趙 娜,沈愛(ài)紅,石 云,佘 潔,張風(fēng)紅,郭 瑞,吳 濤,李建華,朱曉雯,李紅霞

(1. 寧夏大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,銀川 750021;2. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,銀川 750021;3. 銀川市銀西生態(tài)防護(hù)林管理處,銀川 750021;4. 寧夏賀蘭山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,銀川 750021)

【研究意義】賀蘭山是我國(guó)西北地區(qū)一道重要的生態(tài)屏障,在維系西北、華北乃至全國(guó)的氣候分布和生態(tài)安全方面扮演著重要角色[1]。沖積扇作為賀蘭山東麓重要的地貌單元,動(dòng)植物資源豐富,水源涵養(yǎng)能力較高,是賀蘭山地區(qū)獨(dú)特而重要的組成部分。該區(qū)域主要的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型為荒漠草原,在調(diào)節(jié)氣候、保持水土、防風(fēng)固沙、維持生態(tài)平衡等方面具有重要作用[2]。近年來(lái),由于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)旅游產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展、葡萄產(chǎn)業(yè)園的不斷擴(kuò)建以及季節(jié)性山洪的頻發(fā)[3],賀蘭山東麓沖積扇區(qū)荒漠草原原有的生態(tài)環(huán)境受到較大的擾動(dòng),引發(fā)了較多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,如水土流失、草地退化等,更重要的是對(duì)土壤環(huán)境的影響。土壤是植物生長(zhǎng)和發(fā)育的基礎(chǔ),提供了植物所需的營(yíng)養(yǎng),其特性受土壤母質(zhì)、地形、氣候和人類(lèi)活動(dòng)等因素的共同影響[4-5]。宏觀尺度上,這些因素使土壤特性出現(xiàn)明顯的空間異質(zhì)性,微觀尺度上,土壤特性受微地形的影響表現(xiàn)出一定的空間規(guī)律性[6-8]。微地形通過(guò)地表微高程、起伏等變化,重新分配局部的光、熱、土壤水分、養(yǎng)分等資源,導(dǎo)致同一時(shí)間、不同地點(diǎn)的土壤特性具有明顯的差異性和多樣性[9-12]。微地形的變化會(huì)影響土壤特性,土壤特性的差異又會(huì)導(dǎo)致不同微地形和原環(huán)境的植物群落組成、多樣性分布及功能的異質(zhì)性[13-14]。因此,不同微地形下土壤特性的研究,對(duì)植物生長(zhǎng)和探究植物群落的構(gòu)建過(guò)程具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】沖洪積扇是研究地形對(duì)土壤特性影響的理想場(chǎng)所,不同(老的和年輕的)沖洪積扇由于構(gòu)造活動(dòng)、氣候等因素的影響,土壤特性各不相同,在單個(gè)沖洪積扇內(nèi),由于洪水和沉積作用,形成了沖溝、沖積臺(tái)地和礫石灘等不同的微地形,導(dǎo)致土壤水分、類(lèi)型等差異較大,進(jìn)而引起土壤特性的差異。長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沖洪積扇區(qū)土壤特性與地形因子的相關(guān)關(guān)系做了大量研究,Bahrami和Ghahraman[15]調(diào)查了伊朗東北部3個(gè)不同年代的沖積扇扇頂、扇腳、溝床、河間溝、槽灘和沙壩的土壤理化性質(zhì),發(fā)現(xiàn)殘積扇和老扇土壤理化性質(zhì)扇頂高于扇底,河間高于溝床,年輕扇土壤理化性質(zhì)扇底高于扇頂,老殘積扇河間溝的土壤理化性質(zhì)高于殘積扇。Oliveira等[16]研究了巴西北部沖積扇不同位置受鹽分影響的土壤之間的差異,發(fā)現(xiàn)沖扇扇腳的pH、CEC和可交換鈉百分比低于扇頂。在國(guó)內(nèi),梁傳平等[17]探討了洪積扇扇頂、扇中、扇緣不同坡位土壤性質(zhì)分異規(guī)律,張勇等[18]著眼于扇頂、扇中、扇緣對(duì)養(yǎng)分輸移規(guī)律的研究,以及馬媛等[19]對(duì)洪積扇扇頂、扇中、扇緣土壤分形特征和空間變異規(guī)律的研究?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人研究大多只從地貌角度將沖洪積扇劃分為扇頂、扇中、扇緣,且側(cè)重研究不同地貌對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響,鮮見(jiàn)有關(guān)沖積扇不同微地形土壤理化性質(zhì)、酶活性變化特征及兩者之間關(guān)系的報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以賀蘭山東麓沖積扇為研究對(duì)象,在野外調(diào)查取樣和實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定的基礎(chǔ)上,運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了不同微地形土壤理化性質(zhì)和酶活性的空間分布特征及其差異性,同時(shí)利用地理探測(cè)器結(jié)合典范排序方法對(duì)土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行了研究,揭示了各土壤理化性質(zhì)對(duì)酶活性空間分異的影響。研究結(jié)果有助于更好地理解植物群落的構(gòu)建機(jī)制,為賀蘭山東麓沖積扇發(fā)育機(jī)制研究、生態(tài)修復(fù)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)賀蘭山(105°41′～106°41′ E,38°27′～39°30′ N)位于寧夏回族自治區(qū)西北部,山體呈西南-東北走向,平均海拔2000 m。賀蘭山東麓地形西高東低,主要為沖積扇,由賀蘭山?jīng)_積物堆積而成,海拔1120～1150 m。大陸性季風(fēng)氣候,干旱少雨,蒸發(fā)強(qiáng)烈,光照資源豐富,晝夜溫差較大。年平均氣溫8.5 ℃左右,年平均日溫差10～15 ℃,年降雨量180～250 mm,其中60%～80%集中在6—8月,年均蒸發(fā)量2000 mm。土壤類(lèi)型包括普通灰鈣土、石礫土、風(fēng)沙土等,質(zhì)地較粗,含礫石較多(圖1)。

