土壤酶學硏究進展①

王理德，王方琳，郭春秀，韓福貴，魏林源，李發明

(1 甘肅省治沙研究所，蘭州 730070；2 甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外觀測研究站，甘肅民勤 733300；3 甘肅省荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室培育基地，甘肅武威 733000；4 甘肅河西走廊森林生態系統國家定位觀測研究站，甘肅武威 733000)

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土壤酶學硏究進展①

王理德1,2,3,4，王方琳1,2,3,4，郭春秀1,2,3,4，韓福貴1,2,3,4，魏林源1,2,3,4，李發明1,2,3,4

(1 甘肅省治沙研究所，蘭州 730070；2 甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外觀測研究站，甘肅民勤 733300；3 甘肅省荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室培育基地，甘肅武威 733000；4 甘肅河西走廊森林生態系統國家定位觀測研究站，甘肅武威 733000)

摘 要：土壤酶學是研究土壤酶活性及其相關特性的科學，是一門介于土壤生物學和生物化學之間的邊緣交叉學科。土壤酶在土壤生態系統的物質循環和能量流動方面具有主要的作用。本文綜述了土壤酶學發展簡史、土壤酶的來源、分類、功能及分布特征等，總結了土壤理化性質、施肥、放牧、土壤微生物、施用稀土元素、草地生長年限、不同土地利用和耕作方式及其他因素對土壤酶活性的影響，對于加深理解生態系統中的物質循環、土壤酶的生態重要性以及土壤生態系統退化機理有重要作用。最后，結合本項目組的研究對土壤酶學的研究前景進行了展望。

關鍵詞：土壤酶；酶活性；研究進展

土壤酶學(soil enzymology)是研究土壤酶活性及其相關特性的科學，是一門介于土壤生物學和生物化學之間的邊緣交叉學科[1]。土壤酶(soil enzyme)作為土壤生態系統的組分之一，是生態系統的生物催化劑，也是土壤有機體的代謝動力，與土壤理化性質、土壤類型、施肥、耕作以及其他農業措施等密切相關，在土壤物質循環和能量轉化過程中起著重要作用。其活性在土壤中的表現，在一定程度上反映了土壤所處的狀況，且對環境等外界因素引起的變化較敏感，成為土壤生態系統變化的預警和敏感指標[2]。它們參與包括土壤生物化學過程在內的自然界物質循環，既是土壤有機物轉化的執行者，又是植物營養元素的活性庫[3]。土壤中已被鑒定出約60種酶活性表明，土壤酶活性與土壤質量的很多理化指標相關聯，酶的催化作用對土壤中元素(包括碳、氮、磷、硫)循環與遷移有著重要作用[4]。

土壤養分、土壤結構等理化特征一直被用作表征土壤質量、土壤肥力的指標。但隨著氣候變化、人口的不斷增長，土地開發利用強度不斷加大，為實現土地資源持續利用和防止土壤退化，對土壤環境質量的評估和監測越來越重要，傳統的理化指標已難以滿足土壤質量健康狀況、土壤恢復過程及其恢復潛力研究的需要。特別是20世紀80年代以來，廣泛分布于青藏高原的高寒草甸生態系統在自然擾動與人為因素的干擾下，呈現出明顯的退化趨勢，陸地生態系統的退化減少了植被生產力和土壤有機質輸入量，并加快了土壤有機質的分解速率，加速了土壤生態系統的退化。因此，用土壤酶活性作為較全面地反映土壤環境、質量和肥力變化，判別脅迫環境下土壤生態系統退化的早期主要預警指標之一，對于分析和探討土壤生態系統結構、功能及其可持續利用將具有重要的現實意義。

1 土壤酶學發展簡史

自1898年Wood[5]首次從土壤中檢測出過氧化氫酶活性以來，土壤酶研究經歷了一個較長的奠定和發展時期。20世紀50年代以前為土壤酶學的奠定時期，許多土壤學者從各種土壤中共檢測出了40余種土壤酶，并發展了土壤酶活性的研究方法和理論，土壤酶研究逐漸發展成一門介于土壤生物學和生物化學之間的新興邊緣交叉學科[1]。20世紀50 至 80年代中期為土壤酶學迅速發展的時期，由于土壤酶的檢測技術和方法不斷改進，生物化學和土壤生物學取得了巨大的成就，一些新的土壤酶逐漸被檢測出來；到80年代中期，大約有60種土壤酶被檢測出來，土壤酶學的理論體系逐漸完善，土壤酶活性被作為土壤肥力指標而受到土壤學家的普遍重視[6]。20世紀80年代中期以后為土壤酶學與林學、生態學、農學和環境科學等學科相互滲透的時期，土壤酶學的研究已經超越了經典土壤學的研究范疇，在幾乎所有的陸地生態系統研究中，土壤酶活性的檢測成了必不可少的測定指標。由于土壤酶活性與土壤生物、土壤理化性質和環境條件密切相關[7]，因而土壤酶活性對環境擾動的響應、根際土壤酶的功能重要性、土壤酶學研究技術以及土壤酶作為土壤質量的指標等成為研究的主攻方向[8-9]。

