土壤理化性質(zhì)和微生物活性對(duì)水田改果園的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

楊東偉, 章明奎, 劉千千, 張鵬啟, 李 雪, 董 靜, 黃 笑

(1.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 浙江 杭州 310058;2.河南師范大學(xué) 旅游學(xué)院, 河南 新鄉(xiāng) 453007; 3.廣西大學(xué) 商學(xué)院, 廣西 南寧 530004)

土地利用方式的改變是全球環(huán)境變化的主要原因之一，并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)造成重要影響[1]。水稻田是承載著中華文明的人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，在維持我國(guó)糧食安全和環(huán)境健康方面具有積極意義和重要的生態(tài)服務(wù)價(jià)值。近30 a來(lái)，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，一些地區(qū)大面積水田改種果樹(shù)、苗木等經(jīng)濟(jì)林木。水田改果園后，土地耕作制度改變，土壤水分狀況和通氣性發(fā)生明顯變化，從而引起土壤環(huán)境因子和土壤微生物性質(zhì)的變化。土壤微生物作為生命元素循環(huán)的驅(qū)動(dòng)者，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的成分，被稱(chēng)為地球關(guān)鍵元素循環(huán)過(guò)程的引擎[2]，在土壤有機(jī)質(zhì)分解和生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，影響植被的發(fā)育和演替[3]，進(jìn)而影響景觀和生態(tài)系統(tǒng)的變化[4-5]。土壤微生物對(duì)其生存環(huán)境的質(zhì)量狀況具有重要的指示作用，能夠快速對(duì)土壤系統(tǒng)過(guò)程中的環(huán)境改變做出反應(yīng)，是土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警及敏感指標(biāo)[2,6]。以往一些學(xué)者對(duì)水田改旱作后土壤基本理化性質(zhì)的演變進(jìn)行了研究，表明水田改旱作后土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、微生物生物量下降[7-11]，而有關(guān)水田改為果園后土壤理化性質(zhì)及微生物活性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，以及土壤環(huán)境因子之間關(guān)聯(lián)性研究還比較缺乏。本文以浙江省水網(wǎng)平原為研究區(qū)，采用時(shí)空互代法，建立后切型時(shí)間序列，探討土壤微生物特性及環(huán)境因子對(duì)水田改果園的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，以期為進(jìn)一步研究土地利用變化對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的影響，預(yù)測(cè)水田改果園后土壤質(zhì)量的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于浙江省寧波市余姚市黃家埠鎮(zhèn)上塘村，地理坐標(biāo)位于30°7′13″—30°7′25″N和120°56′25″—120°56′40″E之間，屬于中北亞熱帶季風(fēng)氣候過(guò)渡帶，平均氣溫為15.0～18.1 ℃，多年平均降水量在1 060～2 000 mm之間，雨日150～190 d，成土母質(zhì)為淺海沉積物，采樣點(diǎn)海拔在3～4 m之間[12]。

1.2 土樣采集

根據(jù)野外土地利用現(xiàn)狀和分布數(shù)量，確定不同類(lèi)型土壤樣本的采集數(shù)量；共采集18個(gè)耕層土壤樣本(0—12 cm)，對(duì)應(yīng)18個(gè)田地，其中水田樣本3個(gè)，果園土壤樣本15個(gè)(種植果樹(shù)年限詳見(jiàn)表3)，采集的果園土壤在植樹(shù)之前均為水田。依據(jù)第二次土壤普查資料，目前種植水稻的土壤在發(fā)生分類(lèi)中屬于潴育型水稻土亞類(lèi)，粉泥田土屬，粉泥田土種[12]。水田與果園位置相鄰，果園土壤目前種植梨樹(shù)(梨樹(shù)種植年限在4～20 a之間)，供試土壤黏粒含量在219.63～241.31 mg/kg之間。每個(gè)樣地設(shè)置5個(gè)重復(fù)進(jìn)行觀察與取樣，采用多點(diǎn)混合取樣法采集土壤樣品。采集的土樣分為兩部分：一部分帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干處理，分別過(guò)2，0.25和0.15 mm土篩，用于土壤理化指標(biāo)和土壤酶活性測(cè)定；另一份置于冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室，放入4 ℃冰箱，一周內(nèi)完成土壤微生物生物量和土壤含水率等的測(cè)定。土地利用方式及土壤施肥量等信息詳見(jiàn)表1。

