贺兰山东麓冲积扇区不同微地形土壤理化性质及酶活性特征

赵 娜,沈爱红,石 云,佘 洁,张风红,郭 瑞,吴 涛,李建华,朱晓雯,李红霞

(1. 宁夏大学地理科学与规划学院,银川 750021;2. 宁夏大学农学院,银川 750021;3. 银川市银西生态防护林管理处,银川 750021;4. 宁夏贺兰山国家级自然保护区管理局,银川 750021)

【研究意义】贺兰山是我国西北地区一道重要的生态屏障,在维系西北、华北乃至全国的气候分布和生态安全方面扮演着重要角色[1]。冲积扇作为贺兰山东麓重要的地貌单元,动植物资源丰富,水源涵养能力较高,是贺兰山地区独特而重要的组成部分。该区域主要的生态系统类型为荒漠草原,在调节气候、保持水土、防风固沙、维持生态平衡等方面具有重要作用[2]。近年来,由于当地生态旅游产业的快速发展、葡萄产业园的不断扩建以及季节性山洪的频发[3],贺兰山东麓冲积扇区荒漠草原原有的生态环境受到较大的扰动,引发了较多生态环境问题,如水土流失、草地退化等,更重要的是对土壤环境的影响。土壤是植物生长和发育的基础,提供了植物所需的营养,其特性受土壤母质、地形、气候和人类活动等因素的共同影响[4-5]。宏观尺度上,这些因素使土壤特性出现明显的空间异质性,微观尺度上,土壤特性受微地形的影响表现出一定的空间规律性[6-8]。微地形通过地表微高程、起伏等变化,重新分配局部的光、热、土壤水分、养分等资源,导致同一时间、不同地点的土壤特性具有明显的差异性和多样性[9-12]。微地形的变化会影响土壤特性,土壤特性的差异又会导致不同微地形和原环境的植物群落组成、多样性分布及功能的异质性[13-14]。因此,不同微地形下土壤特性的研究,对植物生长和探究植物群落的构建过程具有重要意义。【前人研究进展】冲洪积扇是研究地形对土壤特性影响的理想场所,不同(老的和年轻的)冲洪积扇由于构造活动、气候等因素的影响,土壤特性各不相同,在单个冲洪积扇内,由于洪水和沉积作用,形成了冲沟、冲积台地和砾石滩等不同的微地形,导致土壤水分、类型等差异较大,进而引起土壤特性的差异。长期以来,国内外学者对冲洪积扇区土壤特性与地形因子的相关关系做了大量研究,Bahrami和Ghahraman[15]调查了伊朗东北部3个不同年代的冲积扇扇顶、扇脚、沟床、河间沟、槽滩和沙坝的土壤理化性质,发现残积扇和老扇土壤理化性质扇顶高于扇底,河间高于沟床,年轻扇土壤理化性质扇底高于扇顶,老残积扇河间沟的土壤理化性质高于残积扇。Oliveira等[16]研究了巴西北部冲积扇不同位置受盐分影响的土壤之间的差异,发现冲扇扇脚的pH、CEC和可交换钠百分比低于扇顶。在国内,梁传平等[17]探讨了洪积扇扇顶、扇中、扇缘不同坡位土壤性质分异规律,张勇等[18]着眼于扇顶、扇中、扇缘对养分输移规律的研究,以及马媛等[19]对洪积扇扇顶、扇中、扇缘土壤分形特征和空间变异规律的研究。【本研究切入点】前人研究大多只从地貌角度将冲洪积扇划分为扇顶、扇中、扇缘,且侧重研究不同地貌对土壤理化性质的影响,鲜见有关冲积扇不同微地形土壤理化性质、酶活性变化特征及两者之间关系的报道。【拟解决的关键问题】以贺兰山东麓冲积扇为研究对象,在野外调查取样和实验室分析测定的基础上,运用经典统计学方法分析了不同微地形土壤理化性质和酶活性的空间分布特征及其差异性,同时利用地理探测器结合典范排序方法对土壤酶活性与土壤理化性质的关系进行了研究,揭示了各土壤理化性质对酶活性空间分异的影响。研究结果有助于更好地理解植物群落的构建机制,为贺兰山东麓冲积扇发育机制研究、生态修复及农业生产等提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区贺兰山(105°41′～106°41′ E,38°27′～39°30′ N)位于宁夏回族自治区西北部,山体呈西南-东北走向,平均海拔2000 m。贺兰山东麓地形西高东低,主要为冲积扇,由贺兰山冲积物堆积而成,海拔1120～1150 m。大陆性季风气候,干旱少雨,蒸发强烈,光照资源丰富,昼夜温差较大。年平均气温8.5 ℃左右,年平均日温差10～15 ℃,年降雨量180～250 mm,其中60%～80%集中在6—8月,年均蒸发量2000 mm。土壤类型包括普通灰钙土、石砾土、风沙土等,质地较粗,含砾石较多(图1)。

