黃帚橐吾擴散對高寒草甸土壤理化特性及酶活性的影響

王玉琴，宋梅玲，周睿，王宏生

青海省青藏高原優良牧草種質資源利用重點實驗室/青海大學畜牧獸醫科學院，青海 西寧 810016；省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室/青海大學，青海 西寧 810016

作為植物生長發育的物質載體，土壤參與了生態系統中營養物質的轉化和循環，水源的涵養，緩沖環境變化，維持了生態系統的穩定等過程，為草地生態系統中物質和能量交換提供了重要場所（鮑根生等，2019；金媛媛等，2019）。植被退化是導致高寒草甸土壤退化的直接原因（周華坤等，2005）。當草地生態系統受到外界因素的干擾，土壤的結構和功能都會發生明顯的變化，土壤生態系統的平衡狀態被打破，土壤肥力也隨之發生改變，所以土壤退化是造成草地退化的關鍵因素（李紹良等，2002）。同時，植物還會影響土壤營養物質的時效性、有機質的礦化等過程（Li et al.，2014；馬建國等，2019），大量的研究表明毒害草的擴散造成草地植被的逆向演替（馬壽福等，2007），當群落中毒害草的比例發生變化時，土壤環境也會隨之發生改變，如瑞香狼毒斑塊能形成肥力島（Sun et al.，2009），黃帚橐吾對土壤養分限制具有更高的耐受力（石國璽等，2018），麻花艽對土壤特性影響較小（王文穎等，2012），紫莖澤蘭能更好改變土壤養分的供求平衡（鄧丹丹等，2015）等，可見不同有毒植物對土壤的影響表現不同。

同時，土壤酶是土壤物質循環和能量流動的重要催化物質，主要由植物根系、動植物殘體和土壤微生物分泌而成（Burns et al.，2013；樊博等，2018；López-Aizpún et al.，2018）。水解酶、脲酶以及磷酸酶等參與的酶促反應，存在于土壤的各種生物化學反應中，能有效地反映土壤養分的變化特征（Zornoza et al.，2006），也通過對土壤養分狀況的影響改變植物養分策略，是評價土壤肥力的重要指標（張美曼等，2020）。因此，測定土壤酶活性可以揭示某種元素在土壤中的轉化和循環情況（Jian et al.，2016；Cui et al.，2019）。黃帚橐吾（Ligularia virgaurea）作為指示高寒草甸退化的重要物種，對高寒草甸的土壤理化性質和酶活性均產生一定影響（Shi et al.，2011；石國璽等，2018），但目前對于黃帚橐吾不同擴散程度的草地的土壤理化特性和酶活性的變化情況及相互關系研究較少，因此，本研究通過對黃帚橐吾不同密度斑塊的土壤理化性質和土壤酶活性進行分析，探討黃帚橐吾擴散過程中土壤理化特性和土壤酶活性的動態變化規律及相互關系，揭示黃帚橐吾擴散與土壤理化性質和酶活性的關系，以期為高寒退化草甸的科學治理和人工恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本研究試驗樣地位于青海省海北藏族自治州海晏縣青海湖鄉達玉德吉村，地理坐標為37°4′26″N，100°54′34″E，海拔3 250 m 左右，氣候屬高原大陸性氣候，春季干旱多風，夏季涼爽短促，冬季寒冷漫長。2016－2021 年年均氣溫1.83 ℃，年均降水量445.38 mm，其中80%以上的降水量集中在5－9月，年均日照2 603.7 h，年蒸發量為1 400 mm 左右，無絕對無霜期。采樣點草地類型為高寒草甸草原，草地群落優勢種為黃帚橐吾（Ligularia virgaurea(Maxim.) Mattf.）、線葉嵩草（Kobresia capillifolia(Decne.) C. B. Clarke）、矮生嵩草（Kobresia humilis(C. A. Mey. ex Trautv.) Serg.）、高原早熟禾（Poa alpigena(Blytt) Lindm.）、垂穗披堿草（Elymus nutansGriseb.）、異針茅（Stipa alienaKeng）、青藏扁蓿豆（Melilotoides archiducis-nicolai(Sirj.) Yakovl.）、美麗風毛菊（Saussurea pulchraAnth.）、麻花艽（Gentiana macrophyllaPall.）、黑褐苔草（Carex atrofuscaSchkuhr subsp.minor）、鈍裂銀蓮花（Anemone obtusilobaD. Don）、矮火絨草（Leontopodium nanum(Hook. f. et Thoms.) Hand.-Mazz.）等；土壤為高山草甸土。采樣地為全年自由放牧，長期過度放牧導致黃帚橐吾種群密度持續增加。

