三江平原濕地不同土地利用方式對(duì)土壤養(yǎng)分及酶活性的影響

王振芬

(綏化學(xué)院 農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院, 黑龍江 綏化 152061)

土壤在物質(zhì)循環(huán)及能力交換過程中成為重要的養(yǎng)分載體，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生重要影響，能夠?qū)θ祟愰_發(fā)利用自然資源起到很明顯的反映作用[1-3]。土壤酶是土壤生物化學(xué)過程的主要調(diào)節(jié)者，參與了土壤環(huán)境中的一切生物化學(xué)過程,與有機(jī)物質(zhì)分解、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)移、環(huán)境質(zhì)量等密切相關(guān)，并且酶的分解作用是物質(zhì)循環(huán)過程的限制性步驟[4-5]，其不僅直接參與土壤生物化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)影響到有機(jī)質(zhì)分解的效率和質(zhì)量，進(jìn)而影響土壤肥力和活性，對(duì)能量交換及作物生長(zhǎng)發(fā)育起著嚴(yán)重的制約作用[6-8]。對(duì)于土壤養(yǎng)分而言，其含量受到眾多影響因素的制約，氣候及地形等直接的環(huán)境要素會(huì)對(duì)其施加直接干預(yù)[9-10]，而人類活動(dòng)也是不可忽視的作用要素，土壤養(yǎng)分的構(gòu)成和含量是多種因素綜合作用的結(jié)果，其為植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供必不可少的營(yíng)養(yǎng)，是土壤質(zhì)量的重要反映指標(biāo)之一[11-13]。土壤酶活性直接影響土壤活性，同時(shí)對(duì)微生物活動(dòng)產(chǎn)生影響，其能夠作為多種生化反應(yīng)的催化劑，在有機(jī)質(zhì)分解過程中作用顯著，對(duì)物質(zhì)循環(huán)起著無(wú)可替代的作用，同時(shí)其參與無(wú)機(jī)質(zhì)的氧化及還原反應(yīng)，能夠?qū)ν寥佬玛惔x起到重要的促進(jìn)作用[14-16]。在人們生產(chǎn)生活中，土地利用是人類干預(yù)土壤肥力最重要、最直接的活動(dòng)，同時(shí)人為開發(fā)利用土地會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生最直接的干預(yù)，不僅能夠改變土壤結(jié)構(gòu)，還能改變土壤肥力及活性等，對(duì)土壤物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，進(jìn)而對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)施加重要影響，最終影響土壤質(zhì)量和土壤環(huán)境變遷。

在地球上占據(jù)主體的是陸地和海洋湖泊，介于二者之間的是濕地，濕地因其獨(dú)特的地理特點(diǎn)受到不少學(xué)者的關(guān)注和探究，濕地能夠?qū)⒋罅坑袡C(jī)質(zhì)逐漸積累沉淀，而有機(jī)質(zhì)對(duì)于土壤養(yǎng)分和肥力的保持起著無(wú)可替代的作用，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)再生施加影響，并直接制約植物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用[5-6]。土壤酶活性對(duì)于物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生直接的影響，可以說其對(duì)濕地生態(tài)作用顯著。我國(guó)最大的淡水沼澤屬于三江平原，上個(gè)世紀(jì)中葉其總面積的80%為濕地，擁有濕地面積多達(dá)535萬(wàn)hm2，隨著近些年來的不斷開發(fā)利用，尤其是不合理的開發(fā)導(dǎo)致其面積不斷減少，一半以上的濕地消失了[5]，從中不難看出不合理的資源開發(fā)帶來的危害。過度的濕地開發(fā)利用直接導(dǎo)致濕地面積減少，同時(shí)導(dǎo)致濕地土壤嚴(yán)重退化，在多種因素共同作用之下，濕地的生物化學(xué)反應(yīng)被人為干預(yù)過多，原有的土壤新陳代謝等受到影響，濕地土壤結(jié)構(gòu)、活性及肥力受到顯著影響，尤其是經(jīng)過大量開墾之后，植被多樣性受到影響，植被數(shù)量下降，隨之而來的是表土流失明顯加劇，土壤活力、養(yǎng)分及肥力下降，最終不利于濕地資源合理開發(fā)利用，進(jìn)而對(duì)生產(chǎn)生活產(chǎn)生影響[9-10]。在對(duì)濕地進(jìn)行農(nóng)業(yè)開墾之后，因過度利用等導(dǎo)致開墾出的土壤質(zhì)量逐漸下降，土壤退化現(xiàn)象明顯，雖然近年來關(guān)于濕地土壤的相關(guān)研究越來越多，但是對(duì)于三江平原的相關(guān)研究并不多見，尤其是在酶活性的視角下對(duì)該區(qū)域開展相關(guān)研究，為了更好地認(rèn)識(shí)三江平原土地利用方式對(duì)土壤酶活性的影響，我們對(duì)幾種土地利用方式的土壤酶活性及肥力因子進(jìn)行研究，以明確土地利用方式對(duì)其的影響，為濕地土地利用方式的改變和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)分布

