不同退化程度高寒草甸土壤磷素含量與堿性磷酸酶活性研究

高亞君，李亞娟，姜智英，達(dá)朝玲，胡蕊梅

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅省草業(yè)工程實驗室，中‐美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070）

高寒草地是我國草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在水土保持、防風(fēng)固沙、生物多樣性維持及草牧業(yè)發(fā)展中具有重要意義［1-2］。近年來，隨著人口日益增長和工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，草原生態(tài)系統(tǒng)遭到極大毀壞［3-4］，草地退化嚴(yán)重。草地退化主要由不合理的草地利用以及天然鼠害等因素導(dǎo)致，引起草原生態(tài)功能衰弱、生產(chǎn)能力下降和土壤生境惡化等現(xiàn)象。東祁連山是西北地區(qū)重要的生態(tài)區(qū)，區(qū)域高寒草地對河西走廊的生態(tài)、文化和經(jīng)濟(jì)等發(fā)展起到了極其重要的作用［5］。由于長期的過度放牧、氣候演變及大肆開荒等活動，該區(qū)可利用草地面積持續(xù)減小，草地土壤退化嚴(yán)重。土壤作為地球的皮膚，是植物生長最重要的生態(tài)因子，為植物的生長提供各種養(yǎng)料，其理化性質(zhì)能直接影響植物群落組成和生理活性［6］。土壤磷素是植物體內(nèi)必需的營養(yǎng)元素之一，直接影響植物的生長發(fā)育狀況。土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要參與者，也是草地生態(tài)系統(tǒng)代謝的重要動力之一，其活性大小對土壤養(yǎng)分儲量和生化反應(yīng)過程有明顯指示作用［7］，土壤磷酸酶直接影響有機(jī)磷的礦化作用和植物磷素營養(yǎng)狀況，其活性可以表征土壤磷素的狀況，并與土壤磷素含量具有相關(guān)性［8-10］。草地退化對土壤全磷、有效磷含量和堿性磷酸酶活性等皆有一定影響［11］，隨草地利用方式的改變和退化程度的增加，土壤磷素及其化學(xué)特性也有較大差異。

為揭示草地退化過程中土壤營養(yǎng)元素含量的變化規(guī)律，有學(xué)者從不同角度對退化草地土壤養(yǎng)分、酶活性、微生物群落結(jié)構(gòu)及草地植被等進(jìn)行了相關(guān)研究，周萬海等［12］研究不同退化梯度的高寒草地不同層次土壤理化性狀變化特征發(fā)現(xiàn)，輕度退化草地0~10 cm土層全磷含量升高，而未退化草地到“黑土灘”退化草地含量依次降低；王婷等［13］研究發(fā)現(xiàn)土壤全磷隨退化程度加劇呈顯著降低，草地退化首先影響土壤的物理屬性，其次影響草地群落組成，從而導(dǎo)致草地生產(chǎn)力明顯降低；馬源等［14］的研究發(fā)現(xiàn)土壤中全磷和速效磷含量、土壤中微生物的含量隨退化程度的加劇均降低。退化草地土壤是一個極其復(fù)雜的體系，只有較為準(zhǔn)確掌握土壤養(yǎng)分的變化規(guī)律，才能對退化草地實施有效恢復(fù)措施［15-16］。隨著高寒草地退化加劇，磷素表現(xiàn)出能顯著提高草地生產(chǎn)力和延緩草地退化等獨特作用［17］，人們對高寒草地土壤磷素開展了不少研究，但對不同類型、不同剖面、不同季節(jié)高寒草地土壤磷素含量和堿性磷酸酶的綜合研究不足。因此，本研究通過對高寒退化草地土壤磷元素化學(xué)特性進(jìn)行定量、定性分析和對堿性磷酸酶活性的研究，旨在明確不同退化程度高寒草地土壤磷素含量及堿性磷酸酶活性變化規(guī)律，為揭示土壤生產(chǎn)力、評價土壤退化程度和制定草地退化管理制度以及探究生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于東祁連山甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)高山草原試驗 站 ，地 理 位 置 N 37°40′，E 102°32′，平 均 海 拔2 960 m，年均降水量416 mm，多為地形雨，且集中在7~9月，土壤pH值在7.0~8.2，年均氣溫為0.8 ℃，1月和7月平均氣溫分別為-10.8 ℃和12.4 ℃。氣候多寒冷潮濕，晝夜溫差較大，太陽輻射強(qiáng)，年日照時間2 600 h。無絕對無霜期，僅分冷熱兩季。土壤類型為山地黑鈣土，質(zhì)地為中壤質(zhì)。樣地基本概況見表1。

