若爾蓋濕地土壤退化過(guò)程中土壤酶活性的變化

土壤酶是土壤組成中最活躍的有機(jī)成分之一。與土壤相關(guān)的許多重要生物反應(yīng)和物質(zhì)循環(huán)過(guò)程包括阿波羅的分解、各種有機(jī)化合物的分解和合成、土壤養(yǎng)分的固定和釋放。其活性反映了土壤中各種生物化學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度和方向，可以快速響應(yīng)環(huán)境事件和人類生產(chǎn)活動(dòng)。幾乎所有的土壤生態(tài)系統(tǒng)退化都伴隨著不同程度土壤酶活性的變化。因此,研究土壤酶活性對(duì)探討土壤生態(tài)系統(tǒng)的變化具有重要意義。若爾蓋濕地位于青藏高原東北部,面積近20000km2,海拔3500m左右,是黃河源區(qū)的重要組成部分,世界上最大的一片高寒泥炭沼澤集中分布區(qū),國(guó)家級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)和國(guó)家級(jí)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)。地質(zhì)史上,若爾蓋地區(qū)的氣候變化和歐洲同步,較好地指示了全球氣候變化特征。因此,它是環(huán)境變化的敏感響應(yīng)地帶之一。長(zhǎng)期以來(lái),由于自然因素和人類干擾活動(dòng)的綜合影響,若爾蓋地區(qū)出現(xiàn)了濕地萎縮、草場(chǎng)嚴(yán)重退化和沙化等一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,土壤類型也發(fā)生了相應(yīng)的退化演替,其演替序列為“泥炭土→沼澤土→草甸土→風(fēng)沙土”,這引起了諸多研究者關(guān)注。但有關(guān)該地區(qū)泥炭土、沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土等4種典型土壤的酶活性及理化性質(zhì)與微生物數(shù)量相關(guān)性研究的報(bào)道較少。本文針對(duì)若爾蓋濕地4種典型土壤的酶活性及其與土壤理化性質(zhì)、微生物數(shù)量的關(guān)系進(jìn)行了研究,旨在揭示其對(duì)若爾蓋地區(qū)土壤退化過(guò)程的指示作用,并為當(dāng)?shù)赝寥郎鷳B(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與管理提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1土壤樣品采集于2009年9月在若爾蓋地區(qū)選擇四種典型土壤(泥炭土、沼澤土、草甸土、風(fēng)沙土)采集土樣。每種土壤類型設(shè)3個(gè)重復(fù)采樣區(qū),運(yùn)用五點(diǎn)混合法用土鉆從地表向下取0~20cm、20~40cm、40~60cm共三個(gè)深度采集土樣。采集的土樣分成兩份:一份4℃保存用于微生物計(jì)數(shù),一份風(fēng)干后過(guò)0.9mm篩用于測(cè)定土壤理化學(xué)性質(zhì)及酶活性。1.2培養(yǎng)基的制備土壤pH值用酸度計(jì)法;有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法;含水量用烘干法;全氮用高氯酸-硫酸消化凱氏定氮法;全磷采用鉬銻鈧比色法;全鉀采用火焰光度計(jì)法。細(xì)菌、放線菌、真菌分別采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、高氏1號(hào)培養(yǎng)基、馬丁氏-孟加拉紅培養(yǎng)基培養(yǎng)并計(jì)數(shù)。土壤脲酶、多酚氧化酶、轉(zhuǎn)化酶、過(guò)氧化氫酶活性分別采用苯酚鈉比色法、鄰苯三芬比色法、硫代硫酸鈉滴定法、高錳酸鉀滴定法測(cè)定。1.3處理數(shù)據(jù)運(yùn)用Excel和SPSS13.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析及主成分分析。2結(jié)果與討論2.1泥炭土及土壤退化由表1可看出,各類型不同深度土壤理化性質(zhì)差異性顯著。在垂直方向上,土壤含水量、pH、全磷含量在不同類型的土壤中變化趨勢(shì)不同;有機(jī)質(zhì)、全氮含量在四種土壤中均隨土壤深度增加而降低;全鉀含量在泥炭土中隨土壤深度增加而降低,在沼澤、草甸、風(fēng)沙土中均為先降低后升高。