刈割措施對濱海蘆葦濕地土壤酶活性及理化因子的影響

宋鐵紅，陳家旭,，王立冬，吳秋堂，吳夢迪，韓廣軒，王光美*，管 博*

（1.吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130118；2.中國科學(xué)院 海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東省海岸帶環(huán)境過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院 煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺 264003；3.山東黃河三角洲國家級自然保護(hù)區(qū)管理委員會，山東 東營 257091；4.煙臺大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 煙臺264005；5.煙臺大學(xué) 環(huán)境材料與工程學(xué)院，山東 煙臺 264005）

黃河三角洲濱海濕地地處黃海入口，受陸地、海洋、河流的三重影響，由于黃河泥沙量巨大，黃河三角洲成為世界上造陸速度最快的河口三角洲之一［1-2］。該區(qū)域?qū)儆跊_積平原，以鹽漬化濕地、蘆葦沼澤、鹽沼和河漫灘等濕地類型為主［3］。蘆葦具有較廣的耐澇、耐鹽堿閾值，是被廣泛用于濕地修復(fù)的首選物種，也正因?yàn)槿绱?，蘆葦群落是黃河三角洲分布面積最大的群落類型，蘆葦具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，如何平衡生態(tài)功能與經(jīng)濟(jì)價(jià)值是蘆葦濕地管理的研究熱點(diǎn)；然而當(dāng)前不同的濕地管理方式對生態(tài)系統(tǒng)功能的影響并沒有得到正確的評估，再加上近年來氣候變化的加劇和人類活動的干擾，濱海濕地生物多樣性減少，生態(tài)系統(tǒng)功能嚴(yán)重退化［4］。濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的退化不僅制約了濕地資源的可利用性［5-6］，而且還威脅著人類社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展［7-8］。

在“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念下，如何有效協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與生態(tài)保護(hù)成為新的主題，這就需要在濕地管理過程中采取多樣化的手段，合理協(xié)調(diào)濕地資源的保護(hù)與利用。濕地生態(tài)工程的成功實(shí)施必須與科學(xué)的管理技術(shù)相匹配，但目前的總體情況是恢復(fù)重于管理，難以有效地發(fā)揮濕地恢復(fù)工程的綜合效益［9］。不同的管理方式對蘆葦濕地功能有著顯著影響，其中以刈割為代表的管理方式對濱海濕地蘆葦?shù)纳L、發(fā)育以及優(yōu)化有重要作用［10-11］。

土壤酶是土壤中最活躍的有機(jī)成分之一［12］，它的活性不僅能反映土壤物質(zhì)和能量代謝的旺盛程度，也是評價(jià)土壤肥力與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)［13-15］。土壤的理化因子也能夠反映出土壤質(zhì)量和土壤的生產(chǎn)力水平，是研究土壤性質(zhì)變化最直接的指標(biāo)［16］。有研究表明，刈割處理的蘆葦莖、葉及地上部分的生物量與其氮、磷儲量均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)［17］；另有研究發(fā)現(xiàn)，蘆葦刈割引起的土壤養(yǎng)分含量的變化可能是土壤酶活性變化的主要原因之一［18］。在以往的研究中，很少有人研究刈割對濱海蘆葦濕地土壤的理化因子及酶活性的影響，而科學(xué)有效地管理蘆葦濕地能夠有效地促進(jìn)黃河三角洲濱海濕地的高質(zhì)量發(fā)展。本文以黃河三角洲濱海濕地為研究區(qū)，通過分析黃河三角洲蘆葦濕地的土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性的變化，探討了不同刈割方式對濱海蘆葦濕地土壤功能的影響，以期為黃河三角洲濱海蘆葦濕地的管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)在中國科學(xué)院黃河三角洲的濱海濕地生態(tài)試驗(yàn)站（37°45＇52＂N，118°58＇52＂E）開展。該區(qū)域地處暖溫帶，屬于季風(fēng)型大陸性氣候，四季分明，年均氣溫 12.6 ℃，年均降水量為550~640 mm，降水主要集中于5~9月，其中6~9月有積水；年均蒸發(fā)量為1962 mm［19］。土壤類型主要為潮土和鹽堿土，蘆葦為主要優(yōu)勢物種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及土樣采集

試驗(yàn)區(qū)布置于2017年，選擇長勢均勻的蘆葦群落樣地，進(jìn)行圍欄并布設(shè)實(shí)驗(yàn)小區(qū)，實(shí)驗(yàn)采取隨機(jī)設(shè)計(jì)，共設(shè)3個(gè)處理：自然保留（CK，無任何處理）；刈割歸還（M，刈割后將所有植物平鋪回原樣地）；刈割移除（MR，刈割后移除植物地上部分），每個(gè)處理4次重復(fù)，共分為12個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū)。

