黔西南不同程度石漠化土壤的養(yǎng)分、酶活性特征

楊 丹，石 菊，李 冕，杜潤來，管慶麗

(貴陽學(xué)院 生物與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550005)

石漠化是指喀斯特環(huán)境背景下，因自然地貌及人為活動(dòng)干擾造成水土流失，導(dǎo)致地表基巖裸露，呈現(xiàn)出類似荒漠化景觀的土地退化過程[1-2]。根據(jù)基巖裸露度和植被、土被覆蓋度等，通常將石漠化程度分為輕度、中度、重度等[3-4]。隨著石漠化程度加重，表層土壤資源減少，且土壤有機(jī)質(zhì)及氮、磷等養(yǎng)分含量顯著降低，土壤質(zhì)量惡化，植物生長及生物量積累受到抑制[5-6]，區(qū)域植物多樣性及覆蓋度明顯下降[7-9]，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性亦發(fā)生顯著變化。盛茂銀等[10]的研究結(jié)果顯示，不同程度石漠化環(huán)境中植被群落組成差異明顯，隨石漠化程度的加重，植物種類及數(shù)量逐漸降低；QI等[2]研究發(fā)現(xiàn)，土壤細(xì)菌多樣性隨石漠化程度的增加而降低；WANG等[11]研究表明，土壤真菌多樣性及豐富度在不同程度石漠化土壤中差異顯著。由于石漠化帶來的區(qū)域土壤資源減少及養(yǎng)分流失，植物生長受到限制，土地生產(chǎn)力急劇下降，農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)受到威脅，石漠化地區(qū)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益受到嚴(yán)重影響[12-13]。貴州省喀斯特地貌面積為全省土地面積的73.8%[14]，石漠化已成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的重大生態(tài)問題。因此，石漠化治理是喀斯特地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迫切需要。

土壤酶作為反映土壤質(zhì)量的生物學(xué)指標(biāo)之一，對(duì)反映石漠化治理過程中土壤質(zhì)量狀況具有重要意義。土壤養(yǎng)分循環(huán)、微生物活性、養(yǎng)分的分解及礦化等，均可通過土壤酶活性來表征[15]，對(duì)土壤酶活性的研究有助于了解土壤肥力狀況及其演變特征。目前，針對(duì)喀斯特石漠化地區(qū)土壤質(zhì)量的相關(guān)研究主要集中于水土流失現(xiàn)狀及石漠化成因分析、石漠化地區(qū)土壤理化性質(zhì)及植物多樣性及其相關(guān)性分析等方面[8,10,16-17]，而對(duì)不同程度石漠化地區(qū)土壤微生物特性的研究相對(duì)較少，尤其是針對(duì)不同程度石漠化土壤中酶活性特征的研究鮮見報(bào)道。因此，以貴州西南典型喀斯特地區(qū)不同程度石漠化土壤為研究對(duì)象，運(yùn)用野外定點(diǎn)采樣和實(shí)驗(yàn)室測定的方法，通過分析其酶活性，探討不同程度石漠化對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，為不同程度石漠化土壤治理過程中質(zhì)量改善措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省黔西南興仁縣郊區(qū)，年平均氣溫約15.2 ℃，年平均降水量1 315.3 mm，平均海拔1 359 m。土壤以黃壤為主，植被主要有以馬尾松(PinusmassonianaLamb.)為主的針葉林，零星分布的以青岡(QuercusglaucaThunb.)、油桐[Verniciafordii(Hemsl.) Airy Shaw]為主的喬木林，以鐵線蓮(ClematisuncinataThunb.)、刺梨(Rosaroxbunghii)為主的藤刺灌叢，以及以青蒿(Artemisiacarvifolia)、狗牙根[Cynodondactylon(L.) Pers.]為主的草本植物。

