盐城滩涂湿地土壤酶活性特征及其影响因素

习盼，徐驰，刘茂松

(南京大学 生命科学学院，江苏 南京 210023)

土壤酶主要来源于土壤微生物、植物根系分泌物和动植物残体的分解，与土壤营养物质循环、有机物分解和能量转换等过程密切相关。土壤酶活性的高低直接影响土壤物质循环速率，对生态系统功能具有重要的作用[1-2]。大量研究表明，不同种类土壤酶的化学性质和作用机制不同，酶活性特征和影响因素也存在明显的差异[1]。已有的关于酶活性的研究多集中于森林生态系统、草原生态系统和农田生态系统，而对于处于海洋与陆地之间的滩涂湿地生态系统的研究相对较少。滩涂湿地生态系统地理位置独特，在维护区域和全球生态系统平衡方面具有重要意义。明确滩涂湿地生态系统中土壤酶活性特征及其影响因素对于理解湿地生态系统物质分解、循环状况具有积极意义。

盐城滩涂湿地是我国面积最大的典型淤泥质海滨湿地，从海岸到内陆具有典型的植被演替序列，由海到陆分别生长着互花米草(SpartinaalternifloraLoisel.)群落、藨草(Scirpustriqueter)群落、盐地碱蓬[Suaedasalsa(L.) Pall.]群落、芦苇[Phragmitesaustralis(Cav.) Trin. ex Steud.]群落[3]。本研究以盐城滩涂湿地上述4种典型植物群落为研究对象，通过野外调查和采样分析，比较不同土壤酶活性的分布特征和影响因素，以期为滩涂湿地的生态恢复和功能提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

江苏盐城湿地珍禽国家级自然保护区位于江苏省盐城市区正东方向40 km，119°53′45″～121°18′12″E、32°48′47″～34°29′28″N[4]。该保护区东临黄海，是世界自然遗产中国黄(渤)海候鸟栖息地的重要组成部分[5]。保护区处于暖温带与北亚热带过渡带，受海洋性和大陆性气候影响，年平均气温13.7～14.6 ℃，年无霜期210～224 d，年平均降水量1 000 mm[6]。

1.2 样品采集

于2018年10月在保护区核心区内互花米草群落、藨草群落、碱蓬群落和芦苇群落中各随机设置4个1 m×1 m的样方。各样地的基本信息如下：互花米草样地，地理坐标为120.615°E、33.608°N，地上生物量8 746.72 g·m-2，系滩涂向海最外围的植被带，植被盖度约86%，平均株高1.8 m；藨草样地，地理坐标为120.594°E、33.600°N，地上生物量241.27 g·m-2，植被盖度约32%，平均株高0.9 m；碱蓬样地，地理坐标为120.571°E、33.588°N，地上生物量117.12 g·m-2，植被盖度约23%，平均株高0.3 m；芦苇样地，地理坐标为120.554°E、33.579°N，地上生物量240.84 g·m-2，植被盖度约53%，平均株高1.5 m。

在每个样方中调查记录植物株高、盖度数据，采用全收获法将植物地上部分收割带回，在75 ℃恒温下48 h烘干至恒重，测地上生物量(AGB)。在样方内将土壤从上到下分为0～10 cm(表层)、10～30 cm(中层)和30～60 cm(深层)3个土层，在每个土层分别以多点混合采样方式采集土样，共采集48份土样，装入塑料密封袋后带回实验室，测定土壤理化指标和土壤酶活性。

1.3 样品处理与分析

1.3.1 样品处理

土壤样品带回后剔除动植物残体，用四分法取出适量土壤样品分成2部分：一部分鲜土样放在4 ℃冰箱中保存，用于测量土壤还原性物质总量(RS)、电导率(EC)、平均粒径(Mz)；另一部分在阴凉处风干、磨碎，过100目筛后装入密封袋中保存，用于测定土壤pH值(pH)、总氮(TN)、总磷(TP)和土壤酶活性。

1.3.2 土壤理化指标测定

土壤含水量(SWC)采用烘干法测定；土壤容重(BD)采用环刀法测定；TN采用半微量凯式法测定； TP采用碱熔-钼锑抗分光光度法测定；pH值用pH计测定(水土体积质量比2.5∶1)；RS采用重铬酸钾氧化法测定；EC采用减压过滤法测定；Mz用9300-Z型激光粒度分布仪(丹东百特仪器有限公司)测定土壤粒级结构后，按照Folk-Ward图解法[7]计算。

