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Characteristics of soil enzyme activities and their relationships with soil properties in southern Ningxia Loess hilly region

宁南山区土壤酶活性特征及其与肥力因子的关系



全 文 :    倡 “十一五 ”国家科技支撑计划重大项目 (2006BCA01A07) 、中国科学院水利部水土保持研究所学科领域前沿项目和黄土高原土壤侵蚀与
旱地农业国家重点实验室基金项目(10501唱153)资助
收稿日期 :2005唱11唱25   改回日期 :2006唱01唱15
宁南山区土壤酶活性特征及其与肥力因子的关系 倡
安韶山1  黄懿梅2  刘梦云2
(1 .西北农林科技大学·中国科学院·水利部黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室   杨凌   712100 ;
2 .西北农林科技大学资源与环境学院   杨凌   712100))
摘   要   分析了黄土丘陵区土壤酶活性与土壤肥力因子之间的关系 。 相关分析结果表明 ,土壤有机质与全 N 、速
效磷 、速效钾等密切相关 ,同时与土壤几种酶活性有较好的相关性 。 土壤酶活性依赖于有机质 ,当有机质含量增加
时 ,酶积极参与其转化分解过程 ,活性提高 。 脲酶 、蔗糖酶活性与土壤 N 、P 、K 含量关系最大 ,土壤速效钾与蔗糖酶
活性关系最大 。 通径分析结果表明 :土壤肥力因子对脲酶活性的直接作用顺序为有机质 > 速效钾 > 速效氮 > 阳离
子交换量 > 全 N > 速效磷 > 物理性黏粒 > 土壤 pH 。有机质是影响土壤脲酶活性 、碱性磷酸酶活性的主要因素 ,速
效钾是影响蔗糖酶活性的最主要因素 。
关键词   酶活性   土壤性质   通径分析   宁南山区
Characteristics of soil enzyme activities and their relationships with soil properties in southern Ningxia Loess hilly re唱
gion .AN Shao唱Shan1 ,HUANG Yi唱Mei2 ,LI U Meng唱Yun2 (1 .State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry唱land Farming
on the Loess Plateau ,Institute of Soil and Water Conservation ,Nor thwest A& F University ,Chinese Academy of Sciences
and Ministry of Water Resources ,Yangling 712100 ,China ; 2 .College of Resources and Environment ,Northwest A& F
University ,Yangling 712100 ,China) ,CJEA ,2007 ,15(5) :55 ~ 58
Abstract   The linkage between soil enzyme activities and soil properties was studied .Results show that soil organic matter
has a significan t relationship with soil total N ,available P and available K as well as with soil enzyme activities .Soil enzyme
activities are improved greatly w ith increase in soil organic matter due to their par ticipatory role in the decomposition and
transformation of o rganic mat ter .Urase and sucrase activities are significan tly related to soil N ,P ,K contents .Sucras activ唱
ity is especially strongly related to available K .From path analysis ,the sequence of soil proper ties based on their direct ef唱
fect on urase activity is :organic mat ter > available K > available N > cation exchange capacity(CEC) > total N > available P
> physical clay > pH ,meaning that organic matter is the most importan t factor that affects urase activity and alkaline
phosphatase and available K is the most important facto r for sucrase activit y .
