豫東黃河故道濕地土壤生物學性狀及土壤質量評價

朱新玉，胡云川，蘆 杰

（1.商丘師范學院 環境與規劃學院，河南 商丘 476000；2.商丘師范學院 生命科學學院，河南 商丘 476000）

濕地生態系統是介于水、陸生態系統之間的一類生態單元，具有水域和陸地生態系統的特點，是地球最富有生產力的生態系統之一［1－2］。近年來，由于人類對濕地資源的不合理利用造成濕地生態系統功能退化，使濕地土壤生物性狀及土壤生物質量狀況成為當前濕地研究的熱點之一［3］。土壤生物在土壤形成發育及地上植被生長方面起著主導作用，在指示土壤環境變化時反映敏感［4］。相關研究指出，土壤生物學性質可作為早期預警指標指示土壤生產力和土壤質量的變化情況［5］。土壤生物學指標在土壤質量變化評價、生態系統恢復及管理方式等方面具有潛在優勢［6］。以往對土壤生物學性質的研究涉及到土壤生物部分，大部分是對土壤微生物的研究［7－8］，較少涉及到土壤動物［6］；而土壤動物作為一類群體，以其復雜的功能群，通過對營養物質的轉化、儲存和釋放等方式影響著土壤質量［9－10］。Fu等［11］和 Bernard等［12］研究表明土壤動物與土壤質量之間關系密切，且土壤動物被認為土壤生態系統變化的早期預警及敏感指標。

在土壤生物學指標中，土壤酶活性參與了土壤的發生、發育以及土壤肥力的形成和演化全過程，反映了土壤中一切生物化學過程的方向和強度，是評價土壤質量的重要生物學指標［13－14］。濕地土壤酶的活性和存在的狀態被普遍認為是濕地生態系統中有機物質分解轉化過程的關鍵，控制著濕地生態系統的物質循環［15］。研究指出土壤酶活性與土壤養分之間具有較好的線性關系，可作為敏感的生物學指標評價土壤質量［16］。劉云鵬等［13］研究指出，土壤酶活性反映出土壤肥力水平的高低，可作為評價濕地土壤肥力質量的生物學指標。

上述研究表明，土壤生物學性質與土壤質量的關系密切，涉及到濕地土壤生物學性狀及利用土壤生物學指標，并結合土壤動物群落多樣性指標來評價濕地土壤質量方面的研究尚不多見。豫東黃河故道濕地位于黃河下游沖積扇的脊軸，經過長期的自然變遷，形成大面積的濕地，成為野生動物的覓食、停歇和越冬地，已受到學者們的關注［17］，但其基本生物學性狀和濕地土壤質量尚不清楚。鑒于此，本文以豫東黃河故道濕地為研究對象，探討濕地土壤生物學性質和土壤動物群落多樣性變化規律；利用統計方法，在土壤生物性質的基礎上，結合土壤動物群落多樣性指標，從另一個角度闡述黃河故道濕地土壤質量狀況，以期為黃河故道濕地恢復提供土壤動物學方面的基礎資料及為濕地土壤質量生物評價指標的選取提供科學依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

研究地位于河南省與山東省接壤區，西起民權縣睢州壩，東至虞城縣小喬集，北鄰豫魯省界，南北以黃河故堤為界。全長134.6km，面積約1520 km2，為明清時期古黃河水道遺留下地一段洼地；地理位置位于115°47′—116°17′E，34°50′—34°33′N，整體走向為西北—東南走向，呈帶狀分布。

黃河故道濕地屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均氣溫13.9～14.3℃，最高均氣溫27.0～27.5℃，極端最高溫43.6℃；最低均氣溫－0.6～1.0℃，極端最低溫－23.4℃；無霜期約210d，年降水量686.5～872.9mm。調查區屬洪澤湖水系，由山東省單縣大姜莊南入安徽省碭山經徐州后入淮河。歷代由于黃河的多次泛濫和改道，及地下水位不斷上升，發育了眾多濕地。主要類型為鹽堿灘地、沼澤濕地、濕草地、水洼地和林地濕地；濕地土壤多為古黃河沖積沙土或砂壤土。植被類型以草本植物為主，喬木主要有山楊（Populus davidiana）、柳樹（Salix babylonica）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、泡桐（Paulownia）等，灌木主要以野生怪柳（Tamarix chinensis）林為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與樣品采集 樣地選擇是在野外植物調查的基礎上，依據主要植物群落空間分布特征，利用相關地形林相圖及遙感資料，在研究區內設置了鹽堿 灘 地 （saline－alkali wasteland，SAW）、濕 草 地（humid grasslands，HG）、沼澤濕地（marsh wetland，MW）和林地濕地（forest wetland，FW）4種地類型；于2012年采集土壤樣品，每個樣點選取3個剖面，分0—20cm和20—60cm兩層取樣，每個樣地設3次重復。將采集的土樣揀出所有可見碎石、植物殘體和根系后，將所有樣品用四分法混勻裝袋，用冰盒運輸并保存于4℃冰箱中待用。