1.2 樣地設置

選取黃帚橐吾危害嚴重，且植被分布較為均勻，地勢平坦的區域，設置50 m×50 m 的樣地4 個，在每個樣地內根據密度等級隨機選定6 個不同密度黃帚橐吾斑塊，編號分別為D0，D1，D2，D3，D4，D5，具體情況見表1，每個斑塊直徑＞100 cm，每個密度斑塊設置3 個重復，在8 月植株生長旺盛季進行樣品的采集工作。

表1 不同斑塊基本植被概況Table 1 Basic condition of each patch

1.3 樣品采集和指標測定

在每個斑塊內放置0.5 m×0.5 m 的樣方1 個，并在其對角線位置用內徑為3.5 cm 的土鉆，采集0－20 cm 的土樣，過篩去雜后帶回實驗室，將土樣自然風干后研磨，并分別過1 mm 和0.25 mm 的土篩，用于土壤理化性質及酶活性的測定。土壤理化性質測定參照楊劍虹等（2008）和鮑士旦（2005）的常規分析方法，包括土壤含水量、pH 值、土壤有機質、土壤全效和速效元素等指標，土壤酶活性測定參照林先貴（2010）的方法，過氧化氫酶采用容量滴定法測定；蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水楊酸比色法測定；土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉法測定；土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，每個樣品測定重復3 次。

1.4 數據分析處理

利用Excel 對數據進行整理和初步分析，采用SPSS 22.0 軟件對黃帚橐吾不同密度斑塊的土壤理化指標和土壤酶活性進行單因素方差分析，并運用Pearson 相關系數對各指標進行相關性分析。顯著性區間定義為95%水平，圖表數據均采用平均值±標準誤表示。繪圖采用SigmaPlot 14.0 軟件。

2 結果與分析

2.1 黃帚橐吾擴散過程中土壤理化性質的變化

隨黃帚橐吾密度的增加，各密度斑塊的土壤pH值呈明顯降低趨勢，且D0 和D1 顯著高于其余斑塊（P＜0.05），D5 顯著低于其余斑塊（P＜0.05）。土壤含水量呈先增加后降低的趨勢，在D2－D3 范圍內達到最大值，其次為D1 和D4，均比D0 顯著偏高（P＜0.05），但與D5 差異不大。土壤有機碳先增加后降低，呈“N”字形變化。土壤有機碳在D2 達到最大值，其次為D3 和D5，三者間差異不顯著（P＞0.05），但D2 的有機碳含量顯著高于D0、D1和D4（P＜0.05），D2 的有機碳含量較D0 和D1 分別增加了20.07%和21.09%。土壤全氮含量表現為D4＞D2＞D3＞D1＞D0＞D5，但各密度斑塊中差異不顯著（P＞0.05）。土壤銨態氮含量表現為D5＞D1＞D3＞D2＞D0＞D4，D5 顯著高于D4（P＜0.05），其余各斑塊差異不顯著。土壤硝態氮含量表現為D0＞D2＞D1＞D4＞D3＞D5，D0 和D2 差異不顯著（P＞0.05），但顯著高于其余密度斑塊（P＜0.05）。土壤全磷含量呈先增加后降低的趨勢，表現為D3＞D2＞D5＞D4＞D1＞D0，且D3 顯著高于其余各斑塊（P＜0.05）。土壤速效磷含量呈增加趨勢，表現為D4＞D5＞D2＞D1＞D0＞D3，D4 顯著高于D0 和D3（P＜0.05），其余斑塊差異不顯著（P＞0.05）。土壤全鉀含量呈先降低后增加的趨勢，D0、D3 和D4 顯著高于D1 和D2（P＜0.05）。土壤速效鉀含量呈“W”形變化趨勢，在D2 達到最大值，且顯著高于其余斑塊（P＜0.05），其次為D5、D0 和D4，三者間差異不顯著（P＞0.05），均顯著高于斑塊D1 和D3（P＜0.05）（表2）。

