丹江口库区新生消落带不同土地利用酶活性比较

梁济平， 王彦东， 杨 珺， 任广鑫*， 冯永忠

1.西北农林科技大学农学院， 陕西 杨凌 712100

2.陕西省循环农业工程技术研究中心， 陕西 杨凌 712100

水库的人工水文调节致使水库周边形成具有周期性水位高低波动的水库消落带[1-2]，对于初期形成的生态系统尚未趋于稳定的消落带称为新生消落带，消落带具有重要的生态系统服务功能[3]，主要包括维持水陆生态系统的动态平衡[4]、生物多样性、库区水质保护等. 由于上游地区的人类活动和水土流失等，导致大量的污染物随暴洪、降水等形成的径流汇入河流，最终进入水库[5]. 地表径流汇入水库前会通过水库消落带，消落带的草地、林地等景观会作为保留、转化污染的生物缓冲器和过滤器来改变污染物的转化，对水体的污染物进行过滤、吸收[6]，从而减少营养物质和沉积物进入水体. 同时，由于水库水位上涨造成的水体污染物质向消落带的汇集[7]以及水位下降时污染物质从消落带土壤向水体的流失等情况会促进水体与土壤之间物质和能量交换[5]. 研究[8]表明，2014年以后，在不考虑水流扰动、地表径流和植物腐烂等因素影响的情况下，丹江口水库磷和氮的释放量分别为7.6和301.2 t，消落带土壤向水体释放的氮磷总量约占水体中氮磷含量的11%. 不同土地利用类型的消落带具有不同的植被组成，其土壤理化性质和微生物多样性等指标具有一定差异，因此，土地利用类型差异会影响水库消落带对径流污染物的截留、过滤和消解作用. 如PENG等[6]研究表明，消落带草地对于污染物的截留和水土保持具有重要作用，其中狗牙根是消落带绿化和植被恢复的理想选择；MA等[10]研究表明，在消落带采用适当的耕作方式可以增加土壤氮和磷的吸附，从而减少土壤侵蚀带来的养分流失；SHU等[11]研究表明，在消落带建立乔木林和“草本+藻类”的土地利用方式对生态服务和土壤恢复具有重要作用.

消落带土壤是汇集污染物的所在地，具有维持地上植被生长和地下生物多样性等作用，是污染物分解和转化的场所. 不同土地利用类型下的土壤微生物环境和土壤生态过程具有显著差异，而土壤酶对土地利用类型具有显著的空间依赖性，土壤养分和理化因子等会因环境的不同而存在差异[12]. 土壤酶是生态系统功能的普遍组成部分，在土壤有机质分解、养分循环和生物修复中发挥着重要作用，可作为判断土壤质量的生物学指标[13-14]和检测环境状态的生物传感器[15]，土壤酶活性已被用作微生物活性的替代物和土壤生产力的指标[16]. 土壤酶参与有机物的分解、氧化和土壤养分的生物化学循环[17]，在环境中发挥了关键作用. 研究[18]表明，土壤酶活性与碳、氮和磷的有效性成正比，与水质和消落带土壤沉积物化学指标直接相关，其中，碱性磷酸酶能催化有机磷酯和磷酸酸酐水解成无机磷，转化为生物可利用的活性磷，从而控制土壤磷的循环和有效性[19-20]；脲酶参与催化尿素水解成氨和二氧化碳，与土壤氮素状况、土壤有机质含量和微生物数量有关[21]；土壤转化酶催化蔗糖水解为葡萄糖和果糖，是土壤碳循环的关键酶，表征碳氮转化速率，与土壤微生物量和土壤有机质含量有关[22]；过氧化氢酶催化过氧化氢转化为氧气和水，是形成土壤腐殖质和防止过氧化氢对生物毒害的重要氧化还原酶系，是好氧微生物活动的重要指标[23]，与好氧微生物的数量和肥力有关[24]. 因此，了解不同土地利用类型下土壤酶活性的差异，有助于了解植被生态系统的稳定性及对养分的过滤作用[25]，有助于消落带土地利用配置的进一步优化.

