遼河口濕地不同類(lèi)型濕地土壤酶活性分析

侯永俠 ，丁睿堯 ，江 宇，楊繼松，李玉雙，宋雪英，魏建兵，張?chǎng)?/p>

（1.沈陽(yáng)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院/區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110044；2.魯東大學(xué) 濱海生態(tài)高等研究院，山東 煙臺(tái) 264025）

作為陸地和海洋過(guò)渡地帶的河口濕地，因其獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境及其在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、污染物截留和侵蝕控制等方面的顯著作用而引起廣泛關(guān)注。遼河口濕地是以蘆葦沼澤及潮間帶灘涂為主的自然濕地，是我國(guó)重要的河口濱海濕地之一，具有生物多樣性豐富和環(huán)境自我調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在調(diào)節(jié)氣候，維持生態(tài)系統(tǒng)平衡方面發(fā)揮重要作用。遼河口濕地距海由近及遠(yuǎn)的主要濕地類(lèi)型依次為裸灘濕地、翅堿蓬濕地和蘆葦濕地。由于降水和河流來(lái)水量的下降，以及海水入侵范圍的擴(kuò)展和濕地土壤鹽分的升高，蘆葦濕地呈明顯退化趨勢(shì)，對(duì)遼河口濕地土壤碳生物地球化學(xué)過(guò)程將產(chǎn)生重要影響。翅堿蓬是遼河口濱海濕地區(qū)域內(nèi)的優(yōu)勢(shì)植被群落，對(duì)維持遼河口濕地生態(tài)系統(tǒng)平衡起到重要作用。裸灘是遼河口主要濕地類(lèi)型之一，由于潮汐作用、氣候以及地表徑流等因素的共同影響，導(dǎo)致其所處環(huán)境的溫度和鹽度不斷發(fā)生變化。

酶活性對(duì)于河口濕地土壤物質(zhì)循環(huán)具有重要意義，研究濱海濕地中土壤酶活性以及理化性質(zhì)變化特征，探討濕地土壤酶活性與理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系，對(duì)于探索濕地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)與功能具有重要的作用。遼河口濕地以潮灘和沖積平原為主，因受長(zhǎng)期的周期性海侵海退的影響，濕地土壤鹽漬化較為嚴(yán)重，在濱海鹽漬化較高的翅堿蓬和裸灘濕地，過(guò)高的鹽分成為土壤酶活性的主要抑制因子，鹽分通過(guò)影響土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生影響，最終影響濕地土壤物質(zhì)循環(huán)的效率。土壤有機(jī)碳、全氮等營(yíng)養(yǎng)元素可以促進(jìn)酶的合成，有研究表明在鹽漬化土壤中，營(yíng)養(yǎng)元素的增加能促進(jìn)微生物活動(dòng)以及酶的合成。土壤酶活性與土壤類(lèi)型及土壤理化性質(zhì)緊密相關(guān)，可指示土壤生物活性及環(huán)境的穩(wěn)定情況，能夠在一定程度上反映出土壤物質(zhì)循環(huán)和轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)變化。土壤酶的種類(lèi)比較多，主要有水解酶類(lèi)、氧化還原酶類(lèi)、轉(zhuǎn)移酶類(lèi)和裂合酶類(lèi)等。目前，濕地土壤酶活性研究中，涉及到的酶主要有磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、β-葡糖苷酶、蛋白酶、芳基硫酸酯酶、β-1，4-乙?；?葡糖胺糖苷酶、纖維素二糖水解酶、淀粉酶和纖維素酶等水解酶，另外還有過(guò)氧化氫酶、脫氫酶、多酚酶等氧化還原酶。水解酶活性主要影響半纖維素、纖維素等較易分解有機(jī)質(zhì)的分解，氧化酶活性主要影響腐殖質(zhì)、木質(zhì)素、芳香族化合物、可溶性有機(jī)碳的分解。其中，分解有機(jī)碳的酶主要有葡萄糖苷酶、乳糖苷酶、幾丁質(zhì)酶、脂肪酶等；分解氮的酶有反硝化酶、蛋白酶、脲酶等，分解磷的酶包括磷酸單酯酶和磷酸二酯酶等磷酸酶，分解硫的酶為硫酸酯酶。本研究以蘆葦濕地、翅堿蓬濕地和裸灘濕地3種典型濕地類(lèi)型為研究對(duì)象，對(duì)不同土層深度土壤的酶活性及理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，研究酶活性變化與理化性質(zhì)之間的關(guān)系，考察鹽分對(duì)酶活性的影響作用，以期為遼河口濕地生態(tài)穩(wěn)定性研究奠定基礎(chǔ)，豐富遼河口濕地生態(tài)學(xué)研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