表2 不同密度斑塊土壤理化性質的變化Table 2 Changes of soil physicochemical properties in different density patches

2.2 黃帚橐吾擴散過程中土壤酶活性的變化

隨著黃帚橐吾密度的增加，土壤過氧化氫酶活性呈先增大后降低的趨勢，表現為D1＞D2＞D5＞D3＞D0＞D4，其中，D4 顯著低于其余斑塊（P＜0.05）。土壤蔗糖酶活性表現為D5＞D3＞D0＞D1＞D2＞D4，各斑塊間差異不顯著（P＞0.05）。D5 的中性磷酸酶活性最高，其次為D4、D3 和D2，其中D5 顯著高于D0 和D1（P＜0.05），而D4、D3 和D2 與D1 和D0間的差異不顯著（P＞0.05）。土壤脲酶活性呈先增加后降低的趨勢，其中D1 的脲酶活性最高，顯著高于其余斑塊（P＜0.05），其次為D0 和D2，且顯著高于D3（P＜0.05）（圖1）。

圖1 不同密度斑塊土壤酶活性的變化Figure 1 Changes of soil enzyme activities in different density patches

2.3 土壤理化特性與酶活性的相關性分析

由相關性分析得到土壤理化特性與酶活性相關性明顯（表3）。其中，土壤pH 值與硝態氮、脲酶呈極顯著正相關（P＜0.01），并與土壤有機碳和中性磷酸酶顯著負相關（P＜0.05）；土壤含水量與有機碳、全磷呈顯著正相關（P＜0.05）；速效鉀與土壤有機碳呈極顯著正相關（P＜0.01）；土壤硝態氮與脲酶正相關，與中性磷酸酶呈顯著負相關（P＜0.05）；土壤全鉀和脲酶呈顯著負相關（P＜0.05）。

表3 土壤理化指標間的Pearson 相關分析Table 3 Pearson correlation analysis of soil physicochemical properties

2.4 黃帚橐吾密度與土壤理化特性和土壤酶活性的相關性分析

通過分析黃帚橐吾密度與土壤指標的關系得到（表4），黃帚橐吾密度與土壤pH 和硝態氮極顯著負相關，與中性磷酸酶極顯著正相關（P＜0.01）。

表4 黃帚橐吾密度與土壤指標間的相關性Table 4 Pearson correlation analysis of density of Ligularia virgaurea and soil indicator

3 討論

3.1 黃帚橐吾擴散對土壤理化性質的影響

由于草地群落中植物種類不同，草地對養分的需求和植物對養分的利用能力各不相同，土壤理化性質會直接影響草地植被的生長發育和演替過程，土壤中各種理化指標也會隨著草地植被群落組成的改變而發生變化，進而影響草地群落結構穩定性，以及土壤中物質和能力的循環和交換過程（Janssens et al.，1998；王長庭等，2010）。由于青藏高原強烈的日照和較大的水分蒸發量，使得土壤水分對植物的生長發育尤為重要，本研究發現，隨著黃帚橐吾密度的增加，土壤含水量呈先增加后降低的趨勢，當黃帚橐吾密度在D2－D3 范圍內達到最大值，這可能的原因是在此范圍內黃帚橐吾能降低斑塊內的土壤蒸發量，具有保持水土的作用（鮑根生等，2019；崔雪等，2020），而當黃帚橐吾密度繼續增加時，一方面是對土壤水分的需求增加，致使土壤含水量降低；另一方面可能是黃帚橐吾密度的增加，在水分需求受限的同時，枯落物積累較多，減少了土壤水分的下滲量（張定海等，2017；劉建康等，2021），最終導致土壤水分降低。土壤pH 是土壤重要的化學性狀，顯著影響土壤的肥力，在土壤養分的儲存和供應能力的調節方面發揮重要作用，進而影響植物的正常的生長繁育和草地生產力（Slessarev et al.，2016；Jiang et al.，2017；王麗娜等，2022）。已有研究表明土壤pH 受凋落物、土壤結構、植物根系分泌物，土壤微生物多樣性，土壤養分的有效性等因子的影響（白津寧，2020），本研究中，研究草地的土壤為中性土壤，隨著黃帚橐吾密度的增加，土壤pH 呈顯著降低趨勢，從7.26 降為6.67，這可能是因為隨著黃帚橐吾密度的增加，草地的凋落物增多，經過微生物分解后，凋落物和有機質會產生有機酸，而這些酸性物質會使土壤堿性降低，此外，土壤的酸堿度也會受到黃帚橐吾根際分泌的化感物質的影響（王發園等，2006；馬建國等，2019）。

