羅 琰，蘇德榮*，呂世海，布 和，賀 晶，謝晶杰

(1 北京林業(yè)大學(xué)草地資源與生態(tài)研究中心，北京 100083；2 中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；3 內(nèi)蒙古輝河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，內(nèi)蒙古海拉爾 021100)

輝河濕地河岸帶土壤養(yǎng)分與酶活性特征及相關(guān)性研究①

羅 琰1，蘇德榮1*，呂世海2，布 和3，賀 晶1，謝晶杰1

(1 北京林業(yè)大學(xué)草地資源與生態(tài)研究中心，北京 100083；2 中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；3 內(nèi)蒙古輝河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，內(nèi)蒙古海拉爾 021100)

以輝河濕地國家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)核心區(qū)為研究區(qū)，通過野外采樣和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，研究土壤養(yǎng)分和酶活性特征以及二者間的相關(guān)性。結(jié)果表明，隨著距河岸距離的增大以及高程的增加，輝河濕地河岸帶土壤理化性質(zhì)發(fā)生明顯的梯度變化，土壤全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)含量從岸邊蘆葦帶到岸坡草本植物帶呈先增大后下降的變化趨勢(shì)，而土壤含水量呈下降趨勢(shì)。同時(shí)，土壤酶活性(堿性磷酸酶、脲酶)也隨著植被群落的陸向演替，呈現(xiàn)出一定的差異和變化規(guī)律，整體呈增大趨勢(shì)，其活性與全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。綜合分析表明，輝河濕地河岸帶土壤酶活性不僅與土壤性質(zhì)有關(guān)，與水文狀況、微地形、植被演替也密切相關(guān)。

輝河濕地；河岸帶；土壤水解酶；土壤性質(zhì)

土壤作為生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)轉(zhuǎn)換的主要媒介，不僅是植物的能源儲(chǔ)存庫，也是河岸濕地生態(tài)系統(tǒng)最主要的環(huán)境因子[1–2]。土壤酶作為土壤中活躍的成分[3]，參與土壤中有機(jī)物質(zhì)的分解、合成以及碳、氮等養(yǎng)分釋放的全過程，直接或間接影響著土壤一系列的生物化學(xué)反應(yīng)[4–5]，常常作為濕地物質(zhì)分解循環(huán)過程強(qiáng)度的指標(biāo)[6]。河岸帶具有獨(dú)特的水文、生物和土壤特征，因此其土壤理化性質(zhì)和植被均會(huì)對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生影響，有關(guān)河岸濕地酶活性的影響因素研究也取得了一定的成果。研究表明，土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)[7–9]。此外，隨著距河岸距離的遠(yuǎn)近變化、高程的梯度增加以及植物群落向陸地的演替，土壤酶活性都會(huì)受到影響而表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律[10–11]。由此可知，土壤酶活性與環(huán)境因子密切相關(guān)。探討土壤酶活性與多種環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系，有助于深入解析土壤生態(tài)過程，進(jìn)而開展土壤系統(tǒng)的科學(xué)調(diào)控。

目前，針對(duì)草原河岸濕地土壤酶方面仍缺乏一定的基礎(chǔ)研究。因此，本文以呼倫貝爾輝河草原濕地保護(hù)區(qū)為研究區(qū)域，選取參與土壤有機(jī)磷轉(zhuǎn)化的堿性磷酸酶和與土壤氮素狀況有關(guān)的脲酶兩種水解酶，并結(jié)合土壤理化性質(zhì)，以期為草原濕地土壤生物化學(xué)過程研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于輝河濕地國家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)核心區(qū)，隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗，地理位置為118°48′ ~ 119°45′E，48°10′ ~ 48°57′N。氣候?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，降水少，多大風(fēng)，年平均氣溫 –2.4 ~ 2.2℃，無霜期為100 ~ 120天，年降水量300 ~ 350 mm，70% 集中在6—9月的夏秋季節(jié)。該區(qū)處于大興安嶺西北坡山地向呼倫貝爾高原的過渡地段，地勢(shì)由東南向西北傾斜，平均海拔800 ~ 1 000 m。

