水鹽梯度對(duì)濱海濕地土壤養(yǎng)分指標(biāo)和酶活性的影響

仙旋旋, 孔范龍, 朱梅珂, 李 悅, 郗 敏

(青島大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266071)

濱海濕地作為一種重要的濕地類型，在生物多樣性維持、污染調(diào)控、氣候調(diào)節(jié)[1-2]等方面發(fā)揮著巨大的作用。相比于其他濕地類型，由于其地理位置的特殊性，容易受到海水入侵的影響。其直接影響是水分和鹽分的不斷增加，而這種水鹽環(huán)境的變化勢(shì)必會(huì)對(duì)土壤理化和生物性質(zhì)產(chǎn)生一定的直接或間接影響。濱海濕地土壤為其生態(tài)服務(wù)功能提供了載體，是碳存儲(chǔ)、維持生物多樣性以及控制污染等功能的基礎(chǔ)[3]。因此，充分了解水分和鹽分對(duì)土壤性質(zhì)的影響，對(duì)于探究土壤鹽漬化的機(jī)理和科學(xué)評(píng)價(jià)海水入侵對(duì)濱海濕地土壤質(zhì)量的影響具有重要意義。

關(guān)于對(duì)土壤水分和鹽分含量對(duì)土壤性質(zhì)影響的研究主要在農(nóng)田[4-6]及濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)[7]中展開。對(duì)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究主要關(guān)注了人為作用導(dǎo)致的農(nóng)田土壤鹽漬化對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響、淹水栽培對(duì)設(shè)施土壤性質(zhì)的影響、咸水灌溉對(duì)作物產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的影響等方面。與農(nóng)田土壤相比，濱海濕地土壤以砂粒和粉粒為主，黏粒較少，具有粒徑大、孔隙度大、容重小的特點(diǎn)[8]，在垂直海岸線方向具有明顯的水鹽梯度[9]，因而濱海濕地土壤受水鹽含量的影響明顯，且影響機(jī)制與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)存在差異。而目前對(duì)于濱海濕地水鹽含量和土壤性質(zhì)的研究主要集中在閩江河口濕地、崇明灘涂濕地、黃河三角洲濕地等區(qū)域，主要關(guān)注了鹽度梯度下有機(jī)碳的分布、生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征、土壤質(zhì)量指數(shù)的影響因素等方面，而關(guān)于不同水鹽條件下土壤養(yǎng)分指標(biāo)和生物性質(zhì)的研究較為匱乏。

土壤養(yǎng)分和酶是濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)重要的土壤指標(biāo)，土壤養(yǎng)分是影響生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主導(dǎo)因素，土壤酶參與土壤中許多重要的生物化學(xué)過程和物質(zhì)循環(huán)，與土壤養(yǎng)分密切相關(guān)，二者均可作為反映土壤質(zhì)量變化、生產(chǎn)力和生物活性的有效指標(biāo)[10]。研究表明，土壤養(yǎng)分和酶活性受土壤內(nèi)部環(huán)境影響顯著，水鹽含量是土壤養(yǎng)分和酶活性的重要影響因素[4-5]。現(xiàn)有研究一般采用實(shí)地采樣的方法探究土壤養(yǎng)分和酶等的影響因素，該方法無法避免樣地間其他影響因素所造成的差異性，因此關(guān)于水鹽梯度對(duì)濱海濕地土壤養(yǎng)分和酶活性的影響，特別是其影響機(jī)理問題需要引起關(guān)注。

膠州灣濱海濕地是山東半島面積最大的典型河口海灣型濕地，部分區(qū)域已遭到嚴(yán)重的海水入侵，由此造成的土壤質(zhì)量下降對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)產(chǎn)生了不利影響。本文擬選取膠州灣濕地存在海水入侵風(fēng)險(xiǎn)的樣地采集土壤樣品，通過實(shí)驗(yàn)室控制試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行不同水分和鹽分處理，研究水分和鹽分變化對(duì)濱海濕地土壤養(yǎng)分指標(biāo)和酶的影響，以期為探究濱海濕地土壤質(zhì)量及其影響因素提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 土壤樣品采集

