北京山地4种阔叶林土壤酶活性及动力学特征

刘肖肖，戴 伟，戴奥娜

（北京林业大学 林学院，北京100083）

土壤酶作为土壤有机物转化的执行者和植物营养元素的活性库，积极参与土壤中所有的生物化学过程［1］。由于酶对土壤及环境变化比较敏感，因此土壤酶被看作判别土壤质量和胁迫环境下土壤退化的早期预警指标［2－3］。鉴于此，很多学者将关注焦点集中在土壤酶活性与土壤理化性质关系方面的研究，探讨利用酶活性评价土壤肥力的可能性［4－9］。为了更加深入了解土壤酶的影响作用，学者们进一步开展了土壤酶促反应动力学特征方面的研究［10－15］。但由于土壤酶促反应的复杂性，迄今为止，土壤酶活性作为土壤肥力指标虽被大多数者认可，但仍存有争论［16－17］；研究内容多集中在表层土壤酶活性方面，而结合土壤酶促反应机理所开展的更深入的研究较少；研究对象多以不同农业管理方式下的土壤为主，针对森林土壤的研究很少，且不完善等［18］。刺槐Robinia psedoacacia林，板栗Castanea mollissima林，槲树Quercus dentata林以及山杨Populus davidiana-白桦Betula platyphylla林是北京山地重要的阔叶林分类型，针对其林下土壤酶活性及酶促反应动力学特征的相关研究较少。为此，本研究选择刺槐、山杨-白桦、槲树和板栗林下土壤为对象，研究土壤脲酶、多酚氧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性及动力学特征，并进一步利用主成分分析，分析比较各特征因子评价土壤肥力的可行性，选取合理的肥力评价指标，以期为完善北京林地土壤质量评价体系提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

选取坡度相近、坡向相同的刺槐林、板栗林、槲树林、以及山杨-白桦林为研究样地。设置100 m×100 m标准样地（表1），每个样地分割为20 m×20 m的25个样方，利用随机取样法选取5个样方保证代表性，分别采集深度为0～20，20～40和40～60 cm的土壤混合样品，风干过筛后，放入4℃冰箱中保存备用。

表1 研究样地概况Table 1 General situation of experimental sites

1.2 研究方法

1.2.1 土壤理化性质测定 土壤颗粒组成采用吸管法；土壤有机质用外加热法；土壤全氮采用硫酸-高氯酸消煮-凯氏定氮仪法；土壤速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；土壤速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度计法；pH值采用酸度计法；土壤有效态铁、锰、锌、铜采用DTPA-TEA浸提-AAS法［19－20］。

1.2.2 土壤酶活性及动力学参数测定 脲酶活性采用靛酚蓝比色法，酶活性以37℃，24 h土壤释放铵态氮的量表示（mg·g－1）；多酚氧化酶和过氧化物酶活性采用邻苯三酚比色法，酶活性以30℃，2 h土壤生成没食子素的量表示（mg·g－1）；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法，酶活性以20 min土壤消耗高锰酸钾的量表示（mL·g－1）。

酶促反应特征参数：分别测定不同反应时间下底物浓度或产物的变化量，利用时间与变化量作图，曲线初期的斜率即为土壤酶促反应初速度（V0）。再根据Lineweaver-Burk方程（1），利用1/V0对1/S作图，求出不同酶促反应的Vmax，Km和 1/Vmax［21－23］。

式（1）中：V0为酶促反应初速度；Vmax为酶促反应的最大速度，可表征土壤酶参与酶促反应过程潜在能力的容量指标，即酶的总量；Km为米氏常数，是酶的特征性常数，只与酶的性质有关，与总酶量无关，可表征酶与底物的亲和能力；S为底物浓度（mol·L－1）。其中，脲酶底物浓度为0.008，0.020，0.080和0.600 mol·L－1，反应时间分别为6.0，12.0，18.0和24.0 h；多酚氧化酶底物浓度为0.080，0.160，0.320和0.480 mol·L－1，反应时间分别为0.5，1.0，2.0和3.0 h；过氧化物酶底物浓度为0.008，0.040，0.080和0.160 mol·L－1，反应时间分别为0.5，1.0，2.0和3.0 h；过氧化氢酶底物浓度为0.088，0.176，0.352，0.528， 0.704 和 0.880 mol·L－1， 反应时间分别为 2.0， 4.0， 8.0 和 10.0 min。

1.2.3 数据处理 采用SPSS 21对4种酶的活性和动力学参数进行方差分析，对4种酶特征值和土壤理化性质进行相关分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 土壤酶活性变化特征

