盐渍化对沙枣林土壤养分和酶活性的影响

2020-09-27陈孔飞张仁陟蔡立群李海亮李序进

国土与自然资源研究 2020年5期

陈孔飞，张仁陟，2，3*，蔡立群，2，3，李海亮，李序进

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州730070；2.甘肃农业大学甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃兰州730070；3.甘肃省节水农业工程技术研究中心，甘肃兰州730070）

土壤底层水或地下水所含的矿物质通过土壤毛管升至地面，经蒸发后留于地表的过程既土壤盐渍化。作为一项国际性难题，土壤盐渍化问题制约着世界各国的农业发展。联合国统计显示，目前世界上盐渍土面积约为9.6×108hm2[1]，占陆地总面积的10%。中国作为盐渍化问题较为严重的国家之一，第二次全国土壤普查显示，我国盐渍土总面积约为3.6×107hm2，占全国可利用土地面积的4.88%[2]。国内的盐渍化问题主要聚集于北方干旱半干旱地区和沿海地区，甘肃省1990 年的土壤普查资料显示，河西地区的盐渍化土壤总面积为89.37×104hm2，占该地区土地总面积的3.24%[3]，占甘肃省盐渍化土地总面积的87.3%，河西地区作为全国著名的蔬菜、粮种繁育地区，其丰富的地下水资源在为农业的发展提供了便利条件的同时也加剧了土壤盐渍化的问题[4]。干旱少雨的气候条件，充足的光照加剧河西地区地下水的蒸发，高矿化度的地下水蒸发后，盐分积累与表层土壤，由此年复一年，使得河西地区盐渍化问题愈发严重[5]。

盐渍化作为土壤退化的重要原因之一，一直以来都是科技工作者们关注的重点领域。随着盐渍化程度的加剧，土壤物理结构发生改变，养分元素亦会急剧降低[6]。王燕等[7]对荒漠绿洲农田盐渍化过程中土壤有机碳和全氮变化过程中发现土壤全氮含量、有机碳含量随盐渍化程度的加剧而降低。王颖[8]对黄骅市盐渍化土壤的研究显示，土壤有机质含量、碱解氮含量均与土壤含盐量呈负相关，既盐渍化程度高的土样，有机质、碱解氮含量较低。朱海强等[9]人通过对艾比湖湿地的研究发现土壤养分随盐渍化程度加剧而降低。由此可见，土壤养分含量随盐渍化的加重而降低[10]。土壤碳、氮、磷元素作为植物生长所必需的营养元素，其含量对于土壤有机质组成及土壤肥力质量具有指示性作用[11]，而碳、氮、磷等营养元素的转化离不开土壤酶的参与[12]，土壤酶主要来源于土壤微生物、动植物残体和植物根系，是土壤养分循环的重要参与者。一直以来，在对于土壤生态系统的研究中研究人员对土壤酶给予了高度的重视，酶活性已成为当下土样养分研究中必不可少的测定指标。以化学计量学的手段研究土壤养分是近年来研究的热点之一。研究表明，土壤C：N 的值关系着有机质的分解速度[13]，C：P 比可作为微生物对P 元素吸收、释放的指标[14]，而N：P 可作为土样养分限制的参考指标[13]。以生态化学计量学手段，结合酶活性特征，有助于探究土壤养分的转化过程及其限制因素。

沙枣树因其耐盐碱、耐干旱的特点，常被用于盐碱地区的生态修复。张掖市甘州区城郊北部共有沙枣林3010.5 亩，本文选取其中种植年限相同而盐渍化不同的人工沙枣林为研究对象，探讨盐渍化对土壤养分特征及酶活性的影响，结合生态化学计量学的手段，分析不同盐渍化水平下土壤养分差异及其限制元素，以期为河西地区盐渍化土壤资源的利用与修复提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区位于张掖市甘州区（100°6＇～100°52＇E，38°32＇～39°24＇N），地处河西走廊中部。该地区属冷温带干旱和祁连山高寒带半干旱半湿润两种气候类型，其特点是干旱少雨，且降水分布不均，昼夜温差大，年平均气温6.6℃，年平均降水量112.3～354.0mm。年平均蒸发量1672.1～2358.4mm。调查显示，张掖市盐渍化土壤面积大、分布广，其中轻盐渍土占62.5 平方公里、重盐渍土占11.4 平方公里、盐土占21.1 平方公里[1]。

