壤胞外酶对湿地植物和土壤质量的影响

收稿日期：2023-10-10

作者简介：姜雨虹（1997—），女，湖南岳阳人，研究方向为土地资源监测与评价。

摘 要：土壤胞外酶是湿地生态系统中至关重要的组成部分，对湿地植物的生长和土壤质量起着重要的调控作用。探讨了土壤胞外酶的生物合成、分泌及其活性影响因素，系统地解析了土壤胞外酶对湿地植物生长、养分吸收和抗逆性的影响机制，研究了农业活动对土壤胞外酶的影响，并提出了相应的实践策略，包括优化农业管理措施、恢复和保护湿地生态系统、增加有机废弃物的合理利用以及加强土壤质量监测与评估等，有助于维护湿地生态系统的健康与稳定，为农业可持续发展提供有力的支撑。

关键词：土壤胞外酶；湿地植物；土壤质量；农业活动；调控策略

中图分类号：S154.2 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）04–0-03

湿地生态系统是地球上最重要的生态系统之一，在全球碳循环、气候调节、水源保护、生物多样性维护等方面发挥着不可替代的作用。湿地生态系统不仅为人类提供了丰富的生态服务，还是众多野生动植物的栖息地。

土壤胞外酶作为湿地生态系统中微生物活动的关键因子，可调控湿地植物的生长和土壤质量。土壤胞外酶是微生物分泌到土壤中具有催化功能的蛋白质，能够催化土壤中有机物、无机物的分解，并释放出能量和养分供微生物和植物吸收利用。因此，研究土壤胞外酶在湿地生态系统中的作用，有助于相关部门深入了解湿地的生态过程和机制，并采取有效的管理措施维护湿地的生态功能。

1 土壤胞外酶的概述

1.1 土壤胞外酶的定义与分类

土壤胞外酶是指存在于土壤中的、由微生物分泌具有催化功能的蛋白质，能够催化土壤有机物和无机物的分解，释放出能量和养分供微生物和植物吸收利用。根据其底物和催化反应的类型，可将土壤胞外酶分为多种不同的酶类，如磷酸酶、脲酶、蛋白酶等，在土壤有机质的分解、氮素循环和氨基酸代谢等过程中发挥着重要作用。

1.2 土壤胞外酶的生物合成与分泌

土壤胞外酶的生物合成和分泌过程是一个复杂的生物学过程，涉及多个基因和蛋白质的相互作用。在此过程中，微生物通过基因编码合成酶蛋白，并在细胞内进行修饰和组装；随后，酶蛋白被转运至细胞膜上，通过胞吐的方式分泌到土壤中，此过程受多种因素的影响，包括微生物种类、营养状况、环境因素等。

1.3 土壤胞外酶的活性与影响因素

土壤胞外酶的活性是指其在催化反应中的效率和能力。酶的活性受到多种因素的影响，包括pH值、温度、水分、污染物等，这些因素会通过影响酶的结构和功能，进而影响酶的活性。此外，土壤中的有机质、矿物质和微生物群落等也会对酶的活性产生影响。例如，有机质可以提供能源和底物给微生物，促进胞外酶的分泌和活性；而重金属污染物则可能抑制酶的活性，影响其正常功能的发挥[1]。

在湿地生态系统中，土壤胞外酶的活性还受到湿地植物的影响。植物根系分泌物可为微生物提供能源和碳源，促进微生物的生长和酶的分泌。同时，植物根系还可以与微生物形成共生关系，促进养分的吸收和利用。

2 土壤胞外酶与湿地植物生长的关系

土壤胞外酶作为湿地生态系统中微生物活动的关键因子，不仅对土壤有机质的分解和养分循环具有重要作用，还与湿地植物的生长有着密切的关系。

2.1 土壤胞外酶与植物生长的相互作用

土壤胞外酶能够催化有机物质分解，释放出植物可利用的养分，如氮、磷、钾等。这些养分被植物吸收后，有助于植物的生长和发育。通过研究土壤胞外酶的活性与植物生长的关系，可以更好地理解植物养分吸收的机制，为植物营养管理提供科学依据。

