豫東黃河故道濕地土壤養分與酶活性特征

2014-09-22 10:32:08朱新玉胡云川

湖北農業科學 2014年10期

朱新玉+胡云川

摘要：以豫東黃河故道濕地為研究對象，通過野外采樣和室內分析相結合的方法，研究該區不同土地利用方式（鹽堿灘地、濕草地、沼澤濕地、林地濕地）對土壤有機質、土壤養分、土壤微生物生物量和土壤酶活性（脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶）的影響。結果表明，不同土地利用方式對土壤有機質、土壤養分和土壤酶活性的影響顯著或極顯著，土壤有機質、土壤酶活性和大部分土壤養分指標含量均為林地濕地最高，濕草地和沼澤濕地居中，鹽堿灘地最低。土壤酶活性與土壤有機質和土壤微生物生物量碳、氮間呈顯著或極顯著正相關，不同土壤酶活性間也存在顯著或極顯著相關。土壤酶活性高低與土壤養分變化順序基本一致，說明土壤酶活性可以反映土壤肥力的高低，可以用土壤酶活性來指示黃河故道濕地土壤肥力的變化。

關鍵詞：黃河故道濕地；土地利用方式；土壤養分；酶活性

中圖分類號：S154.2；S158.3 文獻標識碼：A文章編號：0439-8114（2014）10-2268-05

Characteristics of Soil Nutrient and Enzyme Activities of the Wetland in Old Yellow River of Eastern Henan

ZHU Xin-yua， HU Yun-chuanb

（a.College of Environment and Planning； b.College of Life Science， Shangqiu Normal University， Shangqiu 476000，Henan， China）

Abstract： Using field sampling and indoor analysis， the effects of different wetland use patterns （saline-alkali wasteland， humid grasslands， marsh wetland， forest wetland） on soil nutrient （soil organic matter， nitrogen， phosphorus， potassium， soil microbial mass） and soil enzyme activities （soil urease， soil catalase， soil invertase， soil alkaline phosphatase） in old Yellow River wetland of eastern Henan were studied. The results showed that soil nutrient and soil enzyme activities had significant difference among different wetland use patterns. Soil nutrient and soil enzyme activities were the highest in the forest wetland， humid grassland and marsh wetland took the second place and saline-alkali wasteland was the lowest. Soil enzyme activities were significantly correlated with soil organic matter， soil microbial mass and soil nutrient， and between soil enzyme activities themselves. Soil enzyme activities varied in the same order as that of soil nutrient. It is indicated that soil enzyme activities could reflect the level of wetland soil fertility， and could be used as an index indicating the soil fertility quality of wetland in old Yellow River.

Key words： old Yellow River wetland； land use patterns； soil nutrition； enzyme activities

基金項目：教育部人文社會科學研究青年基金項目（13YJCZH283）；河南省科技廳科技攻關項目（132102310357）；商丘師范學院青年科研基金項目（2011QN21）

濕地是陸地生態系統的重要組成部分，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，使濕地退化研究及濕地土壤養分和肥力狀況成為各國學者關注的熱點[3-6]。

濕地土壤退化是個復雜的過程，濕地生態功能是通過物質循環和能量流動來實現的，尤其是養分循環過程，是其生態功能得以實現的重要基礎[7]。不同類型的濕地因水文和地上植被的不同，輸入土壤的凋落物和根系分泌物不同，因而形成的土壤有機碳庫、土壤微生物生物量和土壤養分狀況會存在差別。土壤酶參與土壤中各種生物化學過程，是土壤生物過程的主要調節者[8]。濕地土壤酶的存在狀態與活性被認為是濕地生態系統中有機物質分解與轉化的關鍵，控制著濕地生態系統物質循環和能量的流動[8]。對于土壤酶活性與土壤養分相關性研究大部分集中在農田生態系統[9，10]、林地生態系統[11，12]、丘陵及草地生態系統[4，13，14]，而對我國暖溫帶黃河濕地生態系統土壤酶活性與土壤養分的相關性研究較少[7]；特別是對黃河故道不同類型的濕地土壤酶活性與土壤養分含量的關系研究鮮見報道，因此無法全面開展對黃河故道濕地生態功能的維持及退化防治。鑒于此，以豫東黃河故道濕地為研究對象，調查不同類型濕地土壤酶活性、土壤有機質、土壤微生物生物量和土壤養分的分布特征，進一步探討土壤酶活性與土壤有機質、微生物生物量和養分的相關關系，旨在為黃河故道濕地退化防治、恢復重建和濕地土壤質量的評價提供科學依據。

