增溫和牦牛排泄物輸入對沼澤土壤酶活性的影響

付 倩,鄭榮波,方 昕,郭雪蓮,*

1 西南林業(yè)大學(xué)濕地學(xué)院,昆明 650224

2 國家高原濕地研究中心,昆明 650224

3 西南林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,昆明 650224

土壤酶是驅(qū)動土壤物質(zhì)循環(huán)過程的重要因素[1],是土壤中生物化學(xué)過程的主要參與者,是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程中最活躍的生物活性物質(zhì)之一[2]。土壤酶調(diào)控濕地土壤碳、氮、磷循環(huán)過程,不僅影響濕地初級生產(chǎn)力,還影響濕地溫室氣體排放,關(guān)系到全球氣候變化。土壤酶是一種活性的蛋白質(zhì),其活性很容易受到環(huán)境中物理、化學(xué)及生物因素影響,對自然和人為因素引起的變化非常敏感。

滇西北地處少數(shù)民族聚集的農(nóng)牧交錯帶,是云南高原濕地的集中分布區(qū),當(dāng)?shù)貙τ跐竦刭Y源利用的主要途徑是放牧。位于滇西北核心的納帕海濕地是我國低緯度高海拔的獨(dú)特類型,是滇西北地區(qū)受放牧干擾最為典型和嚴(yán)重的區(qū)域,當(dāng)?shù)刂饕拍令愋蜑殛笈７拍?。牦牛放牧?xí)竦赝寥喇a(chǎn)生重要影響[3]。同時,納帕海濕地還受到氣候變暖的影響,在過去的60年里,香格里拉年均溫以每10年0.37℃的速度增長[4],且與低海拔地區(qū)相比,高海拔地區(qū)對氣候變化更敏感[5]。根據(jù)IPCC的氣候模式預(yù)測,到2100年,全球溫度將上升1.4—5.8℃[6]。放牧和氣候變暖將改變土壤溫度,影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與活性、植物群落和土壤動物活動,從而改變土壤酶的質(zhì)和量,最終影響土壤酶活性[7- 8]。近年來,已有學(xué)者開展了一些關(guān)于增溫對森林、草地、濕地土壤理化性質(zhì)和酶活性[6, 9- 11]、放牧中牲畜活動對土壤理化性質(zhì)、土壤微生物群落及土壤酶活性的影響[2, 12- 15]研究,但對放牧過程中排泄物輸入對土壤酶活性的影響關(guān)注較少,且僅限于草地生態(tài)系統(tǒng)。關(guān)于氣候變暖和牦牛排泄物輸入對濕地土壤酶活性的影響尚不清楚。本研究選取滇西北高原納帕海典型沼澤土壤為研究對象,采用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn),研究增溫和牦牛排泄物輸入對沼澤土壤理化性質(zhì)和酶活性的影響,為氣候變化和放牧對濕地生態(tài)系統(tǒng)影響研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在滇西北高原的納帕海國際重要濕地(99°37′10.6″—99°40′20.0″E,27°48′55.6″—27°54′28.0″N)內(nèi),行政上隸屬云南省迪慶藏族自治州香格里拉市,距市區(qū)8 km,平均海拔3260 m。納帕海濕地地處青藏高原與亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)和中南半島熱帶季風(fēng)區(qū)的結(jié)合部,具有高寒、年均溫低、霜期長、氣溫年較差和日較差大、干濕季節(jié)分明等特點(diǎn)。年均溫為5.4℃,年降水量為619.9 mm,主要集中在6—8月[3]。土壤采樣區(qū)位于納帕海哈木谷村附近,土壤類型為沼澤土,植物包括早熟禾(Poaannua)、小苔草(Carexparva)、云霧苔草(Carexnubigena)、木里苔草(Carexmuliensis)等[16]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 樣品采集

