不同类型高寒草地土壤酶活性测定与分析

史惠兰+刘梦萍+庞文豪

摘要：以青海省黄南藏族自治州河南蒙古族自治县地区高寒草地为研究对象，测定不同类型草地土壤过氧化氢酶、蔗糖酶和脲酶活性，分析其分布特征及相互之间的关系。结果表明，各类草地土壤酶活性均沿土壤垂直剖面依次降低，差异显著（P<0.05），且在冬季牧场和夏季牧场不同草地类型间也均表现为差异显著（P<0.05）；相关性分析结果表明，土壤酶之间存在相互促进关系，也存在抑制作用。

关键词：高寒草地；土壤酶活性；过氧化氢酶；蔗糖酶；脲酶

中图分类号：S154.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）15-2835-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.15.010

Abstract： Taking Alpine Grasslands of Henan Mongol Autonomous County， Huangnan Tibetan Autonomous Prefecture， Qinghai Province as objects，soil catalase，sucrose and urease activity were measured，and their distribution characteristics and relationship were analyzed. The results showed that soil enzyme activities were decreased with the increase of soil depth，and the difference was significant（P<0.05）； And soil catalase，sucrose and urease activity among different grassland in winter pasture grassland and summer pasture grassland were significant differences（P<0.05）. The correlation indicated that the relationship of promotion and inhibitory both exist among those soil enzymes.

Key words： Alpine grassland； soil enzyme activity； catalase； sucrose； urease

土壤酶主要来源于动植物的分泌，是土壤中活跃的有机成分之一，在土壤养分循环以及植物生长所需养分的供给过程中起到重要的作用[1]。土壤酶活性强弱表征了土壤中物质代谢的旺盛程度，与微生物一起推动着土壤生物化学过程，并对土壤肥力的演化具有重要影响[2-4]。20世纪80年代中期以后，陆地生态系统中土壤酶活性的检测成了必不可少的测定指标[5]。国内土壤酶学工作者就酶在植物残体转化、分解和防止土壤污染中的作用，以及土壤酶活性作为评价土壤肥力水平指标的可能性等方面进行了研究[6]。近年，土壤酶对农药污染的修复作用[7]、脲酶抑制剂添加条件下土壤脲酶的抑制作用动力学研究[8-10]、大气CO2升高对土壤酶活性的影响[11-13]等方面的研究取得了重要成果。土壤酶活性对环境扰动的响应、根际土壤酶功能、土壤酶研究技术以及土壤酶作为土壤质量的指标等成为未来发展的主攻方向[14-16]。

脲酶存在于大多数细菌、真菌和高等植物里。土壤的脲酶活性与土壤的微生物数量、有机物质含量，全氮和速效氮含量呈正相关[17]。过氧化氢酶在一定程度上反映了土壤微生物学过程的强度[18]。蔗糖酶是研究最多的一种土壤酶，其活性与环境土壤中的腐殖质、水溶性有机质和黏粒含量有关[19]。

本试验以来自高原地区不同天然草地土壤垂直剖面土层样品为研究对象，通过测定8种高寒草地在0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm垂直土层的过氧化氢酶、蔗糖酶和脲酶活性，比较不同草地类型土壤酶的分布特征，旨在探讨土壤酶活性的变化特征以及它们之间的关系，为揭示高原草地土壤质量，深入研究青藏高原草甸不同生态系统结构和功能提供科学的基础数据，同时为该地区的可持续发展提供理论依据。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

青藏高原因海拔高和气候寒冷被认为是气候变化的敏感区和脆弱區[20]。高寒草甸类草地是青藏高原优势的草地类型[21]。高寒草甸在不同地形部位形成了差异较大的灌丛草甸、嵩草草甸、沼泽化草甸等植被类型[22]。

河南蒙古族自治县位于青藏高原东部，青海省的东南部，地处北纬34°05′-34°56′，东经100°53′06″-102°16′12″[23]。土地总面积69.97万hm2，现有草地面积65.65万hm2，占土地总面积的92.59%，可利用草地面积60.91万hm2，占草地面积的92.79%[24]。境内最高海拔4 539 m，最低海拔3 168 m，属高原亚寒带湿润气候区，高原大陆性气候特点明显。年均气温在9.2～14.6 ℃，年降水量597.1～615.5 mm，年平均蒸发量为1 349.7 mm，年平均风速2.6 m/s，日照率为57.58%～58.15%，略低于省内西部地区[25]。县内土壤分布有高山寒漠土、高山草甸土、山地草甸土、灰褐土、黑钙土、沼泽土6种土壤类型；土壤有机质含量丰富，潜在肥力高，但因高寒缺氧，土壤微生物不易生长，营养物质流转率低，周转时间长，供肥效能差[26]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择与样品采集 在研究区选择在3种放牧管理方式下的8种草地类型，见表1。

