青藏高原不同年限日光温室中高寒草甸土壤机械组成、养分与微生物活性变化

谢青琰，张梦瑶，高永恒

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所山地表生过程与生态调控重点实验室，四川 成都　610041；2.中国科学院大学资源与环境科学学院， 北京　100049)



青藏高原不同年限日光温室中高寒草甸土壤机械组成、养分与微生物活性变化

谢青琰1,2，张梦瑶1,2，高永恒1①

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所山地表生过程与生态调控重点实验室，四川 成都610041；2.中国科学院大学资源与环境科学学院， 北京100049)

摘要：选取青藏高原东部种植年限分别为5、10和15 a的日光温室以及天然草地为研究对象，探讨了大棚蔬菜栽培对高寒草甸土壤机械组成、养分含量以及微生物活性的影响。结果表明：(1)随着种植年限的延长，土壤粒径呈变细的趋势。与对照相比，种植5、10和15 a后，温室土壤<10 �m粒径颗粒质量分数分别提高8.5、19.3和20.3百分点；(2)除铵态氮(NH4+-N)外，土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、碱解氮(AN)、硝态氮(NO3--N)、全磷(TP)、有效磷(PO43--P)含量和阳离子交换量(CEC)随着种植年限的延长而升高，表现出显著积累趋势。种植10 a的温室土壤TP和PO43--P含量达到最大值，分别为1.4 g·kg-1和80.8 mg·kg-1。与对照相比，种植15 a的温室土壤SOC、TN、AN、NO3--N含量和CEC分别增加55.1%、93.8%、48.5%、138.3%和81.8%；(3)温室土壤微生物活性随种植年限的延长而增强。与对照相比，种植5 a的温室土壤脲酶和酸性磷酸酶活性分别升高46.2%和41.7%，种植10 a的温室土壤微生物生物量氮(MBN)含量和蔗糖酶活性分别升高66.7%和26.6%，种植15 a的温室土壤微生物生物量碳(MBC)含量和过氧化氢酶活性分别升高50.3%和100.0%。可见，日光温室栽培改善了高寒草甸土壤理化性质，提高了土壤微生物活性。

关键词：高寒草甸土；日光温室；机械组成；养分；酶活性

日光温室产业作为设施农业产业的主体,多年来已成为种植业中效益最高的产业,在解决我国北方地区蔬菜的反季节生产供应问题、节约能源、提高人民生活水平、优化产业结构和维护社会稳定等方面发挥了重要作用[1]。然而土壤障碍和环境污染问题一直是制约设施农业产业发展的瓶颈。前人大量的研究结果显示,剧烈的人为生产活动和相对封闭的环境常常导致温室土壤养分累积[2-3],土壤酶活性发生巨大变化[4],致使土壤生产力下降,温室大棚的使用寿命缩短,影响整个产业的可持续发展。

近年来,随着蔬菜需求量的增长和农业产业结构的调整,我国青藏高原地区蔬菜种植面积迅速增加。2012年,青海和西藏2个省区的蔬菜种植面积达6.53万多hm2,占农作物总种植面积约9%(全国平均为11%),蔬菜自给率也达70%～80%,其中日光温室面积超过1.73万hm2。尽管青藏高原地区日光温室蔬菜产业发展历史较短,然而高寒地区生态脆弱,环境敏感,高投入的种植管理体系将会给土壤环境造成严重影响[5]。如长期灌溉导致土壤通气透水等物理属性发生变化,化肥的大量使用导致土壤碳、氮、磷形态和比例发生变化,并造成土壤微生物性质也发生改变。在可预见的未来,该地区蔬菜种植面积和日光温室数量等都会持续增加,由此引起的土壤环境问题不容忽视。

