2018, Vol. 42
文章信息
- 刘欢, 何洁, 樊晓茹, 刘远, 魏海峰, 吴彤, 赵嘉欣, 王腾腾. 2018.
- LIU Huan, HE Jie, FAN Xiao-ru, LIU Yuan, WEI Hai-feng, WU Tong, ZHAO Jia-xin, WANG Tengteng. 2018.
- 盘锦红海滩土壤理化性质和土壤酶调查
- A preliminary study on the reasons for the degradation of S. heteroptera——Soil physical and chemical properties and soil enzyme investigation
- 海洋科学, 42(5): 46-53
- Marine Sciences, 42(5): 46-53.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20171025001
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文章历史
- 收稿日期：2017-10-25
- 修回日期：2018-07-24
2. 辽宁省海洋生物资源恢复与生境修复重点实验室, 辽宁 大连 116023
2. Key Laboratory of Nearshore Marine Environmental Science and Technology in Liaoning Province, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China
滩涂湿地是陆地与海洋的过渡地带, 拥有众多动植物资源, 具有不可替代的生态功能, 被称为“地球之肾”。但近年来由于干旱少雨、围垦造田、浅海石油开发、陆源污染物排放、滩涂养殖等人为干扰, 湿地面积呈下降的趋势, 直接影响到滨海湿地生物多样性以及生态系统服务功能[1]。盘锦红海滩翅碱蓬赖以生存的生态环境发生了改变, 造成生长发育不良不能形成正常的种子, 造成恶性循环, 致使湿地植被退化尤为严重[2]。土壤作为植物生长的基本环境条件, 土壤理化性质的优劣将直接影响着植物的生长情况[3]。Giresset等[4]发现, 随盐度的增加土壤有机物的降解效率显著降低, Kastner[5]研究显示, 盐度的增大会抑制土著微生物及接种的外源微生物对石油的降解。王艳等[6]研究发现, 滩涂翅碱蓬的减少使土壤中C、P元素明显降低, 进而显著影响到了N、P和有机质的生物地球化学循环。因此土壤的理化性质的改变与植物的成长状况密不可分。土壤质量状况直接影响植物群落的生态演替过程, 决定着生态系统的结构、功能和生产力水平[7]。关松荫等[8]研究表明, 可用土壤酶活性诊断水土是否遭到污染, 土壤的土壤酶活性大小也可以在一定程度上反映植物的生长状况及不同区域土壤的状态。本文通过测定盘锦红海滩不同区域(翅碱蓬生长茂盛区、退化区和光滩区)、不同时间土壤的pH、盐度、氧化还原电位、总磷、总氮等理化性质和土壤中土壤酶活性, 来初步探查翅碱蓬退化的原因, 测定不同层次土壤来探究可否通过人工降滩减少翅碱蓬死亡。
1 材料和方法 1.1 材料土壤取自辽宁省盘锦市红海滩三个区域(图 1), 土样为表层土壤(深度约5、15、25 cm), 区域分别为翅碱蓬茂盛区(A、B)、翅碱蓬退化区(C、D、F)和翅碱蓬光滩区(E)。
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| 图 1 取样地点示意图 Fig. 1 Sampling site diagram |
用玻璃电极-甘汞电极pH计法测定土壤pH、氧化还原电位, 用烘干法测定土壤盐度, 用分光光度法(GB17378.5-2007)测定土壤总磷, 用凯氏滴定法(GB17378.5-2007)测定土壤总氮, 用氯化钾溶液提取-分光光度法(HJ634-2012)测定土壤氨氮和亚硝酸盐氮, 用土壤硝态氮试剂盒-可见分光光度法测定土壤硝酸盐氮。
1.2.2 测定土壤酶用三苯基四氮唑氯化物(TTC)比色法测定土壤中脱氢酶活性, 利用土壤碱性磷酸酶可催化磷酸苯二钠水解生成苯酚和磷酸氢二钠测定土壤中碱性磷酸酶活性, 用紫外分光光度法测定土壤中过氧化氢酶活性, 用靛酚蓝比色法测定土壤中脲酶活性。