遼河口濕地位于遼河入海口處，東經(jīng)121°34′～122°29′，北緯40°41′～41°27′，屬于北溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，是全國(guó)最大的濕地保護(hù)地區(qū)，也是亞洲第二大蘆葦區(qū)，面積約22.3萬(wàn)hm。整體地勢(shì)平坦，北高南低，年平均氣溫為8.3℃，春季平均氣溫為8.7℃，夏季平均氣溫為23.1℃，秋季平均氣溫為9.9℃，冬季平均氣溫為-7.8 ℃，一年中最高氣溫出現(xiàn)在7 月。該區(qū)域主要依靠降水和河水補(bǔ)給，年平均降水量622mm，降水主要集中在夏季，占全年的約2/3，冬季較少。該區(qū)氣候適宜、四季分明、清涼濕潤(rùn)、雨熱同季，且具有獨(dú)特的地理環(huán)境和自然風(fēng)貌。

1.2 方法

在遼河口濕地區(qū)域，分別選取蘆葦、翅堿蓬、裸灘3 類(lèi)典型濕地設(shè)置3 個(gè)固定的采樣點(diǎn)。其地理坐標(biāo)分別為41°14′03″N，121°50′30″E（蘆葦濕地）、40°56′03″N，121°49′30″E（翅堿蓬濕地）、40°57′03″N，121°42′30″E（裸灘濕地）。其中裸灘采樣點(diǎn)與翅堿蓬濕地采樣點(diǎn)相距約0.5km，翅堿蓬濕地采樣點(diǎn)與蘆葦濕地采樣點(diǎn)相距約10km。采取各樣點(diǎn)0～10cm（S1）、10～20cm（S2）、20～30cm（S3）、30～40cm（S4）土層深度樣品，密封后帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除根系和植物殘?bào)w后，將土壤樣品室內(nèi)風(fēng)干，研磨，過(guò)100目篩保存到自封袋中。

1.2.1 遼河口濕地土壤理化性質(zhì)測(cè)定 pH值和電導(dǎo)率分別根據(jù)水土比2.5∶1和5∶1采用酸度計(jì)（PHBJ-260）和導(dǎo)率儀（DDBJ-350）進(jìn)行測(cè)量。有機(jī)碳含量的測(cè)定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法，全氮含量的測(cè)定采用凱氏消煮法。

1.2.2 遼河口濕地土壤酶活性測(cè)定 脲酶活性測(cè)定采用靛酚藍(lán)比色法，堿性磷酸酶活性測(cè)定采用磷酸苯二鈉比色法，蔗糖酶活性測(cè)定采用3，5-二硝基水楊酸比色法，脫氫酶活性測(cè)定采用TTC比色法。

1.2.3 遼河口濕地土壤酶活性與理化性質(zhì)的相關(guān)性分析 考察蘆葦濕地、翅堿蓬濕地和裸灘濕地0～10cm土層土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和脫氫酶活性與土壤理化性質(zhì)指標(biāo)（pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量）的相關(guān)性。

1.2.4 不同濃度鹽分處理對(duì)土壤酶活性的影響 在遼河口濕地樣點(diǎn)取0～10cm表層土壤，在培養(yǎng)罐中用去離子水預(yù)培養(yǎng)7d 后，排盡培養(yǎng)罐中的水。試驗(yàn)設(shè)5 個(gè)鹽分濃度梯度處理，分別為0‰、1.5‰、3‰、5‰、10‰，以不加鹽的去離子水作為對(duì)照。從培養(yǎng)罐底部加入不同鹽分濃度的鹽水，每個(gè)濃度處理設(shè)置3 次重復(fù)。在培養(yǎng)過(guò)程中，保持所有培養(yǎng)罐內(nèi)的土壤一直處于淹水狀態(tài)。不同濃度梯度的鹽水皆用采樣點(diǎn)附近海岸海水提取調(diào)配制成。處理30d后調(diào)查土壤脲酶和磷酸酶活性。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)結(jié)果采用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行方差分析和Pearson 相關(guān)分析，采用Origin Pro 8.5 軟件制圖及進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 遼河口濕地不同類(lèi)型濕地土壤的理化性質(zhì)