目前关于温室土壤环境的研究主要集中于内地平原地区,对于青藏高原地区的研究鲜有报道,对温室土壤的机械组成变化也关注较少。高寒草甸是青藏高原地区分布最广泛的植被类型之一,作为一个受氮限制的生态系统,高寒草甸又是一个十分重要的碳库,在全球变化和人类活动的双重作用下,其自身对外界环境变化的响应程度极其敏感[6]。因此,笔者以青藏高原东部高寒草甸为研究对象,采集当地不同种植年限的日光温室土壤,分析其机械组成、养分含量、微生物生物量以及酶活性,探讨随着种植年限的变化,温室土壤环境如何变化,以期为我国高寒地区日光温室产业更为合理、高效的发展提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于四川省阿坝州红原县境内(33°03′ N,102°36′ E),属于青藏高原向四川盆地过渡的高原区域,海拔约3 507 m。该地属于大陆性高原温带季风气候区,气候寒冷,日温差较大,没有绝对的无霜期。最近20 a的气象观测资料显示,年平均温度为1.1 ℃。最高月平均气温出现在7月,为10.9 ℃;最低月平均气温出现在1月,为-10.3 ℃,≥10 ℃年积温为3 220 ℃,多年平均降水量为753 mm,其中86%的降水集中在5—10月。研究区植被类型主要为高寒草甸,土壤主要为高寒草甸土,植被为中生型,优势物种为四川嵩草(Kobresiasetchwanensis)、高山嵩草(Kobresiapygmaea)和垂穗披碱草(Elymusnutans)。

1.2样地设置与样品采集

2012年夏季在红原县日光温室种植基地选取种植年限分别为5、10和15 a的温室大棚各3个,大棚面积为30 m×8 m。这些大棚通常每年4—10月轮作种植白菜、莴笋和蒜苗等,每年种植2～3茬,分别施入300～450 kg·hm-2过磷酸钙和尿素,并配合施用牦牛粪便。采集土壤样品时,用土钻(直径为4 cm)沿“S”形在每个温室取0～15 cm 土层土壤,共计10钻,然后混合为1个样品,并对样品进行编号。同时,在温室附近选择3处与大棚面积相同的无放牧草地样方,作为种植年限为0 a的对照样地,同上采集土壤样品。将样品带回实验室,剔除可见的草根和凋落物,过2 mm孔径筛,测定土壤机械组成,养分含量,土壤微生物量碳、氮含量以及酶活性。

1.3测定方法

土壤机械组成采用比重计法测定。土壤有机碳(SOC)含量采用浓硫酸重铬酸钾氧化外加热法测定,全氮(TN)含量采用凯氏定氮法测定,碱解氮(AN)含量采用碱解扩散法测定,全磷(TP)含量采用碱熔-钼锑抗分光光度法测定。土壤硝态氮(NO3--N)、铵态氮(NH4+-N)和有效磷(PO43--P)提取液用AA3型(AutoAnalyzer 3)连续流动分析仪(Seal，Germany)测定,即在土样中加入去离子水,水土质量比为5∶1,恒温条件下振荡2 h,2 000 r·min-1离心半径为13.5 cm条件下离心20 min,取上清液过0.45 μm孔径玻璃纤维滤膜,滤液进入流动分析仪进行检测。土壤阳离子交换量(CEC)采用醋酸钠-火焰光度法测定。上述指标测定方法见文献[7]。

土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)含量采用氯仿熏蒸浸提法测定;土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定,过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定,蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定。脲酶活性以24 h后1 g土壤中NH4+-N含量表示,mg·g-1;过氧化氢酶活性以20 min后1 g土壤消耗的0.1 mol·L-1KMnO4溶液体积表示,mL·g-1;蔗糖酶活性以24 h后1 g土壤中葡萄糖含量表示,mg·g-1;酸性磷酸酶活性以24 h后1 g土壤中酚含量表示,mg·g-1。上述指标测定方法见文献[8]。

1.4数据分析

采用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验不同种植年限对土壤机械组成,养分含量,微生物生物量碳、氮含量以及4种土壤酶活性的影响,采用Duncan检验对不同种植年限间均值进行多重比较,用皮尔森相关系数描述土壤机械组成,养分含量,微生物生物量碳、氮含量和4种酶活性与种植年限的相关关系。