本研究選擇的試驗(yàn)區(qū)域?yàn)闈竦厣鷳B(tài)試驗(yàn)站，位于三江平原，是中科院下屬濕地研究樣點(diǎn)，位于北緯47°35′，東經(jīng)133°31′，是少數(shù)僅有的野外濕地研究專業(yè)臺(tái)站，地處黑龍江同江市，介于別拉洪河與濃江之間的河間區(qū)域，平均海拔55～57 m；因所處地理位置影響，該區(qū)域氣候具有明顯的溫帶大陸性季風(fēng)特點(diǎn)，經(jīng)過近年來的氣象數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的年均氣溫在11℃，其中最低氣溫在1月，月均氣溫低至-21℃，較為炎熱的月份為7月，其月均氣溫在22℃，擁有近600 mm的降雨量，全年的雨季主要在7—9月，全年的霜期較長(zhǎng)，大約有240 d；該區(qū)域凍土現(xiàn)象明顯，且具有明顯的季節(jié)性特點(diǎn)，凍融期較長(zhǎng)，從11月開始長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月的凍融期，且凍層深達(dá)116 m；該區(qū)域不僅有草甸、腐殖質(zhì)、泥炭類沼澤土，還有潛育、草甸類的白漿土，優(yōu)勢(shì)植被物種主要是苔草，諸如有毛苔草、漂筏苔草等；該試驗(yàn)站面積多達(dá)100 hm2，且具有旱田、水田試驗(yàn)場(chǎng)，同時(shí)具有土壤養(yǎng)分觀測(cè)區(qū)、蒸發(fā)觀測(cè)區(qū)、植被觀測(cè)區(qū)等。

1.2 樣品采集

本試驗(yàn)開始于2016年10月，首先在草甸沼澤區(qū)域開展相應(yīng)的土樣采集，并區(qū)分4種土壤利用方式：(1) “小葉章”草甸生態(tài)系統(tǒng)(wetland ecosystem)：指從地表季節(jié)性積水的小葉章草甸生態(tài)系統(tǒng)處采集的土樣；(2) 旱田系統(tǒng)(dryland ecosystem)：指1987年由小葉章草甸濕地開墾為旱田系統(tǒng)，至今仍為旱耕地；(3) “退耕成草”(conversion from dryland to wetland)：指從人工還原的小葉章草甸處采集的土樣，該采樣區(qū)于1987年由小葉章草甸生態(tài)系統(tǒng)人工開墾為旱地，又于1987年人工還原為小葉章草甸；(4) “退耕成林”(conversion from dryland to forestland)指從人工還原的白樺林中采集的土樣，該采樣區(qū)于1987年由人工開墾的旱田系統(tǒng)轉(zhuǎn)型為人工白樺林。由于采樣區(qū)的土壤性質(zhì)大體分布均勻，所以采用隨機(jī)布點(diǎn)法，即每種采樣區(qū)隨機(jī)選取6個(gè)采樣點(diǎn)。采用多點(diǎn)混合的方法采集0—20 cm深度的土壤樣品，再反復(fù)按四分法棄取，最后留下所需的土量，把混合土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，自然風(fēng)干，挑去石塊、植物根系等雜物，磨碎，過1 mm篩，裝袋備用。

