模擬降雨變化對古爾班通古特沙漠土壤養分及酶活性的影響

張玉林, 陸永興,尹本豐,李永剛,周曉兵,* ,張元明

1 中國科學院新疆生態與地理研究所, 荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011 2 中國科學院大學, 北京 100049

隨著全球氣候的變暖,極端降雨事件已引起人們的廣泛關注[1—2]。其中,降雨格局的變化主要體現在降雨總量和分布的變化,如單次降雨量偏多及降雨間隔時間延長,春季降雨時間延遲等事件將會增加[3]。降雨格局的變化能夠改變植物群落的物種組成[4—5],影響土壤酸堿度、養分以及與之相關的酶活性等[6—7]。土壤酶在土壤生態過程中發揮重要作用,土壤中的各種生化反應幾乎都是在酶的催化作用下進行[8]。同時,土壤酶也是土壤中最活躍的部分,參與碳(C)、氮(N)、磷(P)等元素的循環,影響土壤養分轉化[9—10]。

研究表明,土壤含水量過高或過低都會抑制土壤酶活性[11—12]。不同土壤酶對降雨改變的響應也不相同,降雨間隔時間的縮短和降雨量的增加可顯著提高荒漠土壤酶活性,且土壤水解酶的活性顯著高于其他胞外酶活性[13]。研究模擬降雨對荒漠土壤酶的影響發現,降雨顯著地改變了土壤酶活性,除土壤淀粉酶和過氧化氫酶活性受水分影響不顯著外,其他土壤酶活性均隨著水分的增加而逐漸升高[14]。對毛苔草(Carexlasiocarpa)濕地研究發現,土壤水分增加顯著降低蔗糖酶和脲酶活性,并提高過氧化氫酶活性[15]。Henry等人[16]在草地生態系統的土壤酶研究中發現,與未增加降水相比,增加降水使水解酶活性下降,而多酚氧化酶和過氧化物酶的活性增大。不同土層也可能影響土壤酶活性對降雨變化的響應[17—18]。例如,李帥軍等[18]人通過隔離降雨對格氏栲自然保護區米櫧天然林土壤酶研究發現,隔離降雨處理(遮雨30%和60%)均增加0—10 cm土壤的多酚氧化酶和過氧化物酶活性,卻降低了10—20 cm土壤的多酚氧化酶和酸性磷酸酶活性。除土壤酶活性外,土壤微生物量是指示土壤微生物活體總量和養分狀態的重要指標,一般包括土壤微生物量碳和氮。土壤微生物在土壤養分中發揮緩沖器作用,是土壤可利用養分潛力的重要指標。土壤微生量對降雨間隔時間和降雨量響應不同。研究表明,增加降雨量使土壤微生物量碳氮產生激發效應,而隨著降雨間隔時間延長,土壤微生物量逐漸下降[19]。盡管近些年開展了大量有關土壤酶活性和微生物量的研究,但鮮見荒漠地區降雨時間和降雨量變化影響下的相關研究報道,尤其是早春積雪完全融化后的首次降雨變化。