南水北调工程是世界上最大的跨流域引水工程，丹江口水库是南水北调中线工程的水源地，其水质的优劣是南水北调工程可持续运行的决定性因素[26]. 随着2014年丹江口水库大坝加高的完成，水库正常蓄水位从157 m升至170 m，水库形成的消落带面积从2014年之前的(196.12±93.86)km2增至(258.58±126.27)km2，此外，丹江口水库水位具有明显的季节性变化特征，调水之后平均水位最低出现在6月，最高水位出现在11月，消落带淹没面积在11—12月最大、1—5月持续降低、6—10月持续增加，并且年际间存在差异[8]. 由于丹江口水库自2014年12月12日才开始正式调水，属于新形成的消落带，其植被演替和生态系统还不稳定，对其不同土地利用下的土壤性质缺乏有效研究. 有研究[12,27]表明，土壤酶活性与理化性质之间相关性较强，而土壤酶活性的测定结果可靠，能反映环境的实际变化. 因此，该研究以丹江口水库新生消落带的林地、农田和草地为研究对象，通过对新生消落带土壤酶活性、土壤养分和理化因子进行研究，分析对比淹没前后不同土地利用类型下土壤酶活性的差异，旨在对新生消落带的景观再造及水质安全保障提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

注： 消落带之外的区域即为对照区.

丹江口水库(32°36′N～33°48′N、110°59′E～111°49′E)的主要支流为汉江、丹江和老灌河，是南水北调中线工程的水源地和亚洲最大的人工湖，主库区横跨鄂、豫、陕三省，属北亚热带向暖温带过渡的季风性气候，年均气温13.7 ℃[28]，年总降水量900.4 mm，其中75%为汛期(6—10月)降水量. 丹江口水利枢纽工程大坝加高后，正常蓄水位由157 m升至170 m，相应库容达290.5×108m3，水库年均水面面积480.38 km2[8]. 其中，丹江汇入库区的新生消落带位于河南省淅川县境内，该区域新生消落带面积最大，具有多种土地利用类型，同时地势平坦，淹水时间长短随水位变化明显. 该研究通过提取大坝加高后至采样期(2014—2017年)Landsat 8 TM影像的水域面积，获得研究区新生消落带范围，并且以高于水位170 m的区域确定为对照区(见图1)，对照区为从未经历淹没的非消落带，通过实地调查并参考相关文献[29]，新生消落带主要土地利用类型为林地、农田和草地，其中，林地主要树种为柳树(Salixbabylonica)，农田落干季节主要种植作物为小麦(Triticumaestivum)，草地主要植被种类为狗牙根(Cynodondactylon)、芦苇(Phragmitesaustralis)、白茅(Imperatacylindrica)和野燕麦(Avenafatua)等[29-30].

1.2 试验设计及样品采集

采用裂区试验设计，主处理为样地类型，设为对照区和新生消落带两个水平；副处理为土地利用类型，有农田、林地和草地3个水平. 新生消落带落干面积在5—6月最大，并且水位升降的年际间存在差异，而且降水主要集中在6—10月[8]，考虑到库区水位和天气的变化情况，该研究确定采样时间为4月下旬至5月上旬. 于2017年4月28日—2017年5月2日在新生消落带和对照区各选择农田、林地和草地3种土地利用类型，每种土地利用类型选择3个大于20 m×20 m的样地，每个样地采集3个重复样本，每个重复样本均按照“S”形取样法选取10个采样点，清除表层杂物后用直径为5 cm的土钻采集表层(0～20 cm)土样. 将10个采样点土样混匀后分为两份，一份立即低温冷冻保存，用于土壤含水量、w(NO3--N)、w(NH4+-N)及酶活性的测定；另一份风干后用于其他指标的测定，样品使用灭菌聚乙烯自封袋保存.

1.3 土壤理化性质及酶活性的测定

土壤含水量采用烘干法测定，样品在105 ℃下烘至恒质量时的失重为土壤样品所含水分的质量. 土壤容重采用环刀法测定. 土壤pH使用pH计(DELTA320，上海仪电科学仪器股份有限公司)测定，水土比为2.5∶1. 土壤w(OM)采用重铬酸钾滴定法测定. 土壤经消解、浸提后，使用AA3连续流动化学分析仪(SEAL, Germany)测定w(TN)、w(TP)、w(NO3--N)、w(NH4+-N)，其中，w(TN)采用凯氏消解法，w(TP)采用H2SO4-HClO4消解，w(NO3--N)、w(NH4+-N)使用1 molL KCl浸提. 过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定. 脲酶、转化酶和碱性磷酸酶活性使用分光光度计(Thermo Fisher Scientific，USA)用比色法测定，脲酶活性采用苯酚钠比色法测定，转化酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定[31].