1.2 样地选择与样品采集

1.2.1 样地选择 贺兰山东麓冲积扇主要在中部发育,即从北部的大武口到南部的甘沟口这一段,发育形态较好的苏峪口冲积扇是贺兰山南段一个以水石流(或“非粘性泥石流”)沉积过程为主形成的冲积扇,多年洪水冲刷和沉积作用在苏峪口冲积扇老扇面区域形成了由粗砾和巨砾组成的砾石坝相间排列的地貌特征。本研究参考Bahrami等[15]对伊朗、韩龙飞等[20]对青藏高原冲积扇地区微地形的划分,以无人机影像为基础,结合实地调查和分析,将贺兰山东麓苏峪口冲积扇微地形划分为冲积台地、高漫滩、槽滩和沟床4种(图2),各自特征见表1。

1.2.2 样品采集 于2022年6月下旬,在贺兰山东麓冲积扇区,选择4种微地形分异明显的区域进行采样,每种微地形设置4个5 m×5 m的样方,各样方间距5 m左右。采样时先清除去除表层的枯枝落叶等杂物,然后使用挖掘法,在每个样方内按梅花形选取5个点,分层取0～20、20～40 cm土壤,将同一土层所取样品混合,依次过20和10 mm筛,去除石块和植物根系,装入塑封袋。共带回土壤样品96份。用于测定土壤酶活性的土壤样品置于4 ℃冰箱保存,测定土壤理化性质的土样自然风干后研磨。

1.3 测定项目与方法

采用常规分析法测定土壤理化性质[21]与土壤酶活性[22](表2)。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

图2 冲积扇微地形Fig.2 Alluvial fan micro-topography

表1 微地形种类及特征

表2 土壤理化性质与土壤酶活性的测定方法

续表2 Continued table 2

1.4 数据处理

数据整理采用Excel 2013,运用SPSS 22.0进行土壤酶活性与理化性质的单因素方差分析;利用地理探测器和Canoco5研究土壤酶活性与多种理化因子间的关系;用OriginPro2021软件制图。数据均为3次重复均值,以“平均值±标准误差”(mean±SE)表示。

2 结果与分析

2.1 不同微地形土壤理化性质变化

由图3可知不同微地形土壤pH、砾石和有机质含量变化情况。土壤砾石、有机质含量不同微地形均表现为0～20 cm>20～40 cm土层,冲积台地微地形土壤砾石含量最高,同一土层深度砾石含量分布为冲积台地>高漫滩>沟床>槽滩,除槽滩外,其余3种微地形不同土层间砾石含量差异显著(P<0.05,下同);同一土层深度有机质含量分布为冲积台地>高漫滩>槽滩>沟床,冲积台地、高漫滩和槽滩有机质含量在不同土层间差异显著(P<0.05),沟床不同土层间差异不显著(P>0.05,下同);不同微地形土壤pH在8.44～8.63变化,属于碱性土壤,不同微地形土壤pH差异不显著。

