吉林西部鹽堿水田區(qū)凍融期土壤水鹽運移特征及酶活性變化

湯 潔，梁 爽，張 豪，吳佳曦，2，婁 云

1.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，長春 130012

2.湖北天泰環(huán)保工程有限公司，武漢 430000

0 引言

土地鹽堿化會對作物造成嚴重危害［1－2］，進而影響糧食產(chǎn)量。水鹽運移是研究土壤鹽堿化的主要內(nèi)容。東北寒冷地區(qū)的季節(jié)性凍融引起土壤中水鹽運移，會導(dǎo)致土壤鹽堿化［3］。pH是土壤重要的基本性質(zhì)之一，其變化直接影響土壤營養(yǎng)元素的存在狀態(tài)和有效性，改變土壤肥力形成和質(zhì)量演變過程［4］，對植物生長發(fā)育起很大作用。土壤酶參與土壤中各種生物化學(xué)過程，對土壤中有機質(zhì)的分解和植物營養(yǎng)元素的循環(huán)有重要作用，土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)，其活性常用來表征土壤微生物活性、土壤肥力和質(zhì)量［5］。但國內(nèi)外學(xué)者對凍融作用下土壤pH和酶活性變化的研究報道較少。國外對凍融作用下水鹽運移的研究主要集中在水分遷移的動力學(xué)機制［6－7］。國內(nèi)已有的研究方法主要為模型模擬［8－9］、田間試驗［10－13］和室內(nèi)模擬試驗等，其中：模型模擬不能全面反映土壤環(huán)境復(fù)雜的動態(tài)變化；田間試驗雖能反映實際情況，但其結(jié)果易受蒸發(fā)和降水等自然因素影響；室內(nèi)模擬試驗一次凍融循環(huán)多設(shè)置為凍結(jié)48h、融化48h［14－16］，無法模擬初冬和初春的實際自然條件。

吉林西部位于松嫩平原西南部，是吉林省主要糧食產(chǎn)區(qū)和國家商品糧基地［17］。該地區(qū)季節(jié)性凍融期長達六七個月［18］，其中初冬與初春為凍融期，土地凍融交替顯著。吉林西部為世界三大鹽堿土集中分布區(qū)之一，是我國蘇打鹽漬土面積最大的地區(qū)［19－20］，土地次生鹽堿化對農(nóng)業(yè)造成了巨大影響［21］。在2009年國務(wù)院通過的吉林省增產(chǎn)百億斤商品糧規(guī)劃中，吉林西部承擔(dān)著增產(chǎn)25億kg糧食的重擔(dān)，近年已通過引嫩江水灌溉鹽堿地開發(fā)出一定規(guī)模的水田，且范圍在不斷擴大。該地區(qū)大規(guī)模的水田開發(fā)將不可避免地改變土壤原有的水鹽分布及酶活性，這些不僅關(guān)系到糧食產(chǎn)量，更關(guān)系到土壤次生鹽漬化和土地荒漠化問題。長期以來，我國學(xué)者對該區(qū)鹽漬化問題進行了較為廣泛的研究［21－23］，但鮮見針對鹽堿水田區(qū)的報道。

本研究以吉林西部近年開發(fā)的大安市鹽堿草地改水田土壤為研究對象（圖1），選取－5℃凍結(jié)12 h、5℃融化12h為一個循環(huán)，開展室內(nèi)凍融試驗，模擬初冬和初春晝?nèi)谝箖鲆鸬膬鋈谘h(huán)狀態(tài)下土壤中含水率、含鹽量、pH、酶活性的變化，以期揭示鹽堿水田土壤水鹽運移特征及酶活性變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 供試土壤的采集

圖1 吉林西部鹽堿水田區(qū)規(guī)劃及采樣點布設(shè)圖Fig.1 Map of the plan of saline－alkaline paddy field area and the set of sampling point in western Jilin Province

2011年4月在吉林省大安市設(shè)置一個采樣點，以10cm為一層，分層采集0～50cm土壤剖面樣品。將各層土壤分別混合均勻后，垂直向下分層裝入PVC管（高50cm，直徑11cm），制作5個水田土柱，兩端用塑料膜封好，帶回實驗室進行室內(nèi)凍融模擬實驗。同時，用環(huán)刀和鋁盒取每層混合樣品，每層樣品取3份。另取0～50cm混合土樣帶回實驗室測定土壤基本理化性質(zhì)。由于水稻根系大部分分布在土壤耕作層（0～20cm），0～10cm土壤表層更分布有80%以上［24］，所以50cm高土柱即可反映凍融作用下水田土壤的水鹽變化和酶活性。

