不同土壤水分對(duì)青藏高原高寒草甸土壤酶活性的影響

李興福，劉禹，蘇德榮 ，丁成翔

(1.北京林業(yè)大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院，北京 100083；2.青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，西寧 810016)

土壤是植物生長(zhǎng)的基底，土壤的健康與否是影響草地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵因子之一[1]。土壤的酶活性是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]。較高的酶活性往往代表著較好的土壤結(jié)構(gòu)和理化性狀，能夠?yàn)橹参锾峁┝己玫纳L(zhǎng)環(huán)境。

全球氣候劇烈變化和不合理放牧利用嚴(yán)重影響青藏高原地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)健康，這不僅嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民生計(jì)，更導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮亮魇?、土地裸露、草地植被豐富度、生產(chǎn)力下降等一系列生活和生態(tài)問(wèn)題[2]。在當(dāng)前青藏高原逐漸暖濕化的背景下，降水的增多是否會(huì)導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)、生物活性、酶活性等發(fā)生改變，進(jìn)而影響土壤質(zhì)量，改變青藏高原高寒草甸的健康狀態(tài)目前仍不清楚。鑒于此，本試驗(yàn)以青藏高原三江源地區(qū)高寒草甸為研究對(duì)象，進(jìn)行多梯度的水分添加實(shí)驗(yàn)，分析降水變化對(duì)高寒草甸土壤理化性質(zhì)和酶活性的影響，以期為全球變化背景下高寒草地對(duì)降水格局變化的響應(yīng)機(jī)理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于青藏高原河曲草原河南蒙古族自治縣(北緯34°05′～34°56′，東經(jīng)100°53′～102°16′，海拔3800m)。全年有6～7個(gè)月氣溫低于0℃，多年平均氣溫-1.3℃～1.6℃，最暖月均氣溫9.2℃～11.5℃，最冷月均氣溫-9.9℃～-14.6℃，無(wú)霜期為5d～33d，全年結(jié)凍期161d～186d。自(1997年—2017年)21年來(lái)生長(zhǎng)季(5～9月)平均降雨量為466.4mm，年蒸發(fā)量1414.6mm。境內(nèi)年日照時(shí)數(shù)2551.8h～2577.2h，平均日照百分率59%，太陽(yáng)年輻射總量139.7kcal·cm-2～152.5kcal·cm-2。5月日均氣溫穩(wěn)定通過(guò)3℃時(shí)，草地植被開始返青；9月后日均氣溫降至3℃時(shí)，草地植被基本停止生長(zhǎng)，生長(zhǎng)期僅為150d～170d。研究區(qū)植被類型為高寒草甸，優(yōu)勢(shì)物種為高山嵩草(Kobresiapygmaea)和矮生嵩草(Kobresiahumilis)。

研究樣地為采用圍封補(bǔ)播技術(shù)修復(fù)的退化草甸，根據(jù)馬玉壽等[3]有關(guān)退化高寒草地植被和土壤狀況的評(píng)價(jià)和分級(jí)指標(biāo)，研究樣地內(nèi)的高寒草甸目前處于輕度退化狀態(tài)。優(yōu)勢(shì)物種為高山嵩草(Kobresiapygmaea)+垂穗披堿草(Elymusnutans)、青海冷地早熟禾(Poaqinghaiensis)，毒雜草比例<40%，植被覆蓋度約80%左右[3]。2018年5月開始試驗(yàn)之前，在樣地內(nèi)按照‘S’型取樣法隨機(jī)選取5個(gè)1m×1m的樣方對(duì)樣地內(nèi)的植被和土壤背景狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)查。樣地內(nèi)土壤類型為中壤土，土壤容重為0.95g·cm-3～1.16g·cm-3，孔隙度54%～65%，pH值為7.5～8.2，透氣蓄水性能良好，土壤有機(jī)質(zhì)(Soil organic matter，SOM)含量為75.8g·kg-1；土壤全氮(Total nitrogen，TN)含量為6.2g·kg-1，土壤總磷(Total phosphorus，TP)含量為1.2g·kg-1，有效磷(Available phosphorus，AP)為38.2mg·kg-1,銨態(tài)氮(Ammonium nitrogen，NH4+)為41.7mg·kg-1，硝態(tài)氮(Nitrate nitrogen，NO3-)含量為12.7mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始前從國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/，下載并整理了研究區(qū)域自(1997年—2017年)21年來(lái)的日均降水?dāng)?shù)據(jù)，以此計(jì)算得出研究區(qū)域近21年植被生長(zhǎng)季(5～9月)的年均降水量(W，W=446.4mm)，以W為依據(jù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)三種水分添加處理，分別是：增加50%植物生長(zhǎng)季年均降水量(+50%W，即增水233.2mm)，增加25%植物生長(zhǎng)季年均降水量(+25%W，即增水116.6mm)和不增水處理(Control check，CK)。增水處理從2018年5月15日開始，至2018年8月21日停止，每隔一周，所有處理進(jìn)行一次增水，共計(jì)增水18次，每次增水量為各處理的總增水量的1/18。若計(jì)劃增水日有自然降水則試驗(yàn)增水處理順延。增水方式為地表微噴帶灌溉，噴幅2m。灌溉用水來(lái)自距試驗(yàn)地約150m的河流。灌溉裝置采用太陽(yáng)能蓄電裝置提供電能，使用Galcon SmartTM(G.S.I AG-Galcon Smart Irrigation,Galcon,Kfar Blum,Israel)實(shí)時(shí)控制灌溉裝置開啟或關(guān)閉。試驗(yàn)樣地大小為50m×50m，樣地內(nèi)每個(gè)處理隨機(jī)設(shè)置4個(gè)4m×4m的小區(qū)，各小區(qū)前后左右相隔1.5m作為緩沖帶和過(guò)道。