本次試驗(yàn)選擇人類干擾較弱的中游河段河岸帶典型草原核心區(qū)，土壤類型為輕壤質(zhì)暗栗鈣土，群落建群種為羊草(Aneurolepidium chinese)、大針茅(Stipa grandis)，優(yōu)勢(shì)種為糙隱子草(Cleistogens squarrosa)、冷蒿(Artemisia frigida)。經(jīng)野外踏查，河岸帶存在比較明顯的植被梯度變化。距離水邊近、地勢(shì)較低洼的地方植被多為蘆葦、水芹等植物，為分散生長(zhǎng)型，分布不均勻；距離水邊稍遠(yuǎn)、地勢(shì)平坦的地方植被主要是草本，為密集生長(zhǎng)型，分布較為均勻；而遠(yuǎn)離水邊地勢(shì)較高的地方植被類型為草本植物和少量灌叢混合生長(zhǎng)，植物蓋度小，分布稀疏。

1.2 樣品采集

沿河岸邊至岸坡陸向水平取一樣帶，約100 m設(shè)一個(gè)樣點(diǎn)，共15個(gè)樣點(diǎn)，并記錄坐標(biāo)、海拔、坡向、坡度。S1 ~ S3位于河岸邊，主要植物群落為蘆葦；S4 ~ S15依次位于岸坡，植物群落呈典型草原植被分布。每個(gè)樣點(diǎn)隨機(jī)取土壤樣品3份等量充分混合，放入土壤樣袋帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、研磨、過篩以供測(cè)定土壤理化性質(zhì)及酶活性。樣品采集時(shí)間為2015年8月。

1.3 測(cè)定方法

土壤水分采用烘干法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀滴定法測(cè)定；全氮采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；全磷采用硫酸–高氯酸消煮–鉬銻抗比色法測(cè)定[12]。脲酶采用苯酚鈉比色法測(cè)定；堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定[13]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)使用Excel軟件進(jìn)行整理，應(yīng)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行多重比較及相關(guān)性分析，用 Origin軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 輝河濕地河岸帶土壤養(yǎng)分特征

輝河濕地河岸帶土壤養(yǎng)分特征的變化狀況見表1。從岸邊蘆葦帶到岸坡草本植物帶，全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)含量呈先增加后下降的趨勢(shì)。其中，全氮、全磷含量在S13樣點(diǎn)顯著高于岸坡其他樣點(diǎn)，而后又呈下降趨勢(shì)；土壤有機(jī)質(zhì)含量則是在 S12樣點(diǎn)達(dá)到最大，在S13 ~ S15有所下降。由此可見，輝河濕地河岸帶土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量呈明顯的陸向變化特征，即從岸邊至岸坡先逐漸增大且各營(yíng)養(yǎng)元素含量都顯著高于岸邊樣點(diǎn)，此后又呈下降的變化趨勢(shì)。

表1 輝河濕地河岸帶土壤營(yíng)養(yǎng)元素性質(zhì)特征(g/kg)

2.2 輝河濕地河岸帶土壤水分的陸向變化

土壤水分的梯度變化是河岸帶的主要特征之一。從圖2可以看出，從岸邊到岸坡土壤水分存在顯著的陸向變化。其中位于岸邊的S1、S2和S3樣點(diǎn)土壤水分含量分別為392.1、371.5 和230.9 g/kg，明顯高于岸坡其他樣點(diǎn)，而S4 ~ S15區(qū)域間的土壤含水量變化幅度較小。

圖1 土壤水分的陸向變化(岸邊距離為0 m)

2.3 輝河濕地河岸帶土壤酶活性的陸向變化

圖 2是輝河濕地河岸帶土壤酶活性的陸向變化狀況。堿性磷酸酶和脲酶活性隨著植被從岸邊蘆葦帶到岸坡草本植物帶的演替，整體呈增大趨勢(shì)。在樣點(diǎn) S1，堿性磷酸酶和脲酶活性最低，而后堿性磷酸酶活性逐漸增大，但在S8 ~ S10區(qū)域間酶活性有所下降，此后又逐漸升高，在 S15達(dá)到最大，為0.28 mg/(g·h)，酶活性是S1的1.6倍；脲酶活性在S6和S7間出現(xiàn)大幅度下降，酶活性下降了10.8%，而后在S8 ~ S15區(qū)域間酶活性的變化較小，并且趨于活性的最高值。