1.2 凍融模擬試驗

將土柱垂直放入冰箱（有效容積：210L；溫度范圍：－18～10℃；外觀尺寸：1 072mm×547mm×825mm），表層端向上，四周及底部墊置泡沫板保溫。用棉被從側(cè)面包裹土柱，模擬實際情況下土壤從表層至深層逐步凍融的情況。本次實驗?zāi)M初冬和初春的晝?nèi)谝箖鲞^程，設(shè)置一次凍融循環(huán)（freezethaw cycle，F(xiàn)TC）為－5℃凍結(jié)12h，5℃消融12h；經(jīng)0、1、2、3、4、5次FTC后，以10cm為一層分別測定土壤含水率、含鹽量、pH和酶活性。土壤脲酶活性與土壤肥力指標有較好的相關(guān)性，是評價土壤肥力的重要指標，因此選取土壤脲酶作為典型酶進行測試。每份樣品設(shè)置3個重復(fù)，取平均值。

1.3 樣品的處理與測試

測定所采集土壤樣品0～50cm混合土樣的理化性質(zhì)，代表土壤的基本狀況（表1）。測定各層土壤含水率、含鹽量、pH和脲酶活性作為0次凍融循環(huán)數(shù)據(jù)，即背景值（表2）。

每次FTC后不破壞土壤柱，將PVC管割開，以10cm為一層將土樣分層取出，用質(zhì)量法測定含水率，風(fēng)干、研磨后，分別過1mm和2mm篩，制成待測樣品。

表1 0～50cm混合土樣理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of mixed soil samples of 0～50cm

表2 土壤各層初始含水率、含鹽量、pH和脲酶活性Table 2 Initial moisture content，salt content，pH and urease activity at each soil layer

測試分4個步驟進行。

1）質(zhì)量法測定含水率：將土壤放入事先稱量過的鋁盒中，稱量鋁盒和濕土的總質(zhì)量，在105℃烘干6h后，稱量鋁盒和干土的總質(zhì)量，同時做2組平行樣。含水率計算公式為

式中：m1為鋁盒質(zhì)量（g）；m2為鋁盒＋濕土質(zhì)量（g）；m3為鋁盒＋干土質(zhì)量（g）。

2）殘渣烘干法測定土壤水溶性鹽總量：稱取過2mm篩待測土樣50.000g（精確至0.001g）置于干燥的500mL具塞錐形瓶中，加入250.00mL無CO2蒸餾水，振蕩3min；取得清亮的待測浸出溶液50mL置于已知烘干質(zhì)量的瓷蒸發(fā)皿中，在水浴上蒸干；然后置于恒溫干燥箱中于105℃烘干3h；再置于干燥器中冷卻30min后稱量，繼續(xù)烘干1h，冷卻稱量，直至恒重。同時做2組平行樣。含鹽量計算公式為

式中：n為稱取風(fēng)干試樣質(zhì)量（g）；n1為蒸發(fā)皿＋鹽的烘干質(zhì)量（g）；n0為蒸發(fā)皿烘干質(zhì)量（g）。

3）電位法測定pH：稱取待測樣品10.00g（精確至0.01g）于50mL高型燒杯中，加入25mL無CO2蒸餾水，用玻璃棒攪動2min，靜置30min。同時做2組平行樣。使用PHS－3C型pH計測定pH。

4）靛酚藍比色法測定土壤脲酶：稱取10.00g（精確至0.01g）過1mm篩的風(fēng)干土樣，置于50mL三角瓶中，先加2mL甲苯處理15min，再注入10 mL 10%尿素溶液和20mL檸檬酸鹽緩沖液（pH＝6.7），放在38℃恒溫箱中培養(yǎng)3h；轉(zhuǎn)移至100mL容量瓶中，用38℃的蒸餾水稀釋至刻度，搖蕩，過濾；取1mL濾液置于50mL容量瓶中，加入9mL蒸餾水稀釋，再加入4mL苯酚鈉溶液，混勻，之后立即加入3mL次氯酸鈉溶液，混勻，靜置20min后將混合物體積稀釋至刻度；用1cm的比色槽，在比色計上于波長578nm處測定脲酶活性。脲酶活性以培養(yǎng)3h后100g土中NH＋4－N的毫克數(shù)表示。同時做2組平行樣。