模擬試驗(yàn)所用土壤采自膠州灣濱海濕地表層土壤，原生植被為蘆葦，距離海岸線垂直距離7.14 km，該區(qū)域存在海水入侵的潛在風(fēng)險(xiǎn)。土樣采集回來經(jīng)自然風(fēng)干，剔除可見動(dòng)植物殘?bào)w，磨細(xì)并過篩后，將土樣充分混合，保證其土壤性質(zhì)相對(duì)均一，備用。樣地土壤含水量28%，含鹽量0.9%，屬于輕度鹽漬化土[9]。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)包括預(yù)試驗(yàn)和正式試驗(yàn)兩部分。預(yù)試驗(yàn)過程中，將相同質(zhì)量的土樣(1 kg)分別裝盆，用蒸餾水維持土壤含水量為20%，置于25 ℃培養(yǎng)室預(yù)培養(yǎng)2周，以恢復(fù)原土壤微生物環(huán)境。2周之后進(jìn)入正式試驗(yàn)，采用海鹽和去離子水配制不同濃度的“人造海水”并加入到預(yù)培養(yǎng)后的土壤中，設(shè)置土壤含鹽量為4種鹽梯度，即S1(0.9%,輕度鹽漬化土)，S2(1.4%,中度鹽漬化土)，S3(1.9%,重度鹽漬化土)和S4(2.4%,鹽土)。與4種水梯度(W1為15%，W2為30%，W3為45%，W4為60%)兩兩交叉，共16種處理分別加到預(yù)培養(yǎng)后的土壤中，每種水鹽梯度處理設(shè)計(jì)2組重復(fù)試驗(yàn)，恒溫25 ℃，每日光照12 h，培養(yǎng)期間每天稱重并補(bǔ)充水分使其維持設(shè)定的土壤水分不變。分別在15，30，45 d(記為T1，T2，T3)取土樣，并使其自然風(fēng)干并磨細(xì)過篩，用來測(cè)定其土壤性質(zhì)。

1.3 土壤指標(biāo)測(cè)定

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013和SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用單因素(one-way ANOVA)和Duncan檢驗(yàn)對(duì)不同水鹽梯度及時(shí)間梯度下的各指標(biāo)含量進(jìn)行方差分析和多重比較。用Pearson法對(duì)土壤各指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析。采用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水鹽梯度對(duì)土壤pH值和容重的影響

pH值和容重是最基本的土壤理化性質(zhì)，與土壤養(yǎng)分含量及酶活性大小密切相關(guān)。pH值是土壤養(yǎng)分和酶的重要影響因素，水鹽含量可以通過影響pH值大小對(duì)二者產(chǎn)生直接或間接作用[13]；容重能夠反映土壤肥力的高低、通透性的強(qiáng)弱，其大小會(huì)對(duì)水分入滲與土壤侵蝕產(chǎn)生影響[4]。土壤中水分和鹽分的變化影響了其pH值和容重(表1和圖1)。隨水分增加，土壤pH值升高，但增長(zhǎng)趨勢(shì)不顯著；且同一水梯度下pH值隨時(shí)間增加均不顯著。隨鹽分增加，土壤pH值顯著降低；同一鹽梯度下pH值隨時(shí)間增加而增加，除S1梯度增加不顯著外，其余3個(gè)梯度從T1到T2顯著增加(表1)。土壤容重(BD)隨含水量增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在W2水梯度下土壤容重最大，W1梯度最小，除W2和W3梯度下土壤容重差異不顯著外，其余水梯度間差異顯著；不同采樣時(shí)間土壤容重變無明顯化規(guī)律。含鹽量增加，土壤容重減小，但不同鹽梯度下容重差異不顯著；且隨時(shí)間增加土壤容重變化不顯著。

