土壤酶研究进展(1)

收稿日期:2005—07—11修订日期:2005—09—16土壤酶研究进展杜伟文,欧阳中万

(湖南农业大学,湖南长沙　410125)

摘　要:土壤酶在土壤生态系统的物质循环和能量流动方面扮演重要的角色。本文综述了土壤酶学研究简史,土壤酶的来源、分布、作用,植物—土壤界面的土壤酶,土壤生态条件与土壤酶,土壤微生物与土壤酶,土壤酶活性测定等方面。对于加深理解生态系统中的物质循环、土壤酶的生态重要性以及土壤生态系统退化机理有重要作用。

关键词:土壤酶;研究进展;土壤微生物

中图分类号:S718.51+9 文献标识码:A 文章编号:1003—5710(2005)05—0076—04

土壤酶是土壤有机体的代谢动力,在生态系统中起着重要的作用,与土壤理化性质、土壤类型、施肥、耕作以及其它农业措施等密切相关。其活性在土壤中的表现,在一定程度上反映了土壤所处的状况,且对环境等外界因素引起的变化较敏感,成为土壤生态系统变化的预警和敏感指标文章。

自W oods(1898)首次从土壤中检测出过氧化氢酶活性以来,土壤酶研究经历了一个较长的发展时期(关松荫,1986)。一般认为,20世纪50年代以前为土壤酶学的萌发时期,许多土壤学者从各种土壤中共检测出了40余种土壤酶的活性,同时发展了土壤酶活性的研究方法和理论,土壤酶研究逐渐发展成一门介于土壤生物学和生物化学之间的一门新兴边缘交叉学科[1～3]。20世纪50～80年代中期为土壤酶学迅速发展的时期。由于生物化学和土壤生物学所取得的巨大成就,土壤酶的检测技术和方法不断改进,一些新的土壤酶活性逐渐被检测出来。到20世纪80年代中期,大约有60种土壤酶活性被检测出来,土壤酶学的理论和体系逐渐完善。土壤酶活性与土壤理化性质的相互关系、土壤酶的来源和性质以及土壤酶检测手段的改进等成为这段时期的研究重点[4,5]。土壤酶活性的研究作为土壤肥力指标而受到土壤学家的普遍重视(周礼恺,1987)[6]。20世纪80年代中期以后为土壤酶学与林学、生态学、农学和环境科学等学科相互渗透的时期,土壤酶学的研究已经超越了经典土壤学的研究范畴,在几乎所有的陆地生态系统研究中,土壤酶活性的检测似乎成了必不可少的测定指标[7,8]。由于土壤酶活性与土壤生物、土壤理化性质和环境条件密切相关(Dick,1996),因而土壤酶活性对环境扰动的响应、根际土壤酶功能的重要性、土壤酶研究技术以及土壤酶作为土壤质量的指标等成为主攻方向[9～11]。

1　土壤酶的来源与分布

1.1　土壤酶的来源

土壤酶(s oil enzyme)是指土壤中的聚积酶,包括游离酶、胞内酶和胞外酶,主要来源于土壤微生物的活动、植物根系分泌物和动植物残体腐解过程中释放的酶(关松荫,1986; Burn,1978)。H ofmann与H offmann(1995)认为,微生物是脱离活体的酶的唯一来源。许多微生物能产生胞外酶。Crewther 与Lennox(1953)对米曲霉(Aspergillus oryzae)进行了研究,结果表明,酶是按一定的顺序释放出的,首先是糖酶和磷酸酶,随后是蛋白酶和醋酶,最后是过氧化酶。某些酶是微生物生长初期阶段释出,另一些酶是在生长的后期,,当菌丝丛逐渐减少时释出。Phaff(1959)曾详细的研究了微生物在合成和天然的培养基质中释放出各种胞外酶的情况[12,13]。结果表明,许多细菌和真菌能释放出淀粉酶、纤维素酶和果胶酶。

另有一些学者则倾向于认为土壤酶活性主要来源高等植物的根系,根系的纤细顶端在其整个生命过程中的不断地往土壤中分泌出酶,死后则将其酶器富集在土壤里。有关土壤胞外酶的第一篇报道(W oods,1899)曾指出,植物根系能分泌出氧化酶。随后,K nuds on与Smith(1919)指出植物根系能分泌出淀粉酶。R ogers等(1942)指出,玉米和番茄根能分泌出磷酸酶和核酸酶。许多植物生理学家累积的大量资料表明,植物根确实能将一些酶分泌至根际土壤,但是,由于技术手段等方面的原因,我们很难区别根际土壤中植物和微生物对于土壤酶活性的贡献。许多学者也持类似的看法。