不同林分类型下，土壤脲酶随土层加深而减小，0～20 cm土壤酶活性显著高于下层土壤，这与以往多数研究结果相同［24－25］。此外，不同林型同层土壤比较发现，脲酶活性为刺槐林＞山杨-白桦林＞板栗林＞槲树林。除板栗林外，3种林型土壤过氧化氢酶活性也表现出与脲酶活性相同的剖面规律，其中，刺槐林和山杨-白桦林0～20 cm土壤酶活性显著高于下层，而斛树林土壤则表现为渐变的层间变化特征。不同林型下土壤多酚氧化酶和过氧化物酶活性表现出不同的剖面垂直变化和层间变化特点。但刺槐林、山杨-白桦林和槲树林同层土壤比较发现，2种酶活性都呈现高—低—高的变化趋势（图1）。

图1 不同林型土壤酶活性Figure 1 Enzyme activity in the soil under different plantations

2.2 土壤酶动力学参数变化特征

表2表明：土壤脲酶酶促反应的最大速度（Vmax）和土壤酶催化效率（Vmax/Km）均随土层深度增加而降低，两者在0～20 cm土层明显高于下层土壤，表明该土层脲酶质量分数最高，酶促反应效率最高，但酶和底物亲和力（Km）没有明显的剖面变化；除板栗林外，其他3种林型土壤过氧化氢酶酶促反应的Vmax，Vmax/Km和Km表现出与脲酶相同的剖面变化特征。但不同林型下土壤多酚氧化酶和过氧化物酶酶促反应的Vmax，Vmax/Km和Km没有明显的剖面垂直变化规律。不同林型同层土壤呈不同的酶促反应特征，没有统一的规律性。

2.3 土壤酶活性及动力学参数相关分析

从表3看出：脲酶活性与Vmax，脲酶活性与Vmax/Km，Vmax/Km与Vmax的相关系数分别为0.905，0.918和0.927，达极显著相关水平，与Km呈负相关；多酚氧化酶的活性与Vmax/Km显著相关（0.895），与Vmax相关，Vmax/Km和Km呈负相关；过氧化物酶的Vmax/Km和Km显著负相关；过氧化氢酶的Vmax与Vmax/Km，Km均显著相关，且系数为0.815和0.937，Vmax/Km和Km为正相关关系。

表2 土壤酶动力学参数Table 2 Kinetic parameters of soil enzyme

表3 不同林型下土壤酶特征值相关分析Table 3 Correlation analysis of soil enzyme characteristics under different plantations

2.4 土壤酶特征值与土壤理化性质相关分析

各层土壤属于壤土。除板栗林外，其余林型下层土壤黏粒高于表层，体现出一定的黏粒淋溶聚集特点。不同林型土壤pH值均呈弱酸性反应。除有效铜外，其他土壤化学性质表现出随土层加深逐渐减小的特点（表 4）。

土壤脲酶、过氧化物酶的活性与土壤有机质、速效磷、速效钾达显著或极显著相关；脲酶酶促反应的Vmax和Vmax/Km，过氧化物酶酶促反应的Km，与有机质、全氮、速效钾等土壤化学性质以及有效铁、有效锰、有效锌之间都呈显著或极显著相关。其余的酶特征因子与土壤理化性质相关性较差或无相关性（表 5）。

2.5 土壤因子主成分分析

以往对土壤肥力进行评价时，涉及大量指标和数据，仅凭借主观判断很难找出其中的内部联系和影响，主成分分析法可将各个因子化为少数几个综合因子，并尽可能保留原变量的信息量，且彼此之间互不相关，而达到简化的目的。因此，近年来在土壤肥力研究中得到了普遍的应用［11,14,26］。表5可知：土壤脲酶活性，Vmax和Vmax/Km以及土壤过氧化物酶活性和Km与多项土壤理化性质表现出很好的相关性，因此具有一定的土壤肥力评价意义。为筛选出起主要因素的因子群，对土壤理化性质及上述酶学指标进一步作主成分分析。由表6可知：第1主成分的方差贡献率最大，为50.93%，4个主成分累计方差贡献率达91.81%。因此，前4个主成分的综合指标基本能反映土壤肥力系统内的变异信息。

表4 不同林型土壤理化性质Table 4 Physicochemical properties of soil under different plantations

表5 土壤酶特征值与土壤理化性质的相关关系Table 5 Correlations between enzyme activity as well as its kinetic characteristics and the physicochemical properties of the soil under different plantations

由图2可知：第1主成分和第2主成分分别解释了总方差变量的50.93%和17.94%，因此与之相关性大的因子可以认为是主要影响因子。第1主成分主要与有机质（r=0.930），全氮（r=0.909），速效钾（r=0.862）， 速效磷（r=0.834）， 有效铁（r=0.747）， 过氧化物酶Km（r=0.774）， 脲酶的活性（r=0.832），Vmax（r=0.925），Vmax/Km（r=0.876）相关，第2主成分主要与有效锰（r=0.928）相关。上述因子可作为评价土壤肥力的重要指标。

