丹江口庫區新生消落帶不同土地利用酶活性比較

梁濟平， 王彥東， 楊 珺， 任廣鑫*， 馮永忠

1.西北農林科技大學農學院， 陜西 楊凌 712100

2.陜西省循環農業工程技術研究中心， 陜西 楊凌 712100

水庫的人工水文調節致使水庫周邊形成具有周期性水位高低波動的水庫消落帶[1-2]，對于初期形成的生態系統尚未趨于穩定的消落帶稱為新生消落帶，消落帶具有重要的生態系統服務功能[3]，主要包括維持水陸生態系統的動態平衡[4]、生物多樣性、庫區水質保護等. 由于上游地區的人類活動和水土流失等，導致大量的污染物隨暴洪、降水等形成的徑流匯入河流，最終進入水庫[5]. 地表徑流匯入水庫前會通過水庫消落帶，消落帶的草地、林地等景觀會作為保留、轉化污染的生物緩沖器和過濾器來改變污染物的轉化，對水體的污染物進行過濾、吸收[6]，從而減少營養物質和沉積物進入水體. 同時，由于水庫水位上漲造成的水體污染物質向消落帶的匯集[7]以及水位下降時污染物質從消落帶土壤向水體的流失等情況會促進水體與土壤之間物質和能量交換[5]. 研究[8]表明，2014年以后，在不考慮水流擾動、地表徑流和植物腐爛等因素影響的情況下，丹江口水庫磷和氮的釋放量分別為7.6和301.2 t，消落帶土壤向水體釋放的氮磷總量約占水體中氮磷含量的11%. 不同土地利用類型的消落帶具有不同的植被組成，其土壤理化性質和微生物多樣性等指標具有一定差異，因此，土地利用類型差異會影響水庫消落帶對徑流污染物的截留、過濾和消解作用. 如PENG等[6]研究表明，消落帶草地對于污染物的截留和水土保持具有重要作用，其中狗牙根是消落帶綠化和植被恢復的理想選擇；MA等[10]研究表明，在消落帶采用適當的耕作方式可以增加土壤氮和磷的吸附，從而減少土壤侵蝕帶來的養分流失；SHU等[11]研究表明，在消落帶建立喬木林和“草本+藻類”的土地利用方式對生態服務和土壤恢復具有重要作用.

消落帶土壤是匯集污染物的所在地，具有維持地上植被生長和地下生物多樣性等作用，是污染物分解和轉化的場所. 不同土地利用類型下的土壤微生物環境和土壤生態過程具有顯著差異，而土壤酶對土地利用類型具有顯著的空間依賴性，土壤養分和理化因子等會因環境的不同而存在差異[12]. 土壤酶是生態系統功能的普遍組成部分，在土壤有機質分解、養分循環和生物修復中發揮著重要作用，可作為判斷土壤質量的生物學指標[13-14]和檢測環境狀態的生物傳感器[15]，土壤酶活性已被用作微生物活性的替代物和土壤生產力的指標[16]. 土壤酶參與有機物的分解、氧化和土壤養分的生物化學循環[17]，在環境中發揮了關鍵作用. 研究[18]表明，土壤酶活性與碳、氮和磷的有效性成正比，與水質和消落帶土壤沉積物化學指標直接相關，其中，堿性磷酸酶能催化有機磷酯和磷酸酸酐水解成無機磷，轉化為生物可利用的活性磷，從而控制土壤磷的循環和有效性[19-20]；脲酶參與催化尿素水解成氨和二氧化碳，與土壤氮素狀況、土壤有機質含量和微生物數量有關[21]；土壤轉化酶催化蔗糖水解為葡萄糖和果糖，是土壤碳循環的關鍵酶，表征碳氮轉化速率，與土壤微生物量和土壤有機質含量有關[22]；過氧化氫酶催化過氧化氫轉化為氧氣和水，是形成土壤腐殖質和防止過氧化氫對生物毒害的重要氧化還原酶系，是好氧微生物活動的重要指標[23]，與好氧微生物的數量和肥力有關[24]. 因此，了解不同土地利用類型下土壤酶活性的差異，有助于了解植被生態系統的穩定性及對養分的過濾作用[25]，有助于消落帶土地利用配置的進一步優化.

