黄河三角洲退化湿地土壤养分、微生物与土壤酶特性及其关系分析

王笛，马风云，2†，姚秀粉，辛贺，宋雪，张钟心

(1.山东农业大学林学院，271018，山东泰安;2.山东农业大学生态与环境实验室，271018，山东泰安)

湿地生态系统具有重要的资源、环境和生态效益，对保护生态环境和生物多样性，维持生态平衡，调节气候等有重要作用。黄河三角洲作为我国暖温带最广大、最年轻的湿地生态系统，地处渤海之滨的黄河入海口，总面积达5 450 km2［1］，是典型的滨海河口湿地［2］;然而多年来由于海水入侵，造成地表潜流盐度高，加剧了地表的盐碱化程度，同时由于农业和油田的大规模开发活动，均使得滨海湿地受到了严重的干扰，破坏了湿地的生物多样性［3］。地势低平，排水不畅，土壤盐渍化现象非常严重［4］。宋玉民等［5］和郗金标等［6］研究了黄河三角洲盐碱地土壤现状和植被特征，并提出了植被恢复技术;王海梅等［7］分析了植被类型和不同土地利用方式与土壤形状的相互关系;邢尚军等［8］初步探讨了黄河三角洲湿地退化的原因并提出生态恢复措施;张剑锋等［9］讨论了植被群落和土壤酶活性与湿地退化的关系。对该地区退化湿地土壤养分和微生物以及土壤酶的研究鲜见报道，因此，笔者对黄河三角洲退化湿地的土壤酶活性、土壤养分和微生物特性及其关系进行研究，以期为有效利用湿地资源和生态修复提供理论依据。

1 研究地概况

研究地点位于山东省东营市黄河三角洲地区，位于E 119°2.4'～119°2.7'，N 37°54.5'～37°56.4'的地理区域。该地区属暖温带半湿润地区，大陆性季风气候，年均气温12.5 ℃，年日照时间2 571 ～2 865 h，是我国日照较丰沛的地区之一;年降水量550 ～600 mm，多集中在夏季，7—8 月份降水量约占全年降水量的50%，且多暴雨，易形成旱、涝灾害;土壤为冲击性黄土母质在海浸母质上沉积而成，机械组成以粉沙为主，沙黏相间，层次变化复杂，土壤发育时间相对较短，尚未形成良好的结构，土壤pH 值6.79 ～8.86，地下水位较浅，约1.5 m，水质矿化度较高。由于油田开发，该地修筑防海堤坝并且修建多条道路，造成地形的拦截，易引起季节性积水。

2 研究方法

依据影响土壤含盐量变化的主要因素和盐生植被的不同类型，将研究地区植被演替分为光板地、碱蓬(Suaeda glauca Bge.)群落、柽柳(Tamarix chinensis Lour.)群落、白茅(Imperata cylindrical(Linn.)Beauv.)群落［9］4 个主要演替阶段，并分别用大写字母A、B、C、D 表示。各演替阶段基本植被特征见表1。

在每个调查样地按照“S”形均匀设置3 个采样点，每个采样点按土壤剖面0 ～20 cm 取样。所取土样密封包装后带回实验室，风干后过筛，用于土壤养分与土壤酶活性的测定。取相应采样点的鲜土样1 kg 左右，回实验室后放到4 ℃冷藏，用于土壤微生物的测定。测定方法主要参照《生态学常用实验研究方法与技术》［10］和《土壤理化分析》［11］。有机质采用重铬酸钾容量法，全氮采用凯氏蒸馏法，全磷采用HClQ4－H2SO4法，全钾采用氢氧化钠熔融火焰光度法，速效钾用醋酸铵浸提火焰光度法，速效磷用Olsen 法(恒温水浴振荡浸提)，速效氮用碱解扩散法，pH 值用电位法［12－13］。蛋白酶采用茚三酮比色法，脲酶采用奈氏比色法，磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法，过氧化氢酶采用Kappen 容量法。用牛肉膏蛋白胨培养基培养细菌，淀粉铵盐培养基培养放线菌，马铃薯蔗糖培养基培养真菌。每个培养基浓度重复3 次，置于恒温箱中进行培养，操作过程在无菌条件下进行，并按下列公式进行计算:

式中:Nj为每克干土中的菌数;N1为菌落平均数;b为接种时土壤稀释倍数;m 为干土质量。

用SPSS 和Excel 软件进行数据分析。

表1 不同演替阶段湿地的基本植被特征Tab.1 Vegetation characteristics of wetland in different successive stages