在水平方向上,土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量大體趨勢(shì)為隨著土壤退化程度加劇而降低,全鉀總體變化趨勢(shì)為逐漸上升,而泥炭土pH呈酸性,風(fēng)沙土pH呈弱堿性。表明在泥炭土→沼澤土→草甸土→風(fēng)沙土的演替過(guò)程中,土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量可作為評(píng)價(jià)當(dāng)?shù)赝寥劳嘶闹笜?biāo)。若爾蓋地區(qū)土壤在退化過(guò)程中,其最明顯的變化即為含水量呈遞減趨勢(shì)。由于泥炭土含水量最高,致使光照與通氣條件較差,因此土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷能夠大量積累且含量最高;隨著含水量逐漸減少,光照和通氣量增加,微生物活動(dòng)加強(qiáng),土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷出現(xiàn)不同程度的分解,因此在沼澤土和草甸土中的含量較泥炭土分別有所下降;風(fēng)沙土由于含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他三種土壤,土壤養(yǎng)分貧乏,不利于微生物生長(zhǎng),故微生物數(shù)量較少,并且長(zhǎng)期處于流動(dòng)狀態(tài),不利于有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷的積累,因此有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷的含量最低。泥炭土pH偏酸性,這可能是因?yàn)樵谀嗵客林懈菜岬人嵝杂袡C(jī)質(zhì)含量較高,也間接表明了泥炭土土壤狀況較好。安登第等研究發(fā)現(xiàn),土壤有機(jī)物含量下降,pH值稍有提高。2.2不同土壤退化和真菌數(shù)量的變化不同類型不同深度土壤的微生物數(shù)量呈現(xiàn)顯著差異性(見(jiàn)表2)。細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量以及微生物總數(shù)在四種類型土壤中呈現(xiàn)出明顯的垂直分布規(guī)律,即隨土壤深度增加而數(shù)量減少,這主要是因?yàn)楸韺油寥篮写罅康牡蛑x物、營(yíng)養(yǎng)源充分、水熱和通氣狀況良好,有利于微生物的生長(zhǎng)繁殖。這與邵玉琴等研究結(jié)果一致。在土壤退化方面,泥炭土中的細(xì)菌、放線菌及微生物總數(shù)最高,沼澤土和草甸土次之,風(fēng)沙土最低,這主要是因?yàn)橥寥劳嘶絿?yán)重,土壤中有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)元素含量越低,越不利于微生物生長(zhǎng)。真菌數(shù)量在沼澤土中最高,泥炭土和草甸土次之,風(fēng)沙土最低。這與安登第等的研究結(jié)果不一致,可能是與該土樣類型和高原獨(dú)特氣候有關(guān)。因此,微生物數(shù)量也可作為評(píng)價(jià)當(dāng)?shù)赝寥劳嘶潭鹊闹笜?biāo)之一。2.3土壤酶活性特征2.3.1土壤酶活性的變化由圖1可看出,脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性總體隨土壤深度增加而降低,這是由于隨著土壤深度增加,含水量和有機(jī)質(zhì)含量下降、通氣量和微生物數(shù)量減少、土壤微生物代謝產(chǎn)酶能力也隨之降低,這與陶寶先、萬(wàn)忠梅等研究結(jié)果一致。但風(fēng)沙土表層土壤的轉(zhuǎn)化酶活性低于20~40cm土層,這主要是由于風(fēng)沙土的植被覆蓋度低,土壤裸露面積較大,并且表層風(fēng)沙土屬于流動(dòng)狀態(tài),不利于表層土壤酶的積累。過(guò)氧化氫酶和多酚氧化酶活性總體表現(xiàn)為隨土壤深度增加而升高,這與王啟蘭、郝建朝等研究結(jié)果相符。但在草甸土中,20~40cm土層的過(guò)氧化氫酶活性最高,這是由于草甸土20~40cm土層的含水量最低,通氣量較大,微生物活動(dòng)較強(qiáng),因此這一土層的土壤呼吸強(qiáng)度較大,過(guò)氧化氫酶活性也較高。2.3.2多酚氧化酶活性脲酶常用來(lái)表征土壤有機(jī)氮及其轉(zhuǎn)化狀況,轉(zhuǎn)化酶活性常用來(lái)表征土壤的熟化程度和肥力水平。