2结果与分析

2.1土壤机械组成

随着种植年限的增加,土壤机械组成发生变化,呈现土壤颗粒风化变细的趋势。其中，细黏粒、粗黏粒和细粉粒含量逐渐增加,比对照土壤分别升高4.7～10.1、1.8～5.2和2.0～7.6百分点。而粗粉粒、细砂粒和粗砂粒含量则逐渐减少,比对照分别降低1.5～7.0、4.1～9.4和2.8～7.7百分点(表1)。

表1温室土壤机械组成随不同种植年限的变化

Table 1Mechanical composition of the soil in greenhouse relative to cultivation age

种植年限/a土壤机械组成w/%细黏粒(<1μm)粗黏粒(1～<5μm)细粉粒(5～<10μm)粗粉粒(10～<50μm)细砂粒(50～<250μm)粗砂粒(250～1000μm)015.9±0.9c11.1±0.8c9.7±1.2b26.0±0.3a24.9±1.7a12.4±0.9a520.6±0.9b12.9±1.5b11.7±1.3b24.5±1.9a20.7±0.6a9.6±1.0b1024.0±1.7a14.7±1.0a17.3±2.1a21.6±2.1b15.5±4.6c6.9±1.1c1526.0±0.9a16.3±1.1a14.7±1.5a19.0±1.0b19.3±0.1b4.7±1.0d

数据为平均值±标准差,n=3。同一列数据后英文小写字母不同表示不同种植年限温室土壤之间某指标差异显著(P<0.05)。

2.2土壤养分

随着种植年限的增加,土壤养分含量整体上呈显著积累趋势。与对照相比,种植15 a的温室土壤SOC、TN、AN、NO3--N含量和CEC分别增加55.1%、93.8%、48.5%、138.3%和81.8%,而NH4+-N含量变化不显著,变化幅度在1.1～1.3 mg·kg-1之间;种植10 a的温室土壤TP和PO43--P含量达到最大值,分别为1.4 g·kg-1和80.8 mg·kg-1(表2)。

表2土壤养分含量和阳离子交换量随不同种植年限的变化

Table 2Soil nutrient contents and CEC of the soil in greenhouse relative to cultivation age

种植年限/aw(SOC)/(g·kg-1)w(TN)/(g·kg-1)w(AN)/(mg·kg-1)w(NH4+-N)/(mg·kg-1)w(NO3--N)/(mg·kg-1)w(TP)/(g·kg-1)w(PO43--P)/(mg·kg-1)CEC/(cmol·kg-1)025.6±1.7c1.6±0.1c164.4±13.6c1.3±0.2a9.4±1.1c0.8±0.0d22.7±0.8c13.2±0.5c528.4±1.4bc2.6±0.2b194.9±2.5b1.1±0.0a13.0±1.9b1.1±0.0c55.2±1.9b17.4±0.4b1032.0±1.8b2.8±0.1ab228.3±18.5a1.3±0.2a15.3±0.6b1.4±0.0a80.8±6.1a23.0±2.4a1539.7±2.5a3.1±0.2a244.2±18.6a1.2±0.2a22.4±2.2a1.3±0.0b63.8±7.4b24.0±2.1a

数据为平均值±标准差,n=3。同一列数据后英文小写字母不同表示不同种植年限温室土壤之间某指标差异显著(P<0.05)。

2.3土壤微生物生物量碳、氮和酶活性

与温室土壤物理化学属性变化趋势一致的土壤微生物学属性也随着种植年限的增加而呈现正相关性的变化。与对照相比,种植15 a的温室土壤微生物生物量碳、氮含量分别增加50.3%和106.7%,土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性分别增加146.2%、100.0%、41.4%和112.5%(表3)。

表3土壤微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)含量和4种酶活性随不同种植年限的变化

Table 3Contents of soil microbial biomass carbon and nitrogen and activities of 4 kinds of soil enzymes in the soil under greenhouse relative to cultivation age