2 结果与分析 2.1 土壤理化性质 2.1.1 土壤pH图 2为不同区域不同时间土壤pH。由图 2经过对比可得, 4月份四个地区土壤样品的pH平均值较3月份相比均有所下降, 茂盛区下降幅度较大, 四个地区的土壤pH仍然呈碱性。土壤pH是土壤重要的理化性质之一, 土壤pH对土壤的理化性质、植物成长、微生物活动以及土壤中养分存在的有效性和形态都有很大的影响[9]。土壤中的pH主要取决于土壤溶液中的氢离子的浓度, pH是分析植物生长与土壤性质的一个重要指标[10]。3月份翅碱蓬还未生长, 而4月份翅碱蓬开始生长, 因此土壤的pH有所下降。由于植物在生长过程中植物的根系会产生分泌物, 其中包含小分子有机酸和氢离子, 它们的产生增加了土壤中的氢离子的含量, 从而会酸化土壤, 使土壤的pH下降[11]。但4个不同区域的pH值相差不大。
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| 图 2 不同区域不同时间土壤pH Fig. 2 Soil pH at different times in different regions |
图 3为不同区域不同时间土壤盐度值。由图 3经过对比可得, 4月份四个地区土壤样品的盐度值较3月份相比均略有所下降, 翅碱蓬耐盐性较强, 为湿生草本植物, 但如果土壤盐度含量超出范围, 会出现离子失衡、生理干旱和代谢循环紊乱等问题, 对成长产生较大的危害[12]。翅碱蓬需要经过一定的脱盐过程来清除体内过多的盐分以避开植物产生盐害问题[13]。赵强等人的实验成果说明, 适宜翅碱蓬成长的土壤含盐量在10~16 g/kg, 但当土壤的含盐量大于16 g/kg时, 翅碱蓬的成长受到抑制甚至会发生死亡现象, 当土壤盐度小于10 g/kg时翅碱蓬也能成长, 但叶片颜色由红转绿, 长势不佳[12]。同时土壤盐度与土壤水分也密切相关, 3、4月份进入春季, 降雨增多, 也有可能导致湿地土壤的盐度略有下降, 但盐度值仍在适当的范围内。由图 3可知, 光滩区盐度值较茂盛区稍高一些, 且超过了翅碱蓬最适生长的盐度范围, 盐度可能为翅碱蓬退化的因素之一。
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| 图 3 不同区域不同时间土壤盐度值 Fig. 3 Soil salinity values at different times in different regions |
图 4为不同区域不同时间土壤总氮值。由图 4经过对比可得, 4月份四个地区土壤样品的总氮含量较3月份相比都明显下降, 其中退化区(F)下降幅度最大。土壤总氮也包括无机态和有机态两大部分, 氮元素是植物成长的重要要素之一, 植物体内的氮元素大部分来自土壤, 氮元素在土壤肥力中起很大的作用, 并且在一定程度上影响湿地植物的群落组成, 湿地生态系统的生产力、稳定与健康[9]。被不同植被覆盖的土壤中营养元素的含量普遍存在着很大的差异[14-15], 而同一植被不同的退化阶段, 湿地营养元素的含量也存在较大的差异[16]。东北黑土地土壤总氮平均值为2.6 g/kg。实验结果表明, 四个地区不同阶段的土壤样品的总氮含量都随着时间的增加而下降。土壤中总氮含量偏低, 随着翅碱蓬的生长, 总氮含量反而越来越少, 这十分不利于翅碱蓬的生长。光滩区总氮含量较茂盛区低了很多, 而氮是植物生长的重要元素之一, 总氮含量可能为红海滩退化因素之一。
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| 图 4 不同区域不同时间土壤总氮值 Fig. 4 Soil total nitrogen at different times in different regions |
