莫莫格湿地土壤酶活性特征及其与土壤铁的相关分析

于秀丽，许林书

（1.东北师范大学地理科学学院，吉林长春130024；2.白城师范学院地理科学学院，吉林白城137000；3.长春大学旅游学院，吉林长春130607）

莫莫格湿地土壤酶活性特征及其与土壤铁的相关分析

于秀丽1，2，许林书1，3

（1.东北师范大学地理科学学院，吉林长春130024；2.白城师范学院地理科学学院，吉林白城137000；3.长春大学旅游学院，吉林长春130607）

以莫莫格湿地芦苇沼泽（LW）、芦苇－羊草沼泽化草甸（L－Y）和羊草草甸（YC）3种类型湿地土壤为对象，研究了土壤的酶活性特征并对土壤酶与土壤铁进行了相关分析.结果表明：湿地土壤酶活性的垂直变化基本表现为从表层向深层递减的规律，其中Fe2O3还原酶活性和蔗糖酶活性在土壤表层最强.3种类型区土壤Fe2O3还原酶和磷酸酶均表现为LW＞YC＞L－Y.土壤酶之间还存在着一定的相关性，Fe2O3还原酶与酸性磷酸酶、过氧化氢酶与中性磷酸酶、蔗糖酶与中性磷酸酶均呈显著相关，蔗糖酶与酸性磷酸酶极显著相关，3种磷酸酶之间也存在极显著的相关关系.从土壤酶与土壤铁的相关分析结果看，湿地土壤Fe2O3还原酶与土壤络合铁、无定形铁和全铁均存在极显著或显著的相关性，土壤游离铁、无定形铁分别与蔗糖酶和中性磷酸酶显著相关.不同土壤环境中土壤铁与各种酶活性之间的相关性有明显差异.LW湿地土壤蔗糖酶与游离铁、无定形铁和全铁均呈极显著或显著正相关；L－Y湿地土壤铁与Fe2O3还原酶、磷酸酶、蔗糖酶之间均有显著的负相关性；YC中无定形铁与Fe2O3还原酶呈显著正相关性，其他土壤铁与酶活性相关均不明显.

土壤酶活性；土壤铁；相关性；莫莫格湿地

水陆过渡地带的湿地具有独特多样的水文条件，导致湿地土壤经常处于氧化还原状态的变化之中.铁是湿地土壤中主要的氧化还原物质，具有较高的活性，铁的氧化还原不仅影响土壤剖面铁的分布、迁移和扩散，而且对于土壤发育、潜育化过程及淋溶过程等都有重要作用［1］，在生物地球化学循环中有着特殊的重要性.土壤酶是土壤生物化学过程的主要调节者［2］，土壤中的一切生物化学反应都是在酶的参与下进行的，土壤酶的分解作用参与并控制着包括土壤的生物化学过程在内的自然界物质循环过程，是物质循环过程的限制性步骤［3］.土壤酶的活性反映了土壤中进行的物质转化、累积和分解等各种生物化学过程的动向和强度［4］.湿地土壤酶活性受到干湿交替、冻融等物理因子的影响，会使土壤微生物体分解并释放营养元素，从而影响它们活性的高低［5］.而土壤酶活性的高低直接影响土壤物质转化循环的速率，亦会影响土壤铁循环的速率.也有研究表明，在湿地土壤中，积水可通过改变微生物的群落结构影响土壤酶的释放，并在还原条件下增加诸如Fe2＋等抑制因子的浓度，进而影响土壤酶的活性［6］.

目前，对于湿地土壤铁迁移转化机理的认识存在不足，缺乏与酶活性等诸多生物化学过程相关联的多过程的综合研究.莫莫格湿地是松嫩平原典型的内陆盐碱沼泽湿地，对该湿地土壤酶活性方面的研究资料比较缺乏.为此，本文对莫莫格3种典型湿地土壤的酶活性及其与土壤铁的关系进行了研究，以揭示莫莫格不同类型湿地土壤酶的活性与湿地土壤铁的相关关系，为进一步研究湿地铁迁移转化机制提供理论依据，为退化湿地恢复与重建及湿地的合理开发利用提供科学依据.