綜上所述,在荒漠,稀少、多變的降雨量對土壤養分及酶活性影響較大。由于荒漠區域土壤養分貧瘠,積雪完全融化后,隨著首次降雨時間的推遲,土壤會經歷干旱化加劇的過程,可能導致早春土壤養分特性和酶活性發生較大變化。古爾班通古特沙漠屬于典型的溫帶荒漠,冬季完全被積雪所覆蓋,厚度約20—30 cm,穩定積雪日數一般在100—150 d,冬春兩季降水量一般約占全年降水量的30%—45%[20—21]。該沙漠春季草本植物大量生長,可占據群落生產力的52%左右[22],需要充足的養分供給,而冬季穩定積雪融化帶來的水分以及積雪融化后的降水可促進荒漠地區土壤酶活性和養分循環[23—24]。因此,積雪融水和隨后的不同降水格局變化可能產生協同效應,共同影響了土壤養分轉化。本研究通過在古爾班通古特沙漠設定樣方,模擬早春首次降雨時間及降雨量,探究早春積雪完全融化后首次降雨變化對土壤養分、土壤酶活性和土壤微生物量的影響。研究結果將有助于評估早春首次降雨時間推遲后,荒漠生態系統早春土壤養分動態變化,并為探明首次降雨格局變化對荒漠草本植物生長發育的影響機制提供數據支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區域位于新疆古爾班通古特沙漠,是我國最大的固定和半固定沙漠,屬于溫帶大陸性氣候。該區域年平均氣溫為7.3 ℃,年潛在蒸發量達2606.6 mm左右[25]。研究區域的自然植被以梭梭(Haloxylonammodendron)和白梭梭(H.persicum)為優勢建群種；低矮半灌木以蛇麻黃(Ephedradistachya)為主,草本植物中尖喙牻牛兒苗(Erodiumoxyrhinchum)、條葉庭薺(Alyssumlinifollum)、琉苞菊(Centaureapulchella)、角果藜(Ceratocarpusarenarius)、刺沙蓬(Salsolaruthenica)等占優勢。此外,研究區域地表還廣泛分布有生物土壤結皮。

1.2 實驗設計

實驗樣地設在古爾班通古特沙漠東南部(44.61° N,88.26° E),選擇地勢平坦、植被生長一致區域作為實驗場地,采用隨機區組設計,包括積雪完全融化后首次降雨時間和降雨量2個處理,每個處理分別設置3個水平；其中首次降雨時間的3個梯度為:積雪完全融化后第10天、20天和30天,降雨量的3個梯度為:5 mm、10 mm和15 mm。降雨量梯度參考多年降雨量大小以及可能出現的極端降雨事件進行綜合確定[26—28],根據2009—2019 a古爾班通古特沙漠氣象數據,該區域年降水量70—150 mm,3月份最大降雨量可達15.5 mm,最小降雨量均在5 mm左右[26]；根據監測,積雪融化后首次降雨到來時間基本位于10 d至30 d之間,以20 d左右居多。實驗區域,土壤基本理化性質見表1。本實驗共9個處理,每個處理5個重復,樣方大小為1.5 m×1.5 m,樣方間留有1 m的緩沖隔離區。為防止自然降雨干擾,采用不銹鋼鋼管架搭建遮雨裝置,其面積為2 m×2 m,高度30 cm[29],將PVC板(透光性大于95%)平鋪固定在鋼管架上,并使其水平面與地面平行。該遮雨裝置可將整個實驗樣方遮擋,邊緣保留0.25 m的緩沖區,其高度也盡可能消除了遮陽板帶來的增溫效應。2020年3月21日(積雪完全融化后10 d)開始進行模擬降雨處理。模擬降雨時臨時打開遮雨裝置,用靜置3 d的自來水作為模擬降雨水源,通過噴霧器將水均勻噴灑于處理樣方。模擬降雨在傍晚開展,以盡量減小蒸發作用的影響,同時避免發生地表徑流。

表1 實驗區土壤基本理化性質

短命植物是古爾班通古特沙漠最重要的草本植物層片,對于荒漠生態系統的沙面穩定具有至關重要的作用[30]。短命植物在土壤水分充足的早春季節快速生長,在夏季干旱到來之前完成生活史,因此受早春降雨格局和養分供給影響較大。本研究選擇在短命植物生長旺季(5月4日),進行土壤樣品的采集與處理,分析土壤酶活性和養分供給狀況。利用土鉆(直徑為5 cm)在每個處理樣方按照三點取樣法收集0—5 cm土樣。每個處理采集的土樣混勻后,裝密封袋,帶回實驗室,將樣品分為2份,一份置于遮光處自然風干,用于測定土壤全碳、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀和pH值；另一份置于4 ℃冰箱用于土壤酶活性和土壤微生物量碳氮的測定。

1.3 土壤養分的測定

土壤全氮采用高氯酸-硫酸消化-蒸餾定氮法測定；土壤全磷采用高氯酸-硫酸消化-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定；速效氮用堿解蒸餾法測定；土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定；pH用pHS-3C精密酸度計測定；土壤微生物量碳氮采用氯仿熏蒸浸提法測定[31]。