2 土壤酶的來源、分類、功能及分布特征

2.1 土壤酶的來源

土壤酶是指土壤中的聚積酶，包括游離酶、胞內酶和胞外酶，主要來源于土壤微生物的活動、植物根系分泌物和動植物殘體腐解過程中釋放的酶[10]。1953年Crewther與Lennox[11]對米曲霉(Aspergillus oryza)進行了研究，結果表明，酶是按一定的順序釋放出來的，首先是糖酶和磷酸酶，隨后是蛋白酶和醋酶，最后是過氧化酶。一些酶是微生物生長初期階段釋出，一些酶是在生長的后期，當菌絲叢逐漸減少時釋出?？梢?，許多細菌和真菌等微生物能釋放出不同的土壤酶。

另有一些學者則傾向于認為土壤酶活性主要來源于高等植物的根系，根系的纖細頂端在其整個生命過程中不斷地往土壤中分泌酶，死后則將其酶器富集在土壤里。Wood[5]首先對有關土壤胞外酶作了報道，指出植物根系能分泌出氧化酶。隨后，許多植物生理學家累積的大量資料表明[12-13]，植物根確實能將一些酶分泌至根際土壤，但是，由于技術手段等方面的原因，人們很難區別根際土壤中植物和微生物對于土壤酶活性的貢獻。

本課題組研究認為土壤酶在很大程度上起源于土壤微生物，同樣它也可能來源于植物和土壤動物[14]。植物的活根對土壤酶活性具有影響，一方面在于植物根能分泌胞外酶，另一方面也可能是根刺激了土壤微生物的活性。Shkjins[15]以及后來的Castellano 和Dick[16]與Dick和Deng[13]的研究都表明，根際土壤比非根際土壤更能增加諸如磷酸酶、核酸酶、蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、芳基硫酸酯酶和蛋白酶的活性，但是這些研究均不能區分酶是起源于植物根還是起源于土壤微生物。植物殘體在分解的過程中也能夠向土壤中釋放酶，或者在分解的植物細胞組織中保持部分酶的活性。土壤酶也可能來源于土壤動物，已有報道表明，脲酶[17]、磷酸酶[18]和轉化酶[19]活性來源于蚯蚓的排泄物，同時螞蟻對轉化酶活性也有一定的貢獻[20]。林區生態系統的土壤酶系主要來源于動植物的分泌物及其殘體的腐解、土壤微生物的分泌等[21]。

2.2 土壤酶的分類和功能

為有效研究和應用各種酶，國際酶學委員會(International Enzyme Committee)于1961年提出了一個分類系統，按照酶的催化反應類型和功能，將已知的酶分為6大類[22]，即氧化還原酶、水解酶、轉移酶、裂合酶、連接酶和異構酶，土壤中酶活性的研究主要涉及前4種酶。

氧化還原酶類(oxidoreductases)：主要包括脫氫酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶、硝酸還原酶、硫酸鹽還原酶等。氧化還原酶是土壤中研究較多的一類酶，由于這些酶所催化的反應大多與獲得或釋放能量有關，因此在土壤的物質和能量轉化中有很重要的地位；它參與土壤腐殖質組分的合成，也參與土壤形成過程，因此對于土壤氧化還原酶系的研究，有助于對土壤發生及有關土壤肥力等問題的了解[23]。

水解酶類(hydrolases)：主要包括蔗糖酶、淀粉酶、脲酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶、纖維素分解酶、?-葡萄糖苷酶、熒光素二乙酸酯酶等。水解酶能水解多糖、蛋白質等大分子物質，從而形成簡單的、易被植物吸收的小分子物質，對于土壤生態系統中的碳、氮循環具有重要作用。例如高等植物具有脲酶(urease)，能酶促有機質分子中肽鍵的水解。土壤脲酶活性與全氮呈極顯著正相關，與硝態氮、速效磷及速效鉀呈極顯著負相關，可用土壤脲酶活性表征土壤的氮素狀況[23]。