2 結(jié)果分析

2.1 不同凍融循環(huán)條件下土壤含水率、含鹽量、pH和脲酶活性變化

2.1.1 土壤水分變化

土壤水分變化見圖2。經(jīng)過凍融作用，0～10 cm、10～20cm土層含水率隨FTC次數(shù)的增加呈遞增趨勢，最終值比背景值分別增加了29.55%和10.63%；20～30cm、30～40cm和40～50cm土層含水率均有明顯下降，并隨FTC次數(shù)的增加呈現(xiàn)遞減趨勢，3層含水率最終分別降低了10.71%、16.00%和30.94%。說明在凍融作用下，20～50 cm土層水分向0～20cm土層遷移。這與鹽沼濕地經(jīng)過凍結(jié)和融化作用后土壤下層水分向表層遷移的研究結(jié)果相似［13］。

2.1.2 土壤含鹽量變化

由土壤含鹽量變化（圖3）可知：0～10cm、10～20cm土層含鹽量隨FTC次數(shù)增加而遞增，與背景值相比，最終分別增加了30.21%、15.58%；20～30 cm、30～40cm和40～50cm土層含鹽量隨FTC次數(shù)增加而遞減，比背景值最終分別降低了15.31%、17.44%和23.46%，說明經(jīng)過凍融循環(huán)，20～50cm土層鹽分向0～20cm土層遷移并聚集。姜世成等［25］和張立新等［26］對鹽堿化草地和灌區(qū)草窩灘盆地土壤進行研究時也發(fā)現(xiàn)，在凍結(jié)和融化過程中，土壤下層水分攜帶大量易溶鹽分向上遷移，且融化時蒸發(fā)作用使鹽分聚集在土壤表層，導(dǎo)致或加重土壤鹽堿化［22］。

圖2 土壤各層含水率變化圖Fig.2 Changes of moisture content at each layer

圖3 土壤各層含鹽量變化Fig.3 Changes of conductivity at each layer

2.1.3 土壤pH 變化

土壤pH與含鹽量變化規(guī)律相似，見圖4。

由圖4可以看出：0～10cm、10～20cm土層pH隨FTC次數(shù)增加呈現(xiàn)遞增趨勢；20～30cm土層pH隨FTC次數(shù)增加而波動上升；30～40cm、40～50cm土層pH總體呈現(xiàn)降低趨勢。經(jīng)過凍融循環(huán)，0～10cm土層pH 由8.49上升到8.53；10～20 cm土層pH由8.48上升到8.51；20～30cm土層pH 由8.47上升到8.48，30～40cm、40～50cm土層pH均有所降低。經(jīng)過凍融循環(huán)，土壤表層pH升高。

圖4 土壤各層pH變化Fig.4 Changes of pH at each layer

2.1.4 土壤脲酶活性變化

脲酶是土壤中最活躍的水解酶之一，其對尿素在土壤中轉(zhuǎn)化分解起關(guān)鍵催化作用［27］，可釋放出供作物直接吸收利用的氮素。研究鹽堿水田區(qū)凍融作用下脲酶的變化與水鹽運移關(guān)系，對于揭示土壤水鹽變化對土壤酶活性和肥力影響有重要意義。

研究表明，水田土壤脲酶活性隨深度增加而遞減，見圖5。經(jīng)過凍融循環(huán)，0～10cm、10～20cm、20～30cm土層脲酶活性隨FTC增加均出現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在第3次FTC之后出現(xiàn)峰值；30～40cm、40～50cm土層脲酶活性較前面3個土層明顯降低。5次FTC后，與背景值相比，0～10cm土層w（脲酶）降低了2.88%；10～20cm土層增加了1.26%；20～30cm土層降低了10.38%；30～40 cm土層降低了15.69%；40～50cm土層降低了25.97%。