1.2 試驗(yàn)材料

根據(jù)熊康寧等[3]對(duì)喀斯特石漠化程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分別選取代表輕度、中度及重度石漠化程度的土壤，另外選取未見明顯石漠化特征(無石漠化)土壤作為對(duì)照。每種程度選擇具有代表性的3個(gè)典型樣地，樣地面積約10 m×10 m，按照五點(diǎn)法分別在每個(gè)樣地內(nèi)采集土壤樣品，采樣深度0～20 cm，混合后以四分法取1 kg左右，共12個(gè)樣品。采樣時(shí)間為2017年8月。樣地基本信息如表1所示。

1.3 樣品處理與分析

將采集的土壤樣品在室溫(約25 ℃)下風(fēng)干，研磨后分別過1、2 mm篩，用于養(yǎng)分含量及酶活性測定。

土壤pH值及養(yǎng)分含量測定參照劉光菘[18]的方法：土壤pH值采用電位法測定(水土質(zhì)量比2.5∶1)，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定(GB 7859—1987)，全氮含量采用凱氏定氮法測定(GB 7173—1987)，堿解氮含量采用FeSO4-Zn還原堿解擴(kuò)散法測定(GB 7849—1987)，全磷含量采用氫氧化鈉堿熔、鉬銻抗比色法測定(GB 7852—1987)，速效磷含量采用NaHCO3浸提、鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用氫氧化鈉堿熔、火焰光度法測定(GB 7854—1987)，速效鉀含量采用乙酸銨浸提、火焰光度法測定(GB 7856—1987)。土壤酶活性采用關(guān)松蔭[19]的方法測定：土壤脫氫酶活性采用三苯基四氮唑法測定，纖維素酶活性采用蒽酮比色法測定，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定，過氧化氫酶活性采用滴定法測定，磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定。

表1 樣地基本信息

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 22.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用一元方差分析(One-way ANOVA)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，同時(shí)進(jìn)行雙尾顯著性檢驗(yàn)和皮爾遜(Pearson)相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同程度石漠化土壤的養(yǎng)分含量

由表2可知，輕度、中度及重度石漠化土壤的pH值差異不顯著，但均顯著高于無石漠化土壤，分別增加了4.49%～4.69%、4.88%～4.95%、5.08%～5.80%。土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著石漠化程度的增加顯著增加，與無石漠化土壤相比，從輕度到重度石漠化，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了1.02～2.99倍。土壤全氮含量在輕度和無石漠化的土壤中無顯著差異，但中度石漠化土壤中全氮含量是無石漠化土壤的1.22倍，重度石漠化土壤全氮含量是無石漠化土壤的1.25倍，石漠化土壤全氮含量比無石漠化土壤高3.65%～24.82%。土壤全磷、全鉀含量在中度、重度石漠化土壤中顯著低于輕度、無石漠化土壤，中度石漠化土壤中全磷、全鉀含量分別是無石漠化土壤的66.67%、89.81%，重度石漠化土壤中全磷、全鉀含量分別是無石漠化土壤的53.33%、86.57%。重度石漠化土壤中速效磷的含量與無石漠化土壤相比，顯著降低25.81%。

表2 不同程度石漠化土壤養(yǎng)分含量

注：同一行中不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters in the same line indicate significant differences in different treatments(P<0.05).

2.2 不同程度石漠化土壤的酶活性

不同程度石漠化土壤酶活性測定結(jié)果(圖1—6)表明，隨著石漠化程度加重，土壤脫氫酶、纖維素酶、蔗糖酶及脲酶活性明顯下降，重度石漠化土壤中堿性磷酸酶活性也顯著降低。土壤脫氫酶、纖維素酶活性在無石漠化、輕度石漠化土壤中差異不顯著，無石漠化土壤中脫氫酶活性是中度石漠化土壤的3.43倍，是重度石漠化土壤的6.00倍。土壤纖維素酶活性在不同程度石漠化土壤中的變化規(guī)律與脫氫酶類似，無石漠化土壤中纖維素酶活性分別是中度、重度石漠化土壤的2.22、5.00倍。蔗糖酶、脲酶活性在不同程度石漠化土壤中差別較大，從輕度到重度石漠化土壤，蔗糖酶活性降低了22.33%～71.46%，脲酶活性降低了31.25%～80.14%，堿性磷酸酶活性在重度石漠化土壤中僅為無石漠化土壤的24.78%。