3 结果与分析

3.1 不同演替阶段湿地的土壤养分分析

在所研究的各演替阶段中，除速效钾外，其他的营养元素均较低。由表2 看出，有机质、全氮、速效氮、速效钾、全磷和全钾质量含量基本都随着湿地逆向演替的进行而递减。与白茅群落相比，光板地、碱蓬和柽柳群落的平均土壤有机质质量含量分别下降了66.2%、44.2%和26.4%;全氮质量含量下降了66.8%、73.2%和54.0%;光板地速效氮质量含量最低，这是由于光板地土壤盐碱化比较严重，土壤比较贫瘠，影响了速效氮的合成;白茅群落阶段全磷质量含量最高;速效磷在各演替阶段间分布差异较小;速效钾与全钾质量含量表现出基本相同的趋势，其最大值都出现在柽柳群落阶段。

从不同演替阶段湿地的土壤养分含量变化看出，从白茅群落到光板地，有机质、全氮、速效氮和全磷等主要养分质量含量均有不同程度的降低。本研究中，有机质质量含量在白茅群落阶段高于其他演替阶段，这与各个演替阶段凋落物数量变化趋势相似［14］，土壤有机质主要源于凋落物和植物根系，白茅群落阶段植物种类及数量增多，枯枝落叶等凋落物含量较高，植被归还土壤中养分的积累率高。随着向光板地退化的进行，植物种类及数量减少，枯落物回归作用非常微弱，导致有机质质量含量的降低。

由于土壤中的氮素有99%以上来源于有机质，全氮中能被植物直接利用的部分是速效氮，土壤有机质质量含量的降低，进而造成土壤氮素质量含量的降低，由此可见，速效氮和全氮质量含量变化规律与有机质变化规律相似。

植被由白茅群落向光板地的逆向演替过程中，碱蓬群落阶段的速效磷质量含量最高，这可能与土壤有机物质的变化及植物对速效磷的吸收和富集差异性有关［12］。速效钾和全钾质量含量由白茅群落至光板地基本呈现降低的趋势，土壤有机质能促进风化含钾矿物，并减少交换性钾的固定，有机质质量含量的降低进而造成土壤速效钾质量含量的降低。

表2 不同演替阶段湿地的土壤养分质量含量Tab.2 Soil nutrient contents in different successive stages of wetland

3.2 不同演替阶段湿地的土壤微生物分析

土壤微生物能够反映土壤生物活性，它能将有机质转化为无机物，也可以将无机物合成为有机物。退化湿地土壤由于土壤盐度高、植被稀少、土壤密度较大、孔隙度小且有机质质量含量不高，从而导致其中微生物数量少，活性受到抑制［15］。由表3 可知，湿地土壤中各种微生物数量存在明显差异性，在土壤微生物群落中，细菌数量所占比例最大，其次为放线菌，真菌数量最少。土壤细菌和真菌数量均表现为白茅群落＞柽柳群落＞碱蓬群落＞光板地。放线菌数量表现为柽柳群落＞碱蓬群落＞白茅群落＞光板地。

细菌的数量最多且远多于其他2 种微生物数量，说明细菌分解土壤物质能力最强。表3 显示，真菌数量少是各演替阶段湿地土壤微生物分布的共同特征，这与真菌喜欢酸性环境的特性［16］分不开，而东营属于碱性土壤，pH 值的上升在一定程度上抑制了真菌生长。相比较于真菌，放线菌通常分布于呈微碱性的土壤［17－18］，比较适合在此地区生长，所以放线菌数量相对就多一些。放线菌数量在柽柳群落达到最多，其次是碱蓬群落，光板地中最少，这是由于放线菌比细菌和真菌要求更高的营养物质［19］，细菌繁殖所引起的竞争结果使放线菌所需营养不足，导致其生长、繁殖被抑制和减少，其数量远小于细菌数量。

3.3 不同演替阶段湿地的土壤酶活性分析

土壤酶活性的变化在一定程度上反映土壤和植被演替的规律，演替年限越长，土壤酶活性越高［20］。由表4 可以看出，蛋白酶的活性比较高，在柽柳群落阶段达到最大值，各演替阶段之间的差异不显著(P ＞0.05)。不同演替阶段土壤酶活性从白茅群落到光板地，蛋白酶、碱性磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶的活性基本都呈降低趋势。光板地、碱蓬群落、柽柳群落碱性磷酸酶活性与白茅群落相比，分别降低了65.1%、53.1%和45.6%。多重比较结果表明，碱性磷酸酶活性白茅群落与光板地、碱蓬群落的差异达到显著水平(P ＜0.05)。