轉移酶類(transferases)和裂合酶類(lyases)：主要包括轉氨酶、果聚糖蔗糖酶、轉糖苷酶、天門冬氨酸脫羧酶、谷氨酸脫羧酶等。這兩類酶在土壤物質轉化中同樣起著重要作用，轉移酶不僅參與蛋白質、核酸和脂肪的代謝，還參與激素和抗菌素的合成與轉化；直到現在裂合酶在土壤中的活性研究還很少[4]。

2.3 土壤酶的分布特征

土壤的一切生物化學過程，都是在土壤酶的參與下進行[24]。隨著科學研究的深入，越來越多的實驗表明，土壤酶系統是土壤生理生化特性的重要組成部分，它積極參與生態系統中的物質循環與能量轉化，是土壤的重要組成部分之一，具有明顯的分布特征。

2.3.1 土壤酶的空間分布特征 土壤酶垂直分布具有明顯的規律性。它反映了各土層的營養狀況，也在一定程度上反映出土壤肥力狀況及其生產力水平[25]。郭明英等[26]研究表明土壤蛋白酶、轉化酶、過氧化氫酶活性均隨土層的增加而逐漸降低，而脲酶活性相反。趙林森和王九齡[27]試驗表明脲酶、蛋白酶、轉化酶、堿性磷酸酶的活性在垂直分布上都表現出上層高于下層的規律，過氧化氫酶活性表現出隨土層加深而升高。由于研究區狀況、研究對象等不同，同一種土壤酶活性表現出不同的變化規律?？偟膩砜?，土壤酶活性的垂直分布特征為隨土層的增加而逐漸降低(表1)。趙林森和王九齡[27]、楊梅煥等[28]、李林海等[29]研究結果表明：隨土層的加深，過氧化氫酶活性升高或者變化不明顯，呈現出與其他酶類不同的響應特征。這是因為過氧化氫酶屬氧化還原酶類，其活性大小除與凋落物組成及根系分泌物有關外，土壤環境是影響其分布的重要因素。過氧化氫酶活性在整個剖面上均以草地土壤最低。草地植物為1年生草本植物，其凋落物層較厚，覆蓋在土壤表層，大大增加了土壤有機質的含量，并促進了對降雨的截流。草地土壤含水量(13.27%)和有機質含量(9.57 g/kg)高于其他林分(10.81%～13.01% 和5.85～11.53 g/kg)，而這兩者的含量越高，土壤環境越易處于還原狀態，從而抑制土壤氧化氫酶活性[29]。另外，由于沙漠化程度的不同等其他土壤環境因素也會導致土壤過氧化氫酶和多酚氧化酶活性變化沒有明顯規律[28]。郭明英等[26]研究表明脲酶活性隨土層的增加而逐漸升高和馬瑞萍等[30]研究發現遼東櫟群落0～10 cm土層土壤多酚氧化酶活性卻低于10～20 cm土層有相似之處，具體原因還待進一步研究。

表1　土壤酶垂直分布規律Table 1 Vertical distributions of soil enzymes

本課題組對石羊河下游退耕區土壤酶活性的研究表明：隨著退耕區次生草地自然恢復，土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性均表現出隨土壤深度的增加而逐漸減??；同時也發現，0～10 cm土層的酶活性在4土層(0～10、10～20、20～30、30～40 cm)總酶活性中占有較大的比例。該結果與羅珠珠等[31-37]大部分學者研究得出的土壤酶活性垂直變化的特點相一致。究其原因，由于石羊河下游土壤肥力較差，只有表層有少量的枯枝落葉和腐殖質可以支持微生物的生長，表層溫度條件和通氣狀況良好，一旦遇到降雨，微生物旺盛生長，代謝活躍，使表層的土壤酶活性提高。研究區干旱少雨，自然降雨只能貯藏于土壤表層，隨著土壤剖面的加深，土壤水分顯著減少，土壤溫度降低，限制了土壤微生物的正?；顒蛹按x產酶能力。由于這些因素的綜合作用，使得土壤酶活性隨著土層的加深而逐漸降低，而且，表層土壤酶活性所占比例較大[14]。

2.3.2 土壤酶的季節動態分布特征 不同季節對各種土壤酶的影響迄今為止，結果不一。一些研究認為，田間土壤酶活性相對穩定[38]，而有的則認為具有顯著的季節性變化[39]，還有的認為土壤酶活性受生長季節影響較大，但無明顯的規律性[35]。據本項目組的觀測數據分析，土壤酶的活性在夏季較高，春、秋季較低，冬季達到最低。土壤酶活性的季節變化主要是由土壤水分和溫度共同影響的。