1.4 土壤酶活性的測定

本實驗土壤酶活性采用試劑盒方法(蘇州格瑞思生物科技有限公司)測定,方法如下:土壤多酚氧化酶與過氧化物酶活性采用乙醚比色法,以30 ℃下培養1 h,每克土樣每小時生成的紫色沒食子素量表示酶活性。土壤蔗糖酶活性用3,5-二硝基水楊酸比色法,以37 ℃下培養4 h每克土樣每小時生成的葡萄糖數表示蔗糖酶活性。土壤脲酶活性用靛酚藍比色法測定,37 ℃下培養24 h,用每克土樣每小時生成的NH3-N的數量表示脲酶活性。土壤堿性磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測定,37 ℃下培養1 h,用每克土樣每小時生成的苯酚數量表示堿性磷酸酶活性。

1.5 數據分析

利用雙因素方差(Two-way ANOVA)分析首次降雨時間和降雨量對土壤養分、土壤酶活性及土壤微生物量碳氮的影響；對同一首次降雨時間不同降雨量或同一降雨量不同首次降雨時間處理之間的土壤養分、土壤酶活性及土壤微生物量碳氮指標采用單因素方差進行分析(One-way ANOVA),利用LSD(Least significant difference)法進行多重比較(P= 0.05)。統計分析利用R 3.5.0 software(R Development Core Team 2017)完成,并利用R軟件“ggplot2包”完成土壤酶活性和微生物量碳氮的圖形繪制,利用“psych包”和“corrplot包”進行土壤養分、土壤酶活性及土壤微生物量碳氮皮爾遜(Pearson)相關性分析。

2 結果和分析

2.1 首次降雨時間及降雨量對土壤養分的影響

雙因素方差分析表明,首次降雨時間極顯著影響土壤全碳和全鉀,顯著影響速效氮。降雨量對土壤氮磷比影響顯著,而土壤全氮、全磷、速效氮和速效磷也接近顯著水平。首次降雨時間和降雨量二者交互作用顯著影響土壤pH和速效氮(表2)。

表2 首次降雨時間和降雨量處理對土壤理化特征及酶活性影響的雙因素方差分析

積雪完全融化后第10天,隨降雨量增加,全碳呈先下降后增加趨勢,全鉀呈增加趨勢；積雪完全融化后第20天,隨降雨量增加,速效氮呈先下降后增加趨勢,全碳呈下降趨勢,而土壤全鉀呈增加趨勢；積雪完全融化后第30天,降雨量增加對土壤養分各指標影響不顯著(表3)。模擬5 mm降雨在積雪完全融化后首次降雨各時期對土壤各養分影響不顯著；模擬10 mm降雨,隨首次降雨時間延遲,土壤全氮、氮磷比、速效氮和速效磷顯著增加；模擬15 mm降雨,隨首次降雨時間延遲,土壤速效氮磷比、土壤體積含水量呈先增加后下降趨勢,而土壤全磷呈先增加后下降趨勢。同一首次降雨時間下,除土壤養分外,土壤體積含水量隨著降雨量的增加呈增加趨勢,然而,降雨量的大小對土壤pH影響較小,而積雪完全融化后第30天模擬5 mm和10 mm降雨可降低土壤pH(表3)。

表3 首次降雨時間和降雨量對土壤理化特征的影響(平均值±標準誤)

2.2 首次降雨時間及降雨量對土壤酶活性的影響

雙因素方差分析表明,首次降雨時間對土壤酶活性影響不顯著。降雨量對土壤堿性磷酸酶和過氧化物酶活性影響顯著,極顯著影響土壤多酚氧化酶活性。降雨時間和降雨量二者交互也可顯著影響土壤多酚氧化酶活性,極顯著影響土壤蔗糖酶活性(表2)。