圖5 土壤各層脲酶活性變化Fig.5 Changes of soil urease at each layer

2.2 凍融次數(shù)和土壤深度對含水率、含鹽量、pH、脲酶變化的方差分析（ANOVA）

運用Excel對測試數(shù)據(jù)進行方差分析（ANOVA）和顯著性檢驗（P＜0.05），見表3。

方差分析表明：凍融次數(shù)對含水率、含鹽量、pH的影響不顯著（P＞0.05），而對脲酶活性的影響顯著（P＜0.05），是影響脲酶活性的主要影響因素之一；土壤深度對含水率、含鹽量、pH、脲酶活性的影響顯著（P＜0.05），說明土壤深度是影響含水率、含鹽量、pH、脲酶活性的主要因素之一。凍融過程中伴隨著溫度變化，凍融溫度引起土壤溫度尤其深層土壤溫度改變是一個緩慢過程，不可避免地產(chǎn)生溫度梯度，因此對不同深度土壤影響不一致。

2.3 各因子之間的相關(guān)分析

不同F(xiàn)TC下，水田土壤水、鹽、pH和脲酶活性呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，揭示各因子之間的關(guān)系是研究其變化機理的關(guān)鍵，為此，本文利用SPSS19.0軟件在各因子之間進行了相關(guān)分析，見表4。

2.3.1 水－鹽、鹽－pH 相關(guān)性分析

由表4可以看出：0～50cm土層含水率與含鹽量之間R為0.913（P＜0.01），二者呈顯著正相關(guān)。由圖2、3可知，土壤各層含鹽量與含水率的變化趨勢相似。土壤中的水分不僅是鹽分的溶劑，也是鹽分運移的載體，凍融過程中水分運移的方向和數(shù)量，在很大程度上決定了鹽分運移的方向和數(shù)量［14］。

土壤含鹽量與pH之間的R為0.893（P＜0.01），二者呈顯著的正相關(guān)；鹽分尤其是碳酸鹽的遷移，容易引起pH的變化。羅金明等［10］研究鹽化草甸土和白蓋蘇打堿土?xí)r發(fā)現(xiàn)，凍融結(jié)束后，鹽化草甸土和蘇打鹽漬土表層pH均有所上升，且表層鹽分增加主要表現(xiàn)為碳酸鈉和碳酸氫鈉的遷移，碳酸鈉和碳酸氫鈉均是強堿弱酸鹽，水解均會產(chǎn)生OH－，使pH升高。如表1所示，研究區(qū)水田土壤含有大量和，二者的向上遷移必然會對水田土壤的pH產(chǎn)生影響。同時，土壤溶液中的OH－也會隨著水分向上遷移，使表層土壤pH升高。

2.3.2 土壤水－脲酶、鹽－脲酶、pH－脲酶相關(guān)性分析

由表4可以看出：土壤含水率、含鹽量和pH與土壤脲酶活性之間均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為：0.764（P＜0.01）、0.913（P＜0.01）和0.912（P＜0.01），其中，含鹽量與脲酶活性相關(guān)性最大，含水率與脲酶活性相關(guān)性最小。這說明土壤中水分、鹽分和酸堿度均對脲酶活性產(chǎn)生重要影響，進而影響土壤養(yǎng)分狀況。

表3 凍融次數(shù)和土壤深度對含水率、含鹽量、pH、脲酶活性影響的方差分析（ANOVA）Table 3 ANOVA of the effect of number of freeze－thaw cycles and depth on moisture content，salt content，pH，urease activity

表4 0～50cm土層含水率、含鹽量、pH、脲酶活性之間的相關(guān)性Table 4 Correlation between moisture content，salt content，pH and soil urease at layer of 0～50cm

3 討論

溫度降低導(dǎo)致表層與下層土壤水勢梯度增大，牽引下層水分上移［26］。融化期間，凍結(jié)帶以上水分形成“滯水”，蒸發(fā)作用使其繼續(xù)上移［14］；凍結(jié)帶以下水鹽在土壤水勢梯度作用下上移，凍結(jié)帶融化之后繼續(xù)上移，最終導(dǎo)致土壤表層鹽分聚集。鹽隨水走是鹽分在土壤中遷移的主要方式［28］。