表3 不同演替阶段湿地的土壤微生物数量Tab.3 Soil microbes quantity in different successive stages of wetland 万/g

从各演替阶段的湿地土壤蛋白酶活性变化来看，各演替阶段之间差异不显著(P ＞0.05)，说明湿地在退化过程中土壤的蛋白质水解能力差别不大，湿地退化对土壤蛋白酶的活性影响不显著。黄河三角洲湿地土壤中磷酸酶以碱性磷酸酶为主，其活性反映土壤供应有效磷的能力;脲酶是一种专性比较强的酶，它能促进尿素水解生成氨、二氧化碳和水［21］。其活性和土壤中氮素转化的强弱有关。由表4 知脲酶质量含量低，说明土壤中的氮素转化较慢。

表4 不同演替阶段湿地的土壤酶活性Tab.4 Soil enzyme activity in different successive stages of wetland

研究中发现，随着湿地由白茅群落向光板地的逆向演替，碱性磷酸酶和脲酶变化规律相似，均呈逐渐下降趋势。在湿地退化过程中，微生物类群和数量递减，有机质质量含量降低，土壤含盐量变高，加上地形拦截与地势的降低，部分洼地造成水的滞留，影响了植物群落的生长，造成酶活性的降低，湿地的退化造成土壤的生化活性降低以及生物活性变弱。

3.4 土壤酶活性与土壤养分、土壤微生物的关系分析

土壤微生物与土壤养分和酶活性之间有密切的关系。由表5 可知:脲酶与有机质、速效钾、细菌、真菌呈极显著正相关，特别是与有机质的相关性最大;过氧化氢酶与有机质、全氮、全钾呈极显著正相关;碱性磷酸酶与有机质、速效氮呈极显著正相关，与全氮、全磷和真菌呈显著正相关;蛋白酶与各土壤养分间相关关系不显著。

土壤肥力与酶活性相关，特别是脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶的活性;有机质与脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶密切相关，土壤有机质质量含量的提高能促进酶活性，而酶活性的提高有助于加快有机质的分解，湿地退化使土壤有机质质量含量下降，这既减小了土壤孔隙度和通气性，又对微生物活动产生了影响，不利于微生物、土壤酶和矿物质的固定［22］。速效氮与碱性磷酸酶和脲酶有密切关系，速效氮质量含量的提高能促进碱性磷酸酶和脲酶的活性，碱性磷酸酶对氮素转化有重要作用。不同演替阶段的土壤养分、土壤微生物数量与土壤酶活性之间存在着相关关系，可作为评价土壤肥力的指标。

表5 土壤酶活性与土壤养分、土壤微生物数量之间的相关性Tab.5 Correlation among soil enzymes，soil nutrients and soil microbes quantity

胡海波等［23］在对岩质海岸防护林土壤微生物数量与酶活性的研究中，认为脲酶与真菌、细菌和放线菌是不相关的，与本文结论不同。究其原因，可能是因为土壤特性不同，或由于人为因素的影响特别是油田开发和堤坝拦截造成的。

4 结论与讨论

1)随着湿地由白茅群落到光板地的逆向演替，土壤酶活性变化规律相似，基本呈逐渐下降趋势。不同演替阶段土壤酶活性表现出差异性，各种酶之间蛋白酶的质量含量比较高。

2)各演替阶段中，除速效钾外，其他的营养元素均较低。随着湿地退化的进行，有机质、全氮、速效氮、速效钾、全磷和全钾质量含量基本都随着湿地逆向演替的进行而递减，不同演替阶段土壤养分质量含量差异显著。速效磷在各演替阶段间分布差异较小，速效钾质量含量与全钾质量含量最大值都出现在柽柳群落阶段。

3)退化湿地土壤中各种微生物数量存在明显差异性，在土壤微生物群落中，细菌数量所占比例最大，其次为放线菌，真菌数量最少。土壤细菌和真菌数量均表现为白茅群落＞柽柳群落＞碱蓬群落＞光板地。放线菌数量表现为柽柳群落＞碱蓬群落＞白茅群落＞光板地。

4)土壤养分与土壤微生物、土壤酶活性存在密切关系。有机质与脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶密切相关。细菌与脲酶和过氧化氢酶有密切关系，真菌与脲酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶都具有显著地相关性。

土壤酶活性与土壤养分和微生物的关系复杂，在一般的土壤中，各类酶活性与有机质的相关性很密切［24］，本研究中蛋白酶与土壤各养分相关性不大，过氧化氢酶也只与速效磷呈负相关，与其他养分指标呈正相关。与林静［24］的结论不一致，其原因需进一步研究。

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