Key words   Soil enzyme activit y ,Soil proper ties ,Path analysis ,Southern Ningxia
(Received Nov .25 ,2005 ;revised Jan .15 ,2006)
土壤酶素有生物催化剂之称 ,参与包括土壤生物化学过程在内的自然界物质循环 ,既是土壤有机物转
化的执行者 ,又是植物营养元素的活性库[1 ,9 ,10] 。 土壤酶活性反映了土壤中进行的各种生物化学过程的强
度和方向 ,同时又具有与环境的统一性 ,易受环境中物理 、化学 、生物因素的影响 。 因此 ,土壤酶活性与土壤
状况的关系历来为各国学者所关注 。 酶对土壤养分作用的过程中 ,彼此之间并不是孤立的 ,而是存在着相
互制约 、互相促进的复杂关系 ,这种关系仅从测定结果相关分析说明是不够的 。 通径分析是在各变量无量
纲的基础上 ,计算通径系数 ,通过通径系数的大小与正负来表示自变量对应变量的大小与方向 ,且通径系数
之间可进行相互比较 ,比相关分析可提供更多的信息[2 ~ 4] 。 本文应用通径分析和主成分分析对宁南宽谷丘
陵区不同土地利用方式土壤的脲酶 、蔗糖酶 、碱性磷酸酶与土壤性质的相关性作了定量分析 ,探讨植被恢复
中土壤酶活性的响应及其与土壤性质的相互关系 。
1   研究区概况与研究方法
研究区位于黄土丘陵区的宁夏固原市东部的河川乡上黄村 ,属泾河水系支流小川河的中游 ,地处东经
第 15卷第 5 期                       中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .15   No .5
2 0 0 7 年 9 月                       Chinese Journal of Eco唱Agriculture Sept .,  2007
           106°26′ ~ 106°30′ ,北纬 35°59′ ~ 36°3′ ,海拔 1534畅3 ~ 1822畅0m ,年均降水量 420mm ,年均气温 7 ℃ ,干燥度
1畅55 ~ 2畅0 ,属半干旱中温带向暖温带过渡季风气候区 。 研究区由小川河分为两部分 ,东部为梁状丘陵 ,地
形起伏较大 ;西部自东向西依次为台 、坪 、梁地形 。 试区沟坡地占 90 % ,平缓台地仅占 8 % ,而且 51 % 的土地
坡度在 15° ~ 20°之间 ,总土地面积 7畅6km2 。 土壤类型主要是黄土母质上发育的淡黑垆土和黄绵土 ,主要植
被类型为人工灌木林(主要植物有柠条 、山桃 、山杏) 、天然草地(主要植物有百里香 、梭草 、麻蒿 、长芒草等) 、
人工草地(苜蓿)和农地(主要以小麦 、玉米 、荞麦为主)[5] 。
根据不同立地条件 、土地利用类型和植被恢复阶段 ,选取 14 个具有代表性的典型土壤剖面 ,各剖面均按
0 ~ 20cm 、20 ~ 40cm 分别多点采集混合样品 。 样品经风干去除根系 、石块 ,研磨过筛分装备用 ,各分析项目
重复 2 次 。 土壤脲酶活性采用比色法测定 ,用 NH3唱Nmg/kg(38 ℃ ,3h)表示 。 蔗糖酶活性用比色法测定 ,以
葡萄糖 mg/kg(37 ℃ ,24h)表示 。 碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定 ,以 P2 O5 mg/kg(37 ℃ ,24h)表
示[6] 。 土壤样品处理与分析测定参照文献标准方法进行[7 ,8] 。
2   结果与分析
2畅1   不同土地利用方式土壤酶活性特征
表 1 表明 ,不同土地利用方式土壤蔗糖酶活性顺序表层土壤为 :天然草地 > 农地 > 果园 > 人工草地 > 灌
木林地 ,亚表层为 :果园 ≈ 人工草地 > 农地 > 灌木林地 > 天然草地 。 对表层土壤来说 ,灌木林地变异性最
