不同退化程度高寒草甸土壤理化性質及酶活性分析

王玉琴 ，尹亞麗 ，李世雄 *

1. 省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室/青海大學，青海 西寧 810003；2. 青海大學畜牧獸醫科學院，青海 西寧 810016；

3. 青海省畜牧獸醫科學院，青海 西寧 810016

高寒草甸是陸地生態系統的重要組成部分之一，主要分布在我國青藏高原地區（字洪標等，2015）。近年來，由于受全球氣候變化的影響，特別是在人類活動的持續干擾下，大面積的優良草地逐步退化為“黑土灘”或裸地，草地沙化和鹽堿化現象日益嚴重（王一博等，2005）。草地退化是指草地生態系統出現逆向演替的變化過程，包括“草”的演替和“地”的演替兩個方面，演替的原因是大氣候或人為干擾超過草地生態系統自我調節能力的閾值，自身難以恢復而向相反方向發展的現象（楊汝榮，2002）。在草原生態系統中，土壤作為植物生長的基質和環境，為植物生長提供所必需的礦質營養和水分，從而對植物群落結構和功能產生重要影響，研究土壤化學變量與植被動態的相關性是揭示草地演替進程的關鍵步驟（Wang，2002）。當草地生態系統受到不合理的外界因素的干擾，土壤的結構和功能在干擾作用下也會發生相應變化，其結果是打破了原有土壤生態系統的平衡狀態，使土壤肥力下降。因此，土壤退化是草地退化的核心問題（李紹良等，1997）。

土壤退化的明顯特征之一是土壤肥力的下降，土壤肥力的下降直接導致草地植被的退化，而植被的退化又導致土壤養分流失嚴重，加劇了風蝕，降低了植物殘體等對土壤養分的回饋，從而使土壤肥力狀況進一步降低（陳渭南等，1994）。土壤酶是土壤生態系統代謝的一類重要動力，是土壤中各種生化反應的催化劑（仲波等，2017），土壤酶活性的降低是草地土-草環境衰退的一個重要表征（呂桂芬等，1997）。土壤酶活性對土壤的演化有重要的影響，對土壤有機質降解、礦質化和養分循環等過程有著更敏感的響應（楊成德等，2007）。因此，對退化草地土壤特性的檢測，可以更加深入的了解草地退化和恢復程度。基于這一認識，國內外許多科研工作者對不同退化階段草地土壤的物理、化學、生物特性做了大量研究。如蔡曉布等（2008）通過對藏北退化高寒草原土壤肥力的研究表明，草地退化對土壤物理、化學和生物學肥力具有相對一致的影響，土壤物理、化學和生物學肥力間彼此聯系、相互作用，共同影響并決定著高寒草原土壤肥力的演化方向。Dong et al.（2012）研究表明，在高寒草甸中土壤持水力、有機質、全氮和全磷的減少以及土壤容重和全鉀的增加可以作為草地退化的指標。馮瑞章等（2010）研究表明，江河源區高寒生態條件下草地退化對土壤物理、化學和生物學性質具有相對一致的影響，隨草地退化程度的加重，各土層土壤含水量和水穩性團聚體百分數逐漸下降，土壤容重則呈增加趨勢，草地退化導致土壤各種營養物質含量（除全鉀）、土壤微生物群落和土壤酶活性顯著下降。蔣永梅等（2017）通過對青藏高原東北緣祁連山不同退化程度中土壤微生物和土壤酶活性的變化特征進行研究得到不同土層相同退化程度，土壤3大類微生物數量、氮素生理群、微生物量以及土壤酶活性隨土層深度的加深均逐漸減小。但是，目前對于不同退化程度高寒草甸的研究主要集中于草地植被群落特征、土壤理化因子以及兩者相互關系（張法偉等，2014；孫磊等，2016；周華坤等，2005），而對于不同退化程度高寒草甸的土壤養分和土壤酶活特性的系統研究較少。本研究以不同程度退化高寒草甸為研究對象，通過對不同退化程度高寒草甸的土壤理化性質以及土壤酶活特性的研究，擬回答以下問題：（1）不同退化程度高寒草甸的土壤理化性質及酶活特性是如何變化的？（2）土壤理化性質及酶活與高寒草甸退化的關系如何？旨在進一步探討高寒草甸植被退化與土壤退化的互作關系，為高寒草甸的合理利用、退化草甸的科學治理和人工恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于三江源國家自然保護區青海省果洛州瑪沁縣大武鎮（34°27′56.9″N，100°13′6.5″E），海拔3740 m左右，屬于典型的高原大陸性氣候，日照時間短，輻射強，熱量低，晝夜溫差較大，冬季寒冷漫長。年均溫為-3.9 ℃，最冷月平均氣溫為-12.6 ℃，最熱月平均氣溫為 9.7 ℃，年降水量513.2-542.9 mm，多集中在6-9月，年蒸發量為2471.6 mm，牧草生長季為156 d，全年無絕對無霜期。草地為不同程度退化的高寒矮嵩草草甸，草地植被的優勢種為線葉嵩草（Kobresia capillifolia）、矮嵩草（Kobresia humilis）、垂穗披堿草（Elymus nutans）、異針茅（Stipa aliena）以及干生苔草（Carex aridula），雜類草優勢種為珠芽蓼（Polygonum viviparum）、鵝絨委陵菜（Potentilla anserina）、莓葉萎陵菜（Potentilla fragarioides）、細葉亞菊（Ajania tenuifolia）、黃帚橐吾（Ligularia virgaurea）等（表1）。土壤類型為典型的高山草甸土。

