不同干扰强度下三江平原湿地...碳及酶活性对冻融作用的响应_孟遥.pdf

北方园艺 （）：资源环境生态第一作者简介：孟遥（），女，硕士研究生，研究方向为土壤修复。：责任作者：李富（），男，博士，副教授，现主要从事环境生态效应 与资源利 用 等 研 究 工作。：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；佳木斯大学青年基金资助项目（）；佳木斯大学区域特色专项资助项目（）；黑龙江省大学生创新创业训练计划资助项目（）。收稿日期：不同干扰强度下三江平原湿地土壤活性有机碳及酶活性对冻融作用的响应孟遥，刘 传 山，王 雪 乔，李 广 宇，赵 晨 晨，李富（佳木斯大学 理学院，黑龙江 佳木斯 ；山东省临邑第一中学，山东 临邑 ）摘要：以三江平原洪河国家自然保护区内小叶章湿地（-，）、受干扰的小叶章湿地（，）以及小叶章湿地开垦的水稻田（，）表层 土壤为试材，采用野外原位监测方法，研究了季节性冻融作用对不同干扰强度湿地土壤活性有机碳及酶活性的影响，以期为科学评估三江平原土壤的固碳潜力提供参考依据。结果表明：在秋季冻融期，、和 种湿地土壤可溶性有机碳（）含量分别增加了 、和 ，微生物量碳（）含量分别降低了 、和 ；纤维素酶、淀粉酶和蔗糖酶分别降低了 、和 。在冻融阶段，冻融作用增加了 、含量和种酶活性。种湿地土壤 、和酶活性的变化量均为 ，且秋季冻融作用大于春季。冻融作用降低了土壤酶活性，且对纤维素酶和淀粉酶活性的影响为 ，而对蔗糖酶则表现为 。种酶活性均表现出秋季冻融作用大于春季。方差分析显示，冻融温度和次数显著影响土壤活性有机碳组分和酶活性，其中冻融次数为主要影响因素，冻融温度为次要因素。关键词：季节冻融；不同类型湿地；土壤活性有机碳；土壤酶活性中图分类号：文献标识码：文章编号：（）冻融是指土壤随着季节变化或昼夜更替而不断出现解冻、冻结的过程，该现象普遍存在中、高纬以及高海拔地区，是影响该区域土壤生态环境的重要因素之一。冻融作用改变土壤的理化性质，影响微生物活性，进而影响到土壤碳、氮生物地球化学循环。土壤活性有机碳是土壤有机碳活跃成分，虽然占土壤有机碳的比例很小，但对土壤碳库周转变化响应敏感，是衡量土壤有机碳有效性和土壤质量的重要指标。土壤活性有机碳直接参与土壤中生物化学转换过程，其分解和矿化过程直接影响土壤酶活性。土壤酶是土壤生物过程的主要调节者，直接影响土壤碳循环速率，土壤中纤维素酶、蔗糖酶和淀粉酶，是参与土壤有机质矿化过程的重要酶类，对于土壤生态系统中的碳、氮循环具有重要作用。目前，国内外学术界针对冻融期土壤有机碳的变化进行了大量研究，大多采用室内模拟试验验证冻融作用对土壤有机碳的变化特征、酶活性 及微生物群落结构等方面的影响 ，并取得了一定进展。而对于野外原位冻融期土壤有机碳及酶活性变化的相关报道却较少。尤其是在全球变暖的背景下，土壤持续发生冻结、解冻过程，这种反复交替的冻融过程对土壤理化性质及生物学特性影响未能得到有效解释，成为学术界亟待解决的重要问题。三江平原地处中纬，每年春秋季节冻融现象频发，该区域也是我国最大的淡水湿地集中分布区。近年来由于人类垦殖，导致了三江平原湿地面积锐减和生态功能退化。为了研究不同干扰强度下土壤活性有机碳组分和酶活性对冻融作用的响应，采集冻融期三江平原小叶章湿地、受干扰的小叶章湿地及水稻田土壤样品进行测试，明确冻融作用对不同干扰强度湿地土壤活性有机碳及酶活性的影响，揭示冻融期三江平原土壤有机碳动态变化特征，为探索全球碳循环提供参考依据。材料与方法 试验地概况试验地位于三江平原腹地（北纬 ，东经 ），地势低平。该区域属温带大陆性季风气候，气候温和湿润，光照充足，年平均气温。四季冷热变化显著，冬季严寒，最冷月为月，平均温度为 ；夏季温暖，最热月为月，平均气温为 。无霜期为 。冻结期长，从土壤开始冻结到全部融冻需要个月，冻层深度一 般 为 。代 表 植 物 有 小 叶 章（）、漂筏苔草（）、毛果苔草（）等。土壤类型主要为草甸土、沼泽土、白浆土等。