張其水和俞新妥[40]對不同類型混交林林地研究表明，土壤酶活性以春季較高、夏季最高、秋季稍有下降、冬季最低，這一結果與胡延杰等[41]在楊樹剌槐混交林及純林土壤中的研究結果相一致。羊草(Leymus chinensis)草原土壤過氧化氫酶活性的季節動態呈拋物線型[42]，在大多數群落中各土層的土壤過氧化氫酶活性的最大值均出現在8月，最小值出現在6月或10月[43]。楊成德等[44]以東祁連山不同灌叢草地為研究對象，對土壤酶的季節性動態等進行了研究，結果表明：在3個灌叢草地，脲酶季節動態表現為從5月到7月上升，7月之后下降，最大值出現在7月，最小值出現在11月；中性磷酸酶在3個灌叢草地季節動態差異明顯，在杜鵑灌叢草地從5月到7月略上升，7月到9月顯著下降，9月后顯著上升，在金露梅灌叢則為從5月到9月上升，后下降，而在高山柳灌叢則為從5月到11月逐漸上升。說明土壤酶活性的季節性變化受環境條件(濕度、溫度)影響較大。這是因為土壤酶的主要來源是土壤微生物，土壤微生物總量隨著春季溫度上升而逐漸增高，最高峰出現在8月中旬。隨著季節的變化，9月以后，溫度和濕度同步下降，土壤微生物生物量也逐漸下降。因而，土壤酶活性也隨著土壤微生物的變化呈現出相應的季節波動。以上結果中土壤酶活性在夏季較高，冬季較低，而且影響其變化的主要因素是土壤水分與溫度等，與本項目組的研究相一致。

瑪伊努爾·依克木等[45]對古爾班通古特沙漠生物結皮土壤中酶活性的季節變化研究結果表明：蔗糖酶、堿性磷酸酶、脲酶、過氧化物酶和多酚氧化酶的活性在不同月份差異極顯著；蔗糖酶在4—9月均保持較髙的活性，酶活性在4月份最髙；堿性磷酸酶、脲酶、多酚氧化酶、過氧化物酶的活性均呈單峰曲線變化，其峰值分別出現在3—7月。堿性磷酸酶、脲酶之間，蔗糖酶、多酚氧化酶及過氧化物酶與土壤溫度之間，蔗糖酶、脲酶和過氧化物酶與土壤水分之間均具有極顯著的正相關關系。微生物生物量氮的增加為脲酶和堿性磷酸酶提供反應底物或能源物質從而增加酶的活性。南麗麗等[35]以疏勒河流域中游玉門飲馬農場不同植被類型(白刺、小麥、苜蓿、孜然和茴香)土壤為研究對象，以荒地為對照，探討疏勒河流域綠洲荒漠過渡帶不同植被類型條件下土壤酶活性季節變化特征，結果表明：土壤酶活性受生長季節影響較大，但無明顯的規律性；5種植被類型土壤酶活性存在差異，但因季節因素的影響，很難確定哪種植被類型對土壤酶活性的影響最大。因不同植物對外界環境條件的響應是不同的，也就是它們的旺盛生長時間可能有差異，甚至施肥及收獲期等都不同，這都影響了土壤酶的活性。

總之，不同類群土壤酶的季節變化總體趨勢與夏季較高，春、秋季較低，冬季達到最低這一結果相同[40-41]或者相似[42-44]，但也有各自類群的特點[45]。

2.3.3 土壤酶的根際分布特征 國內外大量研究[13-16,46-48]表明，土壤酶活性的根際分布特征基本相一致，均表現為以植物根系為中心，向四周逐漸減小的變化規律。趙林森和王九齡[27]通過楊樹刺槐混交林試驗，揭示多酚氧化酶、過氧化氫酶、脲酶、蛋白酶、轉化酶、堿性憐酸酶的活性表現出一定的水平分布規律，即土壤酶離植物根系越近，其活性越高。姚勝蕊和束懷瑞[46]利用平邑甜茶(Malus hupenensis)實生苗為試材，以根際箱為基本研究手段，發現脲酶、轉化酶、中性磷酸酶根際土壤酶活性＞非根際土壤酶活性。梅杰和周國英[47]對不同林齡馬尾松林根際和非根際土壤酶活性進行了對比分析，脫氫酶、過氧化氫酶及脲酶活性根際土壤高于非根際土壤。田呈明等[48]發現秦嶺林區幾種主要林型下脲酶、蔗糖酶、纖維素酶的活性與微生物的數量分布呈正相關關系，同一林型根際區域＞非根際區域。

