土壤理化性質和微生物活性對水田改果園的動態響應

楊東偉, 章明奎, 劉千千, 張鵬啟, 李 雪, 董 靜, 黃 笑

(1.浙江大學 環境與資源學院, 浙江 杭州 310058;2.河南師范大學 旅游學院, 河南 新鄉 453007; 3.廣西大學 商學院, 廣西 南寧 530004)

土地利用方式的改變是全球環境變化的主要原因之一，并對生態系統服務造成重要影響[1]。水稻田是承載著中華文明的人工濕地生態系統，在維持我國糧食安全和環境健康方面具有積極意義和重要的生態服務價值。近30 a來，隨著我國農業產業結構調整，一些地區大面積水田改種果樹、苗木等經濟林木。水田改果園后，土地耕作制度改變，土壤水分狀況和通氣性發生明顯變化，從而引起土壤環境因子和土壤微生物性質的變化。土壤微生物作為生命元素循環的驅動者，是陸地生態系統中最活躍的成分，被稱為地球關鍵元素循環過程的引擎[2]，在土壤有機質分解和生態系統養分循環過程中發揮著關鍵作用，影響植被的發育和演替[3]，進而影響景觀和生態系統的變化[4-5]。土壤微生物對其生存環境的質量狀況具有重要的指示作用，能夠快速對土壤系統過程中的環境改變做出反應，是土壤生態系統變化的預警及敏感指標[2,6]。以往一些學者對水田改旱作后土壤基本理化性質的演變進行了研究，表明水田改旱作后土壤pH值、有機質、微生物生物量下降[7-11]，而有關水田改為果園后土壤理化性質及微生物活性的動態響應規律，以及土壤環境因子之間關聯性研究還比較缺乏。本文以浙江省水網平原為研究區，采用時空互代法，建立后切型時間序列，探討土壤微生物特性及環境因子對水田改果園的動態響應規律，以期為進一步研究土地利用變化對土壤生態環境的影響，預測水田改果園后土壤質量的長期變化趨勢提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

研究區域位于浙江省寧波市余姚市黃家埠鎮上塘村，地理坐標位于30°7′13″—30°7′25″N和120°56′25″—120°56′40″E之間，屬于中北亞熱帶季風氣候過渡帶，平均氣溫為15.0～18.1 ℃，多年平均降水量在1 060～2 000 mm之間，雨日150～190 d，成土母質為淺海沉積物，采樣點海拔在3～4 m之間[12]。

1.2 土樣采集

根據野外土地利用現狀和分布數量，確定不同類型土壤樣本的采集數量；共采集18個耕層土壤樣本(0—12 cm)，對應18個田地，其中水田樣本3個，果園土壤樣本15個(種植果樹年限詳見表3)，采集的果園土壤在植樹之前均為水田。依據第二次土壤普查資料，目前種植水稻的土壤在發生分類中屬于潴育型水稻土亞類，粉泥田土屬，粉泥田土種[12]。水田與果園位置相鄰，果園土壤目前種植梨樹(梨樹種植年限在4～20 a之間)，供試土壤黏粒含量在219.63～241.31 mg/kg之間。每個樣地設置5個重復進行觀察與取樣，采用多點混合取樣法采集土壤樣品。采集的土樣分為兩部分：一部分帶回實驗室風干處理，分別過2，0.25和0.15 mm土篩，用于土壤理化指標和土壤酶活性測定；另一份置于冰盒中帶回實驗室，放入4 ℃冰箱，一周內完成土壤微生物生物量和土壤含水率等的測定。土地利用方式及土壤施肥量等信息詳見表1。

表1 水田和果園土壤施肥量

1.3 測定項目與方法

土壤含水率、pH值、>0.25 mm水穩性團聚體、鹽基飽和度、土壤顆粒組成、有機質、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀等基本理化性質采用土壤標準測定方法進行，具體測定步驟見參考文獻[13]。土壤微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法，土壤脲酶活性測定采用苯酚鈉比色法，土壤酸性磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉比色法，土壤過氧化氫酶活性測定采用滴定法[14]。