土壤動物取樣面積為50cm×50cm，分3層采樣，即0—5cm，5—10cm，10—15cm。土壤動物分別采用手揀法、改良的干濕漏斗法分離提取，依據《中國土壤動物檢索圖鑒》［18］、《幼蟲分類學》［19］進行顯微鏡下分析鑒定，同時記錄個體數量，最后將4種濕地類型的土壤動物進行綜合，得到豫東黃河故道濕地土壤動物的區系分布特征。

1.2.2 測定項目與方法 土壤有機質（SOM）用重鉻酸鉀氧化—比色法測定［20］；土壤微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸K2SO4浸提—TOC儀測定法測定［21］；土壤微生物生物量氮（MBN）采用氯仿熏蒸浸提—堿性過硫酸鉀氧化比色法測定［21］；土壤呼吸（SR）采用室內密閉靜態堿液吸收法測定，以單位時間土壤呼出的CO2計［22］；土壤脲酶活性（SUR）采用靛酚藍比色法測定，以24h后1g土壤中NH3－N的毫克數表示；土壤堿性磷酸酶活性（SAP）采用氯代二溴對苯醌亞胺比色法測定，以24h后1g土壤中釋放出的酚的毫克數表示；土壤過氧化氫酶活性（SC）采用高錳酸鉀滴定法測定，以單位時間內土壤消耗的0.1mol／L高錳酸鉀計；土壤蔗糖酶活性（SI）采用3，5—二硝基水楊酸比色法測定，以24h后1g土壤中葡萄糖的毫克數表示；以上酶活性的測定方法參照關松蔭的方法［23］。

1.2.3 數據處理

式中:S——所有的物種數；Pi——第i個物種的多度比例。

式中:S——所有的物種數；H′——多樣性指數。（3）Simpson優勢度指數（C）［24］:

式中:S——所有的物種數，ni——第i種的個體總數；N——所有物種的個體總數。

（4）密度—類群指數（DG）［24］:

式中:Di——第i類群的密度；Dimax——各群落中第i類群的最大密度；Ci／C——群落中第i個類群出現的比率；g——群落中類群數；G——各群落所包含的總類群數，每個類群在各群落中的最大相對密度為1。（5）標準差標準化法［25］:

式中:S——樣本的標準差；Xi——總體X 的樣本；n——樣本的個數。

試驗數據采用Excel 2003和SPSS 16.0軟件進行整理，Origin 8.0作圖；ANOVA進行方差分析，多重比較利用Least Significant Difference（LSD）法，文中小寫字母相同代表差異不顯著（p＞0.05），字母不同代表差異顯著（p＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 黃河故道濕地土壤生物學性狀特征

由表1可知，不同樣地土壤有機質（SOM）含量差異極顯著（F＝42.430，p＜0.01），排列順序為林地濕地（FW）＞濕草地（HG）＞沼澤濕地（MW）＞鹽堿灘地（SAW）。FW的土壤有機質含量最高（7.87 g／kg），HG和 MW 的SOM 含量相近，無顯著差異（p＞0.05）；SAW 的SOM 含量最低，為2.40g／kg，極顯著低于HG、MW 和FW（p＜0.01），SOM 含量僅為MW和FW的2.78%和3.28%。土壤微生物碳（MBC）和土壤微生物氮（MBN）含量呈現出與SOM含量一致的規律，均為FW＞HG＞MW＞SAW，且差異顯著（p＜0.05）。SOM 與 MBC 和MBN的相關系數分別為0.998和0.999（p＜0.01），說明SOM含量與MBC和MBN含量關系極為密切。土壤基礎呼吸（SR）在0.11～0.24mg／（g·d）之間變化，FW 的SR最高，其次為 HW 和SAW，MW的SR最低；SR兩兩之間多重比較，均表現為顯著差異（p＜0.05）。