1.3.3 土壤酶活性测定

土壤蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定，酶活性以每克土每小时产生葡萄糖(37 ℃)的质量(以mg计)表示；土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，酶活性以每天生成酚(37 ℃)的质量(以mg计)表示；土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，酶活性以每小时消耗0.1 mol·L-1KMnO4(37 ℃)的体积(以mL计)表示。

1.4 数据处理与分析

使用Excel 2016和SPSS 19.0进行统计和分析，利用Origin 2019作图。应用双因素方差分析法(two-way ANOVA)比较不同植物群落和不同土层土壤酶活性的差异，对有显著(P<0.05)差异的，采用最小显著差异法(LSD)进行多重比较。通过计算数据间的皮尔逊(Pearson)相关系数检验土壤酶活性与土壤因子等的相关性。

通径分析通过对自变量与因变量之间直接相关性的分解，可以用来研究自变量对因变量的直接重要性和间接重要性，从而为统计决策提供可靠的依据[8]。本研究使用SPSS 19.0软件的逐步回归分析方法进行通径分析[9]，比较各土壤因子和地上生物量对3种土壤酶活性的影响程度和相对贡献。

2 结果与分析

2.1 盐城滩涂湿地不同植物群落的土壤酶活性特征

盐城滩涂湿地不同植物群落土壤蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶的活性如图1所示。互花米草群落、藨草群落、碱蓬群落和芦苇群落0～60 cm深度土壤蔗糖酶活性分别为4.89～10.16、1.75～6.71、1.46～3.55、1.63～4.20 mg·g-1·h-1。互花米草群落的土壤蔗糖酶活性在3个土层均显著高于其他3种植物群落。在表、深层土壤中，藨草群落、芦苇群落和碱蓬群落蔗糖酶活性无显著差异；在中层土壤中，藨草群落蔗糖酶活性显著高于碱蓬群落。垂直剖面上，蔗糖酶活性在表层土壤中最高，中、深层活性相对较低。

互花米草群落、藨草群落、碱蓬群落和芦苇群落0～60 cm深度土壤磷酸酶活性分别为0.12～0.76、0.11～0.90、0.10～0.26、0.03～0.14 mg·g-1·d-1。表、中层土壤中，磷酸酶活性表现为藨草群落显著高于碱蓬群落和芦苇群落；深层土壤中，藨草群落与互花米草群落土壤磷酸酶活性无显著差异，且均显著高于碱蓬群落和芦苇群落。垂直剖面上，互花米草群落磷酸酶活性在3个土层间无显著差异；藨草群落和碱蓬群落表层土壤磷酸酶活性显著高于中、深层土壤；芦苇群落表、中层土壤磷酸酶活性显著高于深层土壤。

互花米草群落、藨草群落、碱蓬群落和芦苇群落0～60 cm深度土壤过氧化氢酶活性分别为0.92～1.44、1.77～1.82、0.92～1.69、1.25～1.77 mL·g-1·h-1。在4种群落中，藨草群落的过氧化氢酶活性在各土层均最高，而互花米草群落均最低。表、中层土壤中，藨草群落与芦苇群落的过氧化氢酶活性无显著差异，且均显著高于互花米草群落和碱蓬群落。垂直剖面上，互花米草群落、藨草群落和芦苇群落3个土层的过氧化氢酶活性无显著差异，而碱蓬群落的表层土壤过氧化氢酶活性显著低于中、深层土壤。

柱上无相同大写字母的表示相同土层不同植物群落间差异显著(P<0.05)；柱上无相同小写字母的表示同一植物群落不同土层间差异显著(P<0.05)。图2同。图1 盐城滩涂湿地不同植物群落的土壤酶活性

2.2 盐城滩涂湿地不同植物群落土壤因子含量

如图2所示，RS在不同群落间差异较大，由高到低依次为互花米草群落、芦苇群落、碱蓬群落、藨草群落，其中，在表、中层，藨草群落显著低于其他3种群落。垂直剖面上，碱蓬群落RS含量从表层到深层递减，而其他群落均表现为深层最高。SWC、TN含量由高到低依次为互花米草群落、藨草群落、芦苇群落、碱蓬群落，互花米草群落、藨草群落SWC、TN含量显著高于芦苇群落和碱蓬群落，且TN含量在表层土壤中最高。