另外,土壤动物区系释放土壤酶。关于土壤动物对土壤中脱离活体的酶含量的贡献研究的很少。K iss(1957年)指出,在草地和耕作土壤里,特别是在土壤表层,蛆蜕的排泄物对土壤的蔗糖酶活性有重要的作用,蚁类的作用则较小。1.2　土壤酶的分布

土壤的一切生物化学过程,都是在土壤酶的参与下进行[14]。所谓土壤酶是指土壤中的累积酶,即胞外酶,是在没有微生物繁殖发生情况下土壤里存在的具有活性的蛋白质[14,15]。林区生态系统的土壤酶系主要来源于动植物的分泌物及其残体的腐解、土壤微生物的分泌等[16]。随着科学研究的深入,越来越多的实验表明,土壤酶系统是土壤生理生化特性的重要组成部分,它积极参与森林生态系统中的物质循环与能量转化,是土壤的重要组成部分之一。研究表明,植物种类组成不同,其枯落物的质和量不同,适于微生物生长的营养源也不同,因而微生物的种类和组成不同,从而引

湖南林业科技　2005年第32卷第5期

专题探讨　

起土壤酶活性在质和量上的差异。动物残体及土壤动物的分泌物也是土壤酶活性改变的原因[16]。由于群落种类组成不同,适于动物生长的营养源和环境因子也不同,因而也可改变土壤酶的质和量。土壤酶系是土壤中的一切生化过程的参与者,因而研究不同群落内的土壤酶活性对于探讨土壤微生物———酶———植物系统内的相互关系以及对于了解个别物种在群落中的地位和作用具有重要意义。

林区土壤酶活性随土层深度的增加,表现出一定的规律性。赵林森等通过杨树刺槐混交林试验,表明脲酶、蛋白酶、转化酶、碱性磷酸酶的活性在垂直分布上都表现出上层高于下层的规律;过氧化氢酶活性表现出随土层加深而升高;但多酚氧化酶随土层加深规律性表现不明显。以植物根系为中心,林区土壤酶活性表现出一定的水平分布规律。田呈明研究了3种林型下脲酶、蔗糖酶、纤维素酶的活性,其活性表现为根际区域>非根际区域。周国英在油茶林地的研究表现为根际的过氧化氢酶、脲酶、蛋白酶、纤维素酶活性大于非根际酶的活性。姚胜蕊等在苹果园的研究报道均表现为根际土壤酶活性>非根际土壤酶活性。

林区土壤酶活性的季节性变化主要受环境条件(干湿、温度变化)和林木生长等的综合影响。张其水在杉木连栽林地营造混交林后的研究表明,土壤酶活性以林木旺盛生长的夏秋季最高,春季次之,冬季最低,与胡延杰在杨树刺槐混交林及纯林土壤中的研究结果以及关松荫等的研究结果一致。

2　土壤酶的作用

土壤酶是土壤生物化学过程的积极参与者,在森林生态系统中的物质循环和能量流动过程中扮演着重要的角色(周礼恺,1989;Burns et al,2001;K issetal,1998)[17,18]。尽管森林生态学和土壤学中有关森林土壤酶研究的报道较多(Facelli et al,1974;Setletal,1991:W ood,1991;Dilly et al.,1996)。但迄今为止,尚无有关旅游风景区土壤酶研究进展的文献综述。2.1　评价土壤肥力

19世纪50年代,H ofmam等人率先提出用蔗糖酶活性作为评价土壤肥力状况的指标,其根据在于该酶活性综合反映了气候、栽培、土壤改良和土壤性质的变化。19世纪80年代有人提出一些土壤酶的综合活性作为预测土壤肥力的方法。这种方法与用某种酶活性的评价方法相比能更好地反映有机质更新全过程中养分的释放,以及无机养分的相对有效性。我国学者根据土壤酶活性与肥力呈正相关的关系,对多种土壤酶进行了聚类统计分析,并将我国土壤分成四个肥力等级。土壤有机质在各种酶的作用下,释出特定的植物养分,因此,酶活性不仅与土壤肥力状况有关,而且与植物养分的有效性有关[19]。例如,在真菌作用下,一些糖酶参与凋落物的分解,致使土壤中有效磷与有效氮增加。酸性磷酸酶活性与各种形态的土壤磷,酸性、碱性磷酸酶活性与小麦、三叶草根际中的有机磷的减少呈正相关。而且,酸性磷酸酶活性还与小麦产量呈显著正相关。S peir对汤加土壤的研究表明,土壤硫酸醋酶可作为诊断土壤中硫素营养的指标[20]。另外,土壤中氮的转化与蛋白酶、脲酶活性相关,蔗糖酶的活性可以反映土壤中碳元素的转化和呼吸强度,过氧化氢酶与土壤有机质的转化速度有密切的关系,纤维素酶与土壤中纤维素含量有关。据此认为,酶学方法也可用于评价土壤中其它微量元素的有效性。

