艾比湖5種不同土壤類(lèi)型酶活性及理化性質(zhì)探究,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文

艾比湖5種不同土壤類(lèi)型酶活性及理化性質(zhì)探究,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文酶具有催化活性的蛋白質(zhì),它介入土壤中一切復(fù)雜的生物化學(xué)經(jīng)過(guò),在土壤乃至整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。作為土壤的重要組成部分,酶活性反映了土壤中進(jìn)行的各種生物化學(xué)經(jīng)過(guò)的強(qiáng)度和方向,同時(shí)又具有與環(huán)境的統(tǒng)一性,易受環(huán)境中物理、化學(xué)、生物因素的影響。長(zhǎng)期以來(lái),酶活性研究已成為土壤學(xué)的研究熱門(mén),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)酶活性的研究主要集中在農(nóng)田、森林、草地生態(tài)系統(tǒng),對(duì)干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)的研究還較少。艾比湖自然保衛(wèi)區(qū)是國(guó)內(nèi)最具代表性的溫帶干旱區(qū)濕地荒漠生態(tài)系統(tǒng),生態(tài)區(qū)位與地理位置特別重要,是天山北坡地區(qū)綠洲與荒漠化共軛演進(jìn)的中心,在調(diào)節(jié)氣候、維持區(qū)域生態(tài)平衡有著重要的作用。艾比湖自然保衛(wèi)區(qū)分布著荒漠、戈壁和濕地等自然景觀。該區(qū)特殊的地理位置和脆弱的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)土壤、植被等變化非常敏感。由于干旱、風(fēng)沙、鹽堿等不利自然因素和不斷增加的人口壓力,使該地區(qū)土壤退化、沙化等問(wèn)題日益嚴(yán)重。近幾十年來(lái),十分是人類(lèi)活動(dòng)引起了一系列以土地荒漠化為代表的生態(tài)逆向演替,產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境惡化問(wèn)題。因而,開(kāi)展該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中土壤酶與理化因子互相關(guān)系的研究,有助于揭示土壤性狀間的因果關(guān)系,對(duì)于防治土壤荒漠化、鹽漬化,促進(jìn)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展起著重要的作用。本研究以新疆艾比湖國(guó)家自然保衛(wèi)區(qū)為例,對(duì)5種不同土壤類(lèi)型酶活性及理化性質(zhì)進(jìn)行了深切進(jìn)入的討論,應(yīng)用通徑分析方式方法定量解釋了土壤酶活性與理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系,以期進(jìn)一步說(shuō)明土壤中酶活性與各要素之間的影響機(jī)理,為干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)的合理開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)保衛(wèi)提供更多的信息。1、材料與方式方法1.1研究區(qū)大概情況艾比湖自然保衛(wèi)區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西南,地處8236~8350E,4430~4509N。該區(qū)域處于內(nèi)陸干旱區(qū)及阿拉山口大風(fēng)通道區(qū),氣候極端枯燥,降水稀少,屬典型溫帶大陸性干旱氣候。年蒸發(fā)量1600mm以上,年降水量100mm左右,日照時(shí)數(shù)約2800h,極端最高氣溫44℃,極端最低氣溫-33℃。由于保衛(wèi)區(qū)嚴(yán)酷的自然環(huán)境和獨(dú)特的地形特征,使其發(fā)育了石漠、礫漠、沙漠、鹽漠、沼澤和鹽湖等多樣化的地貌景觀,與之相對(duì)應(yīng),區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為多樣化的地帶性土壤,有黑鈣土、栗鈣土、棕漠土、灰鈣土、灰漠土、灰棕漠土和風(fēng)沙土及其他隱域性土壤。1.2采樣方式方法以艾比湖自然保衛(wèi)區(qū)內(nèi)不同土壤類(lèi)型為研究對(duì)象,采樣時(shí)間為2018年6月。采用典型土壤類(lèi)型取樣的方式方法,選取黑鈣土、栗鈣土、棕漠土、灰漠土和灰鈣土5種土壤類(lèi)型,每種土壤類(lèi)型采10~15個(gè)樣點(diǎn),共60個(gè)樣點(diǎn)。