黃河下游典型懸河段灘區(qū)和背河洼地土壤酶活性特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制論文設(shè)計(jì)

1、摘 要土壤酶參與土壤中一切復(fù)雜生化過(guò)程，是影響物質(zhì)周轉(zhuǎn)和養(yǎng)分元素釋放的關(guān)鍵因素，土壤酶活性能指示土壤質(zhì)量狀況和水平。本文選取蔗糖酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶和堿性磷酸酶作為研究對(duì)象，對(duì)黃河下游典型懸河段不同土地利用類型土壤酶活性及土壤理化性質(zhì)垂直特征及動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究，探究黃河灘區(qū)和背河洼地不同土地利用方式土壤酶活性及動(dòng)態(tài)變化特征，揭示土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，所得主要結(jié)論如下：（1）剖面上，黃河下游典型懸河段表層土壤酶活性最高，隨著土層加深，土壤酶活性減少，40cm以下各土層土壤酶活性變化幅度較小。人工林、天然濕地、水田和水澆地表層土壤酶活性顯著高于其他各土層，河漫灘土壤酶活性剖面變化較小

2、，土層間差異不顯著。（2）不同土地利用類型土壤酶活性存在差異，黃河灘區(qū)人工林、天然濕地、水田和水澆地表層土壤過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性均高于河漫灘，堿性磷酸酶活性低于河漫灘。河漫灘土壤堿性磷酸酶活性在各土層活性均比其他四種用地類型高，且隨著土層加深，差異性加大。人工林和水澆地表層土壤過(guò)氧化氫酶和脲酶活性均大于天然濕地、水田和河漫灘，隨著土層加深，差異減小，到60cm以下均低于河漫灘，水澆地蔗糖酶活性在各土層均高于其他四種用地類型。背河洼地土壤酶活性普遍高于黃河灘區(qū)，隨著土層加深，差距逐漸減小。背河洼地天然濕地和水田土壤酶活性與黃河灘區(qū)差異較大，人工林差異最小。背河洼地天然濕地和水田土壤酶活性

3、與黃河灘區(qū)差異較大，人工林差異最小。背河洼地水田表層土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶和堿性磷酸酶活性最高，不同層四種用地類型土壤酶活性差異與表層相一致，人工林土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶活性在各土層均顯著低于天然濕地、水田和水澆地。（3）從季節(jié)變化上來(lái)看，土壤過(guò)氧化氫酶活性季節(jié)變化幅度最小，堿性磷酸酶活性季節(jié)變化幅度最大。0-20cm土層土壤酶活性變化幅度高于20-40cm土層，十月到四月變幅大于四月到七月。背河洼地土壤堿性磷酸酶活性變幅普遍高于黃河灘區(qū)，黃河灘區(qū)人工林和水澆地土壤蔗糖酶活性季節(jié)變幅高于背河洼地。背河洼地和黃河灘區(qū)土壤過(guò)氧化氫酶活性變幅較為一致，0-20cm土層脲酶活性變幅接近，20-40cm差

4、異較大。（4）土壤性質(zhì)影響土壤酶活性的變化，黃河下游懸河段土壤酶活性與土壤銨態(tài)氮、全氮、活性有機(jī)碳和有機(jī)碳均呈顯著正相關(guān)，其中全氮、活性有機(jī)碳和有機(jī)碳對(duì)土壤酶活性直接作用最大，同時(shí)對(duì)酶活性的間接影響也是最大。關(guān)鍵詞：背河洼地，黃河灘區(qū)，土地利用類型，土壤酶活性ABSTRACTSoil enzymes are involved in all complex biochemical processes in the soil and are key factors influencing material turnover and nutrient element release. Soil en

5、zyme activity can indicate soil quality status and level. In this paper, invertase, urease, catalase and alkaline phosphatase were selected as the research objects to study the vertical characteristics and dynamic changes of soil enzyme activity and soil physical and chemical properties of different

6、 land use types in the typical suspended section of the lower Yellow River to explore the Yellow River beach area The characteristics of soil enzyme activity and dynamic changes in different land use methods in Hebei River Depression revealed the relationship between soil enzyme activity and soil ph

7、ysical and chemical properties. The main conclusions are as follows:(1) In the profile, the enzyme activity in the surface soil of the typical suspended section of the lower Yellow River is the highest. As the soil layer deepens, the soil enzyme activity decreases, and the soil enzyme activity in ea

8、ch soil layer below 40 cm changes less. The enzyme activity in the surface soil of planted forests, natural wetlands, paddy fields and irrigated soils was significantly higher than that of other soil layers. The soil enzyme activity profile of the floodplain was less changed, and the difference betw