表1 土壤指標(biāo)含量及差異性在不同取樣時(shí)間和不同水鹽梯度下的變化情況

土壤pH值隨含水量的增加而升高，可能是不同含水量對(duì)土壤緩沖物質(zhì)沖擊作用不同，導(dǎo)致土壤出現(xiàn)不同程度的輕微堿化[14]。鹽度增加使得土壤pH值降低，原因可以從兩方面分析，一是因?yàn)榭扇苄喳}陽離子和陰離子的加入可以將土壤表面上吸附的H+，Al3+和OH-代換出來，當(dāng)代換出的H+和Al3+數(shù)量大于的OH-數(shù)量，土壤pH值會(huì)下降[15]。

注：圖中S為土壤含鹽量4種鹽梯度，即S1(0.9%,輕度鹽漬化土)，S2(1.4%,中度鹽漬化土)，S3(1.9%,重度鹽漬化土)和S4(2.4%,鹽土)；W為4種水梯度(W1為15%，W2為30%，W3為45%，W4為60%)。下同。

圖1濱海濕地不同水鹽梯度條件對(duì)土壤pH值和容重(BD)的影響

2.2 水鹽梯度對(duì)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的影響

2.3 水鹽梯度對(duì)土壤酶活性的影響

土壤中不同酶活性在水鹽梯度上表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律(圖3)。隨水分增加，酶活性先升高后降低，表明酶在一定的含水量范圍內(nèi)具有較高的活性；隨鹽度增加，則表現(xiàn)出不同程度的降低趨勢(shì)，說明鹽分的增加對(duì)酶活性具有抑制作用。SA和APA在水梯度W2，鹽梯度S1處理下活性最高，在水梯度W4，鹽梯度S4處理下活性最低，也反映出土壤中過多的水分和鹽分對(duì)蔗糖酶和堿性磷酸酶活性的抑制作用。而UA在水梯度W3，鹽梯度S1處理下活性最高；且在同一水梯度上，UA先升高后降低，在W3水梯度達(dá)到最高。除W1和W3水梯度上，高鹽度(S4)和低鹽度(S1)下的SA具有顯著差異外，3種酶活性在不同鹽度上均無顯著性差異。3種酶活性的平均值在鹽度梯度上分別降低41.0%，28.2%和9.1%，這說明APA比SA和UA具有更高的耐鹽性。在鹽梯度S2上，不同水梯度之間SA差異不顯著；在鹽梯度S1和S4上，不同水梯度之間UA差異不顯著；其余情況下，各水梯度上最高酶活性均顯著高于最低酶活性。不同酶在水鹽梯度上的顯著性差異分析表明，在本研究水鹽含量跨度上，水分對(duì)酶活性的影響大于鹽度對(duì)酶活性的影響。