表层土壤中，EC含量表现为碱蓬群落显著高于其他3种群落，藨草群落显著低于其他3种群落，而互花米草群落和芦苇群落无显著差异；中层土壤中，各植物群落的EC含量无显著差异；深层土壤中，互花米草群落和碱蓬群落的EC值显著大于芦苇群落和藨草群落。各土层中，互花米草群落的土壤pH值均最低，且显著低于其他3种群落；除深层外，藨草群落、芦苇群落和碱蓬群落的pH值无显著差异。

Mz在各土层均表现为碱蓬群落和芦苇群落显著高于互花米草群落和藨草群落。其中，互花米草群落和碱蓬群落的Mz随土壤深度增加递减，而藨草群落、芦苇群落的Mz则是在中层最高。互花米草群落表、中层的TP显著高于其他群落，而其他群落在各土层间TP均无显著差异。在表层和深层，芦苇群落和碱蓬群落的BD均显著大于互花米草群落和藨草群落。

2.3 土壤酶活性与土壤因子和地上生物量的关系

2.3.1 相关性分析

比较土壤酶活性与土壤因子和地上生物量的Pearson相关系数发现，3种土壤酶活性与土壤因子的关系存在差异(表1)。蔗糖酶活性与TN、TP、SWC、AGB、RS极显著正相关，与BD、pH极显著负相关，与土壤Mz显著负相关(P<0.05)；磷酸酶活性与TN、SWC极显著正相关，与TP显著正相关，与BD、Mz极显著负相关，与pH显著负相关；过氧化氢酶活性与土壤pH极显著正相关，与TP、RS、AGB、EC极显著负相关。

图2 盐城滩涂湿地不同植物群落土壤因子含量

表1 土壤酶活性与土壤因子和地上生物量的相关系数

2.3.2 通径分析

通径分析可把相关系数分解为直接作用系数和间接作用系数，解释因变量对自变量的相对重要性。土壤理化因子等对酶活性的影响较为复杂，为了正确评价土壤因子等对土壤酶活性的影响程度，选择直接通径系数和各土壤因子的间接通径系数，定量阐释各土壤因子对酶活性的影响程度[10]，结果如表2所示。

通径分析结果表明，不同土壤酶活性的影响因子存在差异。AGB、TN和SWC是影响蔗糖酶活性的重要因子。AGB对蔗糖酶的直接正作用最大，TN对蔗糖酶活性主要是直接正作用和通过AGB起间接正作用，SWC对蔗糖酶活性起直接负作用，并通过AGB、TN对其产生间接正作用。

TN和RS是影响土壤磷酸酶活性的重要因子，且TN与磷酸酶活性的相关性大于RS。TN、RS对其直接通径系数均大于间接通径系数，表明两者对磷酸酶活性的主要贡献表现为直接作用。TN对磷酸酶的直接正作用最大，并通过RS起间接负作用；RS对磷酸酶活性起直接负作用，并通过TN对其产生间接正作用。

AGB、BD、EC和SWC是影响过氧化氢酶活性的重要因子。AGB对过氧化氢酶的直接负作用最大，并通过BD产生间接正作用。EC对过氧化氢酶活性产生直接负作用，并主要通过AGB起间接负作用。BD通过AGB、SWC对过氧化氢酶活性产生间接正作用，并对其有较强的直接负作用。

表2 土壤因子和地上生物量对土壤酶活性的通径系数

SWC对过氧化氢酶活性起直接负作用，并通过AGB对其产生间接负作用，通过BD对其产生间接正作用。

3 讨论

3.1 盐城滩涂湿地不同植物群落土壤酶活性差异

土壤酶是土壤中的生物催化剂，在湿地生态系统物质循环过程中起重要作用，可以反映土壤生物化学过程的方向和强度[11]。蔗糖酶和磷酸酶是土壤中重要的水解酶，其中，蔗糖酶是参与土壤有机碳循环的酶，磷酸酶是促进有机磷化合物分解的酶类[12]。过氧化氢酶属于氧化还原酶，可以促进多种化合物的氧化，防止过氧化氢积累对生物体造成毒害。

