不同植被类型下黑河湿地土壤养分、酶活性、微生物数量的变化特征

彭轶楠，祁宏山，裴延礼，席 鹏，季 彬

（1.甘肃科学院生物研究所/甘肃省微生物资源开发利用重点实验室，兰州 730000；2.高台县黑河湿地国家级自然保护区管理局，甘肃 高台 734300）

湿地是一种独特的生态景观，其特有的资源优势和环境优势一直以来是野生动植物最重要的生存栖息地［1，2］。湿地为人类的生产和生活提供了多种资源，而且在调节径流、控制污染、保墒抗旱、美化环境、保护物种基因多样性和维护区域生态平衡等方面具有不可替代的作用［3，4］。随着社会发展，人们对湿地资源的不合理利用导致湿地生态系统遭到严重破坏［5］，使得湿地面积逐渐变小、生态功能不断减弱［6］、土地盐渍化、荒漠化及生物多样性下降［7］。保护和恢复湿地刻不容缓。中国湿地具有类型多、分布广、区域差异显著、生物多样性丰富的特点［8］。第二次全国湿地资源调查结果显示，与第一次调查结果相比，全国湿地面积减少了8.82%［8，9］。为此，中国于1992 年7 月正式加入国际《湿地公约》，将湿地保护与合理利用列入《中国21 世纪行动议程》和《中国生物多样性保护行动计划》优先发展领域。建立湿地自然保护区是恢复湿地生态系统的有效措施，对湿地恢复策略的调整和完善具有重要的指导意义。因此，湿地恢复方式的研究受到了极大关注。

黑河中游湿地位于甘肃省河西走廊中部，是典型的干旱内陆河湿地，对涵养水源、改善区域气候、防止沙漠南侵和抵御沙尘暴等有重要作用，是西北地区十分重要的生态安全屏障［8］。由于气候影响和人为因素，导致湿地面积大幅减小，湿地生态系统和功能遭到破坏［10］。为保护黑河湿地，政府实施了一系列保护工作，国务院于2001 年批复《黑河流域近期护理规划》；甘肃省于2004 年颁布了《甘肃省湿地保护条例》；张掖市于2006 年制定了适宜地方湿地保护的《张掖市黑河流域湿地管理办法》，2004 年甘肃省政府批复建立“甘肃高台黑河湿地省级自然保护区”；2011 年建立了“张掖黑河湿地国家级自然保护区”，黑河湿地生态建设上升到国家生态安全屏障构建的战略层面。建设好黑河湿地国家级自然保护区，将更好地承载祁连山、黑河流域生态保护的重任，对推动河西走廊经济社会发展和生态文明建设具有重要意义。

湿地恢复具有特殊的机理和过程，不同植被对湿地生态系统的影响尚无明确研究结论，因此，本研究在黑河中游湿地退化区开展植被恢复工程，以期有效恢复黑河中游湿地生态系统；通过研究栽种沙枣（Elaeagnus angustifolia）、红柳（Tamarix chinensis）和胡杨（Populus euphratica）后土壤养分、酶活性和微生物数量的差异及相关性，探讨不同恢复方式对湿地生态效应的影响，从而了解黑河湿地中游地区有效的恢复方式，以期为湿地恢复工作的顺利开展提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区气候属大陆沙漠干旱型气候，冬季寒冷干燥，夏季干热，春季多风，全年无霜期在150 d 左右，多年平均降水量为300 mm，蒸发量为2 000 mm左右。年均气温为7.4 ℃，全年最高气温在7 月，月平均气温在22 ℃以上，最低气温在1 月，月平均气温在-9.7 ℃；多年平均风速为2.0 m/s，历年最大风速为25.7 m/s，历年汛期最大风速平均值为17.4 m/s。该区域光热资源丰富，年内温差较大，气候条件有利于植物进行光合作用；现存湿地总面积为29 460.61 hm2，其中核心区为10 561.02 hm2，缓冲区为10 514.10 hm2，实验区为8 385.49 hm2。

1.2 试验设计

2016 年，在黑河北岸红军纪念林以西，选择沙枣、红柳、胡杨3 种栽植易成活，生长迅速，病虫害少，对土壤、水分要求不高的树种进行植被恢复工程，树种规格均为充分木质化、根系完整、无病虫害、2 年生树苗；以不栽种植被的自然恢复方式作为对照。定期观察各树种生长情况，于2020 年12 月采集各树种的根际土壤进行分析检测。

1.3 供试土样

试验以“S”型随机选择沙枣、红柳、胡杨各10株，分别在植物根际取0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm 土层土样，将同一树种的相同土层土样均等比例混合为一个样，编号并送实验室。自然恢复方式同步取样，取样方法相同。各土样分为两部分，一部分土壤自然风干后过2 mm 筛，用于测定土壤盐分、pH、养分含量和酶活性；另一部分新鲜土样放于冰箱冷藏，用于测定土壤微生物数量。