1.3 土壤養(yǎng)分和酶活性測(cè)定

首先對(duì)部分樣品進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)20 d的風(fēng)干處理，之后將其中的雜物去掉，并過2 mm篩，之后開展相應(yīng)的指標(biāo)測(cè)定：對(duì)有機(jī)碳、全氮、堿解氮含量的測(cè)定分別借助于加熱法、凱氏定氮法、NaOH—H3BO3法；對(duì)于速效磷及鉀的測(cè)定分別通過比色法、光度計(jì)法[17]。同時(shí)將一部分新鮮土樣置于4℃下保存，并對(duì)其微生物量碳及氮含量進(jìn)行測(cè)量，具體借助于浸提法[18]。土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、脫氫酶活性指標(biāo)的測(cè)定分別通過二硝基水楊酸比色法、苯酚鈉比色法、磷酸苯二鈉法、光度法[8-9]。

數(shù)據(jù)分析利用SPSS 21.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

由表1可知，對(duì)于土壤全氮及鉀、速效磷、堿解氮而言，其含量最高的是濕地草甸區(qū)域，其次是退耕草地及林地，而含量最低的是旱田區(qū)域，也即是說，在濕地草甸退化的同時(shí)，土壤養(yǎng)分難以得到及時(shí)補(bǔ)充，因而其含量越來越低；盡管濕地開墾方式不同，但是全磷含量并沒有較明顯差異，在0.05檢驗(yàn)水平下并沒有達(dá)到顯著水平；對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)而言，其重要反映指標(biāo)之一就是土壤碳氮比，碳氮比受到的影響因素較多，不僅水分、熱量能夠顯著影響其比值，腐殖質(zhì)及植物殘?bào)w等都能顯著影響該比值，此外，翻耕、施肥等人為耕作方式的不同也將帶來不同的影響，通過本研究發(fā)現(xiàn)，不同的耕作條件，其碳氮含量差異明顯，這就造成了不同土地利用下的碳氮比不同：在濕地草甸被逐漸開發(fā)利用之后，該比值出現(xiàn)較明顯的上升，這說明在濕地開墾后導(dǎo)致有機(jī)碳含量減少，而在濕地逐漸恢復(fù)過程中該比值在不斷增加，同時(shí)經(jīng)過退耕還林、還草后，該比值依然增加明顯。當(dāng)被開墾為農(nóng)田后，土壤的碳氮比值下降，主要原因在于氮肥的施用大量增加，而有機(jī)肥料卻在減少。

表1 不同土地利用方式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

注：相同小寫字母表示在0.05水平上差異不顯著，下表同。

2.2 不同土地利用方式對(duì)土壤微生物碳和氮的影響

從表2可以看出，不同土地利用方式土壤微生物量碳(SMBC)和微生物量氮(SMBN)均呈現(xiàn)出一致性規(guī)律，大致表現(xiàn)為濕地草甸>退耕草地>退耕林地>旱田系統(tǒng)，其中不同土地利用方式土壤微生物量碳(SMBC)差異均顯著(p<0.05)，在濕地草甸退化的過程中，土壤微生物量碳(SMBC)顯著降低；退耕林地和旱田系統(tǒng)土壤微生物量碳(SMBC)差異不顯著(p>0.05)。對(duì)于SMBC/SMBN，大致表現(xiàn)為退耕林地>旱田系統(tǒng)>退耕草地>濕地草甸，其中退耕林地和旱田系統(tǒng)差異不顯著(p>0.05)，退耕草地和濕地草甸差異不顯著(p>0.05)。

