不同退化程度高寒草甸土壤理化性质及酶活性分析

王玉琴 ，尹亚丽 ，李世雄 *

1. 省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室/青海大学，青海 西宁 810003；2. 青海大学畜牧兽医科学院，青海 西宁 810016；

3. 青海省畜牧兽医科学院，青海 西宁 810016

高寒草甸是陆地生态系统的重要组成部分之一，主要分布在我国青藏高原地区（字洪标等，2015）。近年来，由于受全球气候变化的影响，特别是在人类活动的持续干扰下，大面积的优良草地逐步退化为“黑土滩”或裸地，草地沙化和盐碱化现象日益严重（王一博等，2005）。草地退化是指草地生态系统出现逆向演替的变化过程，包括“草”的演替和“地”的演替两个方面，演替的原因是大气候或人为干扰超过草地生态系统自我调节能力的阈值，自身难以恢复而向相反方向发展的现象（杨汝荣，2002）。在草原生态系统中，土壤作为植物生长的基质和环境，为植物生长提供所必需的矿质营养和水分，从而对植物群落结构和功能产生重要影响，研究土壤化学变量与植被动态的相关性是揭示草地演替进程的关键步骤（Wang，2002）。当草地生态系统受到不合理的外界因素的干扰，土壤的结构和功能在干扰作用下也会发生相应变化，其结果是打破了原有土壤生态系统的平衡状态，使土壤肥力下降。因此，土壤退化是草地退化的核心问题（李绍良等，1997）。

土壤退化的明显特征之一是土壤肥力的下降，土壤肥力的下降直接导致草地植被的退化，而植被的退化又导致土壤养分流失严重，加剧了风蚀，降低了植物残体等对土壤养分的回馈，从而使土壤肥力状况进一步降低（陈渭南等，1994）。土壤酶是土壤生态系统代谢的一类重要动力，是土壤中各种生化反应的催化剂（仲波等，2017），土壤酶活性的降低是草地土-草环境衰退的一个重要表征（吕桂芬等，1997）。土壤酶活性对土壤的演化有重要的影响，对土壤有机质降解、矿质化和养分循环等过程有着更敏感的响应（杨成德等，2007）。因此，对退化草地土壤特性的检测，可以更加深入的了解草地退化和恢复程度。基于这一认识，国内外许多科研工作者对不同退化阶段草地土壤的物理、化学、生物特性做了大量研究。如蔡晓布等（2008）通过对藏北退化高寒草原土壤肥力的研究表明，草地退化对土壤物理、化学和生物学肥力具有相对一致的影响，土壤物理、化学和生物学肥力间彼此联系、相互作用，共同影响并决定着高寒草原土壤肥力的演化方向。Dong et al.（2012）研究表明，在高寒草甸中土壤持水力、有机质、全氮和全磷的减少以及土壤容重和全钾的增加可以作为草地退化的指标。冯瑞章等（2010）研究表明，江河源区高寒生态条件下草地退化对土壤物理、化学和生物学性质具有相对一致的影响，随草地退化程度的加重，各土层土壤含水量和水稳性团聚体百分数逐渐下降，土壤容重则呈增加趋势，草地退化导致土壤各种营养物质含量（除全钾）、土壤微生物群落和土壤酶活性显著下降。蒋永梅等（2017）通过对青藏高原东北缘祁连山不同退化程度中土壤微生物和土壤酶活性的变化特征进行研究得到不同土层相同退化程度，土壤3大类微生物数量、氮素生理群、微生物量以及土壤酶活性随土层深度的加深均逐渐减小。但是，目前对于不同退化程度高寒草甸的研究主要集中于草地植被群落特征、土壤理化因子以及两者相互关系（张法伟等，2014；孙磊等，2016；周华坤等，2005），而对于不同退化程度高寒草甸的土壤养分和土壤酶活特性的系统研究较少。本研究以不同程度退化高寒草甸为研究对象，通过对不同退化程度高寒草甸的土壤理化性质以及土壤酶活特性的研究，拟回答以下问题：（1）不同退化程度高寒草甸的土壤理化性质及酶活特性是如何变化的？（2）土壤理化性质及酶活与高寒草甸退化的关系如何？旨在进一步探讨高寒草甸植被退化与土壤退化的互作关系，为高寒草甸的合理利用、退化草甸的科学治理和人工恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于三江源国家自然保护区青海省果洛州玛沁县大武镇（34°27′56.9″N，100°13′6.5″E），海拔3740 m左右，属于典型的高原大陆性气候，日照时间短，辐射强，热量低，昼夜温差较大，冬季寒冷漫长。年均温为-3.9 ℃，最冷月平均气温为-12.6 ℃，最热月平均气温为 9.7 ℃，年降水量513.2-542.9 mm，多集中在6-9月，年蒸发量为2471.6 mm，牧草生长季为156 d，全年无绝对无霜期。草地为不同程度退化的高寒矮嵩草草甸，草地植被的优势种为线叶嵩草（Kobresia capillifolia）、矮嵩草（Kobresia humilis）、垂穗披碱草（Elymus nutans）、异针茅（Stipa aliena）以及干生苔草（Carex aridula），杂类草优势种为珠芽蓼（Polygonum viviparum）、鹅绒委陵菜（Potentilla anserina）、莓叶萎陵菜（Potentilla fragarioides）、细叶亚菊（Ajania tenuifolia）、黄帚橐吾（Ligularia virgaurea）等（表1）。土壤类型为典型的高山草甸土。