1.4 测定方法

1.4.1 土壤盐分、pH 和养分测定 土壤含盐量采用烘干法测定；pH 采用pH 计法测定；碱解氮含量采用碱解扩散吸收法测定［11］；速效磷含量采用NaHCO3浸提法测定；速效钾含量采用1 mol/L 的NH4Ac 浸提-火焰光度法测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定［12］。

1.4.2 土壤酶活性测定 土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定［13］；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［14］；碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定［15］。

1.4.3 土壤微生物数量测定 土壤中细菌、放线菌、真菌的菌落数采用梯度稀释法测定。细菌培养基采用牛肉膏蛋白胨固体培养基；放线菌培养基为改良高氏一号固体培养基［16］；真菌培养基为马铃薯固体培养基。

1.5 数据处理

采用SPSS 22.0 和Excel 2013 软件对试验数据进行分析与制图。采用单因素方差分析法（Oneway ANOVA）进行方差分析，多重比较采用LSD检验，采用Pearson 法对土壤养分、酶活性和微生物数量进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 植被恢复对土壤盐分、pH 的影响

人工栽种沙枣、红柳、胡杨的植被恢复方式可以改善土壤盐分含量，以不栽种植被的自然恢复方式作为对照，改善效果如图1a 所示，植被恢复方式下土壤盐分含量均小于对照；不同土层土壤盐分含量均表现为栽种沙枣后土壤盐分含量最小，其次为红柳，胡杨为三者最大；不同恢复方式均呈随土层增加土壤盐分含量降低的趋势。这说明植被恢复有效降低了土壤盐分含量，栽种沙枣效果较好。

图1 不同植被恢复方式对土壤盐分含量和pH 的影响

植被恢复对土壤pH 的影响如图1b 所示，土壤pH 在8.60~9.15，表明该地区土壤呈强碱性。植被恢复方式下土壤pH 均小于对照；不同土层土壤pH均呈胡杨土壤pH 最小，其次为沙枣，红柳为三者最大，各树种在不同土层无明显差异；植被恢复方式与对照均表现出随土层增加土壤pH 升高的趋势，不同恢复方式在不同土层无明显差异，可能原因是植被栽种年限较短，土壤pH 变化较小。

2.2 植被恢复对土壤养分的影响

土壤有机质含量是反映土壤肥力的主要因素之一。图2a 反映了栽种3 种树对土壤有机质含量的影响，除胡杨10~20 cm 土层外，各植被恢复下土壤有机质含量均高于对照，沙枣和红柳土壤有机质含量高于胡杨；植被恢复方式均呈随土层增加土壤有机质含量降低的趋势，在20~30 cm 土层时，胡杨土壤有机质含量与对照无明显差异。土壤碱解氮含量与有机质含量相似（图2b），植被恢复方式下土壤碱解氮含量在不同土层均高于自然恢复方式，其中沙枣土壤碱解氮含量最高；植被恢复方式均呈随土层增加土壤碱解氮含量降低的规律。这说明植被恢复可以提高土壤有机质和碱解氮含量，尤其栽种沙枣效果明显。

图2 不同植被恢复方式对土壤养分的影响

磷和钾是影响作物生长、生理活动的重要营养元素，由图2c、图2d 可知，植被恢复方式下土壤速效磷和速效钾含量在不同土层均显著高于对照，栽种胡杨土壤速效磷和速效钾含量显著高于沙枣和红柳；植被恢复方式均表现为随土层增加土壤速效磷和速效钾含量降低的趋势。这说明植被恢复可有效提高土壤速效磷和速效钾含量，栽种胡杨效果最佳。

2.3 植被恢复对土壤酶活的影响

2.3.1 脲酶活性 脲酶广泛存在于植物组织中，其酶促产物氨是植物氮源之一。植被恢复方式对土壤脲酶活性的影响如图3a 所示，与对照相比，植被恢复后土壤脲酶活性均有不同程度提升，栽种胡杨土壤脲酶活性最高，各土层土壤脲酶均高于自然恢复方式；植被恢复方式均表现出随土层增加土壤脲酶活性降低的趋势。这说明植被恢复可以提高土壤脲酶活性。

2.3.2 蔗糖酶活性 蔗糖酶在植物的运输贮藏、碳水化合物代谢中发挥主要作用［17］。由图3b 可知，植被恢复方式下土壤蔗糖酶活性在各土层均高于对照，沙枣和胡杨土壤蔗糖酶活性无明显差异，但均显著高于红柳；植被恢复方式均表现出随土层增加土壤蔗糖酶活性降低的规律。这说明植被恢复可以提高土壤蔗糖酶活性。

