川西北草地沙化對土壤可溶性有機氮及酶活性的影響

舒向陽，胡玉福，楊雨山，何 佳，佘淑鳳，賈安都，姜正博，孫錦楊

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院， 四川 成都 611130； 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院， 四川 成都 611130)

氮素是限制植物生長發(fā)育的主要營養(yǎng)元素之一，土壤氮素是植物氮素營養(yǎng)的主要來源[1-2]。以往研究認(rèn)為植物氮素營養(yǎng)主要來源于土壤無機氮，但現(xiàn)有研究表明土壤可溶性有機氮(dissolved organic nitrogen, DON)在植物氮素供給中占據(jù)著重要地位[3-5]。土壤酶是具有高度專一催化作用的蛋白質(zhì)，其直接參與土壤物理能量轉(zhuǎn)化的重要生物化學(xué)過程，其在土壤養(yǎng)分礦化分解中扮演著重要角色，同時土壤酶活性也常作為評價土壤質(zhì)量的重要生物指標(biāo)[6]。研究表明，土壤脲酶、蛋白酶、硝酸還原酶及精氨酸脫氨酶與土壤中氮轉(zhuǎn)化有著密切關(guān)系[7]。同時，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、微生物量氮及可溶性氮是植物氮素的主要來源，因此研究不同沙化程度土壤氮素及酶活性變化有助于深入了解土壤氮素的供應(yīng)轉(zhuǎn)化。

沙漠化引起的土壤生態(tài)環(huán)境破壞對全球干旱、半干旱及半濕潤地區(qū)社會與環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。研究表明，沙漠化會加速地表植被多樣性損失，同時會破壞土壤結(jié)構(gòu)、降低土壤肥力，破壞土壤微生物生存環(huán)境[8-9]。土壤氮素是植物生長過程中的主要養(yǎng)分來源，其含量會直接決定植物氮素的吸收狀況，研究表明，沙化過程不僅會改變土壤氮儲量，同時也會影響植物氮素含量[10]。川西北高寒草地位于青藏高原東南緣半濕潤地區(qū)，是我國長江、黃河兩大水系的重要水源涵養(yǎng)地，也是全國五大牧區(qū)之一，同時也是全球最大的高原泥炭沼澤濕地，其對維護生態(tài)環(huán)境安全具有重要意義[11-12]。20世紀(jì)70年代以來，由于全球氣候變化及人為因素的影響，川西北高寒草地面臨嚴(yán)重的退化，草地沙化已嚴(yán)重威脅到該區(qū)域的社會經(jīng)濟發(fā)展，其生態(tài)環(huán)境屏障作用正在逐步弱化。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，截止2009年川西北草地沙化面積達(dá)82.19萬hm2，預(yù)計2020年川西北草地沙化面積將達(dá)到95.38萬hm2[13]。本文以川西北高寒沙化草地為研究對象，通過對不同沙化程度高寒草地不同土層土壤可溶性有機氮及酶活性的研究，以期揭示高寒草地沙化土壤氮素及酶活性變化特征，為深入理解高寒草地沙化土壤氮素變化及今后沙地修復(fù)工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于四川阿壩藏族羌族自治州紅原縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)N31°51′—33°19′，E101°51′—103°23′，境域分屬長江、黃河兩大水系。地勢由東南向西北傾斜，海拔3 210～4 857 m，氣候?qū)俅箨懶愿咴疁貛Ъ撅L(fēng)氣候，春秋短促、長冬無夏。年均降雨量791.95 mm，降雨主要集中在5—10月，年均氣溫為1.1℃，最冷月平均氣溫-10.3℃，最熱月平均氣溫10.9℃，極端最低氣溫-36℃，年均積雪期為76 d，無絕對的無霜期。日照充分，太陽輻射強，年均日照時間2 158.7 h，太陽輻射年總量為6 194 MJ·m-2。土地利用現(xiàn)狀以草地為主，也有較大面積的沼澤地和沙化地分布，其中沙化土地總面積約為6 915.4 hm2，主要分布邛溪鎮(zhèn)和瓦切鄉(xiāng)境內(nèi)。土壤類型以亞高山草甸土為主，高山寒漠土、沼澤化草甸土、巖成土和風(fēng)沙土等也均勻分布。植被以沙生薹草(Carexpraeclara)，垂穗披堿草(Elymussibiricus)，華扁穗草(Blysmussinocompressus)，線葉蒿草(Kobresiacapillifolia)，賴草(Leymussecalinus)，淡黃香青(Anaphalisflavescens)，黑穗薹草(Carexatrata)，木里薹草(Carexmuliensis)，細(xì)葉亞菊(Ajaniatenuifolia)等為主，植被組合以亞高山草甸為主，沼澤草甸與沼澤植被較為旺盛，植物群落外貌鮮艷，富有季相變化。