1研究地點與研究方法

1.1研究區自然概況

豫東黃河故道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，南北以黃河故堤為界（圖1）。故道面積約1 520 km2，為明清時期古黃河水道遺留下的一段洼地，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。故道濕地屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均氣溫為14.1 ℃，極端最高溫為43.6 ℃，極端最低溫為-23.4 ℃，年無霜期約210 d，年降水量686.5～872.9 mm。研究區屬洪澤湖水系，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沙壤土。植被類型以草本植物為主，喬木主要有山楊（Populus davidiana）、垂柳（Salix babylonica）、洋槐（Robinia pseudoacacia）、泡桐（Paulownia）等，灌木主要以野生檉柳（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種樣地類型；每個樣點選取3個剖面，分0～20 cm和20～60 cm兩層取樣，3次重復。將采集的土樣揀出所有可見碎石、植物殘體和根系后采用四分法混勻裝袋，用冰盒運輸并保存于4 ℃冰箱中待用。

1.2.2測定項目與方法土壤有機質（SOM）含量用重鉻酸鉀氧化-比色法測定；土壤全氮（TN）含量采用凱氏定氮法測定；土壤全磷（TP）含量采用高氯酸消化-鉬銻抗比色法測定；土壤速效磷（AP）含量采用雙酸浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀（AK）含量采用乙酸銨浸提-原子吸收法測定，以上項目的測定參照劉光崧[15]的方法。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[16]；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[16]；土壤脲酶（SUR）活性采用靛酚藍比色法測定，以24 h后1 g土壤中NH3-N的量表示酶活性[mg/（g·d）]；土壤堿性磷酸酶（SAP）活性采用氯代二溴對苯醌亞胺比色法測定，以24 h后1 g土壤中釋放出的酚的量表示酶活性[mg/（g·d）]；土壤過氧化氫酶（SC）活性采用高錳酸鉀滴定法測定，以24 h內土壤消耗0.1 mol/L KMnO4的量表示酶活性[mL/（g·d）]；土壤蔗糖酶（SI）活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，以 24 h后1 g土壤中所含葡萄糖的量表示酶活性[mg/（g·d）]，以上土壤酶活性的測定方法均參照關松蔭[17]的方法。

1.2.3數據處理數據采用Excel 2003 和SPSS 16.0軟件進行統計分析，Origin 8.0 軟件作圖；利用ANOVA進行方差分析，利用LSD法進行多重比較。

2結果與分析

2.1不同濕地類型的土壤有機質、養分含量和微生物生物量特征

由表1可以看出，不同樣地SOM含量差異極顯著（F=42.43，P<0.01），各樣地SOM含量由大到小依次為FW、HG、MW、SAW，FW的SOM含量最高，為7.87 g/kg，HG和MW的SOM含量相近，差異不顯著；SAW的SOM含量最低，為2.40 g/kg，極顯著低于HG、MW和FW，SOM含量僅為MW和FW的35.9%和30.5%。土壤TN、TP、TK、AP和AK含量的變化規律與SOM較為一致，均表現出FW最高，SAW最低，且兩者間差異顯著或極顯著。SOM與TN、TP、TK、AP和AK的相關系數分別為0.83、0.90、0.83、0.97和0.96，顯著相關，說明SOM含量與土壤大部分養分含量密切相關。MBC和MBN含量呈現出與SOM含量一致的變化規律，均為FW>HG>MW>SAW，且各樣地間差異達顯著或極顯著水平。SOM與MBC和MBN的相關系數分別為0.998和0.999，呈極顯著相關，說明SOM含量與MBC和MBN含量關系極為密切。

2.2不同濕地類型的土壤酶活性特征

統計分析表明，4種不同土地利用方式的SUR、SI、SC和SAP活性差異顯著或極顯著（圖2），且4種酶活性的變化規律均表現為FW>HG>MW>SAW，FW各種酶活性均為最高，且顯著或極顯著高于其他3種類型樣地。

2.3土壤有機質、養分含量及微生物生物量與土壤酶活性的相關分析

由表2可知，SOM與4種土壤酶活性均呈顯著或極顯著正相關，TN與SUR、SC和SI活性呈顯著正相關，TP與SUR和SAP活性呈極顯著正相關。MBC與4種土壤酶活性均呈極顯著正相關，MBN與4種土壤酶活性均呈顯著或極顯著正相關。AP與SUR、SAP活性顯著相關，AK與SUR顯著相關，TK與4種土壤酶活性的相關性均不顯著。