南水北調工程是世界上最大的跨流域引水工程，丹江口水庫是南水北調中線工程的水源地，其水質的優劣是南水北調工程可持續運行的決定性因素[26]. 隨著2014年丹江口水庫大壩加高的完成，水庫正常蓄水位從157 m升至170 m，水庫形成的消落帶面積從2014年之前的(196.12±93.86)km2增至(258.58±126.27)km2，此外，丹江口水庫水位具有明顯的季節性變化特征，調水之后平均水位最低出現在6月，最高水位出現在11月，消落帶淹沒面積在11—12月最大、1—5月持續降低、6—10月持續增加，并且年際間存在差異[8]. 由于丹江口水庫自2014年12月12日才開始正式調水，屬于新形成的消落帶，其植被演替和生態系統還不穩定，對其不同土地利用下的土壤性質缺乏有效研究. 有研究[12,27]表明，土壤酶活性與理化性質之間相關性較強，而土壤酶活性的測定結果可靠，能反映環境的實際變化. 因此，該研究以丹江口水庫新生消落帶的林地、農田和草地為研究對象，通過對新生消落帶土壤酶活性、土壤養分和理化因子進行研究，分析對比淹沒前后不同土地利用類型下土壤酶活性的差異，旨在對新生消落帶的景觀再造及水質安全保障提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

注： 消落帶之外的區域即為對照區.

丹江口水庫(32°36′N～33°48′N、110°59′E～111°49′E)的主要支流為漢江、丹江和老灌河，是南水北調中線工程的水源地和亞洲最大的人工湖，主庫區橫跨鄂、豫、陜三省，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風性氣候，年均氣溫13.7 ℃[28]，年總降水量900.4 mm，其中75%為汛期(6—10月)降水量. 丹江口水利樞紐工程大壩加高后，正常蓄水位由157 m升至170 m，相應庫容達290.5×108m3，水庫年均水面面積480.38 km2[8]. 其中，丹江匯入庫區的新生消落帶位于河南省淅川縣境內，該區域新生消落帶面積最大，具有多種土地利用類型，同時地勢平坦，淹水時間長短隨水位變化明顯. 該研究通過提取大壩加高后至采樣期(2014—2017年)Landsat 8 TM影像的水域面積，獲得研究區新生消落帶范圍，并且以高于水位170 m的區域確定為對照區(見圖1)，對照區為從未經歷淹沒的非消落帶，通過實地調查并參考相關文獻[29]，新生消落帶主要土地利用類型為林地、農田和草地，其中，林地主要樹種為柳樹(Salixbabylonica)，農田落干季節主要種植作物為小麥(Triticumaestivum)，草地主要植被種類為狗牙根(Cynodondactylon)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、白茅(Imperatacylindrica)和野燕麥(Avenafatua)等[29-30].

1.2 試驗設計及樣品采集

采用裂區試驗設計，主處理為樣地類型，設為對照區和新生消落帶兩個水平；副處理為土地利用類型，有農田、林地和草地3個水平. 新生消落帶落干面積在5—6月最大，并且水位升降的年際間存在差異，而且降水主要集中在6—10月[8]，考慮到庫區水位和天氣的變化情況，該研究確定采樣時間為4月下旬至5月上旬. 于2017年4月28日—2017年5月2日在新生消落帶和對照區各選擇農田、林地和草地3種土地利用類型，每種土地利用類型選擇3個大于20 m×20 m的樣地，每個樣地采集3個重復樣本，每個重復樣本均按照“S”形取樣法選取10個采樣點，清除表層雜物后用直徑為5 cm的土鉆采集表層(0～20 cm)土樣. 將10個采樣點土樣混勻后分為兩份，一份立即低溫冷凍保存，用于土壤含水量、w(NO3--N)、w(NH4+-N)及酶活性的測定；另一份風干后用于其他指標的測定，樣品使用滅菌聚乙烯自封袋保存.

1.3 土壤理化性質及酶活性的測定

土壤含水量采用烘干法測定，樣品在105 ℃下烘至恒質量時的失重為土壤樣品所含水分的質量. 土壤容重采用環刀法測定. 土壤pH使用pH計(DELTA320，上海儀電科學儀器股份有限公司)測定，水土比為2.5∶1. 土壤w(OM)采用重鉻酸鉀滴定法測定. 土壤經消解、浸提后，使用AA3連續流動化學分析儀(SEAL, Germany)測定w(TN)、w(TP)、w(NO3--N)、w(NH4+-N)，其中，w(TN)采用凱氏消解法，w(TP)采用H2SO4-HClO4消解，w(NO3--N)、w(NH4+-N)使用1 molL KCl浸提. 過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定. 脲酶、轉化酶和堿性磷酸酶活性使用分光光度計(Thermo Fisher Scientific，USA)用比色法測定，脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定，轉化酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定[31].