1.2 樣地選擇與樣品采集

1.2.1 樣地選擇 賀蘭山東麓沖積扇主要在中部發(fā)育,即從北部的大武口到南部的甘溝口這一段,發(fā)育形態(tài)較好的蘇峪口沖積扇是賀蘭山南段一個(gè)以水石流(或“非粘性泥石流”)沉積過(guò)程為主形成的沖積扇,多年洪水沖刷和沉積作用在蘇峪口沖積扇老扇面區(qū)域形成了由粗礫和巨礫組成的礫石壩相間排列的地貌特征。本研究參考Bahrami等[15]對(duì)伊朗、韓龍飛等[20]對(duì)青藏高原沖積扇地區(qū)微地形的劃分,以無(wú)人機(jī)影像為基礎(chǔ),結(jié)合實(shí)地調(diào)查和分析,將賀蘭山東麓蘇峪口沖積扇微地形劃分為沖積臺(tái)地、高漫灘、槽灘和溝床4種(圖2),各自特征見(jiàn)表1。

1.2.2 樣品采集 于2022年6月下旬,在賀蘭山東麓沖積扇區(qū),選擇4種微地形分異明顯的區(qū)域進(jìn)行采樣,每種微地形設(shè)置4個(gè)5 m×5 m的樣方,各樣方間距5 m左右。采樣時(shí)先清除去除表層的枯枝落葉等雜物,然后使用挖掘法,在每個(gè)樣方內(nèi)按梅花形選取5個(gè)點(diǎn),分層取0～20、20～40 cm土壤,將同一土層所取樣品混合,依次過(guò)20和10 mm篩,去除石塊和植物根系,裝入塑封袋。共帶回土壤樣品96份。用于測(cè)定土壤酶活性的土壤樣品置于4 ℃冰箱保存,測(cè)定土壤理化性質(zhì)的土樣自然風(fēng)干后研磨。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

采用常規(guī)分析法測(cè)定土壤理化性質(zhì)[21]與土壤酶活性[22](表2)。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

圖2 沖積扇微地形Fig.2 Alluvial fan micro-topography

表1 微地形種類(lèi)及特征

表2 土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性的測(cè)定方法

續(xù)表2 Continued table 2

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理采用Excel 2013,運(yùn)用SPSS 22.0進(jìn)行土壤酶活性與理化性質(zhì)的單因素方差分析;利用地理探測(cè)器和Canoco5研究土壤酶活性與多種理化因子間的關(guān)系;用OriginPro2021軟件制圖。數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)均值,以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差”(mean±SE)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同微地形土壤理化性質(zhì)變化