大 ,农地次之 ,其他用地方式则很小 ;而亚表层变异性比表层大得多 ,表现为灌木林地最大 ,天然草地次之 ,
果园最小 。 不同土地利用方式土壤脲酶活性表层土壤排序为 :天然草地 > 灌木林地 > 农地 > 果园 > 人工草
地 ;亚表层为 :农地 > 灌木林地 > 人工草地 > 果园 > 天然草地 。 其中 ,表层灌木林地和天然草地各土样之间
差别较大 ,农地次之 ,果园变异性很小 ;亚表层则天然草地和灌木林地变异性较大 ,农地和果园则较小 。 土
壤碱性磷酸酶活性表层排序为 :天然草地 > 人工草地 > 灌木林地 > 农地 > 果园 ,亚表层为 :灌木林地 > 人工
草地 > 农地 > 天然草地 > 果园 。 变异系数表现为表层灌木林地和农地较大 ,天然草地次之 ,果园很小 ;亚表
层则天然草地最大 ,灌木林地和农地次之 ,果园变异性很小 。
表 1   不同土地利用方式土壤酶活性特征
Tab畅1   Characteristics of three soil enzyme activities under different land use patterns
土地利用方式
Land use pat te rn
土层
Soil laye r
样品数
Sample number
蔗糖酶 Sucrase 脲酶 U rease 碱性磷酸酶 Alkaline phosphatase
mg·kg - 1· h - 1 CV mg·kg - 1· h - 1 CV mg·kg - 1·h - 1 CV
灌木林地 0 ~ 20 3 127畅91 0畅41 75畅80 0畅53 131畅12 0畅36
20 ~ 40 56畅86 0畅89 52畅39 0畅45 87畅42 0畅48
农地 0 ~ 20 3 160畅10 0畅19 67畅65 0畅33 108畅52 0畅35
20 ~ 40 75畅30 0畅23 53畅98 0畅10 68畅15 0畅41
天然草地 0 ~ 20 3 176畅67 0畅07 79畅63 0畅41 141畅33 0畅21
20 ~ 40 41畅70 0畅62 37畅47 0畅65 64畅08 0畅58
果园 0 ~ 20 3 148畅90 0畅04 58畅80 0畅10 92畅61 0畅06
20 ~ 40 82畅68 0畅19 46畅04 0畅14 49畅11 0畅09
人工草地 0 ~ 20 1 138畅60 57畅25 140畅20
20 ~ 40 82畅59 48畅26 71畅66
2畅2   土壤酶活性之间及其与土壤养分含量之间相关分析
酶活性之间的关系 。 土壤酶活性之间存在一定线性相关关系 ,脲酶活性与蔗糖酶活性和碱性磷酸酶活
性显著相关 ,表明土壤中多糖的转化 、有机磷的转化与 N 素转化之间关系密切并相互影响 。 土壤酶活性之
间的相互关系表明 ,土壤酶在促进土壤有机物转化中不仅显示专性特性 ,同时也存在共性关系 。 酶的专性
作用反映了土壤中与某类酶相关的有机化合物转化过程 ,而有共性关系酶的总体活性在一定程度上反映土
壤肥力水平的高低 。
酶活性与养分含量的关系 。 由表 2 可知 ,土壤脲酶活性与有机质 、全 N 、速效氮 、速效钾 、阳离子交换量
(CEC)正相关 ,其中 ,与有机质 、全 N 呈极显著正相关 ,相关系数为 0畅7698 和 0畅6698 ,说明脲酶在土壤中参
与 C 、N 转化过程 。 脲酶与土壤 pH 值呈显著负相关 ,与速效磷 、物理性黏粒相关性较差 。 土壤蔗糖酶与有
机质 、速效钾呈极显著相关 ,与全 N 、速效磷呈显著相关 ,与土壤 pH 呈显著负相关 。 土壤碱性磷酸酶与土壤
有机质 、全 N 、速效氮呈极显著正相关 ,与土壤 pH值呈现极显著负相关 。
56  中 国 生 态 农 业 学 报 第 15 卷
表 2   土壤肥力指标的相关矩阵( r 值)
Tab畅2   The correlation mat rix( r唱values) between soil enzyme activities and soil properties