国内学者在盐城滩涂湿地的相关研究表明，不同植物群落间土壤酶活性存在差异。毛志刚等[13]的研究发现，互花米草群落下土壤蔗糖酶、过氧化氢酶和磷酸酶活性最高，碱蓬群落相对较低。李洪山等[14]的研究表明，土壤磷酸酶活性表现为互花米草群落>芦苇群落>碱蓬群落，且芦苇群落与碱蓬群落无显著差异。黄利东等[15]的研究发现，芦苇群落土壤蔗糖酶和磷酸酶活性均值最高，碱蓬群落最低。

本研究发现，盐城滩涂湿地不同植物群落下3种土壤酶活性存在较大差异。相比于碱蓬群落和芦苇群落，互花米草群落和藨草群落下土壤蔗糖酶、磷酸酶活性较高，这与毛志刚等[13]的研究结果相同。毛志刚等[13]认为，不同植物群落的植被特征，尤其是植物生物量的差异会导致不同植物群落间土壤酶活性存在差异。蔗糖酶和磷酸酶与土壤营养物质分解循环关系密切。本研究中地上生物量由高到低依次为互花米草群落、藨草群落、芦苇群落、碱蓬群落，高地上生物量会向土壤中输入较多的有机质，从而导致较高的土壤酶活性。土壤过氧化氢酶在不同植物群落间的活性特征与蔗糖酶和磷酸酶差异较大，其中，藨草群落土壤过氧化氢酶活性最高，互花米草群落最低，碱蓬群落和芦苇群落之间差异较小。

垂直剖面上，土壤蔗糖酶和磷酸酶活性在表层土壤中最高，显示蔗糖酶和磷酸酶活性主要积累在表层土壤中，深层土壤中酶活性相对较低。而过氧化氢酶活性在中、深层土壤中高于表层土壤，这与李林海等[16]的研究结果相似，表明过氧化氢酶在不同群落间和不同土壤深度与蔗糖酶和磷酸酶等水解酶呈现出不同的活性特征。李林海等[16]认为，过氧化氢酶属氧化还原酶类，其活性大小除与凋落物组成和根系分泌物有关外，土壤环境等也是影响其分布的重要因素。

3.2 盐城滩涂湿地土壤酶活性与土壤因子和地上生物量的关系

相关性分析发现，3种土壤酶活性均与土壤含水量呈正相关，与容重呈负相关，显示土壤含水量越高，土壤酶活性越强。此外，3种土壤酶活性与土壤平均粒径呈负相关，这与刘存歧等[17]在长江口潮滩湿地的研究结果相同。刘存歧等[17]认为，土壤细颗粒有利于有机物的吸附，高有机物含量能够为微生物提供电子受体，从而导致高的土壤酶活性。

此外，3种土壤酶活性的影响因子也存在差异。土壤蔗糖酶和磷酸酶活性与地上生物量和土壤N、P养分关系密切，与地上生物量、土壤TN、TP含量均为正相关。李艳红等[18]对其的解释为，较高的有机质可以改善土壤通透性和缓冲能力，为土壤酶提供良好的土壤环境，同时有利于微生物的数量增加和生长代谢活动，因此，酶活性较强。土壤pH值与蔗糖酶、磷酸酶活性显著负相关，显示较高的土壤pH值不利于蔗糖酶、磷酸酶活性的提高。过氧化氢酶与土壤因子的关系与蔗糖酶和磷酸酶有较大不同，与土壤pH值显著正相关，与地上生物量、TP显著负相关，显示出与水解酶类不同的响应特征。

通径分析结果进一步表明，不同土壤酶活性的主要影响因子存在较大差异：地上生物量、总氮和土壤含水量是影响土壤蔗糖酶活性的主要因素；土壤总氮和还原性物质总量是影响土壤磷酸酶的主要因子；地上生物量、土壤容重、土壤含水量和电导率是影响土壤过氧化氢酶活性的主要因素。TN对蔗糖酶、磷酸酶具有强烈的直接正作用；地上生物量对蔗糖酶具有较强直接正作用，对过氧化氢酶则表现出强烈负作用；SWC对蔗糖酶和过氧化氢酶的直接负作用被通过其他因素产生的正向间接作用所抵消；RS对磷酸酶起直接负作用，并被通过TN对磷酸酶活性的正向间接作用部分抵消；BD对过氧化氢酶起直接负作用，并被通过其他因素对过氧化氢酶活性的正向间接作用所抵消。