2.4 輝河濕地河岸帶土壤酶活性與土壤理化因子的相關(guān)性

由表2可知，堿性磷酸酶和脲酶活性與全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)呈顯著的正相關(guān)(P<0.01)，與土壤含水量呈顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.01)，其中與全氮和有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性最大。

圖2 土壤酶活性的陸向變化(岸邊距離為0 m)

表2 土壤酶活性與土壤理化因子的相關(guān)性

3 討論

3.1 輝河濕地河岸帶土壤理化因子的陸向變化

隨著距河岸距離的增大以及高程的增加，土壤全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)含量從岸邊蘆葦帶到岸坡草本植物帶呈先增大后下降的變化趨勢(shì)。其原因可能是靠河岸較近，地勢(shì)相對(duì)較低，水流沖刷會(huì)帶走土壤表層的植被枯落物，不利于土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分的積累[14]。而從蘆葦帶到草本植物帶，由于植被對(duì)水流的減速作用，植被的凋落物大量進(jìn)入土壤成為有機(jī)質(zhì)，因此越到群落演替的較高階段，植株密度越高導(dǎo)致凋落物含量增加，從而使土壤的有機(jī)質(zhì)含量增加[15]。本研究結(jié)果表明，隨著植物群落的陸向演替，從濕地到水陸交錯(cuò)的干濕交替區(qū)域，植被密度較高且根系交錯(cuò)分布，土壤養(yǎng)分水平較高，與孔濤等[16]對(duì)于渾河上游典型植被河岸帶土壤有機(jī)碳、全氮和全磷分布特征的研究結(jié)果一致，也進(jìn)一步證實(shí)了在濕地中隨著演替的發(fā)展土壤營(yíng)養(yǎng)條件逐漸得到改善的結(jié)果[15]。此外，本研究結(jié)果也表明隨著距河岸距離的增大以及高程的增加，土壤養(yǎng)分含量并不是持續(xù)上升，而是趨于最高值后呈下降趨勢(shì)，可能是因?yàn)殡S著高程的進(jìn)一步增加，植被生長(zhǎng)所需的水熱、肥力等條件不足而使植物生長(zhǎng)受限，地表植被稀疏，植物殘?bào)w等有機(jī)物稀少不利于土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分的積累，以致土壤養(yǎng)分水平降低，土壤有退化趨勢(shì)。

3.2 土壤性質(zhì)對(duì)酶活性的影響

土壤碳、氮、磷元素是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，當(dāng)其含量增加時(shí)，土壤酶積極參與其轉(zhuǎn)化分解過程，在土壤的生物化學(xué)過程中，酶的活性能夠表征這些養(yǎng)分的循環(huán)狀況[17–18]。

全氮能增加植被地上及地下活細(xì)根生物量，促進(jìn)根際微生物生長(zhǎng)，致使土壤中相關(guān)酶活性增強(qiáng)[19]；有機(jī)質(zhì)可改變土壤孔隙度、通氣度與土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[20]，具有顯著的緩沖作用和持水力，是各種酶類的重要載體，為土壤酶發(fā)揮作用提供場(chǎng)所與適宜的條件；有效磷可促進(jìn)植被根系生長(zhǎng)，增強(qiáng)土壤微生物對(duì)土壤酶的合成，提高土壤酶活性。大量研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷是影響酶活性的主要因子，與土壤酶活性呈顯著和極顯著正相關(guān)[14,22–23]。本研究結(jié)果與以上結(jié)論相一致，明了土壤碳氮磷對(duì)土壤酶活性的強(qiáng)弱起重要作用。

土壤水分被認(rèn)為是影響酶活性的主要因子[24]。大部分研究表明，土壤水分的增加為各種酶促反應(yīng)提供了反應(yīng)條件與場(chǎng)所使土壤酶活性升高，其活性隨土壤含水量的升高而增強(qiáng)[25–26]；而在土壤積水條件下，會(huì)形成缺氧還原環(huán)境增加 Fe2+等抑制因子的濃度而影響土壤酶活性[27]。由表 2可知，兩種酶活性均和土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)，因此可見土壤水分對(duì)酶活性的影響是復(fù)雜的。此外，濕地由于地下水位高，缺氧條件下需氧微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解緩慢，導(dǎo)致土壤酶活性不高[28]。