1.2.2 土壤样品采集与预处理 采样于2014年8月进行，选择地势平坦，植被及土壤基本一致的地区作为取样点，定点取土，3次重复，取样深度30 cm，每隔10 cm为1层，0～10 cm取样时去除土壤表层凋落物，所取样品剔除植物根系和石块。将采集回来的土壤样品在烘箱中进行人工烘干，将烘干后的土壤样品过0.25 mm筛，编号存放，用于土壤酶活性的测定。endprint

采用高锰酸钾滴定法测定土壤的过氧化氢酶活性，其活性以1 h后每克风干土壤消耗0.02 mol/L高锰酸钾的毫升数表示[mL/（g·h）]；采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性，其活性以培养24 h后1 g干土生成葡萄糖毫克数表示[mg/（g·24 h）]；采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定土壤脲酶活性，其活性以培养24 h后每克风干土壤中NH3-N的毫克数来表示[mg/（g·24 h）][17]。

1.2.3 数据统计分析 在野外采样、样方调查和实验室测定的基础上，采用SPSS 17.0软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同类型草地土壤酶活性特征

2.1.1 土壤过氧化氢酶活性的变化 过氧化氢酶是土壤肥力状况和总生物学活性的表征。在各类型草地中，土壤过氧化氢酶活性随土壤剖面的加深均呈下降趋势（图1），并且在金露梅灌丛、垂穗披碱草草地、杂类草退化草地各层差异显著（P<0.05）；矮嵩草草地、退牧还草垂穗披碱草草地10～20 cm与20～30 cm土层差异不显著，但都与0～10 cm土层差异显著（P<0.05）；藏嵩草草地0～10 cm与10～20 cm土层差异不显著，与20～30 cm土层差异显著（P<0.05）。

土壤过氧化氢酶活性在藏嵩草草地为最高， 0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土层分别为5.38、5.30、4.80 mL/（g·h）。在0～10 cm土层，藏嵩草草地与垂穗披碱草草地、金露梅灌丛（冬季牧场）差异均不显著，但与金露梅灌丛（夏季牧场）差异显著，金露梅灌丛（夏季牧场）与矮嵩草草地差异不显著，但与杂类草退化草地差异显著，矮嵩草草地与杂类草退化草地差异不显著，但与退牧还草垂穗披碱草草地差异显著，其分布状况为藏嵩草草地、垂穗披碱草草地、金露梅灌丛>杂类草退化草地>退牧还草垂穗披碱草草地（P<0.05）；在10～20 cm土层过氧化氢酶活性分布状况为藏嵩草草地>垂穗披碱草草地（冬季牧场）>金露梅灌丛（冬季牧场）、垂穗披碱草草地（夏季牧场）>杂类草退化草地、矮嵩草草地、退牧还草垂穗披碱草草地>金露梅灌丛（夏季牧场）（P<0.05）；在20～30 cm土層过氧化氢酶活性分布状况为藏嵩草草地、垂穗披碱草草地（冬季牧场）>金露梅灌丛（冬季牧场）>垂穗披碱草草地（夏季牧场）、杂类草退化草地、退牧还草垂穗披碱草草地、矮嵩草草地>金露梅灌丛（夏季牧场）（P<0.05）。

不同土层过氧化氢酶活性大小顺序基本一致，均以藏嵩草草地、垂穗披碱草草地（冬季牧场）土壤过氧化氢酶活性较高，金露梅灌丛（冬季牧场）、垂穗披碱草草地（夏季牧场）次之。

2.1.2 土壤蔗糖酶活性的变化 蔗糖酶是土壤熟化程度和肥力水平的表征。在各类型草地中，土壤蔗糖酶活性沿土壤剖面的垂直分布基本一致，均随土壤剖面的加深而降低，且各土层之间差异达到显著水平（P<0.05）（图2）。

在0～10 cm土层，蔗糖酶活性变化为金露梅灌丛（夏季牧场）>垂穗披碱草草地（冬季牧场）>杂类草退化草地>垂穗披碱草草地（夏季牧场）>矮嵩草草地>金露梅灌丛（冬季牧场）、藏嵩草草地>退牧还草垂穗披碱草草地（P<0.05）；在10～20 cm土层，蔗糖酶活性的分布状况为矮嵩草草地、垂穗披碱草草地（夏季牧场）>垂穗披碱草草地（冬季牧场）>杂类草退化草地>金露梅灌丛（夏季牧场）>藏嵩草草地>退牧还草垂穗披碱草草地、金露梅灌丛（冬季牧场）（P<0.05）；在20～30 cm土层，蔗糖酶活性很小，均在3 mg/（g·24 h）以下。

