火烧对古尔班通古特沙漠土壤养分和土壤酶活性的影响

林亚军,吴 楠,张元明,*

1 中国科学院新疆生态与地理研究所干旱区生物地理与生物资源重点实验室, 乌鲁木齐 830000 2 中国科学院大学, 北京 100049

火是陆地生态系统的常见干扰类型,它不仅改变局部生境的植被结构与动态, 而且改变景观格局与生态过程[1]。在过去几十年里,由于气候变化和人类活动对生态系统干扰加剧,全球范围内火灾发生的频率及火烧面积都有显著增加[2]。火烧通过影响植物群落结构、功能性状及土壤养分等间接改变生态系统服务功能。火烧的高温加热和氧化过程导致土壤理化性质发生直接变化,而火烧对地上植被及火烧后残留物的分解加速也将间接改变土壤性质[3]。火烧之后,燃烧灰烬为土壤补充养分。同时,火烧加快了土壤生物和非生物物质腐蚀速度,甚至加快土壤沙化[4]。

土壤中另一活跃有机成分-土壤酶,对外界因素引起的变化极为敏感。火烧之后,温度、pH等的改变使土壤酶活性受到影响,进而影响物质转化循环速率[5]。过氧化氢酶属土壤氧化酶,能促进过氧化氢对各种化合物的氧化,催化过氧化氢的分解防止其对生物体的毒害作用,其活性的改变将影响有机质的分解速率和腐殖质的形成[6]。此外,与C、N、P循环相关的水解酶活性能够指示营养物质分解强度与简单物质再合成强度[7]。如蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、 β-葡萄糖苷酶等能够迅速对火烧干扰做出响应[8- 10],从而参与改变营养元素循环。因此,土壤酶活性可以用来评价环境变化下的营养动态。不同生态系统中,火烧对土壤酶表现出不同的生态效应[11]。

以往研究多集中于林火的生态效应,指出植被恢复过程中土壤酶活性呈波动式变化,且影响土壤酶的原因多种多样,如水热条件、养分丰缺、植被组成以及地形地貌均与其紧密相关[12]。火烧对荒漠土壤系统的研究多集中于长期恢复过程中土壤生物系统的响应,对火烧干扰的即时效应研究较少。古尔班通古特沙漠是中国最大的固定、半固定沙漠。2016年6月,在该沙漠南缘偶发火烧事件。本文对比分析了火烧后土壤养分和土壤酶活性的变化特征,为深入认识火烧干扰对荒漠生态系统的影响提供土壤学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于准噶尔盆地中的古尔班通古特沙漠南缘。古尔班通古特沙漠属温带荒漠生态系统。沙丘形态多为线性沙垄,多呈南北走向,总体东北高,西南低。土壤为典型沙漠风沙土。据中国科学院阜康站自动气象站监测数据显示,该区域年平均气温7.2℃,极端最高气温41.5℃,极端最低气温-37.0℃。多年平均降水量为128.7 mm,蒸发量为1764 mm左右[13]。 自2016年6月发生火烧事件起至2016年8月采样日期,该地区降雨量累计达83.7 mm,平均气温26.70℃。古尔班通古特沙漠以小半乔木梭梭(Haloxylonammodendron)和白梭梭(Haloxylonpersicum)为沙漠建群种[14]。研究区域还分布有尖喙牻牛儿苗(Erodiumoxyrrhynchum)、蛇麻黄 (Ephedradistachya)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、囊果薹草(Carexphysodes)、对节刺(Horaninowiaulicina)和角果藜(Ceratocarpusarenarius) 等。据遥感影像分析并结合实地测量,火烧面积约54 km2,火苗高度约20—30 cm,持续时间达2天1夜,对草本和枯落物层影响较大,灌木层如梭梭等小乔木树冠层影响较小。

1.2 试验设计与取样方法

研究区位于古尔班通古特沙漠南缘,于2016年7月(火烧后1个月),选择火烧干扰分界线两边的3个平行沙丘,在各沙丘上游(火烧区)和对照区(未火烧)分别设置样地,两个区域的地形地貌和植物群落组成无差异。样地均设置于丘间低地(排除沙丘不同坡位的干扰)。在火烧区和对照区分别设置3个50 m×50 m样地,样地间距约100 m。每个样地分别设置3个3 m×3 m样方,样方间距约5 m。进行土壤取样时,将表层植物残体清除,用直径为5 cm环刀对每个样方按0—5 cm 和5—10 cm两层分别进行梅花状5点取样,充分混合,作为一份样品,共计36份样品。取部分新鲜土样测定铵态氮(NH4-N)和硝态氮(NO3-N)含量。剩余土壤过2 mm孔径筛后自然风干,用于土壤酶活性和土壤化学性质测定。

风干土壤用于测定土壤中有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾、pH。全氮、全磷、全钾采用元素分析仪测定,pH值采用酸度计(土水比为1∶5)测定,有机质采用重铬酸钾容量-外加热法,其他土壤指标如速效磷、速效钾、土壤含水量等采用常规土壤农化学方法。