由圖3可知不同微地形土壤pH、礫石和有機(jī)質(zhì)含量變化情況。土壤礫石、有機(jī)質(zhì)含量不同微地形均表現(xiàn)為0～20 cm>20～40 cm土層,沖積臺(tái)地微地形土壤礫石含量最高,同一土層深度礫石含量分布為沖積臺(tái)地>高漫灘>溝床>槽灘,除槽灘外,其余3種微地形不同土層間礫石含量差異顯著(P<0.05,下同);同一土層深度有機(jī)質(zhì)含量分布為沖積臺(tái)地>高漫灘>槽灘>溝床,沖積臺(tái)地、高漫灘和槽灘有機(jī)質(zhì)含量在不同土層間差異顯著(P<0.05),溝床不同土層間差異不顯著(P>0.05,下同);不同微地形土壤pH在8.44～8.63變化,屬于堿性土壤,不同微地形土壤pH差異不顯著。

由表3可知不同微地形土壤養(yǎng)分含量分布特征。在不同微地形,土壤全磷和全鉀在不同土層含量差異不顯著,土壤全氮、堿解氮、速效磷與速效鉀含量均表現(xiàn)為0～20 cm>20～40 cm土層。其中,沖積臺(tái)地全氮含量最高,同一土層深度全氮含量分布為沖積臺(tái)地>高漫灘>槽灘>溝床,不同土層間全氮含量在沖積臺(tái)地、槽灘和溝床差異顯著,在高漫灘差異不顯著。各微地形土壤堿解氮含量在同一土層深度具體分布為沖積臺(tái)地>高漫灘>槽灘>溝床,不同微地形不同土層間堿解氮含量具有顯著差異;土壤速效磷、速效鉀含量在0～20 cm土層和20～40 cm土層均表現(xiàn)為高漫灘>槽灘>沖積臺(tái)地>溝床,速效磷在0～20 cm土層間含量差異不顯著,但在20～40 cm土層間含量差異顯著,速效鉀含量在同一微地形不同土層間差異顯著;土壤全磷和全鉀在不同微地形和不同土層深度含量差異不顯著,全磷含量大部分在0.6 g/kg,全鉀含量在2.04～2.23 g/kg變化。

柱狀圖上小寫(xiě)英文字母不同表示差異顯著。Different lowercase letters above the bar charts represent signifiant differences.圖3 不同微地形土壤礫石、pH和有機(jī)質(zhì)含量Fig.3 Soil gravel,pH and organic matter content in different micro-topography

表3 不同微地形土壤養(yǎng)分含量的變化

2.2 不同微地形土壤酶活性的變化

堿性磷酸酶可以把磷組分轉(zhuǎn)化為活性磷供生物體利用,是土壤磷素循環(huán)的重要組成部分,可作為指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)土壤中磷素生物轉(zhuǎn)化的方向與強(qiáng)度[23]。由圖4可知,不同微地形土壤中,堿性磷酸酶活性均表現(xiàn)為 0～20 cm>20～40 cm土層;同一土層深度下堿性磷酸酶活性表現(xiàn)為沖積臺(tái)地>高漫灘>槽灘>溝床,隨著土層深度的增加堿性磷酸酶活性隨之減少,沖積臺(tái)地、高漫灘和溝床的堿性磷酸酶活性在不同土層間差異顯著(P<0.05,下同),槽灘不同土層間差異不顯著(P>0.05,下同)。0～20 cm土層沖積臺(tái)地比高漫灘、槽灘和溝床的分別高15.92%、23.18%、23.88%,20～40 cm土層沖積臺(tái)地比高漫灘、槽灘和溝床的分別高22.87%、23.32%、26.91%。

土壤脲酶是參與土壤氮素形式轉(zhuǎn)化過(guò)程的關(guān)鍵酶,可以促進(jìn)尿素在土壤中的水解并被植物吸收,其活性可以反映土壤供氮能力[24-25]。分析發(fā)現(xiàn),脲酶活性在不同微地形和不同土層間無(wú)顯著差異,且隨著土層的加深呈降低趨勢(shì),同一土層深度下脲酶活性表現(xiàn)為沖積臺(tái)地>高漫灘>槽灘>溝床。0～20 cm土層脲酶活性變化范圍在0.99～1.18 mg/(g·24 h)之間,最大相差16.10%,20～40 cm土層脲酶活性變化范圍在0.93～1.03 mg/(g·24 h),最大相差9.7%。