2.1.3 土壤脲酶活性的变化 脲酶是土壤氮素状况的表征。土壤脲酶活性在不同类型草地土壤中的变化除金露梅灌丛（冬季牧场）20～30 cm高于10～20 cm外，其他类型草地均表现为上层土壤高于下层土壤（图3）。

在0～10 cm土层脲酶活性变幅较大，在10～20 cm和20～30 cm土层中的变幅较小。在0～10 cm土层各类型草地的脲酶活性差异均达显著水平（P<0.05）。

2.2 不同类型草地土壤酶活性变化特点

冬季牧场、夏季牧场土壤过氧化氢酶、蔗糖酶和脲酶活性在不同草地类型间均表现为差异显著（P<0.05），土壤脲酶活性在冬季牧场、夏季牧场不同草地类型中处于较低水平（图4、图5）。在冬季牧场，不同草地类型土壤过氧化氢酶活性较高；在夏季牧场，不同草地类型土壤蔗糖酶活性处于较高水平。

2.3 同类草地土壤酶活性变化特点

土壤过氧化氢酶活性在金露梅灌丛、垂穗披碱草草地均表现为冬季牧场高于夏季牧场，且差异显著（P<0.05）；而蔗糖酶和脲酶活性在金露梅灌丛夏季牧场显著高于冬季牧场（P<0.05），在垂穗披碱草草地却无明显季节变化特点（图6、图7）。

2.4 不同酶活性指标相关性分析

为探讨不同草地类型的土壤酶活性之间及其与土壤温度间的关系，对3种土壤酶活性进行了相关分析，分析结果见表2。所研究的3种酶活性均表现为相关不显著。其中，土壤过氧化氢酶与蔗糖酶间表现为负相关，过氧化氢酶与脲酶间表现为正相关，蔗糖酶与脲酶间表现为正相关。由此可以说明，在所研究范围内，土壤过氧化氢酶与蔗糖酶之间存在一定的抑制作用，而脲酶与过氧化氢酶、蔗糖酶之间都存在相互影响相互促进的关系，脲酶与蔗糖酶间的影响促进关系更为明显。

所研究的3种酶活性与温度之间均表现为相关不显著。其中，土壤过氧化氢酶与温度间表现为负相关，蔗糖酶与温度间表现为正相关，脲酶与温度间表现为负相关。由此可以说明，在所研究范围内，土壤温度对过氧化氢酶活性的影响较大；温度升高对土壤蔗糖酶活性具有一定促进作用。

3 讨论

土壤温度的下降限制了土壤生物的代谢产酶能力，使得土壤酶活性随着土层的加深而降低。在所研究的8种草地类型中，金露梅灌丛（夏季牧场）酶活性最大，垂穗披碱草草地（冬季牧场）次之，这与草地植被类型、物种丰富度有较大关系。endprint

表层土中的脲酶活性在土層总酶活性中占有较大比例，表明脲酶在表层通过酶促反应形成无机氮的能力较强。这主要是由于土壤表层积累了较多的枯落物、腐殖质，植物根系集中在土壤表层，其分泌物和细胞脱落促使酶进入土壤，一定程度上提高了土壤表层的脲酶活性。

在放牧管理方式相同，草地类型不同条件下，土壤酶活性均表现为差异显著（P<0.05）。相同草地类型，在不同放牧管理方式下，土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性变化较大，且处于较高水平；而土壤脲酶活性在低水平波动，变化不明显，这与土壤中脲酶数量及其作用的专一性有一定关系。土壤过氧化氢酶在冬季牧场表现出更高活性。

土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶活性在不同草地类型土壤中表现出相似规律，局部出现分异，这与土层温度垂直变化有一定联系。因土壤上层拥有高等植物，大量枯枝落叶堆积，有机质等养分富集，而下层土壤有机质少，因而土壤酶活性的分布大多随土层加深而降低。

4 小结

土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶活性在不同草地类型土壤中均表现为随土壤深度的增加而逐渐下降，且差异显著（P<0.05）。不同草地类型土壤酶活性存在一定的相关关系，主要表现为相互影响促进。

不同草地类型、不同放牧管理方式对于土壤酶活性都存在一定影响作用，可以通过改变管理放牧方式来改善有机畜牧业生产地区的草地土壤质量，一定程度上与三江源保护地区的可持续发展相协调。

参考文献：

[1] 王光华，金 剑，韩晓增，等.不同土地管理方式对黑土土壤微生物量碳和酶活性的影响[J].应用生态学报，2007，18（6）：1275-1280.