采集土樣時(shí)選取表層土壤(0~15cm),設(shè)置3次重復(fù),將3次重復(fù)的土樣去除植物根系和石塊,充分混勻并用四分法取1kg,混勻風(fēng)干研磨過(guò)篩以供測(cè)定。以上樣地選取時(shí)要求地理位置相近、土壤性質(zhì)均一。艾比湖流域鹽堿脅迫嚴(yán)重,土壤養(yǎng)分含量低。因而,根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥罓顩r,選取與鹽堿脅迫相關(guān)的過(guò)氧化氫酶,與N、P物質(zhì)循環(huán)有關(guān)的脲酶、磷酸酶以及與土壤有機(jī)碳相關(guān)的蔗糖酶作為土壤酶指標(biāo),同時(shí)選取相關(guān)的土壤理化指標(biāo)(表1)。過(guò)氧化氫酶活性測(cè)定采用高錳酸鉀容量法;磷酸酶活性測(cè)定采用磷酸苯二鈉比色法;脲酶活性測(cè)定采用苯酚鈉比色法;蔗糖酶(又名1轉(zhuǎn)化酶或-呋喃果糖苷酶)活性測(cè)定采用硫代硫酸鈉滴定法。詳細(xì)測(cè)量參照李振高等對(duì)土壤酶活性測(cè)定方式方法。土壤水分測(cè)定采用烘干法;土壤酸堿度(pH)測(cè)定采用電位法;土壤可溶性總鹽含量測(cè)定采用重量法;土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀法;土壤全氮測(cè)定采用凱氏定氮法;土壤速效磷測(cè)定采用碳酸氫鈉法;堿解氮采用堿解擴(kuò)散法。詳細(xì)測(cè)定方式方法參照(土壤農(nóng)化分析〕和(土壤理化分析〕。1.3數(shù)據(jù)處理對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和正態(tài)分布檢驗(yàn)后,采用SPSS17.0軟件開(kāi)展數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)合單因素方差分析進(jìn)行不同土壤類(lèi)型酶活性和理化指標(biāo)的差異性分析,最后用Excel2003作圖;對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后,建立土壤酶活性與理化因子的多元線(xiàn)性回歸方程,并完成顯著性檢驗(yàn),在顯著性檢驗(yàn)成功后,利用通徑分析方式方法,計(jì)算理化因子對(duì)土壤酶活性的直接、間接通徑系數(shù)和決定系數(shù)。2、結(jié)果分析2.1不同土壤類(lèi)型酶活性與理化性質(zhì)不同土壤類(lèi)型受流域地區(qū)復(fù)雜的氣候與水鹽運(yùn)移規(guī)律影響,其土壤理化性質(zhì)和酶活性差異較大。由圖1可知,各土壤類(lèi)型的理化狀況,土壤含水量表現(xiàn)為:黑鈣土栗鈣土棕漠土灰鈣土灰漠土;土壤總鹽含量棕漠土最高,且與其他4種土壤類(lèi)型之間存在顯著差異。各土壤類(lèi)型pH差異不顯著,華而不實(shí),黑鈣土最低;土壤營(yíng)養(yǎng)元素中,有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮均表現(xiàn)為類(lèi)似的分布規(guī)律,其在黑鈣土中含量最高,而速效磷在黑鈣土中含量相對(duì)較小,其在栗鈣土中含量最高。由圖2可知,各土壤類(lèi)型酶活性分異規(guī)律明顯,黑鈣土過(guò)氧化氫酶、脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性均較高,分別為(4.3270.403)mLg-1、(0.3410.043)mgg-1、(1.9750.126)mLg-1和(0.2980.080)mgg-1,與其他土壤類(lèi)型差異顯著。主要是由于黑鈣土發(fā)育程度較高,植被豐富,土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮及酶活性較高,而含鹽量、pH相對(duì)較低,生態(tài)性能較好。2.2土壤酶活性與理化性質(zhì)之間的通徑分析2.2.1土壤酶活性和土壤理化性質(zhì)典型相關(guān)分析對(duì)土壤4種酶活性〔過(guò)氧化氫酶(y1)、磷酸酶(y2)、脲酶(y3)、蔗糖酶(y4)〕與7種土壤理化因子〔土壤含水量(x1)、總鹽(x2)、pH(x3)、有機(jī)質(zhì)(x4)、速效磷(x5)、全氮(x6)、堿解氮(x7)〕進(jìn)行典型相關(guān)分析(表2)。土壤酶活性與理化性質(zhì)之間相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)為:總鹽和pH對(duì)土壤酶活性整體表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng),土壤水分、有機(jī)質(zhì)、速效磷和堿解氮對(duì)土壤酶活性均表現(xiàn)為正效應(yīng),且均表現(xiàn)為顯著相關(guān)性。