试验材料 年秋季和 年春季进入冻融期时起至冻融期结束，每隔 天采集次洪河国家自然保护区内未受干扰常年积水的小叶章湿地、保护区外小叶章湿地开垦的水稻田土壤以及受人类活动干扰的小叶章湿地 土壤，每种类型样地选取个重复，每块样地选择处间隔 的重复采样点，土壤含水率及温度变化见图 。试验方法利用土钻采用多点混合法采集土壤装入密封袋，带回实验室，立即进行土壤活性有机碳组分和酶活性的测定；另一部分用于土壤理化性质的测定（表）。项目测定 土壤有机碳组分测定土壤有机碳（）：称取风干研磨土壤加入盐酸浸没，应用 仪（德国耶拿）高温燃烧法测定。土壤总氮（）：采用全自动凯氏定氮仪（德国 ）测定。可溶性有机碳（）：称取新鲜土样加入去离子水，振荡，离心，过滤，用 仪（德国耶拿）测定。土壤微生物量碳（）：采用氯仿熏蒸 浸提法测定。图季节性冻融期不同类型土壤温度曲线 第期 北方园艺图季节性冻融期不同类型土壤含水率曲线 表土壤基本理化性质 土壤类型 土层 土壤有机碳 （）全氮 （）碳氮 酸碱度 最大持水能 小叶章湿地 受干扰的小叶章湿地 小叶章湿地开垦的水稻田 土壤酶活性测定纤维素酶、蔗糖酶和淀粉酶活性采用，二硝基水杨酸比色法测定。纤维素酶活性以土壤在 下培养 后生成的葡萄糖（）表示；蔗糖酶、淀粉酶活性以 土壤在 下培养 后生成的葡萄糖（）表示。数据分析利用 、和 等软件完成数据处理、数据统计分析和图形制作。采用多元方差（）分析冻融温度、冻融频率及二者的交互作用对土壤活性有机碳组分和酶活性的影响。当 ，差异性在统计学上有意义。结果与分析 季节性冻融对土壤活性有机碳组分的影响 季节性冻融作用湿地土壤可溶性有机碳含量变化特征由图 可知，秋季冻融期，土壤中 含量呈现先增加后降低的趋势。其中，月 日为未受冻融处理的对照样本，在第次采样土壤 含量达到了最高值，随着冻融温度的降低和冻融循环次数的增加，土壤中 含量逐渐降低，并趋于稳定。在监测初期，、和 土壤中 含 量 分 别 为 、和 。土 壤 中 含 量 在第次监测达到最高值分别为 ，而 和 土壤中 含量在第次监测达到最高值，分别为 和 ，分别是冻融初期的 、倍和 倍。在 次冻融循环后，含量逐渐降低，最低值分别为 、和 。数据对比发现，冻融循环对种湿地土壤 含量的影响为 。在春季冻融期，随着冻融温度和冻融次数的增加，种湿地表层土壤中 呈现出较小变化趋势（图），其最大值出现在最后一次监测，其值分别为 、和 ，与冻融初始阶段相比，增加了 、和 。从秋季冻融期和春季融冻期 含量变化可以看出，秋季冻融 含量最高值高于春季融冻期。北方园艺月（上）方差分析显示，冻融温度仅对 土壤中 含量影响极显著（；表），而冻融次数只对 中 含量影响显著（；表）。冻融次数与冻融温度的交互作用对土壤中 含量变化无影响（；表）。图季节冻融对表层土壤 含量的影响 表冻融温度和频率对土壤 含量影响的方差分析 湿地类型 温度 冻融次数 温度次数 小叶章湿地 受干扰的小叶章湿地 小叶章湿地开垦的水稻田 季 节性 冻 融作用 土 壤 含 量 变 化特征由图 可知，在秋季冻融期，种湿地表层土壤 含量均先降低后升高并趋于稳定，在第次监测，、和 中土壤 含量分别为 、和 ；随着冻融次 数的增加，和 在监测的第次和第次含量最低，为 和 ，而 的最低值却是在冻融的第次出现为 。种湿地分别比冻融 初 期 降 低了 、和 。在春季融冻初期，、和 土壤中 含量分别为 、和 ，随着融冻次数的增加，土壤中 含量逐渐增加，最高值分别为 、和 ；分别比初期增加了 、和 （图）。在春秋冻融期，种湿地土壤中 变化量均表现为 。图季节冻融对表层土壤 含量的影响 第期 北方园艺方差分析显示，冻融次数对 影响显著，冻融温度对 影响显著。但冻融温度冻融次数的交互作用对种湿地的 含量影响均极显著（；表）。表冻融温度和冻融次数对土壤微生物量碳影响的方差分析 湿地类型 温度 冻融次数 温度次数 小叶章湿地 受干扰的小叶章湿地 小叶章湿地开垦的水稻田 季节性冻融作用湿地土壤酶活性变化特征 季节性冻融作用纤维素酶活性变化特征从图可以看出，冻融作用影响种湿地土壤纤维素酶活性，且纤维素酶活性与 含量变化相一致。