表1 樣地基本植被概況Table 1 Basic condition of sampling sites

1.2 土壤取樣方法

在水熱及地形狀況基本一致的高寒草甸上，根據草地植物種類組成、植被蓋度、優良牧草的比例等的差異，參照馬玉壽等（2008）、董全民等（2015）、辛玉春等（2013）對天然草地退化等級劃分標準，設置原生植被（primary vegetation，PV）、輕度退化（light degradation，LD）、中度退化（moderate degradation，MD）、重度退化（severe degradation，SD）以及極度退化-“黑土灘”（extreme degradation-‘black soil beach'，ED）等 5 種退化草地處理，每個小區面積為50 m×50 m，各重復4次。于2016年8月，采用蛇形取樣法，以直徑為3.5 cm的土鉆，采集0-10 cm、10-20 cm土樣，每樣地取樣5-8個，混為1個土樣，共40袋土樣。過篩去除枯物及植物根系等雜質后，放入自封袋，采用生物冰袋冷藏，帶回實驗室。將每個土樣分為兩份，一份貯存在4 ℃冰箱中，用來測定土壤含水量；另一份土樣風干后過1 mm和0.25 mm土篩，裝袋，用于土壤理化性質及土壤酶活分析。

1.3 土壤理化性質分析

用CleverChem Anna全自動間斷化學分析儀測定土壤全氮、硝態氮和氨態氮，參照楊劍虹等（2008）的測定方法，測定全磷（氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法）、全鉀（火焰光度法）、速效磷（NaHCO3法-鉬銻抗比色法）、速效鉀（火焰光度法）、土壤有機質（重鉻酸鉀法）、土壤pH（電位法）以及土壤含水量（烘干法）（楊劍虹等，2008）。

1.4 土壤酶活測定

脲酶活性測定采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法；中性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法；蔗糖酶采用3, 5-二硝基水楊酸顯色法（林先貴，2010）。

1.5 數據分析

運用SPSS 22.0統計分析軟件對不同退化程度草地的土壤理化性質、土壤酶活性各指標進行差異顯著性分析，同時通過因子分析確定參評土壤指標主成分特征值和特征向量，根據主成分累計貢獻率，選擇關鍵主成分，計算各主成分得分，再利用綜合得分公式求出各樣點土壤養分綜合分值，進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同程度退化草地的土壤理化性質分析