土壤酶活性均采用微量法在酶标仪下测定,以每克土壤每小时产生的产物在特定波长下的吸收峰计算酶活性。采用靛酚蓝比色法测定脲酶活性,其水解尿素产生的NH4-N在578 nm波长下进行吸光值测定。采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性,水解产物为棕红色氨基化合物,在510 nm波长下进行吸光值测定。碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定,在660 nm波长下测定生成物苯酚的吸光值。β-葡萄糖苷酶活性采用双抗体夹心法测定,终产物在450 nm波长下进行比色。采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶的活性,在240 nm波长下测定生成物过氧化氢的吸光值。

1.3 统计分析

利用双因素方差分析(Two-way ANOVA)对不同土层和不同处理的土壤理化性质、土壤酶活性影响进行分析。运用T检验分析不同土层间火烧效应。所有的统计分析在SPSS 19.0 (SPSS Inc．,Illinois,USA.)完成,利用Origin 9.0 (OriginLab Corp．,USA)作图。

2 结果与分析

2.1 火烧对不同土层土壤化学性质的影响

结果表明,火烧之后,土壤全效养分含量表现出增高的趋势,但均未达到显著差异(P>0.05)。土壤速效养分,尤其是土壤上层速效氮含量在火烧之后发生显著改变,表现为硝态氮含量增加49.42%。0—5 cm土壤层速效磷和速效钾在火烧之后含量分别增加11.51%、2.66%,与非火烧地区未达到显著差异(P>0.05)。5—10 cm土壤层土壤养分在火烧之后与0—5 cm土壤层表现出相同的变化趋势,即土壤全效养分未出现显著性改变(P>0.05),硝态氮含量增加28.36%,速效磷和速效钾含量与非火烧地区未达到显著性差异(P>0.05)。从火烧对不同土层土壤养分的改变程度可知,火烧对0—5 cm土壤层土壤养分的影响大于对5—10 cm土壤层的影响 (表1)。

火烧之后仅0—5 cm土层硝态氮表现出显著差异(P<0.05),土壤有机质、全效养分(全氮、全磷、全钾)、其他速效养分(铵态氮、速效磷、速效钾)、土壤pH在火烧与非火烧地区无显著差异(P>0.05)(表1)。

不同土层之间,土壤养分含量存在极显著差异(P<0.01)。火烧和土壤深度二者交互作用对硝态氮、pH产生显著影响(P<0.05),对其他指标无显著影响(P>0.05)(表2)。

2.2 火烧对不同土层土壤酶活性的影响

火烧之后,0—5 cm土壤层的水解酶活性均降低,蔗糖酶活性降低35.04%,β-葡萄糖苷酶活性降低48.83%,碱性磷酸酶活性降低13.42%,脲酶活性降低46.52%,过氧化氢酶活性降低4.03%。0—5 cm土壤层过氧化氢酶活性在火烧前后未产生显著差异(P>0.05),其余土壤酶活性均达到显著差异(P<0.01)。5—10 cm土壤层的水解酶在火烧之后也呈现降低趋势,蔗糖酶活性降低31.75%,β-葡萄糖苷酶活性降低45.53%,碱性磷酸酶活性降低1.67%,脲酶活性降低28.19%,过氧化氢酶活性降低9.7%。火烧对5—10cm土壤层蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶活性具有显著影响(P<0.01),对碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性影响不显著(P>0.05)(图1)。

表1 火烧对不同土层土壤养分的影响(平均值±标准差)

*表示差异显著 SOM:Soil Organic Matter；TP: Total P；TK:Total K；TN:Total N；AP:Available P；AK: Available K

表2 火烧和土壤深度对土壤理化性质的双因素方差分析结果

*表示差异显著,**表示差异极显著

从各土层土壤酶活性在火烧之后改变程度发现,两土层水解酶活性火烧前后差异显著,氧化酶活性变化相对较小,表明水解酶对火烧干扰较为敏感,氧化酶在火烧干扰下表现相对稳定。且火烧对水解酶活性的影响随土壤深度增加而降低,火烧对氧化酶的活性未表现出此现象。

图1 火烧对不同土层土壤酶活性的影响(平均值±标准差)Fig.1 The effect of fire on soil enzyme activities in different soil layers (mean±SD)大写字母表示不同土层土壤酶活性在同一处理下的显著性差异,小写字母表示不同处理间土壤酶活性在同一土层的显著性差异,均在0.05显著性水平下,S-SC:soil sucrase；S-ALP:soil alkaline phosphatase；S-UE:soil urease；S-βG:soil beta glucosidase；S-CAT:soil catalase

火烧之后,土壤水解酶(蔗糖酶、脲酶、β-葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶)活性与对照相比差异极显著(P<0.01),氧化酶(过氧化氢酶)未发生显著改变(P>0.05)(表3)。土壤深度对蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶影响显著(P<0.05),随着土壤深度加深酶活性下降。脲酶、过氧化氢酶活性受土壤深度影响不显著(P<0.05)。火烧和土壤深度的交互作用对过氧化氢酶、蔗糖酶活性无显著影响(P>0.05),对脲酶、碱性磷酸酶活性有显著影响(P<0.05),对β-葡萄糖苷酶有极显著影响(P<0.01)。