样地选择位于张掖市甘州区北部的三块盐渍化程度不同的人工沙枣林。经考证，所选沙枣林均种植于上世纪60 年代[15]，近年来少有人为因素干预。分别对三块样地编号为 S1 （100°29＇11＂E，39°0＇56＂N）、S2（100°28＇47＂E，38°59＇6＂N）、S3（100°29＇49＂E，39°1＇15＂N），根据其0～30cm 全盐含量，其盐渍化等级参考王遵亲[16]的标准划分，分别为盐土（S1）、中度盐渍化（S2）、非盐渍化（S3），由表1 可知，三块样地均以硫酸盐为主。

1.2 样品的采集与处理

在每块样地中随机划定六块20m*20m 的样方。于2019 年8 月中旬进行土壤样品采集，样方内采用五点取样法，以内径 35mm 土钻分别采集 0～10cm、10～20cm、20～30cm 深度的土壤样品，每个样方每层土样混为一个重复，每块样地共采集18 个土壤样品。在实验室中风干后过筛，用于测定土壤理化性质及土壤酶活性。

土壤含水率采用烘干法测定；全盐含量以离子加和法计算；采用电导率仪测定5：1 水土比土壤浸提液浸提液电导率值；采用pH 计测定1：2.5 土水比土壤浸提液pH；土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定；土壤全氮采用半微量开氏法测定；土壤全磷采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法测定[17]。过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，单位为每克干土单位时间内消耗0.1mol/L 高锰酸钾的体积（ml·g-1DW）。采用靛酚蓝比色法测定土壤脲酶、3,5—二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶、磷酸苯二钠比色法测定碱性磷酸酶，单位为每克干土每天生成的产物质量（mg·g-1·d-1DW）[18]。

1.3 数据处理

利用Excel 2019 软件进行数据处理与制表，采用spss 20.0 软件进行统计分析，运用SigmaPlot 12.5 软件进行作图，碳氮磷生态化学计量学特征采用质量比。运用单因素方差分析探究各处理间土壤因子的显著性差异。运用Pearson 相关分析各土壤因子的相关关系。

2 结果分析

2.1 不同盐渍化土壤电导率值、pH、含水率的差异

土壤浸提液的电导率值常被用来表征土壤的盐渍化程度。从本文结果来看，不同样地的同一土层深度上表现为S1＞S2＞S3（图1a），其变化规律与各土层全盐含量一致。盐渍化样地S1、S2 样地土壤电导率值表现为随深度增加而降低的趋势，其变化范围分别为6.32～9.83dS/m、1.26～2.79dS/m。土壤 pH 值变化范围为8.43～8.73，呈碱性，各样地间差异不显著（图1b）。土壤含水率在各土层深度上均表现为随盐渍化程度加剧而升高（图1c）。在同一深度水平S1 样地土壤含水率显著高于 S2、S3 样地（P＜0.05）。

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2.2 不同盐渍化土壤养分分布及生态化学计量学特征

如图2a、b 所示，土壤有机碳、全氮含量在0～10cm土层均呈现随盐渍化程度降低而升高的情况，三样地间差异显著，S1、S2 样地土壤有机碳含量较S3 分别降低 37.26%、20.06%，土壤全氮分别降低 55.42%、17.40%。空间分布上土壤有机碳与全氮含量均表现为随土层深度增加而降低的趋势，S1、S2、S3 样地10～20cm 土层较 0～10cm 土层有机碳含量分别下降33.91%、30.18%、50.31%，全氮分别下降 47.41%、29.74%、49.28%，非盐渍化土壤有机碳、全氮在垂直方向上降幅最大。土壤全磷方面如图2c 所示，各样地全磷含量整体变化范围为 0.50～0.67mg/g，S1 样地 0～10cm土层处全磷含量显著高于S2、S3 样地，其它各土层之间、各盐渍化水平样地间差异均不显著（P＜0.05）。