土壤過(guò)氧化氫酶廣泛存在于土壤和生物體中,其活性與土壤微生物活動(dòng)強(qiáng)弱及土壤有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)[26]。隨著土層的加深,過(guò)氧化氫酶活性逐漸降低,同一土層深度下過(guò)氧化氫酶活性表現(xiàn)為溝床>槽灘>高漫灘>沖積臺(tái)地,同一微地形不同土層間其活性差異不顯著。不同微地形土壤過(guò)氧化氫酶活性在1.31～2.09 mL/(g·h)變化,其中0～20 cm土層溝床比槽灘、高漫灘和沖積臺(tái)地的分別高3.35%、11.96%、35.89%,20～40 cm土層溝床比槽灘、高漫灘和沖積臺(tái)地的分別高1.54%、32.82%、35.90%。表明,0～20 cm土層中各個(gè)微地形的過(guò)氧化氫酶活性差異較20～40 cm土層中各個(gè)微地形的過(guò)氧化氫酶活性差異大。

土壤過(guò)氧化物酶主要由微生物或植物所產(chǎn)生,它對(duì)于腐殖質(zhì)的形成具有重要作用[27]。各微地形土壤過(guò)氧化物酶活性均表現(xiàn)為20～40 cm>0～20 cm土層;過(guò)氧化物酶活性在同一土層深度下為溝床>高漫灘>槽灘>沖積臺(tái)地,隨著土層的加深過(guò)氧化物酶活性隨之升高,各微地形不同土層間土壤過(guò)氧化物酶差異顯著。0～20 cm土層過(guò)氧化物酶活性變化范圍在129.30～184.04 nmol/(h·g),最大相差29.74%,20～40 cm土層脲酶活性變化范圍在235.16～327.73 nmol/(h·g),最大相差28.25%。

柱狀圖上不同大寫(xiě)英文字母表示差異顯著。Different uppercase above the bar charts represent significant differences.圖4 不同微地形土壤酶活性的變化Fig.4 Changes in soil enzyme activity in different micro-topography

2.3 土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)關(guān)系

為定量描述土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性的關(guān)系。采用地理探測(cè)器中的“因子探測(cè)”“交互探測(cè)”及“生態(tài)探測(cè)”[28]3個(gè)部分,對(duì)不同微地形的4種酶活性和9種土壤理化性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算和分析。

2.3.1 因子探測(cè) 利用因子探測(cè)器探測(cè)土壤理化性質(zhì)對(duì)4種土壤酶活性的解釋力,用q值來(lái)度量解釋力大小。因子探測(cè)結(jié)果表明,土壤理化性質(zhì)對(duì)4種土壤酶活性的解釋力存在差異(表4),但總體上全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、土壤礫石含量和速效鉀對(duì)各種酶活性空間分布均具有較強(qiáng)解釋力。對(duì)堿性磷酸酶活性空間分異解釋力較強(qiáng)的因子分別為全氮、有機(jī)質(zhì)、速效磷以及堿解氮;脲酶的主要影響因子為全氮、有機(jī)質(zhì)、全鉀和土壤礫石含量;對(duì)過(guò)氧化氫酶與過(guò)氧化物酶活性解釋力較大的4個(gè)因子為全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、土壤礫石含量。全氮和有機(jī)質(zhì)是影響4種酶活性空間分異的主要因子,但影響程度存在著差異,具體表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)q值在酶活性的排序：脲酶>堿性磷酸酶>過(guò)氧化物酶>過(guò)氧化氫酶。全氮對(duì)脲酶的解釋力為40.1%,顯著高于對(duì)其他酶活性的解釋力,主要是因?yàn)殡迕竻⑴c土壤氮素循環(huán),是決定其轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。土壤礫石含量對(duì)過(guò)氧化物酶活性的影響最大,對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響最小;堿解氮與速效鉀q值在酶活性的排序均為過(guò)氧化物酶>堿性磷酸酶>脲酶>過(guò)氧化氫酶。

2.3.2 交互作用探測(cè) 因子探測(cè)只能解釋單個(gè)影響因子對(duì)土壤酶活性空間分異的影響程度,土壤酶在參與土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量循環(huán)過(guò)程中,由多種土壤理化性質(zhì)的共同交互作用決定其空間分布格局的。由圖5的交互探測(cè)結(jié)果可知,對(duì)比單因子的影響力,任何2個(gè)因子的交互作用都會(huì)增強(qiáng)4種土壤酶活性空間分異的影響力,多數(shù)為非線性增強(qiáng),少數(shù)為雙線性增強(qiáng),不存在相互獨(dú)立作用。就堿性磷酸酶而言,AP和AK、TP兩兩之間的交互作用值最大,且AP與其他因子的相互作用值均大于0.262;對(duì)于脲酶,TK與AK的交互作用最強(qiáng),與其他因子之間的交互作用值都不低于0.311;對(duì)于過(guò)氧化氫酶,AN與其余因子、TN∩SGC的交互作用明顯高于其他因子的交互作用;對(duì)于過(guò)氧化物酶,SGC∩AP、SGC∩AN、SGC∩OM、SGC∩TN及AN∩AP的交互作用最強(qiáng),q值分別為0.668、0.603、0.596、0.585和0.591。綜上所述,土壤各理化性質(zhì)之間的交互作用對(duì)于研究區(qū)土壤酶活性的空間分異具有重要影響。