2.2 土壤胞外酶对湿地植物养分吸收的影响

（1）促进有机物质分解：土壤中的有机物质是植物养分的来源之一。土壤胞外酶能够催化有机物质分解，释放出植物可利用的养分。通过研究不同酶的活性与有机物质分解速率的关系，可以更好地了解植物养分吸收的机制。

（2）调节土壤pH值和氧化还原状态：土壤pH值和氧化还原状态是影响植物养分吸收的重要因素。土壤胞外酶能够通过调节土壤pH值和氧化还原状态，影响植物对养分的吸收效率。例如，酸性磷酸酶能够促进磷的释放和有效性，从而提高植物对磷的吸收效率。

（3）促进根际微生物互作：土壤胞外酶还会参与植物根际微生物的互作过程。根际微生物通过分泌胞外酶来分解有机物质和释放养分以供植物吸收利用。同时，植物根系也可以通过分泌胞外酶来促进根际微生物的生长和活性，形成互利共生的关系，有助于提高植物对养分的吸收效率。

2.3 土壤胞外酶对湿地植物抗逆性的影响

（1）增强植物抗病性：土壤胞外酶参与植物的免疫反应和抗病机制，可提高植物对病虫害的抵抗力。例如，某些胞外酶能够催化抗菌物质的合成和释放，降低病原菌对植物的侵害风险；同时，植物根系也通过分泌胞外酶来促进有益微生物的生长和活性，拮抗有害病原菌的生成。

（2）降低环境胁迫的影响：土壤胞外酶还具有降低环境胁迫对植物影响的作用。例如，某些胞外酶能够降解有毒有害物质，降低其对植物的毒害作用。同时，土壤胞外酶还会参与植物的氧化还原平衡调节，有助于提高植物对氧化、还原胁迫的适应能力。

3 土壤胞外酶对湿地土壤质量的影响

3.1 土壤质量的概念与评价指标

土壤质量是指土壤的健康状况和生产能力，是衡量土壤综合性能的重要指标。土壤质量的影响因素众多，包括土壤养分、微生物群落、物理性质等。为了全面评价土壤质量，需要采用一系列的指标进行综合评估，包括土壤有机质、微生物活性、土壤结构、土壤透气性等。

3.2 土壤胞外酶对土壤有机质的影响

土壤有机质是评价土壤质量的重要指标之一，对土壤的肥力和可持续性具有重要作用。土壤胞外酶对土壤有机质的影响主要体现在以下2个方面。

（1）促进有机物质分解转化：土壤胞外酶能够催化有机物质分解，释放出养分供植物和微生物利用。通过研究不同酶的活性与有机物质分解速率的关系，可以更好地了解有机质分解的机制。同时，有机质的分解转化有助于提高土壤的肥力和持水能力。

（2）影响土壤腐殖质的形成与性质：腐殖质是有机质的重要组成部分，对土壤的理化性质和生物活性具有重要作用。土壤胞外酶参与腐殖质的形成和转化过程，影响其理化性质和功能。例如，某些胞外酶能够催化酚类物质聚合反应，促进腐殖质的形成；同时，酶的活性还会影响腐殖质的结构和理化性质，进而影响土壤的肥力和持水能力。

3.3 土壤胞外酶对土壤微生物群落的影响

土壤微生物群落是影响土壤质量的重要因素之一，参与土壤有机质的分解、养分的循环和转化等过程。土壤胞外酶对土壤微生物群落的影响主要体现在以下2个方面。

（1）影响微生物的活性与多样性：土壤胞外酶的活性直接影响微生物的生长和代谢。某些胞外酶的合成和分泌与微生物的生长周期和代谢活动密切相关，通过调控胞外酶的活性，可以影响微生物的活性。同时，不同酶的活性还可能影响微生物群落的多样性，进而影响土壤质量[2]。