本研究中隨著黃帚橐吾密度的增加，土壤有機碳、全氮以及全磷含量均呈先增加后降低趨勢，其中有機碳含量在D2 達到最大值，說明黃帚橐吾密度在D2 范圍內，草地的C 匯能力最強，隨著黃帚橐吾的擴散，加劇了土壤有機質的分解，導致C 儲量降低（游惠明，2022）。在D3－D4 范圍內，土壤有機質降低，這可能是由于黃帚橐吾危害的增加，草地其余牧草的地上生物量降低，植被枯落物也相應減少，使得土壤有機碳的輸入量下降（高海寧等，2014；楊軍等，2020），這一結果進一步證實梁德飛等（2022）發現的黃帚橐吾凋落物的增多延緩了凋落物的分解，阻礙了土壤養分的輸入，致使土壤有機質含量降低。土壤全氮含量在D1－D4 的含量高于D0 和D5，這結果跟鮑根生等（2019）、單貴蓮等（2021）結果相似，毒害草種群的擴散能顯著提升土壤養分含量，且存在明顯的“肥島效應”，當黃帚橐吾密度在621 plant·m-2（D5）時，土壤全N 含量又降低，這可能進一步證實了Shi et al.（2011）和石國璽等（2018）的推測，黃帚橐吾本身對氮具有較高的需求量，能從土壤中吸收較多的氮，以及黃帚橐吾通過限制土壤氮素來促使種群數量的大幅增加，所以土壤氮在較大的黃帚橐吾密度下含量較低。土壤全磷含量為D3 顯著高于其余斑塊，這可能是當黃帚橐吾密度為160 plant·m-2時，促進了土壤中P 的沉積，使得土壤中全磷的含量增加，隨著斑塊密度進一步的增加，植物對P 的需求增加，導致土壤中P 含量下降。本研究結果與馬建國等（2019）的結果有毒植物能增加土壤碳氮磷養分的結果不太一致，這可能與地域和樣地選擇不同有關以及與毒害草為害程度的選擇有關。

土壤銨態氮和硝態氮是植物能夠吸收的最主要無機氮形式，硝態氮是由銨態氮經過硝化作用得到的。黃帚橐吾危害的草地土壤銨態氮含量有所增加，在密度為D5 時達到最大值，這可能是黃帚橐吾對養分的富集作用以及黃帚橐吾可能改善了土壤氮的有效性。但黃帚橐吾使土壤硝態氮整體呈下降趨勢，這可能與黃帚橐吾降低了土壤速效氮的濃度以及黃帚橐吾降低了凋落物氮素的釋放有關（石國璽等，2018；梁德飛等，2022）。另外，有研究表明，植物入侵一般會提高土壤的氮礦化速率（Ehrenfeld，2003），黃帚橐吾會向土壤輸入較多的參與氮礦化的易降解有機氮，降低土壤無機氮含量。土壤速效磷含量在D3 時有降低趨勢，這進一步證實了當黃帚橐吾密度在D3 時對P 的需求增大，但總體上黃帚橐吾危害后土壤全磷和速效磷含量有增加趨勢，這可能與黃帚橐吾促使土壤酶活性提高，促進了土壤母質中磷的釋放，增加了土壤磷的含量，這與孫天舒（2013）的結果相吻合。另外，土壤中全鉀和速效鉀含量總體呈先降低后增加的趨勢，這可能是當黃帚橐吾危害達到一定程度時，加速了土壤的風化，使土壤中的鉀元素得到更多的釋放，而速效鉀含量在D2 時達到最大值，這可能是在這一密度下，微生物的分解速率較高，使土壤速效鉀含量增加，另外也有可能是黃帚橐吾抑制了其他植物對養分的吸收能力，使其對土壤中速效鉀的吸收利用率降低。

