若尔盖湿地土壤退化过程中土壤酶活性的变化

若尔盖湿地土壤退化过程中土壤酶活性的变化

土壤酶是土壤组成中最活跃的有机成分之一。与土壤相关的许多重要生物反应和物质循环过程包括阿波罗的分解、各种有机化合物的分解和合成、土壤养分的固定和释放。其活性反映了土壤中各种生物化学过程的强度和方向，可以快速响应环境事件和人类生产活动。几乎所有的土壤生态系统退化都伴随着不同程度土壤酶活性的变化。因此,研究土壤酶活性对探讨土壤生态系统的变化具有重要意义。若尔盖湿地位于青藏高原东北部,面积近20000km2,海拔3500m左右,是黄河源区的重要组成部分,世界上最大的一片高寒泥炭沼泽集中分布区,国家级湿地自然保护区和国家级生态功能保护区。地质史上,若尔盖地区的气候变化和欧洲同步,较好地指示了全球气候变化特征。因此,它是环境变化的敏感响应地带之一。长期以来,由于自然因素和人类干扰活动的综合影响,若尔盖地区出现了湿地萎缩、草场严重退化和沙化等一系列严重的生态环境问题,土壤类型也发生了相应的退化演替,其演替序列为“泥炭土→沼泽土→草甸土→风沙土”,这引起了诸多研究者关注。但有关该地区泥炭土、沼泽土、草甸土、风沙土等4种典型土壤的酶活性及理化性质与微生物数量相关性研究的报道较少。本文针对若尔盖湿地4种典型土壤的酶活性及其与土壤理化性质、微生物数量的关系进行了研究,旨在揭示其对若尔盖地区土壤退化过程的指示作用,并为当地土壤生态系统恢复与管理提供理论依据。1材料和方法1.1土壤样品采集于2009年9月在若尔盖地区选择四种典型土壤(泥炭土、沼泽土、草甸土、风沙土)采集土样。每种土壤类型设3个重复采样区,运用五点混合法用土钻从地表向下取0~20cm、20~40cm、40~60cm共三个深度采集土样。采集的土样分成两份:一份4℃保存用于微生物计数,一份风干后过0.9mm筛用于测定土壤理化学性质及酶活性。1.2培养基的制备土壤pH值用酸度计法;有机质用重铬酸钾容量法;含水量用烘干法;全氮用高氯酸-硫酸消化凯氏定氮法;全磷采用钼锑钪比色法;全钾采用火焰光度计法。细菌、放线菌、真菌分别采用牛肉膏蛋白胨培养基、高氏1号培养基、马丁氏-孟加拉红培养基培养并计数。土壤脲酶、多酚氧化酶、转化酶、过氧化氢酶活性分别采用苯酚钠比色法、邻苯三芬比色法、硫代硫酸钠滴定法、高锰酸钾滴定法测定。1.3处理数据运用Excel和SPSS13.0对数据进行相关性分析及主成分分析。2结果与讨论2.1泥炭土及土壤退化由表1可看出,各类型不同深度土壤理化性质差异性显著。在垂直方向上,土壤含水量、pH、全磷含量在不同类型的土壤中变化趋势不同;有机质、全氮含量在四种土壤中均随土壤深度增加而降低;全钾含量在泥炭土中随土壤深度增加而降低,在沼泽、草甸、风沙土中均为先降低后升高。在水平方向上,土壤含水量、有机质、全氮、全磷含量大体趋势为随着土壤退化程度加剧而降低,全钾总体变化趋势为逐渐上升,而泥炭土pH呈酸性,风沙土pH呈弱碱性。表明在泥炭土→沼泽土→草甸土→风沙土的演替过程中,土壤含水量、有机质、全氮、全磷、全钾含量可作为评价当地土壤退化的指标。若尔盖地区土壤在退化过程中,其最明显的变化即为含水量呈递减趋势。由于泥炭土含水量最高,致使光照与通气条件较差,因此土壤有机质、全氮、全磷能够大量积累且含量最高;随着含水量逐渐减少,光照和通气量增加,微生物活动加强,土壤中有机质、全氮和全磷出现不同程度的分解,因此在沼泽土和草甸土中的含量较泥炭土分别有所下降;风沙土由于含水量远远低于其他三种土壤,土壤养分贫乏,不利于微生物生长,故微生物数量较少,并且长期处于流动状态,不利于有机质、全氮和全磷的积累,因此有机质、全氮和全磷的含量最低。泥炭土pH偏酸性,这可能是因为在泥炭土中腐植酸等酸性有机质含量较高,也间接表明了泥炭土土壤状况较好。安登第等研究发现,土壤有机物含量下降,pH值稍有提高。