由表3可知不同微地形土壤养分含量分布特征。在不同微地形,土壤全磷和全钾在不同土层含量差异不显著,土壤全氮、碱解氮、速效磷与速效钾含量均表现为0～20 cm>20～40 cm土层。其中,冲积台地全氮含量最高,同一土层深度全氮含量分布为冲积台地>高漫滩>槽滩>沟床,不同土层间全氮含量在冲积台地、槽滩和沟床差异显著,在高漫滩差异不显著。各微地形土壤碱解氮含量在同一土层深度具体分布为冲积台地>高漫滩>槽滩>沟床,不同微地形不同土层间碱解氮含量具有显著差异;土壤速效磷、速效钾含量在0～20 cm土层和20～40 cm土层均表现为高漫滩>槽滩>冲积台地>沟床,速效磷在0～20 cm土层间含量差异不显著,但在20～40 cm土层间含量差异显著,速效钾含量在同一微地形不同土层间差异显著;土壤全磷和全钾在不同微地形和不同土层深度含量差异不显著,全磷含量大部分在0.6 g/kg,全钾含量在2.04～2.23 g/kg变化。

柱状图上小写英文字母不同表示差异显著。Different lowercase letters above the bar charts represent signifiant differences.图3 不同微地形土壤砾石、pH和有机质含量Fig.3 Soil gravel,pH and organic matter content in different micro-topography

表3 不同微地形土壤养分含量的变化

2.2 不同微地形土壤酶活性的变化

碱性磷酸酶可以把磷组分转化为活性磷供生物体利用,是土壤磷素循环的重要组成部分,可作为指标来评价土壤中磷素生物转化的方向与强度[23]。由图4可知,不同微地形土壤中,碱性磷酸酶活性均表现为 0～20 cm>20～40 cm土层;同一土层深度下碱性磷酸酶活性表现为冲积台地>高漫滩>槽滩>沟床,随着土层深度的增加碱性磷酸酶活性随之减少,冲积台地、高漫滩和沟床的碱性磷酸酶活性在不同土层间差异显著(P<0.05,下同),槽滩不同土层间差异不显著(P>0.05,下同)。0～20 cm土层冲积台地比高漫滩、槽滩和沟床的分别高15.92%、23.18%、23.88%,20～40 cm土层冲积台地比高漫滩、槽滩和沟床的分别高22.87%、23.32%、26.91%。

土壤脲酶是参与土壤氮素形式转化过程的关键酶,可以促进尿素在土壤中的水解并被植物吸收,其活性可以反映土壤供氮能力[24-25]。分析发现,脲酶活性在不同微地形和不同土层间无显著差异,且随着土层的加深呈降低趋势,同一土层深度下脲酶活性表现为冲积台地>高漫滩>槽滩>沟床。0～20 cm土层脲酶活性变化范围在0.99～1.18 mg/(g·24 h)之间,最大相差16.10%,20～40 cm土层脲酶活性变化范围在0.93～1.03 mg/(g·24 h),最大相差9.7%。

土壤过氧化氢酶广泛存在于土壤和生物体中,其活性与土壤微生物活动强弱及土壤有机质含量有关[26]。随着土层的加深,过氧化氢酶活性逐渐降低,同一土层深度下过氧化氢酶活性表现为沟床>槽滩>高漫滩>冲积台地,同一微地形不同土层间其活性差异不显著。不同微地形土壤过氧化氢酶活性在1.31～2.09 mL/(g·h)变化,其中0～20 cm土层沟床比槽滩、高漫滩和冲积台地的分别高3.35%、11.96%、35.89%,20～40 cm土层沟床比槽滩、高漫滩和冲积台地的分别高1.54%、32.82%、35.90%。表明,0～20 cm土层中各个微地形的过氧化氢酶活性差异较20～40 cm土层中各个微地形的过氧化氢酶活性差异大。

土壤过氧化物酶主要由微生物或植物所产生,它对于腐殖质的形成具有重要作用[27]。各微地形土壤过氧化物酶活性均表现为20～40 cm>0～20 cm土层;过氧化物酶活性在同一土层深度下为沟床>高漫滩>槽滩>冲积台地,随着土层的加深过氧化物酶活性随之升高,各微地形不同土层间土壤过氧化物酶差异显著。0～20 cm土层过氧化物酶活性变化范围在129.30～184.04 nmol/(h·g),最大相差29.74%,20～40 cm土层脲酶活性变化范围在235.16～327.73 nmol/(h·g),最大相差28.25%。