2.3.3 生態(tài)探測(cè) 生態(tài)探測(cè)著重于比較2個(gè)影響因子對(duì)土壤酶活性空間分布的影響是否存在顯著差異。使用顯著性水平為0.05的t檢驗(yàn),如果顯著,記為“Y”;如果不顯著,記為“N”。本部分選取脲酶為例繪制圖表進(jìn)行生態(tài)探測(cè)器分析。從表5可知,土壤礫石含量與全氮對(duì)脲酶的空間分布呈顯著差異,其余因子間的差異不顯著;pH和有機(jī)質(zhì)、全氮及全鉀對(duì)脲酶的空間分布具有顯著差異,與其他因子均無(wú)顯著差異;有機(jī)質(zhì)與全磷、速效磷對(duì)脲酶的空間分布具有顯著差異;全氮除了與全鉀對(duì)脲酶的空間分布無(wú)顯著差異外,與其他因子均存在顯著差異;全磷只與全鉀對(duì)脲酶的空間分布具有顯著差異,與其他因子均無(wú)顯著差異;全鉀與速效磷對(duì)脲酶的空間分布具有顯著差異;堿解氮與速效磷與其他因子對(duì)脲酶的空間分布均不具有顯著差異。

SGC.土壤礫石含量;OM.有機(jī)質(zhì);TN.全氮;TP.全磷;TK.全鉀;AN.堿解氮;AP.速效磷;AK.速效鉀;*代表雙因子增強(qiáng);無(wú)*代表非線性增強(qiáng)。SGC.Soil gravel content;OM.Organic matter：TN.Total nitrogen;TP.Total phosphorus;TK.Total potassium;AN.Hydrolyzed nitrogen：AP. Available phosphorus;AK.Available potassium;* indicated bivariate enhance,and no*indicated non-linear enhancet.圖5 土壤酶活性影響因子的交互作用Fig.5 Interaction of influencing factors of soil enzyme activity

表5 土壤脲酶的生態(tài)探測(cè)結(jié)果

2.4 單一理化性質(zhì)對(duì)土壤酶活性的影響

采用Canoco 5.0中的t-value雙序圖,選取影響土壤酶活性空間分異解釋力前4的因子,深入分析單一理化性質(zhì)對(duì)土壤酶活性的影響,結(jié)果如圖6所示。某一酶活性的箭頭完全落入某一影響因子的紅圈內(nèi),則表示該酶活性與該影響因子呈顯著正相關(guān);若落入藍(lán)圈內(nèi),則表示呈顯著負(fù)相關(guān)[29]。圖6-a為全氮與土壤酶活性的關(guān)系,紅圈內(nèi)為土壤堿性磷酸酶和脲酶,表明全氮與堿性磷酸酶、脲酶之間呈顯著正相關(guān),藍(lán)圈內(nèi)為過(guò)氧化氫酶,表明全氮與過(guò)氧化氫酶之間呈顯著負(fù)相關(guān)。圖6-b給出了堿解氮與土壤酶活性的關(guān)系,堿解氮與過(guò)氧化氫酶呈顯著正相關(guān),與脲酶呈顯著負(fù)相關(guān),與堿性磷酸酶、過(guò)氧化物酶呈負(fù)相關(guān)。對(duì)土壤礫石含量進(jìn)行分析(圖6-c)得出,土壤礫石含量與堿性磷酸酶呈顯著正相關(guān),與過(guò)氧化物酶呈顯著負(fù)相關(guān)。速效鉀與土壤酶活性關(guān)系如圖6-d所示,堿性磷酸酶與過(guò)氧化氫酶均穿過(guò)紅圈,表明速效鉀與堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶呈正相關(guān),同時(shí)脲酶完全落入藍(lán)圈中,過(guò)氧化物酶穿過(guò)藍(lán)圈,說(shuō)明速效鉀與脲酶呈顯著負(fù)相關(guān),與過(guò)氧化物酶呈負(fù)相關(guān)。