當(dāng)溫度下降較慢時，土壤中的水鹽有足夠的時間進行遷移，水鹽會產(chǎn)生顯著的再分配現(xiàn)象［28］。凍融過程中，0～10cm、10～20cm土層含水率持續(xù)上升，說明20cm土層以下水分持續(xù)向上遷移。20～30cm、30～40cm土層水分呈現(xiàn)波動趨勢，40～50 cm土層含水率持續(xù)降低，表明下一層水分持續(xù)補給其上一層水分，但補給量不等。與以往凍融循環(huán)模擬實驗中－15［15］、－20［16］、－25 ℃［23］的凍結(jié)溫度相比，－5℃凍結(jié)溫度下凍結(jié)帶形成相對較慢，凍結(jié)作用的影響相對較弱，凍結(jié)帶的“阻隔”作用［13，25］不強烈，水的遷移是連續(xù)的。水分的持續(xù)遷移帶動了鹽分的持續(xù)遷移，加劇了水、鹽在表層積累，一旦溫度回暖，強烈的蒸發(fā)極易加重表層土壤的鹽堿化。同時，水分帶動OH－、、的遷移，使各層pH發(fā)生動態(tài)變化。

凍融過程主要引起各層土壤水、鹽的縱向遷移——即水、鹽由下層向上層遷移，引起不同深度含水率、含鹽量改變；pH的改變主要受二者遷移的影響，因此就各層而言，凍融周期并不是影響含水率、含鹽量、pH的主要因素。不同土層脲酶活性不同，且各層脲酶并不遷移，其活性的改變受凍融溫度影響，因此凍融周期和土層深度均是影響其活性的主要因素。

土壤酶主要來源于微生物［29］，凍融過程中土壤溫度不僅可以通過影響微生物的活性而間接改變酶活性，還可以通過影響酶的動力學(xué)特征而直接改變酶活性［30］。土壤有機質(zhì)是土壤微生物主要的C源和N源。測試數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過凍融作用，0～50cm土層有機碳質(zhì)量分數(shù)出現(xiàn)不同程度（1.01～2.17g/kg）的降低，與其他研究結(jié)論相符［18］。劉建新［31］的研究表明，土壤脲酶與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性最好，與土壤有機質(zhì)之間存在顯著相關(guān)性。因此，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的降低抑制了微生物活動，降低了脲酶活性。水稻根系主要生長在0～20cm土層，腐殖化會增加土壤有機質(zhì)含量，因此耕作層土壤脲酶活性高于其他土層。有研究發(fā)現(xiàn)：水分增加［32］或減少［29］對脲酶影響不大；土壤脲酶的2個最適pH為6.50～7.00和8.80～9.00［33］，因此，pH 在8.39～8.54范圍內(nèi)，越接近最適pH（8.80～9.00），脲酶活性越大，即脲酶活性與pH呈正相關(guān)。周德平等［34］研究發(fā)現(xiàn)，室溫下土壤鹽脅迫強度與土壤脲酶呈高度線性負相關(guān)，其外加含鹽量分別相當(dāng)于0.10%、0.50%、1.00%、2.00%，本文含鹽量范圍為0.14%～0.32%，0～20cm土層脲酶活性在前3次FTC時遞增說明鹽分（0.25%～0.31%）對脲酶活性的抑制作用弱于pH對脲酶活性的增強作用，第3次FTC后活性降低，表明鹽分增加產(chǎn)生的抑制作用超過了pH的促進作用。因此，含鹽量與脲酶活性呈正相關(guān)是水分及pH等因素共同作用的結(jié)果，鹽分實際上會抑制脲酶活性；凍融過程中土壤脲酶活性的變化是溫度、鹽分、pH等因素共同作用的結(jié)果。

4 結(jié)論與建議

1）土壤深度是影響土壤含水率、含鹽量、pH和脲酶活性的主要因素之一。經(jīng)過凍融循環(huán)，水、鹽出現(xiàn)顯著的再分布。下層土壤中水、鹽遷移至土壤耕作層使其水、鹽含量升高。在遷移過程中，水分是鹽分運移的主要影響因素，鹽隨水而遷移，水、鹽之間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)。

2）水分及鹽分的遷移使水田表層土壤pH升高、鹽分積累，表明凍融作用在引起或加重水田表層土壤鹽堿化方面起到至關(guān)重要的作用。

3）在凍融過程中，土壤脲酶活性的變化是凍融周期、溫度、含鹽量、pH、有機質(zhì)等多種因素共同作用的結(jié)果，在一定范圍內(nèi)，含水率、含鹽量、pH與脲酶之間均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)。凍融作用降低了土壤脲酶的活性，進而影響土壤肥力。

4）在吉林省土地開發(fā)整理工程中，應(yīng)結(jié)合該區(qū)的氣候和土壤條件合理灌溉、灌排結(jié)合，合理施肥，提高土壤酶活性，通過防治水田的鹽堿化、提高土壤肥力來保障糧食安全。

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