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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。
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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。
林型 海拔/m 腐殖质层厚/cm 坡度/(°) 坡向 平均胸径/cm 平均树高/m 密度/(株·hm-2) 郁闭度 RP 576 0.7 18 东北 11.51 6.09 778 0.65 BP 1 270 5.5 19 东北 13.10 10.97 1 149 0.93 QD 710 0.2 22 东北 14.90 8.72 871 0.67 CM 525 0 15 东北 7.43 3.11 864 0.72 说明:RP代表刺槐林,BP代表山杨-白桦林,QD代表槲树,CM代表板栗林 Table 1. General situation of experimental sites
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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]。
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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。
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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。
1.1. 材料
1.2. 研究方法
1.2.1. 土壤理化性质测定
1.2.2. 土壤酶活性及动力学参数测定
1.2.3. 数据处理
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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)。
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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。
林型 土层深度/cm 脲酶 多酚氧化酶 过氧化物酶 过氧化氢酶 Vmax/(μg·g-1·h-1) Km/(μg·g-1) Vmax/Km Vmax/(μg·g-1·h-1) Km/(μg·g-1) Vmax/Km Vmax/(μg·g-1·h-1) Km/(μg·g-1) Vmax/Km Vmax/(μg·g-1·h-1) Km/(μg·g-1) Vmax/Km RP 0~20 5.76 Ba 7.13 Cb 0.81 Aa 0.26 Aa 0.11 Ab 2.44 Ba 0.75 ABb 0.04 Ba 16.81 Bc 1.19 Ba 1.05 Bb 1.13 Aa 20~40 3.58 Ab 13.55 Ba 0.26 Ab 0.28 Aa 0.19 Aa 1.50 Bb 1.02 Aa 0.04 Aa 27.17 Bb 0.46 Bb 0.76 ABc 0.61 Bb 40~60 2.70 Ac 11.34 Cab 0.24 Ab 0.21 ABa 0.12 Ab 1.78 Cb 0.76 Bb 0.02 Cb 43.29 Ba 0.32 Bb 1.35 Aa 0.24 Cc BP 0~20 7.21 Aa 9.41 BCc 0.77 Aa 0.15 Ba 0.08 Ba 2.00 Ca 0.65 Bc 0.09 Aa 7.52 Cb 2.06 Aa 1.72 Aa 1.20 Aa 20~40 2.04 Bb 12.04 Bb 0.17 ABb 0.12 Ba 0.09 Ba 1.31 Bb 0.88 Bb 0.05 Aa 17.39 Ca 0.02 Cb 0.27 Bb 0.08 Cb 40~60 1.25 Bb 28.49 Aa 0.04 Bc 0.14 Ba 0.08 Ba 1.66 Cb 1.04 Aa 0.06 Aa 16.00 Ca 0.02 Cb 0.41 Cb 0.06 Db QD 0~20 4.28 Ba 22.01 Ab 0.19 Ca 0.19 ABb 0.06 Ba 2.99 Ac 0.88 ABa 0.03 Ba 29.94 Ab 1.32 Ba 1.10 Ba 1.20 Aa 20~40 1.62 Cb 28.91 Aa 0.06 Bb 0.28 Aa 0.08 Ba 3.51 ABb 0.83 Ba 0.02 Ba 35.09 Ab 1.16 Aab 1.13 Aa 1.02 Aab 40~60 1.52 Bb 30.97 Aa 0.05 Bb 0.29 Aa 0.06 Ba 4.77 Ba 0.82 Ba 0.01 Ca 66.23 Aa 0.82 Ab 1.16 ABa 0.70 Ab CM 0~20 3.46 Ba 12.39 Bb 0.28 Ba 0.15 Bb 0.08 Ba 2.00 Cb 1.02 Aa 0.03 Ba 30.03 Aab 0.20 Cb 0.54 Cb 0.37 Ba 20~40 2.70 Ab 10.05 Bb 0.27 Aa 0.26 Aa 0.07 Ba 3.85 Ab 0.61 Bb 0.02 Ba 36.23 Aa 0.44 Ba 0.92 Aa 0.47 Ba 40~60 1.33 Bc 21.52 Ba 0.06 Bb 0.20 ABb 0.03 Cb 6.05 Aa 0.69 Bb 0.03 Ba 22.94 Cb 0.38 Ba 0.81 Ba 0.46 Ba 说明:RP代表刺槐林,BP代表山杨-白桦林,QD代表槲树,CM代表板栗林。不同大写字母表示同一土层不同林型差异显著(P<0.05);不同小写字母表示相同林型不同土层差异显著(P<0.05) Table 2. Kinetic parameters of soil enzyme
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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。
酶 酶特征值 活性 Vmax Km Vmax/Km 脲酶 活性 1.000 Vmax 0.905** 1.000 Km -0.596* -0.645* 1.000 Vmax/Km 0.918** 0.927** -0.734** 1.000 多酚氧化酶 活性 1.000 Vmax 0.614* 1.000 Km -0.446 0.260 1.000 Vmax/Km 0.895** 0.424 -0.666* 1.000 过氧化物酶 活性 1.000 Vmax 0.334 1.000 Km -0.550 0.022 1.000 Vmax/Km 0.205 -0.028 -0.826** 1.000 过氧化氢酶 活性 1.000 Vmax 0.439 1.000 Km 0.352 0.815** 1.000 Vmax/Km 0.456 0.937** 0.698* 1.000 说明:*表示差异显著(P<0.05),**表示差异极显著(P<0.01) Table 3. Correlation analysis of soil enzyme characteristics under different plantations