1 研究区概况及样地的选择

莫莫格湿地是松嫩平原西部边缘典型的内陆盐碱沼泽湿地，地理位置为45°45′～46°10′N，122°27′～124°04′E.气候呈典型的温带大陆性季风气候特征，降水主要集中在夏季的7—8月份，年均降水量为392mm，但年蒸发量可达1 500mm，湿地土壤水分季节性变化十分明显.湿地地势低平，呈微波状起伏，平均海拔142m.沼泽湿地水源由嫩江支流河水、地表水和大气降水补给.典型湿地植被为芦苇，在常年积水和季节性集水地段常形成纯芦苇群落；另有以羊草为建群种组成的杂类草沼泽化草甸.

在莫莫格自然保护区内无人干扰的地带，选取3个不同类型的样地，分别是地表常年有5～10cm积水的芦苇沼泽区（以下简称LW，该区位于泡沼的边缘，生长多年生芦苇，最大生物量时芦苇高1.5～2m，土壤为沼泽土，其表层有10cm左右的半泥炭化土层）；地表夏季积水2～3cm的芦苇－羊草沼泽化草甸区（以下简称L－Y，位于泡沼的边缘向外约10m的地带，地势高于淹水芦苇约30cm，为芦苇与羊草的过渡区域，最大生物量时植被高35～75cm，土壤为沼泽化草甸土）；地表无积水特征的羊草草甸区（以下简称YC，位于泡沼的边缘向外约20m的地带，地势高于淹水芦苇约80cm，植被为以羊草为主的杂类草草甸，最大生物量时羊草高25～35cm，土壤为草甸土）.

2 研究方法

2.1 样品的采集与处理

土壤样品的采集时间是2012年5月末，在LW、L－Y和YC采样区各选择3个平行样点，每一样点都按土壤剖面0～10，10～30，30～60，60～90cm 4个层次分别采集.土壤样品利用土壤取样器进行提取，每次将提取出的土壤样品小心地从土钻中取下后，用刀片将土样周边的土切掉，取其中间部分，拣去石砾和植物根系等，分成两份，每份约1kg，分别装入可密封的聚乙烯塑料袋中并编号记录，然后用自制保温箱将所采集的土壤样品密封保存并运回实验室.其中一份储藏于冰箱中（4℃）作为鲜土样品，用于土壤游离铁、无定形铁、络合铁含量的测定；另一份自然风干后剔除有机碎屑等杂物，用球磨机磨碎，过细筛后装袋，用于土壤酶活性、土壤全铁含量的测定.

2.2 测定方法

Fe2O3酶活性的测定采用紫外分光光度法，以48h后l00g土壤中被还原的Fe2O3的微克数表示［7］.过氧化氢酶活性的测定采用紫外分光光度法，用每20min内每克土壤分解的过氧化氢的毫克数表示［7］.蔗糖酶活性的测定采用3，5－二硝基水杨酸比色定糖法（DNS法），以24h后1g土壤中葡萄糖的质量（mg）表示［7］.磷酸酶活性的测定采用磷酸苯二钠比色法（酸性磷酸酶用pH＝5的醋酸盐缓冲液；中性磷酸酶用pH＝7的柠檬酸盐缓冲液；碱性磷酸酶用pH＝10的硼酸盐缓冲液），以24h后1g土壤释出酚的微克数表示［7］.土壤游离铁含量采用连二亚硫酸钠－柠檬酸钠－重碳酸钠法测定［8］；无定形铁含量采用草酸铵缓冲液提取法测定［8］；土壤络合态铁含量采用焦磷酸钠提取法测定［8］；土壤全铁含量采用强酸消解法测定［8］.

2.3 数据处理

采用SPSS 13.0和Microsoft Excel 2003统计分析软件进行数据处理.