不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著，下同

圖2 不同程度石漠化土壤纖維素酶活性

圖3 不同程度石漠化土壤蔗糖酶活性

圖4 不同程度石漠化土壤脲酶活性

圖5 不同程度石漠化土壤過氧化氫酶活性

圖6 不同程度石漠化土壤堿性磷酸氫酶活性

2.3 不同程度石漠化土壤養(yǎng)分含量與酶活性的相關(guān)性

由相關(guān)性分析(表3)可知，石漠化程度與土壤pH值呈顯著正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)、全氮含量呈極顯著正相關(guān)，與全鉀、速效磷含量及脫氫酶、纖維素酶、堿性磷酸酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)，與全磷含量及蔗糖酶、脲酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān)。

土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮含量均與脫氫酶、纖維素酶、蔗糖酶、脲酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量還與堿性磷酸酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)，全磷含量則與脫氫酶、纖維素酶、蔗糖酶、脲酶活性呈顯著正相關(guān)；堿解氮含量與脲酶活性呈顯著正相關(guān)，速效磷含量與脫氫酶、纖維素酶、蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性均呈顯著正相關(guān)。此外，某些酶活性之間亦存在相關(guān)關(guān)系，如脫氫酶活性與纖維素酶、蔗糖酶、脲酶活性之間呈極顯著正相關(guān)，蔗糖酶活性與堿性磷酸酶活性之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同程度石漠化土壤的養(yǎng)分含量

由測定結(jié)果可知，輕度、中度及重度石漠化土壤pH值間差異不顯著，但均顯著高于無石漠化土壤，分別增加了4.49%～4.69%、4.88%～4.95%、5.08%～5.80%，表明pH值可能是表征石漠化的一個(gè)指標(biāo)。前人的研究同樣發(fā)現(xiàn)，在不同程度石漠化土壤中pH值顯著高于無石漠化土壤，這可能是由于石漠化過程中發(fā)生土壤侵蝕及石灰?guī)r溶解，增加了土壤溶液中OH-濃度[2,20]。趙朝輝[21]研究表明，石漠化區(qū)土壤養(yǎng)分的一個(gè)重要特征是“缺磷少鉀”。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著石漠化程度的增加而顯著增加，與無石漠化土壤相比，從輕度到重度石漠化，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了1.02～2.99倍，原因可能跟石灰?guī)r的溶解有關(guān)。石漠化程度越嚴(yán)重，石灰?guī)r的溶解程度越大，分解出的有機(jī)質(zhì)越多[22]。因此，有機(jī)質(zhì)含量越高并不能說明土壤質(zhì)量越好，這與QI等[2]的研究結(jié)果一致。土壤全氮含量在中度、重度石漠化土壤中也顯著高于輕度、無石漠化土壤，這可能是由于輕度石漠化、無石漠化土壤上植被覆蓋率較高，植物吸收了土壤中的氮。土壤全磷、全鉀含量在中度、重度石漠化土壤中則顯著低于輕度、無石漠化土壤，在重度石漠化土壤中速效磷含量也顯著降低，說明石漠化程度越高，土壤中養(yǎng)分限制越明顯?？傮w來說，與無石漠化土壤相比，中度、重度石漠化土壤質(zhì)量顯著下降。

