仙旋旋, 孔范龍, 朱梅珂, 李 悅, 郗 敏

(青島大學 環(huán)境科學與工程學院, 山東 青島 266071)

濱海濕地作為一種重要的濕地類型，在生物多樣性維持、污染調控、氣候調節(jié)[1-2]等方面發(fā)揮著巨大的作用。相比于其他濕地類型，由于其地理位置的特殊性，容易受到海水入侵的影響。其直接影響是水分和鹽分的不斷增加，而這種水鹽環(huán)境的變化勢必會對土壤理化和生物性質產生一定的直接或間接影響。濱海濕地土壤為其生態(tài)服務功能提供了載體，是碳存儲、維持生物多樣性以及控制污染等功能的基礎[3]。因此，充分了解水分和鹽分對土壤性質的影響，對于探究土壤鹽漬化的機理和科學評價海水入侵對濱海濕地土壤質量的影響具有重要意義。

關于對土壤水分和鹽分含量對土壤性質影響的研究主要在農田[4-6]及濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)[7]中展開。對于農田生態(tài)系統(tǒng)的研究主要關注了人為作用導致的農田土壤鹽漬化對土壤理化性質的影響、淹水栽培對設施土壤性質的影響、咸水灌溉對作物產量及土壤理化性質的影響等方面。與農田土壤相比，濱海濕地土壤以砂粒和粉粒為主，黏粒較少，具有粒徑大、孔隙度大、容重小的特點[8]，在垂直海岸線方向具有明顯的水鹽梯度[9]，因而濱海濕地土壤受水鹽含量的影響明顯，且影響機制與農田生態(tài)系統(tǒng)存在差異。而目前對于濱海濕地水鹽含量和土壤性質的研究主要集中在閩江河口濕地、崇明灘涂濕地、黃河三角洲濕地等區(qū)域，主要關注了鹽度梯度下有機碳的分布、生態(tài)化學計量特征、土壤質量指數(shù)的影響因素等方面，而關于不同水鹽條件下土壤養(yǎng)分指標和生物性質的研究較為匱乏。

土壤養(yǎng)分和酶是濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)重要的土壤指標，土壤養(yǎng)分是影響生態(tài)系統(tǒng)生產力的主導因素，土壤酶參與土壤中許多重要的生物化學過程和物質循環(huán)，與土壤養(yǎng)分密切相關，二者均可作為反映土壤質量變化、生產力和生物活性的有效指標[10]。研究表明，土壤養(yǎng)分和酶活性受土壤內部環(huán)境影響顯著，水鹽含量是土壤養(yǎng)分和酶活性的重要影響因素[4-5]?，F(xiàn)有研究一般采用實地采樣的方法探究土壤養(yǎng)分和酶等的影響因素，該方法無法避免樣地間其他影響因素所造成的差異性，因此關于水鹽梯度對濱海濕地土壤養(yǎng)分和酶活性的影響，特別是其影響機理問題需要引起關注。

膠州灣濱海濕地是山東半島面積最大的典型河口海灣型濕地，部分區(qū)域已遭到嚴重的海水入侵，由此造成的土壤質量下降對當?shù)氐霓r業(yè)產生了不利影響。本文擬選取膠州灣濕地存在海水入侵風險的樣地采集土壤樣品，通過實驗室控制試驗對其進行不同水分和鹽分處理，研究水分和鹽分變化對濱海濕地土壤養(yǎng)分指標和酶的影響，以期為探究濱海濕地土壤質量及其影響因素提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 土壤樣品采集

模擬試驗所用土壤采自膠州灣濱海濕地表層土壤，原生植被為蘆葦，距離海岸線垂直距離7.14 km，該區(qū)域存在海水入侵的潛在風險。土樣采集回來經自然風干，剔除可見動植物殘體，磨細并過篩后，將土樣充分混合，保證其土壤性質相對均一，備用。樣地土壤含水量28%，含鹽量0.9%，屬于輕度鹽漬化土[9]。

1.2 試驗方案設計

試驗包括預試驗和正式試驗兩部分。預試驗過程中，將相同質量的土樣(1 kg)分別裝盆，用蒸餾水維持土壤含水量為20%，置于25 ℃培養(yǎng)室預培養(yǎng)2周，以恢復原土壤微生物環(huán)境。2周之后進入正式試驗，采用海鹽和去離子水配制不同濃度的“人造海水”并加入到預培養(yǎng)后的土壤中，設置土壤含鹽量為4種鹽梯度，即S1(0.9%,輕度鹽漬化土)，S2(1.4%,中度鹽漬化土)，S3(1.9%,重度鹽漬化土)和S4(2.4%,鹽土)。與4種水梯度(W1為15%，W2為30%，W3為45%，W4為60%)兩兩交叉，共16種處理分別加到預培養(yǎng)后的土壤中，每種水鹽梯度處理設計2組重復試驗，恒溫25 ℃，每日光照12 h，培養(yǎng)期間每天稱重并補充水分使其維持設定的土壤水分不變。分別在15，30，45 d(記為T1，T2，T3)取土樣，并使其自然風干并磨細過篩，用來測定其土壤性質。