以上研究表明根際的土壤酶活性大于非根際。這是由于土壤酶活性與土壤微生物分布有著緊密聯系的關系，植物在生長過程中創造出了一個微生物的特殊生境，即土壤根系能夠直接影響的土壤范圍，根際微生物量總是高于非根際微生物量，當微生物受到環境因素刺激時，會不斷向周圍介質分泌酶，致使根際與非根際的酶活性產生較大差異[47]。最近，研究者采用熒光原位監測(FISH)和熒光定量PCR 分析等分子生物學手段證實，微生物在作物根際土壤生物學過程(如氨化、水稻根際甲烷形成等)中起著重要作用[49]，對土壤酶的根際分布起著關鍵作用。

3 土壤酶活性的影響因子

土壤系統中，一切復雜的生化過程都是在土壤酶的參與下進行的，土壤酶的活性大致反映了土壤生物化學過程的相對強度，也是判別土壤肥力與土壤質量的重要指標之一。因而，研究土壤酶活性的影響因子，對于判定土壤質量、探討土壤微生物-酶-植物系統內的相互關系以及了解個別物種在群落中的地位和作用具有重要意義。

3.1 土壤理化性質

王學娟等[50]研究表明，連續3個生長季(6—9月)增溫，沒有明顯改變土壤蔗糖酶和纖維素酶的活性，但土壤脲酶活性升高80.1%，過氧化氫酶活性升高10.1%。這說明，土壤脲酶與過氧化氫酶的活性對溫度很敏感。李林海等[29]結合野外調查與室內分析研究，認為黃土高原溝壑區小流域坡地土壤的脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性之間呈顯著正相關，并與土壤物理性質顯著負相關，與土壤化學性質顯著正相關；過氧化氫酶活性除與含水量和pH 正相關外，與其他理化性質呈負相關。夏孟婧等[51]研究不同用量造紙廢水灌溉處理對土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、脫氫酶和過氧化氫酶活性的影響，結果表明酶活性與土壤鹽堿度顯著負相關，與速效磷和微生物生物量碳顯著正相關，與有機質和速效氮相關性不顯著。王啟蘭等[52]對高寒矮嵩草(Kobresia humilis)草甸土壤性質及酶活性進行研究，結果表明對0～20 cm 土層所測的7種土壤酶中，土壤有機質和有效鉀含量除與多酚氧化酶活性呈顯著負相關外，與其余6種酶(過氧化氫酶、脲酶、蛋白酶、纖維素酶、轉化酶、堿性磷酸酶)活性呈顯著正相關；全氮、有效磷、陽離子交換量除與轉化酶活性相關性不顯著外，與其他6種酶呈顯著相關；有效氮、全鉀含量只與纖維素酶、堿性磷酸酶活性存在顯著的相關關系；pH、全磷含量與所測的7種酶活性均無明顯的相關性。

此外，Guo等[53]與Rousk等[54]研究也表明，土壤pH失衡導致土壤微生物區系失衡，最終引起土壤酶的變化。在蔬菜大棚種植過程中，水肥高投入可直接引起土壤養分的過度累積，從而引起土壤酶的變化[53]。

綜上所述，土壤積累的腐殖質多，有機質含量高，土壤結構疏松，孔隙比例適當，水熱條件和通氣狀況好，微生物生長旺盛，代謝活躍，呼吸強度加大從而使土壤酶活性較高。土壤容重變大，孔隙度變小，限制了土壤生物的正?；顒?；pH升高，土壤微生物生物量也隨之下降；土壤溫度的降低及土壤水分的減少，限制了土壤微生物的代謝產酶能力。由于土壤理化性質的變化，土壤酶活性也發生了變化?？傊?，各種土壤理化因子不僅直接影響土壤酶活性的大小，還通過相互之間的作用間接調控土壤酶活性。

3.2 施肥

施肥可以改善土壤理化特性和微生物區系，從而對土壤酶活性產生影響。有機肥料以及化學肥料的施用可明顯提高土壤酶活性[55]。閏雙堆等[56]研究表明，早熟禾(Poa annua)草坪中，在氮、磷、鉀施用總量相同的條件下，隨復混肥中污泥含量的增加，草坪土壤脲酶、蛋白酶、轉化酶和磷酸酶活性顯著提高，各施肥處理與對照比較差異均達到顯著水平。說明無機肥料與適量污泥配施也對土壤酶活性的提高起一定作用。而施肥對天然草地土壤酶活性的影響，主要體現在施入的氮肥對脲酶活性抑制作用較強，而氮磷肥混施，在一定程度上既能使脲酶活性受到激活，又能使磷酸酶活性受到激活，氮磷肥混施的量為45 g/m2時，脲酶與磷酸酶活性最強，而且相應蔗糖酶活性也有所增強[57]。