3.2 不同程度石漠化土壤的酶活性

土壤酶通過催化、降解、轉(zhuǎn)化及合成土壤有機(jī)質(zhì)等過程參與土壤生物地球化學(xué)循環(huán)，因此土壤酶活性與有機(jī)質(zhì)分解及土壤質(zhì)量密切相關(guān)，是重要的土壤肥力指標(biāo)[23]。土壤纖維素酶、蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性與土壤碳、氮、磷循環(huán)密切相關(guān)，纖維素酶對(duì)分解有機(jī)質(zhì)起著重要作用；蔗糖酶、脲酶及堿性磷酸酶則在碳、氮、磷循環(huán)中控制著養(yǎng)分的生物有效性，其活性反映了土壤微生物活性[24-26]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤脫氫酶、纖維素酶、蔗糖酶、脲酶活性在石漠化土壤中均較低，且隨著石漠化程度加重，酶活性逐漸降低，尤其在重度石漠化土壤中酶活性最低。

土壤脫氫酶是重要的氧化還原酶，能夠催化土壤中有機(jī)質(zhì)脫氫，起著氫的中間傳遞體作用，反映土壤微生物新陳代謝的整體活性[19]，參與土壤中木質(zhì)素的降解[27]。隨石漠化程度加重，土壤脫氫酶活性下降，意味著土壤微生物活性的降低，影響有機(jī)質(zhì)的分解。作為與碳循環(huán)有關(guān)的胞外酶，纖維素酶對(duì)分解有機(jī)質(zhì)亦起著重要作用，本研究中，不同程度石漠化土壤中纖維素酶活性與脫氫酶活性變化規(guī)律相同，在中度、重度石漠化土壤中顯著低于無石漠化、輕度石漠化土壤，說明中度、重度石漠化土壤微生物活性較低。蔗糖酶是表征土壤微生物活性的一種重要的水解酶，主要參與含碳有機(jī)質(zhì)的分解及腐殖質(zhì)的合成，其水解產(chǎn)物是植物及土壤微生物的營養(yǎng)源，是土壤碳循環(huán)的重要物質(zhì)[19]，是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一。通常蔗糖酶活性越強(qiáng)，土壤肥力狀況越好[28]。本研究結(jié)果表明，土壤蔗糖酶活性隨著石漠化程度的增加而顯著降低，表明土壤肥力隨石漠化程度的加重而顯著下降，削弱了土壤碳循環(huán)。

脲酶和堿性磷酸酶活性是反映土壤質(zhì)量的重要功能指標(biāo)[29]。脲酶主要來源于土壤微生物活動(dòng)、植物根系分泌物，以及動(dòng)植物殘?bào)w腐解過程[30]，在土壤氮素循環(huán)中具有重要作用，其活性的提高能促進(jìn)土壤中有機(jī)氮向有效氮的轉(zhuǎn)化[31-33]；而堿性磷酸酶則主要參與土壤磷循環(huán)，促進(jìn)土壤有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化，提高磷的礦化速率及有效性[19]。土壤養(yǎng)分循環(huán)過程中，植物凋落物經(jīng)過微生物的分解回到土壤，為土壤微生物的生長及代謝提供營養(yǎng)物質(zhì)，因此凋落物的成分及凋落量對(duì)土壤微生物具有重要的影響[34]。不同程度石漠化土壤植被種類及覆蓋度不同，枯枝落葉的種類與數(shù)量差異較大，適于土壤微生物生長的營養(yǎng)源不同，土壤微生物種類及組成亦不同。本研究中，土壤脲酶活性隨石漠化程度的加重而降低，堿性磷酸酶活性在重度石漠化土壤中最低。原因可能是無石漠化土壤植被覆蓋率較高，其枯枝落葉的分解產(chǎn)物不僅為土壤微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)，還在一定程度上改善了土壤的理化性質(zhì)，為土壤微生物提供了良好的環(huán)境。而隨著石漠化程度的提高，氮、磷等養(yǎng)分受到限制，植被覆蓋率顯著降低，土壤微生物能從枯枝落葉分解產(chǎn)物中獲得的養(yǎng)分相對(duì)較低，微生物活性受到影響。脲酶、堿性磷酸酶活性的降低，削弱了土壤氮和磷營養(yǎng)循環(huán)，進(jìn)而在一定程度上削弱土壤供氮和供磷的能力。