表1 試驗草地概況Table 1 General situation of the different grassland types

1.2 土壤樣品采集與處理

分別在春季（4月）、夏季（7月）和冬季（11月），用土鉆法于FG、LD、MD和HD 4種類型天然草地取土壤樣品，試驗區(qū)秋季短暫，8月底9月初可見落雪，故未設(shè)置秋季樣地。每個樣地隨機(jī)選取3個樣區(qū)，作為3次重復(fù)。每個樣區(qū)取5個樣點。每個樣點按0~10、10~20、20~30 cm 3個土層深度取樣帶回實驗室。不同季節(jié)樣地間采用GPS定位。對新鮮樣品進(jìn)行風(fēng)干，分別過1 mm和0.25 mm篩，分類整理，編號備用。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤磷素含量的測定 土壤全磷含量采用HClO4-H2SO4消煮，鉬銻抗比色法測定；土壤有效磷含量采用0.5M NaHCO3提取，鉬銻抗比色法測定［18］。

1.3.2 土壤堿性磷酸酶活性測定 土壤堿性磷酸酶采用0.5%磷酸苯二鈉比色法。在磷酸酶的作用下，基質(zhì)水解所生成苯酚的量表示酶的活性［19］。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)分析使用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0軟件。采用Pearson相關(guān)分析法進(jìn)行相關(guān)性分析。相關(guān)系數(shù)r表示2個隨機(jī)變量間線性相關(guān)性的強(qiáng)弱，取值-1~1。-1代表顯著負(fù)相關(guān)；1代表顯著正相關(guān)；0代表兩變量無關(guān)，表示兩變量間線性關(guān)系很弱，或不是線性關(guān)系。P<0.05時，分析數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 退化程度對高寒草地土壤全磷含量及其季節(jié)動態(tài)的影響

不同草地類型不同季節(jié)在春季和冬季高寒草地退化對土壤全磷含量沒有明顯影響，與夏季相比，F(xiàn)G退化高寒草地0~10cm土層土壤全磷含量顯著升高（P<0.05），但LD、MD和HD之間差異不顯著，而10~20 cm土層全磷含量顯著降低（P<0.05）。同一類型草地同一土層全磷含量冬季最高，夏季最低，與夏季相比，與夏季相比，冬季0~10 cm土層土壤全磷含量從FG到HD依次升高308.33%、150%、176.2%、177.3%。FG、LD、MD和HD 0~10 cm土層全磷含量均呈現(xiàn)冬季>春季>夏季的變化規(guī)律。

隨土壤深度的增加：春季，F(xiàn)G和LD全磷含量均依次降低，而MD和HD 3個土層間差異不顯著（P<0.05）。夏季，F(xiàn)G土壤全磷含量0~10 cm土層最低，表層與10~30 cm土層全磷含量差異顯著（P<0.05）。而LD和HD均表現(xiàn)出0~10 cm土層最高，與下層差異顯著（P<0.05）。冬季，F(xiàn)G、LD的3個土層差異不顯著，MD、HD隨土層加深呈逐漸降低趨勢。季節(jié)與土層交互作用間4種類型草地全磷含量差異均不顯著（P>0.01）（表2）。

表2 不同類型高寒草地土壤全磷含量Table 2 Soil total phosphorus content of different alpine meadow types g/kg

2.2 退化程度對高寒草地土壤有效磷含量及其季節(jié)動態(tài)的影響

不同草地類型不同季節(jié)的土壤有效磷含量，春季FG 0~10 cm土壤有效磷含量為30 mg/kg，MD與FG差異不顯著（P>0.05），LD和HD均顯著降低。而與FG相比，夏季和冬季LD、MD同一土層間有效磷含量升高，HD降低。FG各季節(jié)同一土層土壤有效磷含量均大于重度退化草地。冬季有效磷含量在LD達(dá)到最大值27 mg/kg，MD、HD與FG差異不明顯（表3）。

表3 不同類型高寒草地土壤有效磷含量Table 3 Soil available phosphorus content of different alpine meadow types mg/kg