3.3 放牧

放牧是草地利用的主要方式之一。放牧家畜主要通過采食、踐踏影響土壤的物理結構(如緊實度、滲透率)，同時通過采食活動及畜體對營養物質的轉化和排泄物歸還等影響草地營養物質的循環，導致草地土壤理化性質和酶活性的變化。不同程度的放牧均可導致典型草原土壤中多酚氧化酶和過氧化氫酶活性的增加，輕度放牧使土壤中脲酶、蔗糖酶和蛋白酶活性增加，中度和重度放牧導致此3 種酶活性降低[58]。在貝加爾針茅(Stipa capillata)草原，放牧顯著提高了0～10 cm土層中的脲酶活性，而大針茅(S.grandis)草原土壤脲酶活性在放牧條件下顯著降低，克氏針茅(S.sareplana var.kry-lovii)草原土壤脲酶活性則無顯著變化。貝加爾針茅、大針茅和克氏針茅群落0～10 cm土壤的磷酸酶活性和轉化酶活性在放牧壓力下均顯著增加。而放牧干擾下過氧化氫酶活性在貝加爾針茅群落0～10 cm土層中顯著降低，在大針茅群落顯著升高，而在克氏針茅群落沒有發生顯著變化[59]。在高寒草甸草地，隨載畜量增加，0～20 cm土層土壤脲酶、過氧化氫酶和堿性磷酸酶活性均表現為高載畜量區高于中載畜量區和低載畜量區，這可能與“高區”放牧家畜排泄的糞便增加了土壤中的速效養分有關[60]。

總之，中度放牧壓力下不同類型草原土壤酶活性變化各不相同，但整體呈上升趨勢，說明適度放牧有利于提高草原土壤酶活性，加強土壤中營養元素的礦質化作用，有利于系統內營養物質循環。

3.4 土壤微生物

土壤微生物是生態系統的重要組成部分，是土壤生態系統的核心，廣泛直接或間接參與調節土壤養分循環[61]、能量流動[62]、有機質轉換[63]、土壤肥力形成[64]、污染物的降解及環境凈化[65]等。土壤微生物的種類和組成不同，對土壤酶活性在質和量上都引起差異，特別對土壤脲酶活性影響很大[21]。土壤脲酶是一種分解含氮有機物的水解酶，普遍存在于真菌中，是植物氮素營養的直接來源。貝加爾針茅草原土壤脲酶活性與土壤中固氮菌、真菌的數量分別具有極顯著和顯著正相關關系，這與土壤脲酶本身的特性有關[59]。土壤細菌、真菌、總微生物數量與過氧化氫酶、脲酶、中性磷酸酶活性呈顯著或極顯著相關，這在很大程度上反映了微生物量對土壤酶活性的重要影響和貢獻[66]。在伊犁絹蒿(Seriphidium transiliense)荒漠退化草地中，土壤細菌數量與脲酶活性呈顯著正相關，真菌數量與過氧化氫酶、脲酶活性呈顯著負相關[67]。而真菌所釋放的復雜的酶系統能積極參與有機物質的分解，使枯落物中的蛋白質轉化成草地植物可直接吸收的可溶性氨基酸和銨鹽等，同時它對無機營養的吸收也有顯著影響[68]，這些都說明土壤微生物對土壤酶的貢獻較大。

3.5 施用稀土元素

在天然草地合理噴施稀土元素可使牧草增產。在牧草生長季合理噴施稀土(質量分數 1000×10-6，次數1～2次，時間6—7月)，土壤磷酸酶的活性有非常明顯的提高，其活性值可由每克對照土壤的平均5.81 mg P2O5提高到12.05 mg，提高幅度在1倍左右，且這種效應可持續1～2年。脲酶活性在噴施初期略有提高，但隨后會受到抑制；轉化酶和蛋白酶活性則無顯著變化。當噴施稀土的濃度超過10 000×10-6時，除磷酸酶外，上述酶類的活性也均有不同程度的降低?？梢?，適量施用稀土元素對草地土壤磷酸酶活性有刺激作用，一定時期內提高了土壤的供磷能力和有機物轉化能力，并促進牧草生長。但過量施用則產生負面效應，因此合理施用非常重要[69]。