1.4 數據分析與計算方法

采用Excel和Origin 8.0制圖，SPSS 10.0進行相關性分析。

土壤微生物熵=1.724×土壤微生物生物量碳/土壤有機質

2 結果與分析

2.1 水田改果園對土壤物理性質的影響

水田改果園后土壤含水率明顯下降，并與植樹年限呈極顯著(p<0.01)負相關(圖1)。

水田改果園后土壤>0.25 mm水穩性團聚體明顯下降，水田土壤中土壤>0.25 mm水穩性團聚體平均含量為68.3%，改果園后下降到52.8%，降幅達到22.7%，并與植樹年限呈極顯著(p<0.01)負相關(圖1)。

注：*表示顯著相關(p<0.05)；**表示極顯著相關(p<0.01)。下同。

2.2 水田改果園對土壤基本化學性質的影響

水田改果園后，土壤明顯酸化，水田土壤pH平均值為5.51，改果園后pH值平均值下降到4.45，并與植樹年限呈極顯著(p<0.01)負相關(圖2)。隨著植樹年限的延長土壤鹽基飽和度呈現出下降趨勢，并與植樹年限呈極顯著(p<0.01)負相關(圖2)。改果園后，隨著植樹時間的延長土壤有機質含量呈下降的趨勢，水田土壤中土壤有機質平均含量為34.2 g/kg，改果園后平均含量下降到20.8 g/kg，降幅達到39.1%，并與植樹年限呈極顯著(p<0.01)負相關(圖2)。

圖2 土壤pH值、鹽基飽和度和有機質隨時間的變化

2.3 水田改果園對土壤養分的影響

土壤養分對土地利用方式由水田改為果園響應較敏感，水田土壤中全氮和堿解氮等高于改果園土壤，磷素和鉀素含量低于果園土壤。水田土壤中全氮和堿解氮平均含量分別為2.38 g/kg，220.2 mg/kg，改果園后平均含量分別下降到1.08 g/kg和143.6 mg/kg，降幅分別為54.6%和34.8%，并與植樹年限呈極顯著(p<0.01)負相關(圖3)。水田土壤中全磷和有效磷平均含量分別為0.81 g/kg和42.7 mg/kg，改果園后分別增加到1.15 g/kg和326.6 mg/kg，分別增加了42.0%和6.65倍，并與植樹年限呈極顯著(p<0.01)正相關(圖4)。水田土壤中全鉀和有效鉀平均含量分別為16.0 g/kg和111.7 mg/kg，改果園后分別增加到19.5 g/kg和172.8 mg/kg，增幅分別為21.9%和54.7%，并與植樹年限呈極顯著(p<0.01)正相關(圖5)。

圖3 土壤全氮和堿解氮隨時間的變化

圖4 土壤全磷和有效磷隨時間的變化

圖5 土壤全鉀和有效鉀隨時間的變化

2.4 土壤理化指標主成分分析

為進一步了解土壤理化性質與土地利用方式及利用年限之間關系，對水田和果園土壤11個土壤理化指標進行了主成分分析(principal component analysis, PCA)。主成分PC1，PC2，PC3和PC4分別解釋了水田改果園后69.2%，10.5%，5.8%和4.1%的土壤理化性質的變異，累積貢獻率為89.6%。第1主成分與自然含水率、>0.25 mm 水穩定性團聚體、pH值、有機質、鹽基飽和度、全氮、堿解氮呈極顯著(p<0.01)正相關，與全磷、有效磷、全鉀和有效鉀呈極顯(p<0.01)著負相關(表2)。這與土壤環境因子與植樹年限的相關性一致，表明主成分1主要受土地利用年限的影響，土地利用年限是促使土壤環境變化的主要因素。研究表明，分布在A區域的3個土壤樣本均為水田土壤樣本，在這些土壤樣本中，自然含水率、>0.25 mm水穩性團聚體、pH值、鹽基飽和度、有機質、全氮、堿解氮等含量明顯高于其它土壤，而全磷、有效磷、全鉀、有效鉀等指標明顯低于其它土壤。分布在B區域的7個土壤樣本均為植樹年限不超過11 a的果園土壤樣本，其土壤理化指標的數值大小總體上介于A區域和C區域土壤樣本理化指標的數值之間。依據土壤理化性質主成分分析的結果(圖6)，改果園土壤可以分為短期果園土壤(S4—S10，≤11 a)和長期果園土壤(S11—S18，>11 a)兩個階段。區域A與B的距離，大于區域B與C的距離，表明土地利用方式對土壤理化性質的影響要大于利用年限的影響。