1.3 土壤指標測定

1.4 數(shù)據處理

采用Excel 2013和SPSS 20.0軟件對數(shù)據進行分析。采用單因素(one-way ANOVA)和Duncan檢驗對不同水鹽梯度及時間梯度下的各指標含量進行方差分析和多重比較。用Pearson法對土壤各指標進行相關分析。采用Origin 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 水鹽梯度對土壤pH值和容重的影響

pH值和容重是最基本的土壤理化性質，與土壤養(yǎng)分含量及酶活性大小密切相關。pH值是土壤養(yǎng)分和酶的重要影響因素，水鹽含量可以通過影響pH值大小對二者產生直接或間接作用[13]；容重能夠反映土壤肥力的高低、通透性的強弱，其大小會對水分入滲與土壤侵蝕產生影響[4]。土壤中水分和鹽分的變化影響了其pH值和容重(表1和圖1)。隨水分增加，土壤pH值升高，但增長趨勢不顯著；且同一水梯度下pH值隨時間增加均不顯著。隨鹽分增加，土壤pH值顯著降低；同一鹽梯度下pH值隨時間增加而增加，除S1梯度增加不顯著外，其余3個梯度從T1到T2顯著增加(表1)。土壤容重(BD)隨含水量增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在W2水梯度下土壤容重最大，W1梯度最小，除W2和W3梯度下土壤容重差異不顯著外，其余水梯度間差異顯著；不同采樣時間土壤容重變無明顯化規(guī)律。含鹽量增加，土壤容重減小，但不同鹽梯度下容重差異不顯著；且隨時間增加土壤容重變化不顯著。

表1 土壤指標含量及差異性在不同取樣時間和不同水鹽梯度下的變化情況

土壤pH值隨含水量的增加而升高，可能是不同含水量對土壤緩沖物質沖擊作用不同，導致土壤出現(xiàn)不同程度的輕微堿化[14]。鹽度增加使得土壤pH值降低，原因可以從兩方面分析，一是因為可溶性鹽陽離子和陰離子的加入可以將土壤表面上吸附的H+，Al3+和OH-代換出來，當代換出的H+和Al3+數(shù)量大于的OH-數(shù)量，土壤pH值會下降[15]。

注：圖中S為土壤含鹽量4種鹽梯度，即S1(0.9%,輕度鹽漬化土)，S2(1.4%,中度鹽漬化土)，S3(1.9%,重度鹽漬化土)和S4(2.4%,鹽土)；W為4種水梯度(W1為15%，W2為30%，W3為45%，W4為60%)。下同。

圖1濱海濕地不同水鹽梯度條件對土壤pH值和容重(BD)的影響

2.2 水鹽梯度對土壤養(yǎng)分指標的影響

2.3 水鹽梯度對土壤酶活性的影響

土壤中不同酶活性在水鹽梯度上表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律(圖3)。隨水分增加，酶活性先升高后降低，表明酶在一定的含水量范圍內具有較高的活性；隨鹽度增加，則表現(xiàn)出不同程度的降低趨勢，說明鹽分的增加對酶活性具有抑制作用。SA和APA在水梯度W2，鹽梯度S1處理下活性最高，在水梯度W4，鹽梯度S4處理下活性最低，也反映出土壤中過多的水分和鹽分對蔗糖酶和堿性磷酸酶活性的抑制作用。而UA在水梯度W3，鹽梯度S1處理下活性最高；且在同一水梯度上，UA先升高后降低，在W3水梯度達到最高。除W1和W3水梯度上，高鹽度(S4)和低鹽度(S1)下的SA具有顯著差異外，3種酶活性在不同鹽度上均無顯著性差異。3種酶活性的平均值在鹽度梯度上分別降低41.0%，28.2%和9.1%，這說明APA比SA和UA具有更高的耐鹽性。在鹽梯度S2上，不同水梯度之間SA差異不顯著；在鹽梯度S1和S4上，不同水梯度之間UA差異不顯著；其余情況下，各水梯度上最高酶活性均顯著高于最低酶活性。不同酶在水鹽梯度上的顯著性差異分析表明，在本研究水鹽含量跨度上，水分對酶活性的影響大于鹽度對酶活性的影響。