3.6 草地生長年限

隨著草地生長年限的增加多數酶的活性呈下降趨勢。不同生長年限紫花苜蓿(Medicago sativa)栽培草地0～40 cm 土層內，脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和淀粉酶的活性在生長2年的紫花苜蓿地中均高于生長5年的紫花苜蓿地，纖維素酶活性在生長5年的紫花苜蓿地中高于生長2年的紫花苜蓿地[70]。說明隨著生長年限的增加多數酶的活性呈下降趨勢，這可能是因為土壤的理化性質逐漸趨于成熟穩定。

根據本項目組 2011—2014年對民勤地區退耕地自然恢復 1～31年荒漠草地的研究[14]，隨著退耕區次生草地自然恢復年限的增加，土壤中酶活性總的趨勢是逐漸減小，但各有不同。過氧化氫酶活性呈現出逐漸減小，再增大，最后趨于穩定，達到相對平衡狀態(圖1)。蔗糖酶活性總體表現出波動式增大，再波動式減小，最后趨于相對穩定，達到相對平衡狀態(圖2)。脲酶活性呈現出隨著植被恢復年限的增加而波動式減小，最后趨于穩定；波動幅度比較平穩，退耕3年時，明顯減小，脲酶活性平均值由退耕1年時的0.548 7 mg/(g·d)下降到3年時的0.356 1 mg/(g·d)，退耕4年時，恢復到平穩狀態，隨著植被的恢復，最后趨于相對平穩(圖3)。磷酸酶活性呈現出波動式增大，再波動式減小趨勢；其變化趨勢與蔗糖酶很相似，在退耕1～3年，變化相對平穩，到第4年的時顯著增大，達到了最大值，隨后磷酸酶活性逐漸趨于平穩(圖4)。退耕初期耕作施肥剛剛停止，有機質和其他相關因子含量較高，土壤微生物生長旺盛，土壤酶的活性較強；隨著退耕年限的增加，土壤濕度減小，土壤中有機質和其他因子含量下降，限制了土壤微生物的正?；顒?，土壤酶的活性也隨之減小，并趨于穩定，達到平衡狀態。

圖1　不同年限退耕地過氧化氫酶活性變化Fig.1 Catalase activities of returned-farmlands with different ages

圖2　不同年限退耕地土壤蔗糖酶活性變化Fig.2 Sucrase activities of returned-farmlands with different ages

圖3　不同年限退耕地脲酶活性變化Fig.3 Urease activities of returned-farmlands with different ages

圖4　不同退耕年限土壤中性磷酸酶活性變化Fig.4 Neutral phosphatase activities of returned-farmlands with different ages

3.7 不同土地利用和耕作方式

土地利用與耕作方式不同直接或者間接影響土壤酶活性[71-72]。干熱河谷地帶土地利用方式對土壤酶活性影響顯著，脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、纖維素酶活性總體變化規律相似，水桐樹(Camptotheca acuminata)土壤酶活性顯著高于其他植被土壤，其次是草地和合歡(Leucaena leucocephala)，花椒(Zanthoxylum bungeanum)、玉米(Zea mays L.)、甘蔗(Saccharum sinense)和桑樹(Morus alba L.)土壤酶活性最低；過氧化氫酶活性整體變幅不大，玉米、桑樹、甘蔗土壤活性低于其他植被土壤；多酚氧化酶活性和其他酶活性變化規律不同，其中桑樹和合歡土壤最高[73]。羅珠珠等[31]在隴中黃土高原研究了不同耕作方式下土壤過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性在春小麥不同生育時期的動態變化，4種耕作方式包括：傳統耕作(T)、免耕(NT)、傳統耕作秸稈還田(TS)、免耕秸稈覆蓋(NTS)，結果表明，NTS可以顯著提高耕層0～30 cm土壤過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性，春小麥整個生育期分別比T增加了3.02%、8.74%、20.51% 和31.45%；而NT和TS對土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性的效應有一定的階段性。

另外，親緣關系較遠的作物輪作或填閑有利于微生物繁殖，提高土壤微生物功能和種類多樣性，進而影響影響土壤酶的活性，達到增加目標作物產量的目的。一般來說，這些措施長期效果較短期效果顯著。此外，連作年限越久，通過作物輪作或填閑等修復土壤微生物學功能，促進土壤酶的活性，改善作物生長發育需要的年限越久[74]。