隨著土壤退化程度的加劇,脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),但在0~20cm和40~60cm土層中,草甸土的脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性略高于沼澤土,這可能是因?yàn)樵?~20cm土層中草甸土植被覆蓋度高,根系發(fā)達(dá),含水量較低,通氣條件好,微生物數(shù)量較多,因此微生物活性也較高,而在40~60cm土層中,草甸土pH值為8.0,與沼澤土相比更適合微生物生長(zhǎng),并且全磷和全鉀營(yíng)養(yǎng)元素的含量較高,因此微生物活性高于沼澤土。說(shuō)明隨著土壤退化程度加劇,土壤可利用氮源和肥力水平逐漸降低。過(guò)氧化氫酶能消除由于過(guò)氧化氫對(duì)土壤及土壤微生物的毒害作用,泥炭土、沼澤土、草甸土過(guò)氧化氫酶活性顯著高于風(fēng)沙土,說(shuō)明退化程度最嚴(yán)重的風(fēng)沙土中土壤有機(jī)質(zhì)在分解過(guò)程中易受阻,致使土壤的解毒能力下降,中間產(chǎn)物和過(guò)氧化氫等有毒物質(zhì)容易積累,腐殖質(zhì)的合成以及土壤生物體可能會(huì)因此受到影響。多酚氧化酶活性在沼澤土中最低,在其他三種土壤中隨退化程度加劇呈上升趨勢(shì)。李振高等認(rèn)為多酚氧化酶活性與土壤腐殖化程度呈負(fù)相關(guān),這與本研究結(jié)果有一定的差異,這可能是由于若爾蓋地區(qū)特殊的地理位置,氣候條件和土壤狀況這一系列綜合因素所造成的,具體原因還有待進(jìn)一步分析。因此,脲酶和轉(zhuǎn)化酶可以較好地指示當(dāng)?shù)赝寥劳嘶癄顩r,而過(guò)氧化氫酶和多酚氧化酶也可以作為參考標(biāo)準(zhǔn),王娟等也認(rèn)為多酚氧化酶活性作為土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一定的可靠性。2.4土壤理化性質(zhì)與酶活性的關(guān)系四種類型土壤中轉(zhuǎn)化酶均與土壤理化性質(zhì)表現(xiàn)出顯著或極顯著相關(guān),其中泥炭土和沼澤土的轉(zhuǎn)化酶與多個(gè)理化性質(zhì)相關(guān)(表3)。此外,泥炭土中多酚氧化酶與全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān),而脲酶和過(guò)氧化氫酶與理化性質(zhì)相關(guān)性不顯著。沼澤土中脲酶、過(guò)氧化氫酶和多酚氧化酶與理化性質(zhì)相關(guān)性較低,均未達(dá)到顯著水平。草甸土中脲酶與有機(jī)質(zhì)及全氮含量呈顯著正相關(guān),而過(guò)氧化氫酶和多酚氧化酶與理化性質(zhì)相關(guān)性均不顯著。風(fēng)沙土中過(guò)氧化氫酶分別與土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān),與pH、全鉀呈顯著或極顯著正相關(guān),多酚氧化酶與土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān),脲酶與各理化性質(zhì)相關(guān)性不顯著。泥炭土、沼澤土、草甸土中轉(zhuǎn)化酶與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)r絕對(duì)值之和較大,相關(guān)性最密切。風(fēng)沙土中過(guò)氧化氫酶與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)r絕對(duì)值之和較大,轉(zhuǎn)化酶次之,因此風(fēng)沙土中過(guò)氧化氫酶與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性較轉(zhuǎn)化酶密切。表明泥炭土、沼澤土、草甸土中轉(zhuǎn)化酶以及風(fēng)沙土中過(guò)氧化氫酶受到土壤退化的影響較大。2.5不同土壤有機(jī)溶劑與土壤微生物數(shù)量的關(guān)系由表4可知,除風(fēng)沙土中轉(zhuǎn)化酶與土壤放線菌數(shù)量顯著相關(guān)外,泥炭土、沼澤土和草甸土中轉(zhuǎn)化酶均與細(xì)菌、放線菌及真菌的數(shù)量呈顯著或極顯著相關(guān)。此外,風(fēng)沙土中過(guò)氧化氫酶還與土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量呈顯著負(fù)相關(guān),而多酚氧化酶則與真菌數(shù)量呈顯著負(fù)相關(guān)。