2.3.3 过氧化氢酶活性 过氧化氢酶广泛存在于土壤和生物体中，能解除过氧化氢对生物体的毒害［18］。由图3c 可知，与对照相比，植被恢复方式下土壤过氧化氢酶活性均有所提高，除胡杨0~10 cm、20~30 cm 土层外，不同树种土壤过氧化氢酶活性均无显著差异；除红柳10~20 cm 土层外，各树种不同土层土壤过氧化氢酶活性也无显著差异。可见，栽种不同植被种类对过氧化氢酶活性的影响不明显。

2.3.4 碱性磷酸酶活性 土壤磷酸酶水解土壤有机磷，提高了磷素有效性［19］。由图3d 可知，植被恢复方式下土壤碱性磷酸酶活性在各土层均高于对照，胡杨土壤碱性磷酸酶活性显著高于沙枣和红柳；各植被恢复方式均表现为随土层增加土壤碱性磷酸酶活性降低的规律。这表明植被恢复对提高土壤碱性磷酸酶活性具有良好效果。

2.4 植被恢复对土壤微生物数量的影响

2.4.1 细菌数量 由图4a 可知，植被恢复下土壤细菌数量在不同土层均显著高于对照，红柳土壤细菌数量占土壤细菌总量的40.04%，明显高于沙枣（27.24%）和胡杨（23.50%）；3 种树种在不同土层细菌数量变化规律均不相同，沙枣土壤细菌数量随土层增加而降低，红柳随土层增加而升高，胡杨先降低后升高。这表明植被恢复改善了土壤细菌数量，不同树种的改善效果有所不同。

图4 不同植被恢复方式对土壤微生物数量的影响

2.4.2 放线菌数量 由图4b 可知，植被恢复方式下土壤放线菌数量在不同土层均显著高于对照，红柳土壤放线菌数量最高，占土壤放线菌总量的43.79%，其次为胡杨（28.36%），沙枣（20.82%）最小；3 种树种在不同土层放线菌数量变化规律均不相同，沙枣土壤放线菌数量随土层增加而降低，红柳和胡杨随土层增加而升高。这表明植被恢复改善了土壤放线菌数量，不同树种的改善效果有所不同。

2.4.3 真菌数量 真菌能够分泌一些酶类，促进土壤中动物、植物残体的分解，从而促进土壤碳氮循环，改善土壤质量［20］。由图4c 可知，植被恢复下土壤真菌数量在不同土层均显著高于对照，红柳土壤真菌数量占土壤真菌总数量的40.84%，沙枣和胡杨分别占22.04%和25.69%；3 种植被在不同土层真菌数量变化规律均不一致，沙枣土壤真菌数量随土层增加而降低，红柳随土层增加而升高，胡杨随土层增加先升高后降低。这说明植被恢复改善了土壤真菌数量，不同树种的改善效果有所不同。

不同树种对各类微生物种群的影响不同，但微生物总量均表现为细菌＞放线菌＞真菌，细菌占绝对优势，说明在植被恢复中细菌起主导作用。无论是从细菌、放线菌、真菌的数量，还是从微生物总量来看，都表现出红柳土壤微生物数量最高，其次为胡杨和沙枣，可见栽种不同树种对土壤微生物数量具有较大影响，在黑河湿地栽种红柳更有益于土壤微生物繁殖，从而改善土壤质量。

2.5 土壤养分含量、酶活性与微生物数量之间的相关性

黑河湿地中游区域土壤养分、酶活性和微生物数量的相关性如表1 所示。土壤pH 和盐分含量与细菌、放线菌和真菌数量为负相关，土壤pH 与脲酶活性、蔗糖酶活性、速效磷含量和速效钾含量为极显著负相关，土壤盐分含量与过氧化氢酶活性为显著负相关，表明盐碱土壤抑制土壤微生物生长，降低酶活性，影响土壤肥力。土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量与脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶为极显著正相关；有机质含量与蔗糖酶为极显著正相关，与脲酶为显著正相关，土壤养分含量与微生物数量为正相关，说明土壤养分与酶活性、微生物数量均密切相关。土壤酶活性与微生物数量为正相关，过氧化氢酶与细菌数量为显著正相关，说明土壤酶活性与微生物数量相关联。由此可知，土壤养分与土壤酶活性和微生物是相互促进、相互制约的关系。

表1 土壤养分、酶活性和微生物数量的相关性

3 讨论

湿地生态系统是一个复杂的生态环境，人工种植植被是尽快恢复生态功能、防止生态环境进一步恶化的重要途径［21］。植被恢复过程中产生的凋落物和根系分泌物在土壤中不断积累，将有机物和无机营养元素释放于土壤，从而改善土壤的理化性质和生物学性质［22］。不同植被形成的凋落物数量、种类和分解速率不同，对土壤的改良效果也不同［23］，了解不同植被对黑河湿地土壤恢复的效果，可以为人工种植模式提供参考依据。

