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        土壤理化性質(zhì)和微生物活性對(duì)水田改果園的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

        2019-06-03 07:22:14楊東偉章明奎劉千千張鵬啟
        水土保持通報(bào) 2019年2期
        關(guān)鍵詞:水田負(fù)相關(guān)過氧化氫

        楊東偉, 章明奎, 劉千千, 張鵬啟, 李 雪, 董 靜, 黃 笑

        (1.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 浙江 杭州 310058;2.河南師范大學(xué) 旅游學(xué)院, 河南 新鄉(xiāng) 453007; 3.廣西大學(xué) 商學(xué)院, 廣西 南寧 530004)

        土地利用方式的改變是全球環(huán)境變化的主要原因之一,并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)造成重要影響[1]。水稻田是承載著中華文明的人工濕地生態(tài)系統(tǒng),在維持我國(guó)糧食安全和環(huán)境健康方面具有積極意義和重要的生態(tài)服務(wù)價(jià)值。近30 a來,隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,一些地區(qū)大面積水田改種果樹、苗木等經(jīng)濟(jì)林木。水田改果園后,土地耕作制度改變,土壤水分狀況和通氣性發(fā)生明顯變化,從而引起土壤環(huán)境因子和土壤微生物性質(zhì)的變化。土壤微生物作為生命元素循環(huán)的驅(qū)動(dòng)者,是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的成分,被稱為地球關(guān)鍵元素循環(huán)過程的引擎[2],在土壤有機(jī)質(zhì)分解和生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,影響植被的發(fā)育和演替[3],進(jìn)而影響景觀和生態(tài)系統(tǒng)的變化[4-5]。土壤微生物對(duì)其生存環(huán)境的質(zhì)量狀況具有重要的指示作用,能夠快速對(duì)土壤系統(tǒng)過程中的環(huán)境改變做出反應(yīng),是土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警及敏感指標(biāo)[2,6]。以往一些學(xué)者對(duì)水田改旱作后土壤基本理化性質(zhì)的演變進(jìn)行了研究,表明水田改旱作后土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、微生物生物量下降[7-11],而有關(guān)水田改為果園后土壤理化性質(zhì)及微生物活性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律,以及土壤環(huán)境因子之間關(guān)聯(lián)性研究還比較缺乏。本文以浙江省水網(wǎng)平原為研究區(qū),采用時(shí)空互代法,建立后切型時(shí)間序列,探討土壤微生物特性及環(huán)境因子對(duì)水田改果園的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律,以期為進(jìn)一步研究土地利用變化對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的影響,預(yù)測(cè)水田改果園后土壤質(zhì)量的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)域

        研究區(qū)域位于浙江省寧波市余姚市黃家埠鎮(zhèn)上塘村,地理坐標(biāo)位于30°7′13″—30°7′25″N和120°56′25″—120°56′40″E之間,屬于中北亞熱帶季風(fēng)氣候過渡帶,平均氣溫為15.0~18.1 ℃,多年平均降水量在1 060~2 000 mm之間,雨日150~190 d,成土母質(zhì)為淺海沉積物,采樣點(diǎn)海拔在3~4 m之間[12]。

        1.2 土樣采集

        根據(jù)野外土地利用現(xiàn)狀和分布數(shù)量,確定不同類型土壤樣本的采集數(shù)量;共采集18個(gè)耕層土壤樣本(0—12 cm),對(duì)應(yīng)18個(gè)田地,其中水田樣本3個(gè),果園土壤樣本15個(gè)(種植果樹年限詳見表3),采集的果園土壤在植樹之前均為水田。依據(jù)第二次土壤普查資料,目前種植水稻的土壤在發(fā)生分類中屬于潴育型水稻土亞類,粉泥田土屬,粉泥田土種[12]。水田與果園位置相鄰,果園土壤目前種植梨樹(梨樹種植年限在4~20 a之間),供試土壤黏粒含量在219.63~241.31 mg/kg之間。每個(gè)樣地設(shè)置5個(gè)重復(fù)進(jìn)行觀察與取樣,采用多點(diǎn)混合取樣法采集土壤樣品。采集的土樣分為兩部分:一部分帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干處理,分別過2,0.25和0.15 mm土篩,用于土壤理化指標(biāo)和土壤酶活性測(cè)定;另一份置于冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室,放入4 ℃冰箱,一周內(nèi)完成土壤微生物生物量和土壤含水率等的測(cè)定。土地利用方式及土壤施肥量等信息詳見表1。