圖6 單一理化性質(zhì)對(duì)土壤酶活性特征影響的t-value檢驗(yàn)Fig.6 t-value test for the effect of single physical and chemical properties on soil enzyme activity characteristics

3 討 論

3.1 不同微地形對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

沖洪積扇地區(qū)海拔落差相對(duì)較小,植被垂直地帶性現(xiàn)象不明顯,與海拔梯度相比,微地形往往更能解釋土壤空間異質(zhì)性的內(nèi)在機(jī)制。不同微地形的形態(tài)結(jié)構(gòu)重新分配了局部生境中的太陽(yáng)輻射、降水、枯落物貯存和礦質(zhì)元素等,并通過(guò)調(diào)節(jié)降水入滲和土壤蒸發(fā)等作用,影響了其內(nèi)部土壤溫度、水分、養(yǎng)分等資源的空間分布,進(jìn)而影響植被分布,反之植被又影響土壤養(yǎng)分積累和分布,兩者相互影響、相互作用,使不同微地形呈現(xiàn)出不同的小生境。如盧紀(jì)元[6]和張宏芝[30]研究陜北黃土坡面不同微地形土壤理化性質(zhì)發(fā)現(xiàn)與陡坎相比,切溝、塌陷土壤理化性質(zhì)相對(duì)較好。呂仕洪等[31]和陳飛等[32]通過(guò)研究喀斯特石漠化山地不同微地形土壤理化性質(zhì),得出石縫土壤含水量、酸堿度以及有機(jī)質(zhì)等土壤理化性質(zhì)含量最高,土面最低。本研究發(fā)現(xiàn)不同微地形土壤理化性質(zhì)在垂直空間分布上具有顯著差異,具體表現(xiàn)為不同微地形0～20 cm土壤理化性質(zhì)高于20～40 cm土壤(除土壤pH、全磷、全鉀),這與雷斯越[33]的研究一致,可能是因?yàn)橹参锔涤绊懥送寥览砘再|(zhì)在垂直空間的分布,郝寶寶等[34]認(rèn)為這是因?yàn)榈蚵湮镌谕寥辣韺臃纸庑纬傻挠袡C(jī)質(zhì)在降雨、地表徑流等的作用下向深層土壤緩慢運(yùn)移所致。土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮等養(yǎng)分含量均為沖積臺(tái)地>槽灘,高漫灘>溝床,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能有兩點(diǎn)：一是礫石影響土壤養(yǎng)分含量。本研究中槽灘土壤幾乎無(wú)礫石存在,溝床土壤礫石較多,但粒徑較小,而沖積臺(tái)地和高漫灘土壤礫石粒徑較大,石縫空間狹小,受流水影響較小,土壤不易流失,從而使養(yǎng)分得到較好的保存,另外土壤有機(jī)質(zhì)、全氮等由于大石塊的存在而集中在細(xì)粒土部分,使沖積臺(tái)地和高漫灘的土壤養(yǎng)分含量較高。二是灌叢的“肥島”效應(yīng)[35]。沖積臺(tái)地和高漫灘的植被以灌叢為主,其強(qiáng)大的根系能大范圍吸收水分和養(yǎng)分,使其成為土壤水分和養(yǎng)分的富集區(qū),形成灌叢發(fā)展與土壤形態(tài)之間的正反饋效應(yīng)。同時(shí),灌叢能夠截獲土壤風(fēng)蝕物質(zhì)、降塵和自身凋落物,并通過(guò)根際沉積和分解被灌叢吸收,大氣降塵或植物葉子分泌的有機(jī)物質(zhì)也會(huì)被樹(shù)冠截留并通過(guò)降雨和灌叢徑流進(jìn)入土壤[36]。另外,灌叢會(huì)形成較周?chē)鷧^(qū)域更溫和的氣候環(huán)境,是動(dòng)物的理想棲息場(chǎng)所,其排泄物會(huì)加強(qiáng)土壤養(yǎng)分的富集,導(dǎo)致不同微地形土壤異質(zhì)性增加[37]。土壤速效磷和速效鉀含量則表現(xiàn)為高漫灘>槽灘>沖積臺(tái)地>溝床,這可能與高漫灘和槽灘植被覆蓋度相對(duì)較高有關(guān)。本研究中土壤pH、全磷、全鉀含量在不同微地形和不同土層不具有顯著性差異,其中pH在沖積臺(tái)地、高漫灘、槽灘和溝床4種微地形土壤中都表現(xiàn)出弱堿性,且隨著土層的加深有升高趨勢(shì),原因可能是沖積扇區(qū)雨水少、蒸發(fā)高,以草本為伴生種的植物群落根系多處于土壤表層等[38]。磷、鉀元素主要來(lái)源于礫石的分化與礦物質(zhì)的形成,由于一定區(qū)域內(nèi)土壤母質(zhì)基本相同,導(dǎo)致不同土壤深度、不同微地形之間磷素和鉀素差異不大。