表1 样地基本植被概况Table 1 Basic condition of sampling sites

1.2 土壤取样方法

在水热及地形状况基本一致的高寒草甸上，根据草地植物种类组成、植被盖度、优良牧草的比例等的差异，参照马玉寿等（2008）、董全民等（2015）、辛玉春等（2013）对天然草地退化等级划分标准，设置原生植被（primary vegetation，PV）、轻度退化（light degradation，LD）、中度退化（moderate degradation，MD）、重度退化（severe degradation，SD）以及极度退化-“黑土滩”（extreme degradation-‘black soil beach'，ED）等 5 种退化草地处理，每个小区面积为50 m×50 m，各重复4次。于2016年8月，采用蛇形取样法，以直径为3.5 cm的土钻，采集0-10 cm、10-20 cm土样，每样地取样5-8个，混为1个土样，共40袋土样。过筛去除枯物及植物根系等杂质后，放入自封袋，采用生物冰袋冷藏，带回实验室。将每个土样分为两份，一份贮存在4 ℃冰箱中，用来测定土壤含水量；另一份土样风干后过1 mm和0.25 mm土筛，装袋，用于土壤理化性质及土壤酶活分析。

1.3 土壤理化性质分析

用CleverChem Anna全自动间断化学分析仪测定土壤全氮、硝态氮和氨态氮，参照杨剑虹等（2008）的测定方法，测定全磷（氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法）、全钾（火焰光度法）、速效磷（NaHCO3法-钼锑抗比色法）、速效钾（火焰光度法）、土壤有机质（重铬酸钾法）、土壤pH（电位法）以及土壤含水量（烘干法）（杨剑虹等，2008）。

1.4 土壤酶活测定

脲酶活性测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法；中性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法；蔗糖酶采用3, 5-二硝基水杨酸显色法（林先贵，2010）。

1.5 数据分析

运用SPSS 22.0统计分析软件对不同退化程度草地的土壤理化性质、土壤酶活性各指标进行差异显著性分析，同时通过因子分析确定参评土壤指标主成分特征值和特征向量，根据主成分累计贡献率，选择关键主成分，计算各主成分得分，再利用综合得分公式求出各样点土壤养分综合分值，进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同程度退化草地的土壤理化性质分析