1.2 土壤樣品采集

本研究于2014年在紅原縣沙化草地分布較多且集中的瓦切鄉(xiāng)選擇采樣點。本文選擇不同沙化程度的草地為研究樣地，分別為：未沙化草地(NDG, non-desertification grassland)、輕度沙化草地(LDG, light-desertification grassland)、中度沙化草地(MDG, medium-desertification grassland)和嚴(yán)重沙化草地(HDG, heavy-desertification grassland)，詳見表1。4種沙化類型草地均選擇3處地形和土壤母質(zhì)一致的樣地作為重復(fù)，各樣地內(nèi)選取1個面積大小為1 m×1 m的樣方用于植被信息調(diào)查和土壤樣品采集，在選定樣方內(nèi)分別采集0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土壤樣品，去除雜物及植物根系、凋落物等。土壤樣品分為兩份，一份土樣冷藏于4℃冰箱，用于測定微生物數(shù)量及微生物量碳、氮，另一份土樣于室內(nèi)風(fēng)干后，保存于密封袋內(nèi)，用于硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的測定。

1.3 測定方法

土壤脲酶根據(jù)Tabatabai方法測定[14]；土壤蛋白酶采用福林比色法[15]；土壤硝酸還原酶活性采用Kandeler比色法測定[16]；土壤精氨酸脫氨酶采用Kandeler比色法測定[16]；土壤可溶性有機氮為溶解性全氮與無機氮的差值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013進行數(shù)據(jù)預(yù)處理與圖表繪制，采用SPSS19.0軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)及Pearson線性相關(guān)系數(shù)分析指標(biāo)相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同沙化程度草地土壤脲酶變化特征

研究結(jié)果表明，不同沙化程度草地土壤脲酶存在顯著差異(P<0.05)(表2)。其中，相較于未沙化草地，輕度沙化、中度沙化和重度沙化草地土壤脲酶活性分別降低了57.14%、64.28%和73.21%。在0～20 cm土層，土壤脲酶下降程度尤為明顯，相較于未沙化草地，輕度、中度和重度沙化草地土壤脲酶分別下降了13.51%、29.73%和40.54%。在土層剖面上，隨土層深度增加，土壤脲酶活性不斷降低。

表1 草地樣方信息 Table 1 Sampling of desertification grassland quadrat

表2 不同程度沙化草地土壤脲酶活性/(g·kg-1·2h-1) Table 2 Activities of soil urease in different degree of desertifiation grasslands

注：不同小寫字母代表不同處理間差異顯著水平達(dá)到P<0.05。

Note: different lowercases letters indicate significant differences at theP<0.05 level.

2.2 不同沙化程度草地土壤蛋白酶變化特征

由表3可知， 草地沙化導(dǎo)致0～60 cm土壤蛋白酶呈現(xiàn)大幅下降的趨勢， 不同沙化草地土壤蛋白酶活性差異顯著(P<0.05)， 其中， 未沙化草地蛋白酶活性最高可達(dá)0.88 mg·kg-1·h-1；相較于未沙化草地，輕度沙化、中度沙化和重度沙化草地土壤蛋白酶分別下降了5.19%、19.48%和33.77%。在0～20 cm土層， 土壤蛋白酶活性下降幅度尤為明顯， 隨沙化程度增加， 蛋白酶活性呈下降趨勢， 相較于未沙化草地， 重度沙化草地降低幅度達(dá)30.68%。隨土層深度增加， 各沙化草地土壤蛋白酶活性不斷降低。