1.4 数据分析

使用SPSS 19.0的最小显著性差异法(LSD)进行显著性检验；使用Canoco 5.0的冗余分析(RDA)进行土壤理化性质对酶活性影响分析；作图使用Origin 2016软件.

2 结果与分析

2.1 新生消落带土壤理化性质特征

由表1可见，与对照区相比，新生消落带土壤含水量显著升高(P<0.05)，草地土壤含水量显著高于林地和农田，而对照区3种土地利用类型的土壤含水量不存在显著差异. 新生消落带草地土壤容重显著高于其他5种类型，而消落带农田土壤容重显著(P<0.05)低于对照区. 新生消落带林地pH显著高于农田和草地，对照区林地土壤pH显著低于其他土地利用类型. 与对照相比，新生消落带3种土地利用类型w(TN)显著降低，其中，农田w(TN)约降低23%，草地w(TN)约降低49%，林地w(TN)约降低16%，并且林地w(TN)显著高于农田和草地. 新生消落带3种土地利用类型w(NO3--N)较对照区域显著降低(P<0.05)，其中，林地w(NO3--N)约降低67%，3种土地利用类型w(NO3--N)之间不存在显著差异，w(NO3--N)平均值为15.56 mgkg. 新生消落带土壤w(NH4+-N)的变化不同于w(TN)和w(NO3--N)，与对照区相比，新生消落带农田和草地的w(NH4+-N)显著升高，并且新生消落带农田w(NH4+-N)显著高于林地和草地. 新生消落带农田和草地的w(TP)较对照区显著降低(P<0.05)，与之相反的是，林地w(TP)比对照区高出73%，新生消落带3种土地利用类型中，林地w(TP)最高，与农田和草地之间存在显著差异(P<0.05). 新生消落带3种土地利用类型土壤w(OM)均显著(P<0.05)低于对照区，林地w(OM)显著高于农田和草地.

表1 不同土地利用类型土壤理化性质的方差分析

注：不同小写字母代表显著差异(P<0.05).

2.2 新生消落带土壤酶活性的变化特征

土地利用类型对4种酶活性均有显著影响(P<0.05)，样地淹没与否极显著影响了脲酶和转化酶的活性(P<0.01)，土地利用类型和是否被淹没的交互作用对4种酶的活性均有极显著的影响(P<0.01)(见表2). 不同土地利用类型下土壤酶活性的变化特征如图2所示，与对照区相比，新生消落带林地转化酶和碱性磷酸酶活性变化不显著，而脲酶和过氧化氢酶活性显著升高(P<0.05)，新生消落带林地脲酶活性为81.61 mg(kg·d)，较对照区〔34.96 mg(kg·d)〕升高了133%，新生消落带林地过氧化氢酶活性为2.62 mL(kg·h)，较对照区升高了18%，新生消落带林地碱性磷酸酶活性也有所升高但不显著，而新生消落带与对照区林地转化酶活性之间无显著差异. 新生消落带农田酶活性均有不同程度的降低，其中，脲酶、转化酶和过氧化氢酶活性较对照区显著降低(P<0.05)，并且新生消落带农田脲酶活性变化最大，农田脲酶活性〔19.47 mg(kg·d)〕比对照区〔96.43 mg(kg·d)〕降低了79%，同时新生消落带农田转化酶和过氧化氢酶活性分别比对照区降低了31%和7%，新生消落带农田的碱性磷酸酶活性也有所降低，但并不显著. 同样，与对照区相比，新生消落带草地酶活性均有所降低，特别是脲酶、转化酶和碱性磷酸酶活性降低显著，变幅都比较大，新生消落带草地脲酶活性〔43.06 mg(kg·d)〕比对照区〔93.64 mg(kg·d)〕降低了54%，新生消落带草地转化酶活性比对照区〔48.80 mg(kg·d)〕降低了约63%，而碱性磷酸酶活性从对照区的390.16 μg(g·h)降至225.08 μg(g·h)，降低了42%；新生消落带草地过氧化氢酶活性有降低趋势但不显著. 可见，3种土地利用类型下新生消落带脲酶活性表现为林地>草地>农田；转化酶活性和碱性磷酸酶活性表现为林地>农田>草地；过氧化氢酶活性表现为草地>农田，林地与农田、草地之间均无显著差异. 综上，新生消落带林地的转化酶活性及农田、草地的土壤4种酶活性均低于对照区，新生消落带林地脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性均高于对照区，新生消落带林地酶活性显著区别于农田和草地.