于2018年4月中旬,依據(jù)典型性和代表性原則,在納帕海哈木谷村附近選擇典型沼澤濕地為研究區(qū),研究區(qū)內(nèi)設(shè)置3塊10 m×10 m的樣地,每個樣地內(nèi)根據(jù)五點(diǎn)取樣法進(jìn)行取樣。取樣時去除地表覆蓋物后用鏟進(jìn)行土壤取樣,采集0—10 cm土層土壤樣品并充分混合,鮮土放恒溫箱內(nèi)帶回。于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對取回的土壤樣品預(yù)處理,手工剔除土壤中的植物根系等雜質(zhì)。

隨機(jī)選取6頭研究區(qū)域附近牧民放養(yǎng)的牦牛進(jìn)行標(biāo)記,在放牧結(jié)束后圈禁被標(biāo)記的牦牛,于第二天早上在牧民的幫助下收集新鮮牦牛糞便和尿液,收集的牦牛糞便和尿液盛于事先滅菌的塑料桶,帶回實(shí)驗(yàn)室于-20℃儲存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)定3個溫度處理：13℃(香格里拉7月平均溫)、19℃(香格里拉7月最高溫)[4]、25℃；每個溫度處理下設(shè)置對照(CK)、牦牛糞便輸入(F)、牦牛尿液輸入(U)處理,每組3個重復(fù)。根據(jù)Lovell R D的方法[17],按照野外實(shí)際調(diào)查統(tǒng)計(jì)設(shè)置糞便添加量；根據(jù)van Groenigen等[18]的報(bào)道設(shè)置尿液添加量。本實(shí)驗(yàn)每個糞便處理(F)加入114.23 g新鮮牦牛糞便,每個尿液處理(U)加入15.56 mL尿液。將預(yù)處理后的土壤于室溫下風(fēng)干,過2 mm篩,稱取100 g風(fēng)干土于500 mL的具塞玻璃三角瓶中,調(diào)節(jié)土壤含水率至田間持水量的60%左右,置于恒溫培養(yǎng)箱(25℃)避光孵化一周后添加排泄物,完成排泄物添加后分別置于13℃、19℃、25℃條件下避光培養(yǎng),在培養(yǎng)第31天取樣進(jìn)行土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性的測定。

表1 牦牛排泄物和沼澤土壤理化性質(zhì)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

土壤含水率采用重量法測定,土壤pH值用玻璃電極(STARTER 300, 上海)測定(土水比1∶5, W/V),土壤銨態(tài)氮及硝態(tài)氮采用1 mol/L KCL浸提法(土水比1∶10, W/V),浸提液使用連續(xù)流動分析儀(SKALAR SAN++, 荷蘭)測定,土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定,土壤全氮采用H2SO4-H2O2消煮法,消煮液采用流動分析儀測定,土壤總有機(jī)碳(Total organic carbon,TOC)采用總有機(jī)碳分析儀(Vario, 德國元素)測定。蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定,脲酶采用靛酚比色法測定,酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定,過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定[19- 20]。

2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel及SPSS 20.0進(jìn)行處理,對土壤理化性質(zhì)及酶活性數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差分析,酶活性數(shù)據(jù)用SigmaPlot 10.0作圖。用Canoco 4.5對土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性進(jìn)行冗余分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 增溫和排泄物輸入對沼澤土壤理化性質(zhì)的影響

如表2 所示,增溫對CK土壤含水率影響顯著(P<0.05),表現(xiàn)為含水率隨溫度的升高而降低；增溫對排泄物輸入處理的含水率影響不顯著(P>0.05)。增溫對CK和排泄物處理土壤pH的影響表現(xiàn)為13℃>25℃>19℃。增溫對CK和排泄物處理土壤有機(jī)碳、全氮、有效磷含量影響不顯著(P>0.05),但對排泄物處理土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量影響顯著(P<0.05)。

