植被不同退化狀態下尕海濕地土壤氮含量及酶活性特征

徐國榮,馬維偉,宋良翠,唐艷梅,周曉雷,尚友賢,楊 璽

甘肅農業大學林學院, 蘭州 730070

氮是植物生長必不可少的大量營養元素之一,是生態系統中最重要的限制養分,其含量高低直接影響系統初級生產力[1]。土壤中氮素循環是土壤生態系統的主要功能之一,是土壤生態學、環境生態學、農業科學等領域關注的重點[2]。土壤中的氮素通過土壤微生物的礦化作用轉化為無機氮被植物吸收利用[3]。土壤酶活性作為微生物的主要指示劑,是控制氮素轉化過程的重要因素,參與土壤中各種營養元素的生化過程,能很好的反映土壤微生物養分需求和化學反應過程的強度與方向[4]。相關研究表明,隨著土壤有機質含量的增加,土壤酶的礦化分解作用是生態系統的主要生產力之一[5]。作為全球碳氮循環的重要組成部分,濕地生態系統在全球氮素循環中扮演重要角色[6]。因此,濕地生態系統氮儲量及空間分布受到更多關注[7]。

近年來,隨著全球氣候變化及不合理的人類活動使得濕地生態系統植被退化嚴重,降低濕地生物多樣性及其碳匯功能,加劇濕地退化,嚴重危及當地居民生產生活和畜牧業可持續發展[7]。與此同時,植被退化也可能引起高寒濕地土壤氮組分發生改變。一些對草地植被退化的研究指出植被退化改變地表覆被情況,增加土壤有機質的分解速度,導致土壤碳、氮含量降低[8]。Wen等[9]研究發現草地退化降低了土壤養分含量,改變了植物群落結構。這些研究在一定程度上揭示了土壤碳氮養分對植被退化的響應規律,但目前關于高寒濕地土壤氮素含量及酶活性在植被退化程度上的變化尚不清楚,這嚴重阻礙了對青藏高原高寒濕地土壤氮循環的深入研究,因此,有必要研究濕地退化過程中土壤氮組分含量及酶活性響應機制,對認識濕地土壤氮儲量及分布和全球氣候變化具有重要作用。

位于青藏高原東緣的尕海濕地,是青藏高原濕地的重要組成部分,在涵養水源、蓄洪防旱、調節氣候、維護生物多樣性等方面具有重要意義,已被列為國際重要濕地[10]。但近年來隨全球氣候變化及不合理人為活動干擾,導致尕海濕地面積銳減,植被退化嚴重[11]。進而引起土壤氮組分及酶活性發生明顯改變,但目前對于該區域植被退化過程中土壤氮組分及酶活性變化特征還不清楚。因此,選擇尕海的沼澤化草甸為研究對象,研究其植被不同退化狀態下土壤氮含量和酶活性變化特征,探究植被退化對高寒沼澤化草甸濕地土壤氮素分布的影響,對揭示植被退化過程中土壤環境變化規律具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

尕海濕地位于甘肅省甘南藏族自治州,尕海-則岔國家級自然保護區內,地理坐標33°58′12″—34°32′16″N,102°05′00″—102°47′39″E,海拔3430—4300 m,保護區內濕地面積57846 hm2,主要為河流濕地、沼澤草甸和泥炭濕地,其中沼澤化草甸51160 hm2,泥炭地10429 hm2。氣候屬于青藏高原帶、高寒濕潤氣候區,年均氣溫1.2 ℃,無絕對無霜期,年均降水量781.8 mm,主要集中在7—9月,年蒸發量1150.5 mm。植物種類主要有烏拉苔草 (Carexmeyeriana)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium) 、線葉蒿(Artenisiasubulata)、萎陵菜(Potentillachinensis)、珠芽蓼(PolygonumviviparumL.)、蕨麻(PotentillaanserinaL.)等[12]。

從20世紀50年代左右開始,受全球氣候變化的影響,該地區氣溫顯著上升,而降雨量下降,平均每十年溫度升高0.4℃,降雨量下降2 mm[13],濕地開始向疏干方向發展,濕地面積萎縮[14]。近幾十年來,在人口不斷增長及社會和經濟活動的影響下,過度放牧成為植被退化的主要影響因素之一[8]。過度放牧導致植被嚴重喪失,觸發沼澤化草甸植被退化,靠近高山湖泊的地區受到的影響最為明顯。團隊先前報道中發現,沿濕度遞減存在明顯的植被退化梯度,優勢種從濕生植物向中生和旱生植物轉變[15],植被蓋度、高度、地上生物量、土壤有機質、全磷和全鉀含量減少,土壤容重增加(表1和表2)。