實(shí)驗(yàn)于2017年11月進(jìn)行首次刈割，齊地面刈割，留茬0 cm。之后每年冬季（11月末~12月初）均進(jìn)行刈割處理。每個(gè)處理的小區(qū)面積為3.4 m×3.4 m，不同小區(qū)之間保留1 m的間隙以消除小區(qū)間的影響。

本研究于2020年9月18日和2021年3月30日分別進(jìn)行兩次土壤采樣及調(diào)查工作。在每個(gè)處理小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取4個(gè)采樣點(diǎn)（采樣時(shí)在小區(qū)中央3 m×3 m范圍內(nèi)進(jìn)行，以排除邊緣效應(yīng)），根據(jù)剖面將每個(gè)采樣點(diǎn)的土壤分為表層（0~10 cm）、中層（10~20 cm）和下層（20~30 cm），將每個(gè)小區(qū)4個(gè)采樣點(diǎn)的土樣分層混合均勻后裝入自封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室；土樣自然風(fēng)干后過篩，用于土壤理化指標(biāo)和酶活性的測定。

1.3 指標(biāo)測定及數(shù)據(jù)處理

土壤樣品測定包含土壤理化性質(zhì)（pH值、電導(dǎo)率、總氮、總碳、總磷、有機(jī)質(zhì)、氨態(tài)氮以及硝態(tài)氮含量）和酶活性（蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶以及堿性磷酸酶）。其中pH值、電導(dǎo)率采用便攜式電導(dǎo)率儀測定；土壤總氮、總碳、有機(jī)質(zhì)的含量采用元素分析儀測定，有機(jī)質(zhì)含量=有機(jī)碳含量×1.724；土壤總磷含量采用消煮法測定；氨態(tài)氮、硝態(tài)氮的含量采用2 mol/L KCl浸提后利用流動分析儀測定。土壤蔗糖酶活性的測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法［20］；過氧化氫酶活性的測定采用紫外分光光度法［21］；土壤脲酶活性的測定采用苯酚鈉比色法［20］；土壤堿性磷酸酶活性的測定采用磷酸苯二鈉比色法［20］。

采用Office-Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算平均值與標(biāo)準(zhǔn)差；用Origin 2021制圖；用SPSS 24.0軟件中的最小顯著差異法（LSD）檢驗(yàn)處理間的差異性；用Pearson雙尾檢驗(yàn)土壤性狀間的相關(guān)性，顯著水平均為P = 0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同刈割管理方式對土壤理化性質(zhì)的影響

3個(gè)土層之間土壤的pH值均沒有顯著性差異（表2）；隨著土層的加深，土壤電導(dǎo)率呈現(xiàn)顯著升高的趨勢（P<0.05）；而2021年3月份刈割移除處理的土壤電導(dǎo)率則表現(xiàn)出相反的趨勢，即隨土層的加深而降低；除2020年9月的氨態(tài)氮含量和2021年3月的總磷含量外，土壤總碳、總氮、總磷、有機(jī)質(zhì)、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮等的含量均隨著土層的加深而降低，且表層含量均顯著高于下層（P<0.05）。

與自然保留處理相比，2020年9月的刈割歸還處理的土壤pH值在下層的差異顯著（表1）；而2021年3月的刈割移除處理則顯著提高了土壤表層和中層的電導(dǎo)率，分別提高了130.56%、54.00%；2020年9月的刈割歸還和刈割移除處理的下層土壤總氮、有機(jī)質(zhì)含量顯著降低；而刈割歸還處理的表層土壤總碳含量顯著升高，刈割歸還和刈割移除處理的總氮含量分別減少了28.30%、30.19%；有機(jī)質(zhì)含量分別減少了29.32%、27.11%；同時(shí)2021年3月刈割移除處理的下層土壤總氮含量顯著降低了32.08%；2020年9月刈割移除處理的土壤表層與中層的硝態(tài)氮含量顯著降低，分別下降了38.85%和72.13%，2021年3月刈割移除處理和刈割歸還處理顯著降低了土壤表層的硝態(tài)氮含量，分別下降了40.22%和45.92%。