[2] 杜伟文，欧阳中万.土壤酶研究进展[J].湖南林业科技，2005， 32（5）：76-82.

[3] BROOKES P C，LANDMAN A，PRUDEN G，et al. Chloroform fumigation and the release of soil nitrogen：A rapid direct extraction method to measure microbial in soil[J].Soil Biology and Biochemistry，1985，17：837-842.

[4] POWLSON D S，BROOKES P C，CHRISTENSEN B. Measurement of soil microbial biomass provides an early indication of changes in total soil organic matter due to straw in corporation[J].Soil Biology and Biochemistry，1987，19：159-164.

[5] 张玉兰，陈利军，张丽莉.土壤质量的酶学指标研究[J].土壤通报，2005，36（4）：1541-1565.

[6] 周礼恺.土壤酶学[M].北京：科学出版社，1987.

[7] 张丽莉，陈利军，刘桂芬，等.污染土壤的酶学修复研究进展[J].应用生态学报，2003，14（12）：2342-2346.

[8] 陈利军，武志杰.与氮转化有关的土壤酶活性对抑制剂施用的响应[J].应用生态学报，2002，13（9）：1099-1103.

[9] 焦晓光，梁文举，陈利军.脲酶/硝化抑制剂对土壤有效态氮、微生物量氮和小麦氮吸收的影响[J].应用生态学报，2004，15（10）：1903-1906.

[10] 李东坡，武志杰，梁成华，等.缓/控释氮素肥料对土壤生物学活性的影响[J].农业环境科学学报，2006，25（3）：397-408.

[11] 陈利军，武志杰.大气CO2增加对土壤脲酶、磷酸酶活性的影响[J].应用生态学报，2002，13（10）：1356-1357.

[12] 张玉兰，张丽莉，陈利军，等.稻-麦轮作系统土壤水解酶及氧化还原酶活性对开放式空气CO2浓度增高的响应[J].应用生态学报，2004，15（6）：1014-1018.

[13] 苑学霞，林先贵，褚海燕，等.大气CO2浓度升高对不同施氮土壤酶活性的影响[J].生态学报，2006，26（1）：48-53.

[14] 曾思齐，周国英，余济云.湘东丘陵区次生林土壤微生物的分布及酶的活性研究[J].中南林学院学报，1998，18（2）：20-23.

[15] DECKER K L M，BOERNER R E J，MORRIS S J. Scale dependent patterns of soil enzyme activity in a forest landscape[J].Canadian Journal of Forest Research，1999，29（2）：232-241.

[16] EDWARDS C A. Biological Interaction in Soil，in Agriculture，Ecosystem and Environment[M].London：Academic Press，1988. 24.

[17] 关松荫.土壤酶及其研究法[M].北京：农业出版社，1986.296-339.

[18] 高祥斌.森林土壤化学性质与土壤酶活性典型相关分析[J].四川林业科技，2007，28（1）：71-73.

[19] MENG Y L，WANG L G，ZHOU Z G，et al. Effect of the composite root population of wheat-cot-ton double cropping system on soil enzyme activity and soil nutrient content at the cotton rhizosphere and non-rhizosphere zones[J].Sci Agric Sinica，2005，38：904-910.

[20] 汤懋苍，程国栋.青藏高原近代气候变化及其对环境的影响[M].广州：广东科学技术出版社，1998.

[21] 周兴民，李健华.海北高寒草甸生态系统定位站的主要植被类型及其地理分布规律 高寒草甸生态系统[M].兰州：甘肃省人民出版社，1982.9-18.

[22] 王启基，周兴民.高寒矮嵩草草甸禾草种群的生长发育节律及环境适应性[J].植物生态学与地植物学学报，1991，15（2）：168-176.

[23] 河南县区划办.河南县区划[M].西宁：青海人民出版社，1985.

[24] 杨晓生.河南县草地生产力现状监测[J].青海草业，2011，20（3）：42-44.

[25] 赵和梅，袁 倩.河南县气候变化对草地生态环境的影响及其防治措施研究[J].青海气象，2007（1）：34-36.

[26] 秦海蓉，马志贵，康海军.河南县草地建设现状与存在问题[J].青海草业，2001，10（4）：23-24.endprint