9、een the soil layers was not significant.(2) The soil enzyme activities of different land use types are different. The activities of catalase, invertase and urease in the surface soil of artificial forests, natural wetlands, paddy fields and irrigated fields in the Yellow River beach area are higher

10、than those in river floodplains, and alkaline phosphatase activities are lower than those in river floodplains. The activity of alkaline phosphatase in the floodplain soil in each soil layer is higher than that of the other four types of land use, and as the soil layer deepens, the difference increa

11、ses. The activities of catalase and urease in the surface soil of planted forests and watered ground are greater than that of natural wetlands, paddy fields and floodplains. As the soil layer deepens, the difference decreases and is below 60 cm below the floodplains. The soil layers are higher than

12、the other four types of land use. The soil enzyme activity in the Beihe depression is generally higher than that in the Yellow River beach area. As the soil layer deepens, the gap gradually decreases. The soil enzyme activities of the natural wetlands and paddy fields in the Beihe depression are qui

13、te different from those in the Yellow River beach area, and the difference is the smallest in the artificial forest. The soil enzyme activities of the natural wetlands and paddy fields in the Beihe depression are quite different from those in the Yellow River beach area, and the difference is the sm

14、allest in the artificial forest. The surface soil catalase, urease and alkaline phosphatase activities of paddy fields in Beihe depression are the highest. The differences in soil enzyme activities of the four types of land in different layers are consistent with the surface layers. All are signific

15、antly lower than natural wetlands, paddy fields and irrigated land.(3) From the perspective of seasonal changes, the seasonal variation of soil catalase activity is the smallest, and the alkaline seasonal phosphatase activity is the largest. The soil enzyme activity in the 0-20cm soil layer is highe

16、r than that in the 20-40cm soil layer, and the change from October to April is greater than from April to July. Soil alkaline phosphatase activity in Beihe depression is generally higher than that in the Yellow River beach area, and the seasonal change in soil invertase activity of artificial forest

17、 and watered soil in the Yellow River beach area is higher than that in the Beihe depression. The changes in soil catalase activity in the Beihe depression and the Yellow River beach area are relatively the same. The change in urease activity in the 0-20cm soil layer is close, and the difference bet

18、ween 20-40cm is large.(4) Soil properties affect the changes of soil enzyme activity. Soil enzyme activity in the suspended section of the lower Yellow River is significantly positively correlated with soil ammonium nitrogen, total nitrogen, activated organic carbon and organic carbon, of which tota

19、l nitrogen, activated organic carbon and organic Carbon has the largest direct effect on soil enzyme activity, and also the largest indirect effect on enzyme activity.KEY WORDS：back river depression, Yellow River beach area, land use type, soil enzyme activity1 緒論1.1 選題背景土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在全球物質(zhì)循環(huán)、能量

20、轉(zhuǎn)化過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，它是農(nóng)業(yè)、林業(yè)及其他自然生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是人類生存重要的資源1,2。土壤的碳、氮、磷、微生物生物量和酶活性等生化特性易受人為干擾和土壤環(huán)境差異的影響3-6。土壤酶主要來(lái)源于土壤微生物及動(dòng)植物分泌物，是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的成分之一，常被用于指示土壤質(zhì)量、土壤生產(chǎn)力和微生物活性、以及生化反應(yīng)過(guò)程的敏感指標(biāo)7,8土壤酶活性通常與土壤中的碳、氮、磷等物質(zhì)循環(huán)有關(guān)9-11。其中過(guò)氧化氫酶和脫氫酶等有助于木質(zhì)素的降解、腐殖質(zhì)的形成以及植物可利用養(yǎng)分的釋放，控制了碳和其他物質(zhì)的循環(huán)12，而脲酶和蛋白酶的濃度會(huì)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)產(chǎn)生影響13。開(kāi)展土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)

21、系研究，有利于深入了解土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過(guò)程，進(jìn)行土壤生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)調(diào)控。土壤酶活性特征受土地利用類型、土壤性質(zhì)、生物炭、施肥、耕作方式、環(huán)境因子等多種因素的影響14-17。土地利用類型的轉(zhuǎn)換會(huì)通過(guò)影響微生物活性和土壤中有機(jī)質(zhì)的輸入和輸出，進(jìn)而影響土壤酶活性18,19；土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)之間呈極顯著相關(guān)，尤其是與全氮、有機(jī)質(zhì)和有效磷之間的相關(guān)性最顯著20；剖面上土壤深度和土壤濕度顯著影響土壤有機(jī)質(zhì)的形成和土壤的潛在酶活性21，研究發(fā)現(xiàn)土壤酶活性受土地利用類型和季節(jié)變化影響，但受土地利用類型影響要更顯著22。分析土壤酶活性與各影響因素的關(guān)系，可探尋酶活性變化的主要控制因素。黃河流域是中華