表3 火烧和土壤深度对土壤酶活性的双因素方差分析结果

*表示差异显著,**表示差异极显著;S-SC:soil sucrase；S-ALP:soil alkaline phosphatase；S-UE:soil urease；S-βG:soil beta glucosidase；S-CAT:soil catalase

3 讨论

以往在森林生态系统的研究中,火烧造成冠层被烧毁,使土壤光照充足,地面的黑色木炭进一步增加了土壤对热辐射的吸收,提高了土壤温度,促进近地表凋落枝条分解,从而对土壤养分进行了补充[15]。温带荒漠生态系统植被覆盖率较低,地表无腐殖质累积。同一种类的酶在不同植被以及不同质地土壤中,所起的作用不同,因此不同生态系统火烧干扰对土壤酶及土壤养分的影响不同[16]。

3.1 不同土层土壤理化性质和酶活性差异

土壤深度对古尔班通古特沙漠不同土壤深度土壤理化性质、土壤酶活性有显著影响。Hedo等人认为干旱半干旱区土壤水解酶活性主要受土壤pH及C/N值影响[15],本研究样地中,土壤上下层pH未出现差异,推测该研究地区不同土层土壤水解酶活性差异主要受土壤C/N值影响。这与周晓兵等人研究结果一致[14]。0—5 cm土壤层聚集更多释放酶的植物、动物、微生物等及其残体,其数量增多、活性增强导致释放更多的酶[16]。此外,该研究区广泛分布的土壤结皮对土壤养分的富集作用随土壤深度增加而降低[17],使得0—5 cm积累较高有机质及其他营养物质,导致土壤理化性质、土壤酶活性呈现显著垂直分层差异。

3.2 火烧对土壤理化性质的影响

对森林生态系统林火生态效应相关研究表明,火烧使植物、枯落物以及土壤生物体以灰分的形式迅速归还于土壤,使得土壤养分含量增加[24],本研究中除速效养分受火烧影响显著以外,土壤有机质、全N、全P、全K、pH在火烧之后均未出现显著变化。一方面,吉雪花等认为,生物结皮具肥岛效应,结皮下土壤具较高含量营养成分[25]。火烧迹地广泛分布的生物结皮在火烧后失去活性,致使生物土壤结皮营养维持功能丧失,导致火烧层面土壤养分吸收相对下降,而燃烧灰烬归还于土壤导致的养分增加可能与生物结皮活性丧失所导致的养分下降相抵消,使得火烧对古尔班通古特沙漠有机质、全N、全P、全K、pH未产生显著影响。另一方面,区别于森林生态系统中凋落物累积形成的地表腐殖质层,荒漠生态系统植被覆盖率较低,高大树木丰富度极低,草本凋落物由于风沙作用,扩散范围较大,在该研究区地表无腐殖质层,通过火烧向土壤输入养分有限。

3.3 火烧对土壤酶活性的影响

土壤酶活性反映了土壤中各种生物化学过程的强度和方向[26],是土壤肥力的指标之一。本研究与王丽红等人研究结果一致,土壤酶活性在火烧之后显著下降[16]。这可能与火烧烧毁地表覆盖物导致达到地表的总辐射强度增强、地表温度升高有关,过高温度导致部分酶活性降低甚至失活。火烧高温也可能导致土壤表层土壤微生物的数量和结构发生变化,致使微生物活性较低,导致微生物分泌的酶减少[27]。土壤酶活性的降低,可能导致土壤营养转化速率的变化和可利用态营养的生成,使植物的营养吸收和生长发生改变,甚至影响植物的构成。蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶、脲酶活性可促进有机态营养元素转化为植物可利用的无机态形式,水解酶活性的降低可能导致对应底物的积累。相对于水解酶,过氧化氢酶对火烧响应不敏感,造成这一现象的可能原因：首先是干旱区有机质含量较低,导致氧化酶对火烧的不敏感[28],其次干旱区氧化酶本身较稳定,Stursova等通过对比干旱区新鲜土壤与经高压蒸汽处理下土壤氧化酶活性,发现高温灭菌对氧化酶活性未产生影响[29],本研究与该结论一致。此外,火烧之后,生物结皮活性的丧失是否与酶活性的改变有直接关系还有待进一步探究。此次实验是在火烧后不久开展,火烧影响的时间效应还有待分析和检验。

4 结论

火烧并未改变古尔班通古特沙漠土壤理化性质及土壤酶活性的垂直变化特征,火烧过后,土壤养分及土壤酶活性仍表现为上层土壤含量大于下层土壤。火烧之后短期内,土壤全效养分未产生显著差异,有机质、全氮、全磷、全钾均无显著改变,说明火烧干扰对温带荒漠生态系统土壤养分的影响可能存在滞后性。硝态氮、铵态氮的显著变化表明火烧促进了硝化作用。土壤酶活性在过火之后,均显著降低,且水解酶活性对火烧干扰更为敏感。酶活性的显著降低推测,此次火烧对该生态系统营养元素循环具有长期效应。

致谢：李永刚帮助采样,周晓兵帮助写作，特此致谢。