3.2 不同微地形土壤酶活性的變化

土壤酶通過(guò)影響有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán),在全球生化物質(zhì)的循環(huán)和能量交換中起重要作用,是土壤質(zhì)量變化的敏感指標(biāo),能夠反映生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)程,被稱(chēng)作是綜合了土壤微生物和理化性質(zhì)等各項(xiàng)信息的“傳感器”[39],其活性受土壤水分、溫度以及pH等非生物因子和土壤微生物群落、地上植物群落和人為因素等生物因子的共同影響。微地形對(duì)土壤酶活性的影響主要通過(guò)影響非生物因子間接影響酶活性,安小菲等[40]研究了廣西天坑坑坑內(nèi)-坑口-坑外3種微地形土壤酶活性,廖全蘭等[41]對(duì)茂蘭喀斯特森林漏斗、槽谷、坡地3種微地形土壤酶活性進(jìn)行了研究,李洪勛等[42]探討了云貴高原山區(qū)坡地、臺(tái)地以及壩地等微地形的土壤酶活性,結(jié)果表明,不同微地形土壤酶活性不同。本研究發(fā)現(xiàn)賀蘭山東麓沖積扇區(qū)不同微地形土壤酶活性高低均存在一定差異,從土壤酶活性的空間分布來(lái)看,堿性磷酸酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶均呈明顯的垂直分布現(xiàn)象,具體表現(xiàn)為各微地形除過(guò)氧化物酶外,其余3種酶活性隨土層深度的增加逐漸降低,這與魏孝榮等[43]的研究結(jié)果一致。土層由上至下,可延伸到深處的根系逐漸減少,土壤變緊實(shí),通氣性、透水性減弱,可分解利用的凋落物及腐殖質(zhì)含量變少,酶活性降低。過(guò)氧化物酶活性在各個(gè)微地形均表現(xiàn)為20～40 cm高于0～20 cm土層,且兩種土層深度下過(guò)氧化物酶活性差異明顯,原因可能是深根灌叢植物正處在生長(zhǎng)旺盛階段,根系生物量以及分泌物較高,增加了土壤養(yǎng)分水平,為部分土壤微生物提供了適宜的生長(zhǎng)環(huán)境,使其代謝較活躍[44]。在不同微地形,堿性磷酸酶和脲酶活性為沖積臺(tái)地最高,溝床最低,過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶活性表現(xiàn)為溝床最高,沖積臺(tái)地最低,這可能是由于研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和其他土壤養(yǎng)分相對(duì)較高,加上土壤微生物活動(dòng)旺盛,土壤堿性磷酸酶、脲酶活性較大。溝床地表礫石粒徑較小,覆蓋率較高,減少了土壤與外界的交流,對(duì)土壤中的根際微生物區(qū)系具有改善作用,還可以增加各類(lèi)微生物數(shù)量,從而增強(qiáng)過(guò)氧化物酶活性。

