會仙巖溶濕地4種覆被下土壤酶活性和微生物生物量

靳振江,賈遠航,潘復靜1,2,,程躍揚,袁 武,梁錦桃,邱江梅,劉德深1,2,

1 桂林理工大學廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室,桂林 541004 2 桂林理工大學巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心,桂林 541004 3 桂林理工大學環境科學與工程學院,桂林 541004

濕地系統是由陸地和水體相互作用形成的自然綜合系統,其碳循環模式的變化對全球氣候變化和濕地生態服務功能有著極為重要的意義[1]。反過來,全球氣候變化和人類活動能夠顯著影響濕地碳循環關鍵過程,從而改變濕地土壤碳的源匯功能[2]。在我國歷史上,許多稻田來源于濕地的墾殖；但是,最近幾年,少部分稻田又被撂荒[3],因而顯著改變了濕地的水分環境,也致使濕地景觀破碎化。這種人為干擾帶來的水分管理和覆被變化對濕地的生物地球化學循環模式的影響較大,并因此影響濕地的生態服務功能[4]。

植被的根系能夠有效地促進土壤發育、提高土壤肥力和增強土壤微生物活性,進而影響土壤的養分循環[5]。在濕地土壤中,覆被、土地利用和水分管理對土壤有機碳密度及儲量產生較大的影響[6- 8]。我國南方地區的高溫高濕的時間較長,水熱循環較快。在南方不同的濕地系統中,天然濕地利用為稻田后土壤有機碳的變化規律并不一致[9-12]；但是,土壤有機碳較高的土壤中微生物生物量[10- 11]和土壤酶活性[11- 12]也均顯著較高。在南方地區,與附近的稻田相比,稻田撂荒地的土壤有機碳含量較低[13- 14],也有較高[9]的報道；但是,土壤有機碳較高的稻田中土壤酶活性也顯著較高[14]。以上這些研究結果說明在南方濕地系統中,土壤有機碳可能是影響稻田撂荒以后土壤酶生物生物量和土壤酶活性變化趨勢的關鍵生態因子。

位于廣西桂林的會仙巖溶濕地是我國最大的巖溶濕地[15],在這個濕地系統中,蘆葦(Phragmitescommunis)和華科拉莎草(Cyperusrotundus)等植物是重要的代表植物。依靠寶貴的水源條件,當地居民在其中大量種植水稻,從而形成了孤峰和峰叢背景下稻田濕地和天然濕地錯落排列的獨特巖溶濕地景觀。但是,近幾年來的稻田撂荒地逐漸增多,改變了濕地的水分環境,不僅浪費了寶貴的耕地資源,也導致濕地面積減小和濕地景觀破碎化。農業利用顯著改變了會仙濕地土壤的有機碳、土壤酶活性和微生物量[16-17]；但是,濕地系統中,稻田在被撂荒以后,土壤有機碳-酶活性-微生物生物量之間的關系發生了怎樣的演變,還未見報道。因此,本文以桂林會仙巖溶濕地中蘆葦(Phragmitescommunis)濕地(PW)、華科拉莎草(Cyperusrotundus)濕地(CW)、稻田撂荒地[以雙穗雀稗(Paspalumdistichum)和蓮子草(Alternantherasessilis)為優勢植被](AF)和稻田(種植Oryzasativa)(RF)為研究對象,采用空間代替時間序列的研究方法,研究稻田撂荒后土壤有機碳、土壤酶活性和微生物生物量之間關系的變化,探討濕地土壤生物地球化學循環演變的過程和機制,為會仙濕地系統的保護和農業的可持續性發展提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域和采樣點概況