1.4 數據分析

使用SPSS 19.0的最小顯著性差異法(LSD)進行顯著性檢驗；使用Canoco 5.0的冗余分析(RDA)進行土壤理化性質對酶活性影響分析；作圖使用Origin 2016軟件.

2 結果與分析

2.1 新生消落帶土壤理化性質特征

由表1可見，與對照區相比，新生消落帶土壤含水量顯著升高(P<0.05)，草地土壤含水量顯著高于林地和農田，而對照區3種土地利用類型的土壤含水量不存在顯著差異. 新生消落帶草地土壤容重顯著高于其他5種類型，而消落帶農田土壤容重顯著(P<0.05)低于對照區. 新生消落帶林地pH顯著高于農田和草地，對照區林地土壤pH顯著低于其他土地利用類型. 與對照相比，新生消落帶3種土地利用類型w(TN)顯著降低，其中，農田w(TN)約降低23%，草地w(TN)約降低49%，林地w(TN)約降低16%，并且林地w(TN)顯著高于農田和草地. 新生消落帶3種土地利用類型w(NO3--N)較對照區域顯著降低(P<0.05)，其中，林地w(NO3--N)約降低67%，3種土地利用類型w(NO3--N)之間不存在顯著差異，w(NO3--N)平均值為15.56 mgkg. 新生消落帶土壤w(NH4+-N)的變化不同于w(TN)和w(NO3--N)，與對照區相比，新生消落帶農田和草地的w(NH4+-N)顯著升高，并且新生消落帶農田w(NH4+-N)顯著高于林地和草地. 新生消落帶農田和草地的w(TP)較對照區顯著降低(P<0.05)，與之相反的是，林地w(TP)比對照區高出73%，新生消落帶3種土地利用類型中，林地w(TP)最高，與農田和草地之間存在顯著差異(P<0.05). 新生消落帶3種土地利用類型土壤w(OM)均顯著(P<0.05)低于對照區，林地w(OM)顯著高于農田和草地.

表1 不同土地利用類型土壤理化性質的方差分析

注：不同小寫字母代表顯著差異(P<0.05).

2.2 新生消落帶土壤酶活性的變化特征

土地利用類型對4種酶活性均有顯著影響(P<0.05)，樣地淹沒與否極顯著影響了脲酶和轉化酶的活性(P<0.01)，土地利用類型和是否被淹沒的交互作用對4種酶的活性均有極顯著的影響(P<0.01)(見表2). 不同土地利用類型下土壤酶活性的變化特征如圖2所示，與對照區相比，新生消落帶林地轉化酶和堿性磷酸酶活性變化不顯著，而脲酶和過氧化氫酶活性顯著升高(P<0.05)，新生消落帶林地脲酶活性為81.61 mg(kg·d)，較對照區〔34.96 mg(kg·d)〕升高了133%，新生消落帶林地過氧化氫酶活性為2.62 mL(kg·h)，較對照區升高了18%，新生消落帶林地堿性磷酸酶活性也有所升高但不顯著，而新生消落帶與對照區林地轉化酶活性之間無顯著差異. 新生消落帶農田酶活性均有不同程度的降低，其中，脲酶、轉化酶和過氧化氫酶活性較對照區顯著降低(P<0.05)，并且新生消落帶農田脲酶活性變化最大，農田脲酶活性〔19.47 mg(kg·d)〕比對照區〔96.43 mg(kg·d)〕降低了79%，同時新生消落帶農田轉化酶和過氧化氫酶活性分別比對照區降低了31%和7%，新生消落帶農田的堿性磷酸酶活性也有所降低，但并不顯著. 同樣，與對照區相比，新生消落帶草地酶活性均有所降低，特別是脲酶、轉化酶和堿性磷酸酶活性降低顯著，變幅都比較大，新生消落帶草地脲酶活性〔43.06 mg(kg·d)〕比對照區〔93.64 mg(kg·d)〕降低了54%，新生消落帶草地轉化酶活性比對照區〔48.80 mg(kg·d)〕降低了約63%，而堿性磷酸酶活性從對照區的390.16 μg(g·h)降至225.08 μg(g·h)，降低了42%；新生消落帶草地過氧化氫酶活性有降低趨勢但不顯著. 可見，3種土地利用類型下新生消落帶脲酶活性表現為林地>草地>農田；轉化酶活性和堿性磷酸酶活性表現為林地>農田>草地；過氧化氫酶活性表現為草地>農田，林地與農田、草地之間均無顯著差異. 綜上，新生消落帶林地的轉化酶活性及農田、草地的土壤4種酶活性均低于對照區，新生消落帶林地脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性均高于對照區，新生消落帶林地酶活性顯著區別于農田和草地.

