墾殖對川西北高寒草地土壤酶活性的影響

吳同輝，胡玉福*，楊澤鵬，舒向陽，李 杰，楊雨山，李 智，余 穎，何 佳

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130；2.成都信創(chuàng)置業(yè)有限公司，成都 610095）

草地約覆蓋了地球40%以上的陸地表面[1]，不僅是重要的陸地碳庫，且對于生物多樣性的保護也有著重要意義[2]。將草地大量開墾為耕地有利于地區(qū)糧食產(chǎn)量的增加和經(jīng)濟的增長，在我國，目前約有18.2%的耕地來源于草地開墾[3]。近年來，由于開墾等人為活動所造成的草地退化和沙化面積逐年增大[4]，因此深入開展草地開墾對土壤性質(zhì)影響的研究十分必要。

土壤酶是生態(tài)系統(tǒng)中驅(qū)動元素循環(huán)的生物催化劑，也是土壤質(zhì)量評價的重要生物學(xué)指標之一[5]。如淀粉酶（EC）分解不溶水的淀粉組分增加土壤中的易溶性有機碳[6]，而蔗糖酶（S-SC）能夠催化β-D-呋喃果糖苷鍵水解，這兩種酶都參與土壤中碳水化合物的轉(zhuǎn)化過程。過氧化物酶（POD）、土壤多酚氧化酶（PPO）主要參與木質(zhì)素、酚類物質(zhì)的降解，促進土壤腐殖質(zhì)的形成[7]，其活性反映了土壤腐殖質(zhì)化程度[8-9]。因此，這些酶活性可土壤有機碳（SOC）分解強度的評判指標之一[8，10]，研究土壤酶活性有利于更好地了解墾殖后土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化的情況。

迄今，有關(guān)開墾對草地土壤性質(zhì)的研究主要集中在干旱和半干旱區(qū)[5，11-14]。例如，Qi Y.C.等[11]的研究發(fā)現(xiàn)，草地墾殖36 a后，0～100 cm土層的總SOC濃度下降了12.3%～28.2%。劉洪來等[12]研究表明，草地開墾導(dǎo)致土壤表層（0～20 cm）有效態(tài)銅、鋅含量分別上升8.8%和16.4%,鐵、錳、硼和鉬元素含量下降16.4%～28.1%。劉任濤等[13]在內(nèi)蒙古奈曼旗的研究發(fā)現(xiàn)，草地開墾降低了土壤節(jié)肢動物個體數(shù)、豐富度、多樣性和生物量。李愈哲等[14]在內(nèi)蒙古錫林郭勒的研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)的日均碳交換在墾殖后顯著下降了56%。劉爽等[5]在晉西北丘陵區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，土壤過氧化氫酶活性、土壤蔗糖酶活性、土壤脲酶活性和土壤磷酸酶活性在荒地開墾后顯著增加。然而，有關(guān)川西北高寒地區(qū)墾殖對土壤酶活性影響的研究鮮有報道。

川西北高寒草地位于青藏高原東部邊緣半濕潤地區(qū)，是我國長江、黃河上游重要的水源涵養(yǎng)地，也是中國最大的高原泥炭沼澤濕地，其對生態(tài)環(huán)境安全的維護有著重要作用[15-16]。該區(qū)高寒草地土壤肥力高，是我國最優(yōu)質(zhì)的天然草地分布區(qū)之一。近幾十年來，由于經(jīng)濟高速發(fā)展和人口快速增長，受經(jīng)濟利益驅(qū)動，部分天然高寒草地被人為開墾種植經(jīng)濟效益較高的蔬菜。由于蔬菜對土壤養(yǎng)分的消耗較大，且高寒草地生態(tài)環(huán)境惡劣，土壤環(huán)境極其脆弱，墾殖必將對土壤生態(tài)功能產(chǎn)生重大影響。因此，本文擬采用空間代替時間的方法，對不同墾殖年限川西北高寒草地SOC含量、土壤微生物量碳（MBC）含量、S-SC活性、EC活性、POD活性和PPO活性變化特征進行研究，揭示高寒草地墾殖時長對土壤碳分解相關(guān)生態(tài)功能的影響，為該區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)的保護提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省阿壩藏族羌族自治州紅原縣瓦切鄉(xiāng)，平均海拔3 600 m以上。地勢由東南向西北傾斜，地貌具有山原向丘狀高原過渡的典型特征。氣候?qū)俅箨懶愿咴疁貛Ъ撅L(fēng)氣候，年均氣溫1.1℃，年均日照時間2 417 h，年均降雨量753 mm，降雨主要集中于5—8月，年均積雪期76 d，無絕對的無霜期。土壤類型以亞高山草甸土為主。植被以華扁穗草（Blysmus sinocompressus）、垂穗披堿草（E-lymus sibiricus）、賴草（Leymus secalinus）等為主。土地利用現(xiàn)狀主要是牧草地，牲畜主要為牦牛（Bos mutus）。近年來，由于受經(jīng)濟利益驅(qū)動，部分天然草地被開墾種植大白菜（Brassica rapa pekinensis）、馬鈴薯（SolanumtuberosumL.）和萵苣（LactucasativaLinn.）等蔬菜。