表1 不同刈割管理方式下蘆葦濕地土壤的基本理化性質(zhì)（2020年9月）

表2 不同刈割管理方式下蘆葦濕地土壤的基本理化性質(zhì)（2021年3月）

2.2 不同刈割管理方式對土壤酶活性的影響

兩次采樣的結(jié)果顯示，土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶以及堿性磷酸酶的活性整體均隨著土層加深呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，且在表層與下層間存在顯著性差異（P<0.05）。2020年9月份采樣結(jié)果顯示，在同一土層下，與自然保留處理相比，刈割處理顯著增加了表層的土壤蔗糖酶活性（P<0.05）（圖1），2021年3月份土壤蔗糖酶活性則呈現(xiàn)了相反的趨勢（圖1）。同一土層不同處理間的土壤過氧化氫酶活性差異不顯著（P>0.05）（2021年3月土壤表層結(jié)果除外）（圖2）。相比于自然保留處理，2020年9月刈割移除處理表層土壤脲酶活性顯著降低（P<0.05）（圖3）。而2021年3月刈割歸還處理的土壤脲酶活性在土壤各層均顯著降低（圖3）。土壤堿性磷酸酶活性整體表現(xiàn)為自然保留>刈割移除>刈割歸還處理，與自然保留處理相比，2020年9月刈割移除和刈割歸還處理下表層土壤堿性磷酸酶活性分別顯著減少了18.28%、24.64%（圖4）。

圖1 不同處理下土壤蔗糖酶的活性變化

圖2 不同處理下土壤過氧化氫酶的活性變化

2.3 土壤理化性質(zhì)與酶活性間的相關(guān)性

對土壤理化性質(zhì)與酶活性進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果如表3、表4所示。2020年9月結(jié)果顯示，4種酶活性均與土壤總氮、總碳、有機(jī)質(zhì)以及硝態(tài)氮含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與土壤電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。脲酶活性、堿性磷酸酶活性與土層之間呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），該結(jié)果體現(xiàn)了酶活性隨著土層的加深呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。蔗糖酶活性與過氧化氫酶活性、脲酶活性以及堿性磷酸酶活性呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）；脲酶活性與堿性磷酸酶活性呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），而與過氧化氫酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān)；堿性磷酸酶與過氧化氫酶活性呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。2021年3月采樣結(jié)果顯示，蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性與土壤總氮、總碳、總磷、有機(jī)質(zhì)、氨態(tài)氮以及硝態(tài)氮含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）；與電導(dǎo)率顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。過氧化氫酶活性與土壤總氮、總碳以及有機(jī)質(zhì)含量之間呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與氨態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。4種酶活性都與土層顯著負(fù)相關(guān)，說明隨著土層深度的加深，酶活性逐漸降低。除pH值與氨態(tài)氮含量外，其余理化性質(zhì)與土層也均呈顯著負(fù)相關(guān)。蔗糖酶活性與脲酶以及堿性磷酸酶活性呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），此外堿性磷酸酶活性與過氧化氫酶活性以及脲酶活性之間呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。

圖3 不同處理下土壤脲酶活性的變化

3 討論

3.1 土壤理化性質(zhì)

在鹽漬化區(qū)域，“鹽隨水來、鹽隨水去”是一種動態(tài)的平衡，土壤鹽分在各土層之間的變動受季節(jié)變化影響顯著。在本研究中，2020年9月采樣的各處理的土壤電導(dǎo)率均顯示出表層低、下層高的趨勢，主要是因?yàn)楸敬尾蓸訒r(shí)間為9月，雨季降雨量較多導(dǎo)致土壤鹽分被雨水淋洗至下層；而2021年3月采樣的刈割移除處理的電導(dǎo)率隨土層的加深而降低，這可能是因?yàn)樨赘钜瞥幚硪瞥说乇碇脖慌c凋落物，致使土壤表層蒸發(fā)速率較高，使土壤反鹽現(xiàn)象嚴(yán)重。兩個(gè)季節(jié)結(jié)果土壤中的總碳、總氮、有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為表層最高，隨土層加深而降低，這可能與土壤表層植物殘?bào)w的長期積累有關(guān)［22］。也有研究認(rèn)為蘆葦在生長發(fā)育過程中其根部吸收了大量深層土壤的營養(yǎng)物質(zhì)而導(dǎo)致下層養(yǎng)分含量降低［23］。姜翠玲等［24］研究發(fā)現(xiàn)，蘆葦刈割會對濕地土壤40 cm以內(nèi)的總氮含量有明顯影響，本研究結(jié)果證實(shí)了該結(jié)論。與自然保留處理相比，2020年9月的刈割歸還處理的表層土壤總碳含量顯著增加了9.40%，這可能是由刈割歸還處理的地上生物量的留存和刈割后蘆葦生長受到刺激而將下層養(yǎng)分向上層吸收所致。兩次采樣結(jié)果均顯示刈割移除處理的土壤表層硝態(tài)氮含量顯著低于自然保留處理，這可能與刈割移除處理使地上生物量減少有關(guān)。