表1 樣地基本情況

表2 樣地土壤理化性質

1.2 樣地設置

2019年,在本團隊研究工作的基礎上,采用空間序列代替時間序列方法,以現在生長季可見的原生濕地為中心向外延伸的辦法,選擇地勢相對平緩坡向一致的地段,參考馬玉壽等[16]對高寒沼澤化草甸濕地植被退化等級的劃分,根據植被組成、總覆蓋度、地表裸露面積等特征,將沼澤化草甸濕地劃分為未退化(Non-degraded, CK)、輕度退化(Slightly degraded, SD)、中度退化(Moderately degraded, MD)和重度退化(Severely degraded, HD)4種植被退化梯度,每個植被退化梯度布設10 m×10 m定位研究樣地,重復3次,重復之間間隔大于10 m,并圍欄以防止人畜對研究區的干擾,樣地已于2015年設置,詳細的樣地理化性質見團隊先前報道[15,17],樣地情況見表1和表2。

1.3 樣品采集

土壤采樣于2019年8月中旬植被生長旺季在上述4個植被退化梯度樣地內進行,用土鉆在研究樣地分別按“S”五點法,分0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm層取樣,相同土層土壤組成混合土樣,去掉植物殘根和石塊等雜物,裝入封口袋內,每個土樣三次重復,放置在裝有冰袋的整理箱中低溫運輸。

將土壤樣品從野外帶回實驗室后,一部分用于土壤含水量和微生物量的測定,另一部分平攤于塑料布上,置于干凈整潔的室內通風處自然風干,嚴禁暴曬。風干過程中要經常翻動土樣。樣品風干后,過1 mm篩,封袋儲存用于氮組分及酶活性指標的測定。

1.4 室內分析

1.5 數據統計與分析

本文利用Origin 2019繪圖,SPSS 20.0軟件進行數據統計分析?？紤]不同退化程度、土層及二者的交互作用對土壤氮含量及酶活性的差異,采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)進行分析比較。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比較(LSD)分析不同退化程度各變量的差異顯著性(α=0.05)。用Pearson相關分析法描述各因子之間的相關關系。

2 結果與分析

2.1 植被不同退化狀態下土壤溫度和含水量變化特征

不同植被退化程度尕海濕地土壤含水量和溫度變化如表3所示。土壤含水量隨退化程度的加劇逐漸減小,SD、MD和HD較CK分別降低33%、56%和68%,在0—20 cm層不同退化程度間差異顯著(P<0.05)；在垂直剖面上,土壤含水量隨土層加深逐漸降低。0—40 cm土壤溫度均值隨退化程度加劇呈先減小后增大的趨勢,CK、MD和HD較SD分別增加0.3%、5.2%和7.7%；在垂直剖面上,土壤溫度隨土層加深逐漸降低。

表3 土壤含水量和溫度變化

2.2 植被不同退化狀態下土壤氮組分含量分布特征

不同植被退化程度尕海濕地土壤TN分布情況如圖1所示。各退化程度0—40 cm土層TN含量均值總體為CK(3.20 g/kg)>SD(2.87 g/kg)>MD(2.29 g/kg)>HD(2.02 g/kg)。而在不同土層存在一定差異,最高值出現在CK樣地,具體為具體為4.24 g/kg、3.15 g/kg和2.70 g/kg；在0—10 cm和10—20 cm不同退化程度土壤TN含量變化相同,最低值出現在HD樣地,值分別為2.16 g/kg和1.96 g/kg；而在20—40 cm土壤,最低值出現在MD樣地,值為1.83 g/kg。從土層分布來看,除HD樣地外,其他各退化階段TN含量均隨土層深度的增加而顯著降低(P<0.05)。因此,植被退化顯著降低了土壤0—20 cm的TN含量,而重度退化改變了TN的剖面分布。

圖1 不同退化程度土壤氮組分含量Fig.1 Soil carbon and nitrogen content at different degradation levelsCK：未退化 Non-degraded；SD：輕度退化 Slightly degraded；MD：中度退化 Moderately degraded；HD：重度退化 Severely degraded；不同大寫字母表示不同退化程度間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示不同土層間差異顯著(P<0.05)

植被退化過程中尕海濕地土壤MBN含量變化如圖1所示。0—40 cm土層MBN含量均值表現為CK(31.73 mg/kg)>MD(25.18 mg/kg)>SD(19.64 mg/kg)>HD(19.47 mg/kg)。在不同土層間的變化規律與TN一致,最大值均出現在CK樣地,具體為49.43 mg/kg、33..96 mg/kg和21.77 mg/kg。在0—10 cm和10—20 cm土壤MBN含量最低值出現在SD樣地,值分別為22.62 mg/kg和18.56 mg/kg；在20—40 cm最低值出現在HD樣地,值為16.11 mg/kg。除SD樣地外,其他樣地均隨土層深度的增加而降低,但僅在CK和MD間差異顯著(P<0.05)。

