豫东黄河故道湿地土壤养分与酶活性特征

2014-09-22 10:32朱新玉胡云川

湖北农业科学 2014年10期

朱新玉+胡云川

摘要：以豫东黄河故道湿地为研究对象，通过野外采样和室内分析相结合的方法，研究该区不同土地利用方式（盐碱滩地、湿草地、沼泽湿地、林地湿地）对土壤有机质、土壤养分、土壤微生物生物量和土壤酶活性（脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶）的影响。结果表明，不同土地利用方式对土壤有机质、土壤养分和土壤酶活性的影响显著或极显著，土壤有机质、土壤酶活性和大部分土壤养分指标含量均为林地湿地最高，湿草地和沼泽湿地居中，盐碱滩地最低。土壤酶活性与土壤有机质和土壤微生物生物量碳、氮间呈显著或极显著正相关，不同土壤酶活性间也存在显著或极显著相关。土壤酶活性高低与土壤养分变化顺序基本一致，说明土壤酶活性可以反映土壤肥力的高低，可以用土壤酶活性来指示黄河故道湿地土壤肥力的变化。

关键词：黄河故道湿地；土地利用方式；土壤养分；酶活性

中图分类号：S154.2；S158.3 文献标识码：A文章编号：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

基金项目：教育部人文社会科学研究青年基金项目（13YJCZH283）；河南省科技厅科技攻关项目（132102310357）；商丘师范学院青年科研基金项目（2011QN21）

湿地是陆地生态系统的重要组成部分，介于水、陆生态系统之间的一类生态单元，具有水域和陆地生态系统的特点，是地球最富有生产力的生态系统之一[1，2]。近年来，由于人类对湿地资源的不合理利用造成湿地生态系统功能退化，使湿地退化研究及湿地土壤养分和肥力状况成为各国学者关注的热点[3-6]。

湿地土壤退化是个复杂的过程，湿地生态功能是通过物质循环和能量流动来实现的，尤其是养分循环过程，是其生态功能得以实现的重要基础[7]。不同类型的湿地因水文和地上植被的不同，输入土壤的凋落物和根系分泌物不同，因而形成的土壤有机碳库、土壤微生物生物量和土壤养分状况会存在差别。土壤酶参与土壤中各种生物化学过程，是土壤生物过程的主要调节者[8]。湿地土壤酶的存在状态与活性被认为是湿地生态系统中有机物质分解与转化的关键，控制着湿地生态系统物质循环和能量的流动[8]。对于土壤酶活性与土壤养分相关性研究大部分集中在农田生态系统[9，10]、林地生态系统[11，12]、丘陵及草地生态系统[4，13，14]，而对我国暖温带黄河湿地生态系统土壤酶活性与土壤养分的相关性研究较少[7]；特别是对黄河故道不同类型的湿地土壤酶活性与土壤养分含量的关系研究鲜见报道，因此无法全面开展对黄河故道湿地生态功能的维持及退化防治。鉴于此，以豫东黄河故道湿地为研究对象，调查不同类型湿地土壤酶活性、土壤有机质、土壤微生物生物量和土壤养分的分布特征，进一步探讨土壤酶活性与土壤有机质、微生物生物量和养分的相关关系，旨在为黄河故道湿地退化防治、恢复重建和湿地土壤质量的评价提供科学依据。

1研究地点与研究方法

1.1研究区自然概况

豫东黄河故道位于河南省与山东省接壤区，西起民权县睢州坝，东至虞城县小乔集，南北以黄河故堤为界（图1）。故道面积约1 520 km2，为明清时期古黄河水道遗留下的一段洼地，位于115°47′—116°17′E，34°50′—34°33′N，整体走向为西北—东南走向，呈带状分布。故道湿地属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年均气温为14.1 ℃，极端最高温为43.6 ℃，极端最低温为-23.4 ℃，年无霜期约210 d，年降水量686.5～872.9 mm。研究区属洪泽湖水系，由山东省单县大姜庄南入安徽省砀山经徐州后入淮河。历代由于黄河的多次泛滥和改道及地下水位不断上升，发育了众多湿地，主要类型为盐碱滩地、沼泽湿地、湿草地、水洼地和林地湿地；湿地土壤多为古黄河冲积沙土或沙壤土。植被类型以草本植物为主，乔木主要有山杨（Populus davidiana）、垂柳（Salix babylonica）、洋槐（Robinia pseudoacacia）、泡桐（Paulownia）等，灌木主要以野生柽柳（Tamarix chinensis）林为主。