柱状图上不同大写英文字母表示差异显著。Different uppercase above the bar charts represent significant differences.图4 不同微地形土壤酶活性的变化Fig.4 Changes in soil enzyme activity in different micro-topography

2.3 土壤酶活性与土壤理化性质关系

为定量描述土壤理化性质与土壤酶活性的关系。采用地理探测器中的“因子探测”“交互探测”及“生态探测”[28]3个部分,对不同微地形的4种酶活性和9种土壤理化性质进行计算和分析。

2.3.1 因子探测 利用因子探测器探测土壤理化性质对4种土壤酶活性的解释力,用q值来度量解释力大小。因子探测结果表明,土壤理化性质对4种土壤酶活性的解释力存在差异(表4),但总体上全氮、有机质、碱解氮、土壤砾石含量和速效钾对各种酶活性空间分布均具有较强解释力。对碱性磷酸酶活性空间分异解释力较强的因子分别为全氮、有机质、速效磷以及碱解氮;脲酶的主要影响因子为全氮、有机质、全钾和土壤砾石含量;对过氧化氢酶与过氧化物酶活性解释力较大的4个因子为全氮、有机质、碱解氮、土壤砾石含量。全氮和有机质是影响4种酶活性空间分异的主要因子,但影响程度存在着差异,具体表现为有机质q值在酶活性的排序：脲酶>碱性磷酸酶>过氧化物酶>过氧化氢酶。全氮对脲酶的解释力为40.1%,显著高于对其他酶活性的解释力,主要是因为脲酶参与土壤氮素循环,是决定其转化的关键。土壤砾石含量对过氧化物酶活性的影响最大,对过氧化氢酶活性的影响最小;碱解氮与速效钾q值在酶活性的排序均为过氧化物酶>碱性磷酸酶>脲酶>过氧化氢酶。

2.3.2 交互作用探测 因子探测只能解释单个影响因子对土壤酶活性空间分异的影响程度,土壤酶在参与土壤物质转化和能量循环过程中,由多种土壤理化性质的共同交互作用决定其空间分布格局的。由图5的交互探测结果可知,对比单因子的影响力,任何2个因子的交互作用都会增强4种土壤酶活性空间分异的影响力,多数为非线性增强,少数为双线性增强,不存在相互独立作用。就碱性磷酸酶而言,AP和AK、TP两两之间的交互作用值最大,且AP与其他因子的相互作用值均大于0.262;对于脲酶,TK与AK的交互作用最强,与其他因子之间的交互作用值都不低于0.311;对于过氧化氢酶,AN与其余因子、TN∩SGC的交互作用明显高于其他因子的交互作用;对于过氧化物酶,SGC∩AP、SGC∩AN、SGC∩OM、SGC∩TN及AN∩AP的交互作用最强,q值分别为0.668、0.603、0.596、0.585和0.591。综上所述,土壤各理化性质之间的交互作用对于研究区土壤酶活性的空间分异具有重要影响。

2.3.3 生态探测 生态探测着重于比较2个影响因子对土壤酶活性空间分布的影响是否存在显著差异。使用显著性水平为0.05的t检验,如果显著,记为“Y”;如果不显著,记为“N”。本部分选取脲酶为例绘制图表进行生态探测器分析。从表5可知,土壤砾石含量与全氮对脲酶的空间分布呈显著差异,其余因子间的差异不显著;pH和有机质、全氮及全钾对脲酶的空间分布具有显著差异,与其他因子均无显著差异;有机质与全磷、速效磷对脲酶的空间分布具有显著差异;全氮除了与全钾对脲酶的空间分布无显著差异外,与其他因子均存在显著差异;全磷只与全钾对脲酶的空间分布具有显著差异,与其他因子均无显著差异;全钾与速效磷对脲酶的空间分布具有显著差异;碱解氮与速效磷与其他因子对脲酶的空间分布均不具有显著差异。