3 结果与分析

3.1 湿地土壤酶活性的分布特征

土壤酶广泛存在于土壤中，既是土壤的组分之一，又是存在于土壤中的生物催化剂，控制着湿地生态系统的物质循环.土壤酶的活性常常作为指示湿地物质分解循环过程强度的重要指标.脱氢酶系统参与嫌气土壤中铁的还原称为Fe2O3还原酶，该酶利用Fe2O3中的氧作为土壤中一系列氧化－还原过程的最终受体，使氧化铁被还原成氧化亚铁，是一种专性较强的氧化还原酶类［7］.过氧化氢酶能促进过氧化氢分解成分子氧和水，有利于防止过氧化氢对生物体的毒害作用，其活性表征土壤腐质化的强度和有机质的积累程度；蔗糖酶参与土壤中碳水化合物的转化，对增加土壤中的易溶性营养物质起重要作用，是表征土壤生物学活性的指标之一；磷酸酶是参与土壤磷素循环的重要酶类，可水解有机磷化合物，将其转化为不同形式的无机磷供植物吸收利用，其活性是评价土壤磷素生物转化方向与强度的指标［9］.

3.1.1 湿地土壤酶活性的垂直变化

本研究中，芦苇沼泽、芦苇－羊草草甸、羊草草甸3类型区中土壤酶活性的垂直变化基本表现为表层最高，逐渐向土壤深层降低，这与很多学者的研究结果一致［10－11］.其中Fe2O3还原酶表现为表层最高，向下逐渐递减，至底层略有上升.蔗糖酶则表现为从表层向深层递减的规律.3种磷酸酶都表现为0～10cm土壤最高，次高为30～60cm处，最低值出现在60～90cm土壤深层.上述各种酶活性的垂直变化在3种类型湿地土壤中的表现完全一致，只有过氧化氢酶的变化在不同类型湿地中表现不同，在LW中表现为表层最低，向深层逐渐增高，但变化幅度很小；L－Y中表现为表层最高，向下逐渐递减，至底层略有上升；YC中则表现为从表层向深层逐渐递减.

从土壤酶活性的垂直变异系数来看，Fe2O3还原酶垂直变异系数为42.04%（LW），45.03%（L－Y），61.08%（YC）；过氧化氢酶为1.43%（LW），18.96%（L－Y），10.60%（YC）；蔗糖酶为81.02%（LW），116.54%（L－Y），74.58%（YC）.酸性磷酸酶垂直变异系数为24.07%（LW），50.90%（L－Y），27.48%（YC）；中性磷酸酶为27.38%（LW），30.56%（L－Y），47.98%（YC）；碱性磷酸酶为14.82%（LW），24.76%（L－Y），20.77%（YC）.

3.1.2 不同类型土壤酶活性的差异

3种类型区土壤酶活性的比较结果表明，无论是表层还是底层土壤，Fe2O3还原酶及酸性、碱性磷酸酶均表现为LW＞YC＞L－Y；其中Fe2O3还原酶的变化幅度最大，为47.78%和81.94%；酸性磷酸酶的变化幅度为12.25%和22.06%；碱性磷酸酶的变化幅度为13.29%和2.04%.中性磷酸酶在表层与Fe2O3还原酶、酸性磷酸酶、碱性磷酸酶表现均一致，即LW＞YC＞L－Y，变化幅度为9.29%和3.74%；从30cm向下中性磷酸酶表现为LW＞L－Y＞YC，变化幅度为26.88%和15.93%.过氧化氢酶表现为表层L－Y＞LW＞YC，变化幅度为18.75%和4.81%；30cm以下与中性磷酸酶表现一致，即LW＞L－Y＞YC，变化幅度为12.93%和9.42%.蔗糖酶表现为表层YC＞L－Y＞LW，变化幅度为18.69%和18.72%；从30cm向下均为YC＞LW＞L－Y，变化幅度为43.92%和32.53%.