3.3 不同程度石漠化土壤養(yǎng)分含量與酶活性的相關(guān)性

本研究發(fā)現(xiàn)，石漠化程度與土壤pH值及有機(jī)質(zhì)、全氮含量呈正相關(guān)，與全磷、全鉀、速效磷含量呈負(fù)相關(guān)，說明石漠化在一定程度上改變了土壤性質(zhì)。土壤有機(jī)質(zhì)、礦質(zhì)元素等是影響土壤酶活性及穩(wěn)定性的重要因素[19]，本研究中，石漠化程度與脫氫酶、纖維素酶、蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性呈負(fù)相關(guān)，證實(shí)了由石漠化導(dǎo)致的土壤養(yǎng)分變化顯著改變了土壤酶活性。土壤pH值及有機(jī)質(zhì)、全氮含量均與脫氫酶、纖維素酶、蔗糖酶、脲酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量還與堿性磷酸酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)，全磷含量則與脫氫酶、纖維素酶、蔗糖酶、脲酶活性呈顯著正相關(guān)；堿解氮含量與脲酶活性呈顯著正相關(guān)，速效磷含量與脫氫酶、纖維素酶、蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性均呈顯著正相關(guān)。相關(guān)研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷等肥力因子與酶活性具有很好的相關(guān)性[8,35]，而本研究中土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量與大部分酶活性呈負(fù)相關(guān)，原因可能是不同程度石漠化土壤中，有機(jī)質(zhì)、全氮含量差異主要是由石灰?guī)r的溶解及其上生長的植被量多少引起的。石漠化程度越重的土壤，石灰?guī)r的溶解程度越大，生長的植物越少，被吸收的養(yǎng)分越少，留存在土壤中的含量越多，這與QI 等[2]的研究結(jié)果一致。此外，各種酶在土壤生態(tài)系統(tǒng)中相互作用，對(duì)土壤肥力的形成和轉(zhuǎn)化具有十分重要的意義[36]。本研究發(fā)現(xiàn)，某些酶活性之間亦存在相關(guān)關(guān)系，如脫氫酶活性與纖維素酶、蔗糖酶、脲酶活性之間呈極顯著正相關(guān)，蔗糖酶活性與堿性磷酸酶活性之間呈顯著正相關(guān)，進(jìn)一步說明土壤酶對(duì)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化并不是獨(dú)立的，而是相互促進(jìn)、共同作用的。

上述研究表明，石漠化顯著增加了土壤pH值，增幅為4.49%～5.80%；從輕度到重度石漠化，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了1.02～2.99倍；中度、重度石漠化土壤中全氮含量分別是無石漠化土壤的1.22、1.25倍，而全磷含量分別為無石漠化土壤的66.67%、53.33%，全鉀含量分別為無石漠化土壤的89.81%、86.57%；重度石漠化土壤速效磷含量與無石漠化土壤相比，下降了25.81%。與無石漠化土壤相比，中度、重度石漠化土壤脫氫酶活性分別降低了70.83%、83.33%，纖維素酶活性分別下降了55.0%、80.0%。從輕度到重度石漠化土壤，蔗糖酶活性降低了22.33%～71.46%，脲酶活性降低了31.25%～80.14%，堿性磷酸酶活性在重度石漠化土壤中僅為無石漠化土壤的24.78%。因此，pH值可能是表征石漠化的一個(gè)指標(biāo)；土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量越高，并不能反映土壤肥力狀況越好，石漠化程度越高的土壤中，有機(jī)質(zhì)和全氮含量反而越高，原因可能跟石灰?guī)r的溶解及植物生長有關(guān)；隨石漠化程度的增加，土壤脫氫酶、纖維素酶、蔗糖酶、脲酶活性逐漸降低，對(duì)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化能力變差。