圖2 濱海濕地不同水鹽梯度條件對(duì)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的影響

圖3 濱海濕地不同水鹽梯度條件對(duì)土壤酶的影響

酶是土壤組分中最活躍的有機(jī)成分之一，具有很強(qiáng)的生物催化能力，它參與了土壤中幾乎全部的物理化學(xué)反應(yīng)過程和物質(zhì)循環(huán)，對(duì)土壤代謝過程的推進(jìn)具有重要的作用，其活性反映了土壤微生物的活性和各種生物化學(xué)過程的方向和強(qiáng)度，故經(jīng)常被用來作為評(píng)估養(yǎng)分循環(huán)和土壤質(zhì)量的指標(biāo)。SA，UA和APA是土壤碳、氮、磷等元素轉(zhuǎn)化的重要參與者，土壤水分和鹽分是酶活性大小的主要影響因素，且不同酶的最適水分和鹽分區(qū)間具有差異[22,25]。本研究中，土壤中過多的水分和鹽分都對(duì)3種酶活性的大小產(chǎn)生了抑制作用，同時(shí)土壤水分過低也會(huì)對(duì)酶活性產(chǎn)生不利影響。朱同彬等人對(duì)不同水分條件下土壤酶活性的變化進(jìn)行了研究[26]，結(jié)果表明，與70%的田間持水量相比，過高的水分會(huì)顯著抑制土壤脲酶、過氧化氫酶和堿性磷酸酶的活性。萬忠梅等[27]的研究也證明了酶活性會(huì)隨水分增加而降低這一結(jié)論。而在水分為限制因子的干旱地區(qū)，水分缺乏導(dǎo)致土壤酶活性會(huì)隨土壤水分的增加而增加，在田幼華等[28]的研究中，脲酶、各種磷酸酶的活性均隨土壤水分含量的增加而顯著增加，這與本文中W2和W3水梯度土壤酶活性高于W1水梯度的結(jié)果一致。而鹽分對(duì)土壤酶的影響主要包括兩個(gè)方面，一是高濃度的鹽分會(huì)通過離子毒害和滲透脅迫等效應(yīng)直接對(duì)酶產(chǎn)生抑制作用，二是鹽分通過影響其他因素對(duì)酶產(chǎn)生間接影響，如土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分有效性、微生物的活性及數(shù)量等。關(guān)于鹽分對(duì)土壤酶活性的抑制作用，在大部分的研究中都印證了這一結(jié)論[25，28-29]。馮棣等[25]在研究咸水灌溉對(duì)土壤酶活性的影響中發(fā)現(xiàn)，咸水灌溉會(huì)導(dǎo)致土壤中鹽分增加且積累，使得土壤酶活性受到抑制。在田幼華等[28]的研究中，高鹽分含量限制過氧化氫酶和脲酶的活性，增加中性磷酸酶和堿性磷酸酶的活性，這說明不同酶的耐鹽性及適宜生長(zhǎng)的鹽分區(qū)間不同，與本文的研究結(jié)果一致。

2.4 養(yǎng)分指標(biāo)與酶活性的相關(guān)性分析

研究表明，土壤養(yǎng)分水平會(huì)對(duì)酶活性產(chǎn)生直接影響，同時(shí)，土壤酶也對(duì)養(yǎng)分水平具有一定的作用，二者之間存在緊密的聯(lián)系。相關(guān)分析表明土壤SA，UA，APA活性均與土壤養(yǎng)分含量具有一定的相關(guān)關(guān)系。SA是轉(zhuǎn)化酶中的一種，與土壤中的養(yǎng)分含量關(guān)系十分密切[30]。通過對(duì)SA和養(yǎng)分指標(biāo)的相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn)，SA不僅與土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分顯著相關(guān)，也與APA極顯著相關(guān)；同時(shí)APA和TOM，AP，AK之間也具有相關(guān)關(guān)系，說明SA和APA均會(huì)在土壤碳、磷、鉀元素的轉(zhuǎn)化中起著非常重要的作用，崔東[30]等人的研究也說明了這一結(jié)論。而相比之下，UA與土壤TOM及速效養(yǎng)分等相關(guān)系數(shù)很低，但受土壤理化指標(biāo)pH值和BD影響較大，可能是因?yàn)橥寥览砘再|(zhì)會(huì)對(duì)UA產(chǎn)生直接影響，而模擬試驗(yàn)土壤無植被生長(zhǎng)，土壤養(yǎng)分含量對(duì)脲酶活性的間接影響會(huì)相對(duì)減弱，從而出現(xiàn)UA與pH值，BD顯著相關(guān)但與養(yǎng)分指標(biāo)相關(guān)系數(shù)極低的情況。

圖4 土壤養(yǎng)分指標(biāo)和酶活性的典型對(duì)應(yīng)分析表2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)和酶活性的相關(guān)性分析

指標(biāo)pHBDTOMNH+4-NAPAKSAUAAPApH值1BD0.300?1TOM 0.426??0.2721NH+4-N-0.358? -0.147 -0.426??1AP0.302?0.204 0.522??-0.167 1AK0.0440.287? 0.465??-0.373?? 0.481??1SA0.1350.236 0.472??0.027 0.513?? 0.458??1UA0.292? 0.523??-0.113 0.0850.066-0.137 -0.264 1APA0.064 0.475?? 0.513??0.063 0.565?? 0.401?? 0.658??0.0451

注：“**”表示差異極顯著；“*”表示差異顯著。SA為蔗糖酶活性；UA為脲酶活性；APA為堿性磷酸酶活性。

3 結(jié) 論