（2）促进微生物互作与共生：土壤胞外酶还参与微生物之间的互作与共生过程。例如，植物根系分泌的胞外酶可以促进根际微生物的生长和活性，形成互利共生的关系。同时，不同微生物之间也可以通过分泌胞外酶进行营养竞争和协同作用，从而维持土壤微生物群落的稳定性和功能。

3.4 土壤胞外酶对土壤物理性质的影响

土壤物理性质是影响土壤质量的重要因素之一，包括土壤结构、透气性、持水能力等。土壤胞外酶通过参与有机质的分解和转化，有助于改善土壤的结构。有机质的分解产生腐殖质和多糖等物质，能够增加土壤的团聚体稳定性，提高土壤的通气性和持水能力。同时，多糖等大分子物质的分解也有助于提高土壤的渗透性和减少土壤紧实度。

4 农业活动对土壤胞外酶的影响

4.1 农业耕作方式对土壤胞外酶的影响

耕作方式是影响土壤质量和生态系统功能的重要农业活动之一，不同的耕作方式对土壤胞外酶的活性产生不同的影响。

机械耕作对土壤胞外酶活性的影响：机械耕作通过扰动土壤结构和改变土壤环境，对土壤胞外酶的活性产生影响。机械耕作可能破坏土壤结构，降低土壤湿度和pH值，从而降低土壤胞外酶的活性。同时，耕作过程中可能将底物和养分带入土壤中，促进微生物的生长和酶的分泌。

农业操作对土壤胞外酶活性的影响：农业操作，如种植、收获、灌溉等也可能对土壤胞外酶的活性产生影响。例如，种植作物的根系分泌物可为微生物提供能源和碳源，促进微生物的生长和酶的分泌。而收获农作物可能将底物和养分从土壤中移除，进而影响微生物的生长和酶的分泌。

4.2 施肥对土壤胞外酶的影响

施肥是提高土壤养分水平和促进植物生长的重要农业措施之一，不同类型的肥料会对土壤胞外酶的活性产生不同的影响。

有机肥料对土壤胞外酶活性的影响：有机肥料富含有机物质和微生物，能够提供养分和促进微生物的生长。有机肥料的施用可能增加土壤有机质的含量，促进土壤胞外酶的分泌和活性。同时，有机肥料中的微生物也可能分泌胞外酶，参与有机物的分解和养分的释放。

化学肥料对土壤胞外酶活性的影响：化学肥料能够提供植物所需的养分，但过量施用可能导致土壤酸化、盐碱化和生态平衡失调。化学肥料的使用可能改变土壤pH值和氧化还原状态，从而影响土壤胞外酶的活性。

4.3 农药使用对土壤胞外酶的影响

农药是用于防治农作物病虫害的有毒化学物质，但其使用可能对土壤质量和生态系统功能产生负面影响。农药的使用可能对土壤微生物群落产生毒害作用，抑制微生物的生长和酶的分泌。某些农药可能直接抑制土壤中特定微生物种群的生长，导致微生物多样性降低。农药在土壤中的残留可能对土壤酶活性产生影响。某些农药可能与土壤酶发生化学反应，并抑制其活性或改变其功能。此外，农药还可能通过干扰土壤pH值、氧化还原状态等环境因素，间接影响土壤酶活性。

5 调控土壤胞外酶的策略

5.1 优化农业管理措施

农业管理措施是调控土壤胞外酶活性的重要手段之一。其中，推广轮作和间作制度是关键。轮作和间作能够改善土壤结构，提高土壤通气性和持水能力，有利于微生物的生长和酶的分泌。通过合理安排轮作和间作的作物种类和时间，可以调节土壤中不同酶的活性，从而促进养分的循环和转化[3]。