表2 土壤酶活性的方差分析

注： 主处理为新生消落带与对照区，副处理为3种土地利用类型(农田、林地和草地)，主处理×副处理为二者的交互作用.F值表示显著水平(** 表示P<0.01； *表示P<0.05).

2.3 新生消落带土壤理化性质与土壤酶活性的关系

新生消落带土壤理化性质与土壤酶活性的关系使用RDA及Spearman相关性分析进行研究. RDA结果(见图3)显示，对照区3种土地利用类型两轴共同的解释率均高于70%，新生消落带3种土地利用类型两轴共同的解释率均高于80%，因此，该研究选择的理化因子指标对酶活性具有很强的解释能力. 新生消落带不同土地利用土壤理化性质对酶活性的影响与对照区不同. 新生消落带农田土壤中w(TP)、w(OM) 及pH对脲酶活性有正向影响，w(NH4+-N)对脲酶活性有负向影响，w(TN)、土壤含水量对转化酶活性有正向影响，土壤容重对转化酶活性有负向影响，土壤含水量对过氧化氢酶活性有正向影响，土壤容重对过氧化氢酶活性有负向影响. 新生消落带林地土壤中w(TN)、w(TP)对4种酶活性均有正向影响，而土壤含水量、w(OM)、w(NO3--N)、w(NH4+-N)及土壤容重对4种酶活性均有负向影响. 新生消落带草地土壤中w(TP)、w(OM)、pH对脲酶和过氧化氢酶活性有正向影响，而土壤含水量、容重对脲酶和过氧化氢酶活性有负向影响，土壤容重和w(NO3--N)对转化酶和碱性磷酸酶活性有正向影响.

土壤理化性质与土壤酶活性的Spearman相关性分析结果(见表3)表明，新生消落带农田土壤中w(NH4+-N) 与脲酶活性呈显著负相关(P<0.05)，土壤含水量与过氧化氢酶活性呈显著正相关(P<0.05)，土壤含水量与转化酶活性呈极显著正相关(P<0.01)；新生消落带林地w(TP)与过氧化氢酶活性呈极显著(P<0.01)正相关，w(TN)与转化酶活性呈显著正相关(P<0.05)；新生消落带草地w(TP)与过氧化氢酶呈显著负相关(P<0.05). 因此，新生消落带农田土壤含水量和w(NH4+-N)的增加以及容重、w(TN)、w(OM)、w(TP)的降低会导致土壤脲酶、转化酶和过氧化氢酶活性的降低；新生消落带林地土壤含水量、pH、w(TP)的增加以及w(NO3--N)、w(OM)的降低会导致脲酶、过氧化氢酶活性的升高；新生消落带草地土壤含水量、w(NH4+-N)的增加以及w(TN)、w(TP)、w(OM)的降低会导致脲酶、转化酶、碱性磷酸酶活性的降低.

注：** 表示在0.01水平下相关性极著性；*表示在0.05水平下相关性著性.

3 讨论

土壤酶来源于植物残体腐解过程中的释放和植被根系及土壤微生物的分泌[32]. 不同植被类型下土壤酶活性具有显著差异[33]，并且土壤微生物作为土壤生态系统物质循环和能量流动的主要驱动力，能显著影响土壤酶活性[34]. 土壤微生物结构受植被类型和土壤理化性质的影响[35]，而新生消落带水的消落对植被类型及土壤理化性质具有显著影响，因此新生消落带不同土地利用类型下的土壤酶活性存在差异. 研究[5,36]表明，水位消涨过程扰动了土壤原有生态环境的平衡和稳定，淹没后植被恢复，但会使得不同土地利用类型下土壤理化性质出现显著差异[11]，而酶活性的高低与土壤理化性质的变化密切相关[21]. 该研究结果表明，新生消落带由于水的淹没使得不同土地利用类型的土壤脲酶、转化酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性发生了改变. 与对照区相比，新生消落带农田土壤脲酶、转化酶和过氧化氢酶活性显著降低，同样草地土壤脲酶、转化酶和碱性磷酸酶活性也显著降低，而林地土壤脲酶和过氧化氢酶活性显著升高，但农田的土壤碱性磷酸酶、草地的过氧化氢酶、林地的转化酶和碱性磷酸酶均未发生显著变化.

