冻融作用对三江平原湿地土壤活性有机碳及酶活性的影响

李 富, 臧淑英, 刘赢男, 吴祥文, 倪红伟,,*

1 哈尔滨师范大学寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室, 哈尔滨 150025 2 佳木斯大学理学院, 佳木斯 154007 3 黑龙江省科学院自然与生态研究所, 哈尔滨 150040

冻融作为一种自然现象普遍存在于中、高纬以及高海拔地区,是影响该区域土壤生态的重要因素之一[1]。它强烈地改变土壤理化性质[2-3],影响微生物活性[1],从而影响到土壤碳、氮生物地球化学过程[4]。土壤碳库变化主要发生在活性碳库中稳定性差、周转速率快、易矿化分解,对植物和微生物活性较高的那部分有机碳,其中可溶性有机碳(DOC)和微生物量碳(MBC)是其重要的表征指标[5]。土壤中DOC与MBC含量虽然仅占总有机碳的很小一部分,但对土壤有机碳的动态有不可忽视的影响[6]。DOC既是微生物新陈代谢的产物又是微生物可以利用的底物,尤其在冻土中,DOC的存在为微生物活动提供了碳源[7]。而MBC是形成土壤有机质的重要碳源,直接或间接地参与几乎所有的土壤生物生化过程,在土壤物质和能量循环中起着重要的作用[8]。土壤酶与土壤活性有机碳关系密切[9-11],参与了土壤活性有机碳的分解和转化过程,是土壤生物过程的主要调节者[6]。酶活性的高低直接影响土壤碳循环速率[12]。尤其是土壤中的纤维素酶、蔗糖酶和淀粉酶,是参与有机质矿化过程的重要酶类,对于土壤生态系统中的碳、氮循环具有重要作用[13]。

目前,国内外已经开展了一些研究,大多集中在生长季期间土壤活性有机碳和土壤酶活性的关系[14]、组分特征[6]以及不同土地利用方式的影响[15]等方面。而对于冻融期间土壤活性有机碳和酶活性变化的相关报道却较少。随着全球变暖,季节性冻融区域土壤的冻融结构和冻融次数都将发生变化,这些变化将如何影响土壤活性有机碳和酶活性,进而影响区域土壤碳库平衡和气候变化,仍需要进一步研究。

三江平原是中国最大的淡水湿地集中分布区,也是中国湿地生物多样性的关键区域之一[16],其植被类型中以小叶章(Deyeuxiaangustifolia)群系最为普遍[12]。近几十年来的高强度农业开发和过度利用,导致了三江平原地区湿地面积锐减和生态功能削弱[16]。湿地的大量开垦造成了残存湿地斑块零星散落于农田的分布格局。为了研究三江平原湿地土地覆被变化后,冻融作用对土壤活性有机碳组分和酶活性的影响,按照“典型性”的原则,采集三江平原具有代表性的小叶章湿地、水稻田及其相邻的受干扰的小叶章湿地土壤进行室内冻融模拟试验。着重探讨了冻融频次和冻融幅度对三江平原不同湿地土壤活性有机碳和酶活性影响的变化趋势。为进一步科学评估三江平原土壤的固碳潜力和调控机理提供参考依据。

1材料与方法1.1研究区域概况

研究区域位于中国东北黑龙江省三江平原(47°44′ N,133°31′ E)(表1),平均海拔55.4—57.9 m,属北温带湿润大陆性季风气候,冬季严寒漫长,夏季温暖湿润,年均气温为1.9 ℃,年降水量约为600 mm,最低温出现在1月,平均温度为-23.4 ℃,最高温出现在7月,平均温度为22.4 ℃。每年10月下旬至11月中旬和次年3月下旬至4月中旬存在多次冻融交替过程。三江平原植被均为适应水多的沼生、湿生植物和少数中生植物,主要是多种苔草(Carexspp)、小叶章(Deyeuxiaangustifolia)、丛桦和沼柳等。土壤类型主要为草甸土、沼泽土、腐殖质沼泽土和潜育白浆土。

表1 三江平原采样点位置描述

UDAW, 未受干扰小叶章湿地 UndisturbedDeyeuxiaAngustifoliaWetland; DDAW, 干扰小叶章湿地DisturbedDeyeuxiaAngustifoliaWetland; RP, 水稻田 Rice Paddy