利用土壤酶对pH的敏感性,可以评估土壤的pH值。例如,酸性土壤中主要存在酸性磷酸酶,少有或无碱性磷酸酶。Peshakov进一步拓宽了上述有关pH值的概念,将氮、鳞、钾肥的最佳用量定义为能产生最大脲酶、蔗糠酶、过氧化氢酶和磷酸酶活性的用量。

2.2　诊断土壤污染

土壤酶可用来评价许多污染物对相对“健康”土壤的影响。因此,以往对酸雨、重金属、农药,以及其它工业与农用化学品引起土壤酶活性变化的研究十分活跃。Jarvis的研究发现,pH2.7的模拟酸雨可抑制土壤中脱氢酶、蛋白酶、磷酸酶和芳基硫酸酷酶的活性[21,22]。Ohlinger的研究认为,酸雨可明显减弱变成土中酶的活性,但对敦土中酶的活性影响不大。Mathu还就重金属与外派生物剂对土壤酶活性的影响方式进行了研究[23],发现两者的影响方式不同。一般来说,引起生物影响的重金属,尤其是汞、银、钴、铜的浓度要低于外源生物剂的浓度。同时,有机土中添加微量铜,可抑制糖酶的活性,导致土壤有机质的矿化与损失。但是,许多金属在低浓度下,可作为土壤酶的组成成分,维持酶的最佳生物活性。Jem的研究还发现,镁、钙、钡、钴、镍、锌、锰可激活焦磷酸酶。

通常,土壤酶活性的测定可用来检测土壤中重金属与其它工业污染物的相对污染程度。其中,蔗糖酶的活性可用来对由重金属与硼引起的土壤污染进行初步评级。抗坏血酸氧化酶,硝酸、亚硝酸还原酶可用作土壤污染的诊断标准。

作为土壤污染的指标。研究表明,土壤酶参与有机化合物的降解有可能在治理污染土壤方面得到应用。重复使用一种或几种类似化学结构的农药。可能导致农药的迅速降解,很快丧失药效。Murpiry发现,土壤重复使用杀虫剂后,可增强磷酸酶的活性,从而催化水解反应,降解杀虫剂小的醋酸基。土壤萃取液中,可加速杀虫剂的降解。有关土壤酶失活的机理。Dick的研究认为,当部分纯化的游离态酶被加入土壤时,酶与土粒结合,掩蔽了酶的活性位。此外,还由于土壤中可溶性盐对酶的抑制,以及酶自身的生物降解作用,导致了酶的失活,因此,要使酶在去除土壤污染中得到应用,必须深入研究土壤中酶学的机理,采取相应的措施。

有关重金属污染对土壤酶活性影响的研究报道很多。最近,和文祥等(2001)的研究表明,Hg导致土壤脲酶和转化酶活性降低。M orenoa等(2001)研究了Cd对土壤脲酶、脱氢酶活性及ATP含量的影响。表明Cd对土壤酶活性有明显的抑制作用,但粘粒含量较高的土壤的酶活性受到抑制作用相对较弱。S peir等(1995,1999)研究了Cr(VI)和As(V)对土壤生物的毒害作用,结果也表明,土壤酶活性随着土壤重金属离子含量的增加而降低。这些研究表明,由于土壤酶是一种蛋白质,因而土壤酶活性对重金属污染(如Hg,Cd,As,Cr,Pb 和Zn等)的敏感性很强,所以利用土壤酶活性可以监测重金属污染区的污染状况。另外,有关化学肥料、除草剂、灭菌剂和酸雾等对土壤酶活性的影响及其土壤酶活性被当作土壤污染的重要生物活性指标。土壤酶活性作为土壤污染的生物活性指标是土壤学目前的研究重点之一。

　专题探讨・・

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