三江平原湿地不同土地利用方式对土壤养分及酶活性的影响

王振芬

(绥化学院 农业与水利工程学院, 黑龙江 绥化 152061)

土壤在物质循环及能力交换过程中成为重要的养分载体，对环境产生重要影响，能够对人类开发利用自然资源起到很明显的反映作用[1-3]。土壤酶是土壤生物化学过程的主要调节者，参与了土壤环境中的一切生物化学过程,与有机物质分解、营养物质循环、能量转移、环境质量等密切相关，并且酶的分解作用是物质循环过程的限制性步骤[4-5]，其不仅直接参与土壤生物化学反应，同时影响到有机质分解的效率和质量，进而影响土壤肥力和活性，对能量交换及作物生长发育起着严重的制约作用[6-8]。对于土壤养分而言，其含量受到众多影响因素的制约，气候及地形等直接的环境要素会对其施加直接干预[9-10]，而人类活动也是不可忽视的作用要素，土壤养分的构成和含量是多种因素综合作用的结果，其为植物的生长发育提供必不可少的营养，是土壤质量的重要反映指标之一[11-13]。土壤酶活性直接影响土壤活性，同时对微生物活动产生影响，其能够作为多种生化反应的催化剂，在有机质分解过程中作用显著，对物质循环起着无可替代的作用，同时其参与无机质的氧化及还原反应，能够对土壤新陈代谢起到重要的促进作用[14-16]。在人们生产生活中，土地利用是人类干预土壤肥力最重要、最直接的活动，同时人为开发利用土地会对土壤产生最直接的干预，不仅能够改变土壤结构，还能改变土壤肥力及活性等，对土壤物质循环产生严重影响，进而对陆地生态系统施加重要影响，最终影响土壤质量和土壤环境变迁。

在地球上占据主体的是陆地和海洋湖泊，介于二者之间的是湿地，湿地因其独特的地理特点受到不少学者的关注和探究，湿地能够将大量有机质逐渐积累沉淀，而有机质对于土壤养分和肥力的保持起着无可替代的作用，对营养物质再生施加影响，并直接制约植物对养分的吸收利用[5-6]。土壤酶活性对于物质转化效率产生直接的影响，可以说其对湿地生态作用显著。我国最大的淡水沼泽属于三江平原，上个世纪中叶其总面积的80%为湿地，拥有湿地面积多达535万hm2，随着近些年来的不断开发利用，尤其是不合理的开发导致其面积不断减少，一半以上的湿地消失了[5]，从中不难看出不合理的资源开发带来的危害。过度的湿地开发利用直接导致湿地面积减少，同时导致湿地土壤严重退化，在多种因素共同作用之下，湿地的生物化学反应被人为干预过多，原有的土壤新陈代谢等受到影响，湿地土壤结构、活性及肥力受到显著影响，尤其是经过大量开垦之后，植被多样性受到影响，植被数量下降，随之而来的是表土流失明显加剧，土壤活力、养分及肥力下降，最终不利于湿地资源合理开发利用，进而对生产生活产生影响[9-10]。在对湿地进行农业开垦之后，因过度利用等导致开垦出的土壤质量逐渐下降，土壤退化现象明显，虽然近年来关于湿地土壤的相关研究越来越多，但是对于三江平原的相关研究并不多见，尤其是在酶活性的视角下对该区域开展相关研究，为了更好地认识三江平原土地利用方式对土壤酶活性的影响，我们对几种土地利用方式的土壤酶活性及肥力因子进行研究，以明确土地利用方式对其的影响，为湿地土地利用方式的改变和农业结构调整提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样点分布

本研究选择的试验区域为湿地生态试验站，位于三江平原，是中科院下属湿地研究样点，位于北纬47°35′，东经133°31′，是少数仅有的野外湿地研究专业台站，地处黑龙江同江市，介于别拉洪河与浓江之间的河间区域，平均海拔55～57 m；因所处地理位置影响，该区域气候具有明显的温带大陆性季风特点，经过近年来的气象数据发现，该区域的年均气温在11℃，其中最低气温在1月，月均气温低至-21℃，较为炎热的月份为7月，其月均气温在22℃，拥有近600 mm的降雨量，全年的雨季主要在7—9月，全年的霜期较长，大约有240 d；该区域冻土现象明显，且具有明显的季节性特点，冻融期较长，从11月开始长达7个月的冻融期，且冻层深达116 m；该区域不仅有草甸、腐殖质、泥炭类沼泽土，还有潜育、草甸类的白浆土，优势植被物种主要是苔草，诸如有毛苔草、漂筏苔草等；该试验站面积多达100 hm2，且具有旱田、水田试验场，同时具有土壤养分观测区、蒸发观测区、植被观测区等。