2.3 不同沙化程度草地土壤硝酸還原酶變化特征

由表4可知，相較于未沙化草地，重度沙化0～60 cm土壤硝酸還原酶含量下降了37.11%，隨沙化程度增加，土壤硝酸還原酶活性呈顯著降低趨勢(P<0.05)。其中，在0～20 cm土層，相較于未沙化草地，輕度沙化、中度沙化和重度沙化草地土壤硝酸還原酶活性分別降低了14.29%、27.82%和39.85%。隨土層深度增加，土壤硝酸還原酶活性呈不斷降低趨勢。

表3 不同程度沙化草地土壤蛋白酶活性/(mg·g-1·h-1) Table 3 Activities of soil protease in different degree of desertifiation grasslands

表4 不同程度沙化草地土壤硝酸還原酶活性/(μg·g-1·24h-1) Table 4 Activities of soil nitrate reductase in different degree of desertifiation grasslands

2.4 不同沙化程度草地土壤精氨酸脫氨酶變化特征

由表5可知，草地沙化導(dǎo)致0～60 cm土壤精氨酸脫氨酶呈現(xiàn)大幅下降的趨勢，不同沙化草地土壤精氨酸脫氨酶活性差異顯著(P<0.05)，其中，未沙化草地精氨酸脫氨酶活性最高可達(dá)0.25 μg·g-1·3h-1；相較于未沙化草地，輕度沙化、中度沙化和重度沙化草地土壤精氨酸脫氨酶分別下降了15.79%、31.58%和47.37%。在0～20 cm土層，土壤精氨酸脫氨酶活性下降幅度尤為明顯，隨沙化程度增加，精氨酸脫氨酶活性呈下降趨勢，相較于未沙化草地，重度沙化草地降低幅度達(dá)44.00%。隨土層深度增加，各沙化草地土壤精氨酸脫氨酶活性不斷降低。

2.5 不同沙化程度草地土壤可溶性有機氮變化特征

由表6可知，草地沙化導(dǎo)致0～60 cm土壤可溶性有機氮呈現(xiàn)大幅下降的趨勢，不同沙化草地土壤可溶性有機氮含量差異顯著(P<0.05)，其中，未沙化草地可溶性有機氮含量最高可達(dá)20.6 mg·kg-1；相較于未沙化草地，輕度沙化、中度沙化和重度沙化草地土壤可溶性有機氮含量分別下降了22.36%、48.72%和67.77%。在0～20 cm土層，土壤可溶性有機氮含量下降幅度尤為明顯，隨沙化程度增加，可溶性有機氮呈下降趨勢，相較于未沙化草地，重度沙化草地降低幅度達(dá)64.76%。隨土層深度增加，各沙化草地土壤可溶性有機氮含量不斷降低。

表5 不同程度沙化草地土壤精氨酸脫氨酶活性/(μg·g-1·3h-1) Table 5 Activities of soil arginine deaminase in different degree of desertifiation grasslands

表6 不同程度沙化草地土壤可溶性有機氮含量/(mg·kg-1) Table 6 Contents of soil dissolved organic nitrogen in different degree of desertifiation grasslands

2.6 不同沙化程度草地土壤微生物量氮、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮變化特征

由圖1可知，草地沙化導(dǎo)致0～60 cm土壤微生物量氮、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮呈現(xiàn)大幅下降的趨勢，不同沙化草地土壤可溶性有機氮含量差異顯著(P<0.05)。在0～20 cm土層，土壤微生物量氮、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量下降幅度尤為明顯。

注 Note: NDG—未沙化 non-desertification; LDG—輕度沙化 light-desertification; MDG—中度沙化 medium-desertification; HDG—嚴(yán)重沙化 heavy-desertification.

