-
土壤磷酸酶水解土壤有机磷,提高磷素有效性,在土壤磷素转化及生物利用过程中具有重要调节作用[1-3]。湿地生态系统不仅是重要的磷素储备库,在微生物主导的有机磷矿化过程中释放磷素,为植物生长供应重要的磷源,而且其独特的干湿交替水文条件增加了磷素转化的复杂性。自21世纪初以来,湿地磷素的转化过程越来越受到学者们的重视[4],特别是湿地土地利用/覆被变化影响下土壤磷酸酶变化的研究日益增多[5-6]。宁沐蕾等[7]和KANG等[8]研究了崇明岛湿地土壤碱性磷酸酶(ALP)活性,表明转变稻田为樟树Cinnamomum camphora和水杉Metasequoia glyptostroboides林地后ALP活性增大。王树起等[9]以三江平原湿地为例,研究湿地土地利用变化下的土壤磷酸酶活性变化,表明草甸开垦为农田后ALP活性降低58.5%,而旱地农田转变为湿地草甸或白桦Betula platyphylla林地后,ALP活性分别增高31.7%和18.7%。与以上结果中农田利用下土壤酶活性低于林地和草甸不同的是,任勃等[10]对洞庭湖湿地的研究表明:水田土壤ALP活性高于杨树Populus林地和芦苇Phragmites communis地。刘云鹏等[11]对黄河中游湿地的研究也报道:棉田土壤ALP活性成倍(1.7倍)高于蒲草Typha orientalis植被。而刘琛等[12]则对海涂围垦区湿地的研究认为:农田(棉花Gossypium hirsutum、水稻Oryza sativa)与林地间土壤磷酸酶活性无明显差异。由此可见,目前有关湿地不同覆被类型与土地利用下土壤ALP活性变化的研究结论并不一致,有待进一步深入剖析。土地利用变化不但影响土壤酶活性,而且对酶促反应动力学特征产生重要影响,如NOURBAKHSH等[13]指出:天然草地转变为人工苜蓿Medicago sativa种植地后土壤脲酶的米氏常数(Km)提高。LOEPPMANN等[14]研究哥廷根下萨克森州农业区的草地转变为玉米Zea mays田后土壤酶的动力学特征,结果表明:酸性磷酸酶的最大酶促反应速率(Vmax)和Km减小,Vmax/Km增大,而β-葡萄糖苷酶的Vmax、Km和Vmax/Km均减小。北美原生态草原的草地和森林转变为耕地后,淀粉酶的Vmax和Km均减小[15]。以往有关围垦改变土地利用方式对土壤酶的酶促反应动力学特征影响的研究多在山地、草原等陆地生态系统进行,而对湿地土壤酶的酶促反应动力学特征的研究,特别是对ALP的研究还很不充分。全球气候变化与人为活动加速影响下,生产和生态两重压力下湿地资源保护与合理利用之间的矛盾愈加尖锐[16-17]。其中,湿地围垦对包括土壤磷素在内的养分转化的影响备受关注。本研究采集洪泽湖和崇明东滩湿地不同覆被或土地利用方式下共8种土壤,以ALP为例,研究自然演替和围垦利用对湿地ALP动力学参数的影响,为湿地养分转化效率及质量提升提供理论依据。
-
洪泽湖(33°14′16″N,118°18′43″E)位于江苏省西部淮河下游,属于亚热带季风气候。由于泥沙淤积而在河湖交汇处形成光滩,随演替的推进,光滩演变为芦苇并成为当地优势种。随芦苇地的淤高,刈割芦苇栽种杨树(在人工林中占比达95%以上)或种植水稻,稻田和人工林取代芦苇而成为主要土地利用方式。
崇明东滩(31°37′31″N,121°23′33″E)位于崇明岛东部,属长江口典型的河口湿地。随光滩的淤积,芦苇和互花米草Spartina alterniflora演变为优势物种。人为活动对土地利用方式的影响表现为人为刈割芦苇或互花米草,转变土地利用方式为小麦Triticum sestivum田。
-
2017年4月采集崇明东滩的光滩、互花米草、芦苇和小麦样地土壤,于2017年7月采集洪泽湖的光滩、芦苇、杨树人工林和水稻样地土壤。2种样地的农田耕作和人工林种植时间均达20 a以上[18]。通过“S”形布点法(7个样点)在各样地(20 m×20 m)采集土样,各样点土壤通过“四分法”合并为1个土样,每个样地均取0~20 cm的表层土壤10 kg,自然风干后过2 mm的筛,保存于阴凉干燥处待用。
-
pH值(水土比2.5∶1.0)通过雷磁pH计测定;有机碳(OC)使用高锰酸钾外加热法测定;全氮(TN)使用凯氏法,通过流动分析仪测定;电导率(EC,水土比5∶1)通过电导率测定仪测定;土壤粒径测定参考文献[19];土壤全磷(TP)和无机磷(IP)通过灼烧法[20]测定,有机磷(OP)通过TP与IP的值相减得到,微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提法[21]测定。结果见表1。