1.2 土樣采集

于2015年11月，在紅原縣瓦切鄉(xiāng)對墾殖草地種植蔬菜的農(nóng)戶進行實地調(diào)查，同時保證研究地條件（如地形、坡度和種植蔬菜）基本一致的基礎(chǔ)上，采用空間代替時間的方法，分別選擇墾殖年限為3、10、16、27和40 a的耕地為研究對象，以耕地附近未墾殖的天然高寒草地為對照（CK）。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于該區(qū)域草地土壤肥沃，農(nóng)戶在種植馬鈴薯和大白菜的過程中未進行施肥。試驗地種植馬鈴薯（青海大學(xué)清二號）和大白菜（西北農(nóng)林科技大學(xué)二號），種植深度為8和5 cm，行距為50和70 cm，株距為25和50 cm。馬鈴薯一般于4月種植，7月收獲。大白菜一般于7月種植，10月收獲。

土壤采樣時每個年限耕地設(shè)置3個10 m×10 m樣地，每個樣地內(nèi)隨機設(shè)置5個采集點，并分0～20、20～40和40～60 cm 3個土層進行采樣。采集的新鮮土壤樣品剔除根系、石塊等雜物后，一部分過2 mm篩后，放置4℃下保存，用于土壤酶活性和MBC含量的測定，一部分自然風(fēng)干，用于SOC含量的測定。

1.3 測定方法

SOC含量采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化法測定[17]；MBC含量采用氯仿熏蒸法測定[18]；S-SC活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定[19]274-276；EC活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定[19]278-280；POD活性采用鄰苯三酚比色法測定[19]328-329；PPO活性采用鄰苯三酚比色法測定[19]323-325。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用SPSS 19.0和Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和繪圖。對試驗數(shù)據(jù)進行描述性分析采樣計算均值和標準差（standard deviation，SD）。對不同墾殖年限下SOC含量、MBC含量、S-SC活性、EC活性、POD活性和PPO活性的差異評價使用單因素方差分析（one-way analysis of variance，ANOVA）和最小顯著性差異分析（least significant difference，LSD）（P<0.05），相關(guān)分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)衡量。

2 結(jié)果與分析

2.1 墾殖對土壤有機碳含量和土壤微生物量碳含量的影響

隨墾殖年限增加，不同土層深度SOC和MBC含量均出現(xiàn)顯著下降趨勢（P<0.05）（表1）。SOC和MBC含量在不同墾殖年限間差異顯著。墾殖前3 a SOC和MBC含量的下降最為明顯，隨墾殖年限增加損失速率逐漸減緩。SOC和MBC含量在0～20 cm土層下降最明顯，經(jīng)過40 a的墾殖，SOC和MBC含量較CK顯著下降了74.11%和80.33%（P<0.05），隨著土層深度的加深，其下降的速度和幅度逐漸減弱。結(jié)果表明，墾殖導(dǎo)致SOC和MBC含量顯著降低，尤其是在0～3 a和0～20 cm土層。

表1 不同墾殖年限土壤有機碳含量和土壤微生物量碳的變化Table 1 Changes in soil organic carbon content and soil microbial biomass carbon with reclamation years

2.2 墾殖對土壤蔗糖酶活性和土壤淀粉酶活性的影響

隨墾殖年限增加，不同土層深度S-SC和EC活性均呈顯著遞減趨勢（P<0.05）（圖1）。S-SC和EC活性在不同墾殖年限間差異顯著，隨墾殖年限增加，其下降速率呈現(xiàn)出減緩趨勢。此外，S-SC和EC活性在0～20 cm土層的變化最顯著，墾殖40 a后，S-SC和EC活性較CK分別降低了57.01%和50.47%（P<0.05），隨著土層深度增加，變化趨勢逐漸減緩。結(jié)果表明，墾殖導(dǎo)致S-SC和EC活性顯著降低，且在各個土層上，不同墾殖年限間S-SC和EC活性的變化差異是顯著的，特別是在0～20 cm土層。