SGC.土壤砾石含量;OM.有机质;TN.全氮;TP.全磷;TK.全钾;AN.碱解氮;AP.速效磷;AK.速效钾;*代表双因子增强;无*代表非线性增强。SGC.Soil gravel content;OM.Organic matter：TN.Total nitrogen;TP.Total phosphorus;TK.Total potassium;AN.Hydrolyzed nitrogen：AP. Available phosphorus;AK.Available potassium;* indicated bivariate enhance,and no*indicated non-linear enhancet.图5 土壤酶活性影响因子的交互作用Fig.5 Interaction of influencing factors of soil enzyme activity

表5 土壤脲酶的生态探测结果

2.4 单一理化性质对土壤酶活性的影响

采用Canoco 5.0中的t-value双序图,选取影响土壤酶活性空间分异解释力前4的因子,深入分析单一理化性质对土壤酶活性的影响,结果如图6所示。某一酶活性的箭头完全落入某一影响因子的红圈内,则表示该酶活性与该影响因子呈显著正相关;若落入蓝圈内,则表示呈显著负相关[29]。图6-a为全氮与土壤酶活性的关系,红圈内为土壤碱性磷酸酶和脲酶,表明全氮与碱性磷酸酶、脲酶之间呈显著正相关,蓝圈内为过氧化氢酶,表明全氮与过氧化氢酶之间呈显著负相关。图6-b给出了碱解氮与土壤酶活性的关系,碱解氮与过氧化氢酶呈显著正相关,与脲酶呈显著负相关,与碱性磷酸酶、过氧化物酶呈负相关。对土壤砾石含量进行分析(图6-c)得出,土壤砾石含量与碱性磷酸酶呈显著正相关,与过氧化物酶呈显著负相关。速效钾与土壤酶活性关系如图6-d所示,碱性磷酸酶与过氧化氢酶均穿过红圈,表明速效钾与碱性磷酸酶、过氧化氢酶呈正相关,同时脲酶完全落入蓝圈中,过氧化物酶穿过蓝圈,说明速效钾与脲酶呈显著负相关,与过氧化物酶呈负相关。

图6 单一理化性质对土壤酶活性特征影响的t-value检验Fig.6 t-value test for the effect of single physical and chemical properties on soil enzyme activity characteristics

3 讨 论

3.1 不同微地形对土壤理化性质的影响

冲洪积扇地区海拔落差相对较小,植被垂直地带性现象不明显,与海拔梯度相比,微地形往往更能解释土壤空间异质性的内在机制。不同微地形的形态结构重新分配了局部生境中的太阳辐射、降水、枯落物贮存和矿质元素等,并通过调节降水入渗和土壤蒸发等作用,影响了其内部土壤温度、水分、养分等资源的空间分布,进而影响植被分布,反之植被又影响土壤养分积累和分布,两者相互影响、相互作用,使不同微地形呈现出不同的小生境。如卢纪元[6]和张宏芝[30]研究陕北黄土坡面不同微地形土壤理化性质发现与陡坎相比,切沟、塌陷土壤理化性质相对较好。吕仕洪等[31]和陈飞等[32]通过研究喀斯特石漠化山地不同微地形土壤理化性质,得出石缝土壤含水量、酸碱度以及有机质等土壤理化性质含量最高,土面最低。本研究发现不同微地形土壤理化性质在垂直空间分布上具有显著差异,具体表现为不同微地形0～20 cm土壤理化性质高于20～40 cm土壤(除土壤pH、全磷、全钾),这与雷斯越[33]的研究一致,可能是因为植物根系影响了土壤理化性质在垂直空间的分布,郝宝宝等[34]认为这是因为凋落物在土壤表层分解形成的有机质在降雨、地表径流等的作用下向深层土壤缓慢运移所致。土壤中有机质、全氮、碱解氮等养分含量均为冲积台地>槽滩,高漫滩>沟床,产生这一现象的原因可能有两点：一是砾石影响土壤养分含量。本研究中槽滩土壤几乎无砾石存在,沟床土壤砾石较多,但粒径较小,而冲积台地和高漫滩土壤砾石粒径较大,石缝空间狭小,受流水影响较小,土壤不易流失,从而使养分得到较好的保存,另外土壤有机质、全氮等由于大石块的存在而集中在细粒土部分,使冲积台地和高漫滩的土壤养分含量较高。二是灌丛的“肥岛”效应[35]。冲积台地和高漫滩的植被以灌丛为主,其强大的根系能大范围吸收水分和养分,使其成为土壤水分和养分的富集区,形成灌丛发展与土壤形态之间的正反馈效应。同时,灌丛能够截获土壤风蚀物质、降尘和自身凋落物,并通过根际沉积和分解被灌丛吸收,大气降尘或植物叶子分泌的有机物质也会被树冠截留并通过降雨和灌丛径流进入土壤[36]。另外,灌丛会形成较周围区域更温和的气候环境,是动物的理想栖息场所,其排泄物会加强土壤养分的富集,导致不同微地形土壤异质性增加[37]。土壤速效磷和速效钾含量则表现为高漫滩>槽滩>冲积台地>沟床,这可能与高漫滩和槽滩植被覆盖度相对较高有关。本研究中土壤pH、全磷、全钾含量在不同微地形和不同土层不具有显著性差异,其中pH在冲积台地、高漫滩、槽滩和沟床4种微地形土壤中都表现出弱碱性,且随着土层的加深有升高趋势,原因可能是冲积扇区雨水少、蒸发高,以草本为伴生种的植物群落根系多处于土壤表层等[38]。磷、钾元素主要来源于砾石的分化与矿物质的形成,由于一定区域内土壤母质基本相同,导致不同土壤深度、不同微地形之间磷素和钾素差异不大。