湿地 土地类型 pH值 OC/(g·kg−1) TN/(g·kg−1) TP/(g·kg−1) MBC/(mg·kg−1) OP/(mg·kg−1) IP/(mg·kg−1) 洪泽湖 光滩 8.65 15.2 0.58 0.42 108.5 114.1 306.1 芦苇 8.60 17.7 0.56 0.36 82.1 37.2 324.6 杨树 8.37 26.5 0.62 0.45 138.0 47.0 402.6 水稻田 8.17 91.9 0.63 0.40 131.4 15.7 379.6 崇明东滩 光滩 8.53 9.6 0.17 0.57 112.4 46.9 523.5 互花米草 8.36 14.2 0.64 0.54 83.7 33.5 502.1 芦苇 8.51 17.7 0.27 0.53 82.0 26.0 504.8 小麦田 8.26 11.1 0.61 0.66 133.8 46.2 609.1 湿地 土地类型 EC/(mS·cm−1) C∶N 不同土壤粒径分布/% 0.1~2.0 2.0~63.0 63.0~200.0 200.0~2 000.0 μm 洪泽湖 光滩 0.81 26 3.23 76.47 17.95 2.35 芦苇 0.79 31 0.60 14.97 83.78 0.65 杨树 2.08 42 1.35 75.68 20.79 2.18 水稻田 1.14 146 2.16 77.93 18.67 1.24 崇明东滩 光滩 0.86 55 7.94 88.80 2.08 1.18 互花米草 0.78 22 0.02 87.55 8.63 3.80 芦苇 0.39 65 4.93 77.36 17.63 0.08 小麦田 0.14 18 0.14 95.87 2.31 1.68 Table 1. Soil basic physicochemical properties under different land uses
-
ALP活性的测定参照文献[22]。称取2.0 g土样置于20 mL棕色小玻璃瓶中,设置3组平行,加入pH 8.4的氨基丁三醇盐酸(Tris-HCl)缓冲液3.0 mL,土样分别加入0、1.7、2.0、2.5、3.3、5.0和10.0 mmol·L−1对硝基苯磷酸二钠(PNPP)溶液1 mL,加入0.5 mol·L−1 氯化钙(CaCl2)溶液1 mL,摇匀,37 ℃水浴1 h(对照组不水浴),取出玻璃瓶,立刻加入0.5 mol·L−1 氢氧化钠(NaOH)4.0 mL终止反应,过滤。取滤液5.0 mL于25 mL具塞比色管中,加入2.0 mol·L−1 氨基丁三醇(Tris)溶液2 mL,定容,采用紫外分光光度计(UV-2550型)在400 nm波长下测定对硝基苯酚(p-NP)吸光度(ALP活性以1 kg土壤1 h生成的p-NP的量表示)。ALP活性计算如下:
式(1)中:V为ALP活性(mmol·kg−1·h−1);C1和C0分别为25 mL具塞比色管中处理组和对照组p-NP浓度(mmol·L−1);m为土壤质量(g);t为水浴时间(h)。
酶促反应动力学参数计算如下:
式(2)中:V为酶促反应速率(mmol·kg−1·h−1);Km为米氏常数(mmol·L−1);Vmax为最大酶促反应速率(mmol·kg−1·h−1);[S]为底物浓度(mmol·L−1)。
-
采用CANOCO 5.0进行数据的统计分析,使用Excel 2010制作表格。运用冗余分析方法分析酶促反应动力学参数与土壤基础理化性质的相关性,采用SPSS 20.0进行单因素方差分析。ALP活性以平均值±标准差的形式表示。
-
底物PNPP在0、1.7、2.0、2.5、3.3、5.0和10.0 mmol·L−1的不同浓度下,土壤ALP活性表现出随PNPP浓度的增加而增大的趋势(表2)。自然覆被和人为土地利用方式下ALP活性差异显著(P<0.05)。光滩转变为芦苇湿地的自然演替过程中,洪泽湖湿地不同PNPP浓度下ALP活性平均减小约10.9%,而在崇明东滩湿地表现为增大74.0%。崇明东滩互花米草入侵光滩后,ALP活性仅增加10.7%。人类活动影响下,洪泽湖芦苇湿地转变为人为利用方式杨树林地或水稻田后,ALP活性增大约为2.2~2.3倍。而崇明东滩芦苇和互花米草湿地转变为小麦田后,ALP活性分别减小17.9%和增加23.3%。
湿地 土地
类型不同PNPP浓度下ALP活性/(mmol·kg−1·h−1) 0 1.7 2.0 2.5 3.3 5.0 10.0 mmol·L−1 洪泽
湖光滩 0.001±0.001 Ag 0.090±0.001 Cf 0.096±0.004 Be 0.114±0.003 Bd 0.124±0.007 Cc 0.166±0.004 Bb 0.217±0.003 Ca 芦苇 0.001±0.000 Af 0.074±0.003 De 0.086±0.005 Bde 0.097±0.002 Cd 0.115±0.014 Cc 0.148±0.004 Bb 0.223±0.010 Ca 杨树 0.001±0.000 Ag 0.254±0.010 Af 0.307±0.008 Ae 0.351±0.019 Ad 0.431±0.006 Ac 0.554±0.010 Ab 0.784±0.018 Aa 水稻 0.001±0.001 Ag 0.243±0.001 Bf 0.290±0.011 Ae 0.344±0.004 Ad 0.394±0.008 Bc 0.557±0.003 Ab 0.724±0.007 Ba 崇明
东滩光滩 0.003±0.000 Ae 0.332±0.000 Dd 0.370±0.004 Dcd 0.443±0.004 Dbcd 0.510±0.008 Cbcd 0.624±0.010 Db 0.845±0.011 Ca 互花