1.2 样品的采集与处理

2015年10月在研究区域内选取洪河国家自然保护区内未受干扰的常年积水的小叶章湿地、保护区外小叶章湿地开垦的水稻田以及与水稻田相邻的受人类活动干扰导致湿地含水量减少的季节性积水的小叶章湿地为试验对象,土壤类型为草甸土和水稻土。每块样地选择3处间隔30 m的10×10 m2样地为试验点。每个试验点采用多点混合法采集0—10 cm,10—20 cm和20—30 cm 土壤,去除其中杂草和大根,均匀混合后装入密封袋,排除上部气体,并在72 h内运回实验室,将样品过4 mm的土壤筛子后保持在4 ℃冰箱中用于培养试验,另一部分土壤自然风干后,研磨和过筛后用于土壤理化性质测试。供试土壤的基本理化性质见(表2)。

表2 土壤基本理化性质

表中值为平均值±标准差(n=3);同一列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)

1.3 样品培养与测试

称取(相当于风干土重)70 g均匀混合的土壤样品置于250 mL培养瓶中,用去离子水调节土壤含水量为最大持水量的60%,并在25 ℃的恒温箱中培养7d,使微生物活性恢复到正常状态,定期称重,保持土壤水分含量恒定。结合三江平原冻融期间实际温度,设(-10—10 ℃)和(-5—5 ℃)两个冻融幅度,即将土壤样品分别放入-10 ℃和-5 ℃低温培养箱中冷冻24 h,再分别调节温度为10 ℃和5 ℃使其融化24 h,作为1次冻融循环,实验设定15次冻融循环,共30d。同时设定10 ℃和5 ℃未经过冻融处理样品作为空白对照FTC(0)。分别在冻融循环的第3次 、6次 、10次和15次后取出重复部分的培养瓶,测定土壤活性碳组分(DOC和MBC)和酶活性(纤维素酶、蔗糖酶和淀粉酶)指标。

1.4 样品分析方法

土壤有机碳(SOC)：称取风干研磨土壤0.1 g,加入2 mol/L盐酸浸没,应用 Multi N/C 2100 TOC 仪(德国耶拿)高温燃烧法测定土壤SOC含量。土壤总氮(TN)：采用全自动凯氏定氮仪(德国 Behr)测定TN。pH值：称取过2 mm筛的风干土样10 g置于100 mL烧杯中,加入50 mL无二氧化碳的水,用玻璃棒剧烈搅动后静置30 min,然后用pH仪测定。溶解性有机碳(DOC)：称取10 g新鲜土壤放入盛有100 mL蒸馏水的三角瓶中,常温下振荡浸提30 min,用高速离心机离心,上清液过0.45 μm滤膜,采用MultiN/C 2100 TOC仪(德国耶拿)测定。微生物量碳(MBC)：采用改进的氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定[17]。取10 g土壤样品用三氯甲烷熏蒸24 h,用0.5 mol/L的K2SO4浸提熏蒸和未熏蒸的样品约30 min,应用MultiN/C 2100 TOC 仪(德国耶拿)测定浸提液总有机碳浓度。使用以下公式进行微生物生物量碳的计算[18]：

MBC=EC/0.45

式中,MBC为微生物生物量碳,EC为熏蒸和未熏蒸土壤样品浸提液中有机碳含量差值,0.45为校正系数。

纤维素酶、蔗糖酶和淀粉酶活性采用3, 5二硝基水杨酸比色法,纤维素酶活性以1 g土壤在 37 ℃下培养72 h后生成的葡萄糖mg表示;蔗糖酶、淀粉酶活性以1 g土壤在37 ℃下培养24 h 后生成的葡萄糖mg表示[13]。

1.5 统计分析

利用SPSS 19.0和Excel 2010对数据进行统计分析和图形绘制,采用多元方差(MANOVA)分析冻融幅度和冻融次数对土壤活性有机碳和土壤酶活性的差异性影响。利用Pearson相关分析探讨土壤活性有机碳和土壤酶活性之间的相关性。当P<0.05,差异性和相关性在统计学上有意义。