5种不同程度退化草地的土壤含水量、土壤有机质、全氮、全磷、速效磷和速效钾等指标均表现为0-10 cm土层大于10-20 cm土层，原生、轻度退化和重度退化草地的铵态氮、硝态氮和全钾表现为10-20 cm土层高于0-10 cm土层，而黑土滩的铵态氮和全钾随土层深度的增加而减少（表2）。在0-10 cm土层中，随着退化程度的加重，土壤含水量、土壤有机质、全氮以及速磷呈下降趋势，且原生草地和轻度退化草地显著高于中度退化、重度退化和黑土滩；而土壤pH值、铵态氮、硝态氮、全磷、全钾和速效钾等指标随着退化程度的增加呈增加趋势，其中，中度退化的铵态氮和全钾含量显著高于其他样区（P＜0.05），黑土滩的速效钾含量显著高于其他样区（P＜0.05）。原生草地和轻度退化草地除了速效钾含量差异显著（P＜0.05）外，其余指标差异均不显著（P＞0.05），中度退化、重度退化以及黑土滩的土壤pH值、土壤含水量、全氮、速效磷等含量差异不显著（P＞0.05）。在10-20 cm土层中，土壤pH值、硝态氮、全钾等含量随退化程度的增加呈上升趋势，且土壤pH值表现为中度退化显著高于原生、轻度退化和黑土滩，但与重度退化草地差异不显著（P＞0.05）；硝态氮含量是重度退化和黑土滩显著高于原生、轻度退化和中度退化草地（P＜0.05）；全钾含量是中度退化草地显著高于其他 4个样地（P＜0.05）。土壤含水量、土壤有机质、全氮、铵态氮、全磷、速效磷以及速效钾含量随退化程度的增加呈下降趋势，其中原生草地的土壤含水量显著高于其他样区（P＜0.05），且该样区土壤有机质和全钾含量与轻度退化草地差异不显著（P＞0.05），但与其他样区差异显著（P＜0.05），重度退化草地的速效钾含量显著低于其他样区（P＜0.05）。

表2 各退化草地不同土层土壤理化性质分析Table 2 Physicochemical properties of different soil layers at different degradation degrees

2.2 不同程度退化草地的土壤酶活性变化

5个不同程度退化草地的土壤脲酶随着土层深度的增加而增加，中性磷酸酶和蔗糖酶随着土层深度的增加而减少（图1）。脲酶活性在0-10 cm土层的大小为中度退化＞重度退化＞黑土滩＞原生＞轻度退化，中度退化和重度退化差异不显著（P＞0.05），但与原生和轻度退化差异显著（P＜0.05）；在10-20 cm土层的大小为原生＞中度退化＞轻度退化＞黑土滩＞重度退化，其中原生与中度退化差异不显著（P＞0.05），与重度退化、轻度退化和黑土滩差异显著（P＜0.05）。中性磷酸酶活性在0-10 cm土层是原生草地显著高于其他 4种退化草地，黑土滩显著低于其余草地（P＜0.05）；在10-20 cm土层中是中度退化除与原生草地差异不显著外，与其他草地差异显著（P＜0.05）。在0-10 cm土层中，蔗糖酶活性大小为轻度退化＞重度退化＞原生＞中度退化＞黑土滩，原生、轻度退化和重度退化差异不显著，但与中度退化和黑土滩差异显著（P＜0.05）；在10-20 cm土层中，轻度退化草地的蔗糖酶活性最高，其次为黑土滩、原生草地以及重度退化，但四者差异不显著（P＞0.05），中度退化草地的蔗糖酶活性显著低于其余4种退化草地（P＜0.05）。

图1 不同群落不同土层土壤酶活性Fig. 1 Soil enzyme activities in different soil layers at different degradation degrees

2.3 不同退化草地土壤特性的相关性分析

对不同退化草地的 13个土壤指标进行相关性分析（表3）。由表3可知，土壤指标间存在显著或极显著的正相关性或负相关，并且多数土壤指标间的相关系数的绝对值大于0.3，表明土壤指标间具有一定相关性，一些土壤特性的改变可能导致另外一些特性的变化。为了能更好地了解土壤特性在不同退化草地中的变化，以及土壤特性变化与草地退化程度的关系，采用主成分分析法进行进一步分析。