注：圖中數字表示樣品編號

2.5 水田改果園對土壤微生物生物量和微生物熵的影響

水田土壤微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)平均含量為1 026.33 g/kg，改果園后土壤MBC平均含量降低到262.51 mg/kg，降幅達到74.4%(圖7)，并與植樹年限呈極顯著負相關(p<0.01)。水田土壤微生物生物量氮(microbial biomass nitrogen, MBN)平均含量為104.94 mg/kg，改林地后土壤MBN平均含量降低到28.00 mg/kg，降幅達到73.3%，并且與植樹年限呈極顯著負相關(p<0.01)(圖7)。MBC主要取決于輸入有機物質的數量和性質，在一定條件下，有機質輸入越多，MBC就越高[15-16]。相關分析表明，改果園后，土壤微生物生物量碳氮與土壤自然含水率、>0.25 mm 水穩性團聚體、pH值、鹽基飽和度、有機質、全氮、堿解氮含量呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關(表4)，與土壤有效磷、全鉀和有效鉀呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)負相關(表4)。

表2 土壤理化性質與主成分的相關系數

土壤微生物熵(microbial biomass carbon/total organic carbon, MBC/TOC)的變化反映了土壤中輸入的有機質向微生物生物量碳的轉化效率[17]。土壤被過度使用時，土壤生物生物量碳庫會以較快速率下降，最終引起土壤有機質和微生物熵降低[18]。水田改果園后，土壤微生物熵隨著植樹年限的延長而下降，并與植樹年限呈極顯著負相關(p<0.01)(圖7)，表明水田改果園后土壤微生物生物量碳比土壤有機碳降低更加迅速，土壤出現過度使用的情況，也說明水田在積累有機碳的同時，有利于土壤微生物生物量的提高。

2.6 水田改果園對土壤酶活性的影響

水田土壤中脲酶活性平均值為0.20 mg/g(以24 h內土壤中的NH3-N計)，改林地后土壤脲酶活性平均值增加到0.28 mg/g(表3)，增幅為40.0%，并與改林地年限呈極顯著正相關，相關性系數為r=0.78**(n=18)。水田土壤酸性磷酸酶活性平均值為2.15 mg/g(以24 h 內土壤中的酚計)，改林地后土壤酸性磷酸酶活性平均值增加到3.05 mg/g(表3)，增幅為41.8%，與改林地年限呈極顯著正相關，相關性為r=0.82**(n=18)；并與土壤pH值呈極顯著(p<0.01)負相關，與土壤有效磷含量呈極顯著(p<0.01)正相關(表4)。水田土壤過氧化氫酶活性平均值為7.98 ml (以1 g干土1 h內分解的H2O2對應的0.01 mol/L KMnO4體積計)，改林地后平均值降低到2.45 ml(表3)，下降了69.3%，并與改林地年限呈極顯著負相關，相關性系數為r=-0.79**(n=18)。此外，土壤過氧化氫酶活性與土壤pH值以及有機質都呈極顯著(p<0.01)正相關(表4)。

表3 水田和果園土壤酶活性

注：脲酶活性以24 h 內土壤中的NH3-N(mg/g)計，酸性磷酸酶活性以24 h 內土壤中的酚(mg/g)計，過氧化氫酶活性以1 g干土1 h內分解的H2O2對應的0.01 mol/L KMnO4體積(ml)計,—表示“無”。