2 结果分析

2.1 冻融循环对土壤活性有机碳组分的影响

2.1.1冻融循环对土壤DOC浓度的影响

冻融次数显著影响湿地土壤DOC浓度,而冻融幅度只对3种湿地0—10 cm土壤DOC浓度影响显著(P<0.05,表3)。冻融次数与冻融幅度的交互作用对UDAW三个活动层中DOC浓度,DDAW与RP10—20 cm和20—30 cm土壤中DOC浓度影响显著(P<0.05,表3)。随着冻融次数的增加,两个冻融幅度作用下的土壤DOC浓度均增加,均在第6次冻融循环后达到最大值后降低,并趋于稳定,其最低值仍高于没有经过冻融处理的FTC(0)(图 1),表明冻融作用对土壤DOC含量的影响具有短期效应。随着土壤深度增加,同一类型土壤中DOC增量0—10 cm>10—20 cm>20—30 cm,而不同类型土壤DOC增量为：UDAW>DDAW>RP(图 1)。在-5—5 ℃冻融处理下,UDAW、DDAW和RP三个活动层中DOC浓度比冻融前FTC(0)分别增加了(29.3%—51.7%),(28.1%—40.2%)和(16.5%—31.8%),而-10—10 ℃冻融处理下,UDAW、DDAW和RP三个活动层土壤DOC浓度比冻融前分别增加了(23.4%—37.5%),(15.9%—32.1%)和(5.4%—15.5%)。实验结果显示,冻融循环增加了活动层土壤DOC浓度,其中-5—5 ℃对DOC含量的增幅略大。

2.1.2冻融循环对土壤MBC浓度的影响

冻融次数显著影响MBC浓度(P<0.05,表3),而冻融幅度对MBC浓度影响不显著(P>0.05,表3)。冻融次数与冻融幅度的交互作用只对UDAW和RP土壤0—10 cm的MBC浓度影响显著 (P<0.05,表 3),对DDAW三个活动层MBC浓度的影响均不显著(P>0.05,表3)。冻融作用对3种类型的3个活动层MBC浓度的影响均表现出一致的趋势。随着冻融次数的增加,MBC浓度先降低后升高,最高值均低于没有经过冻融循环的对照FTC(0)(图2),表明冻融循环降低了活动层土壤MBC浓度。在-5—5 ℃冻融幅度处理下,UDAW、DDAW和RP三个活动层中MBC浓度分别降低了(6.2%—27.6%),(10.6%—26.3%)和(10.6%—24.1%),而-10—10 ℃冻融处理下,分别降低了(8.8%—40.8%),(7.8%—36%)和(11.2%—33.6%)。数据显示,-10—10 ℃冻融循环对MBC浓度的影响略大。随着土壤深度增加,在-5—5 ℃冻融幅度处理下,3种湿地土壤中MBC浓度变化0—10 cm>10—20 cm>20—30 cm,在-10—10 ℃冻融幅度处理下,DDAW和RP土壤MBC浓度变化0—10 cm>10—20 cm>20—30 cm,但UDAW土壤中MBC浓度变化表现为 0—10 cm<10—20 cm<20—30 cm(图2)。

表3 冻融幅度和冻融次数对土壤DOC和MBC浓度影响的方差分析

*影响显著(P< 0.05)

图1 -5—5 ℃和-10—10 ℃处理下不同冻融次数的土壤可溶性有机碳浓度变化Fig.1 Changes of DOC concentration under different freezing and thawing times in -5—5 ℃ and -10—10 ℃ FTC, 冻融循环 freezing-thawing cycle；UDWA, 未受干扰小叶章湿地 Undisturbed Deyeuxia Angustifolia Wetland; DDWA, 干扰小叶章湿地 Disturbed Deyeuxia Angustifolia Wetland; RP, 水稻田 Rice Paddy

图2 -5—5 ℃和-10—10 ℃处理下不同冻融次数的土壤微生物量碳浓度变化Fig.2 Changes of MBC concentration under different freezing and thawing times in -5—5 ℃ and -10—10 ℃

2.2 冻融循环对土壤酶活性的影响

冻融次数对3种湿地活动层土壤的纤维素酶、蔗糖酶和淀粉酶活性影响均显著 (P<0.05,表4)。而冻融幅度对3种湿地部分土壤酶活性影响显著(P<0.05,表4)。冻融次数与冻融幅度的交互作用只对DDAW三个活动层的纤维素酶和淀粉酶活性,UDWA和DDWA 10—20 cm以及RP 0—10 cm的蔗糖酶活性影响显著(P<0.05,表4)。与FTC(0)相比,冻融循环引起的3种湿地土壤酶(纤维素酶、淀粉酶和蔗糖酶)活性在初期均降低,随着冻融次数的增加,酶活性逐渐升高,但最高值仍低于FTC(0)。冻融循环对3种酶活性的影响的趋势与MBC相一致(图3、图4、图5)。与FTC(0)相比,在-5—5 ℃冻融处理后,UDAW、DDAW和RP的纤维素酶活性分别降低了(4.5%—25.1%)、(2.5%—22.2%)和(3.7%—22.6%);蔗糖酶活性分别降低了(14.7%—41.1%)、(10.6%—34.9%)和(5.9%—22.5%);淀粉酶活性分别降低了(3.2%—15.8%)、(2.9%—15.1%)和(6.5%—20.7%)。而经过-10—10 ℃冻融处理后,纤维素酶活性分别降低了(7.7%—34.7%)、(8.8%—27.5%)和(3.1%—24.6%);蔗糖酶活性分别降低了(15.7%—43.3%)、(13.3%—40.4%)和(11.2%—32.9%);淀粉酶活性分别降低了(20.9%—29.1%)、(14.6%—28.6%)和(17.7%—34.2%)。数据分析显示,-10—10 ℃对3种酶活性的影响略大。随着土壤活动层深度的增加,同一类型湿地土壤中3种酶活性降低幅度均表现为0—10 cm>10—20 cm>20—30 cm;不同类型湿地土壤纤维素酶和蔗糖酶活性降低幅度表现为：UDAW>DDAW>RP,而淀粉酶活性降低幅度却为：RP>UDAW>DDAW。