3.2 研究区土壤酶活性之间的相关关系

对研究区3类土壤6种酶分别进行活性的测定，然后按照酶活性指标进行分类统计，即将3类土壤同种酶活性的数据混编为一组，这样6种酶可以得出6组数据，对其进行相关分析，结果（见表1）表明，6种酶之间存在着一定的相互作用和影响.其中Fe2O3还原酶与酸性磷酸酶呈显著的相关关系，相关系数为0.584（P＜0.05，n＝12），与其他酶类无显著相关性；过氧化氢酶与中性磷酸酶呈显著的相关关系，相关系数为0.645（P＜0.05，n＝12），与其他酶类无显著相关性；蔗糖酶与酸性磷酸酶呈极显著相关关系，相关系数为0.751（P＜0.01，n＝12），与中性磷酸酶呈显著相关关系，相关系数为0.603（P＜0.05，n＝12），与其他酶类无显著相关性；3种磷酸酶之间均存在极显著的相关关系，相关系数分别为0.871，0.849和0.901（P＜0.01，n＝12）.

表1 研究区土壤酶之间的相关性

3.3 研究区土壤酶活性与土壤铁之间的相关关系

与3.2中所述数据处理方法相同，即先对每种土壤的4种铁（络合铁、游离铁、无定形铁、全铁）和上述6种酶活性指标进行分别测定，然后将3种类型土壤的同一个指标数据进行混编，得出4组铁和6组酶活性的数据，再对4种土壤铁和6种酶进行相关分析.结果（见图1）表明：Fe2O3还原酶与络合铁、无定形铁均呈极显著相关，相关系数分别为0.719和0.801（P＜0.01，n＝12）；Fe2O3还原酶与全铁呈显著相关，相关系数为0.642（P＜0.05，n＝12）；Fe2O3还原酶与游离铁无显著相关关系.蔗糖酶与游离铁呈显著相关，相关系数为0.629（P＜0.05，n＝12）；中性磷酸酶与无定形铁也显著相关，相关系数为0.590（P＜0.05，n＝12）.

图1 湿地土壤Fe2O3还原酶活性与络合铁、无定形铁和全铁含量相关散点图

在芦苇沼泽湿地中，过氧化氢酶与4种形态铁均呈负相关，但相关性不显著；其他5种酶与土壤铁均呈正相关，其中蔗糖酶与游离铁、无定形铁和全铁均呈显著或极显著相关，相关系数分别为0.995（P＜0.01），0.982（P＜0.05）和0.990（P＜0.01）.

在芦苇－羊草草甸沼泽湿地中，土壤铁与6种酶均呈负相关关系.其中，络合铁与Fe2O3还原酶，相关系数为－0.990（P＜0.05）；游离铁与酸性、中性磷酸酶，相关系数分别为－0.960（P＜0.05）和－0.963（P＜0.05）；无定形铁与蔗糖酶、酸性磷酸酶，相关系数分别为－0.968（P＜0.05）和－0.958（P＜0.05）；全铁与蔗糖酶、酸性磷酸酶、中性磷酸酶，相关系数分别－0.973（P＜0.05），－0.975（P＜0.05）和－0.986（P＜0.05）.

在羊草草甸中，只有无定形铁与Fe2O3还原酶呈显著正相关，相关系数为0.969（P＜0.05）.4种形态的土壤铁中，土壤全铁与Fe2O3还原酶呈正相关性，与其他5种酶均呈负相关关系；另外3种形态铁与6种酶均存在正相关关系，但相关性均不显著.