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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)。
林型 土层/cm 砂粒2.00~0.02 mm/% 粉粒0.020~0.002 mm/% 黏粒<0.002 mm/% pH w有机质/(g·kg-1) w全氮/(g·kg-1) w速效磷/(mg·kg-1) w速效钾/(mg·kg-1) w有效铁/(mg·kg-1) w有效锰/(mg·kg-1) w有效锌/(mg·kg-1) w有效铜/(mg·kg-1) 0~20 54.49 38.74 6.77 6.57 31.81 1.32 2.06 148.5 23.16 17.37 1.42 0.68 RP 20~40 62.97 30.14 6.90 6.53 20.16 0.87 1.78 70.0 14.22 16.85 0.39 0.82 40~60 49.51 42.74 7.75 6.54 8.08 0.46 1.03 56.5 8.54 12.17 0.16 0.47 0~20 48.62 45.74 5.64 6.13 81.10 4.09 3.33 135.0 77.57 14.46 1.23 0.45 BP 20~40 35.46 53.63 10.92 6.08 29.65 1.43 1.42 62.0 43.40 6.39 0.26 0.21 40~60 23.44 66.13 10.43 6.26 18.78 1.23 1.16 69.5 37.34 4.85 0.19 0.54 0~20 70.51 24.01 5.49 5.71 28.43 0.97 1.71 47.5 36.02 64.82 1.03 0.55 QD 20~40 58.25 35.91 5.84 5.48 10.74 0.39 1.20 24.3 17.34 56.13 0.40 0.46 40~60 69.72 24.79 5.49 6.40 7.50 0.15 0.85 20.5 9.49 42.71 0.16 0.17 0~20 57.11 34.91 7.99 5.64 13.59 0.61 2.58 52.0 63.81 40.32 1.75 2.10 CM 20~40 64.48 28.31 7.22 6.87 8.74 0.36 2.26 50.0 17.82 15.71 0.69 1.32 40~60 57.33 33.54 9.13 7.13 7.71 0.39 1.39 60.0 13.52 9.76 0.53 1.57 说明:RP代表刺槐林,BP代表山杨?鄄白桦林,QD代表槲树,CM代表板栗林 Table 4. Physicochemical properties of soil under different plantations
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)。
酶种类 特征值 pH值 有机质 全氮 速效磷 速效钾 黏粒 有效铁 有效锰 有效锌 有效铜 脲酶 活性 -0.043 0.634* 0.571 0.644* 0.870** -0.318 0.397 -0.090 0.706* 0.018 Vmax -0.258 0.793** 0.739** 0.784** 0.775** -0.445 0.609* 0.050 0.741** 0.017 Km 0.450 -0.490 -0.405 -0.162 -0.390 0.411 -0.162 -0.234 -0.190 0.539 Vmax/Km -0.136 0.760** 0.700* 0.598* 0.851** -0.425 0.403 -0.028 0.580* -0.217 多酚氧化酶 活性 0.268 -0.426 -0.491 -0.262 -0.388 -0.532 -0.581* 0.420 -0.124 0.075 Vmax 0.518 -0.454 -0.475 -0.065 -0.056 -0.253 -0.640* -0.030 -0.018 0.412 Km 0.195 0.098 0.097 0.074 0.329 0.042 -0.193 -0.340 -0.104 -0.098 Vmax/Km 0.214 -0.432 -0.460 -0.269 -0.450 -0.323 -0.390 0.334 -0.109 0.183 过氧化物酶 活性 -0.289 -0.726** -0.761** -0.552 -0.712** -0.087 -0.439 0.503 -0.240 0.094 Vmax 0.037 -0.171 -0.157 -0.094 -0.092 0.441 0.038 -0.127 -0.051 0.200 Km -0.213 0.873** 0.911** 0.518 0.625* 0.041 0.728** -0.318 0.191 -0.381 Vmax/Km 0.389 -0.637* -0.624* -0.362 -0.459 0.105 -0.551 0.051 -0.211 0.487 过氧化氢酶 活性 -0.273 0.492 0.366 0.389 0.338 -0.849** 0.137 0.564 0.467 -0.204 Vmax 0.106 0.562 0.553 0.880** 0.589* -0.368 0.523 -0.109 0.729** 0.428 Km 0.244 0.333 0.349 0.551 0.385 -0.438 0.175 -0.122 0.394 0.293 Vmax/Km 0.110 0.348 0.307 0.819** 0.497 -0.420 0.370 0.029 0.810** 0.575 说明:*表示差异显著(P<0.05),**表示差异极显著(P<0.01) Table 5. Correlations between enzyme activity as well as its kinetic characteristics and the physicochemical properties of the soil under different plantations
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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。
项目 特征根 方差贡献率/% 累积方差贡献率/% 第1主成分 7.64 50.93 50.93 第2主成分 2.69 17.94 68.87 第3主成分 1.91 12.74 81.61 第4主成分 1.53 10.20 91.81 Table 6. Principal component eigenvalues of the tested soils
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。