表2 增溫和排泄物輸入處理對土壤理化性質(zhì)的影響

13℃和25℃處理下,排泄物輸入對土壤含水率有顯著影響(P<0.05)。不同溫度處理下,排泄物輸入均對土壤pH影響顯著(P<0.05)。不同溫度處理下土壤總有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為F>CK>U,且F顯著高于CK和U處理(P<0.05)。排泄物輸入處理對土壤總氮含量無顯著影響(P>0.05)。不同溫度處理下土壤有效磷含量均表現(xiàn)為F處理顯著高于CK和U(P<0.05)。U處理顯著增加土壤銨態(tài)氮含量,13℃和19℃處理下,土壤銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為U>F>CK,但F和CK無顯著差異；25℃處理下,土壤銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為U>CK>F,而F和CK差異不顯著,表明排泄物輸入與增溫對土壤產(chǎn)生交互作用。排泄物輸入對土壤硝態(tài)氮含量影響顯著(P<0.05),不同溫度處理下均表現(xiàn)為U>CK>F。

通過雙因素方差分析可知,增溫對土壤pH、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量影響極為顯著(P<0.01),排泄物輸入對土壤含水率、pH、硝態(tài)氮、有效磷和總有機(jī)碳含量影響極為顯著(P<0.01)。增溫和排泄物輸入的交互作用對土壤TOC影響顯著(P<0.05),對土壤pH、銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量影響極為顯著(P<0.01)(表3)。

表3 增溫和排泄物輸入對土壤理化性質(zhì)的雙因素方差分析(P 值)

3.2 增溫和排泄物輸入對沼澤土壤酶活性的影響

3.2.1 增溫對土壤酶活性的影響

增溫對CK的蔗糖酶和酸性磷酸酶活性影響顯著(P<0.05),蔗糖酶活性表現(xiàn)為25℃>13℃>19℃,酸性磷酸酶活性表現(xiàn)為隨溫度升高而增強(qiáng)；增溫對F處理的脲酶和過氧化氫酶活性影響顯著(P<0.05),脲酶活性和過氧化氫酶活性表現(xiàn)為13℃>25℃>19℃；增溫對U處理的酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性影響顯著(P<0.05),酸性磷酸酶活性隨溫度的升高而降低,過氧化氫酶活性表現(xiàn)為13℃>25℃>19℃。

3.2.2 排泄物輸入對土壤酶活性的影響

F處理顯著提高了土壤脲酶、蔗糖酶與過氧化氫酶的活性(P<0.05)。與CK相比,F處理在13℃、19℃、25℃下蔗糖酶活性分別提高了1.06倍、2.53倍、0.56倍,脲酶活性分別提高了7.48倍、4.69倍、5.36倍,過氧化氫酶分別提高了3.61倍、1.67倍、2.10倍。13℃處理下,F處理顯著提高酸性磷酸酶活性(P<0.05),而25℃下F處理顯著降低酸性磷酸酶的活性(P<0.05)。

U處理對土壤酶活性的影響小于F處理。與CK相比,U處理對土壤蔗糖酶影響不顯著(P>0.05)；U處理顯著提高土壤脲酶活性(P<0.05),在13℃、19℃、25℃下分別提高2.54倍、2.93倍、1.86倍；U處理對土壤酸性磷酸酶活性的影響因溫度不同而不同,在13℃處理下顯著提高酸性磷酸酶活性(P<0.05),25℃處理下顯著降低酸性磷酸酶活性(P<0.05),19℃處理下對土壤酸性磷酸酶活性影響不顯著(P>0.05)；13℃處理下U處理顯著提高過氧化氫酶活性(P<0.05),19℃和25℃處理下U處理對過氧化氫酶活性影響不顯著(P>0.05)。

圖1 增溫和牦牛排泄物輸入對土壤酶活性的影響

通過雙因素方差分析可知,增溫對過氧化氫酶活性影響極為顯著(P<0.01),排泄物輸入對蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶活性影響極為顯著(P<0.01),增溫和排泄物輸入交互作用顯著影響蔗糖酶活性(P<0.05),對脲酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性均影響極為顯著(P<0.01)(表4)。

表4 增溫和牦牛排泄物輸入對土壤酶活性影響的雙因素方差分析(P值)