除了土壤養(yǎng)分要素外，不同類型的植被通過凋落物和根系分泌物來影響土壤微生物，從而影響土壤酶活性的高低。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著植被群落由蘆葦?shù)人参锵虿荼局参锏年懴蜓萏?，土壤酶活性整體呈上升趨勢(shì)，與前人研究結(jié)果相一致，即隨著植被群落的演替，土壤酶活性發(fā)生著顯著的變化[10–11,29]。

綜上所述，在輝河濕地河岸帶，由于復(fù)雜的水文狀況、高程等微地形的變化和植被演替，引起了土壤性質(zhì)的空間變異，從而對(duì)酶活性產(chǎn)生一定影響。而濕地土壤中酶的存在狀態(tài)與活性是濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化過程的關(guān)鍵，控制著濕地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)，常常作為指示濕地物質(zhì)分解循環(huán)過程強(qiáng)度很重要的指標(biāo)[6]，同時(shí)也表征著土壤肥力狀況，是濕地土壤退化的重要表征指標(biāo)，由此可見，研究濕地土壤酶有重要意義。因此，還需運(yùn)用土壤控制實(shí)驗(yàn)手段，結(jié)合氧化還原酶和土壤速效養(yǎng)分進(jìn)行深入長(zhǎng)期研究。

4 結(jié)論

在輝河濕地河岸帶，隨著距河岸距離的增大以及高程的增加，輝河濕地河岸帶土壤理化性質(zhì)發(fā)生明顯的梯度變化，土壤全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)含量從岸邊蘆葦帶到岸坡草本植物帶呈先增大后下降的變化趨勢(shì)，土壤含水量則呈下降趨勢(shì)。同時(shí)，堿性磷酸酶、脲酶活性也隨著植被群落的陸向演替，呈現(xiàn)出一定的差異和變化規(guī)律，整體呈增大趨勢(shì)。土壤性質(zhì)對(duì)酶活性的影響為堿性磷酸酶和脲酶活性與全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)而與土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)，表明土壤酶在一定程度上可表征土壤肥力狀況。

影響土壤酶活力的因素是復(fù)雜的，濕地水文、微地形和植被演替引起土壤性質(zhì)的空間變異從而影響酶活性，本研究只初步探討了輝河濕地河岸帶土壤養(yǎng)分、土壤酶的變化特征以及二者間的關(guān)系，要進(jìn)一步了解土壤酶的變化規(guī)律、土壤酶與土壤養(yǎng)分間的相互作用機(jī)制還需開展長(zhǎng)期研究，為輝河濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)提供一定的基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。

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Characteristics and Correlation Analyses of Soil Nutrients and Enzyme Activities in The Riparian Zone of Hui River Wetland

LUO Yan1, SU Derong1*, LV Shihai2, BU He3, HE Jing1, XIE Jingjie1
(1 Grassland Resources and Ecology Research Center, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2 China Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China; 3 Hui River National Nature Reserve Administration of Inner Mongolia, Hailar, Inner Mongolia 021100, China)

Characteristics and correlation analyses of soil nutrients and enzyme activities in the middle reaches of Hui River Wetland National Nature Reserve were studied by using field sampling and laboratory analysis. The increase of distance from the Hui River and elevation gradient result in significant gradient changes of physical and chemical properties of soil in the riparian zone of the Hui River Wetland. The contents of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and organic matter (SOM) increased first and then decreased from reed to herb zones, but soil moisture content (MC) continues to declined. The activities of alkaline phosphatase and urease showed increasing trends along the land succession of vegetation communities, and were significantly positive correlated with the values of TN, TP and SOM (P<0.01), but negatively to MC (P<0.01). The comprehensive analysis showed that soil enzyme activities in the riparian zone of Hui River Wetland are not only related to soil properties, but also closely related to hydrological conditions, micro topography and vegetation succession.

Hui River Wetland; Riparian zone; Soil hydrolase; Soil properties

S154.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.01.030

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAC06B01)和環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201509040)資助。

* 通訊作者(suderong@bjfu.edu.cn)

羅琰(1990—)，女，甘肅酒泉人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)椴莸刭Y源與生態(tài)。E-mail：LuoyABC@163.com