會仙巖溶濕地(25°01′30″—25°11′15″N,110°08′15″—110°18′00″E)位于廣西桂林市臨桂區會仙鎮[15]。桂林市地處低緯度,為亞熱帶季風氣候。平均海拔150 m,年平均氣溫18 ℃,年降水量為1915.2 mm[17]。在本次采樣區內,濕地優勢植物為蘆葦和華科拉莎草,位于會仙濕地的核心景區內,多為叢生,植被群落相對分散,覆蓋度較低,面積均不超過100 m2。采樣時蘆葦濕地和華科拉莎草的土壤均位于水面約10—25 cm之上,地上部遭到不同程度的刈割。稻田為單季稻,位置靠近居民生活區(村莊),種植歷史均在30年以上,8月中旬水稻收割前排水,采樣時水分近于飽和；稻田荒地位于核心景區和居民生活區之間,撂荒年限均在3—7年,其優勢植物為雙穗雀稗和蓮子草,水分補給以自然降雨為主。水稻為農戶分散種植和管理,施肥以無機肥為主,根茬還田,秸稈不還田。稻田和稻田撂荒地的面積也約在100—200 m2之間。

1.2 樣品采集與預處理

2017年8月下旬,每種覆被類型選取3個樣地,每個樣地間隔在300 m以上。在每塊樣地中隨機選取3個采樣點,采集耕層土壤(0—20 cm),等量均勻混合為1個樣本。為避免植物叢生根系(或地下部)的影響,采樣點距離叢生植株30 cm(相當于根際與非根際的混合樣品)。樣品帶回實驗室后,去除植物根系和小石塊等雜物,一部分研磨過2 mm篩,放置于4℃冰箱內短暫儲存,以測定土壤微生物生物量和土壤酶活性；另一部分自然風干后研磨,用于測定土壤理化性質。

1.3 理化性質的測定

pH值采用無CO2蒸餾水作為浸提劑,按照土水1∶2.5的比例浸提,用精密pH計(IS128C)直接測定；交換性Ca2+和Mg2+采用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)測定。以下土壤理化指標的分析方法參照文獻[18]進行,其中,土壤含水量采用烘干法；土壤有機碳(SOC)采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法；溶解性有機碳(DOC)采用熱水浸提法；土壤總氮(TN)采用濃硫酸消煮-凱氏定氮法；堿解氮(AN)采用堿解擴散法；陽離子交換量(CEC)采用EDTA-銨鹽快速法；土壤速效磷(AP)采用鹽酸-氟化銨法；土壤總磷(TP)采用碳酸鈉熔融法。

1.4 微生物生物量與微生物熵

微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)的測定參考文獻[18]進行。主要步驟如下,將過篩的新鮮土壤樣品調節到40%左右的田間持水量,放入培養箱室溫預培養一周后,用氯仿熏蒸培養法對土壤熏蒸24 h處理,用87.13 g/L的硫酸鉀進行提取,利用總有機碳分析儀測定微生物生物量碳和微生物生物量氮。土壤微生物DNA采用Mo BIO 公司的DNA 快速提取試劑盒(Power Soil)按操作說明進行,采用Q5000超微量核酸蛋白測定儀測定DNA的濃度。微生物熵以MBC與SOC的比值表征。

1.5 土壤微生物酶活性

1.6 數據分析和繪圖

利用EXCEL 2003軟件進行基礎數據處理,利用SPSS 13.0對數據進行差異顯著性分析和相關性分析,利用SPSS 13.0處理數據后再用Origin 9.5繪制主成分分析圖與土壤酶活性和微生物生物量的直方圖。

2 結果與分析

2.1 土壤養分和理化性質

4種覆被下的土壤養分和理化性質見表1。從表1可以看出,稻田土壤的SOC、TN和AN 均顯著高于其余3種覆被類型下土壤的這3個指標；C/N和DOC在稻田撂荒地、蘆葦濕地和華科拉莎草濕地土壤三者之間無顯著差異,但C/N顯著高于稻田土壤,而這三者的DOC則顯著低于稻田土壤；TP在4種覆被類型土壤之間均無顯著差異。