表2 土壤酶活性的方差分析

注： 主處理為新生消落帶與對照區，副處理為3種土地利用類型(農田、林地和草地)，主處理×副處理為二者的交互作用.F值表示顯著水平(** 表示P<0.01； *表示P<0.05).

2.3 新生消落帶土壤理化性質與土壤酶活性的關系

新生消落帶土壤理化性質與土壤酶活性的關系使用RDA及Spearman相關性分析進行研究. RDA結果(見圖3)顯示，對照區3種土地利用類型兩軸共同的解釋率均高于70%，新生消落帶3種土地利用類型兩軸共同的解釋率均高于80%，因此，該研究選擇的理化因子指標對酶活性具有很強的解釋能力. 新生消落帶不同土地利用土壤理化性質對酶活性的影響與對照區不同. 新生消落帶農田土壤中w(TP)、w(OM) 及pH對脲酶活性有正向影響，w(NH4+-N)對脲酶活性有負向影響，w(TN)、土壤含水量對轉化酶活性有正向影響，土壤容重對轉化酶活性有負向影響，土壤含水量對過氧化氫酶活性有正向影響，土壤容重對過氧化氫酶活性有負向影響. 新生消落帶林地土壤中w(TN)、w(TP)對4種酶活性均有正向影響，而土壤含水量、w(OM)、w(NO3--N)、w(NH4+-N)及土壤容重對4種酶活性均有負向影響. 新生消落帶草地土壤中w(TP)、w(OM)、pH對脲酶和過氧化氫酶活性有正向影響，而土壤含水量、容重對脲酶和過氧化氫酶活性有負向影響，土壤容重和w(NO3--N)對轉化酶和堿性磷酸酶活性有正向影響.

土壤理化性質與土壤酶活性的Spearman相關性分析結果(見表3)表明，新生消落帶農田土壤中w(NH4+-N) 與脲酶活性呈顯著負相關(P<0.05)，土壤含水量與過氧化氫酶活性呈顯著正相關(P<0.05)，土壤含水量與轉化酶活性呈極顯著正相關(P<0.01)；新生消落帶林地w(TP)與過氧化氫酶活性呈極顯著(P<0.01)正相關，w(TN)與轉化酶活性呈顯著正相關(P<0.05)；新生消落帶草地w(TP)與過氧化氫酶呈顯著負相關(P<0.05). 因此，新生消落帶農田土壤含水量和w(NH4+-N)的增加以及容重、w(TN)、w(OM)、w(TP)的降低會導致土壤脲酶、轉化酶和過氧化氫酶活性的降低；新生消落帶林地土壤含水量、pH、w(TP)的增加以及w(NO3--N)、w(OM)的降低會導致脲酶、過氧化氫酶活性的升高；新生消落帶草地土壤含水量、w(NH4+-N)的增加以及w(TN)、w(TP)、w(OM)的降低會導致脲酶、轉化酶、堿性磷酸酶活性的降低.

注：** 表示在0.01水平下相關性極著性；*表示在0.05水平下相關性著性.

3 討論

土壤酶來源于植物殘體腐解過程中的釋放和植被根系及土壤微生物的分泌[32]. 不同植被類型下土壤酶活性具有顯著差異[33]，并且土壤微生物作為土壤生態系統物質循環和能量流動的主要驅動力，能顯著影響土壤酶活性[34]. 土壤微生物結構受植被類型和土壤理化性質的影響[35]，而新生消落帶水的消落對植被類型及土壤理化性質具有顯著影響，因此新生消落帶不同土地利用類型下的土壤酶活性存在差異. 研究[5,36]表明，水位消漲過程擾動了土壤原有生態環境的平衡和穩定，淹沒后植被恢復，但會使得不同土地利用類型下土壤理化性質出現顯著差異[11]，而酶活性的高低與土壤理化性質的變化密切相關[21]. 該研究結果表明，新生消落帶由于水的淹沒使得不同土地利用類型的土壤脲酶、轉化酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性發生了改變. 與對照區相比，新生消落帶農田土壤脲酶、轉化酶和過氧化氫酶活性顯著降低，同樣草地土壤脲酶、轉化酶和堿性磷酸酶活性也顯著降低，而林地土壤脲酶和過氧化氫酶活性顯著升高，但農田的土壤堿性磷酸酶、草地的過氧化氫酶、林地的轉化酶和堿性磷酸酶均未發生顯著變化.