積雪完全融化后第10天或第30天,降雨量增加對土壤各酶活性指標影響不顯著；積雪完全融化后第20天,隨降雨量增加,除土壤過氧化物酶和脲酶活性影響不顯著外,土壤多酚氧化酶活性呈下降趨勢,土壤蔗糖酶活性呈先下降后增加趨勢,而土壤堿性磷酸酶活性呈增加趨勢(圖1)。模擬5 mm降雨在積雪完全融化后首次降雨各時期對土壤酶活性影響均不顯著；模擬10 mm降雨,隨首次降雨推遲,土壤蔗糖酶活性顯著增加,而土壤其他酶活性差異不顯著；模擬15 mm降雨,除土壤脲酶活性影響不顯著外,土壤多酚氧化酶和過氧化物酶活性僅在積雪完全融化后第30天顯著大于積雪完全融化后第10天或20天,而土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶活性僅在積雪完全融化后第20天顯著大于積雪完全融化后第10天或30天(圖1)。

圖1 積雪完全融化后降雨變化對土壤多酚氧化酶、過氧化物酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和脲酶活性的影響(平均值±標準誤)

2.3 首次降雨時間及降雨量對土壤微生物量碳、氮的影響

雙因素方差分析表明,首次降雨時間極顯著影響土壤微生物量碳氮。降雨量對土壤微生物量碳和土壤微生物量碳氮比影響極顯著。降雨時間和降雨量二者交互極顯著影響土壤微生物量碳氮及微生物量碳氮比(表2)。

積雪完全融化后第10天,隨降雨量增加,土壤微生物量碳呈下降趨勢,而土壤微生物量氮和微生物量碳氮比差異不顯著；積雪完全融化后第20天,隨降雨量增加,土壤微生物量碳氮呈先下降后增加趨勢,微生物量碳氮比呈先增加后下降趨勢；積雪完全融化后第30天,土壤微生物量碳氮及微生物量碳氮比在模擬5 mm降雨量高于模擬10 mm和15 mm降雨量,但差異不顯著(圖2)。模擬5 mm降雨在積雪完全融化后首次降雨各時期對土壤微生物量碳氮及土壤微生物量碳氮比影響不顯著；模擬10 mm降雨,隨首次降雨推遲,土壤微生物量碳呈增加趨勢,土壤微生物量碳氮比呈先增加后下降趨勢,而土壤微生物量氮差異不顯著；模擬15 mm降雨,土壤微生物量碳氮在積雪完全融化后第20天顯著大于積雪完全融化后第10天和30天,而土壤微生物量碳氮比隨積雪完全融化后首次降雨時間的推遲而顯著增加(圖2)。

圖2 積雪完全融化后降雨變化對土壤微生物量碳氮的影響(平均值±標準誤)

2.4 土壤養分、土壤微生物量和土壤酶活性的相關性分析

相關性分析表明,土壤多酚氧化酶活性與土壤過氧化物酶活性呈極顯著正相關關系,與土壤全磷和脲酶活性呈負相關關系。土壤堿性磷酸酶活性與全氮、速效氮、速效磷、氮磷比呈極顯著正相關關系,與土壤蔗糖酶活性呈顯著正相關關系。土壤過氧化物酶活性和脲酶活性與土壤理化指標均無顯著關系。除土壤蔗糖酶活性與土壤pH負相關外,其他酶活性與土壤pH變化不相關(圖3)。