种植年限/aw(MBC)/(mg·kg-1)w(MBN)/(mg·kg-1)脲酶活性/(mg·g-1·d-1)过氧化氢酶活性/(mL·g-1)蔗糖酶活性/(mg·g-1·d-1)酸性磷酸酶活性/(mg·g-1·d-1)0118.0±10.3c1.5±0.1c1.3±0.2c0.4±0.1c41.8±3.4c2.4±0.2c5134.6±13.1bc2.1±0.2bc1.9±0.3b0.5±0.0bc44.4±4.1bc3.4±0.6b10154.6±6.7b2.5±0.3ab2.3±0.2b0.5±0.1b52.9±6.7ab4.0±0.3b15177.3±12.8a3.1±0.5a3.2±0.5a0.8±0.1a59.1±3.5a5.1±0.7a

数据为平均值±标准差,n=3。同一列数据后英文小写字母不同表示不同种植年限温室土壤之间某指标差异显著(P<0.05)。

2.4相关性分析

通过验证种植年限与机械组成、养分和微生物学性质的皮尔森相关系数及显著性水平,得出土壤粗粉粒、土壤细砂粒和土壤粗砂粒3种机械组成与种植年限呈显著或极显著负相关关系,除NH4+-N含量以外的其他指标均与种植年限呈显著或极显著正相关,NH4+-N含量与种植年限之间相关性未达显著水平(r=-0.073,P=0.411)(表4)。

表4种植年限与温室土壤机械组成、养分、微生物量及酶活性的皮尔森相关系数

Table 4Pearson correlation coefficients of soil mechanical compositions, soil nutrients, soil microbial mass and enzyme activities with operation history of the greenhouse

指标相关系数 指标 相关系数 指标相关系数w(细黏粒)0.955**w(SOC)0.931**w(MBC)0.924**w(粗黏粒)0.900**w(TN)0.919**w(MBN)0.920**w(细粉粒)0.726*w(NH4+-N)-0.073脲酶活性0.928**w(粗粉粒)-0.904**w(NO3--N)0.937**过氧化氢酶活性0.883**w(细砂粒)-0.628*w(PO43--P)0.774*蔗糖酶活性0.861**w(粗砂粒)-0.963**CEC0.931**酸性磷酸酶活性0.922**

n=12。MBC和MBN分别为土壤微生物生物量碳和氮。*表示显著相关(P<0.05),**表示极显著相关(P<0.001)。

3讨论

3.1种植年限对土壤机械组成的影响

机械组成作为土壤的基本物理属性之一,不仅是土壤结构研究的重要内容,也是土壤发生、土壤养分乃至土壤环境等领域常用的重要指标[9]。与此同时,土壤机械组成还可用于反映土壤的其他特征,如土壤肥力[10]、土壤沙化程度[11]和土地利用类型对土壤质地的影响等[12]。笔者研究中,随种植年限的延长,土壤细黏粒、粗黏粒和细粉粒3种粒径组成所占比例持续、显著上升,而与之对应的土壤粗粉粒、细砂粒和粗砂粒3种粒径组成所占比例持续、显著下降,这说明随着温室大棚使用时间的延长,土壤颗粒呈变细的趋势。原因如下:(1)在作物根系与土壤的相互作用下,根系周围的微生物与土壤颗粒进行化学元素交换过程,供作物生长发育,从而加速了土壤颗粒的风化作用,形成粒径较小的颗粒,这种现象随着种植年限的延长而愈发明显;(2)外源肥料的大量输入和多年凋落物的累积显著提高了土壤有机质含量,在与微生物的共同作用下,对风化表层土壤的粒径变化同样具有重要意义;(3)土地利用方式和耕作措施是影响土壤团聚体稳定性的重要因素,长期的耕作活动带来的物理扰动可以改变土壤物理属性和机械组成。温室土壤黏粒、细粉粒比例增加,砂粒、粗粉粒比例减小,有助于提高土壤保水保肥能力,增加土壤生产力。卢鑫等[13]对毛乌素沙质灌丛草地的研究表明,紫穗槐灌丛的土壤细化程度随着种植年限的增加而逐渐增大。因此,植被生长年限的长短是影响土壤机械组成的一个重要因素。