2.3 不同土地利用方式對(duì)土壤酶活性的影響

由表3可知，濕地草甸經(jīng)開墾種植作物后，土壤蔗糖酶、脫氫酶、脲酶和酸性磷酸酶活性均顯著降低，其活性分別降低了32.69%，36.71%，50.00%，44.28%。退耕成草，即由旱田系統(tǒng)恢復(fù)為濕地草甸系統(tǒng)后，土壤各種酶活性均顯著增加，其中土壤蔗糖酶、脫氫酶、脲酶和酸性磷酸酶活性分別比旱田系統(tǒng)增加了26.68%，31.51%，48.19%，43.84%；而退耕成林，即由旱地系統(tǒng)恢復(fù)為林地后，各種酶的活性也有所增加。

表2 不同土地利用方式對(duì)土壤微生物碳和氮的影響

2.4 土壤養(yǎng)分與酶活性之間的相關(guān)性

由表4可知，土壤養(yǎng)分與土壤蔗糖酶、脫氫酶、脲酶和酸性磷酸酶活性的相關(guān)性顯示；SOC和TN與土壤蔗糖酶、脫氫酶、脲酶和酸性磷酸酶活性呈顯著正相關(guān)；TP和AP與土壤蔗糖酶、脫氫酶、脲酶和酸性磷酸酶活性沒有相關(guān)性(p>0.05)；SMBC與土壤蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性呈顯著正相關(guān)；SMBC/SMBN與土壤蔗糖酶、脫氫酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)，說明SMBC/SMBN對(duì)土壤蔗糖酶、脫氫酶活性貢獻(xiàn)為負(fù)，SOC，TN和SMBC對(duì)土壤蔗糖酶、脫氫酶、脲酶和酸性磷酸酶活性的貢獻(xiàn)為正，對(duì)土壤酶活性起到主導(dǎo)作用，其中SOC對(duì)土壤酶活性的影響最大。

表3 不同土地利用方式對(duì)土壤酶活性的影響 mg/(g·d)

表4 土壤養(yǎng)分與酶活性之間的相關(guān)性

注：*，**分別表示在0.05，0.01水平上差異顯著(雙尾)。

2.5 土壤養(yǎng)分和酶活性的主成分分析

對(duì)于土壤養(yǎng)分及酶活性之間的關(guān)系通過主成分分析法，同時(shí)借助于這一方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的降維處理，這樣能從多種變量中選取其中的重要變量，中間借助于線性變換的方式，為了探究濕地土壤養(yǎng)分及酶活性，本研究對(duì)土壤養(yǎng)分開展了主成分分析，并從中提取的主成分為4個(gè)，其中主成分1，2對(duì)變量方差的解釋度分別達(dá)到了69%，85%，前3個(gè)主成分對(duì)變量的貢獻(xiàn)率超過了91%，因此可以說前3個(gè)主成分因子就是主要的解釋變量；通過統(tǒng)計(jì)分析得知，不同的養(yǎng)分在主成分上的荷載值并不相同，具體如表5—6所示。