4 讨论

土壤酶来源于土壤中动物、植物和微生物细胞的分泌物及其残体的分解物［12］，因此土壤酶的活性和土壤微生物量关系密切.本研究表明，随着土壤深度的增加，湿地土壤酶活性呈下降趋势，这主要是由于多年来湿地植被枯落物大量覆盖在土壤表层，积累了较多的有机残体和腐殖质，微生物在丰富营养源的供应下生长旺盛、代谢活跃，提高了表层土壤酶的活性.随着土壤剖面的加深，土壤有机质含量降低，地下生物量下降；同时土壤温度降低及土壤通气性能和水分的变化，导致微生物繁衍受到抑制，进而降低了土壤酶的活性.6种土壤酶中，蔗糖酶与Fe2O3还原酶垂直变化程度很大，说明这2种酶活性受土壤有机质、土壤微生物量以及土壤理化性质影响较为明显.过氧化氢酶活性的垂直变异系数最小，且在不同类型湿地土壤中表现不同，因为过氧化氢酶的活性除与土壤微生物数量有关以外，还与植物根系等因素有关.如，在芦苇沼泽湿地土壤中，过氧化氢酶活性表现为表层最低，该区地表长期积水造成的缺氧环境可能限制了其分解作用，使表层土壤过氧化氢酶活性下降，这一现象与万忠梅等人的研究结果一致［13］；在3种类型湿地中，10cm以下各层土壤过氧化氢酶活性均表现为芦苇沼泽湿地土壤最高，这可能与芦苇根系发达、根际土壤中根的分泌物较多以及微生物活动积极有关.蔗糖酶活性最高值出现在羊草草甸表层土壤中，说明在羊草草甸表层土壤中蔗糖酶参与碳水化合物转化的强度最大.3种类型湿地土壤无论是表层还是底层，Fe2O3还原酶和磷酸酶基本表现为LW＞YC＞L－Y，即芦苇－羊草沼泽化草甸土壤中Fe2O3还原酶和磷酸酶活性都最低，这可能与此土壤环境变化显著有关，尤其是土壤水分干湿交替过于频繁，影响了土壤Fe2O3还原酶和磷酸酶的酶促作用.随着3种类型湿地土壤水分的明显变化，Fe2O3还原酶的活性表现出极大的变化幅度（26.87～286.10μg／g），说明Fe2O3还原酶受土壤水分的影响很大；Fe2O3还原酶的活性在淹水芦苇湿地中最高，而在干旱的羊草草甸中也很高，似乎说明芦苇湿地中的Fe2O3还原酶以异化还原酶为主，而水分条件很差的羊草草甸中Fe2O3还原酶以同化还原酶为主.

土壤铁与酶活性的相关分析表明，湿地土壤中Fe2O3还原酶与络合铁、无定形铁和全铁均存在极显著或显著的相关性，这一结果与梁永超的铁还原酶优先还原无定形氧化铁而不是晶质氧化铁以及汪远品的土壤铁的晶胶比越低，铁活化度越高，则铁还原酶活性越强的研究结果相符［14－15］，说明土壤中Fe2O3还原酶活性可以反映该土壤铁的氧化还原能力，是表征土壤肥力的一个指标.蔗糖酶和中性磷酸酶分别与土壤游离铁、无定形铁存在显著相关性，也说明湿地土壤中铁循环与碳循环、磷循环可能存在一定的联系.

另外，不同类型湿地环境下土壤铁与各种酶活性之间的相关性有明显差异.其中，在芦苇沼泽湿地土壤中土壤铁与酶活性的相关性最为明显，尤其是蔗糖酶活性与游离铁、无定形铁和全铁均呈显著或极显著相关，在一定程度上芦苇沼泽湿地土壤蔗糖酶活性可以反映其土壤铁的循环状态，进而可以说明湿地土壤铁与碳循环之间存在着某种联系；曲东等认为高铁作为电子受体被还原的同时，伴随着有机质的氧化，因此土壤中的铁还原受到土壤有机物等诸多因素的影响，有机还原性物质的数量愈多，能够提供的电子数量愈多，其还原反应愈快［16］.在芦苇－羊草沼泽化草甸湿地土壤中，磷酸酶活性与土壤游离铁、无定形铁及全铁均呈显著负相关.徐惠风的研究结果也表明磷酸酶和总铁呈显著的相关，但是对有效铁呈不显著的相关［17］，可以说明土壤铁与土壤磷循环之间也存在一定的关系.已有的宋建潇等人的研究表明，土壤磷素过高对铁的还原能力具有制约作用［18］；另外蔗糖酶与无定形铁和全铁也存在显著的负相关.在羊草草甸土壤中，只有Fe2O3还原酶与无定形铁呈显著的正相关，其他几种土壤铁与酶活性的相关性均不明显，这可能与土壤水分低、氧化还原电位低导致土壤铁与酶都不活跃有关.