圖1 不同墾殖年限土壤蔗糖酶活性和土壤淀粉酶活性的變化Figure 1 Changes in soil sucrase activity and soil amylase activity with reclamation years

2.3 墾殖對土壤過氧化物酶活性和土壤多酚氧化酶活性的影響

隨墾殖年限增加，不同土層深度POD和PPO活性均呈顯著增加趨勢（P<0.05）（圖2）。POD和PPO活性在不同墾殖年限間差異顯著，隨墾殖年限增加，其增加速率逐漸減緩。此外，POD和PPO活性在0～20 cm土層的變化最顯著，墾殖40 a后，POD和PPO活性較CK分別增加了275.62%和40.00%（P<0.05）。隨著土層深度增加，變化趨勢逐漸減緩。結(jié)果表明，墾殖引起POD和PPO活性顯著增加，且在各個土層上，不同墾殖年限間POD和PPO活性的變化差異是顯著的，特別是在0～20 cm土層。

圖2 不同墾殖年限土壤過氧化物酶活性和土壤多酚氧化酶活性的變化Figure 2 Changes of soil peroxidase activity and soil polyphenol oxidase activity after different cultivation years

2.4 土壤有機碳與土壤酶活性的相關(guān)分析

由表2可知，S-SC和EC活性與SOC和MBC含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。而POD和PPO活性與SOC和MBC含量呈負相關(guān)關(guān)系，但未達到顯著水平（P<0.05）。

表2 土壤有機碳與土壤酶活性的相關(guān)分析Table 2 Relationship between soil organic carbon and soil enzyme activity

3 討論

SOC能夠?qū)ν寥揽紫抖?、土壤通氣性等土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生一定的改善作用，同時其作為土壤微生物、土壤酶和土壤礦物質(zhì)的有機載體，是土壤中必不可少的組分之一[20]。MBC作為土壤中微生物生物量反映的是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的組分，不僅參與了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、有機物代謝及污染物降解，并且能迅速反映出土壤環(huán)境中的微小變化，對于監(jiān)測土壤環(huán)境變化的有著重要意義[21]。本研究發(fā)現(xiàn)川西北高寒草地墾殖為耕地后，SOC和MBC含量顯著下降（P<0.05），特別是近地表土壤，這與前人的研究結(jié)果類似[22-24]。這可能由于墾殖后，農(nóng)戶在耕作過程中多次對較深土層進行翻耕，導(dǎo)致原草地較深處土壤中受保護的潛在生物有效碳庫被不斷暴露在空氣中，加速了SOC庫的損失[25]，同時，土壤疏松改善了土壤通氣性，有利于土壤溫度的提高。并且，MBC含量主要取決于土壤中微生物的濃度，植物殘體和凋落物是微生物必需的食物來源，其數(shù)量與微生物豐度呈正相關(guān)[26]，但高寒草地在墾殖后，由于人為收獲農(nóng)作物和移除植物殘體，導(dǎo)致返還至土壤的植物殘體和凋落物大量減少，使得土壤微生物所能利用的有機碳源顯著減少、進而引起MBC大幅下降[22]。然而，本研究的結(jié)論與J.Fallahzade等[27]對伊朗沙漠土的研究結(jié)果不一致，其研究指出，墾殖促進了土壤養(yǎng)分的積累，SOC在墾殖后顯著增加（P<0.05），這可能由于沙漠土壤本身肥力十分低下，墾殖后植被的覆蓋提高了有機碳的輸入。因此，川西北高寒地區(qū)近幾十年來的不合理墾殖已導(dǎo)致SOC、MBC的下降，形成了碳輸出源，作者推測，該地區(qū)土壤肥力也呈下降趨勢不利于生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。所以，為保護川西北高寒地區(qū)的生態(tài)平衡，促進草地資源的可持續(xù)利用，應(yīng)盡量減少對川西北高寒草地的墾殖活動。