3.2 不同微地形土壤酶活性的变化

土壤酶通过影响有机质分解和养分循环,在全球生化物质的循环和能量交换中起重要作用,是土壤质量变化的敏感指标,能够反映生态系统的过程,被称作是综合了土壤微生物和理化性质等各项信息的“传感器”[39],其活性受土壤水分、温度以及pH等非生物因子和土壤微生物群落、地上植物群落和人为因素等生物因子的共同影响。微地形对土壤酶活性的影响主要通过影响非生物因子间接影响酶活性,安小菲等[40]研究了广西天坑坑坑内-坑口-坑外3种微地形土壤酶活性,廖全兰等[41]对茂兰喀斯特森林漏斗、槽谷、坡地3种微地形土壤酶活性进行了研究,李洪勋等[42]探讨了云贵高原山区坡地、台地以及坝地等微地形的土壤酶活性,结果表明,不同微地形土壤酶活性不同。本研究发现贺兰山东麓冲积扇区不同微地形土壤酶活性高低均存在一定差异,从土壤酶活性的空间分布来看,碱性磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶和过氧化物酶均呈明显的垂直分布现象,具体表现为各微地形除过氧化物酶外,其余3种酶活性随土层深度的增加逐渐降低,这与魏孝荣等[43]的研究结果一致。土层由上至下,可延伸到深处的根系逐渐减少,土壤变紧实,通气性、透水性减弱,可分解利用的凋落物及腐殖质含量变少,酶活性降低。过氧化物酶活性在各个微地形均表现为20～40 cm高于0～20 cm土层,且两种土层深度下过氧化物酶活性差异明显,原因可能是深根灌丛植物正处在生长旺盛阶段,根系生物量以及分泌物较高,增加了土壤养分水平,为部分土壤微生物提供了适宜的生长环境,使其代谢较活跃[44]。在不同微地形,碱性磷酸酶和脲酶活性为冲积台地最高,沟床最低,过氧化氢酶和过氧化物酶活性表现为沟床最高,冲积台地最低,这可能是由于研究区土壤有机质、全氮和其他土壤养分相对较高,加上土壤微生物活动旺盛,土壤碱性磷酸酶、脲酶活性较大。沟床地表砾石粒径较小,覆盖率较高,减少了土壤与外界的交流,对土壤中的根际微生物区系具有改善作用,还可以增加各类微生物数量,从而增强过氧化物酶活性。