圖3 土壤養分、土壤酶活性和土壤微生物量的相關性分析

3 討論

3.1 土壤養分和土壤微生物量碳氮對首次降雨時間和降雨量變化的響應

水分是荒漠地區主要的限制因子,小降雨事件在一定程度上緩解荒漠土壤水分及養分運輸的限制,但由于荒漠蒸發量較大,導致表層土壤含水量在短期內下降,土壤微生物活性受到限制,影響分解和合成土壤有機物質[32]。本研究發現,中等以上降雨量(≥10 mm)在不同的降雨時間點造成的效應不同。模擬10 mm降雨,首次降雨時間推遲對土壤養分(土壤全氮、速效氮和速效磷)的促進作用越明顯。然而,張麗華等人[33]在沙漠草原西部黃土高原進行了一項為期3 a的控制降水實驗(±20%和±40%)研究發現,降水處理對土壤可溶性有機碳、土壤微生物量碳和土壤養分的影響較小。在沙質土壤的荒漠,很難發生較大徑流,水分入滲快且可進入深土層,從而提高微生物活性,加快土壤養分含量轉化[34]。有研究表明,隨降雨量增加或減少,磷在土壤中的限制作用將增加[35]。Bell等[36]對北美沙漠季節性降雨研究發現,在5—7 a降雨處理的樣地,土壤有效磷含量低于持續干旱區。而本研究中,模擬15 mm降雨,隨首次降雨時間推遲,土壤全磷呈先增加后下降趨勢；土壤有效磷在相同降雨時間下,隨降雨量增加差異不顯著。因此,早春季節降雨對磷含量及其轉化,以及植物吸收的影響還有待于進一步深入研究。總體來講,本實驗中首次降雨格局變化不僅影響養分的轉化,同時還影響植物的生長和物種多樣性的變化(數據未發表),造成植物養分吸收差異,使得不同處理下土壤的全量養分和速效養分有差異。

土壤微生物量碳氮在陸地生態系統的養分轉化中發揮著關鍵作用,既是養分的源也是庫[37]。土壤微生物量碳氮受影響因素較多,對環境變化敏感[38]。植物生長對養分的需求也有可能造成其變化復雜的特點。本研究結果表明,在積雪完全融化后的不同首次降雨時間下,模擬5 mm降雨并未對土壤微生物量碳氮有顯著的影響,而模擬大于10 mm降雨顯著影響土壤微生物量碳氮及微生物量碳氮比值。前人研究同樣發現,在古爾班通古特沙漠春季模擬降雨處理(5 mm)對土壤微生物量碳氮及土壤微生物量碳氮比值影響不顯著[39]。可能因為春季植物生長活動較為強烈,需要大量的養分,小降雨事件對土壤微生物量碳氮的影響被掩蓋,而大降雨有利于微生物分解有機質,增加養分含量,提高土壤微生物量碳氮。

3.2 土壤酶活性對首次降雨時間和降雨量變化的響應及與養分變化關系

在許多系統中,土壤酶活性對水分波動響應強烈,隨降雨量的增加而增加[40]。土壤水分的增加可以刺激微生物產生酶,加快土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)等循環,增加養分供給[41]。土壤氧化酶(如多酚氧化酶和過氧化物酶)能夠調節木質素的分解,參與土壤碳循環過程[13]。Bell等[10]在北美沙漠研究發現,隨著干旱程度的增加,土壤有機碳、土壤微生物量氮和土壤酶活性均顯著降低。然而,本研究發現,積雪完全融化后第20天模擬降雨處理,土壤多酚氧化酶活性隨降雨量增加而下降,而土壤過氧化物酶活性差異不顯著。土壤酶活性和養分的可利用性隨降雨量而變化,大降雨事件不僅觸發了土壤微生物的活動,可能通過影響植物和微生物的活動影響了養分的可利用性[13]。土壤氧化酶活性在水分較多的春季活性較高,而在其他季節活性較低,同樣說明水分的限制作用[23]。本研究中,模擬15 mm降雨,土壤多酚氧化酶活性和土壤過氧化物酶活性整體呈現隨首次降雨時間延遲而增加的趨勢。然而,李帥軍等[16]人通過隔離降雨對格氏栲自然保護區米櫧天然林土壤酶活性的研究表明,隔離降雨處理(遮雨30%和60%)均增加0—10 cm土層土壤多酚氧化酶和過氧化物酶活性。可能降雨時間延遲明顯改善了土壤通氣狀況,在一定程度上抑制土壤形成厭氧環境[42],增加這兩種氧化酶的產量,使土壤多酚氧化酶和過氧化物酶活性增加,促進土壤凋落物的分解和有機質的合成過程,加速碳氮循環過程及土壤養分的富集[39,43]。