由表1可知，遼河口濕地的3種主要濕地類(lèi)型中，蘆葦濕地的土壤pH 值較低，裸灘濕地的土壤pH 值較高。隨土層深度的增加，土壤pH 值的變化趨勢(shì)各不相同。蘆葦濕地0～10cm 深度土壤pH 值最低，隨土層深度的增加，pH 值有增大趨勢(shì)；翅堿蓬濕地不同土層深度土壤pH 值差異不大；裸灘濕地隨土層深度的增加，土壤pH 值呈減小的趨勢(shì)。3種類(lèi)型濕地土壤的電導(dǎo)率變化趨勢(shì)相近，都是0～10cm 土壤電導(dǎo)率最高，隨土層深度的增加，電導(dǎo)率呈降低趨勢(shì)。其中翅堿蓬濕地和裸灘濕地的土壤電導(dǎo)率高于蘆葦濕地。蘆葦濕地0～10cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，但30～40cm 土層土壤含量較低。隨著土層深度的增加，3種類(lèi)型濕地土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈降低趨勢(shì)。土壤全氮含量也是隨土層深度的增加呈降低趨勢(shì)，蘆葦濕地0～10cm 土壤全氮含量最高，隨著土層深度的增加，不同濕地類(lèi)型土壤全氮含量趨同。

表1 遼河口濕地不同類(lèi)型濕地和不同深度土壤的理化性質(zhì)
Table 1 Physicochmical properties of soils in different soil types and depths

濕地類(lèi)型Wetland type pH蘆葦濕地Phragmites australis wetland翅堿蓬濕地Saline seepweed wetland裸灘濕地Mudflat wetland土層深度/cm Soil depth 0～10 10～20 20～30 30～40 0～10 10～20 20～30 30～40 0～10 10～20 20～30 30～40 8.03±0.30 8.17±0.41 8.21±0.39 8.18±0.34 8.24±0.07 8.22±0.07 8.23±0.06 8.23±0.05 8.32±0.06 8.27±0.06 8.27±0.04 8.24±0.05電導(dǎo)率/（ms·cm-1）Conductivity 2.81±1.20 2.19±0.75 2.12±0.86 2.29±0.87 6.99±1.21 6.14±0.88 5.97±0.92 6.30±1.03 6.62±0.97 6.14±0.68 6.12±0.74 6.14±0.47有機(jī)質(zhì)含量/（g·kg-1）Organic carbon content 26.10±5.34 14.58±4.31 12.16±4.61 8.73±3.42 16.13±5.46 12.49±3.82 10.40±2.61 9.20±2.79 16.70±4.69 12.03±2.56 11.62±2.73 10.20±2.40全氮含量/（g·kg-1）Total nitrogen content 0.53±0.21 0.32±0.12 0.29±0.09 0.28±0.09 0.34±0.03 0.31±0.02 0.29±0.03 0.28±0.04 0.30±0.03 0.27±0.04 0.26±0.04 0.26±0.04

2.2 遼河口濕地不同類(lèi)型濕地土壤的酶活性

2.2.1 脲酶活性變化 由圖1可知，隨著土層深度的增加，3種類(lèi)型濕地土壤脲酶活性均呈降低趨勢(shì)。其中，蘆葦濕地的脲酶活性最高，翅堿蓬濕地土壤的脲酶活性居中，裸灘濕地的脲酶活性最低。3 種類(lèi)型濕地土壤0～10cm土層脲酶活性差距較大，30～40cm土層脲酶活性差異明顯減小。

圖1 遼河口濕地3種類(lèi)型濕地土壤脲酶活性比較Figure 1 Comparison of urease activities in three wetland types of the Liaohe Estuary

2.2.2 磷酸酶活性變化 由圖2可知，與脲酶活性的變化趨勢(shì)相近，隨著土層深度的增加，3種類(lèi)型濕地土壤磷酸酶活性也均呈降低趨勢(shì)。其中，蘆葦濕地土壤的磷酸酶的活性最高，翅堿蓬濕地土壤磷酸酶活性居中，裸灘濕地土壤磷酸酶活性最低。蘆葦濕地0～10cm土層土壤和30～40cm土層土壤磷酸酶活性差距較大，裸灘濕地不同土層土壤間磷酸酶活性差距較小。

圖2 遼河口濕地3種類(lèi)型濕地土壤磷酸酶活性比較Figure 2 Comparison of phosphatase activities in three wetland types of the Liaohe Estuary

2.2.3 蔗糖酶活性變化 由圖3可知，與脲酶活性的變化趨勢(shì)相近，隨著土層深度的增加，3種類(lèi)型濕地土壤蔗糖酶活性也均呈降低趨勢(shì)。除了30～40cm 土層深度外，蘆葦濕地土壤蔗糖酶活性最高；不同濕地類(lèi)型0～10cm土層深度土壤蔗糖酶活性差距較大，隨土層深度的增加，差距逐漸減小，至30～40cm 土層深度不同類(lèi)型濕地土壤中蔗糖酶活性的差異較小。