1.2研究方法

1.2.1样地设置与样品采集样地选择是在野外植物调查的基础上，依据主要植物群落空间分布特征，利用相关地形林相图及遥感资料，在研究区内设置盐碱滩地（Saline-alkali wasteland，SAW）、湿草地（Humid grasslands，HG）、沼泽湿地（Marsh wetland，MW）和林地湿地（Forest wetland，FW）4种样地类型；每个样点选取3个剖面，分0～20 cm和20～60 cm两层取样，3次重复。将采集的土样拣出所有可见碎石、植物残体和根系后采用四分法混匀装袋，用冰盒运输并保存于4 ℃冰箱中待用。

1.2.2测定项目与方法土壤有机质（SOM）含量用重铬酸钾氧化-比色法测定；土壤全氮（TN）含量采用凯氏定氮法测定；土壤全磷（TP）含量采用高氯酸消化-钼锑抗比色法测定；土壤速效磷（AP）含量采用双酸浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾（AK）含量采用乙酸铵浸提-原子吸收法测定，以上项目的测定参照刘光崧[15]的方法。土壤微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸K2SO4浸提-TOC仪测定法测定[16]；土壤微生物生物量氮（MBN）采用氯仿熏蒸浸提-碱性过硫酸钾氧化比色法测定[16]；土壤脲酶（SUR）活性采用靛酚蓝比色法测定，以24 h后1 g土壤中NH3-N的量表示酶活性[mg/（g·d）]；土壤碱性磷酸酶（SAP）活性采用氯代二溴对苯醌亚胺比色法测定，以24 h后1 g土壤中释放出的酚的量表示酶活性[mg/（g·d）]；土壤过氧化氢酶（SC）活性采用高锰酸钾滴定法测定，以24 h内土壤消耗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3，5-二硝基水杨酸比色法测定，以 24 h后1 g土壤中所含葡萄糖的量表示酶活性[mg/（g·d）]，以上土壤酶活性的测定方法均参照关松荫[17]的方法。

1.2.3数据处理数据采用Excel 2003 和SPSS 16.0软件进行统计分析，Origin 8.0 软件作图；利用ANOVA进行方差分析，利用LSD法进行多重比较。

2结果与分析

2.1不同湿地类型的土壤有机质、养分含量和微生物生物量特征

由表1可以看出，不同样地SOM含量差异极显著（F=42.43，P<0.01），各样地SOM含量由大到小依次为FW、HG、MW、SAW，FW的SOM含量最高，为7.87 g/kg，HG和MW的SOM含量相近，差异不显著；SAW的SOM含量最低，为2.40 g/kg，极显著低于HG、MW和FW，SOM含量仅为MW和FW的35.9%和30.5%。土壤TN、TP、TK、AP和AK含量的变化规律与SOM较为一致，均表现出FW最高，SAW最低，且两者间差异显著或极显著。SOM与TN、TP、TK、AP和AK的相关系数分别为0.83、0.90、0.83、0.97和0.96，显著相关，说明SOM含量与土壤大部分养分含量密切相关。MBC和MBN含量呈现出与SOM含量一致的变化规律，均为FW>HG>MW>SAW，且各样地间差异达显著或极显著水平。SOM与MBC和MBN的相关系数分别为0.998和0.999，呈极显著相关，说明SOM含量与MBC和MBN含量关系极为密切。

2.2不同湿地类型的土壤酶活性特征

统计分析表明，4种不同土地利用方式的SUR、SI、SC和SAP活性差异显著或极显著（图2），且4种酶活性的变化规律均表现为FW>HG>MW>SAW，FW各种酶活性均为最高，且显著或极显著高于其他3种类型样地。

2.3土壤有机质、养分含量及微生物生物量与土壤酶活性的相关分析

由表2可知，SOM与4种土壤酶活性均呈显著或极显著正相关，TN与SUR、SC和SI活性呈显著正相关，TP与SUR和SAP活性呈极显著正相关。MBC与4种土壤酶活性均呈极显著正相关，MBN与4种土壤酶活性均呈显著或极显著正相关。AP与SUR、SAP活性显著相关，AK与SUR显著相关，TK与4种土壤酶活性的相关性均不显著。