表1 样地各土层含盐量及其离子分布

图1 不同盐渍化程度样地各土层深度土壤电导率值、pH、含水率

碳氮磷生态化学计量比采用质量比计算，其变化如图2 所示。图2d 土壤C：N 在各盐渍化水平上的变化范围分别为 15.67～18.63、9.87～10.14、10.34～12.96，S1 样地在各深度水平上 C：N 均显著高于 S2、S3 样地。如图2e、f 所示，土壤 C：P、N：P 在0～10cm 土层均呈现出随盐渍化程度升高而降低的趋势，S1 样地显著低于S2、S3 样地。而在垂直分布上，各样地土壤C：P、N：P 均呈随土层深度增加而降低的趋势，S1、S2、S3 样地的 10～20cm 土层较0～10cm 土层土壤 C：P 分别降低 21.45%、29.14%、54.70%，N：P 分别降低 39.03%、28.64%、53.92%（P＜0.05）。

2.3 不同盐渍化土壤酶活性

土壤过氧化氢酶活性如图3a 所示，同土层过氧化氢酶活性呈随盐渍化程度降低而升高的趋势，S1、S2 样地0～10 土层过氧化氢酶活性较S3 样地分别降低14.82%、1.57%。垂直方向上，三样地各土层间过氧化氢酶活性均表现为随土层深度增加而降低的趋势。如图3b、3c 所示，0～10cm 土层土壤脲酶、蔗糖酶活性均呈随盐渍化程度降低而升高的趋势，不同盐渍化水平间脲酶活性差异显著，S1 样地蔗糖酶活性显著低于 S2、S3 样地，与 S3 样地相比 S1、S2 样地0～10cm 土层脲酶活性分别降低84.62%、29.14%，蔗糖酶活性分别降低80.38%、9.73%。垂直方向上，S2、S3 样地脲酶、蔗糖酶活性随土层深度增加而降低，S1 样地脲酶活性随土层深度增加呈先降低后升高的趋势。土壤碱性磷酸酶活性如图3d 所示，其在同一深度水平上均表现为S2＞S3＞S1，同一土层各样地间差异显著，S1、S3 样地在 0～10cm 土层处土壤碱性磷酸酶活性较S2 样地降低84.55%和52.21%。随土层深度增加各样地土壤碱性磷酸酶活性：S1 样地表现为降低的趋势，其20～30cm 土层显著低于该样地其它土层；S2 样地表现为先降低后升高的趋势，其0～10cm土层显著高于10～20 土层；S3 样地表现为升高趋势，各土层间差异不显著（P＜0.05）。

图2 不同盐渍化程度样地各土层深度碳氮磷含量及化学计量学特征

图3 不同盐渍化程度样地不同土层深度酶活性的变化情况

2.4 盐渍化与土壤养分及酶活性的相关性

如表2 所示，用以表征土壤盐渍化程度的电导率值与 C：N 呈极显著正相关，与全氮含量 C：P、N：P 呈极显著负相关，与土壤有机碳呈显著负相关；土壤有机碳含量与全氮含量呈极显著正相关。