表1 水田和果園土壤施肥量

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤含水率、pH值、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體、鹽基飽和度、土壤顆粒組成、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀等基本理化性質(zhì)采用土壤標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法進(jìn)行，具體測(cè)定步驟見(jiàn)參考文獻(xiàn)[13]。土壤微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法，土壤脲酶活性測(cè)定采用苯酚鈉比色法，土壤酸性磷酸酶活性測(cè)定采用磷酸苯二鈉比色法，土壤過(guò)氧化氫酶活性測(cè)定采用滴定法[14]。

1.4 數(shù)據(jù)分析與計(jì)算方法

采用Excel和Origin 8.0制圖，SPSS 10.0進(jìn)行相關(guān)性分析。

土壤微生物熵=1.724×土壤微生物生物量碳/土壤有機(jī)質(zhì)

2 結(jié)果與分析

2.1 水田改果園對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

水田改果園后土壤含水率明顯下降，并與植樹(shù)年限呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)(圖1)。

水田改果園后土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體明顯下降，水田土壤中土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均含量為68.3%，改果園后下降到52.8%，降幅達(dá)到22.7%，并與植樹(shù)年限呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)(圖1)。

注：*表示顯著相關(guān)(p<0.05)；**表示極顯著相關(guān)(p<0.01)。下同。

2.2 水田改果園對(duì)土壤基本化學(xué)性質(zhì)的影響

水田改果園后，土壤明顯酸化，水田土壤pH平均值為5.51，改果園后pH值平均值下降到4.45，并與植樹(shù)年限呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)(圖2)。隨著植樹(shù)年限的延長(zhǎng)土壤鹽基飽和度呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，并與植樹(shù)年限呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)(圖2)。改果園后，隨著植樹(shù)時(shí)間的延長(zhǎng)土壤有機(jī)質(zhì)含量呈下降的趨勢(shì)，水田土壤中土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為34.2 g/kg，改果園后平均含量下降到20.8 g/kg，降幅達(dá)到39.1%，并與植樹(shù)年限呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)(圖2)。

圖2 土壤pH值、鹽基飽和度和有機(jī)質(zhì)隨時(shí)間的變化

2.3 水田改果園對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分對(duì)土地利用方式由水田改為果園響應(yīng)較敏感，水田土壤中全氮和堿解氮等高于改果園土壤，磷素和鉀素含量低于果園土壤。水田土壤中全氮和堿解氮平均含量分別為2.38 g/kg，220.2 mg/kg，改果園后平均含量分別下降到1.08 g/kg和143.6 mg/kg，降幅分別為54.6%和34.8%，并與植樹(shù)年限呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)(圖3)。水田土壤中全磷和有效磷平均含量分別為0.81 g/kg和42.7 mg/kg，改果園后分別增加到1.15 g/kg和326.6 mg/kg，分別增加了42.0%和6.65倍，并與植樹(shù)年限呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)(圖4)。水田土壤中全鉀和有效鉀平均含量分別為16.0 g/kg和111.7 mg/kg，改果園后分別增加到19.5 g/kg和172.8 mg/kg，增幅分別為21.9%和54.7%，并與植樹(shù)年限呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)(圖5)。

圖3 土壤全氮和堿解氮隨時(shí)間的變化

圖4 土壤全磷和有效磷隨時(shí)間的變化

圖5 土壤全鉀和有效鉀隨時(shí)間的變化

2.4 土壤理化指標(biāo)主成分分析

為進(jìn)一步了解土壤理化性質(zhì)與土地利用方式及利用年限之間關(guān)系，對(duì)水田和果園土壤11個(gè)土壤理化指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析(principal component analysis, PCA)。主成分PC1，PC2，PC3和PC4分別解釋了水田改果園后69.2%，10.5%，5.8%和4.1%的土壤理化性質(zhì)的變異，累積貢獻(xiàn)率為89.6%。第1主成分與自然含水率、>0.25 mm 水穩(wěn)定性團(tuán)聚體、pH值、有機(jī)質(zhì)、鹽基飽和度、全氮、堿解氮呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)，與全磷、有效磷、全鉀和有效鉀呈極顯(p<0.01)著負(fù)相關(guān)(表2)。這與土壤環(huán)境因子與植樹(shù)年限的相關(guān)性一致，表明主成分1主要受土地利用年限的影響，土地利用年限是促使土壤環(huán)境變化的主要因素。研究表明，分布在A區(qū)域的3個(gè)土壤樣本均為水田土壤樣本，在這些土壤樣本中，自然含水率、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體、pH值、鹽基飽和度、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮等含量明顯高于其它土壤，而全磷、有效磷、全鉀、有效鉀等指標(biāo)明顯低于其它土壤。分布在B區(qū)域的7個(gè)土壤樣本均為植樹(shù)年限不超過(guò)11 a的果園土壤樣本，其土壤理化指標(biāo)的數(shù)值大小總體上介于A區(qū)域和C區(qū)域土壤樣本理化指標(biāo)的數(shù)值之間。依據(jù)土壤理化性質(zhì)主成分分析的結(jié)果(圖6)，改果園土壤可以分為短期果園土壤(S4—S10，≤11 a)和長(zhǎng)期果園土壤(S11—S18，>11 a)兩個(gè)階段。區(qū)域A與B的距離，大于區(qū)域B與C的距離，表明土地利用方式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響要大于利用年限的影響。