3.3 增溫和排泄物輸入影響下土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性的關(guān)系

如圖2,根據(jù)冗余分析(Redundancy analysis,RDA)分析可知,軸一解釋度為98.2%,表明第一軸環(huán)境變量是影響土壤酶活性的主要因素。土壤脲酶、過氧化氫酶活性與土壤含水率、pH、土壤有效磷以及土壤有機(jī)碳、總氮含量呈正相關(guān)關(guān)系,與土壤銨態(tài)氮含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；蔗糖酶與土壤含水率、pH、土壤有效磷含量以及土壤有機(jī)碳含量正相關(guān),與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮負(fù)相關(guān)；土壤酸性磷酸酶與土壤理化性質(zhì)無顯著相關(guān)關(guān)系。

圖2 土壤理化性質(zhì)與酶活性的冗余分析

4 討論

4.1 增溫和排泄物輸入對土壤理化性質(zhì)的影響

增溫對土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的影響顯著,因?yàn)樵鰷貢铀偻寥烙袡C(jī)氮的礦化過程,使得土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量發(fā)生改變[21]。增溫對土壤pH影響顯著,其原因主要是溫度升高后,土壤鹽溶液的濃度和可交換陽離子會發(fā)生改變,進(jìn)而影響土壤的pH[22- 23]。

排泄物輸入對土壤含水率、pH、硝態(tài)氮、有效磷和總有機(jī)碳含量影響極為顯著。本研究排除了牦牛取食、活動等因素的影響,牦牛排泄物可視作有機(jī)肥輸入,有機(jī)肥輸入可改善土壤理化性狀,如提高土壤含水率、pH、土壤有效磷、有機(jī)碳含量[24- 25]。牦牛排泄物提高土壤含水率主要是因?yàn)殛笈Ｄ蛞禾幚頌橐后w輸入,使得土壤含水率高,而新鮮牦牛糞便含水率高,混入土壤后使得土壤含水率升高。牦牛糞便處理顯著提高了土壤的pH,原因有三個方面：一是因?yàn)殛笈＜S便有機(jī)質(zhì)分解過程中,有機(jī)質(zhì)中活性有機(jī)N的氨化和脫羧過程導(dǎo)致H+的消耗,從而使土壤pH升高；二是土壤pH會受到水分條件的影響,牦牛糞便輸入使得土壤含水率升高,土壤中的電解質(zhì)被稀釋,更多的陽離子進(jìn)入到土壤中,導(dǎo)致土壤pH升高[26]；三是牦牛糞便本身pH較高(7.99),可中和土壤原始的較低pH(5.13)[27],因?yàn)樯竽蛞狠斎霑?dǎo)致土壤酸化,所以牦牛尿液處理未使土壤pH升高[27]。牦牛糞便處理降低了土壤無機(jī)氮含量,是由于土壤氮礦化速率和硝化速率與土壤pH呈顯著正相關(guān)關(guān)系[16],較高的pH促進(jìn)土壤氮的礦化和硝化,導(dǎo)致土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量減少,且牦牛糞便輸入使土壤pH升高到6.5左右,有研究表明,土壤pH為6.5左右時,氨氧化速率最高[28]。而尿液處理組pH較低,使得銨態(tài)氮大量累積。

4.2 增溫和排泄物輸入對土壤酶活性的影響

土壤地球化學(xué)循環(huán)過程中,碳、氮、磷的循環(huán)過程是其重要的組成部分。蔗糖酶可促進(jìn)土壤中的糖類水解,加速土壤氮素循環(huán)；脲酶參與土壤含氮有機(jī)物的轉(zhuǎn)化,其活性常用來表征土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度,與氮素供應(yīng)呈正相關(guān)關(guān)系；磷酸酶可促進(jìn)有機(jī)磷化合物的分解,增加土壤磷素及易溶性營養(yǎng)物質(zhì)；過氧化氫酶可表征土壤腐殖化強(qiáng)度和有機(jī)質(zhì)積累程度[29- 30]。