HD同一土層全磷含量春季最高，冬季最低；LD、MD夏季最高，冬季最低。從春季到冬季，HD同一土層有效磷含量呈依次降低的變化規(guī)律；從春季到冬季，LD和MD同一土層有效磷含量呈先升高后降低的變化規(guī)律。說明退化改變了有效磷的季節(jié)變化規(guī)律。

FG 在3個季節(jié)均表現(xiàn)出3個土層間有效磷含量變化不明顯，而春、冬兩個季節(jié)，HD土壤有效磷含量均隨土層深度增加而降低，春季3個土層之間差異顯著（P<0.05）。FG和HD季節(jié)與土層交互作用有效磷含量差異極顯著（P<0.01），LD和MD不顯著。

2.3 退化程度對高寒草地土壤堿性磷酸酶活性及其季節(jié)動態(tài)的影響

退化導(dǎo)致土壤堿性磷酸酶活性升高，春季和夏季隨退化程度加劇，土壤堿性磷酸酶活性也逐漸升高（圖1-2），而冬季相反，表現(xiàn)出降低的趨勢（圖3）。總體來看，春季3種退化高寒草地土壤中堿性磷酸酶活性隨土層加深而升高在春季和夏季，剖面分布在10~30 cm土層堿性磷酸酶活性隨土壤退化程度加劇而顯著升高（P<0.05），而冬季則相反。MD夏季和冬季不同土層堿性磷酸酶活性有顯著性差異（P<0.05）。

圖1 春季土壤堿性磷酸酶活性Fig.1 Alkaline phosphatase activity in Spring

圖3 冬季土壤堿性磷酸酶活性Fig.3 Alkaline phosphatase activity in Winter

2.4 土壤堿性磷酸酶活性與土壤全磷、有效磷含量的相關(guān)性

圖2 夏季土壤堿性磷酸酶活性Fig.2 Alkaline phosphatase activity in Summer

相關(guān)分析結(jié)果表明（表4），春季0~10 cm土層堿性磷酸酶活性與土壤全磷含量不存在顯著的相關(guān)關(guān)系（P>0.05），而與土壤有效磷含量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為0.882。10~20 cm土層堿性磷酸酶與土壤有效磷、全磷均不存在顯著性相關(guān)關(guān)系。20~30cm土層土壤堿性磷酸酶活性與土壤全磷、有效磷均有極顯著性相關(guān)關(guān)系（P<0.01），前者正相關(guān)系數(shù)為0.919，后者負(fù)相關(guān)系數(shù)為-0.733。

表4 不同季節(jié)不同土層土壤堿性磷酸酶與磷素含量的相關(guān)系數(shù)矩陣Table 4 Matrix of correlation coefficients among soil indices of different soil depth in different seasons

夏季0~10 cm土層堿性磷酸酶活性，與土壤全磷含量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為0.756；而與土壤有效磷含量不存在顯著相關(guān)關(guān)系（P>0.05）。10~20 cm土層土壤堿性磷酸酶與土壤有效磷、全磷均不存在顯著性相關(guān)關(guān)系。20~30 cm土層土壤堿性磷酸酶活性與土壤全磷含量不存在顯著的相關(guān)關(guān)系，而與土壤有效磷含量存在顯著性負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05），相關(guān)系數(shù)為-0.643。

冬季0~10 cm土層土壤堿性磷酸酶活性與土壤全磷含量不存在顯著相關(guān)關(guān)系（P>0.05），而與土壤有效磷含量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為0.756。10~20 cm土層堿性磷酸酶活性與土壤全磷、有效磷含量均有極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.915和0.849。20~30 cm土層土壤堿性磷酸酶活性與土壤全磷含量不存在顯著相關(guān)關(guān)系，而與土壤有效磷含量存在顯著性正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），相關(guān)系數(shù)為0.579。