S-SC和EC是參與SOC分解的重要酶類，一定程度上反映SOC的分解強度[28]。本研究表明，墾殖導(dǎo)致了S-SC和EC活性顯著下降（P<0.05），且S-SC和EC活性與SOC和MBC含量極顯著正相關(guān)（P<0.01），這與前人的研究結(jié)論基本一致[25，29-30]。土壤有機物是微生物中碳和氮的主要來源，它們會通過影響微生物的數(shù)量和類型來影響土壤酶活性[31]，在本研究中，SOC下降可能導(dǎo)致微生物數(shù)量減少（MBC下降），進而導(dǎo)致其產(chǎn)生的酶也相對減少。S-SC和EC活性在墾殖0～3 a下降最快，而后下降速率逐漸減緩。這與張鋒等[29]在陜西延安富縣梁狀丘陵溝壑區(qū)的研究結(jié)果有一定類似之處，S-SC活性在墾殖0～4 a內(nèi)顯著下降（P<0.05），而后下降速率減緩。這可能是由于本研究區(qū)地處高寒地區(qū)，低溫減緩了SOC的分解[32]，在墾殖初期大量儲存于凋落物和根系中的SOC，在人為墾殖后逐漸被利用，而新的植物有機碳輸入能力相對較弱。此外，高寒地區(qū)的土壤生態(tài)環(huán)境極其脆弱，墾殖初期的耕作措施可能會導(dǎo)致引起了土壤大團聚體的破壞，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性并加速有機質(zhì)的礦化，從而引起SOC在墾殖初期的快速下降[33]，而墾殖多年后，由于土壤物理結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，S-SC和EC活性下降可能主要與微生物數(shù)量的減少有關(guān)。這與顧美英等[34]在新疆綠洲棉田土壤的研究發(fā)現(xiàn)不同，S-SC活性在墾殖5～15 a間表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢。Xie X.等[35]在對江蘇如東縣的研究也發(fā)現(xiàn)，EC活性在墾殖后呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。這可能與土壤類型、氣候條件、作物或植被類型存在差異有關(guān)。POD和PPO在土壤有機物質(zhì)氧化為醌的過程中發(fā)揮著積極作用，利于土壤腐殖質(zhì)的合成[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，POD和PPO活性在墾殖后顯著增加（P<0.05），這與前人的研究結(jié)論基本一致[36-37]，表明川西北高寒草地墾殖后土壤有機物質(zhì)不斷被氧化消耗，土壤質(zhì)量不斷退化。這可能由于本研究區(qū)位于高原泥炭沼澤濕地，其低氧、低溫、水分多的特點，使得POD和PPO活性在墾殖前受到限制[38-39]，而POD和PPO作為氧化酶，墾殖后農(nóng)戶對土壤進行的翻耕措施和人為擾動，大幅促進了土壤內(nèi)部物質(zhì)與外界O2的接觸機會，促使POD和PPO活性不斷提升，引起土壤有機物質(zhì)的大量氧化。但本研究的結(jié)果與黃科朝等[40]在會仙巖溶濕地的研究結(jié)果不一致，其發(fā)現(xiàn)濕地開墾為耕地后，PPO活性在0～10、10～20、20～30和30～40 cm土層深度均出現(xiàn)顯著下降（P<0.05）。這可能是因為不同研究中的氣候條件、土壤母質(zhì)狀況和田間管理方式等差異較大所致。此外，在本研究中，POD和PPO活性與SOC和MBC含量存在負相關(guān)關(guān)系，但未達到顯著水平（P<0.05），與前人的研究結(jié)論基本一致[41-42]。而石麗紅等[7]研究結(jié)果表明，POD和PPO活性與SOC和MBC含量顯著正相關(guān)（P<0.05），其中POD表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)（P<0.01） 。但高璟 赟[43]的研究表明，從全球角度出發(fā)，POD和PPO活性與SOC含量之間沒有相關(guān)關(guān)系。但由于墾殖后土壤酶活性的變化情況取決于植物群落類型、時間和空間尺度，以及氣候和土壤環(huán)境的初始條件等諸多要素[44-47]，導(dǎo)致POD、PPO活性與有機碳源的關(guān)系尚不清楚，有待進一步研究。

4 結(jié)論

①墾殖導(dǎo)致土壤有機養(yǎng)分含量大幅下降，并引起土壤酶活性發(fā)生顯著變化。其中0～20 cm土層變化最顯著，隨著土層深度的增加，變化趨勢逐漸減弱。

②隨著墾殖年限增加，SOC含量、MBC含量、SSC活性、EC活性、POD活性和PPO活性的變化速度逐漸減緩。S-SC和EC活性與SOC和MBC含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。

③由于高寒地區(qū)自然環(huán)境條件脆弱，墾殖加劇了有機碳庫減少，可能成為CO2的排放源，因此，減少墾殖對于促進土壤碳儲存和草地資源的可持續(xù)利用有著重要意義。