表5 方差分解主成分提取分析

表6 主成分載荷因子

注：下劃線數(shù)字表示載荷因子達(dá)顯著水平(p<0.05)。

3 討論與結(jié)論

對(duì)于土壤活性而言，酶是其中的重要活性成分，其直接影響土壤碳循環(huán)和能量交換，同時(shí)對(duì)微生物分解作用及新陳代謝等產(chǎn)生重要影響，是對(duì)土壤活性的重要反映指標(biāo)之一[19-20]。對(duì)于土壤有機(jī)碳、速效磷、堿解氮、全氮及鉀而言，其含量最高的是濕地草甸區(qū)域，其次是退耕草地及林地，而含量最低的是旱田區(qū)域，也即是說，在濕地草甸退化的同時(shí)，土壤養(yǎng)分難以得到及時(shí)補(bǔ)充，因而其含量越來越低；盡管濕地開墾方式不同，但是全磷含量并沒有較明顯差異，在0.05檢驗(yàn)水平下并沒有達(dá)到顯著水平；與濕地草甸不同的是，諸如蔗糖酶、脫氫酶等多種土壤酶含量明顯下降，脲酶、磷酸酶活性下降幅度分別達(dá)到50%和44%，而蔗糖酶、脫氫酶活性的下降幅度均在30%以上；濕地被開發(fā)利用為旱田可耕地之后，發(fā)生了明顯的生物學(xué)反應(yīng)，也即是微生物降解作用增強(qiáng)，但是退耕還草還林屬于明顯的微生物積累過程。通過相關(guān)性分析得知，對(duì)土壤酶活性作用最為顯著的是SOC，TN和SMBC，其與酶活性之間具有正相關(guān)關(guān)系，另外，通過主成分分析得知，以上3種因子為酶活性最主要的影響因素，以往不少學(xué)者通過分析研究也得出了類似的結(jié)論，這與以往研究基本接近[21-23]。酶活性的增強(qiáng)和保持也需要一定的養(yǎng)分來源，其中關(guān)鍵的是有機(jī)碳、全氮，當(dāng)濕地被開發(fā)利用耕作之后，有機(jī)碳難以得到及時(shí)的補(bǔ)充，而腐殖質(zhì)等分解逐漸殆盡，導(dǎo)致土壤的碳儲(chǔ)量不足，同時(shí)減少的碳排放至大氣，使得大氣中溫室氣體增加，即使從全球氣溫上升的角度來看，也應(yīng)降低濕地的不合理開發(fā)利用，從而保持碳儲(chǔ)量處于相對(duì)平衡狀態(tài)，因此如何提升土壤的固碳能力成為研究重點(diǎn)之一。

在長(zhǎng)期的水淹之下，原有的土壤逐漸成為濕地，成為介于水、陸之間的獨(dú)特區(qū)域，在為濕地植被提供生長(zhǎng)空間的同時(shí)，承載這諸多的生物多樣性和豐富性，是微生物群落分布的典型區(qū)域，濕地環(huán)境受到多種影響因素的制約，尤其是水文狀況作用最為直接，同時(shí)人為干預(yù)也是不可忽視的影響因素，水文狀況在較長(zhǎng)期內(nèi)基本無(wú)過大變化，但是人為干預(yù)將最能帶來較大后果，濕地土壤的結(jié)構(gòu)、活力及肥力將在人為干預(yù)之下受到顯著影響，土壤原有的通氣性等受到改變[24]。通過研究發(fā)現(xiàn)，土壤利用方式不同，其有機(jī)碳、酶活性也將發(fā)生相應(yīng)的改變，土壤養(yǎng)分在不同區(qū)域也呈現(xiàn)顯著差異，濕地開墾方式的不同改變了土壤原有性質(zhì)，如何合理開發(fā)利用濕地資源成為當(dāng)前最為現(xiàn)實(shí)的問題，同時(shí)也是今后的研究重點(diǎn)之一。

經(jīng)過幾十年的開發(fā)利用，三江平原濕地面積減少了一半，該區(qū)域的水文條件發(fā)生了較大改變，地下水位明顯下降，土壤呈現(xiàn)明顯的干濕交替特點(diǎn)，這對(duì)于有機(jī)質(zhì)的分解、礦化作用起到明顯的加速作用，在此影響下，土壤養(yǎng)分淋失現(xiàn)象更加明顯，土壤養(yǎng)分降低，最終改變了土壤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及土壤肥力、活性，不利于土地資源的合理開發(fā)[5-6]；此外，地下水位下降的情況下，干濕交替更加明顯，這將導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的淋溶速度加快，進(jìn)而降低土壤養(yǎng)分，導(dǎo)致土壤在很大程度上發(fā)生退化現(xiàn)象[25]。濕地被過度開墾之后，原有的水文條件被直接改變，土壤結(jié)構(gòu)及肥力等發(fā)生變化，加之施肥的影響，土壤養(yǎng)分等將發(fā)生一系列變化，原有的養(yǎng)分平衡被改變[26]，在粗放經(jīng)營(yíng)的土地開墾條件下，土壤有機(jī)質(zhì)明顯減少，而土壤養(yǎng)分又無(wú)法得到全面及時(shí)的補(bǔ)充，在多種條件影響下，土壤退化難以避免，因此合理開發(fā)利用濕地資源對(duì)于濕地保護(hù)意義重大，要降低過度開墾對(duì)濕地資源的破壞，注重保護(hù)水文資源。