3 讨论

土壤脲酶活性和除板栗林外的其他3种林型下土壤过氧化氢酶活性垂直剖面特点明显，表现出随土壤深度增加而降低的特征。板栗林土壤过氧化氢酶可能受到较为强烈的人为影响，因而其活性表现出独特的剖面垂直特征（图1）。例如农药的施入会强烈抑制土壤过氧化氢酶活性［22］，在板栗林管理中往往会使用低浓度农药防治栗疫病、白粉病等，这可能是导致板栗林表层土壤过氧化氢酶活性降低的重要原因之一。土壤多酚氧化酶和过氧化物酶活性与土壤腐殖质的形成和转化密切相关［22］。尽管刺槐、山杨-白桦和槲树林下同层土壤显示出一定的变化规律，但如何更加准确理解不同林型下2种土壤酶活性的特征及变化，还需深入研究。

土壤酶来自于微生物、植物根系和土壤动物的分泌［22］，其活性被认为是评价土壤肥力的重要指标。研究认为，土壤脲酶活性与土壤肥力密切相关，是评价土壤肥力的重要指标之一［8,15,21］。本研究得到相同的结论（图2），验证了土壤脲酶活性可作为评价土壤肥力的普遍性指标。土壤过氧化物酶活性对土壤肥力也表现出良好的指示意义，而多酚氧化酶和过氧化氢酶活性则指示意义较低（表2），这一结论与前人研究或相同［27］或不同［28］。这种研究结论间的差异表明上述土壤酶活性受土壤条件和植被类型的深刻影响，所以表现出同一种酶活性在不同研究中呈现不同的土壤肥力指示意义，不具备土壤脲酶活性所具有的普遍性特点。因此，在进行土壤肥力评价时，选择具有说明意义的土壤酶活性指标是十分必要的。

土壤酶作为一种特殊催化剂影响着土壤中生物化学反应的过程和强度，其活性是影响酶促反应的重要因素。一些学者尝试通过土壤酶活性的变化解释酶对土壤特征的响应和影响［29］。但本研究表明：土壤酶促反应强度并不仅取决于土壤酶活性的高低，土壤酶的活性及其与底物的结合强度等动力学特征也同样会对酶促反应产生重要影响。因此，单纯利用活性高低解释土壤酶对酶促反应的影响并不利于对酶促反应的理解。以0～20 cm土壤脲酶酶促反应催化效率为例，刺槐林土壤脲酶催化效率最高，其次分别为山杨-白桦林土壤、板栗林和槲树林土壤。这种催化效率的不同是由酶的活性、质量分数和酶-底物亲和力共同作用的结果。刺槐林土壤脲酶具有最高的活性及与底物最强的亲和力，酶促反应催化效率最高；槲树林土壤脲酶活性虽然高于板栗林土壤，但由于活性最低、酶-底物亲和力最弱，催化效率最低；山杨-白桦林土壤脲酶活性显著高于其他3种土壤，脲酶活性最高，但由于活性和酶-底物亲和力的影响，使其酶促反应催化效率低于刺槐林土壤，而高于板栗林和槲树林土壤；板栗林土壤脲酶活性虽然低于槲树林，但由于相对较高的活性及Km值明显不同，使其酶促反应的催化效率高于槲树林土壤（图1，表2）。

表6 土壤主成分特征值Table 6 Principal component eigenvalues of the tested soils

图2 土壤主成分因子载荷Figure 2 Factor loading of main composition of soil

4 结论

土壤脲酶活性和其他3种林型下（除板栗林）的土壤过氧化氢酶活性随土壤深度的增加而减小，而土壤多酚氧化酶和过氧化物酶活性在不同林型下垂直剖面特征不同。土壤脲酶和过氧化氢酶Vmax和Vmax/Km随土壤深度的增加而减小；多酚氧化酶和过氧化物酶的动力学参数均无规律性变化。土壤酶促反应效率不仅取决于土壤酶活性，其动力学特征也会对酶促反应产生重要影响，两者结合更利于对酶促反应的理解。土壤酶的种类及其活性和动力学参数对土壤肥力的解释程度不同，脲酶的活性，Vmax，Vmax/Km和过氧化物酶的活性，Km可以作为反映北京山地阔叶林土壤肥力的指标，而多酚氧化酶和过氧化氢酶的活性与动力学参数对土壤肥力的说明意义较小。土壤脲酶的活性，Vmax和Vmax/Km以及过氧化物酶Km，有机质、全氮、速效钾、速效磷、有效铁等因子可作为评价北京山地阔叶林土壤肥力状况的重要指标。

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