2.4 土壤理化性质及酶活性的主成分分析

通过主成分分析得出各主成分的特征值、方差贡献率、累积方差贡献率（表 4）和主成分载荷矩阵及特征向量（表5）。其中特征值表示对应主成分能够描述原有的信息量，根据主成分特征值大于 1的原则，进行主成分的提取。由表4可知，在0-10 cm土层，前3个主成分的特征值均大于1，其中第1主成分的方差贡献率为69.788%，第2主成分的方差贡献率为19.044%，第3主成分的方差贡献率为9.348%，累积贡献率为98.179%，说明在0-10 cm土层中这3个主成分反映了原始变量的绝大部分信息，因此提取前3个主成分代替原13个土壤指标研究不同退化草地的土壤特性。同样采取相同的方法对10-20 cm土层中各土壤特性的主成分进行提取，前3个主成分的特征值均大于1，且累积贡献率为95.25%。

主成分的初始因子载荷矩阵见表 5，其中的载荷系数可以认为是原始指标与各主成分之间的相关系数。各土层中分别提取3个主成分，在0-10 cm土层中，土壤含水量、土壤有机质、全 N、速效磷以及中性磷酸酶在第1主成分上具有较高载荷，说明第一主成分基本反映了这6个指标信息；全磷和速效钾在第2主成分上有较高的载荷，说明第2主成分反映了这2个指标的信息；蔗糖酶、硝态氮和脲酶在第3个主成分上具有较高载荷，说明第3主成分反映了这3个指标的信息。在10-20 cm土层中，第1主成分在土壤含水量、土壤有机质及全N上的载荷系数较大（均＞0.9）；第2主成分在脲酶、铵态氮和中性磷酸酶指标上的负载较大；第3主成分载荷最大的两项指标是速效磷和全磷（表5）。主成分的特征向量，即系数向量（A1、A2、A3），等于对应的载荷系数除以主成分相对应的特征值的平方根（表5）。将得到的特征向量与13个土壤特性指标标准化后的数据相乘，就可以得出主成分表达式，根据公式计算 F1、F2和 F3（表 6），然后，以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重，计算主成分综合模型：

表3 不同退化草地土壤特性的相关系数Table 3 Correlation coefficient of soil characteristics of different degraded grasslands

表4 不同退化草地土壤特性主成分的方差贡献率Table 4 Variance contribution rates of principal components of soil properties in different degraded grasslands

表5 不同退化草地土壤特性的主成分载荷矩阵及特征向量Table 5 Loading matrix and eigenvectors of principal components to soil properties of different degraded grasslands