表4 土壤微生物指標與土壤理化性質相關系數

3 討 論

3.1 水田改果園后土壤理化指標的響應規律

3.2 水田改果園后土壤微生物特性的響應規律

土壤微生物生物量碳是土壤有機碳中活性較高的部分，它對環境因子變化非常敏感[21-22]。土壤微生物生物量氮是土壤有效氮活性庫的主要部分，其含量能夠反映土壤肥力狀況和土壤的供氮能力[23]。水田改果園后土壤微生物生物量顯著下降(p<0.01)，變化的主要原因是稻田土壤為微生物提供了相對充足的有機碳源、氮源和水分等主要營養物質，使得稻田土壤微生物的生長旺盛，土壤微生物生物量相對較高；另一方面，水田改果園后土壤酸化，抑制了土壤微生物活性，特別是占土壤微生物多數的細菌的活性，此外，土壤微生物生物量與大于0.25 mm的水穩定性團聚體呈顯著(p<0.05)正相關(表4)，表明水田中較多的水穩定性團聚體有利于土壤水分和土壤空氣的消長平衡，為微生物生長提供了良好的生境[24]。

脲酶是土壤酶系中唯一催化尿素水解的酶，其活性反映了土壤酰胺態氮的轉化能力和供應無機態氮的能力，通常情況下，它與土壤有機質和微生物數量有很大關系[23]。土壤pH值較高時土壤有機—無機膠體、土壤脲酶和尿素三者的結合體較穩定，從而使脲酶發生“鈍化”[25-26]。水田改果園后，土壤pH值下降，脲酶活性增強，表明土壤中全氮和堿解氮含量降低，與脲酶活性增強有一定關系。

磷酸酶是土壤酶系中唯一催化有機磷脂水解成可供植物吸收的無機磷酸的酶，其活性的高低直接影響著土壤中有機磷的分解轉化和生物有效性，對有機磷的礦化作用非常明顯[23]。水田改果園后，土壤酸性磷酸酶活性增強，并與土壤有效磷含量呈極顯著(p<0.01)正相關(表4)，這與改果園后土壤磷肥施用量增加，殘留在土壤中可供微生物利用的磷素(底物)增多，微生物受到底物刺激，分泌的磷酸酶增多有關；并與土壤有效磷含量增加、誘導作用增強，致使土壤磷酸酶活性增強等因素有關[27-28]。此外，土壤酸性磷酸酶的最適pH值為4.0～5.0[29]，改果園后土壤pH值逐漸降低也是酸性磷酸酶活性增強的重要原因。

過氧化氫酶主要來源于細菌、真菌以及植物根系分泌物，是參與土壤物質和能量轉化的一種重要的氧化還原酶，土壤過氧化氫酶能夠促進過氧化氫的分解有利于防止對生物體的毒害作用，其活性能反映土壤生物氧化過程的強弱，與有機質積累程度有關[14,23,30]。當pH值在5.0以下時過氧化氫酶的活性幾乎完全消失[31]。水田改果園后，土壤過氧化氫酶活性降低，并與土壤pH值和有機質含量呈極顯著(p<0.01)正相關(表4)，表明土壤pH值和有機質下降是土壤過氧化氫酶活性降低的重要原因。水田中還原性物質較果園多，水田大量的還原性物質被氧化過程中，需要大量電子受體，過氧化氫酶活性增強，促進過氧化氫快速分解，分解產物氧分子可以將土壤中的還原性物質氧化，因而水田中過氧化氫酶活性較強。

4 結 論

水田改果園后，土壤酸化，土壤結構變差，碳匯作用減弱，土壤綜合肥力下降。改果園后全氮和堿解氮下降，而全磷、有效磷、全鉀和有效鉀明顯增加，引起土壤養分失衡，并對土壤生態環境造成影響，增加了因養分流失而導致水體富營養化的風險。結果表明，水田改果園后土壤環境因子發生階段性變化，土地利用年限是促使土壤環境因子變化的主要因素，土地利用方式的影響要大于利用年限的影響。研究表明，水田改果園后土壤環境因子的改變對土壤微生物生物量及酶活性產生重要影響，土壤生態功能減弱，對土地的可持續利用產生不利影響。