X(1) X(2) X(3) X(4) X(5) X(6) X(7) X(8) X(9) X(10) X(11)
X(1) 1畅0000 0畅7730 倡倡 0畅8785 倡倡 0畅7698 倡倡 0畅6698 倡倡 0畅4823 0畅1637 0畅4547 - 0畅4659 倡 0畅4562 0畅0182
X(2) 1畅0000 0畅7466 倡倡 0畅5466 倡倡 0畅3990 倡 0畅3302 0畅4353 倡 0畅7508 倡倡 - 0畅3599 倡 0畅0309 0畅0079
X(3) 1畅0000 0畅8037 倡倡 0畅7050 倡倡 0畅5013 倡倡 0畅0764 0畅3436 - 0畅6907 倡倡 0畅5751 - 0畅1176
X(5) 1畅0000 0畅7914 倡倡 0畅3522 - 0畅0315 0畅1737 - 0畅4367 0畅6390 倡倡 0畅1587
X(6) 1畅0000 0畅4157 0畅0083 0畅1410 - 0畅4653 0畅7170 倡倡 0畅1308
X(7) 1畅0000 0畅1020 0畅2035 - 0畅3505 0畅3391 0畅0584
X(8) 1畅0000 0畅6930 倡倡 0畅7101 倡倡 - 0畅3321 0畅0873
X(9) 1畅0000 0畅1245 - 0畅2850 - 0畅0173
X(10) 1畅0000 - 0畅4163 0畅2789
X(11) 1畅0000 0畅0855
X(12) 1畅0000
    倡 0畅05 水平显著 ,倡倡 0畅01 水平显著 ;表中 X( i)( i = 1 ~ 11)分别指脲酶 、蔗糖酶 、碱性磷酸酶 、有机质 、全 N 、速效氮 、速效磷 、速效钾 、土壤
pH 、阳离子交换量 (C EC) 、物理性黏粒 。
2畅3   土壤酶活性与土壤理化性质的通径分析
通径分析是一种因果机理分析方法 ,其直接和间接通径系数之和在数值上等于相关系数 ,比相关分析
提供更多信息 ,可揭示土壤酶活性与各理化性质的密切程度 ,且能指出这种关系中哪种作用途径处于主导
地位 。 将土壤脲酶 、蔗糖酶 、碱性磷酸酶活性与土壤理化性质进行回归 ,得到 3 个标准多元回归方程 :
U1′ = 0畅5290 X1′ + 0畅0137 X2′ + 0畅1465 X3′ - 0畅0556 X4′ + 0畅3996 X5′ - 0畅0829 X6′ + 0畅1241 X7′ - 0畅0518 X8′ (1)
U2′ = 0畅4993 X1′ - 0畅0971 X2′ + 0畅0460 X3′ - 0畅0097 X4′ + 0畅6214 X5′ - 0畅2016 X6′ - 0畅1496 X7′ + 0畅0186 X8′ (2)
U3′ = 0畅5194 X1′ - 0畅0957 X2′ + 0畅1134 X3′ + 0畅0170 X4′ + 0畅2791 X5′ - 0畅3251 X6′ + 0畅2336 X7′ - 0畅1202 X8′ (3)
式中 ,Ui′( i = 1 ~ 3)为标准化的土壤脲酶 、蔗糖酶 、碱性磷酸酶活性 ,Xi′( i = 1 ~ 8)为标准化的理化性质 ,i =
1 为有机质 ,i = 2 为全 N ,i = 3 为速效氮 ,i = 4 为速效磷 ,i = 5 为速效钾 ,i = 6 为土壤 pH ,i = 7 为阳离子交
换量(CEC) ,i = 8 为物理性黏粒 。 将方程中的标准回归系数即直接通径系数乘以各理化性质的偏相关系数
得到间接通径系数 ,结果见表 3 。
直接通径系数反映各理化性质对酶活性直接影响作用的大小 。 土壤肥力因子对脲酶活性的直接作用
系数大小顺序为有机质 > 速效钾 > 速效氮 > 阳离子交换量 > 全 N > 速效磷 > 物理性黏粒 > 速效磷 。 土壤有
机质对脲酶活性的直接通径系数最大 ,说明其对脲酶活性具有明显的直接效应 ,而且通过全 N 和 CEC 对土