表1 土壤理化性質

4種覆被下的土壤pH、陽離子交換量和特征元素數值見表2。從表2 可以看出,pH在蘆葦濕地、華科拉莎草濕地和稻田土壤三者之間沒有顯著差異,但顯著高于稻田撂荒地土壤；4種覆被類型下土壤的CEC和交換性Ca2+沒有顯著差異；稻田土壤交換性Mg2+顯著高于其它3種覆被類型下的土壤。

表2 土壤pH、陽離子交換量和特征元素

2.2 土壤微生物量與微生物熵

4種覆被下的土壤生物量與微生物熵的數值見圖1。從圖1可以看出,蘆葦濕地和華科拉莎草濕地土壤之間的MBC沒有顯著差異,但顯著低于稻田土壤,而高于稻田撂荒地土壤；稻田土壤的MBN顯著高于其余3種覆被類型下的土壤；華科拉莎草濕地土壤的MBC/MBN顯著高于其余3種覆被類型下的土壤；在稻田中,土壤微生物DNA顯著較高,而微生物熵顯著較低。表明蘆葦濕地和華科拉莎草濕地之間的微生物量指標總體差異較小；而稻田在撂荒后微生物的生物量發生了較大改變。

圖1 微生物生物量與微生物熵Fig.1 Microbial biomasses and quotientsMBC：微生物生物量碳Micro-biomass carbon；MBN：微生物生物量氮Micro-biomass nitrogen；不同小寫字母表示4種覆被之間數據的差異顯著(P<0.5)

2.4 土壤微生物酶活性

4種覆被下的土壤微生物酶活性值見圖2。從圖2可以看出,稻田土壤的蔗糖酶活性顯著高于蘆葦濕地和稻田撂荒地土壤；華科拉莎草濕地土壤的脲酶活性顯著低于其余3種覆被類型下的土壤；稻田土壤的堿性磷酸酶活性最高；蘆葦濕地和華科拉莎草之間歸一化的酶活性也沒有顯著差異,而顯著低于稻田和稻田撂荒地；表明蘆葦濕地和華科拉莎草濕地之間的土壤酶活性指標總體差異較?。欢咎镌诹袒暮笸寥烂富钚钥傮w減小。

圖2 土壤酶活性Fig.2 Soil enzyme activities不同小寫字母表示4種覆被之間數據的差異顯著性(P<0.5)

圖3 會仙巖溶濕地系統土壤養分、微生物生物量和土壤酶活性的主成分分析Fig.3 Principal component analysis based soil nutrients, microbial biomasses and enzyme activities in Huixian karst wetland system

會仙巖溶濕地系統土壤養分、微生物生物量和土壤酶活性的主成分分析結果見圖3。從圖3可以看出,蘆葦濕地、華科拉莎草濕地和稻田撂荒地之間不能很好的分開,但它們與稻田之間能夠很好地分開。這表明稻田的土壤性質、微生物生物量和土壤酶活性之間的關系與另外3種覆被下的這3個指標之間的關系有較大差異。這個結果與表1、表2、圖1和圖2的數據差異性分析結果大致是一致的。

土壤因子與微生物生物量和土壤酶活性之間的相關性分析見表3。從表3可以看出,在會仙巖溶濕地系統中,MBC與pH呈顯著正相關關系,MBN與SOC呈顯著正相關關系,土壤微生物DNA與SOC、TN和AN等因子呈顯著正相關關系；蔗糖酶活性與SOC之間呈顯著正相關關系,堿性磷酸酶活性與pH和SOC之間呈顯著正相關關系,歸一化的酶活性與SOC之間也呈顯著正相關關系。這些正相關關系表明在會仙巖溶濕地系統不同覆被覆蓋和土地利用條件下,土壤微生物生物量和酶活性受pH、SOC、TN和AN等主要因子的敏感調節。