3.3 不同微地形土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性的關(guān)系

土壤礫石含量、C、N、P 等理化性質(zhì)等可以通過(guò)改變土壤的通氣狀況、物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和新陳代謝等直接或間接地影響酶活性的變化。土壤礫石對(duì)土壤溫度、水分的影響有差異,良好的水熱條件可增強(qiáng)微生物活動(dòng)強(qiáng)度,釋放更多的酶。土壤充足的養(yǎng)分一方面可為植物提供更多可吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),使植物根系分泌出更多的酶,另一方面又可直接為酶活性提供足夠的酶促反應(yīng)底物,增強(qiáng)酶活性,酶活性又可表征土壤養(yǎng)分狀況,二者相互聯(lián)系、相互作用。大量研究表明,土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)之間具有相關(guān)性,如張琳等[45]研究表明土壤有機(jī)質(zhì)、pH、全氮、堿解氮等理化性質(zhì)與土壤酶活性間具有明顯的關(guān)系。崔曉曉等[46]研究則表明,脲酶、堿性磷酸酶與土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀呈極顯著相關(guān),但這兩種酶和過(guò)氧化氫酶均與土壤酸堿值呈負(fù)相關(guān)。本研究利用地理探測(cè)器對(duì)賀蘭山東麓沖積扇區(qū)不同微地形土壤理化性質(zhì)與酶活性關(guān)系進(jìn)行分析,因子探測(cè)結(jié)果表明,土壤有機(jī)質(zhì)和全氮是影響4種酶活性空間分異的主要因子,說(shuō)明有機(jī)質(zhì)不僅是土壤酶促底物的主要供源,而且累積在其中的氮還關(guān)系到酶進(jìn)入土壤中的量[47]。土壤礫石含量、堿解氮和速效鉀對(duì)4種土壤酶活性空間分異也發(fā)揮著關(guān)鍵作用,進(jìn)一步說(shuō)明沖積扇區(qū)土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)二者相互耦合,共同參與作用于沖積扇區(qū)養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程。交互探測(cè)器和生態(tài)探測(cè)器結(jié)果表明,土壤各理化性質(zhì)的交互作用影響較單因子解釋力均有較大幅度的提升,說(shuō)明在分析區(qū)域土壤酶活性的空間分異時(shí)不能僅考慮單因子的影響,各元素的相互作用制約著土壤酶活性的空間變異性。另外,冗余分析表明,全氮是影響土壤酶活性的最重要因子,但一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)土壤pH和水分也是影響土壤酶活性變化的主要因素[48-49]?，F(xiàn)階段,對(duì)土壤理化性質(zhì)與酶活性?xún)烧咧g關(guān)系的研究較多,但得出的結(jié)論不盡相同[50],可能是因?yàn)椴煌貐^(qū)、不同微地形的土壤水熱條件、理化性質(zhì)以及植被各異,導(dǎo)致土壤酶活性與理化性質(zhì)之間的關(guān)系具有較大差異。因此,結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥浪疅釛l件和植被分布等來(lái)探討土壤酶活性與理化性質(zhì)的關(guān)系可作為下一步的研究方向。

4 結(jié) 論

(1)賀蘭山東麓沖積扇區(qū)土壤理化性質(zhì)存在顯著差異,在垂直空間上,除土壤pH、全磷和全鉀差異不顯著外,土壤礫石含量、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量均表現(xiàn)出隨土壤剖面的加深而降低的趨勢(shì)。在不同微地形,土壤礫石、全氮、堿解氮、速效磷及速效鉀含量均為沖積臺(tái)地>槽灘,高漫灘>溝床,土壤pH、全磷和全鉀在不同微地形無(wú)明顯變化。

(2)賀蘭山東麓沖積扇區(qū)土壤酶活性同樣存在顯著差異,從空間分布來(lái)看,土壤堿性磷酸酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶均呈現(xiàn)明顯的垂直分布現(xiàn)象,具體為堿性磷酸酶、脲酶與過(guò)氧化氫酶活性在0～20 cm均高于20～40 cm土層,過(guò)氧化物酶相反。不同微地形土壤酶活性表現(xiàn)為堿性磷酸酶和脲酶沖積臺(tái)地最高,溝床最低,過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶為溝床最高,沖積臺(tái)地最低。

(3)地理探測(cè)器探測(cè)結(jié)果表明,土壤理化性質(zhì)對(duì)酶活性的作用強(qiáng)弱不盡相同。其中,從因子探測(cè)結(jié)果可知,全氮對(duì)土壤酶活性空間分異獨(dú)立解釋力最顯著,有機(jī)質(zhì)次之,再次是堿解氮和土壤礫石含量,且全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、土壤礫石含量的獨(dú)立解釋力均在0.10以上;從交互探測(cè)結(jié)果可知,交互作用解釋力均呈現(xiàn)增強(qiáng)效應(yīng),主要為非線性增強(qiáng)或雙線性增強(qiáng),不同酶活性空間分異的主導(dǎo)交互作用因子不同?？傊?研究區(qū)不同微地形土壤酶活性空間分異是各土壤理化性質(zhì)共同作用的結(jié)果,不同因子對(duì)土壤酶活性的影響程度不盡相同,揭示了土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性關(guān)系的復(fù)雜性及酶活性空間分布變異影響因子的多樣性。

(4)冗余分析表明,全氮、堿解氮、土壤礫石和速效鉀是影響賀蘭山東麓沖積扇區(qū)土壤酶活性變化的主要指標(biāo),重要性大小排序?yàn)槿?堿解氮>土壤礫石>速效鉀。