米草0.003±0.001 Ag 0.361±0.010 Cf 0.408±0.000 Ce 0.467±0.002 Cd 0.587±0.003 Cc 0.713±0.003 Cb 0.852±0.01 C6a 芦苇 0.003±0.000 Ag 0.47±00.048 Af 0.568±0.019 Ae 0.713±0.018 Ad 0.950±0.005 Ac 1.362±0.051 Ab 2.002±0.011 Aa 小麦 0.003±0.000 Ag 0.382±0.012 BDf 0.450±0.006 BDe 0.645±0.014 Bd 0.662±0.011 Bc 1.023±0.016 Bb 1.510±0.015 Ba 说明:不同小写字母表示某一土地利用/覆被土壤不同PNPP浓度下ALP活性差异显著(P<0.05),不同大写字母表示某一PNPP浓度下不同 土地利用/覆被土壤ALP活性差异显著(P<0.05) Table 2. ALP activities with the concentration of PNPP in different land use changes
-
ALP动力学参数的研究结果表明:洪泽湖和崇明东滩湿地自然覆被下的光滩、芦苇/互花米草和人为利用下的杨树、水稻和小麦土壤ALP的Vmax和Km差异显著(P<0.05)(表3)。洪泽湖光滩转变为芦苇湿地的自然演变过程中,Vmax和Km分别增加13.0%和50.8%,Vmax/Km减少25.0%;土地利用类型由芦苇转变为稻田和杨树人工林后,Vmax、Km和Vmax/Km的增长幅度分别为290.6%~313.4%、21.0%~21.7%和224.4%~239.6%。相比较而言,崇明东滩湿地光滩演变为芦苇植被后,Vmax增加697.1%,Km 增加622.4%,Vmax/Km增加11.1%。而互花米草入侵光滩后,Vmax和Vmax/Km分别增加7.9%和10.2%,Km 变化不明显。刈割芦苇栽种小麦,Vmax、Km和Vmax/Km分别减少54.8%、47.0%和13.3%。不难发现,洪泽湖湿地光滩和芦苇植被土壤ALP的Vmax/Km显著小于稻田和杨树人工林(P<0.05),而崇明东滩湿地表现为麦田土壤ALP的Vmax/Km小于光滩、芦苇和互花米草植被,两地自然覆被与土地围垦利用后土壤ALP的Vmax/Km表现出较大的变化差异。
湿地 土地类型 Vmax/(mmol·kg−1·h −1) Km/(mmol·L−1) Vmax/Km/(L·kg−1·h−1) 洪泽湖 光滩 0.28 b 3.74 c 0.08 b 芦苇 0.32 b 5.64 b 0.06 b 杨树 1.32 a 6.87 a 0.19 a 水稻 1.26 a 6.83 a 0.18 a 崇明东滩 光滩 1.19 d 4.32 c 0.27 a 互花米草 1.28 c 4.23 c 0.30 a 芦苇 9.44 a 31.22 a 0.30 a 小麦 4.27 b 16.53 b 0.26 a 说明:不同小写字母表示不同土地利用/覆被土壤下ALP动力学参数差异显著(P<0.05) Table 3. Kinetics of enzyme-catalyzed reactions of ALP under different land uses
-
洪泽湖和崇明东滩湿地土壤ALP的动力学参数受土壤磷素的存在形式和碳氮质量分数影响明显(图1),洪泽湖湿地土壤IP质量分数的增加有利于Vmax的增大,土壤OP的增大抑制Km的增加,C∶N、OC的增大有利于Km的增大,TN和EC质量分数的增加有利于Vmax/Km的增大。崇明东滩湿地0.1~2.0 μm粒径土壤的增大对ALP的Vmax增大起到抑制作用,TN质量分数的减小有利于Km的增大,OC质量分数和63.0~200.0 μm粒径土壤的增大有利于Vmax/Km的增加,而MBC增大则抑制Vmax/Km的提高。
Effects of wetland reclamation on kinetic characteristics of soil alkaline phosphatase
doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190388
- Received Date: 2019-06-26
- Rev Recd Date: 2019-11-24
- Available Online: 2020-05-21
- Publish Date: 2020-06-01
-
Key words:
- soil science /
- wetland /
- reclamation /
- alkaline phosphatase /
- kinetics of enzyme-catalyzed reactions
Abstract:
Citation: | XU Chuanhong, LU Mingxing, FAN Diwu, CHENG Hu, HAN Jiangang. Effects of wetland reclamation on kinetic characteristics of soil alkaline phosphatase[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2020, 37(3): 522-530. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190388 |