1.2 样品采集

本试验开始于2016年10月，首先在草甸沼泽区域开展相应的土样采集，并区分4种土壤利用方式：(1) “小叶章”草甸生态系统(wetland ecosystem)：指从地表季节性积水的小叶章草甸生态系统处采集的土样；(2) 旱田系统(dryland ecosystem)：指1987年由小叶章草甸湿地开垦为旱田系统，至今仍为旱耕地；(3) “退耕成草”(conversion from dryland to wetland)：指从人工还原的小叶章草甸处采集的土样，该采样区于1987年由小叶章草甸生态系统人工开垦为旱地，又于1987年人工还原为小叶章草甸；(4) “退耕成林”(conversion from dryland to forestland)指从人工还原的白桦林中采集的土样，该采样区于1987年由人工开垦的旱田系统转型为人工白桦林。由于采样区的土壤性质大体分布均匀，所以采用随机布点法，即每种采样区随机选取6个采样点。采用多点混合的方法采集0—20 cm深度的土壤样品，再反复按四分法弃取，最后留下所需的土量，把混合土壤样品带回实验室后，自然风干，挑去石块、植物根系等杂物，磨碎，过1 mm筛，装袋备用。

1.3 土壤养分和酶活性测定

首先对部分样品进行长达20 d的风干处理，之后将其中的杂物去掉，并过2 mm筛，之后开展相应的指标测定：对有机碳、全氮、碱解氮含量的测定分别借助于加热法、凯氏定氮法、NaOH—H3BO3法；对于速效磷及钾的测定分别通过比色法、光度计法[17]。同时将一部分新鲜土样置于4℃下保存，并对其微生物量碳及氮含量进行测量，具体借助于浸提法[18]。土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、脱氢酶活性指标的测定分别通过二硝基水杨酸比色法、苯酚钠比色法、磷酸苯二钠法、光度法[8-9]。

数据分析利用SPSS 21.0。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式对土壤养分的影响

由表1可知，对于土壤全氮及钾、速效磷、碱解氮而言，其含量最高的是湿地草甸区域，其次是退耕草地及林地，而含量最低的是旱田区域，也即是说，在湿地草甸退化的同时，土壤养分难以得到及时补充，因而其含量越来越低；尽管湿地开垦方式不同，但是全磷含量并没有较明显差异，在0.05检验水平下并没有达到显著水平；对于土壤有机质而言，其重要反映指标之一就是土壤碳氮比，碳氮比受到的影响因素较多，不仅水分、热量能够显著影响其比值，腐殖质及植物残体等都能显著影响该比值，此外，翻耕、施肥等人为耕作方式的不同也将带来不同的影响，通过本研究发现，不同的耕作条件，其碳氮含量差异明显，这就造成了不同土地利用下的碳氮比不同：在湿地草甸被逐渐开发利用之后，该比值出现较明显的上升，这说明在湿地开垦后导致有机碳含量减少，而在湿地逐渐恢复过程中该比值在不断增加，同时经过退耕还林、还草后，该比值依然增加明显。当被开垦为农田后，土壤的碳氮比值下降，主要原因在于氮肥的施用大量增加，而有机肥料却在减少。

表1 不同土地利用方式对土壤养分的影响

注：相同小写字母表示在0.05水平上差异不显著，下表同。

2.2 不同土地利用方式对土壤微生物碳和氮的影响

从表2可以看出，不同土地利用方式土壤微生物量碳(SMBC)和微生物量氮(SMBN)均呈现出一致性规律，大致表现为湿地草甸>退耕草地>退耕林地>旱田系统，其中不同土地利用方式土壤微生物量碳(SMBC)差异均显著(p<0.05)，在湿地草甸退化的过程中，土壤微生物量碳(SMBC)显著降低；退耕林地和旱田系统土壤微生物量碳(SMBC)差异不显著(p>0.05)。对于SMBC/SMBN，大致表现为退耕林地>旱田系统>退耕草地>湿地草甸，其中退耕林地和旱田系统差异不显著(p>0.05)，退耕草地和湿地草甸差异不显著(p>0.05)。

2.3 不同土地利用方式对土壤酶活性的影响

由表3可知，湿地草甸经开垦种植作物后，土壤蔗糖酶、脱氢酶、脲酶和酸性磷酸酶活性均显著降低，其活性分别降低了32.69%，36.71%，50.00%，44.28%。退耕成草，即由旱田系统恢复为湿地草甸系统后，土壤各种酶活性均显著增加，其中土壤蔗糖酶、脱氢酶、脲酶和酸性磷酸酶活性分别比旱田系统增加了26.68%，31.51%，48.19%，43.84%；而退耕成林，即由旱地系统恢复为林地后，各种酶的活性也有所增加。

表2 不同土地利用方式对土壤微生物碳和氮的影响

2.4 土壤养分与酶活性之间的相关性

由表4可知，土壤养分与土壤蔗糖酶、脱氢酶、脲酶和酸性磷酸酶活性的相关性显示；SOC和TN与土壤蔗糖酶、脱氢酶、脲酶和酸性磷酸酶活性呈显著正相关；TP和AP与土壤蔗糖酶、脱氢酶、脲酶和酸性磷酸酶活性没有相关性(p>0.05)；SMBC与土壤蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性呈显著正相关；SMBC/SMBN与土壤蔗糖酶、脱氢酶活性呈显著负相关，说明SMBC/SMBN对土壤蔗糖酶、脱氢酶活性贡献为负，SOC，TN和SMBC对土壤蔗糖酶、脱氢酶、脲酶和酸性磷酸酶活性的贡献为正，对土壤酶活性起到主导作用，其中SOC对土壤酶活性的影响最大。