壤脲酶有较大的间接作用 。 全 N 对土壤脲酶的影响不仅直接作用系数较小 ,而且通过其他因素对脲酶活性
的间接作用系数也小 ,这也说明全 N 在低肥力条件下对土壤脲酶的影响较小 。 速效氮 、CEC 、物理性黏粒等
对脲酶活性直接通径系数都较小 ,而且通过其他因素对脲酶活性的间接通径系数之和也较小 ,说明它们对
脲酶活性的直接效应和间接效应都较小 ,不是影响土壤脲酶活性的主要因素 。
速效钾对蔗糖酶活性的直接作用系数最大 ,为 0畅6214 ,其通过其他土壤理化因子对蔗糖酶活性的影响主要
为正效应 ,故作用系数总和在所有因子中最高 ,说明速效钾是影响蔗糖酶活性的最主要因素 。有机质对蔗糖酶
活性的直接通径系数较大 ,达 0畅4993 ,且通过其他因素对蔗糖酶活性的间接通径系数也较大 ,尤其是通过速效
钾对蔗糖酶活性有明显的正向影响作用 ,有机质是仅次于速效钾的影响蔗糖酶活性的重要因素 。
有机质对碱性磷酸酶的直接作用系数最大 ,其通过全 N 、速效氮对磷酸酶活性的间接作用系数也很大 ,作
用系数总和在所有因子中也是最高的 ,说明有机质是影响碱性磷酸酶活性的主要因素 。 全 N 对碱性磷酸酶活
性的直接作用系数为负 ,主要是通过其他土壤因子起间接作用 。 土壤 pH对碱性磷酸酶活性的直接作用为负 ,
直接作用与间接作用之和也为负 ,从表观上看 ,土壤 pH与碱性磷酸酶活性的相关系数( r = - 0畅6907)达到极显
著负相关 ,这说明土壤 pH与碱性磷酸酶是显著负相关关系 ,即 pH越高 ,碱性磷酸酶活性越低 。
3   结果与讨论
土壤有机质与全 N 、速效磷 、速效钾等密切相关 ,并与土壤酶活性显著相关 。 说明土壤酶活性依赖于有
机质的存在 ,当有机质含量增加时 ,酶积极参与其转化分解过程 ,活性提高 。 土壤脲酶能促进尿素水解 ,水
解产生的氨是高等植物的直接 N 源 。 蔗糖酶对增加土壤中易溶性营养物质起着重要作用 。 脲酶 、蔗糖酶活
第 5期 安韶山等 :宁南山区土壤酶活性特征及其与肥力因子的关系 57 
            表 3   土壤理化因子对酶活性的通径系数 倡
Tab .3   Path coefficients between the soil chemical and physical proper ties and enzyme activities
因变量
Dependent
va riable
自变量
Independent
va riable
有机质 ( X 1)
Organic
mat ter
全 N
( X 2)
T otal N
速效氮
( X4 )
Availab le N
速效磷
( X5)
Available P
速效钾
( X6)
Available K
pH( X7) CEC( X8 ) 物理性黏粒
( X 1 0)
Physical clay
合计
To tal
脲酶活性 X1 0畅5290 0畅0108 0畅0516 0畅0018 0畅0694 0畅0362 0畅0793 - 0畅0082 0畅7699
X2 0畅4186 0畅0137 0畅0609 - 0畅0005 0畅0563 0畅0386 0畅0889 - 0畅0068 0畅6697
X3 0畅1863 0畅0057 0畅1465 - 0畅0058 0畅0813 0畅0290 0畅0421 - 0畅0030 0畅4821
X4 - 0畅0166 0畅0001 0畅0149 - 0畅0556 0畅2769 - 0畅0103 - 0畅0412 - 0畅0045 0畅1637
X5 0畅0919 0畅0019 0畅0298 - 0畅0385 0畅3996 0畅0044 - 0畅0354 0畅0009 0畅4546
X6 - 0畅2310 - 0畅0063 0畅0513 - 0畅0069 - 0畅0213 - 0畅0829 - 0畅0517 - 0畅0144 - 0畅3632