圖3 遼河口濕地3種類(lèi)型濕地土壤蔗糖酶活性比較Figure 3 Comparison of sucrase activities in three wetland types

2.2.4 脫氫酶活性變化 由圖4可知，與脲酶活性的變化趨勢(shì)相近，隨著土層深度的增加，3種類(lèi)型濕地土壤脫氫酶活性也均呈降低趨勢(shì)。蘆葦濕地土壤不同土層深度間脫氫酶活性差異較大，裸灘濕地不同土層深度間脫氫酶活性差異較小。蘆葦濕地各土層深度土壤脫氫酶活性均最高，翅堿蓬濕地次之，裸灘濕地最小。

圖4 遼河口濕地3種類(lèi)型濕地土壤脫氫酶活性比較Figure 4 Comparison of dehydrogenase activities in three wetland types of the Liaohe Estuary of the Liaohe Estuary

2.3 遼河口濕地土壤酶活性與理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

由表2可知，蘆葦濕地土壤酶（包括脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和脫氫酶）活性與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)（

p

＜0.01），與土壤有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量呈顯著正相關(guān)（

p

＜0.05）。翅堿蓬濕地僅土壤脲酶活性和全氮含量呈現(xiàn)顯著相關(guān)（

p

＜0.05），其余土壤酶活性指標(biāo)與理化性質(zhì)指標(biāo)間相關(guān)不顯著。裸灘濕地僅土壤脲酶活性與全氮含量呈極顯著正相關(guān)（

p

＜0.01），其余酶活性與土壤理化性質(zhì)指標(biāo)間相關(guān)未達(dá)到顯著水平。

表2 遼河口濕地不同類(lèi)型濕地土壤酶活性與理化指標(biāo)的相關(guān)性分析
Table 2 Analysis of the correlation between soil physicochmical properties and urease activities in different soil types and depths

注：*表示在＜0.05水平顯著相關(guān)；**表示在＜0.01水平極顯著相關(guān)。
Note：*indicates significant correlation at＜0.05 level;**indicates extremely significant correlation at＜0.01 level.

濕地類(lèi)型Wetland type蘆葦濕地Phragmites australis wetland理化性質(zhì)Physicochmical properties pH翅堿蓬濕地Saline Seepweed wetland裸灘濕地Mudflat wetland酶活性Enzyme activities脲酶Urease磷酸酶Phosphatase蔗糖酶Sucrase脫氫酶Dehydrogenase脲酶Urease磷酸酶Phosphatase蔗糖酶Sucrase脫氫酶Dehydrogenase脲酶Urease磷酸酶Phosphatase蔗糖酶Sucrase脫氫酶Dehydrogenase-0.928**-0.929**-0.967**-0.967**0.526 0.716 0.500 0.500 0.011 0.619 0.389 0.389電導(dǎo)率Conductivity-0.36-0.371-0.391-0.39-0.344 0.158 0.265 0.265-0.249-0.671-0.423-0.423有機(jī)質(zhì)Organic carbon 0.829*0.755*0.830*0.829*0.046 0.585 0.331 0.331 0.375 0.031 0.417 0.417全氮Total nitrogen 0.763*0.773*0.758*0.759*0.832*0.583 0.367 0.487 0.882**0.088 0.094 0.094

2.4 不同濃度鹽分處理對(duì)土壤酶活性的影響

由圖5 可知，隨著鹽處理濃度的增加，土壤脲酶活性呈降低趨勢(shì)。以去離子水處理的對(duì)照脲酶活性最高，為1.20mg·g·24h；鹽處理濃度為10.0‰時(shí)，土壤脲酶活性最低，僅為0.36mg·g·24h，比對(duì)照降低了70%。土壤磷酸酶活性的變化與脲酶相似，都是隨著鹽處理濃度的增加，酶活性逐漸降低。對(duì)照土壤磷酸酶活性為0.86mg·g·24h，當(dāng)鹽處理濃度為3.0‰時(shí)，磷酸酶活性降至對(duì)照的近50%，當(dāng)鹽處理濃度為10.0‰時(shí)，磷酸酶活性?xún)H為0.19mg·g·24h，降低到對(duì)照的22.1%。