表2 土壤理化因子与酶活性的相关性

3 讨论

3.1 盐渍化对于沙枣林土壤碳养分及生态化学计量学特征的影响

土壤养分含量是衡量土壤肥力质量的核心指标[19]，自然状态下土壤碳氮养分的来源主要为凋落物的分解及大气中碳氮的固定，这使得土壤有机碳和全氮大量聚集在土壤的表层，本研究中，不同盐渍化沙枣林土壤碳、氮元素含量差异显著，土壤有机碳、全氮含量与土壤电导率值呈显著或极显著负相关，这表明盐渍化的加剧严重降低了土壤的肥力。而在垂直方向上，三块样地碳、氮元素分布均呈现随土层深度增加而降低的趋势，盐渍化并未改变土壤养分空间分布的一般特征[20]。有研究表明，土壤全氮含量与有机碳的含量密切相关[21]，本次研究中土壤全氮含量与有机碳含量极显著的正相关性证明了这一观点。土壤全磷含量主要受成土母质、成土作用和耕作施肥的影响，在不存在耕作施肥的情况下，不同盐渍化程度的沙枣林相近的全磷含量表明他们在成土作用和母质上不存在差异，同样说明盐渍化对于土壤全磷含量及其空间分布的影响不显著。根据第二次全国土壤普查结果，张掖地区为黄土母质，本次研究样地土壤全磷含量变化0.50～0.67mg/g，略低于同母质土壤的全磷含量（0.57～0.70mg/g）[17]。

土壤碳氮、化学计量比反映土壤的养分状况，可作为衡量土壤肥力的重要指标[22]。本次研究结果显示，表层土壤C：P、N：P 随盐渍化程度加剧而降低，通过对比干旱区土壤 C：P、N：P 的值[23]发现，中度盐渍化与非盐渍化沙枣林C：P、N：P 均高于平均水平，而土壤全磷含量略低于同母质土壤平均水平，这表明上述样地土壤养分限制表现为磷限制，而盐土沙枣林的C：P、N：P 远低于平均水平，表明盐土样地碳氮养分匮乏，土壤肥力差，养分上表现为碳、氮元素的限制。非盐渍化与中度盐渍化沙枣林土壤的C：N 差异不大，在各层上都相对稳定，土壤的C：N 符合全国土壤平均值的变化范围（10～12）[14]，且与干旱区土壤 C：N 比值接近[23]，符合了有机碳、全氮含量在空间上变化较大而C：N 相对稳定的特点[23]。盐土样地的土壤C：N高于全国土壤平均范围，说明该地土壤氮元素较碳元素更为缺乏，结合其在垂直分布上的变异表明，极端的盐渍化情况会打破土壤C：N 的平衡规律，结合养分含量亦能说明盐渍化对土壤碳氮养分的含量均有限制，而随着盐渍化情况加剧，其对氮元素的限制要高于碳元素，这一点也可以用土壤电导率值与C：N的显著正相关进行证明。

3.2 盐渍化对于土壤酶活性的影响

研究所选的四类酶分别参与了土壤碳、氮、磷的转换及有机质的分解，其活性直接关系着土壤肥力的高低。从盐渍化对土壤酶活性的影响来看，除碱性磷酸酶外，其他酶活性在随盐渍化程度的变化上都与景宇鹏[24]的研究结果相似，土壤电导率值与酶活性极显著的负相关性表明，土壤盐渍化情况的加剧会显著降低土壤酶活性，从而影响土壤中碳、氮、磷元素的有效转换，降低了土壤肥力。非盐渍化沙枣林碱性磷酸酶活性显著低于中度盐渍化沙枣林的原因在于该地土壤pH 值较低，有研究表明，土壤磷酸酶活性受土壤pH影响[25]，本研究中碱性磷酸酶与pH 值极显著的正相关可以证明这一结论。在酶活性的垂直分布上，除了盐土样地20～30cm 土层脲酶、蔗糖酶活性略高于上层土壤外，其他均随土层下降而降低，与严绍裕[26]的研究结

果一致，盐土样地脲酶、蔗糖酶活性的空间分布与大部分盐渍化土壤酶活性研究的结果不同，有待于进一步探究。有研究显示，上述四种酶活性与土壤有机碳、全氮含量有关[27]，本次研究中，土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶活性与土壤有机碳和全氮的极显著正相关符合这一结论，碱性磷酸酶与有机碳含量相关性不显著，其原因在于不同样地间pH 的差异。从生态计量学与酶活性的相关性来看，四种酶活性均与C：N 表现出的极显著负相关，这说明氮元素对酶活性的影响较碳元素更大，适当的降低土壤C：N 有助于提高土壤酶活性，同样可以理解为适当的氮添加有利于提高上述土壤酶的活性[28]。