用典型相關(guān)分析得出的土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系較為單一,結(jié)論簡(jiǎn)單,為了能愈加深切進(jìn)入地分析土壤中各理化性質(zhì)對(duì)土壤酶活性的影響,進(jìn)行通徑分析。2.2.2直接和間接通徑系數(shù)通徑分析是一種因果機(jī)理分析方式方法,其直接和間接通徑系數(shù)之和在數(shù)值上等于相關(guān)系數(shù),直接通徑系數(shù)反映各主要土壤理化因子對(duì)土壤酶活性直接影響作用的大小,而間接通徑系數(shù)反映了某一理化因子通過(guò)其他理化因子對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生的間接影響程度,這種影響力更具客觀性,因此也更具真實(shí)表現(xiàn)力。與典型相關(guān)分析相比,通徑分析提供更多信息,可揭示土壤酶活性與各理化性質(zhì)的密切程度,且能指出這種關(guān)系中哪種作可用之處于主導(dǎo)地位。將土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)的測(cè)定結(jié)果做標(biāo)準(zhǔn)化處理,并逐步多元回歸分析,得到標(biāo)準(zhǔn)多元回歸方程:過(guò)氧化氫酶(y1)、磷酸酶(y2)、脲酶(y3)、蔗糖酶(y4)活性與土壤理化性質(zhì)的多元線(xiàn)性回歸方程均達(dá)顯著性水平(P0.01),自變量x1~x7能夠分別解釋96.09%、86.61%、96.06%和92.07%的y1~y4變化,誤差分別為3.91%、13.39%、3.94%和7.93%?；貧w方程中的系數(shù)即為直接通徑系數(shù),它乘以各因子之間的相關(guān)系數(shù)(表2)就得到間接通徑系數(shù)(表3)。土壤理化因子對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的直接作用系數(shù)為:速效磷有機(jī)質(zhì)含水量全氮堿解氮pH總鹽。速效磷和有機(jī)質(zhì)對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的直接通徑系數(shù)較大,表現(xiàn)為對(duì)脲酶活性有強(qiáng)烈的直接正效應(yīng)。全氮和堿解氮與過(guò)氧化氫酶活性之間的直接通徑系數(shù)較小,但通過(guò)其他理化因子能較大程度上作用于過(guò)氧化氫酶活性,對(duì)過(guò)氧化氫酶活性有較大的間接正效應(yīng)。土壤pH對(duì)過(guò)氧化氫酶活性存在較小的直接負(fù)效應(yīng),但主要通過(guò)負(fù)作用于速效磷等因子,較大程度上間接影響過(guò)氧化氫酶活性。從通徑分析結(jié)果可見(jiàn),直接影響過(guò)氧化氫酶活性的主導(dǎo)因子是有機(jī)質(zhì)和速效磷。有機(jī)質(zhì)和堿解氮對(duì)磷酸酶活性的直接通徑系數(shù)較大,為0.554和0.334,對(duì)磷酸酶活性有較大的直接正效應(yīng)。土壤含水量、速效磷和全氮等理化因子均對(duì)磷酸酶活性的直接影響較小,其主要通過(guò)影響土壤有機(jī)質(zhì)而作用于磷酸酶活性,對(duì)磷酸酶活性存在較大的間接正效應(yīng)。pH對(duì)磷酸酶活性有較小的直接作用,但通過(guò)作用于其他理化因子,亦能在一定程度上影響磷酸酶活性。因而,有機(jī)質(zhì)和堿解氮是直接影響磷酸酶活性的主導(dǎo)因子。土壤全氮和有機(jī)質(zhì)均對(duì)脲酶活性存在較大的直接正效應(yīng),分別為0.613和0.537。土壤含水量對(duì)脲酶活性存在直接的負(fù)效應(yīng)和較大的間接正效應(yīng),間接通徑系數(shù)達(dá)1.147。土壤總鹽、pH及速效磷均與脲酶活性之間的直接、間接通徑系數(shù)均較低,影響較小。因而,全氮、有機(jī)質(zhì)和土壤水分是影響脲酶活性的最主要因子?？傷}、堿解氮對(duì)土壤蔗糖酶活性的直徑通徑系數(shù)較大,分別為-0.647和1.056,兩者對(duì)蔗糖酶活性分別有強(qiáng)烈的直接負(fù)效應(yīng)和直接正效應(yīng)。土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、速效磷和全氮等理化因子對(duì)蔗糖酶活性表現(xiàn)為較小的直接通徑系數(shù),但主要通過(guò)作用于其他土壤因子而獲得對(duì)蔗糖酶活性較大的間接正效應(yīng)。pH是制約蔗糖酶活性的主要因子,與蔗糖酶活性之間表現(xiàn)為較小的直接正效應(yīng)和較大的間接負(fù)效應(yīng)。影響蔗糖酶活性的主導(dǎo)因子是總鹽和堿解氮。