2.2不同土壤退化和真菌数量的变化不同类型不同深度土壤的微生物数量呈现显著差异性(见表2)。细菌、放线菌、真菌数量以及微生物总数在四种类型土壤中呈现出明显的垂直分布规律,即随土壤深度增加而数量减少,这主要是因为表层土壤含有大量的凋谢物、营养源充分、水热和通气状况良好,有利于微生物的生长繁殖。这与邵玉琴等研究结果一致。在土壤退化方面,泥炭土中的细菌、放线菌及微生物总数最高,沼泽土和草甸土次之,风沙土最低,这主要是因为土壤退化越严重,土壤中有机质等营养元素含量越低,越不利于微生物生长。真菌数量在沼泽土中最高,泥炭土和草甸土次之,风沙土最低。这与安登第等的研究结果不一致,可能是与该土样类型和高原独特气候有关。因此,微生物数量也可作为评价当地土壤退化程度的指标之一。2.3土壤酶活性特征2.3.1土壤酶活性的变化由图1可看出,脲酶和转化酶活性总体随土壤深度增加而降低,这是由于随着土壤深度增加,含水量和有机质含量下降、通气量和微生物数量减少、土壤微生物代谢产酶能力也随之降低,这与陶宝先、万忠梅等研究结果一致。但风沙土表层土壤的转化酶活性低于20~40cm土层,这主要是由于风沙土的植被覆盖度低,土壤裸露面积较大,并且表层风沙土属于流动状态,不利于表层土壤酶的积累。过氧化氢酶和多酚氧化酶活性总体表现为随土壤深度增加而升高,这与王启兰、郝建朝等研究结果相符。但在草甸土中,20~40cm土层的过氧化氢酶活性最高,这是由于草甸土20~40cm土层的含水量最低,通气量较大,微生物活动较强,因此这一土层的土壤呼吸强度较大,过氧化氢酶活性也较高。2.3.2多酚氧化酶活性脲酶常用来表征土壤有机氮及其转化状况,转化酶活性常用来表征土壤的熟化程度和肥力水平。随着土壤退化程度的加剧,脲酶和转化酶活性总体呈现下降趋势,但在0~20cm和40~60cm土层中,草甸土的脲酶和转化酶活性略高于沼泽土,这可能是因为在0~20cm土层中草甸土植被覆盖度高,根系发达,含水量较低,通气条件好,微生物数量较多,因此微生物活性也较高,而在40~60cm土层中,草甸土pH值为8.0,与沼泽土相比更适合微生物生长,并且全磷和全钾营养元素的含量较高,因此微生物活性高于沼泽土。说明随着土壤退化程度加剧,土壤可利用氮源和肥力水平逐渐降低。过氧化氢酶能消除由于过氧化氢对土壤及土壤微生物的毒害作用,泥炭土、沼泽土、草甸土过氧化氢酶活性显著高于风沙土,说明退化程度最严重的风沙土中土壤有机质在分解过程中易受阻,致使土壤的解毒能力下降,中间产物和过氧化氢等有毒物质容易积累,腐殖质的合成以及土壤生物体可能会因此受到影响。多酚氧化酶活性在沼泽土中最低,在其他三种土壤中随退化程度加剧呈上升趋势。李振高等认为多酚氧化酶活性与土壤腐殖化程度呈负相关,这与本研究结果有一定的差异,这可能是由于若尔盖地区特殊的地理位置,气候条件和土壤状况这一系列综合因素所造成的,具体原因还有待进一步分析。因此,脲酶和转化酶可以较好地指示当地土壤退化状况,而过氧化氢酶和多酚氧化酶也可以作为参考标准,王娟等也认为多酚氧化酶活性作为土壤质量的评价指标具有一定的可靠性。2.4土壤理化性质与酶活性的关系四种类型土壤中转化酶均与土壤理化性质表现出显著或极显著相关,其中泥炭土和沼泽土的转化酶与多个理化性质相关(表3)。此外,泥炭土中多酚氧化酶与全氮含量呈显著负相关,而脲酶和过氧化氢酶与理化性质相关性不显著。沼泽土中脲酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶与理化性质相关性较低,均未达到显著水平。草甸土中脲酶与有机质及全氮含量呈显著正相关,而过氧化氢酶和多酚氧化酶与理化性质相关性均不显著。风沙土中过氧化氢酶分别与土壤含水量、有机质、全氮呈显著或极显著负相关,与pH、全钾呈显著或极显著正相关,多酚氧化酶与土壤含水量呈显著负相关,脲酶与各理化性质相关性不显著。