注：圖中數(shù)字表示樣品編號(hào)

2.5 水田改果園對(duì)土壤微生物生物量和微生物熵的影響

水田土壤微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)平均含量為1 026.33 g/kg，改果園后土壤MBC平均含量降低到262.51 mg/kg，降幅達(dá)到74.4%(圖7)，并與植樹(shù)年限呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。水田土壤微生物生物量氮(microbial biomass nitrogen, MBN)平均含量為104.94 mg/kg，改林地后土壤MBN平均含量降低到28.00 mg/kg，降幅達(dá)到73.3%，并且與植樹(shù)年限呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)(圖7)。MBC主要取決于輸入有機(jī)物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)，在一定條件下，有機(jī)質(zhì)輸入越多，MBC就越高[15-16]。相關(guān)分析表明，改果園后，土壤微生物生物量碳氮與土壤自然含水率、>0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體、pH值、鹽基飽和度、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關(guān)(表4)，與土壤有效磷、全鉀和有效鉀呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)(表4)。

表2 土壤理化性質(zhì)與主成分的相關(guān)系數(shù)

土壤微生物熵(microbial biomass carbon/total organic carbon, MBC/TOC)的變化反映了土壤中輸入的有機(jī)質(zhì)向微生物生物量碳的轉(zhuǎn)化效率[17]。土壤被過(guò)度使用時(shí)，土壤生物生物量碳庫(kù)會(huì)以較快速率下降，最終引起土壤有機(jī)質(zhì)和微生物熵降低[18]。水田改果園后，土壤微生物熵隨著植樹(shù)年限的延長(zhǎng)而下降，并與植樹(shù)年限呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)(圖7)，表明水田改果園后土壤微生物生物量碳比土壤有機(jī)碳降低更加迅速，土壤出現(xiàn)過(guò)度使用的情況，也說(shuō)明水田在積累有機(jī)碳的同時(shí)，有利于土壤微生物生物量的提高。

2.6 水田改果園對(duì)土壤酶活性的影響

水田土壤中脲酶活性平均值為0.20 mg/g(以24 h內(nèi)土壤中的NH3-N計(jì))，改林地后土壤脲酶活性平均值增加到0.28 mg/g(表3)，增幅為40.0%，并與改林地年限呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為r=0.78**(n=18)。水田土壤酸性磷酸酶活性平均值為2.15 mg/g(以24 h 內(nèi)土壤中的酚計(jì))，改林地后土壤酸性磷酸酶活性平均值增加到3.05 mg/g(表3)，增幅為41.8%，與改林地年限呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)性為r=0.82**(n=18)；并與土壤pH值呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)，與土壤有效磷含量呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)(表4)。水田土壤過(guò)氧化氫酶活性平均值為7.98 ml (以1 g干土1 h內(nèi)分解的H2O2對(duì)應(yīng)的0.01 mol/L KMnO4體積計(jì))，改林地后平均值降低到2.45 ml(表3)，下降了69.3%，并與改林地年限呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為r=-0.79**(n=18)。此外，土壤過(guò)氧化氫酶活性與土壤pH值以及有機(jī)質(zhì)都呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)(表4)。

表3 水田和果園土壤酶活性

注：脲酶活性以24 h 內(nèi)土壤中的NH3-N(mg/g)計(jì)，酸性磷酸酶活性以24 h 內(nèi)土壤中的酚(mg/g)計(jì)，過(guò)氧化氫酶活性以1 g干土1 h內(nèi)分解的H2O2對(duì)應(yīng)的0.01 mol/L KMnO4體積(ml)計(jì),—表示“無(wú)”。

表4 土壤微生物指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)相關(guān)系數(shù)