1.3 樣品采集和測(cè)定方法

試驗(yàn)所有增水處理完成約1周后，即2018年8月末，前往試驗(yàn)樣地進(jìn)行試驗(yàn)樣品采集。每個(gè)處理的每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)0.5m×0.5m的小樣方，記錄樣方內(nèi)物種數(shù)、高度、植物群落蓋度以及每種植物的分蓋度，同時(shí)采用土鉆法和五點(diǎn)取樣法收集每個(gè)樣方內(nèi)0cm～10cm的土壤，并立即儲(chǔ)存于4℃恒溫箱中用于帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤養(yǎng)分和酶活性。采用環(huán)刀法采集每個(gè)樣方內(nèi)0cm～10cm的原裝土壤，用于測(cè)定土壤含水量(Soil moisture content，SMC)和容重(Soil bulk density，SBD)。

SMC和SBD采用烘干法測(cè)定[4]，土壤pH值采用pH計(jì)測(cè)定[5]，SOM采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)定[4]，TN采用凱氏定氮法測(cè)定[4]，TP采用鉬銻抗比色法測(cè)定[5]，土壤NH4+和NO3-采用1mol/L氯化鉀溶液浸提[5]，浸提液用Clever Chem(Clever Chem 200+,DeChem-Tech.GmbH,Hamburg,Germany)測(cè)定。土壤β-1,4-葡萄糖苷酶(β-1,4-glucosidase，βG)，β-N-乙酰葡萄糖胺糖苷酶(β-1,4-N-acetylglucosaminidase，NAG)，和磷酸酶(acid Phosphatase，aP)分別參與土壤中碳(C)、氮(N)、磷(P)元素的水解循環(huán)，幫助植物從土壤中獲取C、N、P等養(yǎng)分元素，這些酶的活性采用標(biāo)準(zhǔn)熒光技術(shù)法測(cè)定[6,7]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析法分析不同水分添加處理間土壤理化性質(zhì)(SMC，SBD，pH，SOM，TN，TP，NH4+和NO3-)及酶活性(βG，NAG，aP)的差異，它們的平均值采用LSD法比較p=0.05水平的差異顯著性。采用去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(Decentred correspondence analysis，DCA)計(jì)算得到排序軸梯度長(zhǎng)度小于3，采用冗余分析法 (Redundancy analysis，RDA)對(duì)土壤因子與酶活性數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行排序分析。通過(guò)逐步回歸分析(Stepwise regression)得到土壤酶活性與土壤因子的關(guān)系。單因素方差分析利用SPSS25.0統(tǒng)計(jì)軟件分析，冗余分析使用Canoco5.0完成。所有的分析結(jié)果使用0riginPro 2018和R ggplot2包完成。

2 結(jié)果

2.1 水分添加對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

表1表明，與對(duì)照相比，三個(gè)月(5月15日至8月21日)的短期增水顯著提高了SMC，降低SBD(p=0.05)，特別是+50%W處理下，土壤物理性質(zhì)變化較為明顯，但+50%W處理和+25%W處理間SMC和SBD差異不顯著。

表1 水分添加對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

圖1 水分添加對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

圖1表明，水分添加明顯提高了SOM，TN，TP，NH4+和NO3-的含量(p=0.05)，+50%W處理下，土壤養(yǎng)分含量提高較為顯著。隨著水分添加量的增加，土壤養(yǎng)分含量呈增加趨勢(shì)。TP和NO3-在+50%W和+25%W處理間差異不顯著。但均顯著高于CK處理。短期增水對(duì)土壤pH影響不顯著。