3.2种植年限对土壤养分的影响

土壤有机碳、氮和磷是土壤中的主要营养成分,其含量高低往往决定土壤肥力和生产力。由于日光温室常处于封闭或半封闭状态,气温高,湿度大,肥料投入量多,土壤经常处于湿润状态,缺乏自然降水的淋溶,形成了一个特殊的生态系统[14]。有研究[5]指出,高寒地区天然草地向农田和温室转变的过程中,土壤有机碳呈现从损失向积累转变的过程,而土壤氮呈现积累的过程,从而改变土壤C/N比值,影响土壤的碳氮平衡。笔者研究中,除NH4+-N外,SOC、TN、AN和NO3--N含量均与种植年限呈显著正相关,呈现养分线性积累的趋势,这与杜新民等[15]的研究结果一致。而温室土壤磷的变化过程与有机碳、氮略有差异。与对照相比,TP和PO43--P含量在种植的前10 a均呈增加趋势,且差异显著(P<0.05,表2)。但种植年限为15 a的温室土壤TP和PO43--P含量与种植10 a相比显著下降,其中PO43--P含量恢复到种植5 a时的水平(表2),这也与刘晓军等[16]的研究结果相似。而郭文龙等[17]的研究表明,土壤有效磷含量与大棚种植年限呈极显著正相关。鲁如坤[18]提出蔬菜需磷量(以PO43--P计)一般为60～90 mg·kg-1的标准,笔者研究中种植10和15 a的温室土壤均满足这个条件(表2)。杨艳芳等[19]在对退耕还湖条件下湿地的研究表明,随着退耕年限的增加,土壤有机质、黏粒含量以及土壤含水量升高,土壤氮含量总体呈升高趋势,而土壤磷含量呈先降低后升高趋势。CEC反映了土壤可能保持养分的数量,即保肥能力的高低,也可表征土壤缓冲性能,同时也是判断土壤环境优劣和施肥合理与否的重要依据。笔者研究中,随种植年限的延长,CEC呈显著增加趋势,表明种植年限越长的温室土壤肥力状况越具优势,但种植10 a后增加趋势有所减缓。

3.3种植年限对土壤微生物学性质的影响

土壤微生物是土壤中养分循环利用和物质转化迁移的驱动者,土壤微生物生物量碳、氮是土壤活性养分的储存库,同时也是植被生长所需养分的重要来源,其含量多少通常能反映土壤同化和矿化能力[20]。土壤酶活性反映了土壤中各种生物化学过程的方向和强度,能够灵敏、及时和准确地反映土壤质量的变化状况,是衡量土壤肥力高低的较好指标[21],而耕作方式是影响土壤酶活性的重要因素之一[22]。土壤微生物生物量及酶活性较其他土壤性质可以更为迅速地响应施肥管理、种植体系和土地利用方式的变化[23]。笔者研究中,日光温室土壤的微生物生物量碳、氮含量均显著高于天然草地,且其含量随温室使用年限的增加而增高。

土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶都属于水解酶。其中,脲酶对尿素在土壤中的水解及作物对尿素氮的利用有重大影响,其活性可用来表征土壤氮状况；蔗糖酶参与土壤碳氮循环,其活性可用来表征土壤碳氮状况；酸性磷酸酶活性高低直接影响着土壤中有机磷的分解转化及生物有效性[24]。过氧化氢酶属于氧化酶,能促进过氧化氢分解成水和氧气,从而解除生物呼吸过程和有机物生化反应过程中过氧化氢对土壤和生物的毒害作用[25]。笔者研究中,日光温室土壤的4种酶活性均显著高于天然草地,且种植年限越长,酶活性越高。 说明日光温室使用时间的增加可以促进土壤的生物化学反应,加速养分物质循环转化,从而提高土壤养分有效性和土地生产力。