土壤酶主要来源于土壤动植物和微生物，且与土壤有机质密切相关[5]。相关研究指出脲酶活性变化与土壤含氮量及土壤养分含量相关[18]。土壤磷酸酶活性的高低与土壤中磷的含量关系密切，对土壤中有机磷的分解与转化影响较大[19]。蔗糖酶可以表征土壤肥力质量及土壤熟化程度，对土壤中易溶性的养分物质起着重要作用[20]。本试验中，土壤酶活性与土壤有机质、土壤微生物生物量及土壤养分含量相关性较高，因此，可以用土壤酶活性来指示土壤肥力的高低。

2.4土壤酶活性之间的相关性

由表3可知，不同土地利用方式的土壤酶活性间关系密切，其中，SUR活性与SC、SI、SAP活性之间呈显著或极显著正相关；SC活性与SI活性呈显著正相关，与SAP活性相关性不显著；SI活性与SAP活性呈极显著正相关。黄河故道湿地4种土壤酶活性之间存在不同程度的相关性，说明土壤酶在促进土壤有机质分解与转化及在土壤物质循环和能量流动中存在共性关系。

3结论与讨论

黄河故道湿地不同类型湿地土壤有机质、土壤微生物生物量及养分含量差异显著。盐碱滩地土壤有机质和养分含量均较低，林地湿地最高，湿草地和沼泽湿地居中。这与地上植被类型、有机物质的含量及根系量有关，土壤有机质含量主要决定于地上有机物质的输入量[12]。本研究中林地湿地人为干扰较低，地上植被及庞大的根系量可改良土壤状况，良好的水热条件为地上植被提供了优良的生存环境，导致有机物质的输入量较大；同时，湿地的特殊环境也为有机质的积累提供了良好的条件，使其土壤有机质、土壤微生物生物量及土壤养分含量较高；同时也说明林地湿地在土壤养分积累、分解和转化方面较其他3种湿地类型的土壤有一定的优势。盐碱滩地土壤有机质、土壤微生物生物量和土壤养分含量均较低，这与其长期没有预防治理措施导致的恶劣土壤条件有关；盐碱滩地距离原黄河河道最近，地上植被稀疏，有机物质积累较少，且盐碱化导致的土壤碱性较大，不利于土壤有机质及养分的积累，导致土壤肥力质量退化[21]。

土壤酶活性是土壤功能比较重要的指标，与土壤有机质、土壤微生物生物量和部分土壤养分含量指标间呈显著或极显著正相关，且不同酶活性间也存在显著或极显著正相关，表明土壤酶活性可以反映土壤肥力的高低。土壤酶与土壤微生物和土壤动物代谢产物及植物根系分泌物密切相关，根系分泌物与土壤中微生物和动物含量增加，导致酶活性的增加[7，19]；同时，由于林地湿地土壤有机质含量较高，有充分的营养源维持土壤生物的生存，使土壤生物代谢旺盛，呼吸强度加大，从而使林地湿地各种酶活性较高。郭继勋等[22]研究表明，酶活性随着土壤微生物生物量的增加而不断增强，二者变化基本保持同步。相关研究指出，湿地土壤有机质和土壤理化性质与土壤酶活性之间关系密切[23-26]。本研究中，林地湿地酶活性均较高，且土壤有机质和土壤微生物生物量碳、氮含量比其他3个样地高，这也是林地湿地土壤酶活性较高的另外一个原因。湿草地和沼泽湿地地上有机物质含量不及林地湿地，且与土壤酶活性关系密切的土壤有机质和土壤微生物生物量碳、氮的含量均低于林地湿地，较低的土壤有机质限制了土壤酶的活性[25]。Kang等[8]和Omidi等[5]的研究表明，积水改变了土壤生物群落结构组成，在缺氧条件下，耗氧土壤动物和微生物对土壤有机质的分解速度受到影响，进而影响土壤酶的释放。张文菊等[27]研究证明，含水量高抑制土壤有机碳的矿化，抑制土壤酶的分解作用。由于这些因素的共同作用，导致湿草地和沼泽湿地土壤酶活性低于林地湿地。

土壤脲酶、土壤磷酸酶、土壤过氧化氢酶和土壤蔗糖酶4种酶活性与土壤微生物生物量碳、氮间呈显著或极显著正相关，可能与土壤微生物多样性有关，而土壤微生物多样性又与地上植被类型和多样性有关。因此，深入探讨黄河故道湿地土壤微生物群落特征、土壤动物群落特征、植物群落特征及演替规律及其与土壤理化和生物学性质的关系是今后研究的重点。

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