表4 冻融幅度和冻融次数对土壤纤维素酶,蔗糖酶和淀粉酶活性影响的方差分析

*影响显著 (P< 0.05)

2.3 土壤活性有机碳与土壤酶之间的关系

经过2个不同冻融幅度和15次冻融循环处理后,相关性分析显示,UDAW和DDAW土壤中DOC浓度与MBC浓度、纤维素酶和蔗糖酶活性以及3种酶活性之间表现为显著正相关(P<0.05;表5);DOC 浓度与淀粉酶活性之间表现为显著正相关(P<0.01;表5)。而在RP土壤中,只有DOC浓度与MBC浓度和纤维素酶活性,MBC浓度与3种酶活性之间以及淀粉酶和蔗糖酶活性之间显著相关(P<0.01;表5);其他变量之间却不相关(P>0.05;表5)。

3 讨论

实验结果表明,冻融作用刺激了土壤中DOC的释放,增加了土壤DOC的含量(图1),该结果与Matzner[19]、Chaer[20]及赵光影[21]等的研究有着相似的结论。其原因可能是冻融作用如同氯仿熏蒸等一样对微生物有灭杀作用,造成微生物死亡和小根分解,而死亡的微生物和小根在分解过程中会释放出一些小分子糖和氨基酸等,能够提高土壤中有机物质的含量,从而也就增加了土壤DOC的含量[22]。随着冻融次数的增加,土壤微生物逐渐适应这种变化,冻融过程中微生物死亡绝对数量有所减少,降低了DOC释放量,而且土壤中原有的DOC又在不断地被活着的微生物利用分解,因此多次冻融后土壤DOC含量开始不断减少。

通过实验发现,随着土壤活动层深度的增加,冻融作用逐渐减弱,其原因可能是土壤深度的增加使微生物和细根的数量减少,冻融作用对微生物和细根的分解减弱,使DOC含量降低。冻融循环对3种湿地土壤DOC含量的影响发现,DOC含量与湿地受干扰强度有关,干扰越强,DOC含量越低。湿地受到干扰后土壤养分、通透性、温度等理化性状发生改变,影响植物生长环境和凋落物数量,导致土壤微生物种群改变和数量减少[23]。另外,干扰强度越大,土壤淋溶作用和流失作用就会加剧,实验数据显示三江平原湿地开垦为水田后土壤有机碳含量仅为原湿地的二分之一(表1)。DOC含量还与土壤有机质的含量有关,有机质含量高,土壤团聚体较稳定,从而使包裹在土壤团聚体中的有机碳释放慢;而有机质含量较低的土壤,其团聚体较易解聚,土壤有机碳会快速释放[24]。两个冻融幅度对比发现,-5—5 ℃冻融对土壤DOC含量影响大于-10—10 ℃冻融,或许是由于大幅度冻融会剧烈破坏土壤团聚体微生物和细根;另外,大幅度冻融在高温融化时期加速DOC的消耗,因为高温土壤碳矿化速率增加[25]。

图4 -5—5 ℃和-10—10 ℃处理下不同冻融次数的土壤蔗糖酶活性的变化Fig.4 Changes of invertase activity under different freezing and thawing times in -5—5 ℃ and -10—10 ℃

图5 -5—5 ℃和-10—10 ℃处理下不同冻融次数的土壤淀粉酶活性的变化Fig.5 Changes of amylase activity under different freezing and thawing times in -5—5 ℃ and -10—10 ℃