圖1 不同程度沙化草地土壤微生物量氮、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量

Fig.1 Contents of soil microbial biomass nitrogen(MBN), NH4+-N and NO3--N in different degree of desertifiation grasslands

2.7 土壤氮素與酶活性相關(guān)性分析

相關(guān)分析結(jié)果表明，蛋白酶、脲酶、硝酸還原酶和精氨酸脫氨酶與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、微生物量氮和可溶性有機氮均呈極顯著正相關(guān)(P<0.05)(表7)。其中，硝酸還原酶與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、微生物量氮和可溶性有機氮的相關(guān)系數(shù)最高，分別達(dá)到0.868、0.850、0.789和0.701，銨態(tài)氮與蛋白酶、脲酶、硝酸還原酶、精氨酸脫氨酶相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.737、0.841、0.868和0.838，表明土壤氮素與酶活性密切相關(guān)。

表7 土壤氮素與酶活性相關(guān)分析 Table 7 Correlation analysis of soil nitrogen and enzyme activities

注：**在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

Note: **, significant correlation atP<0.01.

3 討 論

研究結(jié)果表明，草地沙化會加速地表植被多樣性降低和土壤理化性質(zhì)破壞，引起土壤生產(chǎn)潛力損失，進而破壞草地生態(tài)系統(tǒng)平衡[17-20]。尤全剛等[21]研究表明，高寒草甸草地退化不僅會導(dǎo)致草地植被群落特征改變，同時會改變土壤水熱條件，如降低土壤持水量、飽和電導(dǎo)率及增加導(dǎo)熱率，進而加速地表水熱交換。賀鳳鵬等[22]研究溫帶草地退化土壤剖面微生物學(xué)特征表明，土壤表層微生物生物量及酶活性均隨退化程度加劇而不斷降低，在0～10 cm表層差異尤為明顯。本文研究結(jié)果表明，隨著沙化程度加劇，川西北草地地表植被高度、蓋度及物種豐富度大幅度下降，同時土壤表層枯枝落葉也大幅下降；在土壤微生物特性方面，草地沙化會導(dǎo)致氮素相關(guān)的脲酶、蛋白酶、硝酸還原酶和精氨酸脫氨酶活性顯著降低，在0～20 cm土層影響尤為明顯。而隨土層深度增加，土壤酶活性逐步降低。其原因主要是由于草地沙化過程中地表植被破壞及土壤微生物生存環(huán)境日趨惡化[23]，而土壤酶主要來源于植被和土壤微生物分泌釋放，進而使得土壤酶活性受到影響。

本文研究同時表明，草地沙化將會導(dǎo)致土壤可溶性有機氮含量不斷降低。以往研究認(rèn)為植物生長中主要以吸收土壤無機氮為主，而今諸多研究表明土壤可溶性有機氮也是植物生長吸收的主要氮素來源[24-25]，同時研究表明地表植被生物多樣性與可溶性有機氮有著密切關(guān)系[26-27]。張玉霞等[28]研究表明，草地在不同干擾生境下土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量變化與植被地上生物量呈顯著正相關(guān)。王文穎等[29]研究高寒人工草地土壤可溶性有機氮和無機氮結(jié)果表明，退化草地中土壤硝態(tài)氮和可溶性有機氮占優(yōu)勢，且在高寒區(qū)人工草地中土壤可溶性有機氮是植物可利用氮的重要組成部分。

4 結(jié) 論

川西北高寒草地退化過程中，草地生態(tài)系統(tǒng)中的氮素相關(guān)酶活性以及可溶性有機氮會發(fā)生相應(yīng)變化。本文研究表明，土壤脲酶、蛋白酶、硝酸還原酶及精氨酸脫氨酶活性均隨沙化加劇而顯著降低；土壤可溶性有機氮含量也大幅下降；土壤氮素相關(guān)酶與土壤無機氮和溶解性有機氮呈極顯著正相關(guān)，其中，銨態(tài)氮與氮素相關(guān)酶活性相關(guān)系數(shù)最大，硝酸還原酶與土壤氮素相關(guān)系數(shù)最高。綜上可見，在沙化草地修復(fù)過程中，應(yīng)添加氮肥以提高土壤氮素含量。

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