【文献分享】短期通气对周期性缺氧旱地土壤中水解酶活性的抑制效应：来自旱地生态系统的证据

力科惠泽

2025/07/22 13:51

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短期曝气对周期性缺氧旱地土壤中水解酶活性的抑制效应：来自旱地生态系统的证据

研究亮点

曝气抑制了缺氧条件下旱地土壤中的水解酶活性。
小孔隙比例较低会加强对原位酶活性的抑制作用。
与森林土壤相比，曝气对农田土壤酶活性的抑制作用更强。

研究摘要

土地利用变化和农业实践时长会导致土壤物理结构和孔隙率发生改变。这些变化反过来可能会阻碍土壤通气、限制气体交换，进而在旱地土壤中造成缺氧环境的形成。这种通气状况的周期性波动会调控微生物胞外水解酶的活性。早期研究表明，在已形成的缺氧生态系统（如稻田）中，短期曝气（即接触氧气）会明显抑制关键水解酶的活性。然而，在存在周期性缺氧情况的旱地土壤中是否也会出现这种抑制作用尚不明确。本研究通过在森林、草地和农田矿质土壤经过3 - 5天的缺氧预培养后，测量其在有氧和缺氧条件下水解β-葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶的动力学参数和原位活性，填补了这一关键空白。结果显示，与缺氧条件下的活性相比，短期（2小时）曝气使β-葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶的活性降低至多两倍。曝气对酶活性最大反应速率（Vmax）的抑制作用在农田土壤（降低1.6 - 2.4倍）中比在森林土壤（降低1.3 - 1.7倍）中更为显著。我们的研究结果表明，在水解酶催化的土壤有机质转化过程中，氧化还原条件的波动十分重要，尤其是在因土地利用和/或气候条件变化而导致洪水事件发生频率和/或严重程度增加的情况下。研究表明，抑制水解酶活性的机制在低地和旱地生态系统中均持续存在，但仍需进一步研究以阐明这一现象的生物地球化学基础。

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图1. 示意图，展示了将每个土壤芯分别切割成上、下两片，以分别用于β-葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶测定的操作流程（a）。每种土地利用类型的土壤针对每种酶设置三个土壤芯的实验设计方案（b）：在孵育的第4天、第5天和第6天等每个时间点，各取一个土壤芯用于酶谱分析和酶动力学测定；将所有土壤芯均等分成两份，分别用于缺氧和有氧条件下的酶谱分析。图b右上角展示了在缺氧（左侧）和有氧（右侧）条件下测定时，土壤芯表面酸性磷酸酶空间分布的酶谱图示例。酶谱图中出现的空腔（附着不佳处）显示为黑色区域。

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图2. 通过酶谱分析测定的森林、草地和农田土壤在有氧（黄色和阴影条）和缺氧（蓝色条）条件下β-葡萄糖苷酶（a）和酸性磷酸酶（b）的活性。酶谱图详见补充材料中的图S1。数据为平均值±标准误差（n = 3）。平均值是根据孵育过程中三个时间点（即第4天、第5天和第6天）的活性平均值计算得出的。

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图3. 森林、草地和农田土壤在有氧（红色空心符号）和缺氧（蓝色实心符号）条件下测定的β-葡萄糖苷酶（a）和酸性磷酸酶（b）的最大反应速率（Vmax）及对底物的亲和力（Km）。数据为平均值±标准误差（n = 3）。

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图4. 三种土地利用类型（即森林、草地和农田）中，有氧条件快速形成（即短期曝气）对原位水解酶活性（通过酶谱法测定，以红色实线表示）和对水解酶活性最大反应速率（Vmax，以红色虚线表示）影响的差异，以及随着土地利用类型从森林转变为草地再到农田，>10μm孔隙（蓝色实线）和<10μm孔隙（蓝色虚线）的体积分数以及土壤有机碳含量（SOC；黑色实线）的变化情况。

LK-1760 原位根际酶活性成像系统