5種不同程度退化草地的土壤含水量、土壤有機質、全氮、全磷、速效磷和速效鉀等指標均表現為0-10 cm土層大于10-20 cm土層，原生、輕度退化和重度退化草地的銨態氮、硝態氮和全鉀表現為10-20 cm土層高于0-10 cm土層，而黑土灘的銨態氮和全鉀隨土層深度的增加而減少（表2）。在0-10 cm土層中，隨著退化程度的加重，土壤含水量、土壤有機質、全氮以及速磷呈下降趨勢，且原生草地和輕度退化草地顯著高于中度退化、重度退化和黑土灘；而土壤pH值、銨態氮、硝態氮、全磷、全鉀和速效鉀等指標隨著退化程度的增加呈增加趨勢，其中，中度退化的銨態氮和全鉀含量顯著高于其他樣區（P＜0.05），黑土灘的速效鉀含量顯著高于其他樣區（P＜0.05）。原生草地和輕度退化草地除了速效鉀含量差異顯著（P＜0.05）外，其余指標差異均不顯著（P＞0.05），中度退化、重度退化以及黑土灘的土壤pH值、土壤含水量、全氮、速效磷等含量差異不顯著（P＞0.05）。在10-20 cm土層中，土壤pH值、硝態氮、全鉀等含量隨退化程度的增加呈上升趨勢，且土壤pH值表現為中度退化顯著高于原生、輕度退化和黑土灘，但與重度退化草地差異不顯著（P＞0.05）；硝態氮含量是重度退化和黑土灘顯著高于原生、輕度退化和中度退化草地（P＜0.05）；全鉀含量是中度退化草地顯著高于其他 4個樣地（P＜0.05）。土壤含水量、土壤有機質、全氮、銨態氮、全磷、速效磷以及速效鉀含量隨退化程度的增加呈下降趨勢，其中原生草地的土壤含水量顯著高于其他樣區（P＜0.05），且該樣區土壤有機質和全鉀含量與輕度退化草地差異不顯著（P＞0.05），但與其他樣區差異顯著（P＜0.05），重度退化草地的速效鉀含量顯著低于其他樣區（P＜0.05）。

表2 各退化草地不同土層土壤理化性質分析Table 2 Physicochemical properties of different soil layers at different degradation degrees

2.2 不同程度退化草地的土壤酶活性變化

5個不同程度退化草地的土壤脲酶隨著土層深度的增加而增加，中性磷酸酶和蔗糖酶隨著土層深度的增加而減少（圖1）。脲酶活性在0-10 cm土層的大小為中度退化＞重度退化＞黑土灘＞原生＞輕度退化，中度退化和重度退化差異不顯著（P＞0.05），但與原生和輕度退化差異顯著（P＜0.05）；在10-20 cm土層的大小為原生＞中度退化＞輕度退化＞黑土灘＞重度退化，其中原生與中度退化差異不顯著（P＞0.05），與重度退化、輕度退化和黑土灘差異顯著（P＜0.05）。中性磷酸酶活性在0-10 cm土層是原生草地顯著高于其他 4種退化草地，黑土灘顯著低于其余草地（P＜0.05）；在10-20 cm土層中是中度退化除與原生草地差異不顯著外，與其他草地差異顯著（P＜0.05）。在0-10 cm土層中，蔗糖酶活性大小為輕度退化＞重度退化＞原生＞中度退化＞黑土灘，原生、輕度退化和重度退化差異不顯著，但與中度退化和黑土灘差異顯著（P＜0.05）；在10-20 cm土層中，輕度退化草地的蔗糖酶活性最高，其次為黑土灘、原生草地以及重度退化，但四者差異不顯著（P＞0.05），中度退化草地的蔗糖酶活性顯著低于其余4種退化草地（P＜0.05）。

圖1 不同群落不同土層土壤酶活性Fig. 1 Soil enzyme activities in different soil layers at different degradation degrees

2.3 不同退化草地土壤特性的相關性分析

對不同退化草地的 13個土壤指標進行相關性分析（表3）。由表3可知，土壤指標間存在顯著或極顯著的正相關性或負相關，并且多數土壤指標間的相關系數的絕對值大于0.3，表明土壤指標間具有一定相關性，一些土壤特性的改變可能導致另外一些特性的變化。為了能更好地了解土壤特性在不同退化草地中的變化，以及土壤特性變化與草地退化程度的關系，采用主成分分析法進行進一步分析。