土壤养分含量是衡量土壤肥力质量的核心指标，自然状态下土壤碳氮的来源主要为凋落物的分解及大气中碳氮的固定，因此，土壤有机碳和全氮大量聚集在土壤的表层，不同植被土壤碳、氮含量差异显著。有研究表明，土壤氮含量与有机碳的含量密切相关［24］，本研究中土壤碱解氮含量与有机质含量呈极显著正相关证明了这一观点。

土壤微生物能够将土壤中无机物转化成有机物，从而反映土壤生物活性变化［25］。王笛等［26］对黄河三角洲退化湿地土壤微生物分析结果表明，真菌多分布在酸性环境的土壤中，放线菌多在碱性环境生存；薛立等［27］对不同人工林研究发现细菌对酸性环境敏感，因此在酸性环境土壤数量较少；本研究中植被恢复均呈土壤微生物中细菌数量最多，其次为放线菌，真菌数量最少，且研究区土壤pH 大于8.6，呈碱性，该结果与上述研究结果一致。

土壤酶参与了土壤中的生物化学过程，可以作为反映土壤质量的一项生物指标［28］。叶存旺等［29］研究沙棘-侧柏混交林及侧柏纯林地土壤酶活性发现，土壤脲酶和蔗糖酶活性在垂直分布上均表现出上层高于下层的规律；徐恒等［30］研究榆林人工固沙林发现，土壤脲酶、蔗糖酶活性随土层深度增加呈减弱趋势；杨宁等［31］对衡阳紫色土丘陵不同植被恢复研究发现，不同恢复阶段土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性均随土层加深而逐渐减弱；本研究中不同植被土壤酶活性存在差异，土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶活性均随土层增加而降低，这与上述研究结果一致。植被恢复方式中4 种酶活性均比自然恢复有所提升，说明人工栽种植被对于改善土壤质量具有良好效果。

土壤酶活性与土壤养分的相关性较为复杂。严绍裕［32］研究不同龄林湿地认为，土壤脲酶与蔗糖酶、有机质、速效磷和速效钾均为极显著正相关，蔗糖酶与有机质、有效磷和速效钾均存在极显著正相关；邱莉萍等［33］通过长期定位试验地中土壤养分和酶活性的测定结果表明，有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷与脲酶和碱性磷酸酶活性呈显著或极显著相关；崔晓东等［34］的研究表明，黄河三角洲不同土地利用方式下，土壤酶活性与有机质、全氮、速效氮含量呈极显著相关，与速效磷和速效钾含量呈显著相关，过氧化氢酶活性与土壤有机质含量呈极显著相关，与全氮含量、速效钾含量、土壤pH 呈显著相关。本研究中土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量与脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性呈极显著正相关，有机质含量与蔗糖酶活性呈极显著正相关，与脲酶活性呈显著正相关，研究结论与上述结论基本一致。王海英等［35］研究嘉陵江不同植被恢复模式，表明土壤细菌数量与脲酶活性呈极显著正相关，与过氧化氢酶活性呈极显著负相关，土壤真菌数量与蔗糖酶、过氧化氢酶活性呈极显著正相关，放线菌数量与脲酶活性呈极显著正相关；本研究表明，土壤酶活性与微生物数量呈正相关，过氧化氢酶活性与细菌呈显著正相关，与上述研究结论有一定差异，造成这些研究差异可能与研究对象和环境不同有关，因此还需要开展进一步的研究。

通过人工栽种沙枣、红柳、胡杨明显降低了黑河湿地土壤盐分，提高了土壤养分含量、酶活性和微生物数量，土壤性质朝着高肥力方向发展。虽然3 种植被对湿地土壤生态恢复效力不同，但是对土壤和水分要求不高，且对当地自然条件具有较强适应能力，植被成林后能够提高湿地植被盖度，达到湿地生态功能改善的目的，完善湿地生态健康发展的需求。

4 小结

植被恢复改善了黑河湿地生态环境，降低了土壤盐分和pH，从而改善湿地盐碱化。栽种沙枣对降低土壤盐分、提高土壤有机质含量和碱解氮含量效果最明显；栽种胡杨对提高土壤速效磷、速效钾含量及土壤脲酶和碱性磷酸酶活性效果最明显；栽种红柳对提高土壤微生物总量效果最明显。可见，不同植被对湿地的恢复功效不尽相同，本研究植被恢复工程位于张掖市黑河湿地国家级自然保护区，还需考虑到植被的适应性和地域性以及栽种植被形成的独特景观。综上所述，黑河湿地栽种沙枣、红柳和胡杨都具有改善土壤质量的功效，同时又具有适宜于当地的独特景观。