2.2.3決定系數(shù)決定系數(shù)Dij表示兩相關(guān)原因共同對(duì)結(jié)果的相對(duì)決定程度,從計(jì)算結(jié)果(表4)可知,速效磷對(duì)過(guò)氧化氫酶的直接通徑系數(shù)較大,得出的決定系數(shù)較大,表示清楚速效磷是影響過(guò)氧化氫酶的主導(dǎo)因子;有機(jī)質(zhì)對(duì)磷酸酶活性的決定系數(shù)D44較大,堿解氮對(duì)磷酸酶活性的決定系數(shù)D77亦較大,同時(shí)有機(jī)質(zhì)和堿解氮的共同決定系數(shù)D47也相對(duì)較大,因而,土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮是影響磷酸酶活性的最主要因子;全氮、有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤脲酶活性的直接通徑系數(shù)較大,其對(duì)脲酶活性的決定系數(shù)值D66和D44相對(duì)較大且為正值,同時(shí)共同決定系數(shù)D46亦較大,表示清楚影響脲酶活性的主要因子是有機(jī)質(zhì)和全氮。蔗糖酶活性的決定系數(shù)D77和D22相對(duì)其他理化因子較大,表示清楚堿解氮和總鹽對(duì)蔗糖酶活性起著決定性作用。3、結(jié)論與討論干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)不同土壤類(lèi)型理化性質(zhì)表現(xiàn)不一?？傮w表現(xiàn)為黑鈣土土壤含水率較高,有機(jī)質(zhì)、速效磷、全氮等土壤養(yǎng)分相對(duì)豐富,酶活性較高,生態(tài)性能較其他土壤類(lèi)型更好。棕漠土、栗鈣土總鹽含量高,鹽漬化程度重,土壤養(yǎng)分及酶活性相對(duì)較低,生態(tài)性能較之黑鈣土相對(duì)較差?；意}土、灰漠土土壤含水率極低,養(yǎng)分含量較低,酶活性較小,土壤貧瘠。土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤酶活性具有深入的影響,土壤水分、空氣、鹽分、有機(jī)質(zhì)、礦質(zhì)元素和pH影響著土壤酶的活性及穩(wěn)定性。結(jié)合通徑分析和決定系數(shù)表示清楚,不同理化因子對(duì)各種酶活性的影響方式、影響強(qiáng)度均有所差異。土壤有機(jī)質(zhì)是影響該地區(qū)酶活性的主導(dǎo)因子,對(duì)過(guò)氧化氫酶、磷酸酶和脲酶活性均存在較大的直接正效應(yīng)。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中酶促底物的主要供源,是土壤酶的載體,當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量增加時(shí),一定程度上能夠促進(jìn)微生物的活動(dòng),極大地提高土壤酶活性。Taylor等研究表示清楚,土壤酶與土壤有機(jī)質(zhì)之間存在顯著正相關(guān)。胡斌等對(duì)退化生態(tài)系統(tǒng)土壤酶與肥力的關(guān)系研究中,也得出土壤有機(jī)質(zhì)是影響酶活性的主要因子。速效磷對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的直接通徑系數(shù)較大,較大程度影響過(guò)氧化氫酶活性。速效磷是土壤中可被植物、動(dòng)物和細(xì)菌真菌等吸收的磷組分,而過(guò)氧化氫酶主要來(lái)源于細(xì)菌、真菌及植物根系的分泌物。因而,速效磷含量與過(guò)氧化氫酶活性息息相關(guān),是影響過(guò)氧化氫酶活性的關(guān)鍵因子。全氮對(duì)脲酶活性直接通徑系數(shù)較大,是直接影響脲酶活性的主導(dǎo)因子。氮素不僅僅是土壤酶的組成部分,而且累積在土壤有機(jī)質(zhì)中的氮還決定了酶進(jìn)入土壤中的數(shù)量。侯彥會(huì)等研究得出,全氮對(duì)脲酶活性具有顯著的直接效應(yīng),土壤速效氮、速效磷等對(duì)脲酶活性的直接作用不大,主要通過(guò)全氮對(duì)脲酶活性產(chǎn)生間接影響。堿解氮對(duì)磷酸酶和蔗糖酶活性有強(qiáng)烈的直接作用。堿解氮是在最近內(nèi)可被植物吸收利用的有效氮,能夠較好地反映最近內(nèi)土壤氮素供給狀況和氮素釋放速率,是直接介入土壤酶合成的主要原料,直接影響土壤酶活性。這與漆良華等對(duì)湘西北小流域土壤酶活性及養(yǎng)分之間關(guān)系的研究結(jié)果類(lèi)似,水解氮、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)土壤蔗糖酶活性有顯著地影響。土壤總鹽含量對(duì)蔗糖酶存在較大的直接負(fù)效應(yīng)。本文研究對(duì)象為干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng),其鹽漬化現(xiàn)象普遍,土壤pH相對(duì)較大,含鹽量較高,對(duì)蔗糖酶活性存在顯著的負(fù)效應(yīng),亦通過(guò)影響