2.4 土壤理化性質及酶活性的主成分分析

通過主成分分析得出各主成分的特征值、方差貢獻率、累積方差貢獻率（表 4）和主成分載荷矩陣及特征向量（表5）。其中特征值表示對應主成分能夠描述原有的信息量，根據主成分特征值大于 1的原則，進行主成分的提取。由表4可知，在0-10 cm土層，前3個主成分的特征值均大于1，其中第1主成分的方差貢獻率為69.788%，第2主成分的方差貢獻率為19.044%，第3主成分的方差貢獻率為9.348%，累積貢獻率為98.179%，說明在0-10 cm土層中這3個主成分反映了原始變量的絕大部分信息，因此提取前3個主成分代替原13個土壤指標研究不同退化草地的土壤特性。同樣采取相同的方法對10-20 cm土層中各土壤特性的主成分進行提取，前3個主成分的特征值均大于1，且累積貢獻率為95.25%。

主成分的初始因子載荷矩陣見表 5，其中的載荷系數可以認為是原始指標與各主成分之間的相關系數。各土層中分別提取3個主成分，在0-10 cm土層中，土壤含水量、土壤有機質、全 N、速效磷以及中性磷酸酶在第1主成分上具有較高載荷，說明第一主成分基本反映了這6個指標信息；全磷和速效鉀在第2主成分上有較高的載荷，說明第2主成分反映了這2個指標的信息；蔗糖酶、硝態氮和脲酶在第3個主成分上具有較高載荷，說明第3主成分反映了這3個指標的信息。在10-20 cm土層中，第1主成分在土壤含水量、土壤有機質及全N上的載荷系數較大（均＞0.9）；第2主成分在脲酶、銨態氮和中性磷酸酶指標上的負載較大；第3主成分載荷最大的兩項指標是速效磷和全磷（表5）。主成分的特征向量，即系數向量（A1、A2、A3），等于對應的載荷系數除以主成分相對應的特征值的平方根（表5）。將得到的特征向量與13個土壤特性指標標準化后的數據相乘，就可以得出主成分表達式，根據公式計算 F1、F2和 F3（表 6），然后，以每個主成分所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重，計算主成分綜合模型：

表3 不同退化草地土壤特性的相關系數Table 3 Correlation coefficient of soil characteristics of different degraded grasslands

表4 不同退化草地土壤特性主成分的方差貢獻率Table 4 Variance contribution rates of principal components of soil properties in different degraded grasslands

表5 不同退化草地土壤特性的主成分載荷矩陣及特征向量Table 5 Loading matrix and eigenvectors of principal components to soil properties of different degraded grasslands