3 討論

3.1 會仙濕地覆被對土壤有機碳、微生物生物量和土壤酶活性的影響

濕地植被在濕地碳積累過程中具有重要的作用[20-22],并因此影響整個濕地系統的生物地球化學循環過程。在本研究中,蘆葦和華科拉莎草二者之間土壤有機碳和養分的大部分指標均無顯著差異。這其中的原因可能是,蘆葦和華科拉莎草均為大型的水生植物,具有較高的生物量；但是二者生物量的變異均較大[23],且二者的生長速率有差異[24],其地上部掉落物的歸還和根系死亡后對土壤有機碳和養分的積累的影響也會產生較大的變異,這種較大變異性帶來的結果是二者的土壤有機碳含量沒有顯著差異。其次,兩者根系常年處于淹水環境,周圍的水位基本相同,相似的濕地水分環境下土壤有機碳的積累水平相近[25-26]。再者,巖溶水淹和頻繁的水流沖刷與攪動,植被掉落和外源水帶來有機質輸入迅速被稀釋,土壤養分環境趨于均質化,因此蘆葦和華科拉莎草濕地土壤的pH、SOC和養分之間均沒有顯著差異。但是,二者根際范圍有機碳及其余養分之間的差異有待進一步的研究?？傊?會仙巖溶濕地中水系的正常運移對維持天然濕地植被較高的生產力十分關鍵，從而有利于會仙濕地土壤有機碳和養分量的固持。

表3 土壤因子與微生物生物量和土壤酶活性之間的相關性

濕地覆被的不同能夠顯著影響土壤微生物的群落結構和豐度[27],不同優勢植被覆蓋下的微生物生物量和酶活性也有所差異,并因此影響整個濕地系統的生物地球化學循環過程。綜合分析表明,土壤有機碳、總氮和堿解氮等因子是影響其變化的重要生態因子[8,22-23,28]。在本研究中,蘆葦和華科拉莎草二者之間土壤微生物數量和生物量以及土壤酶活性(脲酶活性除外)之間均無顯著差異,表明這兩種植被覆蓋下的土壤微生物生物量和微生物功能比較相似,而主成分分析的結果也證實了這一點。與蘆葦濕地相比,華科拉莎草濕地的脲酶活性顯著較低,而MBC/MBN顯著較高,表明兩者在氮素轉化能力方面有著較大的差異,而這種差異很可能與兩者的微生物群落結構有關系,這種差異性以及對土壤氮素循環的影響需要進一步的研究。除此之外,蘆葦濕地和華科拉莎草濕地之間的微生物生物量和土壤酶活性等多個指標之間均無顯著差異,表明會仙濕地系統相似的淹水環境、養分環境和較高的生物量使得蘆葦和華科拉莎草濕地之間的土壤微生物生物量和活性總體上也比較相似。兩者之間這種總體上的相似性表現出兩者對巖溶濕地環境的長期適應性；同時,少數指標之間的差異性又表現了不同植物種群孕育下的微生物群落在一定程度上的多樣性,植物群落與相似和多樣化的微生物群落共同作用,維持了會仙天然巖溶濕地系統生物地球化學過程的正常運行。