圖2 濱海濕地不同水鹽梯度條件對土壤養(yǎng)分指標的影響

圖3 濱海濕地不同水鹽梯度條件對土壤酶的影響

酶是土壤組分中最活躍的有機成分之一，具有很強的生物催化能力，它參與了土壤中幾乎全部的物理化學反應過程和物質循環(huán)，對土壤代謝過程的推進具有重要的作用，其活性反映了土壤微生物的活性和各種生物化學過程的方向和強度，故經常被用來作為評估養(yǎng)分循環(huán)和土壤質量的指標。SA，UA和APA是土壤碳、氮、磷等元素轉化的重要參與者，土壤水分和鹽分是酶活性大小的主要影響因素，且不同酶的最適水分和鹽分區(qū)間具有差異[22,25]。本研究中，土壤中過多的水分和鹽分都對3種酶活性的大小產生了抑制作用，同時土壤水分過低也會對酶活性產生不利影響。朱同彬等人對不同水分條件下土壤酶活性的變化進行了研究[26]，結果表明，與70%的田間持水量相比，過高的水分會顯著抑制土壤脲酶、過氧化氫酶和堿性磷酸酶的活性。萬忠梅等[27]的研究也證明了酶活性會隨水分增加而降低這一結論。而在水分為限制因子的干旱地區(qū)，水分缺乏導致土壤酶活性會隨土壤水分的增加而增加，在田幼華等[28]的研究中，脲酶、各種磷酸酶的活性均隨土壤水分含量的增加而顯著增加，這與本文中W2和W3水梯度土壤酶活性高于W1水梯度的結果一致。而鹽分對土壤酶的影響主要包括兩個方面，一是高濃度的鹽分會通過離子毒害和滲透脅迫等效應直接對酶產生抑制作用，二是鹽分通過影響其他因素對酶產生間接影響，如土壤理化性質、養(yǎng)分有效性、微生物的活性及數(shù)量等。關于鹽分對土壤酶活性的抑制作用，在大部分的研究中都印證了這一結論[25，28-29]。馮棣等[25]在研究咸水灌溉對土壤酶活性的影響中發(fā)現(xiàn)，咸水灌溉會導致土壤中鹽分增加且積累，使得土壤酶活性受到抑制。在田幼華等[28]的研究中，高鹽分含量限制過氧化氫酶和脲酶的活性，增加中性磷酸酶和堿性磷酸酶的活性，這說明不同酶的耐鹽性及適宜生長的鹽分區(qū)間不同，與本文的研究結果一致。

2.4 養(yǎng)分指標與酶活性的相關性分析

研究表明，土壤養(yǎng)分水平會對酶活性產生直接影響，同時，土壤酶也對養(yǎng)分水平具有一定的作用，二者之間存在緊密的聯(lián)系。相關分析表明土壤SA，UA，APA活性均與土壤養(yǎng)分含量具有一定的相關關系。SA是轉化酶中的一種，與土壤中的養(yǎng)分含量關系十分密切[30]。通過對SA和養(yǎng)分指標的相關分析可以發(fā)現(xiàn)，SA不僅與土壤有機質和速效養(yǎng)分顯著相關，也與APA極顯著相關；同時APA和TOM，AP，AK之間也具有相關關系，說明SA和APA均會在土壤碳、磷、鉀元素的轉化中起著非常重要的作用，崔東[30]等人的研究也說明了這一結論。而相比之下，UA與土壤TOM及速效養(yǎng)分等相關系數(shù)很低，但受土壤理化指標pH值和BD影響較大，可能是因為土壤理化性質會對UA產生直接影響，而模擬試驗土壤無植被生長，土壤養(yǎng)分含量對脲酶活性的間接影響會相對減弱，從而出現(xiàn)UA與pH值，BD顯著相關但與養(yǎng)分指標相關系數(shù)極低的情況。

圖4 土壤養(yǎng)分指標和酶活性的典型對應分析表2 土壤養(yǎng)分指標和酶活性的相關性分析

指標pHBDTOMNH+4-NAPAKSAUAAPApH值1BD0.300?1TOM 0.426??0.2721NH+4-N-0.358? -0.147 -0.426??1AP0.302?0.204 0.522??-0.167 1AK0.0440.287? 0.465??-0.373?? 0.481??1SA0.1350.236 0.472??0.027 0.513?? 0.458??1UA0.292? 0.523??-0.113 0.0850.066-0.137 -0.264 1APA0.064 0.475?? 0.513??0.063 0.565?? 0.401?? 0.658??0.0451

注：“**”表示差異極顯著；“*”表示差異顯著。SA為蔗糖酶活性；UA為脲酶活性；APA為堿性磷酸酶活性。

3 結 論