        表1 水田和果園土壤施肥量

        1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

        土壤含水率、pH值、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體、鹽基飽和度、土壤顆粒組成、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀等基本理化性質(zhì)采用土壤標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法進(jìn)行,具體測(cè)定步驟見參考文獻(xiàn)[13]。土壤微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法,土壤脲酶活性測(cè)定采用苯酚鈉比色法,土壤酸性磷酸酶活性測(cè)定采用磷酸苯二鈉比色法,土壤過氧化氫酶活性測(cè)定采用滴定法[14]。

        1.4 數(shù)據(jù)分析與計(jì)算方法

        采用Excel和Origin 8.0制圖,SPSS 10.0進(jìn)行相關(guān)性分析。

        土壤微生物熵=1.724×土壤微生物生物量碳/土壤有機(jī)質(zhì)

        2 結(jié)果與分析

        2.1 水田改果園對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

        水田改果園后土壤含水率明顯下降,并與植樹年限呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)(圖1)。

        水田改果園后土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體明顯下降,水田土壤中土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均含量為68.3%,改果園后下降到52.8%,降幅達(dá)到22.7%,并與植樹年限呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)(圖1)。

        注:*表示顯著相關(guān)(p<0.05);**表示極顯著相關(guān)(p<0.01)。下同。

        2.2 水田改果園對(duì)土壤基本化學(xué)性質(zhì)的影響

        水田改果園后,土壤明顯酸化,水田土壤pH平均值為5.51,改果園后pH值平均值下降到4.45,并與植樹年限呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)(圖2)。隨著植樹年限的延長(zhǎng)土壤鹽基飽和度呈現(xiàn)出下降趨勢(shì),并與植樹年限呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)(圖2)。改果園后,隨著植樹時(shí)間的延長(zhǎng)土壤有機(jī)質(zhì)含量呈下降的趨勢(shì),水田土壤中土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為34.2 g/kg,改果園后平均含量下降到20.8 g/kg,降幅達(dá)到39.1%,并與植樹年限呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)(圖2)。

        圖2 土壤pH值、鹽基飽和度和有機(jī)質(zhì)隨時(shí)間的變化

        2.3 水田改果園對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

        土壤養(yǎng)分對(duì)土地利用方式由水田改為果園響應(yīng)較敏感,水田土壤中全氮和堿解氮等高于改果園土壤,磷素和鉀素含量低于果園土壤。水田土壤中全氮和堿解氮平均含量分別為2.38 g/kg,220.2 mg/kg,改果園后平均含量分別下降到1.08 g/kg和143.6 mg/kg,降幅分別為54.6%和34.8%,并與植樹年限呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)(圖3)。水田土壤中全磷和有效磷平均含量分別為0.81 g/kg和42.7 mg/kg,改果園后分別增加到1.15 g/kg和326.6 mg/kg,分別增加了42.0%和6.65倍,并與植樹年限呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)(圖4)。水田土壤中全鉀和有效鉀平均含量分別為16.0 g/kg和111.7 mg/kg,改果園后分別增加到19.5 g/kg和172.8 mg/kg,增幅分別為21.9%和54.7%,并與植樹年限呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)(圖5)。

        圖3 土壤全氮和堿解氮隨時(shí)間的變化

        圖4 土壤全磷和有效磷隨時(shí)間的變化

        圖5 土壤全鉀和有效鉀隨時(shí)間的變化

        2.4 土壤理化指標(biāo)主成分分析

        為進(jìn)一步了解土壤理化性質(zhì)與土地利用方式及利用年限之間關(guān)系,對(duì)水田和果園土壤11個(gè)土壤理化指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析(principal component analysis, PCA)。主成分PC1,PC2,PC3和PC4分別解釋了水田改果園后69.2%,10.5%,5.8%和4.1%的土壤理化性質(zhì)的變異,累積貢獻(xiàn)率為89.6%。第1主成分與自然含水率、>0.25 mm 水穩(wěn)定性團(tuán)聚體、pH值、有機(jī)質(zhì)、鹽基飽和度、全氮、堿解氮呈極顯著(p<0.01)正相關(guān),與全磷、有效磷、全鉀和有效鉀呈極顯(p<0.01)著負(fù)相關(guān)(表2)。這與土壤環(huán)境因子與植樹年限的相關(guān)性一致,表明主成分1主要受土地利用年限的影響,土地利用年限是促使土壤環(huán)境變化的主要因素。研究表明,分布在A區(qū)域的3個(gè)土壤樣本均為水田土壤樣本,在這些土壤樣本中,自然含水率、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體、pH值、鹽基飽和度、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮等含量明顯高于其它土壤,而全磷、有效磷、全鉀、有效鉀等指標(biāo)明顯低于其它土壤。分布在B區(qū)域的7個(gè)土壤樣本均為植樹年限不超過11 a的果園土壤樣本,其土壤理化指標(biāo)的數(shù)值大小總體上介于A區(qū)域和C區(qū)域土壤樣本理化指標(biāo)的數(shù)值之間。依據(jù)土壤理化性質(zhì)主成分分析的結(jié)果(圖6),改果園土壤可以分為短期果園土壤(S4—S10,≤11 a)和長(zhǎng)期果園土壤(S11—S18,>11 a)兩個(gè)階段。區(qū)域A與B的距離,大于區(qū)域B與C的距離,表明土地利用方式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響要大于利用年限的影響。