图 5为不同区域不同时间土壤总磷值。由图 5经过对比可得, 4月份四个地区土壤样品的总磷含量较3月份相比都明显降低且降低幅度很大。磷是植物必须的三大营养元素之一, 土壤总磷分为无机态和有机态两大组分, 土壤总磷含量若过低可能造成供磷不足[9]。供磷不足将导致植物生长状况不良。土壤中磷的来源大部分是土壤成土母质和动植物残体的腐败, 它不仅能够影响滩涂植被的群落分布, 还能够进一步影响湿地的初级生产力即湿地植物的生长[22]。影响土壤中有效磷含量的因子有许多, 如: pH、土壤水分、土壤有机质、植物根系分泌的质子、微生物活动的质子和有机酸等等[23]。植物主要吸收HPO42–和H2PO4–, 但土壤中二者的含量不高, 不足以满足植物的生长, 所以在许多土壤中磷限值是影响植物生长的一个重要原因[24]。全国总磷平均水平为0.56 mg/g[9], 然而不论3月份还是4月份, 四个地区土壤的总磷含量都远低于全国总磷的平均水平, 土壤中总磷含量过低将影响植物的生长。实验结果表示, 光滩区总磷较茂盛区低很多, 盘锦红海滩湿地翅碱蓬的退化可能与湿地土壤总磷含量过低有关。
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| 图 5 不同区域不同时间土壤总磷值 Fig. 5 Soil total phosphorus at different times in different regions |
图 6为不同区域不同时间土壤氧化还原电位值。由图 6经过对比可得, 4月份四个地区土壤样品的氧化还原电位比3月份有所升高, 但茂盛区(B)升高程度不大。土壤能够向植物提供养分, 因此土壤中的养分强度和养分补给速度都是影响作物吸收养分的主要因素, 龚兆胜等人认为, 根据广义的氧化还原理论[25], 不管是氧化还原过程, 还是非氧化还原过程, 土壤溶液中的养分有效度都可以用广义的氧化还原电位度量[26]。影响氧化还原电位的因素主要有:土壤透气性、土壤水分状态、植物根系的代谢作用和土壤中易降解的有机质含量。4月份随着植物的生长土壤的透气性会增加, 土壤的透气性增加会使土壤的氧化还原电位值升高, 氧化性增加。土壤的氧化还原性对植物的生长起至关重要的作用, 而且土壤中的各种生物化学过程也受土壤氧化还原电位的制约[21]。四个地区土样的氧化还原电位都为负值, 这表明盘锦红海滩的土壤水分过大, 土壤通气性较差, 土壤中易降解的有机质含量偏低从而导致翅碱蓬根系的代谢较弱。
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| 图 6 不同区域不同时间土壤氧化还原电位值 Fig. 6 Soil oxidation-reduction potential value at different time in different regions |
图 7为不同区域不同时间脲酶酶活性的对比。图 7显示了各采样点春季一个月前后土样中脲酶活性的差异。3月份采集的土样, 各采样点脲酶活性大小为D > A > B≈F > C≈E。4月份采集的土样, 脲酶活性均较之3月份明显提高, 且各地酶活性大小为C > A≈E > B≈D > F, 且茂盛区与退化区相差不大。脲酶的专一性很强, 只催化土壤中的尿素转化为氨, 反映了土壤中的氮元素水平[27], 对土壤中单循环有重要影响。脲酶除了附着在土壤团粒上, 还存在于土壤有机质的间隙里[8]。这说明翅碱蓬生长茂盛区氮素水平较高, 而退化区不同区域脲酶活性差异大, 说明退化程度和恢复程度各不相同。光滩区四月份脲酶活性增幅明显, 仍旧可能与其他生物活动旺盛有关。
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| 图 7 不同区域不同时间脲酶酶活性的对比 Fig. 7 Comparison of soil urease activity of each sampling point in March and April |
图 8为不同区域不同时间土壤脱氢酶活性的对比。图 8显示了6个采样站位时间间隔一个月前后的地土壤脱氢酶活性。3月份的土样中, 脱氢酶活性大小为E > F > D > C > B > A, 但各地区之间总体差别不大, 活性最高为38.12(U/g), 最低为30.62(U/g)。4月份的土样中, 脱氢酶活性均较之三月份明显提高, 且各地酶活性大小为E > C > A > D > F > B。土壤脱氢酶属于氧化还原酶类的一种, 氧化还原酶类催化的反应很多与吸收或释放能量有关, 是土壤中能量流动方面的重要一环[8, 28]。土壤脱氢酶能够激活某些氢原子使其被适当的氢受体转移, 从而将原来的物质氧化, 其活性大小可看做土壤中微生物活性和功能多样性的指标[29], 不同环境不同退化程度的土壤中脱氢酶活性存在差异。秦华等[29]在DEHP对土壤脱氢酶活性及微生物功能多样性的影响的研究中发现, 土壤脱氢酶活性与土壤微生物活性之间为正相关。酶活性的排序改变, 说明各地区随季节时间推移, 酶活性提高的程度各不相同。从图 8中可以看出, 退化区与光滩区的脱氢酶活性更大, 说明光滩区春季土壤有机质含量较高, 表明滩涂微生物和底栖动物活动旺盛, 脱氢酶活性也较高。