2.2 水分添加對(duì)土壤酶活性的影響

圖2表明，隨著水分添加量的增加，βG和NAG酶活性顯著增加(p=0.05)，但aP酶活性卻隨水分添加量的增加而明顯下降。

圖2 水分添加對(duì)土壤酶活性的影響

2.3 水分添加條件下土壤酶活性和理化性質(zhì)之間的關(guān)系

RDA結(jié)果表明，前2個(gè)排序軸植被特征與土壤因子關(guān)系累計(jì)解釋量達(dá)86.5%，由此可知第1，2軸(RDA1，RDA2)能較好地反映土壤酶活性與土壤理化因子的關(guān)系，且主要由第1軸決定(圖3)。

圖3表明，土壤酶活性主要沿RDA1排列，土壤因子中SMC，SBD，SOM，TN，TP，NH4+和NO3-也主要沿RDA1排列，表明這些土壤因子對(duì)土壤酶活性有顯著影響。TN，TP，NH4+和NO3-和土壤βG、NAG呈較小的銳角，表明它們之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系，但以上因子均與aP呈較大鈍角，表明N，TP，NH4+和NO3-與aP顯著負(fù)相關(guān)。相較于SOM和TP，土壤速效養(yǎng)分(NH4+和NO3-)對(duì)土壤酶活性影響更為顯著。

圖3 土壤酶活性和土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系

3 討論

土壤理化性質(zhì)是影響土壤生物活性的重要因子[1]。與已有研究結(jié)果相似[8,9]，我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，土壤理化性質(zhì)，特別是土壤速效養(yǎng)分含量顯著影響土壤酶活性[8]。

土壤水分含量是介導(dǎo)土壤中養(yǎng)分元素耦合、循環(huán)以及土壤微生物和土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因子[10]。適宜的土壤含水量可以改善土壤環(huán)境，提高土壤中養(yǎng)分元素的溶解度，特別是土壤中速效養(yǎng)分，有利于養(yǎng)分元素運(yùn)移，從而為土壤中微生物或動(dòng)物提供更加充足的養(yǎng)分物質(zhì)，有利于提高其活性，進(jìn)而產(chǎn)生更多的土壤酶，以此形成一個(gè)良性的物質(zhì)循環(huán)鏈[9]。本研究結(jié)果顯示水分添加明顯促進(jìn)了高寒草甸土壤有機(jī)碳、全氮、總磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的提高。同時(shí)這些提高的養(yǎng)分含量與土壤與土壤酶(βG和NAG)活性的改善極顯著正相關(guān)，一定程度上表明水分添加條件下高寒草甸土壤理化性狀和養(yǎng)分狀況的改善對(duì)土壤酶活性的變化起積極的正向作用[12]。

但與以往研究結(jié)果不同[8]，我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管水分添加促進(jìn)了土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分狀況的改善，但卻顯著降低了土壤磷酸酶的活性。同時(shí)，土壤磷酸酶的活性也與土壤總磷含量變化顯著負(fù)相關(guān)。土壤總磷養(yǎng)分主要包括有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷，無(wú)機(jī)磷中的大部分為有效磷[4]。天然草地中一般不采用磷元素的人為補(bǔ)充或輸入，磷養(yǎng)分的來(lái)源主要依靠大氣沉降和土壤母質(zhì)的分解[13]，其分解過(guò)程主要受土壤質(zhì)地、孔隙性、結(jié)構(gòu)等影響[13]。已有研究發(fā)現(xiàn)水分添加可以促進(jìn)土壤有效磷含量的提高[12]，說(shuō)明水分添加可以促進(jìn)土壤理化性質(zhì)改善，提高土壤總磷和有效磷的含量。土壤磷酸酶主要參與土壤中磷養(yǎng)分的水解[7,14]，其水解產(chǎn)物多為速效磷，可被植物和微生物快速利用[14]。水分添加條件下土壤磷養(yǎng)分含量的提高可能一定程度上使土壤微生物處于磷養(yǎng)分“富足”狀態(tài)[15]，進(jìn)而使其降低了與磷養(yǎng)分相關(guān)的酶的分秘或活性降低。這可能是水分添加條件下土壤磷酸酶活性降低的主要原因。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明：水分添加促進(jìn)了高寒草甸土壤理化性質(zhì)和酶活性的改善，且隨著水分添加量的增加，土壤養(yǎng)分含量和βG、NAG酶活性逐漸提高。同時(shí)，水分添加條件下土壤酶活性的改善與土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分狀況，特別是速效養(yǎng)分顯著正相關(guān)。