        注:圖中數(shù)字表示樣品編號(hào)

        2.5 水田改果園對(duì)土壤微生物生物量和微生物熵的影響

        水田土壤微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)平均含量為1 026.33 g/kg,改果園后土壤MBC平均含量降低到262.51 mg/kg,降幅達(dá)到74.4%(圖7),并與植樹年限呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。水田土壤微生物生物量氮(microbial biomass nitrogen, MBN)平均含量為104.94 mg/kg,改林地后土壤MBN平均含量降低到28.00 mg/kg,降幅達(dá)到73.3%,并且與植樹年限呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)(圖7)。MBC主要取決于輸入有機(jī)物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì),在一定條件下,有機(jī)質(zhì)輸入越多,MBC就越高[15-16]。相關(guān)分析表明,改果園后,土壤微生物生物量碳氮與土壤自然含水率、>0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體、pH值、鹽基飽和度、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關(guān)(表4),與土壤有效磷、全鉀和有效鉀呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)(表4)。

        表2 土壤理化性質(zhì)與主成分的相關(guān)系數(shù)

        土壤微生物熵(microbial biomass carbon/total organic carbon, MBC/TOC)的變化反映了土壤中輸入的有機(jī)質(zhì)向微生物生物量碳的轉(zhuǎn)化效率[17]。土壤被過度使用時(shí),土壤生物生物量碳庫會(huì)以較快速率下降,最終引起土壤有機(jī)質(zhì)和微生物熵降低[18]。水田改果園后,土壤微生物熵隨著植樹年限的延長(zhǎng)而下降,并與植樹年限呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)(圖7),表明水田改果園后土壤微生物生物量碳比土壤有機(jī)碳降低更加迅速,土壤出現(xiàn)過度使用的情況,也說明水田在積累有機(jī)碳的同時(shí),有利于土壤微生物生物量的提高。

        2.6 水田改果園對(duì)土壤酶活性的影響

        水田土壤中脲酶活性平均值為0.20 mg/g(以24 h內(nèi)土壤中的NH3-N計(jì)),改林地后土壤脲酶活性平均值增加到0.28 mg/g(表3),增幅為40.0%,并與改林地年限呈極顯著正相關(guān),相關(guān)性系數(shù)為r=0.78**(n=18)。水田土壤酸性磷酸酶活性平均值為2.15 mg/g(以24 h 內(nèi)土壤中的酚計(jì)),改林地后土壤酸性磷酸酶活性平均值增加到3.05 mg/g(表3),增幅為41.8%,與改林地年限呈極顯著正相關(guān),相關(guān)性為r=0.82**(n=18);并與土壤pH值呈極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān),與土壤有效磷含量呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)(表4)。水田土壤過氧化氫酶活性平均值為7.98 ml (以1 g干土1 h內(nèi)分解的H2O2對(duì)應(yīng)的0.01 mol/L KMnO4體積計(jì)),改林地后平均值降低到2.45 ml(表3),下降了69.3%,并與改林地年限呈極顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)性系數(shù)為r=-0.79**(n=18)。此外,土壤過氧化氫酶活性與土壤pH值以及有機(jī)質(zhì)都呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)(表4)。

        表3 水田和果園土壤酶活性

        注:脲酶活性以24 h 內(nèi)土壤中的NH3-N(mg/g)計(jì),酸性磷酸酶活性以24 h 內(nèi)土壤中的酚(mg/g)計(jì),過氧化氫酶活性以1 g干土1 h內(nèi)分解的H2O2對(duì)應(yīng)的0.01 mol/L KMnO4體積(ml)計(jì),—表示“無”。

        表4 土壤微生物指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)相關(guān)系數(shù)