土壤酶主要來源于土壤動植物和微生物，且與土壤有機質密切相關[5]。相關研究指出脲酶活性變化與土壤含氮量及土壤養分含量相關[18]。土壤磷酸酶活性的高低與土壤中磷的含量關系密切，對土壤中有機磷的分解與轉化影響較大[19]。蔗糖酶可以表征土壤肥力質量及土壤熟化程度，對土壤中易溶性的養分物質起著重要作用[20]。本試驗中，土壤酶活性與土壤有機質、土壤微生物生物量及土壤養分含量相關性較高，因此，可以用土壤酶活性來指示土壤肥力的高低。

2.4土壤酶活性之間的相關性

由表3可知，不同土地利用方式的土壤酶活性間關系密切，其中，SUR活性與SC、SI、SAP活性之間呈顯著或極顯著正相關；SC活性與SI活性呈顯著正相關，與SAP活性相關性不顯著；SI活性與SAP活性呈極顯著正相關。黃河故道濕地4種土壤酶活性之間存在不同程度的相關性，說明土壤酶在促進土壤有機質分解與轉化及在土壤物質循環和能量流動中存在共性關系。

3結論與討論

黃河故道濕地不同類型濕地土壤有機質、土壤微生物生物量及養分含量差異顯著。鹽堿灘地土壤有機質和養分含量均較低，林地濕地最高，濕草地和沼澤濕地居中。這與地上植被類型、有機物質的含量及根系量有關，土壤有機質含量主要決定于地上有機物質的輸入量[12]。本研究中林地濕地人為干擾較低，地上植被及龐大的根系量可改良土壤狀況，良好的水熱條件為地上植被提供了優良的生存環境，導致有機物質的輸入量較大；同時，濕地的特殊環境也為有機質的積累提供了良好的條件，使其土壤有機質、土壤微生物生物量及土壤養分含量較高；同時也說明林地濕地在土壤養分積累、分解和轉化方面較其他3種濕地類型的土壤有一定的優勢。鹽堿灘地土壤有機質、土壤微生物生物量和土壤養分含量均較低，這與其長期沒有預防治理措施導致的惡劣土壤條件有關；鹽堿灘地距離原黃河河道最近，地上植被稀疏，有機物質積累較少，且鹽堿化導致的土壤堿性較大，不利于土壤有機質及養分的積累，導致土壤肥力質量退化[21]。

土壤酶活性是土壤功能比較重要的指標，與土壤有機質、土壤微生物生物量和部分土壤養分含量指標間呈顯著或極顯著正相關，且不同酶活性間也存在顯著或極顯著正相關，表明土壤酶活性可以反映土壤肥力的高低。土壤酶與土壤微生物和土壤動物代謝產物及植物根系分泌物密切相關，根系分泌物與土壤中微生物和動物含量增加，導致酶活性的增加[7，19]；同時，由于林地濕地土壤有機質含量較高，有充分的營養源維持土壤生物的生存，使土壤生物代謝旺盛，呼吸強度加大，從而使林地濕地各種酶活性較高。郭繼勛等[22]研究表明，酶活性隨著土壤微生物生物量的增加而不斷增強，二者變化基本保持同步。相關研究指出，濕地土壤有機質和土壤理化性質與土壤酶活性之間關系密切[23-26]。本研究中，林地濕地酶活性均較高，且土壤有機質和土壤微生物生物量碳、氮含量比其他3個樣地高，這也是林地濕地土壤酶活性較高的另外一個原因。濕草地和沼澤濕地地上有機物質含量不及林地濕地，且與土壤酶活性關系密切的土壤有機質和土壤微生物生物量碳、氮的含量均低于林地濕地，較低的土壤有機質限制了土壤酶的活性[25]。Kang等[8]和Omidi等[5]的研究表明，積水改變了土壤生物群落結構組成，在缺氧條件下，耗氧土壤動物和微生物對土壤有機質的分解速度受到影響，進而影響土壤酶的釋放。張文菊等[27]研究證明，含水量高抑制土壤有機碳的礦化，抑制土壤酶的分解作用。由于這些因素的共同作用，導致濕草地和沼澤濕地土壤酶活性低于林地濕地。

土壤脲酶、土壤磷酸酶、土壤過氧化氫酶和土壤蔗糖酶4種酶活性與土壤微生物生物量碳、氮間呈顯著或極顯著正相關，可能與土壤微生物多樣性有關，而土壤微生物多樣性又與地上植被類型和多樣性有關。因此，深入探討黃河故道濕地土壤微生物群落特征、土壤動物群落特征、植物群落特征及演替規律及其與土壤理化和生物學性質的關系是今后研究的重點。

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