5 结论

（1）莫莫格湿地土壤酶活性的垂直变化基本表现为从表层向深层递减的规律，其中Fe2O3还原酶和蔗糖酶垂直变异系数大，说明这两种酶在土壤表层更为活跃.3种类型区土壤酶活性的比较结果表明，土壤Fe2O3还原酶和磷酸酶均表现为LW＞YC＞L－Y.

（2）土壤酶之间存在着一定的相关性，Fe2O3还原酶与酸性磷酸酶、过氧化氢酶与中性磷酸酶、蔗糖酶与中性磷酸酶均呈显著相关；蔗糖酶与酸性磷酸酶极显著相关；3种磷酸酶之间存在极显著的相关关系.

（3）土壤络合铁、无定形铁和全铁均与Fe2O3还原酶存在极显著或显著的相关性；土壤游离铁、无定形铁分别与蔗糖酶和中性磷酸酶存在显著的相关性.

（4）芦苇沼泽湿地土壤蔗糖酶活性与游离铁、无定形铁和全铁均呈极显著或显著正相关；芦苇－羊草草甸湿地土壤络合铁与Fe2O3还原酶之间、游离铁与酸性和中性磷酸酶之间、无定形铁与蔗糖酶和酸性磷酸酶之间、全铁与蔗糖酶和酸性及中性磷酸酶之间均存在显著的负相关关系；羊草草甸土壤无定形铁与Fe2O3还原酶呈显著正相关，其他土壤铁与酶活性相关性均不明显.

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Characteristics of several soil enzyme activities and the correlations with soil iron in Momoge wetland

YU Xiu－li1，2，XU Lin－shu1，3
（1.School of Geographical Science，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.School of Geographical Science，Baicheng Normal College，Baicheng 137000，China；3.The Tourism College of Changchun University，Changchun 130607，China）

The typical soil enzyme activities and the iron oxide concentrations in the Momoge wetland soils of three community types，Phragmites australis marsh（LW），P.australis－Leymus chinensis marshy meadow（LY）and L.chinensis meadow（YC），were tested and their correlations were analyed.The results showed that the soil enzyme activities decreased from the upper soil layers to the lower ones，with the highest activities of Fe2O3reductase and invertase presenting in the surface layers.Among three wetland soil types，the enzyme activities of Fe2O3reductase and phosphatase are expressed as LW＞YC＞LY.Significant correlations were observed between Fe2O3reductase and acid phosphatase，catalase and neutral phosphatase，as well as invertase and neutral phosphatase.Extremely significant correlations were observed between invertase and acid phosphatase，as well as the three kinds of phosphatase.There were significant or extremely significant correlations between Fe2O3reductase and soil chelated iron oxides，Fe2O3reductase and amorphous iron oxides，Fe2O3reductase and total iron concentration，invertase and free iron oxides，invertase and amorphous iron oxides，neutral phosphatase and free iron oxides，as well as neutral phosphatase and amorphous iron oxides.These correlations differed obviously from different soil types.In LW wetland soil，the positive correlations between invertase and free iron oxides，amorphous iron oxides and total iron concentrations were all significant or extremely significant.In LY wetland soil，there were significant negative correlations between total iron concentration and Fe2O3reductase，total iron concentration and phosphatase，and total iron concentration and invertase.In YC wetland soil，only Fe2O3reductase was significantly positively correlated with amorphous iron oxides，while the correlations between other soil enzyme activities and soil iron correlation were all insignificant.

soil enzyme activites；soil iron；correlation analysis；Momoge wetland

S 153.6＋1 ［学科代码］ 210·5015

A

（责任编辑：方 林）

1000－1832（2014）02－0104－06

10.11672／dbsdzk2014－02－021

2014－02－27

国家自然科学基金资助项目（40871049）；吉林省教育厅科学技术研究项目（2009－472）.

于秀丽（1973－），女，博士研究生，副教授，主要从事湿地土壤生态研究；通讯作者：许林书（1948－），男，教授，博士研究生导师，主要从事土壤地理、土壤生态学研究.