3.8 其他因素

除了上述幾種因子對土壤酶活性有影響外，微量元素[75]、化學污染[76]、土壤肥力[77-78]及土壤團聚體的大小[30]對土壤酶活性也有一定的影響。在農牧交錯帶退耕還草草地的土壤酶活性與土壤肥力高度相關[77]。土壤中可供植物利用的營養元素的多少，與土壤酶活性的高低直接相關。在良好的有機養分狀況下，土壤酶活性較高，其對土壤中營養元素的礦質化作用強度愈大，愈有利于系統內的營養物質循環[78]。馬瑞萍等[30]對遼東櫟、狼牙刺、人工刺槐等3種植物群落土壤酶研究結果表明：遼東櫟群落和狼牙剌群落土壤團聚體蔗糖酶、纖維素酶、以及β-D葡糖苷酶活性在團聚體中表現為：|＜0.25 mm團聚體|＞|2～0.25 mm團聚體|＞|5～2 mm團聚體|＞|＞5 mm團聚體|，其多酚氧化酶和過氧化物酶以及人工剌槐群落各種土壤酶活性均表現為2～0.25 mm粒級團聚體中最大。

4 土壤酶學研究展望

1)土壤是人類生存和發展的重要資源，因此合理利用與保護土壤資源環境，已成為各國學者和政府特別關注的重要任務，將土壤酶活性與土壤生產力及土壤肥力、土壤質量聯系起來已取得了一定的成功，但作為土壤科學研究的重點之一，應對土壤酶的存在狀態及生化動力學特性給予重視，并且應用土壤酶學知識解決現代環境、農業、生態及其他方面的實際問題，將成為未來土壤酶學發展努力的方向。

2)伴隨著全球變化研究的展開，氣候因素變化對土壤生態系統中土壤環境、土壤質量等的影響，引起越來越多國內外研究者的關注。人們希望找到一個綜合的酶活性指標，來表征外部管理或環境條件下土壤化學和生物化學的變化。另外，土壤酶活性隨土層的增加而逐漸降低，但脲酶活性與多酚氧化酶活性在特定的環境中呈現出與其他酶類不同的響應特征，具體原因還待進一步研究。

3)土壤酶學的研究工作方興未艾，土壤脲酶、過氧化氫酶和多酚氧化酶活性變化可作為衡量沙漠化環境變化的重要指示性指標，在揭示沙漠化過程及荒漠化防治中值得深入研究，對生態環境的修復及可持續發展具有重要意義。

4)在生態系統中進行土壤微生物與土壤酶來源、活性的關系研究，有利于土壤酶學的發展。利用先進的土壤微生物研究技術、生物化學技術和分子生物學技術來探討土壤微生物，尤其是土壤微生物區系、微生物數量、微生物多樣性及生物量與土壤酶活性的關系，有助于揭示土壤酶的來源、性質及土壤酶在生態過程中的作用和地位。

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Review:Progress of Soil Enzymology

WANG Lide1,2,3,4,WANG Fanglin1,2,3,4,GUO Chunxiu1,2,3,4,HAN Fugui1,2,3,4,WEI Linyuan1,2,3,4,LI Faming1,2,3,4
(1 Gansu Desert Control Research Institute,Lanzhou 730070,China; 2 Minqin National Station for Desert Steppe Ecosystem Studies,Minqin,Gansu 733300,China; 3 State Key Laboratory Breeding Base of Desertification and Aeolian Sand Disaster Combating,Wuwei,Gansu 733000,China; 4 Gansu Hexi Corridor Forest Ecosystem National research station,Wuwei,Gansu 733000,China)

Abstract:Soil enzymology,as an interdiscipline between soil biology and biochemistry,aims at studying soil enzyme activities and their associated properties.Soil enzymes play major roles in nutrient cycling and energy flow in soil ecosystem.This paper reviewed the development history of soil enzymology,the sources,classifications,functions and distributions of soil enzymes,etc.and summarized the effects of soil physical and chemical properties,fertilization,grazing,soil microorganisms,rare earth elements,grass growth ages,land use types and other factors on soil enzyme activities.In the end,it prospected the future studies in soil enzymology with the combination of our research progresses in soil enzymes.This paper is useful in deepening the understanding of material cycles in ecosystems,the ecological importance of enzymes,and the degradation mechanism of soil ecosystem.

Key words:Soil enzymology; Enzyme activity; Research progress

作者簡介：王理德(1969—)，男，甘肅民勤人，博士，高級工程師，主要從事草地生態、資源與環境研究。E-mail:wld69@tom.com

基金項目：①國家自然科學基金項目(31160264；41161049)資助。

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.01.002

中圖分類號：S154.2