泥炭土、沼泽土、草甸土中转化酶与土壤理化性质的相关系数r绝对值之和较大,相关性最密切。风沙土中过氧化氢酶与土壤理化性质的相关系数r绝对值之和较大,转化酶次之,因此风沙土中过氧化氢酶与土壤理化性质的相关性较转化酶密切。表明泥炭土、沼泽土、草甸土中转化酶以及风沙土中过氧化氢酶受到土壤退化的影响较大。2.5不同土壤有机溶剂与土壤微生物数量的关系由表4可知,除风沙土中转化酶与土壤放线菌数量显著相关外,泥炭土、沼泽土和草甸土中转化酶均与细菌、放线菌及真菌的数量呈显著或极显著相关。此外,风沙土中过氧化氢酶还与土壤细菌和放线菌数量呈显著负相关,而多酚氧化酶则与真菌数量呈显著负相关。泥炭土、沼泽土、草甸土中转化酶与土壤微生物数量的相关系数r绝对值之和较大,和其它三种酶的差异明显。风沙土中过氧化氢酶与土壤微生物数量的相关系数r绝对值之和较大,和其它三种酶差异不明显,泥炭土、沼泽土、草甸土中转化酶及风沙土中过氧化氢酶与土壤微生物数量关系最密切。土壤退化对泥炭土、沼泽土、草甸土中转化酶及风沙土中过氧化氢酶有较大影响,这与前面土壤酶活性与理化性质的相关性分析结果一致。2.6土壤肥力系统的基本特征据主成分分析原理,当累积方差贡献率大于85%时,可用来基本反映系统的变异信息。采用回归法估计因子得分系数,可以得到反映不同类型土壤肥力水平的主成分表达式:其中,X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13分别依次代表土壤含水量、pH、有机质、全氮、全磷、全钾、脲酶、转化酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶、细菌、放线菌、真菌的特征值。四种类型土壤第一主成分的方差贡献率均最大,分别为61.891、57.802、55.402、64.185(表5)。泥炭土的前3个主成分累积方差贡献率为90.541、沼泽土的前4个主成分累积方差贡献率为95.179、草甸土的前4个主成分累积方差贡献率为95.775、风沙土的前3个主成分累积方差贡献率为86.989,因此它们都能够代表土壤肥力系统的变异信息。由表6可知,泥炭土的第一主成分综合了土壤pH、有机质、全氮、全钾、转化酶、细菌、放线菌、真菌的变异信息,沼泽土的第一主成分综合了土壤含水量、有机质、全氮、全钾、脲酶、转化酶、细菌、放线菌、真菌的变异信息,草甸土的第一主成分则综合了土壤有机质、全氮、全磷、脲酶、转化酶、细菌、放线菌、真菌的变异信息,风沙土的第一主成分综合了土壤含水量、有机质、全氮、真菌的变异信息。每种土壤所包含的这些因子都可以代表其各自的土壤状况。在泥炭土→沼泽土→草甸土→风沙土的退化过程中,每种土壤所包含的这些因子更容易受到影响,因此土壤理化性质(含水量、有机质、全氮、全磷、全钾)、微生物数量、酶活性(脲酶、转化酶)能较好地指示当地土壤退化状况。3土壤退化对土壤酶活性的影响本文针对若尔盖地区土壤退化过程中4种典型土壤开展了土壤酶活性及其与理化性质和微生物数量关系的研究,其结果表明:(1)在垂直方向上,土壤理化性质、微生物数量、脲酶、转化酶活性在四种土壤中大体上随深度增加而降低,过氧化氢酶和多酚氧化酶活性随深度增加而升高。在水平方向上,土壤含水量、有机质、全氮、全磷含量、微生物数量、脲酶和转化酶活性大体趋势为随着土壤退化程度加剧而降低,全钾含量总体随着土壤退化程度加剧而升高。泥炭土、沼泽土、草甸土过氧化氢酶活性显著高于风沙土。多酚氧化酶活性随退化程度加剧呈上升趋势,但在沼泽土中活性最低。(2)泥炭土、沼泽土、草甸土中转化酶与土壤理化性质和微生物数量的相关性最密切,风沙土中过氧化氢酶与土壤理化性质和微生物数量的相关性较转化酶密切,说明土壤退化对泥炭土、沼泽土、草甸土中转化酶及风沙