3 讨论

3.1 土壤理化性质对不同退化程度的响应规律

土壤作为草地生态系统中生命活动的主要场所，其理化性质直接影响草地植被的生长发育和演替过程，不同退化程度草地的土壤理化性质也有所差异。本研究表明，随着髙寒草甸草地退化程度的加剧以及土层深度的增加，土壤pH呈增大趋势，而土壤含水量呈降低趋势。这一结果与阿依敏·波拉提等（2017）、林璐等（2013），魏卫东等（2012）的研究结果一致，这可能是由于随着退化程度的加剧，草地植被盖度降低，土壤裸露面积增大，导致地表蒸发量较大，土壤含水量就会减少，从而出现碱渍化趋势。研究发现土壤有机质含量随着退化程度的加剧呈下降趋势，这可能是由于草地退化后群落地上生物量降低，植被枯落物也相应减少，使得土壤有机碳的输入量下降，该结果与高海宁等（2014）和王长庭等（2008）随着草地退化程度的增加而减小的结果一致。研究显示，随着退化程度的加剧，土壤全氮呈下降趋势，与土壤有机质的变化趋势基本一致，这与崔宁洁等（2014）和杨红善等（2009）的研究结果相吻合。这是由于土壤有机质是土壤肥力的物质基础，土壤全N的95%来源于有机质（康师安等，1992），因而有机质在土壤中的积累与矿化也直接影响全N含量的变化。另外，当植被发生退化时，土壤中的固氮作用减弱甚至停止，并且退化加速了生物残体的分解，有机氮转化为无机氮，进而在水土流失中损失（袁知洋等，2015）。在0-10 cm土层中，铵态氮和硝态氮的含量随退化程度的加剧呈增大趋势，这可能由于随着退化程度的加剧，恶劣的土壤环境对土壤速效氮的产生有促进作用，另外在重度退化和黑土滩草地中啮齿动物数量增多，其排泄物可能对速效氮产生一定影响。磷、钾是植物生长所必需的营养元素，以多种形式参与植物体的生命代谢过程，土壤是植物磷营养的主要来源。钾在植物生长过程中参与酶促反应，促进光合作用，提高CO2的同化率，促进光合产物向储藏器官运输。本研究中，随着退化程度的加剧，土壤全磷、全钾呈增大的趋势，而土壤速效磷的含量随退化程度的增加而降低，速钾含量 0-10 cm土层高于10-20 cm土层，且0-10 cm呈增大趋势，而10-20 cm呈降低趋势。造成这一现象的原因是土壤磷和钾在土壤中含量受土壤风化的影响，草地退化后加速了土壤的风化，使得土壤中的磷和钾得到更多释放，因此全磷和全钾的含量有所升高，而退化草地中土壤微生物减少，使得植物残体的分解速率降低，导致速效磷降低。速效钾含量增大是因为退化草地植被对土壤中速效钾的吸收利用率降低所致。

表6 不同退化草地的主成分综合得分及其排序Table 6 Scores and ranking of the principal component from differentdegraded grasslands

3.2 土壤酶活性对不同退化程度的响应规律

土壤酶是土壤中生物活动的产物，在生态系统中物质循环及能量流动起着重要作用，一定程度上反映了土壤所处的状态（王理德等，2016），可以认为是土壤系统变化的预警（Badiane et al.，2001）。土壤脲酶在土壤氮素循环过程中起着重要作用（秦嘉海等，2014），它能促进土壤中有机化合物尿素分子酰胺碳氮键的水解，生成的铵是植物氮素营养主要来源（Geisseler et al.，2010；薛泰麟等，1991）。本研究结果表明，5个不同程度退化草地的土壤脲酶随着土层深度的增加而增加，与前人研究结果不同（蒋永梅等，2017；杨成德等，2014；韩发等，2007）。这是由于植物的大部分根系都在上层土壤，大量吸收土壤中的氮素，而脲酶活性又与土壤速效氮素呈显著正相关（表3），因此出现上低下高的变化趋势。另外在0-10 cm土层中，脲酶活性在重度退化和中度退化显著高于其他退化草地（P＜0.05）。李以康等（2008）研究表明，草甸退化导致土壤脲酶的活性先升高后降低，这与本研究结果一致。

中性磷酸酶可将复杂有机磷水解生成不同有机集团和磷酸盐，增加土壤中磷素及易溶性营养物质（杨成德等，2010），所以中性磷酸酶反映的是土壤中有效磷的积累。本研究中，随着退化程度的加剧，中性磷酸酶活性呈波浪式降低趋势，且 0-10 cm土层中原生植被的活性最高，显著高于其他退化草地（P＜0.05）。冯瑞章等（2010）研究表明，中性磷酸酶活性随草地退化程度加剧而降低，这一结果与本研究结果一致，但该研究中0-20 cm均呈上述规律，而在本研究中10-20 cm土层中度退化草地的中性磷酸酶活性除了原生植被外，与其他退化草地差异显著（P＜0.05）。这可能是由于原生植被土壤条件比较好，养分足够供给植物生长，不需要大量的中性磷酸酶分解可溶性磷酸盐，因此活性有所下降，而中度退化草地中植被对养分的需求达到临界值，需要从土壤中吸收足够的养分，导致中性磷酸酶活性升高。另外，本研究中，原生草地、轻度退化以及重度退化草地的中性磷酸酶活性随土层深度的增加而降低，中度退化和黑土滩则相反。这与冯瑞章等（2007）的研究结果有所不同，这主要是由于严重退化的黑土滩中鼠害较严重，其打洞行为使得土壤下层土壤孔隙度变大，透气性好，使微生物生长旺盛，而有研究表明土壤微生物的种类和数量在某种程度上决定土壤酶的来源，因此，黑土滩的中性磷酸酶活性在10-20 cm高于0-10 cm。