X7 0畅3380 0畅0098 0畅0497 - 0畅0185 - 0畅1139 0畅0345 0畅1241 - 0畅0044 0畅4193
X8 0畅0840 0畅0018 0畅0086 - 0畅0048 - 0畅0069 - 0畅0231 0畅0106 - 0畅0518 0畅0184
蔗糖酶活性 X1 0畅4993 - 0畅0726 0畅0162 0畅0003 0畅1079 0畅0880 - 0畅0956 0畅0030 0畅5465
X2 0畅3951 - 0畅0971 0畅0191 0畅0000 0畅0876 0畅0938 - 0畅1073 0畅0024 0畅3936
X3 0畅1759 - 0畅0381 0畅0460 - 0畅0010 0畅1265 0畅0707 - 0畅0507 0畅0011 0畅3304
X4 - 0畅0157 - 0畅0008 0畅0047 - 0畅0097 0畅4306 - 0畅0251 0畅0497 0畅0016 0畅4353
X5 0畅0867 - 0畅0129 0畅0094 - 0畅0067 0畅6214 0畅0107 0畅0426 - 0畅0003 0畅7509
X6 - 0畅2180 0畅0427 - 0畅0161 - 0畅0012 - 0畅0331 - 0畅2016 0畅0623 0畅0052 - 0畅3598
X7 0畅3190 - 0畅0658 0畅0156 0畅0032 - 0畅1771 0畅0839 - 0畅1496 0畅0016 0畅0308
X8 0畅0793 - 0畅0120 0畅0027 - 0畅0001 - 0畅0108 - 0畅0562 - 0畅0128 0畅0186 0畅0087
碱性磷酸酶活性 X1 0畅5194 - 0畅0758 0畅0399 - 0畅0005 0畅0485 0畅1420 0畅1492 - 0畅0191 0畅8036
X2 0畅4111 - 0畅0957 0畅0472 0畅0001 0畅0394 0畅1513 0畅1674 - 0畅0157 0畅7051
X3 0畅1829 - 0畅0398 0畅1134 0畅0017 0畅0568 0畅1140 0畅0792 - 0畅0070 0畅5012
X4 - 0畅0164 - 0畅0008 0畅0116 0畅0170 0畅1934 - 0畅0405 - 0畅0776 - 0畅0105 0畅0762
X5 0畅0902 - 0畅0135 0畅0231 0畅0118 0畅2791 0畅0173 - 0畅0658 0畅0021 0畅3443
X6 - 0畅2268 0畅0445 - 0畅0398 0畅0021 - 0畅0149 - 0畅3251 - 0畅0972 - 0畅0335 - 0畅6907
X7 0畅3319 - 0畅0686 0畅0385 - 0畅0057 - 0畅0796 0畅1354 0畅2336 - 0畅0103 0畅5752
X8 0畅0824 - 0畅0125 0畅0066 0畅0015 - 0畅0048 - 0畅0907 0畅0199 - 0畅1202 - 0畅1178
    倡 剩余通径系数分别为 0畅4961 、0畅4670 和 0畅3506 。
性与土壤营养元素 N 、P 、K 含量关系最大 ,土壤速效钾与蔗糖酶活性关系最大 。 碱性磷酸酶是一种酶促有
机磷化合物的水解酶 ,土壤中的有机磷转化受多种因子制约 ,而碱性磷酸酶可加速有机磷的脱 P 速度 ,水解
土壤有机磷化合物释放出相应的醇和无机磷 ,积累的碱性磷酸酶对土壤 P 素的有效性具有重要作用 。 土壤
肥力因子对脲酶活性的直接作用顺序为有机质 > 速效钾 > 速效氮 > 阳离子交换量 > 全 N > 速效磷 > 物理性
黏粒 > 土壤 pH 。 有机质是影响土壤脲酶活性的主要因素 ,速效钾是影响蔗糖酶活性的最主要因素 。
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