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| 图 8 不同区域不同时间土壤脱氢酶活性的对比 Fig. 8 Comparison of soil dehydrogenase activity of Each sampling point in March and April |
图 9为不同区域不同时间碱性磷酸酶活性的对比。图 9显示了各采样点一个月前后土样中碱性磷酸酶的活性。3月份采集的土样中, 各采样点碱性磷酸盐活性比较为: D > F > A > B > E > C; 4月份采集的土样中, 各采样点碱性磷酸盐活性比较为: D≈B > C > F > A > E。实验结果显示, 4月份土壤中碱性磷酸酶活性随着翅碱蓬生长不断增强。磷酸酶是水解酶类的一种, 水解酶类能够将大分子物质水解为易被植物吸收的小分子物质, 这对于土壤中的碳和氮循环具有重要作用[28]。磷酸酶对土壤磷素的有效性具有重要作用, 戚继微[30]等研究表明, 磷酸酶活性与土壤中速效磷的含量成正相关而与全磷含量无相关性。在翅碱蓬生长期, 茂盛区与接近茂盛区的退化区酶活性涨幅较大, 而光滩区与接近光滩区的退化区涨幅较小, 这也预示着随着时间的推移光滩区及周围地区翅碱蓬长势不容乐观。
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| 图 9 不同区域不同时间碱性磷酸酶活性的对比 Fig. 9 Comparison of soil Alkaline Phosphatase activity of each sampling point in March and April |
图 10为不同区域不同时间过氧化氢酶活性的对比。图 10显示了各采样点春季一个月前后土样中过氧化氢酶活性的差异。3月份采集的土样中, 各采样点过氧化氢酶活性大小差别不大, 基本分布在3 mg/g左右。4月份采集的土样中, 脱氢酶活性均较之3月份明显提高, 且各地酶活性大小为D≈B > F > E > A≈C, 即D作为退化区, 过氧化氢酶却最高, 与碱性磷酸酶活性一致, 同样可以用冯章瑞[31]的研究加以解释。A作为翅碱蓬生长茂盛区, 其过氧化氢酶活性却不及退化区, 该区域存在潜在退化迹象和风险, 应加强保护。过氧化氢酶是酶促土壤中过氧化氢生成氧气和水的土壤酶, 它是在有机物质的生物化学氧化过程和生物呼吸过程中形成的, 因此其活性大小反映了土壤的生物活性强度, 即与土壤呼吸强度和土壤微生物活动有关[32]。过氧化氢酶能够破坏土壤中对生物体有毒害作用的过氧化氢, 从而保护生物体提高生物活性[33]。土壤中一般来说具有较高的过氧化氢酶活性[34]。
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| 图 10 不同区域不同时间过氧化氢酶活性的对比 Fig. 10 Comparison of soilCatalaseactivity of Each sampling point in March and April |
盘锦红海滩不同区域的土壤pH、总磷、总氮都呈下降趋势, 其中总磷下降程度很大; 土壤氧化还原电位呈上升趋势; 土壤盐度没有太大变化, 人工降滩并没有很大意义。盘锦红海滩翅碱蓬的退化可能与土壤总磷含量过低有关。3月份总氮与总磷也成正比关系, 4月份翅碱蓬生长较快, 土壤中总氮与总磷大幅下降, 随着时间推移会越来越少, 翅碱蓬缺少重要营养元素导致大面积死亡。
所有区域的土壤酶活性相差不大, 在翅碱蓬生长期4月份土壤酶活性均高于3月份, 气温回升, 土壤酶活性提高。4月份pH较3月份有所下降, 在一定pH范围内, 土壤微生物的活性增高, 从而使土壤酶活性增高。说明温度湿度及pH有利于翅碱蓬根系、微生物及其他各种土壤动物的生存和生理活动。
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