3 討論

3.1 土壤理化性質對不同退化程度的響應規律

土壤作為草地生態系統中生命活動的主要場所，其理化性質直接影響草地植被的生長發育和演替過程，不同退化程度草地的土壤理化性質也有所差異。本研究表明，隨著髙寒草甸草地退化程度的加劇以及土層深度的增加，土壤pH呈增大趨勢，而土壤含水量呈降低趨勢。這一結果與阿依敏·波拉提等（2017）、林璐等（2013），魏衛東等（2012）的研究結果一致，這可能是由于隨著退化程度的加劇，草地植被蓋度降低，土壤裸露面積增大，導致地表蒸發量較大，土壤含水量就會減少，從而出現堿漬化趨勢。研究發現土壤有機質含量隨著退化程度的加劇呈下降趨勢，這可能是由于草地退化后群落地上生物量降低，植被枯落物也相應減少，使得土壤有機碳的輸入量下降，該結果與高海寧等（2014）和王長庭等（2008）隨著草地退化程度的增加而減小的結果一致。研究顯示，隨著退化程度的加劇，土壤全氮呈下降趨勢，與土壤有機質的變化趨勢基本一致，這與崔寧潔等（2014）和楊紅善等（2009）的研究結果相吻合。這是由于土壤有機質是土壤肥力的物質基礎，土壤全N的95%來源于有機質（康師安等，1992），因而有機質在土壤中的積累與礦化也直接影響全N含量的變化。另外，當植被發生退化時，土壤中的固氮作用減弱甚至停止，并且退化加速了生物殘體的分解，有機氮轉化為無機氮，進而在水土流失中損失（袁知洋等，2015）。在0-10 cm土層中，銨態氮和硝態氮的含量隨退化程度的加劇呈增大趨勢，這可能由于隨著退化程度的加劇，惡劣的土壤環境對土壤速效氮的產生有促進作用，另外在重度退化和黑土灘草地中嚙齒動物數量增多，其排泄物可能對速效氮產生一定影響。磷、鉀是植物生長所必需的營養元素，以多種形式參與植物體的生命代謝過程，土壤是植物磷營養的主要來源。鉀在植物生長過程中參與酶促反應，促進光合作用，提高CO2的同化率，促進光合產物向儲藏器官運輸。本研究中，隨著退化程度的加劇，土壤全磷、全鉀呈增大的趨勢，而土壤速效磷的含量隨退化程度的增加而降低，速鉀含量 0-10 cm土層高于10-20 cm土層，且0-10 cm呈增大趨勢，而10-20 cm呈降低趨勢。造成這一現象的原因是土壤磷和鉀在土壤中含量受土壤風化的影響，草地退化后加速了土壤的風化，使得土壤中的磷和鉀得到更多釋放，因此全磷和全鉀的含量有所升高，而退化草地中土壤微生物減少，使得植物殘體的分解速率降低，導致速效磷降低。速效鉀含量增大是因為退化草地植被對土壤中速效鉀的吸收利用率降低所致。

表6 不同退化草地的主成分綜合得分及其排序Table 6 Scores and ranking of the principal component from differentdegraded grasslands

3.2 土壤酶活性對不同退化程度的響應規律

土壤酶是土壤中生物活動的產物，在生態系統中物質循環及能量流動起著重要作用，一定程度上反映了土壤所處的狀態（王理德等，2016），可以認為是土壤系統變化的預警（Badiane et al.，2001）。土壤脲酶在土壤氮素循環過程中起著重要作用（秦嘉海等，2014），它能促進土壤中有機化合物尿素分子酰胺碳氮鍵的水解，生成的銨是植物氮素營養主要來源（Geisseler et al.，2010；薛泰麟等，1991）。本研究結果表明，5個不同程度退化草地的土壤脲酶隨著土層深度的增加而增加，與前人研究結果不同（蔣永梅等，2017；楊成德等，2014；韓發等，2007）。這是由于植物的大部分根系都在上層土壤，大量吸收土壤中的氮素，而脲酶活性又與土壤速效氮素呈顯著正相關（表3），因此出現上低下高的變化趨勢。另外在0-10 cm土層中，脲酶活性在重度退化和中度退化顯著高于其他退化草地（P＜0.05）。李以康等（2008）研究表明，草甸退化導致土壤脲酶的活性先升高后降低，這與本研究結果一致。

中性磷酸酶可將復雜有機磷水解生成不同有機集團和磷酸鹽，增加土壤中磷素及易溶性營養物質（楊成德等，2010），所以中性磷酸酶反映的是土壤中有效磷的積累。本研究中，隨著退化程度的加劇，中性磷酸酶活性呈波浪式降低趨勢，且 0-10 cm土層中原生植被的活性最高，顯著高于其他退化草地（P＜0.05）。馮瑞章等（2010）研究表明，中性磷酸酶活性隨草地退化程度加劇而降低，這一結果與本研究結果一致，但該研究中0-20 cm均呈上述規律，而在本研究中10-20 cm土層中度退化草地的中性磷酸酶活性除了原生植被外，與其他退化草地差異顯著（P＜0.05）。這可能是由于原生植被土壤條件比較好，養分足夠供給植物生長，不需要大量的中性磷酸酶分解可溶性磷酸鹽，因此活性有所下降，而中度退化草地中植被對養分的需求達到臨界值，需要從土壤中吸收足夠的養分，導致中性磷酸酶活性升高。另外，本研究中，原生草地、輕度退化以及重度退化草地的中性磷酸酶活性隨土層深度的增加而降低，中度退化和黑土灘則相反。這與馮瑞章等（2007）的研究結果有所不同，這主要是由于嚴重退化的黑土灘中鼠害較嚴重，其打洞行為使得土壤下層土壤孔隙度變大，透氣性好，使微生物生長旺盛，而有研究表明土壤微生物的種類和數量在某種程度上決定土壤酶的來源，因此，黑土灘的中性磷酸酶活性在10-20 cm高于0-10 cm。