圖5 不同鹽分濃度處理對(duì)遼河口濕地土壤脲酶和磷酸酶活性的影響Figure 5 Effects of different salt contents on activities of urease and phosphatase in the Liaohe Estuary

3 討論與結(jié)論

研究結(jié)果表明，蘆葦濕地、翅堿蓬濕地和裸灘濕地土壤都呈偏堿性，翅堿蓬濕地和裸灘濕地電導(dǎo)率相近，且均大于蘆葦濕地，翅堿蓬和裸灘濕地有機(jī)碳含量相差不大，蘆葦濕地有機(jī)碳含量要大于翅堿蓬濕地和裸灘濕地，尤其是表層土壤有機(jī)碳含量較高。這是由于翅堿蓬濕地和裸灘濕地采樣點(diǎn)距離比較近，且兩種類(lèi)型濕地采樣點(diǎn)受到潮汐影響較大，河水的潮汐作用對(duì)濕地土壤的沖刷作用，導(dǎo)致碳素物質(zhì)流失和土壤有機(jī)碳含量的下降。因此翅堿蓬濕地和裸灘濕地的土壤有機(jī)碳含量較蘆葦濕地更低。由于蘆葦?shù)母蛋l(fā)達(dá)，具有較強(qiáng)的固持土壤和含蓄水源的作用，且遠(yuǎn)離岸邊，土壤環(huán)境生態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，土壤微生物相對(duì)豐富，故土壤有機(jī)碳含量較高。王青等的研究顯示濕地土壤氮含量的水平與濕地類(lèi)型緊密相關(guān)，蘆葦濕地全氮含量明顯大于翅堿蓬濕地和裸灘濕地，翅堿蓬濕地和裸灘濕地全氮含量同樣相差不大，這與有機(jī)碳含量情況類(lèi)似，而且這兩種類(lèi)型的濕地由于受到潮汐的影響，使得土壤的脫氮作用增強(qiáng)，故而全氮含量呈現(xiàn)相對(duì)較低的狀態(tài)。

隨著土層深度的增加，4 種土壤酶活性均呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，且不同類(lèi)型濕地間0～10cm 土層土壤酶活性差異較30～40cm 土層大，其中蘆葦濕地0～10cm 土層的土壤脲酶活性、磷酸酶、蔗糖酶和脫氫酶活性均最高，隨著土層深度的增加，不同類(lèi)型濕地間土壤酶活性差異減小。土壤酶主要來(lái)源于土壤中動(dòng)物、微生物、植物根系及其它們的殘?bào)w遺骸。濕地中的土壤酶控制著生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，是土壤代謝系統(tǒng)的重要?jiǎng)恿?，也是濕地生態(tài)系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)者。楊玉盛等的研究表明，有植物根系土壤中的酶活性要高于無(wú)植物根系土壤，有植物根系土壤酶活性會(huì)隨著根系分泌物的增多和微生物數(shù)量的增加而增大。通過(guò)對(duì)遼河口濱海濕地脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和脫氫酶的酶活性分析發(fā)現(xiàn)，蘆葦濕地土壤酶活性最高，翅堿蓬濕地居中，裸灘濕地土壤酶活性較小。蘆葦濕地和翅堿蓬濕地均有植物生長(zhǎng)，且蘆葦濕地受河水影響較??；裸灘濕地?zé)o植物生長(zhǎng)，且受河水潮汐影響較大，因此蘆葦濕地與翅堿蓬濕地因?yàn)橹参锔H微環(huán)境微生物的影響，表現(xiàn)為土壤酶活性也較大，而翅堿蓬根系與蘆葦比較相對(duì)短小，裸灘濕地沒(méi)有植物根系，因此3 種類(lèi)型濕地土壤酶活性呈逐漸減小的趨勢(shì)。

相關(guān)分析結(jié)果表明，蘆葦濕地土壤酶（包括脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和脫氫酶）活性與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)（

p

＜0.01），與有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量呈顯著正相關(guān)（

p

＜0.01）；翅堿蓬濕地僅土壤脲酶活性和全氮含量呈現(xiàn)顯著相關(guān)（

p

＜0.05）；裸灘濕地僅土壤脲酶活性與全氮含量呈極顯著正相關(guān)（

p

＜0.01）。鹽處理的土壤脲酶和磷酸酶活性明顯降低，且隨鹽濃度的增加，降低程度越來(lái)越嚴(yán)重。綜上，遼河口濕地3種類(lèi)型濕地中，蘆葦濕地土壤酶活性較高，土壤鹽度增加顯著降低濕地土壤酶活性，將對(duì)濕地土壤物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生不利影響。