泥炭土、沼澤土、草甸土中轉(zhuǎn)化酶與土壤微生物數(shù)量的相關(guān)系數(shù)r絕對(duì)值之和較大,和其它三種酶的差異明顯。風(fēng)沙土中過(guò)氧化氫酶與土壤微生物數(shù)量的相關(guān)系數(shù)r絕對(duì)值之和較大,和其它三種酶差異不明顯,泥炭土、沼澤土、草甸土中轉(zhuǎn)化酶及風(fēng)沙土中過(guò)氧化氫酶與土壤微生物數(shù)量關(guān)系最密切。土壤退化對(duì)泥炭土、沼澤土、草甸土中轉(zhuǎn)化酶及風(fēng)沙土中過(guò)氧化氫酶有較大影響,這與前面土壤酶活性與理化性質(zhì)的相關(guān)性分析結(jié)果一致。2.6土壤肥力系統(tǒng)的基本特征據(jù)主成分分析原理,當(dāng)累積方差貢獻(xiàn)率大于85%時(shí),可用來(lái)基本反映系統(tǒng)的變異信息。采用回歸法估計(jì)因子得分系數(shù),可以得到反映不同類型土壤肥力水平的主成分表達(dá)式:其中,X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13分別依次代表土壤含水量、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、脲酶、轉(zhuǎn)化酶、過(guò)氧化氫酶、多酚氧化酶、細(xì)菌、放線菌、真菌的特征值。四種類型土壤第一主成分的方差貢獻(xiàn)率均最大,分別為61.891、57.802、55.402、64.185(表5)。泥炭土的前3個(gè)主成分累積方差貢獻(xiàn)率為90.541、沼澤土的前4個(gè)主成分累積方差貢獻(xiàn)率為95.179、草甸土的前4個(gè)主成分累積方差貢獻(xiàn)率為95.775、風(fēng)沙土的前3個(gè)主成分累積方差貢獻(xiàn)率為86.989,因此它們都能夠代表土壤肥力系統(tǒng)的變異信息。由表6可知,泥炭土的第一主成分綜合了土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、轉(zhuǎn)化酶、細(xì)菌、放線菌、真菌的變異信息,沼澤土的第一主成分綜合了土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、脲酶、轉(zhuǎn)化酶、細(xì)菌、放線菌、真菌的變異信息,草甸土的第一主成分則綜合了土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、脲酶、轉(zhuǎn)化酶、細(xì)菌、放線菌、真菌的變異信息,風(fēng)沙土的第一主成分綜合了土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、真菌的變異信息。每種土壤所包含的這些因子都可以代表其各自的土壤狀況。在泥炭土→沼澤土→草甸土→風(fēng)沙土的退化過(guò)程中,每種土壤所包含的這些因子更容易受到影響,因此土壤理化性質(zhì)(含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀)、微生物數(shù)量、酶活性(脲酶、轉(zhuǎn)化酶)能較好地指示當(dāng)?shù)赝寥劳嘶癄顩r。3土壤退化對(duì)土壤酶活性的影響本文針對(duì)若爾蓋地區(qū)土壤退化過(guò)程中4種典型土壤開(kāi)展了土壤酶活性及其與理化性質(zhì)和微生物數(shù)量關(guān)系的研究,其結(jié)果表明:(1)在垂直方向上,土壤理化性質(zhì)、微生物數(shù)量、脲酶、轉(zhuǎn)化酶活性在四種土壤中大體上隨深度增加而降低,過(guò)氧化氫酶和多酚氧化酶活性隨深度增加而升高。在水平方向上,土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量、微生物數(shù)量、脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性大體趨勢(shì)為隨著土壤退化程度加劇而降低,全鉀含量總體隨著土壤退化程度加劇而升高。泥炭土、沼澤土、草甸土過(guò)氧化氫酶活性顯著高于風(fēng)沙土。多酚氧化酶活性隨退化程度加劇呈上升趨勢(shì),但在沼澤土中活性最低。(2)泥炭土、沼澤土、草甸土中轉(zhuǎn)化酶與土壤理化性質(zhì)和微生物數(shù)量的相關(guān)性最密切,風(fēng)沙土中過(guò)氧化氫酶與土壤理化性質(zhì)和微生物數(shù)量的相關(guān)性較轉(zhuǎn)化酶密切,說(shuō)明土壤退化對(duì)泥炭土、沼澤土、草甸土中轉(zhuǎn)化酶及風(fēng)沙