        3 討 論

        3.1 水田改果園后土壤理化指標(biāo)的響應(yīng)規(guī)律

        3.2 水田改果園后土壤微生物特性的響應(yīng)規(guī)律

        土壤微生物生物量碳是土壤有機(jī)碳中活性較高的部分,它對(duì)環(huán)境因子變化非常敏感[21-22]。土壤微生物生物量氮是土壤有效氮活性庫的主要部分,其含量能夠反映土壤肥力狀況和土壤的供氮能力[23]。水田改果園后土壤微生物生物量顯著下降(p<0.01),變化的主要原因是稻田土壤為微生物提供了相對(duì)充足的有機(jī)碳源、氮源和水分等主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),使得稻田土壤微生物的生長(zhǎng)旺盛,土壤微生物生物量相對(duì)較高;另一方面,水田改果園后土壤酸化,抑制了土壤微生物活性,特別是占土壤微生物多數(shù)的細(xì)菌的活性,此外,土壤微生物生物量與大于0.25 mm的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體呈顯著(p<0.05)正相關(guān)(表4),表明水田中較多的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體有利于土壤水分和土壤空氣的消長(zhǎng)平衡,為微生物生長(zhǎng)提供了良好的生境[24]。

        脲酶是土壤酶系中唯一催化尿素水解的酶,其活性反映了土壤酰胺態(tài)氮的轉(zhuǎn)化能力和供應(yīng)無機(jī)態(tài)氮的能力,通常情況下,它與土壤有機(jī)質(zhì)和微生物數(shù)量有很大關(guān)系[23]。土壤pH值較高時(shí)土壤有機(jī)—無機(jī)膠體、土壤脲酶和尿素三者的結(jié)合體較穩(wěn)定,從而使脲酶發(fā)生“鈍化”[25-26]。水田改果園后,土壤pH值下降,脲酶活性增強(qiáng),表明土壤中全氮和堿解氮含量降低,與脲酶活性增強(qiáng)有一定關(guān)系。

        磷酸酶是土壤酶系中唯一催化有機(jī)磷脂水解成可供植物吸收的無機(jī)磷酸的酶,其活性的高低直接影響著土壤中有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化和生物有效性,對(duì)有機(jī)磷的礦化作用非常明顯[23]。水田改果園后,土壤酸性磷酸酶活性增強(qiáng),并與土壤有效磷含量呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)(表4),這與改果園后土壤磷肥施用量增加,殘留在土壤中可供微生物利用的磷素(底物)增多,微生物受到底物刺激,分泌的磷酸酶增多有關(guān);并與土壤有效磷含量增加、誘導(dǎo)作用增強(qiáng),致使土壤磷酸酶活性增強(qiáng)等因素有關(guān)[27-28]。此外,土壤酸性磷酸酶的最適pH值為4.0~5.0[29],改果園后土壤pH值逐漸降低也是酸性磷酸酶活性增強(qiáng)的重要原因。

        過氧化氫酶主要來源于細(xì)菌、真菌以及植物根系分泌物,是參與土壤物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的一種重要的氧化還原酶,土壤過氧化氫酶能夠促進(jìn)過氧化氫的分解有利于防止對(duì)生物體的毒害作用,其活性能反映土壤生物氧化過程的強(qiáng)弱,與有機(jī)質(zhì)積累程度有關(guān)[14,23,30]。當(dāng)pH值在5.0以下時(shí)過氧化氫酶的活性幾乎完全消失[31]。水田改果園后,土壤過氧化氫酶活性降低,并與土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)(表4),表明土壤pH值和有機(jī)質(zhì)下降是土壤過氧化氫酶活性降低的重要原因。水田中還原性物質(zhì)較果園多,水田大量的還原性物質(zhì)被氧化過程中,需要大量電子受體,過氧化氫酶活性增強(qiáng),促進(jìn)過氧化氫快速分解,分解產(chǎn)物氧分子可以將土壤中的還原性物質(zhì)氧化,因而水田中過氧化氫酶活性較強(qiáng)。

        4 結(jié) 論

        水田改果園后,土壤酸化,土壤結(jié)構(gòu)變差,碳匯作用減弱,土壤綜合肥力下降。改果園后全氮和堿解氮下降,而全磷、有效磷、全鉀和有效鉀明顯增加,引起土壤養(yǎng)分失衡,并對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境造成影響,增加了因養(yǎng)分流失而導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明,水田改果園后土壤環(huán)境因子發(fā)生階段性變化,土地利用年限是促使土壤環(huán)境因子變化的主要因素,土地利用方式的影響要大于利用年限的影響。研究表明,水田改果園后土壤環(huán)境因子的改變對(duì)土壤微生物生物量及酶活性產(chǎn)生重要影響,土壤生態(tài)功能減弱,對(duì)土地的可持續(xù)利用產(chǎn)生不利影響。

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