤的增大對ALP的Vmax增大起到抑制作用，TN質量分數的減小有利于Km的增大，OC質量分數和63.0～200.0 μm粒徑土壤的增大有利于Vmax/Km的增加，而MBC增大則抑制Vmax/Km的提高。

圖1 洪澤湖(A)和崇明東灘(B)ALP的Vmax、Km和Vmax/Km與土壤基礎理化性質的冗余分析Figure 1 Redundancy analysis between Vmax, Km and Vmax/ Km of Hung-tse Lake (A) and Chongming Dongtan (B) ALP and soil physiochemical properties

3 討論

3.1 覆被變化/圍墾利用對ALP活性的影響

楊文彬等[23]以漓江水陸交錯帶為例研究不同覆被下土壤酶活性變化，結果表明：苔蘚植被自然演變為灌叢后，ALP活性增加30.9%～36.9%。HUANG等[24]發現鹽城濱海濕地光灘轉變為蘆葦或互花米草植被后，ALP活性增大，其中土壤OC和TN的增加是導致ALP活性增大的重要因素。本研究中崇明東灘濕地光灘演變為蘆葦或互花米草的自然演替過程中，土壤OC、TN和ALP活性均增大，與以往研究結果一致。有所不同的是洪澤湖光灘演變為蘆葦濕地后，ALP活性降低10%，這可能與土壤OC和TN變化均不明顯有關。

天然濕地經過人為圍墾利用后，ALP活性呈現增大趨勢，如黃莉[25]研究人類活動影響下土壤酶的變化發現：鄱陽湖濕地經過圍墾后土壤微生物活性提高，磷酸酶活性增大。湖北荊江天然河流濕地圍墾為稻田后ALP活性增加72%[26]。本研究中，洪澤湖蘆葦濕地轉變楊樹林地或水稻田，崇明東灘互花米草植被轉變為小麥田后ALP活性顯著增大(P＜0.05)，與以往研究結果一致。人為轉變土地利用方式后，土壤MBC質量分數也表現為明顯增大，表明微生物群落活躍程度提高，與ALP活性變化一致。值得指出的是，崇明東灘濕地蘆葦濕地轉變為農田后，ALP活性降低約17.7%，這可能受土壤C∶N的顯著下降影響[27]。

3.2 覆被變化對Vmax、Km和Vmax/Km的影響

酶促反應動力學參數中，Vmax表示酶被底物完全飽和時的反應速度，反映土壤酶的總量及酶-底物復合物分解為酶和產物的能力[28]，Km表征酶與底物親和力[29]，Vmax/Km表征酶的催化效率[30-31]。本研究中洪澤湖和崇明東灘濕地光灘演變為蘆葦植被，Vmax增大，植被增加使得由土壤微生物活動、植物根系分泌物和動植物殘體腐解過程分泌的ALP含量增大[32-33]。劉存歧[34]也指出：崇明東灘潮灘沉積物中ALP的Vmax表現為蘆葦濕地大于光灘土壤，本研究結果與其一致。值得指出的是，崇明東灘濕地光灘演變為互花米草(入侵物種)植被后，Vmax無明顯變化，可能是因為崇明東灘互花米草入侵加快土壤有機質降解，而可培養微生物菌落數卻顯著降低[35-36]。光灘演變為蘆葦植被后兩地土壤ALP的Km均表現為顯著增大(P＜0.05)，這可能與有機質對ALP的吸附有關[37]。TISCHER等[38]也發現：安第斯山脈草地自然演變為有機質含量更豐富的灌木林后土壤酸性磷酸酶的Km增大。本研究結果與其相似。

3.3 濕地圍墾利用后Vmax、Km和Vmax/Km的變化

人為轉變土地利用方式后，土壤酶的Vmax和Vmax/Km減小，如KHALILI等[39]發現：伊朗中部扎格羅斯地區天然森林轉變為耕地后，土壤纖維素酶Vmax和Vmax/Km減小；KNIGHT等[40]以俄勒岡州為例研究土地利用變化對土壤酶動力學特征的影響，結果表明：天然草地轉變為農田后β-葡萄糖苷酶的Vmax和Vmax/Km減小。然而也有結果顯示：人為土地利用變化可通過施肥等管理方式的影響使得土壤磷酸酶的Vmax和Vmax/Km增大。孔龍等[41]指出：農田耕作施加肥料而引起的土壤肥力增大可導致土壤磷酸酶的Vmax和Vmax/Km增大，邱莉萍等[31]也表明：小麥地土壤中OC和氮磷等營養指標的提高可促進ALP的Vmax增大。本研究中，洪澤湖濕地刈割蘆葦栽植楊樹或轉變為稻田后，土壤OC質量分數均增加。常年農業化肥施用土壤TN質量分數提高的影響下，動力學參數Vmax和Vmax/Km顯著增大(P＜0.05)，該結果與孔龍等[41]、邱莉萍等[31]的結果一致。此外，施肥作用影響下洪澤湖蘆葦濕地轉變為楊樹人工林和水稻田后EC由0.79 mS·cm-1增加到2.08和1.14 mS·cm-1可能也是Vmax/Km增大的重要原因。相關性分析結果也表明：Vmax/Km與土壤TN和EC存在正相關關系。值得指出的是，崇明東灘濕地蘆葦地轉變為小麥田后ALP的Vmax和Vmax/Km均降低，可能受農業旱地土壤OC養分的淋失影響。其中Vmax的降低可能還與EC的淋失有關。相關性分析也表明：崇明東灘濕地土壤ALP的Vmax與EC存在正相關關系。小麥地在常年施肥影響下TN質量分數增大1.3倍，而OC質量分數降低37.3%，這可能是Vmax/Km下降的重要原因。相關性分析結果也顯示：OC的減少不利于ALP的Vmax/Km增大。一方面，高質量分數OC有利于ALP的合成，有機質的吸附作用可減少酶的損失[42]，另一方面土壤中有機質是土壤酶促反應的重要能量來源[43]，因而低質量分數OC抑制ALP整體催化效率。人為圍墾后崇明東灘土壤ALP的Km降低可能與土壤OC質量分數的降低有關，圍墾蘆葦濕地為麥田后OC質量分數降低，低質量分數有機質對ALP的吸附作用較小，增大酶與底物結合的機會[37]。

4 結論

洪澤湖和崇明東灘濕地，在光灘自然演變為蘆葦濕地過程中，Vmax和Km均增大，ALP的總量增加，但酶與底物親和力下降。洪澤湖圍墾蘆葦濕地為楊樹人工林或水稻田，Vmax/Km增加，崇明東灘圍墾蘆葦濕地為小麥田，Vmax/Km下降，林地和水稻田相比較于小麥田可能更有利于土壤酶催化效率的增加。相關性分析結果表明：洪澤湖和崇明東灘濕地土壤ALP的Vmax/Km分別與TN和OC密切正相關。可見，濕地圍墾后的土地利用類型及管理方式可能對ALP的Vmax/Km產生顯著影響，提高土壤TN和OC質量分數有利于ALP催化效率的提升。