3.2 黃帚橐吾擴散對土壤酶活性的影響

毒害草在擴散過程中改變了棲息地的土壤環境狀況，使土壤環境更加適宜毒害草的種群擴散，從而改變了土壤養分含量、土壤酶活性和微生物群落組成，同時，適宜的土壤環境促進了毒害草的快速生長繁殖（馬建國等，2019）。土壤酶作為反映土壤狀況的重要指標，參與了土壤生態系統的生物化學反映過程，與土壤碳氮磷元素的轉化密切相關（Malcolm，1983）。在本研究中，土壤過氧化氫酶活性隨著黃帚橐吾的增加呈先增加后降低趨勢，但在D5 斑塊又有所回升，這原因可能是黃帚橐吾對草地土壤環境的影響明顯，土壤微生物學過程強度增加，當黃帚橐吾密度達到一定程度時，土壤微生物活動遭到破壞，相關酶也隨之減少，而當密度繼續增加時，土壤酶活性因植物根系增加和植物凋落物增多而發生變化。土壤蔗糖酶能加快土壤有機質的礦化速率和分解速率，與土壤中的碳循環關系密切，且一般土壤肥力越高，蔗糖酶活性越高，在本研究中蔗糖酶活性在各斑塊間差異不顯著，這說明黃帚橐吾危害草地的肥力較低以及可能黃帚橐吾根系分泌物對蔗糖酶具有抑制作用，或者是蔗糖酶對黃帚橐吾不敏感所致（王盼盼等，2021）。中性磷酸酶活性隨黃帚橐吾密度的增加而顯著增加，這與劉小文等（2012）和李會娜等（2009）研究發現薇甘菊和紫莖澤蘭的入侵使磷酸酶的含量增加的結果一致。土壤磷酸酶與土壤磷元素的轉化關系密切（馮瑞章等，2007），黃帚橐吾的危害對土壤磷酸酶活性具有很大的促進作用，這也表明磷在研究樣地中是一個限制因素，土壤中的中性磷酸酶對黃帚橐吾較為敏感。土壤脲酶在D1 達到最大，且隨著黃帚橐吾密度的增加呈遞減趨勢，這表明在D1 斑塊中，黃帚橐吾可使土壤脲酶活性增加，當黃帚橐吾密度增大到一定程度時，會抑制土壤中微生物對脲酶的合成與分泌，進而造成土壤脲酶活性的降低（Kizilkaya et al.，2004）。

3.3 黃帚橐吾擴散過程中土壤因子間的關系

在本研究中土壤pH 值與黃帚橐吾密度、土壤有機碳、硝態氮、磷酸酶相關性明顯，這說明黃帚橐吾種群數量對土壤酸堿度產生明顯影響，致使土壤養分和酶活性受到土壤酸堿度的較大影響，在馬源等（2019）研究中也發現土壤pH 與土壤養分明顯相關，根際分泌的有機酸參與了土壤中養分的轉化，這也說明黃帚橐吾可能通過根系分泌的有機酸來改變土壤環境。土壤硝態氮與土壤脲酶和中性磷酸酶關系緊密，這說明土壤酶活性與氮素具有一定的協同關系，可以作為黃帚橐吾危害草地土壤營養狀況和養分循環轉化的指標（Shaw et al.，2010），同時，在草地生態系統中，氮是限制草地生產力的主要因素，說明在本研究區域內土壤酶活性主要受土壤氮的調控（郭雅婧，2015），而黃帚橐吾密度與硝態氮呈負相關，這也進一步說明了黃帚橐吾限制了土壤氮素的循環過程。另外，研究發現脲酶與土壤pH 具有顯著正相關關系，這證實了Falk et al.（2018）的土壤pH 可以影響微生物代謝的酶活性的結論，這也從另一方面說明土壤pH 在土壤氮素循環過程中起到重要作用。

4 結論

黃帚橐吾當其密度在一定范圍內時可提高土壤養分和酶活性，通過對養分的富集，限制了其余牧草對養分的競爭，并通過自身對養分的強吸收能力和較強的養分礦化能力，得到與其他植物養分競爭的獨特優勢。此外，黃帚橐吾通過改變土壤環境酸堿度來限制土壤養分循環過程和抑制土壤酶的活性，加速其自身種群數量的增加和擴散。