4结论

在为期15 a的温室大棚设施耕作过程中,随着温室使用年限的增加,青藏高原高寒草甸土壤颗粒呈现变细趋势,<10 μm粒径比例升高20.3百分点;SOC、TN、AN、NO3--N、TP、PO43--P含量和CEC呈现显著累积趋势;土壤微生物生物量碳、氮含量,脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均显著升高。高寒草甸土壤未出现土壤退化现象,耕作土壤质量得到一定程度的改善,这对高寒草甸土壤的可持续利用以及维持该地日光温室产业的良性有序发展具有重要意义。但考虑到青藏高原高寒草甸土壤生态系统的脆弱性以及温室栽培具有土壤养分流失的潜在风险,建议对青藏高原温室栽培土壤进行长期跟踪监测,有助于青藏高原高寒区日光温室产业的可持续发展。

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(责任编辑： 李祥敏)

收稿日期：2015-08-14

基金项目：国家重点基础研究发展计划(2012CB417101);国家自然科学基金(40801089);成都山地灾害与环境研究所“一三五”方向性课题项目(SDS-135-1203-03)

通信作者①E-mail: yhgao@imde.ac.cn

中图分类号：S154.1

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)04-0603-06

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.014

作者简介：谢青琰(1991—),男,甘肃环县人,硕士生,主要从事寒区环境生态学过程研究。E-mail: xiekemeom13@mails.ucas.ac.cn

Variation of Mechanical Composition, Nutrition and Microbial Activity of Alpine Meadow Soil in Greenhouses With Cultivation Age on the Qinghai-Tibet Plateau.

XIE Qing-yan1,2, ZHANG Meng-yao1,2, GAO Yong-heng1

(1.Key Laboratory of Mountain Environment Evolution and Its Regulation, Institute of Chengdu Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041， China;2.College of Resources and Environmental Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract:An investigation was conducted to explore variation of soil mechanical composition, soil nutrition and microbial activity in alpine meadow soil under greenhouse with cultivation age on the eastern Qinghai-Tibet Plateau. Three greenhouses different in cultivation age, 5, 10 and 15 years, and an open tract of natural meadow were selected for comparison. Results show that: (1) With greenhouse cultivation going on, soil particle size tended to be smaller. Compared to CK, the open tract of natural meadow, in the greenhouse that had been operating for 5, 10 and 15 years, the fraction <10 m in soil particle size increased by 8.5, 19.3 and 20.3 percentage points, respectively. (2) The contents of all soil nutrients, soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), available nitrogen (AN), nitrate (NO3--N), soil total phosphorus (TP), and available phosphorus (PO43--P),except ammonia (NH4+-N), and cation exchange capacity (CEC) increased with rising cultivation age, showing a significant tendency of accumulation. In the greenhouse 10 years in cultivation history, TP and PO43--P contents peaked, being 1.4 g·kg-1and 80.8 mg·kg-1, respectively; and in the greenhouse 15 years in cultivation history, SOC, TN, AN, NO3--N and CEC increased by 55.1%, 93.8%, 48.5%, 138.3% and 81.8%, respectively, over that in CK. And (3) Soil microbial activity in the greenhouse soils also increased with cultivation age. Compared to CK, the soil in the greenhouse 5 years in cultivation history, was 46.2% and 41.7% higher in the activity of urease and acid phosphatase, respectively; the soil in the greenhouse 10 years in cultivation history was 66.7% and 26.6% higher in content of soil microbial biomass nitrogen and activity of invertase, respectively; and the soil in the greenhouse 15 years in cultivation history was 50.3% and 100.0% higher in content of soil microbial biomass carbon and activity of catalase, respectively. Obviously, sun-light greenhouse cultivation improves physic-chemical properties of the alpine meadow soil and soil enzyme activity, too.

Key words:alpine meadow soil; sunlight greenhouse; mechanical composition; nutrient; enzyme activity