3.2 農業利用和稻田撂荒對濕地土壤有機碳、微生物生物量、微生物熵和土壤酶活性的影響

在本研究中,稻田的土壤有機碳、總氮和堿解氮均顯著高于蘆葦濕地、華科拉莎草濕地和稻田撂荒地這3個指標,表明天然濕地在改為稻田以后,隨著耕作年限的增加,精準的施肥措施、合理的水分管理與根系和稻茬死亡后對土壤養分歸還均能夠促進稻田土壤有機碳和養分的積累[29-30]。原因有以下幾點，第一，土壤有機碳和養分是土壤微生物生存重要的物質基礎,這些指標增加能夠促進微生物的生長,微生物的生物量因此提高；同時,稻田土壤中較高的Mg2+含量是微生物體內諸多酶的激活劑,能夠促進微生物DNA 的合成,提高土壤酶的活性。但是,稻田在撂荒以后,濕地植被逐漸以雙穗雀稗和蓮子草占據優勢。無論是與水稻相比,還是與華科拉莎草和蘆葦相比,雙穗雀稗和蓮子草的地上生物量均相對較小,因此對土壤的歸還也較少；第二,降雨造成土壤Mg2+的淋溶因而含量顯著降低,土壤pH顯著降低,破壞了無機物-有機質之間的相互作用,降低了土壤有機質的量和穩定性[13]。由于缺乏巖溶水的灌溉和施肥措施,稻田撂荒地的土壤團聚體被破壞,土壤有機碳分解加速,土壤有機碳也降低；第三,土壤微生物生物量碳是土壤最重要的活性有機碳指標[31],占土壤有機碳來源的一半以上[32]；土壤微生物生物量碳在巖溶區稻田中的周轉時間比紅壤的3倍還長,是土壤有機碳穩定重要原因[33],表明會仙濕地系統的稻田撂荒以后,土壤微生物生物量的周轉速率加快,穩定性降低；第四,在稻田土壤中,較高的有機碳、總氮和堿解氮支持了更多的微生物生長,提高了微生物生物量,由于微生物生物量的周轉速率降低,提高了微生物熵。PCA分析結果顯示,稻田撂荒地與稻田能夠顯著分開,而與蘆葦濕地和華科拉莎草濕地有所交叉,表明稻田撂荒以后,重要土壤因子-微生物生物量-土壤酶活性三者之間的關系發生了較大變化,向著天然濕地的方向演化。因此,這反證了稻田利用可以提高會仙天然濕地的土壤有機碳、微生物生物量和土壤酶活性,這是稻作農業可持續性的土壤特質基礎[33]。而稻田一旦被撂荒以后,土壤養分出現不同程度的降低[34],直接致使微生物生物量和土壤酶活性降低。盡管土壤生態因子、微生物生物量和土壤酶活性等指標總體上接近于天然濕地,但是不利的影響更為明顯。從宏觀上來看,這是因為,首先,稻田撂荒不僅造成了濕地水系連通性和濕地聚集度的降低[35],濕地面積減少；而且,缺乏巖溶水的灌溉,植被最終會向旱生型演替,獨特的濕地景觀破碎化；再者,植被生物量的降低,直接降低了會仙濕地生態系統的碳儲量,降低了濕地的碳匯功能。從微觀上來講,濕地土壤pH和交換性Mg2+、微生物生物量與兩種土壤酶活性的降低,降低了土壤微生物的總體活性,不利于濕地土壤生物地球化學循環的進行。

綜合本文的研究結果,我們認為,在會仙巖溶濕地中,維持巖溶濕地水系的貫通和濕地水分的正常運移對濕地植被生態功能維持具有重要的作用。稻田是會仙濕地景觀中的重要組成部分,因而,對于稻田撂荒地來說,應該重新種植水稻,合理灌溉,以維持或強化獨特的會仙巖溶濕地景觀。加快稻田撂荒土壤-植被-巖溶水體三者之間的相互作用,從而有利于維持濕地系統中較高的土壤有機碳、土壤微生物生物量、土壤酶活性和植被生產力,維持濕地水系連通性和濕地聚集度,加快會仙濕地的景觀恢復過程,保護會仙巖溶濕地和實現稻作農業的持續性。

4 結論

(1)稻田土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮、微生物DNA均顯著高于其它3種覆被下土壤。稻田的蔗糖酶活性顯著高于3種覆被下的土壤,堿性磷酸酶活性顯著高于撂荒地和蘆葦濕地土壤；

(2)會仙濕地系統中,影響微生物生物量和土壤酶活性變化的主要因素是pH、土壤總有機碳、總氮、堿解氮和Mg2+。

(3)對于稻田撂荒地而言,重新種植水稻以加快會仙濕地的恢復過程。