除氧化酶外,水解酶(包括蔗糖酶、脲酶、磷酸酶等)活性也是表征土壤不同養分的重要指標[44]。土壤蔗糖酶活性的變化與微生物活動和土壤呼吸強度相關。大降雨事件使土壤蔗糖酶活性增加,有利于激活土壤微生物活性,使土壤呼吸產生明顯的激增效應[19]。本研究中,模擬10 mm降雨,隨首次降雨時間推遲,土壤蔗糖酶活性呈增加趨勢；而模擬15 mm降雨,土壤蔗糖酶隨首次降雨時間推遲呈先增加后下降趨勢。在干旱一定時間后,較大的降雨量下土壤蔗糖酶活性反而低于早期同樣降雨,可能由于植物生長以及近期大降雨抑制效應等因子綜合影響。對騰格里沙漠東南緣小紅山地區土壤蔗糖酶活性研究也發現,隨土壤水分的增加,土壤蔗糖酶活性呈顯著先上升后下降趨勢,最大值出現在自然降雨處理中[14]。除降雨本身影響外,本研究中土壤pH與土壤蔗糖酶活性呈負相關,也有可能影響土壤蔗糖酶活性的變化。

脲酶是土壤中重要的水解酶,對土壤中尿素的分解和氮循環起著重要的作用[45]。研究發現,土壤脲酶活性隨著土壤水分的降低而減小[46]。然而,本研究結果中,土壤脲酶活性不受降雨量的影響。相關性分析也表明,土壤脲酶活性與土壤養分指標無顯著相關性。對古爾班通古特沙漠季節性土壤酶研究發現,土壤脲酶活性季節變化明顯,與有機碳和土壤水分密切相關[24]。瑪伊努爾·依克木等人通過古爾班通古特沙漠土壤酶活性的季節變化研究發現,脲酶活性在2—4月明顯上升,4月份達到峰值,顯著高于其他月份,其他月份差異不顯著[47]。推測土壤脲酶春季活性較高的這種效應可能是積雪融水激發,將首次降雨對土壤脲酶活性的影響掩蓋,導致積雪融化后不同首次降雨時間及降雨處理效應不顯著。土壤脲酶活性的穩定性也可能與荒漠地區土壤養分貧瘠,可供土壤脲酶活性分解的底物少,產生土壤脲酶相關微生物種類少等因素相關。

土壤堿性磷酸酶參與土壤有機磷的轉化,對土壤磷的有效性具有重要作用,可加速有機磷的分解[48]。土壤堿性磷酸酶活性季節變化顯著,早春豐富的土壤水分可以促進其活性的增加[24,49]。本研究表明,和土壤蔗糖酶活性及脲酶活性類似,降雨量的增加對土壤堿性磷酸酶活性影響相對較小(僅在積雪完全融化后第20天模擬15 mm降雨影響顯著)。雖然如此,相關性分析表明,土壤堿性磷酸酶活性與土壤速效磷具有極顯著正相關關系,與前人研究結果一致[50]。因此,在古爾班通古特沙漠,早春降雨量增加有利于堿性磷酸酶增加,加速土壤磷循環,促進土壤營養元素的轉化。

4 結論

在古爾班通古特沙漠,早春積雪完全融化后第20天,隨降雨量增加,土壤速效氮和堿性磷酸酶活性呈增加趨勢,土壤全碳和多酚氧化酶活性顯著下降,因此顯著提高土壤呼吸及氮磷循環相關微生物活性,抑制碳循環相關酶活性及養分周轉。模擬10 mm降雨,隨首次降雨時間推遲,土壤全氮、速效氮、速效磷、土壤蔗糖酶活性和土壤微生物量碳呈增加趨勢,有利于提高土壤呼吸及微生物活性,提高荒漠土壤碳氮磷循環相關的養分轉化。相同降雨量在積雪完全融化后不同首次降雨時間模擬添加,大降雨量(15 mm)處理下的效應與其他處理相比較為顯著。因此,早春首次降雨時間和降雨量能夠影響植物生長旺季的土壤養分及轉化潛力,影響荒漠短命植物層片的養分供給的穩定,從而間接導致早春短命植物生長和層片結構發生變化。