在秋季冻融期，随着冻融次数的增加，种湿地纤维素酶活性呈下降的趋势。在冻融初期，、和 土壤纤维素酶活性分别为 、和 ；其中 和 土壤中纤维素酶活性最低值 分 别 在 第 次 和 第 次 采 样 出 现，为 和 ；而 土壤中纤维素酶活性最低值出现在监测的最后一次，为 ，种湿地土壤酶活性分别降低了 、和 。由此可以看出，冻融作用对不同类型湿地土壤纤维素酶活性的影响依次为 。在春季融冻过程中，随着冻融次数的增加，种湿 地 纤 维 素 酶 活 性 逐 渐 升 高。、和 在 冻 融 初 期 土 壤 酶 活 性 分 别 为 、和 ，经过冻融循环后，种湿地土壤酶活性分别增加了 、和 。冻 融 作 用 对种 土 壤 纤 维 素 酶 活 性 的 影 响 为 。数据对比发现，秋季冻融作用对土壤纤维素酶活性影响大于春季。方差分析显示，冻融温度对种类型湿地土壤纤维素酶活性影响不显著，冻融次数对 和 土壤中纤维素酶活性影响显著，对 中纤维素酶活性影响不显著。冻融温度冻融次数的交互作用对 和 土壤中纤维素酶活性影响极显著（；表）。季节性冻融作用淀粉酶活性变化特征季节性冻融影响三江平原湿地土壤淀粉酶活性，总体影响趋势与纤维素酶活性一致。在秋季冻融过程中，种湿地土壤淀粉酶活性呈现降低的趋势（图）。和 在冻融循环结束时达到最低值，但 却是在第次降到了最低值。其原因可能是温度和水分含量等因素差异所致。方差也显示，温度和冻融次数均显著影响 土壤中淀粉酶含量（表）。另外，可能与采样过程中样本量过少引起误差有关。在冻融初期，、和 土 壤 淀 粉 酶 活 性 分 别 为 、图季节冻融对表层土壤纤维素酶活性的影响 北方园艺月（上）表冻温度和冻融次数对土壤纤维素酶活性影响的方差分析 湿地类型 温度 冻融次数 温度次数 小叶章湿地 受干扰的小叶章湿地 小叶章湿地开垦的水稻田 和 ，经过冻融循环后，种湿地酶活性分别降低了 、和 。在春季融冻过程中，种湿地淀粉酶活性呈现升高的趋势（图 ）。在融 冻 初期，、和 土 壤 淀 粉 酶 活 性 分 别 为 、和 ，经过冻融循环后，土壤淀粉酶活性分别为 、和 。由此可见，冻融作用对种湿地淀粉酶的影响与纤维素酶活性的影响相同，均表现为 ，且秋季冻融过程影响大于春季。图季节冻融对表层土壤淀粉酶活性的影响 表冻融温度和频率对土壤淀粉酶活性影响的方差分析 湿地类型 温度 冻融次数 温度次数 小叶章湿地 受干扰的小叶章湿地 小叶章湿地开垦的水稻田 季节性冻融作用蔗糖酶活性变化特征冻融作用同样影响了蔗糖酶活性（图 ）。在秋季冻融阶段，和 土壤蔗糖酶活性，随着冻融次数的增加，蔗糖酶活性开始降低，在第次监测达到最低值，而 土壤蔗糖酶活性在第次监测后达到稳定状态。在冻融的初始阶段，、和 土壤蔗糖酶活性分别为 、和 ，第 次监测数据显示，蔗糖酶活性分别降低了 、和 。在春季冻融期，随冻融次数的增加，种湿地土壤蔗糖酶活性均增加。与纤维素酶和淀粉酶活性存在不同的是纤维素酶和淀粉酶活性一直处于上升趋势，而蔗糖酶活性在第次试验中活性略低于 融 冻 的 初 始 阶 段。在 初 始 阶 段，、和 土 壤 蔗 糖酶活性 分别为 、和 。在第次监测时，土 壤酶 活 性 为 、和 ，分别增加了 、和 。与淀粉酶活性相同，在春秋冻第期 北方园艺融过程中，冻融作用对种湿地蔗糖酶活性的影响为 、。方差分析显示，冻融次数显著影响 土壤蔗糖酶活性，而温度和冻融频率及其交互作用显著影响 土壤中蔗糖酶活性（表）。图季节冻融对表层土壤蔗糖酶活性的影响 表冻融温度和频率对土壤蔗糖酶活性影响的方差分析 湿地类型 温度 冻融次数 温度次数 小叶章湿地 受干扰的小叶章湿地 小叶章湿地开垦的水稻田 讨论 季节性冻融作用对土壤活性有机碳组分的影响 季 节 性 冻 融 对 土 壤 含 量 变 化 的影响土壤 是指有效性较高、易被微生物分解矿化的有机碳。受冻融作用影响土壤有机碳在物理、化学