表1 黃河故道濕地土壤生物學指標

方差分析結果顯示，各樣地土壤脲酶（SUR）、蔗糖酶活性（SI）、過氧化氫酶活性（SC）和堿性磷酸酶活性（SAP）平均值差異顯著（p＜0.05）。SUR、SI、AC和SAP的活性變化規律一致，為FW＞HG＞MW＞SAW，各種酶活性均表現為FW最高，顯著高于其它三種類型樣地（p＜0.05）。多重比較表明，4種酶活性除在HG和MW中無顯著差異（p＞0.05），在其余樣地中兩兩之間均表現出顯著差異（p＜0.05）。

土壤動物群落組成和多樣性見表2，由表2可以看出，豫東黃河故道濕地共采集土壤動物7220 只，隸屬5門8綱23目36類群；土壤動物群落總個體數（TI）和總類群數（TN）在FW中最高，其次是HG和MW，SAW最低。土壤動物群落多樣性分析表明，群落多樣性指數H′、群落DG指數和均勻度指數E呈現較為一致的規律性，均為 MW 最高（3.50，9.13，1.47），多樣性指數H′和群落DG指數顯著高于FW的土壤動物群落多樣性（p＜0.05），均勻度指數E之間差異性不顯著（p＞0.05）。群落優勢度指數C與多樣性指數呈現相反的規律性，差異性不顯著（p＞0.05）。

表2 黃河故道濕地土壤動物群落多樣性

2.2 土壤生物學性狀的主成分分析

利用主成分分析（PCA）可減少變量的個數，用較少的因子來解釋多種因素之間的關系，從而找出代表黃河故道濕地土壤質量特征的生物學指標。本文選擇上述土壤生物學指標（SOM，MBC，MBN，SR，SUR，SI，SC，SAP）和土壤動物群落指標（TI、TN、多樣性指數H′、群落DG指數、優勢度C和均勻度E）共14個指標為自變量（x1－x14）進行主成分分析，首先對所測的土壤各指標進行標準化處理（見公式5），然后進行主成分分析，結果見表3。前兩個主成分的特征值大于1，方差貢獻率分別為63.857%和34.794%，累計方差貢獻率高達98.651%，具體見表3和下面的函數表達式:

表3 土壤生物學指標主成分載荷矩陣

通過各主成分的構成，可知SOM、MBC、MBN、SR、SUR、SI、SC、SAP在第1主成分上具有較高載荷，主要反映了土壤肥力和土壤酶活性；TI、TN、C、E在第2主成分上具有較高的載荷，可以理解為第2主成分主要反映了土壤動物群落指標。第1主成分值越大，則土壤肥力水平、有機化合物、動植物殘體的分解與轉化效率越高；第2主成分值越大，則表明土壤動物群落多樣性越高。

將各土壤生物學指標標準化后的數據分別帶入上述兩個主成分函數表達式中，得到4種樣地土壤在兩個主成分上的得分情況，見圖1。結果表明，在以P1所代表的土壤質量水平上，各樣地土壤質量水平依次為FW＞HG＞MW＞SAW；在以P2所代表的土壤質量水平上，各樣地土壤質量水平依次為MW＞HG＞FW＞SAW。土壤質量分異程度在P1上稍高于在P2上的分異程度，這可能與P1對土壤質量水平的方差貢獻率較大有關。

圖1 各樣地土壤在主成分1（P1）和主成分2（P2）的得分分布

通過計算各樣地在第一和第二主成分的得分F1、F2，結合各主成分的方差貢獻率，計算綜合主成分得分:∑F＝0.639F1＋0.348F2，結果見圖2。主成分得分高低可以反映土壤的生物學活性及對養分釋放和利用的潛力，可以作為評價土壤質量生物學指標的依據。綜合得分越高表明土壤的生物學活性越強，對土壤養分的積累、釋放和轉移等方面的潛力越大，土壤質量越好。由圖2可以看出，FW綜合得分最高，為2.304；其次為HG和MW，綜合得分分別為0.631和0.394；SAW 土壤質量最低，為－3.329。

圖2 各樣地土壤在主成分1（P1）和主成分2（P2）的綜合得分

2.3 評價指標選取

在統計分析的基礎上，對土壤質量因子進行比較，依據敏感性、簡潔性、代表性和獨立性原則，經過歸類，篩選得到SOM、MBC、SR、SUR、SI、SC、SAP、TI、TN、C和E共11個指標（表4），用以表征和評價濕地土壤質量。