表4 土壤理化性質(zhì)與酶活性Pearson相關(guān)性分析結(jié)果（2021年3月）

3.2 土壤酶活性

在此次研究中，土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶以及堿性磷酸酶活性都在表層最高，且隨著土層深度的加深而降低，這主要是由于土壤表層養(yǎng)分狀況好，其動植物凋落物、殘?bào)w和腐殖質(zhì)較多，土壤酶活性較強(qiáng)。隨著土層深度的增加，有機(jī)質(zhì)含量逐漸下降，土壤通氣條件變差，地下生物量也隨之減少，土壤酶活性降低，這與眾多研究結(jié)果相一致［25-27］。蔗糖酶活性可以反映土壤生物群落代謝狀態(tài)和土壤主要營養(yǎng)元素碳的轉(zhuǎn)化效率［28］，通過水解蔗糖為微生物提供能量，參與土壤有機(jī)質(zhì)的礦化和分解，有助于增加土壤中的可溶性營養(yǎng)物質(zhì)［29］。在本研究中，2020年9月采樣的表層土壤蔗糖酶活性在刈割移除處理和刈割歸還處理中顯著增加，但2021年3月采樣的刈割歸還處理的土壤蔗糖酶活性則顯著降低，可能是由于刈割使得地上生物量碳輸入減少，土壤表層有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生變化，而土壤蔗糖酶活性與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)。過氧化氫酶的活性表征土壤腐殖質(zhì)化強(qiáng)度和有機(jī)質(zhì)積累程度［30］，但本研究中，除2021年3月刈割移除處理和刈割歸還處理顯著提高了表層土壤過氧化氫酶活性外，同一土層的過氧化氫酶活性在不同處理之間差異都不顯著，表明刈割管理措施對土壤過氧化氫酶活性影響較小。土壤脲酶在土壤氮素轉(zhuǎn)化中起重要作用，能分解有機(jī)氮中的化合物，從而為植被提供氮素營養(yǎng)［25］，其活性是表征土壤供氮能力的重要指標(biāo)［31］。土壤堿性磷酸酶能夠促進(jìn)土壤有機(jī)磷化合物的水解，使之轉(zhuǎn)化為植物可吸收利用的無機(jī)磷，其活性反映了土壤供應(yīng)有效磷的能力［20］，能提高適生植物種群對可利用態(tài)磷的利用［32］。在本研究中，與自然保留處理相比，土壤脲酶以及堿性磷酸酶活性在受到刈割處理后（刈割移除和刈割歸還）整體呈下降趨勢，表明刈割處理使得土壤氮、磷的轉(zhuǎn)化效率降低，這可能是由于刈割對蘆葦?shù)厣喜康膿p傷引起地下部根系的生理生態(tài)性質(zhì)（如根系活力、根系分泌物等）發(fā)生改變［33］，導(dǎo)致土壤微生物活動減弱，進(jìn)而使土壤脲酶活性降低。

3.3 土壤酶活性與理化性質(zhì)的關(guān)系

在本研究中，除2021年3月采樣的土壤過氧化氫酶活性外，土壤電導(dǎo)率與土壤蔗糖酶活性、過氧化氫酶活性、脲酶活性以及堿性磷酸酶活性呈顯著的負(fù)相關(guān)，這與景宇鵬等［34］的研究結(jié)果相似，這表明土壤鹽漬化程度的加劇會顯著降低土壤酶的活性，從而影響土壤中碳、氮、磷元素的有效轉(zhuǎn)化，降低土壤肥力［35］。有相關(guān)研究表明，在可利用養(yǎng)分含量較低時(shí)，土壤微生物可通過增強(qiáng)相關(guān)土壤酶活性來分解有機(jī)質(zhì)，釋放養(yǎng)分，滿足其自身生長的需求［36-40］。另有研究顯示，上述4種酶活性與土壤有機(jī)碳、全氮含量有關(guān)［41］。在本研究中，土壤蔗糖酶活性、過氧化氫酶活性、脲酶活性以及堿性磷酸酶活性與土壤總氮、總碳、有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮含量呈極顯著正相關(guān)，符合這一結(jié)論，在一定程度上可以表征土壤有機(jī)質(zhì)和氮、磷的積累情況，也表明蘆葦刈割后，土壤酶活性受土壤理化性質(zhì)的影響。同時(shí)，不同酶活性之間也呈現(xiàn)出不同的相關(guān)性，這與劉艷等［42］在黃河三角洲沖積平原濕地的研究結(jié)果相近。蘆葦根系可以吸收土壤深層的營養(yǎng)元素，并使其在土壤表層累積［43］，不僅增強(qiáng)了土壤酶的活性，還促進(jìn)了養(yǎng)分循環(huán)。

4 結(jié)論

無論是刈割歸還還是刈割移除，刈割處理都能夠顯著影響土壤表層理化因子及土壤酶活性。但總體來說，3年的刈割處理并沒有對土壤功能產(chǎn)生顯著性影響。因此，綜合生態(tài)和經(jīng)濟(jì)兩方面，有必要對濱海蘆葦濕地進(jìn)行適當(dāng)?shù)呢赘罟芾怼?/p>