表4 植被退化和土層交互作用下土壤氮含量方差分析

2.3 植被不同退化狀態下土壤酶活性分布特征

植被不同退化程度下土壤酶活性變化有一定差異性。土壤PRO活性隨退化程度的加劇而降低(圖2),具體表現為CK(3.98 mg g-124h-1)>SD(3.95 mg g-124h-1)>MD(3.91 mg g-124h-1)>HD(2.94 mg g-124h-1)；在不同土層間土壤PRO活性變化不一致,0—10 cm和10—20 cm土層,SD、MD和HD土壤PRO活性較CK分別降低了6.30%、13.32%、15.40%和4.45%、15.59%和20.39%； 20—40 cm層,SD和MD的PRO活性較CK分別增加了6.74%和18.72%, HD階段PRO活性較CK降低了40.25%,差異均不顯著。在垂直剖面上,除MD樣地外,其他退化樣地土壤PRO活性均隨土層深度的增加而降低,且差異顯著(P<0.05)。說明植被退化降低了土壤PRO活性,重度退化改變了土壤PRO活性垂直分布。

土壤URE活性隨植被退化程度的加劇呈先減小后增大的趨勢(圖2), 0—40 cm土層URE活性均值為HD(1.36 mg g-124h-1)>CK(1.34 mg g-124h-1)>MD(1.23 mg g-124h-1)>SD(1.12 mg g-124h-1)；在 0—10 cm土層,SD、MD和HD土壤URE活性較CK分別降低了25.46%、13.68%和18.34%,差異顯著(P<0.05)；10—20 cm與20—40 cm層,SD和MD的URE活性較CK降低了17.33%和9.21%與12.02%和1.51%,HD的URE活性較CK增加了3.80%和16.96%,差異均不顯著。不同植被退化階段土壤URE活性垂直分布均隨土層深度的加深而減小?？梢?植被退化降低了土壤URE活性,重度退化增加了10—40 cm層土壤URE活性。

NR活性隨退化程度加劇而增大(圖2), 具體為HD(7.50 μg g-124h-1)>MD(5.10 μg g-124h-1)>SD(3.41 μg g-124h-1)>CK(2.25 μg g-124h-1)。 在0—10 cm土層,SD、MD和HD的NR活性是CK的6.9倍、6.3倍和4倍,差異顯著(P<0.05)；10—20 cm和20—40 cm土層的NR活性變化與各退化程度一致,且差異顯著(P<0.05)；不同退化階段土壤NR活性在剖面分布也存在一定差異,CK、SD和MD階段均隨土層深度的增加而加強,與HD階段恰好相反。說明植被退化增加了土壤NR活性,特別是10—40 cm土層NR活性。

NiR活性隨退化程度的加劇呈波動性變化(圖2),具體為SD(0.67 mg g-124h-1)>CK(0.63 mg g-124h-1)>HD(0.60 mg g-124h-1)>MD(0.57 mg g-124h-1)。在0—10 cm和10—20 cm層,MD和HD的NiR活性較CK降低了16.41%、28.33%和6.69%、5.14%,SD較CK增加了2.5%和11.71%；20—40 cm層,SD和HD的NiR活性較CK增加了8.18%和13.31%,MD較CK降低了4.79%。從土層分布來看,除HD外,其他各退化程度濕地土壤NiR活性均隨土層深度的加深而逐漸降低?？梢?輕度植被退化有益于NiR活性提高,重度退化改變了NiR的剖面分布。

圖2 不同退化程度土壤酶活性Fig.2 Soil enzyme activity at different degradation levels

雙因素方差分析顯示,植被退化和不同土層對土壤酶活性差異顯著(表5)。除PRO和NR外,植被退化和土層對土壤酶活性影響差異顯著(P<0.01)。由F值來看,不同土層的PRO、URE和NiR活性大于植被退化的影響程度,說明不同土層之間酶活性差異與植被退化相比更顯著。植被退化和土層對土壤NiR和NR活性存在顯著的交互作用(P<0.05)。