新生消落帶農田地上植被因不耐澇缺氧死亡[6]，植被殘體腐解過程所釋放的TP、TN和OM大部分溶于水體[37]，并且有研究[38]表明，由于微生物的活動，氮釋放到水中或以氣體等其他形式流失，磷在分解過程中迅速釋放到水體中，銨的硝化作用受到抑制，反硝化作用脫氮使得氮含量減少[39]，筆者研究結果也表明新生消落帶農田土壤養分均顯著低于對照區. 此外，在耕作過程中水庫新生消落帶及周邊土壤均未使用化肥[40]，氮、磷外界來源減少，水體中的養分因很少能被吸附固定，使得新生消落帶土壤中的w(TN)、w(TP)、w(OM)進一步降低[7]，而土壤w(TN)、w(TP)、w(OM)能正向影響土壤酶活性[41]，因此新生消落帶農田脲酶、轉化酶和過氧化氫酶活性降低.

新生消落帶林地淹沒后大部分植被能夠存活，研究[11,42]表明，林地可以通過植物或土壤微生物固定氮、磷，以減少氮、磷流失對水體的影響，有助于削減水體污染物. 庫區因淹沒帶來大量的氮、磷及有機物，林地植被根系對水體中的氮磷有吸附固定作用[43]，部分磷被束縛沉積到有機掉落物、泥炭及無機沉淀中，筆者研究結果表明，新生消落帶林地w(TP)顯著高于對照區，林地w(TN)遠高于農田和草地，氮磷的增加為微生物活動提供了充足的養分[18]，w(TN)、w(TP)對脲酶活性有正向影響，使得新生消落帶脲酶活性顯著高于對照區. 同時有研究[38]表明，在厭氧條件下，林地根部因環境脅迫作用會產生大量過氧化氫而對植被產生毒害作用，過氧化氫酶活性會被激活，這與筆者所得結果一致.

新生消落帶草地淹沒后部分植被死亡，有研究[44]表明，超過90%的狗牙根等耐澇草本在浸泡180 d后仍能存活，并且在淹沒條件下仍可進行呼吸作用，草地具有很強的截留泥沙能力但不具備很強的養分吸附能力[6]，導致土壤中的部分養分經浸泡會溶于水體，使得土壤w(TN)、w(TP)等養分流失，此外，厭氧條件下土壤反硝化作用會引起氮損失，進一步造成土壤養分含量顯著降低，土壤養分的流失使得微生物底物減少[45]，這使得新生消落帶草地土壤養分循環相關的脲酶、轉化酶、堿性磷酸酶活性顯著降低. 淹沒后3種土地利用類型土壤養分均有顯著降低，但僅林地酶活性有所升高，而農田和草地的酶活性均顯著降低，因此，與農田和草地相比，林地在截留養分方面具有更重要的作用，更有利于土壤養分固持，有助于凈化水質、減少污染.

4 結論

a) 新生消落帶農田、林地和草地3種土地利用類型中w(TN)、w(OM)及w(NO3--N)均顯著低于對照區，而新生消落帶林地淹沒后土壤養分流失均低于草地和農田，特別是新生消落帶林地w(TP)高于對照區，此外，淹沒后林地土壤酶活性均顯著升高，而農田和草地酶活性顯著降低，因此新生消落帶林地更有利于微生物生存，進而分解土壤從水體吸附固定的氮磷以及維持林地更為復雜的生態系統結構.

b) 林地比農田和草地具有更高的穩定性，有利于新生消落帶土壤養分的固持，也有利于淹沒后土壤生態環境的恢復，同時可以考慮在林下建立更多的耐澇草本與林地構成復合結構，對于新生消落帶農田可以考慮種植耐澇草本，減少土壤的流失.