新生消落带农田地上植被因不耐涝缺氧死亡[6]，植被残体腐解过程所释放的TP、TN和OM大部分溶于水体[37]，并且有研究[38]表明，由于微生物的活动，氮释放到水中或以气体等其他形式流失，磷在分解过程中迅速释放到水体中，铵的硝化作用受到抑制，反硝化作用脱氮使得氮含量减少[39]，笔者研究结果也表明新生消落带农田土壤养分均显著低于对照区. 此外，在耕作过程中水库新生消落带及周边土壤均未使用化肥[40]，氮、磷外界来源减少，水体中的养分因很少能被吸附固定，使得新生消落带土壤中的w(TN)、w(TP)、w(OM)进一步降低[7]，而土壤w(TN)、w(TP)、w(OM)能正向影响土壤酶活性[41]，因此新生消落带农田脲酶、转化酶和过氧化氢酶活性降低.

新生消落带林地淹没后大部分植被能够存活，研究[11,42]表明，林地可以通过植物或土壤微生物固定氮、磷，以减少氮、磷流失对水体的影响，有助于削减水体污染物. 库区因淹没带来大量的氮、磷及有机物，林地植被根系对水体中的氮磷有吸附固定作用[43]，部分磷被束缚沉积到有机掉落物、泥炭及无机沉淀中，笔者研究结果表明，新生消落带林地w(TP)显著高于对照区，林地w(TN)远高于农田和草地，氮磷的增加为微生物活动提供了充足的养分[18]，w(TN)、w(TP)对脲酶活性有正向影响，使得新生消落带脲酶活性显著高于对照区. 同时有研究[38]表明，在厌氧条件下，林地根部因环境胁迫作用会产生大量过氧化氢而对植被产生毒害作用，过氧化氢酶活性会被激活，这与笔者所得结果一致.

新生消落带草地淹没后部分植被死亡，有研究[44]表明，超过90%的狗牙根等耐涝草本在浸泡180 d后仍能存活，并且在淹没条件下仍可进行呼吸作用，草地具有很强的截留泥沙能力但不具备很强的养分吸附能力[6]，导致土壤中的部分养分经浸泡会溶于水体，使得土壤w(TN)、w(TP)等养分流失，此外，厌氧条件下土壤反硝化作用会引起氮损失，进一步造成土壤养分含量显著降低，土壤养分的流失使得微生物底物减少[45]，这使得新生消落带草地土壤养分循环相关的脲酶、转化酶、碱性磷酸酶活性显著降低. 淹没后3种土地利用类型土壤养分均有显著降低，但仅林地酶活性有所升高，而农田和草地的酶活性均显著降低，因此，与农田和草地相比，林地在截留养分方面具有更重要的作用，更有利于土壤养分固持，有助于净化水质、减少污染.

4 结论

a) 新生消落带农田、林地和草地3种土地利用类型中w(TN)、w(OM)及w(NO3--N)均显著低于对照区，而新生消落带林地淹没后土壤养分流失均低于草地和农田，特别是新生消落带林地w(TP)高于对照区，此外，淹没后林地土壤酶活性均显著升高，而农田和草地酶活性显著降低，因此新生消落带林地更有利于微生物生存，进而分解土壤从水体吸附固定的氮磷以及维持林地更为复杂的生态系统结构.

b) 林地比农田和草地具有更高的稳定性，有利于新生消落带土壤养分的固持，也有利于淹没后土壤生态环境的恢复，同时可以考虑在林下建立更多的耐涝草本与林地构成复合结构，对于新生消落带农田可以考虑种植耐涝草本，减少土壤的流失.