表5 土壤活性有机碳组分与土壤酶活性之间的相关性

*表示在 0.05 水平显著相关;**表示在 0.01 水平显著相关

冻融作用降低了土壤活动层MBC的浓度,其变化趋势与DOC相反。MBC浓度在第6次冻融循环时降到最低值,而此时DOC浓度却达到最高(图1、图2),或许在DOC浓度增加过程中MBC起着重要作用,但相对贡献是多少尚不清楚。DOC和MBC浓度之间显著正相关性也验证了这一点。DeLuca等[26]研究发现,一次冻融循环甚至能杀死50%的微生物种群,导致细胞内的物质释放,包括DOC和MBC,因此土壤MBC浓度在冻融循环初期降低而DOC浓度会增加,随着冻融次数的增加,土壤微生物逐渐适应冻融的影响,死亡微生物数量减少,MBC浓度逐渐增加,并趋于稳定。这与Chaer[20]、Wang等[18]及Oztas[27]等人研究结果相一致。随着土壤活动层深度和干扰强度的增加,微生物逐渐减少,冻融作用减弱,土壤MBC的变化量逐渐降低。此外,冻融作用对土壤MBC的影响还与有机质含量、含水量、最初团聚体的大小、冻结温度及冻融循环次数等因素有关[28]。尽管冻融幅度对3种湿地土壤MBC浓度的影响都不显著(P<0.05;表3),但大幅度冻融对微生物的损害是相当大的,因为大幅度冻融循环可以杀死更多的微生物,限制微生物的活性[29]。

冻融循环降低了3种湿地土壤酶(纤维素酶、蔗糖酶和淀粉酶)的活性,并且大幅度冻融的影响是强烈的,这些变化与冻融循环对MBC的影响相一致。原因是MBC和土壤酶主要来源土壤微生物[30],二者之间的相关性也支持了这一观点(P<0.05;表5)。由于土壤酶活性与土壤微生物、土壤理化性质和环境条件密切相关,因而土壤酶活性对环境扰动的响应敏感[31]。湿地受到垦殖的强烈扰动后,土壤理化性质改变,微生物量减少,有机碳被大量释放,导致土壤酶活性降低。相关性分析显示,未受干扰湿地土壤酶活性与土壤活性有机碳组分之间显著正相关(P<0.05;表5),而受到强烈干扰的水稻田土壤酶活性和土壤活性有机碳组分之间相关性降低或者不相关。同时,连年的翻耕,使土壤在垂直方向上的差异减小。因此冻融对不同深度的水稻田土壤酶活性影响不明显。早期研究显示,不同的研究方法和各种土壤性质差异导致土壤酶对冻融循环响应不同。 Chaer等[21]对美国安德鲁深林土壤研究发现,冻融作用降低了β-葡萄糖苷酶活性,而磷酸酶和酚氧化酶却没有反应。Yergeau[27]对南极土柱研究发现,冻融增加了纤维素酶的活性,但不显著。Wang[18]对大兴安岭永久冻土研究发现,冻融降低了土壤的活性。事实上,在冻结土壤中一些酶的活性并没有钝化,尤其是在寒冷的区域。冻融对土壤酶有损伤作用,而冻融作用下的破碎土壤团聚体和裂解细胞增加了不稳定有机物与微生物的接触,从而促进了土壤酶的活性[32]。

随着全球变暖,冻融频次、冻融幅度和活动层厚度都将发生变化,这些都将会使更多的易被分解碳从土壤中释放出来,进而影响区域碳平衡。然而,冻融循环如何影响土壤有机碳和土壤微生物活性仍需进一步研究。由于冻融作用对土壤活性有机碳和酶活性变化研究较少,不能真实反映季节性冻融期间活性有机碳和酶活性的变化情况。因此,进一步研究的焦点应该放在野外原位监测,以此来揭示土壤活性有机碳和土壤酶对冻融变化的响应。

4 结论

通过实验室模拟清楚观测到土壤活性有机碳组分和酶活性对冻融循环反映敏感。冻融循环显著增加了三江平原3种湿地土壤DOC的浓度,降低了MBC浓度和3种酶活性(纤维素酶、蔗糖酶和淀粉酶)。随着土壤深度的增加,冻融作用对土壤活性有机碳和3种酶活性的影响逐渐减弱。冻融次数显著影响土壤活性有机碳和3种酶活性,并表现出短期效应。冻融幅度影响土壤活性有机碳浓度和土壤酶活性,其中小幅度冻融对DOC影响大,而大幅度冻融对MBC浓度和3种酶活性的影响大。冻融作用对不同干扰程度的土壤活性有机碳和酶活性的影响是不同的,对干扰强度大,土壤团聚体破坏严重的土壤影响较小,表明这类土壤中有机碳释放严重,土壤微生物数量减少,土壤质量严重下降。此外,受到强烈干扰的土壤活性有机碳组分与土壤酶活性之间相关性不高,甚至不相关,而干扰强度小的土壤中活性有机碳组分和土壤酶活性之间显著相关也证实了这一观点。