3.3 不同微地形土壤理化性质和土壤酶活性的关系

土壤砾石含量、C、N、P 等理化性质等可以通过改变土壤的通气状况、物质循环、能量流动和新陈代谢等直接或间接地影响酶活性的变化。土壤砾石对土壤温度、水分的影响有差异,良好的水热条件可增强微生物活动强度,释放更多的酶。土壤充足的养分一方面可为植物提供更多可吸收的营养物质,使植物根系分泌出更多的酶,另一方面又可直接为酶活性提供足够的酶促反应底物,增强酶活性,酶活性又可表征土壤养分状况,二者相互联系、相互作用。大量研究表明,土壤酶活性与土壤理化性质之间具有相关性,如张琳等[45]研究表明土壤有机质、pH、全氮、碱解氮等理化性质与土壤酶活性间具有明显的关系。崔晓晓等[46]研究则表明,脲酶、碱性磷酸酶与土壤有机质、氮、磷、钾呈极显著相关,但这两种酶和过氧化氢酶均与土壤酸碱值呈负相关。本研究利用地理探测器对贺兰山东麓冲积扇区不同微地形土壤理化性质与酶活性关系进行分析,因子探测结果表明,土壤有机质和全氮是影响4种酶活性空间分异的主要因子,说明有机质不仅是土壤酶促底物的主要供源,而且累积在其中的氮还关系到酶进入土壤中的量[47]。土壤砾石含量、碱解氮和速效钾对4种土壤酶活性空间分异也发挥着关键作用,进一步说明冲积扇区土壤酶活性与土壤理化性质二者相互耦合,共同参与作用于冲积扇区养分循环过程。交互探测器和生态探测器结果表明,土壤各理化性质的交互作用影响较单因子解释力均有较大幅度的提升,说明在分析区域土壤酶活性的空间分异时不能仅考虑单因子的影响,各元素的相互作用制约着土壤酶活性的空间变异性。另外,冗余分析表明,全氮是影响土壤酶活性的最重要因子,但一些学者发现土壤pH和水分也是影响土壤酶活性变化的主要因素[48-49]。现阶段,对土壤理化性质与酶活性两者之间关系的研究较多,但得出的结论不尽相同[50],可能是因为不同地区、不同微地形的土壤水热条件、理化性质以及植被各异,导致土壤酶活性与理化性质之间的关系具有较大差异。因此,结合当地土壤水热条件和植被分布等来探讨土壤酶活性与理化性质的关系可作为下一步的研究方向。

4 结 论

(1)贺兰山东麓冲积扇区土壤理化性质存在显著差异,在垂直空间上,除土壤pH、全磷和全钾差异不显著外,土壤砾石含量、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量均表现出随土壤剖面的加深而降低的趋势。在不同微地形,土壤砾石、全氮、碱解氮、速效磷及速效钾含量均为冲积台地>槽滩,高漫滩>沟床,土壤pH、全磷和全钾在不同微地形无明显变化。

(2)贺兰山东麓冲积扇区土壤酶活性同样存在显著差异,从空间分布来看,土壤碱性磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶和过氧化物酶均呈现明显的垂直分布现象,具体为碱性磷酸酶、脲酶与过氧化氢酶活性在0～20 cm均高于20～40 cm土层,过氧化物酶相反。不同微地形土壤酶活性表现为碱性磷酸酶和脲酶冲积台地最高,沟床最低,过氧化氢酶和过氧化物酶为沟床最高,冲积台地最低。

(3)地理探测器探测结果表明,土壤理化性质对酶活性的作用强弱不尽相同。其中,从因子探测结果可知,全氮对土壤酶活性空间分异独立解释力最显著,有机质次之,再次是碱解氮和土壤砾石含量,且全氮、有机质、碱解氮、土壤砾石含量的独立解释力均在0.10以上;从交互探测结果可知,交互作用解释力均呈现增强效应,主要为非线性增强或双线性增强,不同酶活性空间分异的主导交互作用因子不同。总之,研究区不同微地形土壤酶活性空间分异是各土壤理化性质共同作用的结果,不同因子对土壤酶活性的影响程度不尽相同,揭示了土壤理化性质与土壤酶活性关系的复杂性及酶活性空间分布变异影响因子的多样性。

(4)冗余分析表明,全氮、碱解氮、土壤砾石和速效钾是影响贺兰山东麓冲积扇区土壤酶活性变化的主要指标,重要性大小排序为全氮>碱解氮>土壤砾石>速效钾。