表5 植被退化和土層交互作用下土壤酶活性方差分析

2.4 土壤氮組分含量與酶活性的相關性分析

表6 土壤碳氮含量與酶活性之間的相關系數

3 討論

3.1 植被不同退化狀態下土壤氮組分含量的變化

氮是植物從土壤中獲取量最大營養元素[7],所有形態的有機和無機態氮,是標志土壤氮素總量和供應植物有效氮素的源和庫[21],是土壤肥力狀況的重要指標[22]。植被是影響土壤物理、化學和生物學過程的主要因素之一,凋落物和植物根系分解轉化是土壤有機質養分的主要來源[23]。研究表明,土壤TN含量沿退化梯度表現為隨植被退化程度的加劇而降低,垂直分布呈現出隨土壤深度增加而減少的趨勢,這與董云霞[24]的研究結果一致。呈現這種規律可能是因為土壤TN含量易受地上枯落物和地下生物量的影響,土壤TN的累積主要來自于植物根系及枯落物的分解,植被退化減少了地上生物量的同時也減少了枯落物的累積量,所以影響土壤TN的輸入速度和數量[25]。此外,隨著植被退化加劇,土壤含水量和有機質含量減少,土壤容重增加,而土壤TN含量主要來源于土壤有機質的分解和轉化,土壤有機質減少,土壤TN含量也隨之降低[26]。

土壤微生物是土壤能量和養分轉化的重要驅動力,其種群、數量和分布特征影響土壤營養物質的轉化、肥力保持和植被生長[30]。微生物量是土壤營養元素的重要儲備庫,也是土壤中有機質最活躍的部分,調節土壤氮循環與轉化過程[31]。研究結果表明,MBN含量隨退化程度的加劇整體呈減小趨勢,這是因為濕地植被退化后,土壤中的營養結構隨之發生變化,土壤中可利用氮素及總儲量隨之降低,土壤微生物對氮素的轉化率下降,MBN含量減少[8]。MBN含量在不同土層中的分布與TN一致,具有一定的垂直分布規律,0—10 cm植被根系比較發達,土壤通氣性較強,為微生物生長繁殖提供了充足的營養物質,相比于下層土壤微生物活性較高。同時表層土壤受太陽輻射較高,土壤溫度高于下層,也促進了微生物的生長繁殖。具有固氮作用的微生物和植物根瘤菌分布在土壤表層[31],也使得MBN含量隨土壤層次加深而降低。

3.2 植被不同退化狀態下土壤酶活性的變化

土壤酶是土壤生物化學反應的催化劑,酶活性是表征土壤質量狀況的生物化學指標,反映土壤中營養元素轉化能力和微生物活性,能迅速指示土壤質量變化趨勢[32]。土壤PRO主要來自于微生物釋放的內外蛋白酶及植物根系分泌的蛋白酶,將土壤中各類蛋白質及肽類化合物水解為氨基酸[33], PRO的活性影響植物所吸收利用氮素的多少,表征土壤供氮能力的大小[34]。研究發現,隨著植被退化程度加劇,土壤PRO活性顯著降低,這是由于土壤PRO活性取決于土壤養分含量[35],而在退化濕地,TN含量顯著降低,使得PRO活性降低,本研究土壤TN含量和PRO活性之間極顯著正相關關系(P<0.01),也證明了這一結論。在垂直剖面上,尕海濕地植物主要以草本植物為主,其根系主要分布在0—20 cm層,同時土壤表層含有大量的枯枝落葉和腐殖質,養分含量較高,為微生物的生存和發展提供良好的環境,所以隨著土壤層次的加深,PRO活性降低。

土壤URE是水解土壤有機質中蛋白質和氨基酸的重要酶類,可將有機態氮轉化為植物可吸收利用的無機態氮,供植物生長發育[36]。土壤URE活性受土壤水分和養分的影響,朱同彬等[37]研究表明,較高的土壤含水量會抑制土壤URE活性,與本文研究結果不同,可能是由于土壤URE活性受土壤養分的影響程度較大,造成了URE活性隨退化程度的加劇而降低[37]；而在HD樣地,土壤養分含量較低,土壤水分對酶活性的影響占據主導地位,URE活性略有升高。同時URE活性與TN含量呈顯著正相關關系,與劉淑娟等[38]研究全國大部分地區土壤URE與TN相關性結果一致。劉淑娟等研究還表明土壤TN對URE活性的影響存在一個閾值(TN為3.5 g/kg),當TN<3.5時,TN與URE活性呈正相關,當TN>3.5時,TN與URE活性呈負相關。本研究中,土壤TN含量均小于此閾值,也證明了土壤TN含量與URE活性呈顯著正相關。

4 結論

基于尕海濕地沼澤化草甸不同退化狀態下土壤氮組分含量及其相關酶活性的特征分析,研究了植被不同退化狀態下土壤氮組分及其酶活性的變化特征,結論如下：

(2)植被不同退化狀態下土壤PRO、URE和NiR活性均隨退化程度的加劇而減小,NR活性隨退化程度加劇而增加。