3 討 論

3.1 水田改果園后土壤理化指標(biāo)的響應(yīng)規(guī)律

3.2 水田改果園后土壤微生物特性的響應(yīng)規(guī)律

土壤微生物生物量碳是土壤有機(jī)碳中活性較高的部分，它對(duì)環(huán)境因子變化非常敏感[21-22]。土壤微生物生物量氮是土壤有效氮活性庫(kù)的主要部分，其含量能夠反映土壤肥力狀況和土壤的供氮能力[23]。水田改果園后土壤微生物生物量顯著下降(p<0.01)，變化的主要原因是稻田土壤為微生物提供了相對(duì)充足的有機(jī)碳源、氮源和水分等主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使得稻田土壤微生物的生長(zhǎng)旺盛，土壤微生物生物量相對(duì)較高；另一方面，水田改果園后土壤酸化，抑制了土壤微生物活性，特別是占土壤微生物多數(shù)的細(xì)菌的活性，此外，土壤微生物生物量與大于0.25 mm的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體呈顯著(p<0.05)正相關(guān)(表4)，表明水田中較多的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體有利于土壤水分和土壤空氣的消長(zhǎng)平衡，為微生物生長(zhǎng)提供了良好的生境[24]。

脲酶是土壤酶系中唯一催化尿素水解的酶，其活性反映了土壤酰胺態(tài)氮的轉(zhuǎn)化能力和供應(yīng)無(wú)機(jī)態(tài)氮的能力，通常情況下，它與土壤有機(jī)質(zhì)和微生物數(shù)量有很大關(guān)系[23]。土壤pH值較高時(shí)土壤有機(jī)—無(wú)機(jī)膠體、土壤脲酶和尿素三者的結(jié)合體較穩(wěn)定，從而使脲酶發(fā)生“鈍化”[25-26]。水田改果園后，土壤pH值下降，脲酶活性增強(qiáng)，表明土壤中全氮和堿解氮含量降低，與脲酶活性增強(qiáng)有一定關(guān)系。

磷酸酶是土壤酶系中唯一催化有機(jī)磷脂水解成可供植物吸收的無(wú)機(jī)磷酸的酶，其活性的高低直接影響著土壤中有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化和生物有效性，對(duì)有機(jī)磷的礦化作用非常明顯[23]。水田改果園后，土壤酸性磷酸酶活性增強(qiáng)，并與土壤有效磷含量呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)(表4)，這與改果園后土壤磷肥施用量增加，殘留在土壤中可供微生物利用的磷素(底物)增多，微生物受到底物刺激，分泌的磷酸酶增多有關(guān)；并與土壤有效磷含量增加、誘導(dǎo)作用增強(qiáng)，致使土壤磷酸酶活性增強(qiáng)等因素有關(guān)[27-28]。此外，土壤酸性磷酸酶的最適pH值為4.0～5.0[29]，改果園后土壤pH值逐漸降低也是酸性磷酸酶活性增強(qiáng)的重要原因。

過(guò)氧化氫酶主要來(lái)源于細(xì)菌、真菌以及植物根系分泌物，是參與土壤物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的一種重要的氧化還原酶，土壤過(guò)氧化氫酶能夠促進(jìn)過(guò)氧化氫的分解有利于防止對(duì)生物體的毒害作用，其活性能反映土壤生物氧化過(guò)程的強(qiáng)弱，與有機(jī)質(zhì)積累程度有關(guān)[14,23,30]。當(dāng)pH值在5.0以下時(shí)過(guò)氧化氫酶的活性幾乎完全消失[31]。水田改果園后，土壤過(guò)氧化氫酶活性降低，并與土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)(表4)，表明土壤pH值和有機(jī)質(zhì)下降是土壤過(guò)氧化氫酶活性降低的重要原因。水田中還原性物質(zhì)較果園多，水田大量的還原性物質(zhì)被氧化過(guò)程中，需要大量電子受體，過(guò)氧化氫酶活性增強(qiáng)，促進(jìn)過(guò)氧化氫快速分解，分解產(chǎn)物氧分子可以將土壤中的還原性物質(zhì)氧化，因而水田中過(guò)氧化氫酶活性較強(qiáng)。

4 結(jié) 論

水田改果園后，土壤酸化，土壤結(jié)構(gòu)變差，碳匯作用減弱，土壤綜合肥力下降。改果園后全氮和堿解氮下降，而全磷、有效磷、全鉀和有效鉀明顯增加，引起土壤養(yǎng)分失衡，并對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境造成影響，增加了因養(yǎng)分流失而導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，水田改果園后土壤環(huán)境因子發(fā)生階段性變化，土地利用年限是促使土壤環(huán)境因子變化的主要因素，土地利用方式的影響要大于利用年限的影響。研究表明，水田改果園后土壤環(huán)境因子的改變對(duì)土壤微生物生物量及酶活性產(chǎn)生重要影響，土壤生態(tài)功能減弱，對(duì)土地的可持續(xù)利用產(chǎn)生不利影響。