蔗糖酶又稱轉化酶，能將土壤中高分子量的多糖水解成能夠被植物和土壤微生物吸收利用的小分子葡萄糖或果糖，是表征土壤生物學活性的一種重要的酶（Sun et al.，2003），同時也在土壤有機碳循環過程中起重要作用，其活性反映土壤有機質累積與分解轉化的規律及土壤碳代謝的強度（Jorge et al.，2011）。本研究中，0-10 cm土層的蔗糖酶高于10-20 cm，這一結果與蔣永梅等（2017）和胡雷等（2014）研究一致，但李以康等（2008）的研究表明，同一退化樣地的3個土層之間蔗糖酶的活性都沒有表現出隨土層加深而降低的趨勢。這可能是與所選樣地中腐殖質以及枯落物的數量有關，腐殖質與枯落物多，則沒有明顯降低，而在本研究所選樣地中植物殘體及時被微生物所分解，因此蔗糖酶表現出上高下低的趨勢。另外在0-10 cm土層中，隨著退化程度的加劇，蔗糖酶活性有降低趨勢，但原生、輕度退化以及重度退化間差異不顯著，黑土灘的蔗糖酶活性顯著低于其他草地（P＜0.05），說明草甸退化對于土壤中蔗糖酶的活性影響比較大。

3.3 土壤理化性質及酶活性的主成分分析

通過主成分分析得出土壤理化性質與酶活性間不是相互獨立的，它們之間緊密聯系，并存在一定的相關性。本文將13個原始指標降維，提取出3個主成分，各土層的累計貢獻率均達95%以上，這說明利用10個土壤理化指標和3個土壤酶活指標對不同退化程度的草甸進行肥力狀況評價是可行的。第一、二主成分以土壤含水量、有機質、全氮、速效磷以及速效鉀的載荷量較高，這兩個成分主要影響土壤養分的含量，而第三主成分中土壤的3種土壤酶活性的載荷較高，主要反映了土壤酶在物質、能量循環過程中所起的關鍵性作用。3個主成分涵蓋了土壤的化學和生物指標，使評價更具科學性、合理性。計算3個主成分的綜合得分及其排序可知，在0-10 cm土層中輕度退化草地的土壤肥力最好，其次為原生草地，在10-20 cm土層中土壤肥力最好的是原生草地，其次是輕度退化草地。由此可見，草地退化對土壤肥力的影響較大，但具體的影響機制有待進一步研究。

4 結論

本研究表明，隨著髙寒草甸草地退化程度的加劇，土壤 pH、全磷、全鉀呈增大趨勢，而土壤含水量、有機質、全氮以及速效磷的含量呈降低趨勢。5個不同程度退化草地的土壤脲酶出現上低下高的變化趨勢，且在0-10 cm土層中，脲酶活性在重度退化和中度退化顯著高于其他退化草地（P＜0.05）。中性磷酸酶活性隨著退化程度的加劇呈波浪式降低趨勢，且在原生植被0-10 cm土層中的活性最高，顯著高于其他退化草地（P＜0.05）。蔗糖酶活性表現出上高下低的趨勢，且在0-10 cm土層中，隨著退化程度的加劇，蔗糖酶活性有降低趨勢。通過主成分分析得出土壤理化性質與酶活性間不是相互獨立的，它們之間緊密聯系，并存在一定的相關性，草地退化對土壤肥力的影響較大。