隨著溫度的升高,土壤蔗糖酶及土壤酸性磷酸酶活性逐漸增大,由于在增溫過程中,其溫度更接近于酶的最適溫度,酶活性增強(qiáng),加速土壤碳素循環(huán),促進(jìn)有機(jī)磷化合物的分解[2, 31]。而土壤脲酶及過氧化氫酶活性則表現(xiàn)為13℃>25℃>19℃,表明增溫將降低脲酶和過氧化氫酶的活性,抑制土壤含氮有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致土壤腐殖化強(qiáng)度和有機(jī)質(zhì)積累程度降低[2]。除過氧化氫酶外,溫度對土壤酶活性的影響不顯著,可能存在兩點(diǎn)原因：一是增溫培養(yǎng)時間不足,土壤酶主要來自于土壤微生物的分泌,雖然土壤微生物對環(huán)境變化敏感,但土壤微生物合成酶需要一定過程,所以土壤酶對環(huán)境條件變化的響應(yīng)存在延遲。二是土壤酶的溫度敏感性不高,秦紀(jì)洪[32]及Razavi B S[33]研究表明土壤酶活性在低溫下溫度敏感性高,在較高溫度下溫度敏感性較低,本實(shí)驗(yàn)中設(shè)置培養(yǎng)溫度處于土壤酶活性溫度敏感性較低的區(qū)間,所以培養(yǎng)溫度的變化對其影響較小。而土壤酸性磷酸酶主要來源于真菌群落,而真菌群落在低溫環(huán)境下活性較高[32],酸性磷酸酶受到真菌群落活性的限制,故增溫處理對酸性磷酸酶活性影響較小。

排泄物輸入對蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶活性影響極為顯著,主要因?yàn)殛笈＜S便輸入顯著影響了土壤中有機(jī)質(zhì)的含量,有機(jī)質(zhì)為土壤微生物的分解底物,在一定條件下,分解底物含量越豐富,會促進(jìn)土壤微生物的生長和土壤酶的分泌[25],且牦牛排泄物輸入均顯著提高了土壤含水率,土壤水分有利于養(yǎng)分和底物的擴(kuò)散,使得酶活性增強(qiáng)。

4.3 增溫和排泄物輸入處理下土壤理化性質(zhì)與酶活性的關(guān)系分析

增溫和排泄物交互作用對土壤理化性質(zhì)和酶活性影響顯著,主要由于兩者交互作用改變土壤的水氣熱條件,使得土壤生物化學(xué)循環(huán)過程發(fā)生改變,進(jìn)而改變土壤理化性質(zhì)和酶活性。本研究發(fā)現(xiàn)土壤含水率、pH、有效磷、總有機(jī)碳與土壤脲酶、過氧化氫酶及蔗糖酶活性大小呈顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤水分含量能夠限制土壤養(yǎng)分和分解底物的擴(kuò)散,而底物的擴(kuò)散會影響土壤酶活性[34],土壤總有機(jī)碳是土壤酶的利用底物,所以與酶活性密切相關(guān)。土壤酶都有其適宜的pH范圍(一般為4.0—8.0)[7]和適宜溫度區(qū)間,在適宜區(qū)間內(nèi)活性會隨pH的增大而增大。

5 結(jié)論

(1)增溫影響濕地土壤理化性質(zhì)和酶活性,主要表現(xiàn)為土壤pH隨溫度升高而呈降低趨勢,較低幅度增溫(19℃)顯著降低土壤的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量和過氧化氫酶活性,而較高增溫幅度(25℃)對土壤理化性質(zhì)和酶活性影響不顯著。

(2)牦牛糞便顯著提高土壤水分含量、pH、TOC、有效磷含量,顯著降低硝態(tài)氮含量,顯著促進(jìn)蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性；牦牛尿液輸入顯著提高土壤含水率和硝態(tài)氮含量,并提高脲酶活性。牦牛排泄物輸入短期內(nèi)可增加土壤有效養(yǎng)分。

(3)增溫和排泄物交互作用削弱了增溫或排泄物單獨(dú)作用對土壤理化性質(zhì)的影響,削弱了排泄物單獨(dú)作用對土壤蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶活性的影響,增強(qiáng)了對土壤酸性磷酸酶活性的影響。