表4 黃河故道濕地土壤質量生物學指標篩選歸納

3 結論與討論

（1）通過對黃河故道濕地土壤生物學性質的分析，不同濕地類型土壤生物學特性差異顯著（p＜0.05）。林地濕地土壤有機質、土壤微生物生物量和土壤基礎呼吸均較高，并與其它濕地類型差異顯著。這可能與植被根系生物量、凋落物生物量有關，有機質含量的變化決定于地上有機物質的輸入量大小［13］，林地和草地植物殘體生物量較大，為土壤提供了較多的有機質。此外，林地濕地和濕草地人為干擾較小，良好的水熱條件和通氣狀況為地上植被提供了優質的土壤環境，有機物質的輸入量較大，使土壤有機質、微生物生物量及基礎呼吸較高；同時也說明林地濕地土壤在生物量、土壤養分積累等方面較其它類型濕地土壤有一定的優勢。鹽堿灘地土壤有機質、土壤微生物生物量和土壤基礎呼吸均為最低，這可能與其堿度過大及不良的土壤物理性狀有關［7，26］。鹽堿灘地距離黃河故道較近，由于沒有防治措施，地表植被稀疏，植被根系、凋落物等有機物稀少，不利于有機質及養分的累積，土壤生物學性狀較差；說明土壤生物學指標在指示土壤質量受到環境脅迫時有一定的潛力。

（2）土壤酶主要來自于土壤微生物、土壤動物和植物。土壤酶活性與土壤有機質的含量密切相關［15］，在土壤物質循環轉化過程中起著重要作用；本文中土壤各種酶活性變化趨勢均為林地濕地最高，濕草地和沼澤濕地其次，鹽堿灘地最低。這主要是由于林地土壤表層有機物質多，有充分的營養物質供土壤動物和微生物的生長；同時，林地土壤表層通氣狀況和水熱條件較其它樣地好，土壤動物和微生物生長代謝旺盛，加之呼吸強度較高（表1），使其土壤酶活性較高。濕草地和沼澤濕地土壤表層有機物質較少，土壤有機質含量較林地濕地低限制了土壤生物代謝產酶的能力。此外，積水改變了土壤動物和微生物群落，影響了土壤酶的釋放［27］；在缺氧的條件下，需氧微生物和土壤動物對土壤有機質的分解速率降低，導致土壤酶活性不高［16］。張文菊等［28］研究表明，濕地有機碳降解和礦化速度與土壤含水量的高低密切相關，含水量高會抑制土壤有機碳的礦化，進而抑制土壤酶的分解作用。由于這些因素的作用，土壤酶活性在濕草地和沼澤濕地較林地低。本研究中，鹽堿灘地受到高濃度的鹽堿脅迫，致使其土壤酶活性最低。

（3）土壤有機質、土壤微生物量、土壤酶活性、土壤動物群落多樣性指標可以作為黃河故道濕地土壤質量的特征指標。土壤有機質含量的高低指示了土壤肥力狀況；土壤微生物量的高低可以反映出土壤中微生物的數量，且微生物量指示了在土壤中周轉速度較快的微生物活體中養分的含量［29］。土壤酶活性可反映土壤有機質的礦化、降解和積累［30］，在一定程度上可以指示土壤肥力質量的高低。土壤動物是關系到土壤肥力提升的重要生物源［31］，以其復雜的功能群，通過對營養物質的轉化、儲存和釋放等方式影響土壤有機碳動態平衡［10］，對土壤有機質的影響較大，被認為土壤生態系統變化的早期預警及敏感指標，指示土壤肥力的變化［6，11］。上述這四類指標能夠反映故道濕地土壤生物總量及活性，同時在一定程度上又可反映土壤養分及肥力狀況，初步認為這四類指標可作為黃河故道濕地土壤生物學質量的特征指標。

（4）主成分的綜合得分反映土壤的生物活性及對養分利用的潛力，可以作為評價土壤質量的依據。通過計算，黃河故道濕地土壤質量高低依次為林地濕地、濕草地、沼澤濕地和鹽堿灘地。林地濕地土壤質量綜合得分最高，這與該地土壤有機質含量、土壤微生物量碳氮、土壤酶活性指標和土壤動物群落指標等的結果具有一致的規律性。由此可知，主成分這一統計分析結果可以反映土壤生物學特性的變異情況。

綜上，黃河故道濕地土壤有機質含量、土壤微生物量碳氮含量、土壤基礎呼吸、土壤酶活性和土壤動物群落多樣性指標等差異顯著，其變化規律為:林地濕地＞濕草地＞沼澤濕地＞鹽堿灘地；說明不同濕地類型顯著影響著土壤肥力和土壤生物學性狀。土壤有機質、土壤微生物量、土壤酶活性和土壤動物群落多樣性四類指標可作為黃河故道濕地土壤質量的特征指標，在一定程度上可反映土壤質量的變化情況，可以用來評價故道濕地土壤質量。

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