此外，科学施肥也是重要的农业管理措施。施肥是提高土壤养分水平的关键措施之一，农民可根据作物需求、土壤肥力和养分循环状况来确定施肥种类和数量。同时，应尽量选择有机肥料或复合肥料，避免过量施用化学肥料而导致的土壤酸化、盐碱化和生态平衡失调。

5.2 恢复和保护湿地生态系统

恢复和保护湿地生态系统对于维护土壤质量和生态平衡具有重要意义，而且有助于提高土壤酶活性。其中，保护自然植被是基础。自然植被是湿地生态系统的重要组成部分，具有保持土壤、调节水分、提供栖息地等功能。相关部门应采取有效措施保护湿地周边的自然植被，防止过度开发和破坏，可通过建立湿地保护区、限制人类活动范围等措施有助于保护自然植被的完整性。

5.3 提高有机废弃物的利用率

有机废弃物是农业生产中常见的废弃物资源，如农作物秸秆、畜禽粪便等。合理利用有机废弃物不仅可以减少环境污染，还能为土壤提供有机物质和养分，促进微生物的生长和酶的分泌。农民可将农作物秸秆粉碎后直接还田，有利于增加土壤有机质含量，促进微生物的生长和酶的分泌。同时，秸秆还田还可以改善土壤结构，提高土壤通气性和持水能力。为了提高秸秆还田的效果，可以采取适当的粉碎方法和添加腐熟剂等以促进秸秆的分解和转化。

同时，畜禽粪便的无害化处理与利用也是重要的有机废弃物利用方式。畜禽粪便含有丰富的有机物质和养分，经过无害化处理后可以作为有机肥料施入土壤。肥料中的有机物质能够为微生物提供碳源和能源，促进微生物的生长和酶的分泌。可以采用堆肥发酵等方法杀灭病原菌和寄生虫卵等有害生物，提高肥料的安全性和有效性。

5.4 加强土壤质量监测与评估

定期监测土壤质量状况评估土壤酶活性、养分状况、污染物含量等指标，可以为制定相应的管理措施提供科学依据。首先，建立完善的土壤质量监测网络是基础。监测网络应覆盖各个重要的生态区域，并定期采集土壤样本进行检测。监测的内容应该包括土壤的理化性质、养分状况、酶活性、污染物含量等。

其次，加强数据收集和分析工作至关重要。土壤质量监测涉及大量的数据，工作人员需要进行科学的数据管理和分析。通过运用现代科技手段，如大数据分析、GIS系统等，相关部门可以更好地整理和分析这些数据，从而更准确地评估土壤质量状况和酶活性水平。

最后，通过持续的监测和数据分析可以及时发现土壤质量的变化和问题。一旦发现土壤质量下降或酶活性异常，相关部门应采取相应的措施对其进行改良。

6 结束语

土壤胞外酶作为湿地生态系统中微生物活动的关键因子，对土壤质量、养分循环和生态系统功能具有重要影响。为了保护和提高湿地土壤质量，相关部门需要采取一系列调控措施管理土壤胞外酶活性。通过优化农业管理措施、恢复和保护湿地生态系统、增加有机废弃物的合理利用以及加强土壤质量监测与评估等多方面的努力，可以有效提高土壤质量，促进生态系统的健康和可持续发展。在未来湿地保护和土壤质量提升的实践中，相关部门和工作人员应通过科学、合理的调控手段，促进土壤质量的提高和生态系统的恢复。同时，加强宣传教育，提高公众对湿地生态系统的认识和保护意识，促进社会各界的广泛参与和支持。

参考文献

[1] 姚宏佳.黄土高原草地土壤胞外酶活性和微生物残体碳的变化特征[D].杨凌：西北农林科技大学，2023.

[2] 曹雨婷.不同菌根类型林分土壤胞外酶活性及影响因素[D].南京：南京林业大学，2023.

[3] 冯秀秀.秦岭太白山阔叶林不同海拔根际土壤胞外酶活性和微生物群落差异性研究[D].西安：西北大学，2021.