蔗糖酶又称转化酶，能将土壤中高分子量的多糖水解成能够被植物和土壤微生物吸收利用的小分子葡萄糖或果糖，是表征土壤生物学活性的一种重要的酶（Sun et al.，2003），同时也在土壤有机碳循环过程中起重要作用，其活性反映土壤有机质累积与分解转化的规律及土壤碳代谢的强度（Jorge et al.，2011）。本研究中，0-10 cm土层的蔗糖酶高于10-20 cm，这一结果与蒋永梅等（2017）和胡雷等（2014）研究一致，但李以康等（2008）的研究表明，同一退化样地的3个土层之间蔗糖酶的活性都没有表现出随土层加深而降低的趋势。这可能是与所选样地中腐殖质以及枯落物的数量有关，腐殖质与枯落物多，则没有明显降低，而在本研究所选样地中植物残体及时被微生物所分解，因此蔗糖酶表现出上高下低的趋势。另外在0-10 cm土层中，随着退化程度的加剧，蔗糖酶活性有降低趋势，但原生、轻度退化以及重度退化间差异不显著，黑土滩的蔗糖酶活性显著低于其他草地（P＜0.05），说明草甸退化对于土壤中蔗糖酶的活性影响比较大。

3.3 土壤理化性质及酶活性的主成分分析

通过主成分分析得出土壤理化性质与酶活性间不是相互独立的，它们之间紧密联系，并存在一定的相关性。本文将13个原始指标降维，提取出3个主成分，各土层的累计贡献率均达95%以上，这说明利用10个土壤理化指标和3个土壤酶活指标对不同退化程度的草甸进行肥力状况评价是可行的。第一、二主成分以土壤含水量、有机质、全氮、速效磷以及速效钾的载荷量较高，这两个成分主要影响土壤养分的含量，而第三主成分中土壤的3种土壤酶活性的载荷较高，主要反映了土壤酶在物质、能量循环过程中所起的关键性作用。3个主成分涵盖了土壤的化学和生物指标，使评价更具科学性、合理性。计算3个主成分的综合得分及其排序可知，在0-10 cm土层中轻度退化草地的土壤肥力最好，其次为原生草地，在10-20 cm土层中土壤肥力最好的是原生草地，其次是轻度退化草地。由此可见，草地退化对土壤肥力的影响较大，但具体的影响机制有待进一步研究。

4 结论

本研究表明，随着髙寒草甸草地退化程度的加剧，土壤 pH、全磷、全钾呈增大趋势，而土壤含水量、有机质、全氮以及速效磷的含量呈降低趋势。5个不同程度退化草地的土壤脲酶出现上低下高的变化趋势，且在0-10 cm土层中，脲酶活性在重度退化和中度退化显著高于其他退化草地（P＜0.05）。中性磷酸酶活性随着退化程度的加剧呈波浪式降低趋势，且在原生植被0-10 cm土层中的活性最高，显著高于其他退化草地（P＜0.05）。蔗糖酶活性表现出上高下低的趋势，且在0-10 cm土层中，随着退化程度的加剧，蔗糖酶活性有降低趋势。通过主成分分析得出土壤理化性质与酶活性间不是相互独立的，它们之间紧密联系，并存在一定的相关性，草地退化对土壤肥力的影响较大。