表3 不同土地利用方式对土壤酶活性的影响 mg/(g·d)

表4 土壤养分与酶活性之间的相关性

注：*，**分别表示在0.05，0.01水平上差异显著(双尾)。

2.5 土壤养分和酶活性的主成分分析

对于土壤养分及酶活性之间的关系通过主成分分析法，同时借助于这一方法实现数据的降维处理，这样能从多种变量中选取其中的重要变量，中间借助于线性变换的方式，为了探究湿地土壤养分及酶活性，本研究对土壤养分开展了主成分分析，并从中提取的主成分为4个，其中主成分1，2对变量方差的解释度分别达到了69%，85%，前3个主成分对变量的贡献率超过了91%，因此可以说前3个主成分因子就是主要的解释变量；通过统计分析得知，不同的养分在主成分上的荷载值并不相同，具体如表5—6所示。

表5 方差分解主成分提取分析

表6 主成分载荷因子

注：下划线数字表示载荷因子达显著水平(p<0.05)。

3 讨论与结论

对于土壤活性而言，酶是其中的重要活性成分，其直接影响土壤碳循环和能量交换，同时对微生物分解作用及新陈代谢等产生重要影响，是对土壤活性的重要反映指标之一[19-20]。对于土壤有机碳、速效磷、碱解氮、全氮及钾而言，其含量最高的是湿地草甸区域，其次是退耕草地及林地，而含量最低的是旱田区域，也即是说，在湿地草甸退化的同时，土壤养分难以得到及时补充，因而其含量越来越低；尽管湿地开垦方式不同，但是全磷含量并没有较明显差异，在0.05检验水平下并没有达到显著水平；与湿地草甸不同的是，诸如蔗糖酶、脱氢酶等多种土壤酶含量明显下降，脲酶、磷酸酶活性下降幅度分别达到50%和44%，而蔗糖酶、脱氢酶活性的下降幅度均在30%以上；湿地被开发利用为旱田可耕地之后，发生了明显的生物学反应，也即是微生物降解作用增强，但是退耕还草还林属于明显的微生物积累过程。通过相关性分析得知，对土壤酶活性作用最为显著的是SOC，TN和SMBC，其与酶活性之间具有正相关关系，另外，通过主成分分析得知，以上3种因子为酶活性最主要的影响因素，以往不少学者通过分析研究也得出了类似的结论，这与以往研究基本接近[21-23]。酶活性的增强和保持也需要一定的养分来源，其中关键的是有机碳、全氮，当湿地被开发利用耕作之后，有机碳难以得到及时的补充，而腐殖质等分解逐渐殆尽，导致土壤的碳储量不足，同时减少的碳排放至大气，使得大气中温室气体增加，即使从全球气温上升的角度来看，也应降低湿地的不合理开发利用，从而保持碳储量处于相对平衡状态，因此如何提升土壤的固碳能力成为研究重点之一。

在长期的水淹之下，原有的土壤逐渐成为湿地，成为介于水、陆之间的独特区域，在为湿地植被提供生长空间的同时，承载这诸多的生物多样性和丰富性，是微生物群落分布的典型区域，湿地环境受到多种影响因素的制约，尤其是水文状况作用最为直接，同时人为干预也是不可忽视的影响因素，水文状况在较长期内基本无过大变化，但是人为干预将最能带来较大后果，湿地土壤的结构、活力及肥力将在人为干预之下受到显著影响，土壤原有的通气性等受到改变[24]。通过研究发现，土壤利用方式不同，其有机碳、酶活性也将发生相应的改变，土壤养分在不同区域也呈现显著差异，湿地开垦方式的不同改变了土壤原有性质，如何合理开发利用湿地资源成为当前最为现实的问题，同时也是今后的研究重点之一。

经过几十年的开发利用，三江平原湿地面积减少了一半，该区域的水文条件发生了较大改变，地下水位明显下降，土壤呈现明显的干湿交替特点，这对于有机质的分解、矿化作用起到明显的加速作用，在此影响下，土壤养分淋失现象更加明显，土壤养分降低，最终改变了土壤的结构特点以及土壤肥力、活性，不利于土地资源的合理开发[5-6]；此外，地下水位下降的情况下，干湿交替更加明显，这将导致土壤养分的淋溶速度加快，进而降低土壤养分，导致土壤在很大程度上发生退化现象[25]。湿地被过度开垦之后，原有的水文条件被直接改变，土壤结构及肥力等发生变化，加之施肥的影响，土壤养分等将发生一系列变化，原有的养分平衡被改变[26]，在粗放经营的土地开垦条件下，土壤有机质明显减少，而土壤养分又无法得到全面及时的补充，在多种条件影响下，土壤退化难以避免，因此合理开发利用湿地资源对于湿地保护意义重大，要降低过度开垦对湿地资源的破坏，注重保护水文资源。