3 討論

與FG相比，春季不同退化程度0~10 cm土層土壤全磷含量變化不顯著，夏季和冬季0~10 cm土層土壤全磷含量顯著升高，說明草地退化引起夏冬兩季土壤全磷含量升高，而對春季土壤全磷含量沒有明顯影響。這是因為夏季氣溫大幅度升高，為牧草生長旺季，大量進(jìn)入土壤的枯枝落葉礦化作用加快；冬季牧草同化的全磷含量減少，微生物對磷的礦化沒有停止，全磷含量有所回落［20］。全磷含量變化整體上沒有呈現(xiàn)一定規(guī)律，主要原因可能是草地退化引起土壤磷循環(huán)速度加快；同時過度放牧家畜的糞便對全磷含量有影響，這與趙帥［21］等的研究結(jié)果大體相同。FG同一土層全磷含量變化規(guī)律為冬季>春季>夏季，冬季最高是由于氣溫明顯降低，空氣干燥，土壤封凍，牧草枯黃，土壤中的磷被固定，既無吸收又無釋放。

不同季節(jié)同一土層土壤有效磷含量整體變化規(guī)律為：輕度退化>中度退化>圍封草地>重度退化，這與周萬海等［12］的研究結(jié)果不完全一致。草地退化改變了有效磷的季節(jié)變化規(guī)律，與王小燕等［11］對退化高寒草甸土壤理化性質(zhì)季節(jié)變化的研究結(jié)論相同。夏季土壤有效磷含量下降，其原因可能是牧草進(jìn)入生長季開始吸收養(yǎng)分，草地植被對土壤速效磷的吸收利用率升高，使土壤中的磷減少，導(dǎo)致速效磷含量降低。春季和夏季圍封草地土壤堿性磷酸酶活性均高于冬季。主要是因為春季和夏季受氣候影響，土壤微生物數(shù)量增加，活動頻率加強(qiáng)，分泌的酶數(shù)量增多，活性也強(qiáng)［22］。隨退化程度加劇，春季和夏季同一土層堿性磷酸酶活性不斷上升。這與周會程等［23］對不同退化梯度高寒草地酶活性變化特征的研究結(jié)論不同。土壤酶活性在不同退化程度下的變化較為復(fù)雜，在退化土壤生態(tài)系統(tǒng)，土壤酶活性的高低不僅與土壤生態(tài)系統(tǒng)的退化有關(guān)，而且與土壤類型、植被特征、土壤微生物以及酶類本身的性質(zhì)有關(guān)［24］。

相關(guān)性分析表明，春季和冬季0~10 cm土層堿性磷酸酶活性與土壤有效磷含量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系；夏季則相反。冬季10~20 cm土層堿性磷酸酶與土壤全磷、有效磷含量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。春季20~30 cm土層堿性磷酸酶活性與土壤全磷、有效磷含量均有極顯著相關(guān)關(guān)系，而冬季土壤堿性磷酸酶只與土壤有效磷存在極顯著相關(guān)關(guān)系。一般認(rèn)為，土壤堿性磷酸酶活性可以作為指示土壤磷素狀況的指標(biāo)［25］，與土壤有效磷含量呈正相關(guān)關(guān)系［26］。而本研究在春季和夏季20~30 cm土層堿性磷酸酶活性與土壤有效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)，可能是由于土壤堿性磷酸酶活性更易受其底物，產(chǎn)物含量或其他如土壤pH、土壤碳氮等的影響，能夠刺激土壤中的生物使其分泌更多磷酸酶，從而提高有效磷的獲取能力，其中的定量關(guān)系和機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究。輕度退化不僅沒有降低土壤磷素養(yǎng)分和酶活性，反而有利于土壤養(yǎng)分循環(huán)和微生物活動，增加了土壤酶數(shù)量，促進(jìn)了有機(jī)磷的礦化作用［27］。

4 結(jié)論

草地退化引起夏冬季土壤全磷含量升高，而對春季土壤全磷含量沒有明顯影響。全磷含量變化整體上沒有規(guī)律。不同季節(jié)同一土層土壤有效磷含量整體變化規(guī)律：LD>MD>FG>HD。圍封草地各季節(jié)同一土層土壤有效磷含量均大于HD。隨退化程度加劇，同土層土壤堿性磷酸酶活性逐漸升高，尤其是春夏兩季。整體上各季節(jié)同土層間退化草地土壤堿性磷酸酶活性高于圍封草地。4種類型草地季節(jié)與土層交互作用全磷含量差異均不顯著，F(xiàn)G和HD季節(jié)與土層交互作用有效磷含量差異極顯著，而LD和MD不顯著。僅冬季土壤堿性磷酸酶活性與土壤有效磷含量具有極顯著正相關(guān)。