22、文明的發(fā)源地之一，在漫長(zhǎng)的歷史中，沿黃地區(qū)形成了獨(dú)特的自然和人文景觀，其中下游以“地上懸河”舉世聞名。黃河下游自桃花峪到入海口，全長(zhǎng)786km，占流域面積的3%，以丘陵、平原地貌類型為主，地勢(shì)相對(duì)平緩23。受上游泥沙沖刷挾帶影響，下游河道長(zhǎng)期淤積形成 “地上懸河”。在黃河下游地區(qū)，地勢(shì)平坦，河道變寬，最寬處可達(dá)20km23，在河道內(nèi)有大面積灘區(qū)。灘區(qū)是黃河河道的重要組成部分，具有攔蓄洪水、消減洪峰、沉積泥沙的功能24，灘區(qū)面積達(dá)3600km225，土地資源豐富。在“地上懸河”大堤外側(cè)，河床高出地面，形成了沿大堤寬1-13km帶狀分布的背河洼地區(qū)域，在河南省面積達(dá)1700km226。背河洼地屬耕

23、地后備資源區(qū)，是糧食生產(chǎn)核心區(qū)的主體范圍，也是糧食生產(chǎn)能力建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域27。近些年受人類活動(dòng)和自然因素的影響，沿黃地區(qū)產(chǎn)生一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，例如，土壤肥力下降28、土壤重金屬污染29、土壤鹽堿化反復(fù)30等。目前，學(xué)者對(duì)黃河下游土壤研究集中在土壤重金屬含量、粒徑分形特征、有機(jī)碳組分等方面31-34，關(guān)于土壤酶活性的研究鮮有報(bào)道。本研究以黃河下游典型懸河段灘區(qū)和背河洼地土壤酶活性為研究對(duì)象，探索土壤酶活性如何響應(yīng)土地利用類型和季節(jié)的變化，并闡明土壤酶活性與土壤碳、氮、磷等元素之間的關(guān)系，旨在為黃河下游沿黃地區(qū)土地可持續(xù)利用和科學(xué)管理提供理論支持。1.2 研究意義本研究以黃河下游典型懸河段灘區(qū)

24、和背河洼地土壤酶活性為研究對(duì)象，探索土壤酶活性如何響應(yīng)土地利用類型和季節(jié)的變化，并闡明土壤酶活性特征與土壤碳、氮、磷等元素之間的關(guān)系。旨在了解黃河下游懸河段沿岸土壤性質(zhì)及變化特征，為沿黃地區(qū)土地可持續(xù)利用和科學(xué)管理提供理論支持。從土壤酶活性角度闡釋土地利用對(duì)黃河沿岸土壤性質(zhì)的影響,為黃河沿岸生態(tài)環(huán)境治理提供依據(jù)，同時(shí)對(duì)黃河灘區(qū)和背河洼地的對(duì)比，是對(duì)懸河影響下土壤性質(zhì)做了有益的探索,為懸河的進(jìn)一步研究提供了一定的支持。1.3 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展1.3.1 土壤酶活性研究進(jìn)展關(guān)于土壤酶的研究，最早從國(guó)外興起，可以追朔到19世紀(jì)末，Woods35首次從土壤中檢測(cè)到過(guò)氧化氫酶活性，這標(biāo)志著關(guān)于土壤酶的研究

25、進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。20世紀(jì)初，F(xiàn)ermi在土壤中檢測(cè)到蛋白酶等，此后磷酸酶、脲酶等相繼被檢測(cè)出來(lái)36。20世紀(jì)50年代以前是土壤酶研究的一個(gè)奠定時(shí)期，許多科學(xué)家相繼發(fā)現(xiàn)土壤中多種酶活性，同時(shí)期發(fā)展了土壤酶的研究方法和研究理論，使得土壤酶逐漸發(fā)展成一門(mén)介于土壤生物學(xué)和生物化學(xué)之間的新興邊緣交叉學(xué)科37。20世紀(jì)50-80年代被認(rèn)為是土壤酶研究的迅速發(fā)展時(shí)期。由于土壤生物學(xué)和生物化學(xué)的快速發(fā)展，土壤酶的檢測(cè)技術(shù)和方法得到不斷的完善和提高，更多土壤酶被檢測(cè)出來(lái)，到80年代末已有原來(lái)檢測(cè)到的40多種酶發(fā)展到60多種。為有效研究和應(yīng)用各種酶，20世紀(jì)60年代年國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)提出對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)分類，按照

26、酶的催化反應(yīng)類型和功能將已知的酶可以分為6大類，即氧化還原酶、水解酶、轉(zhuǎn)移酶、裂合酶、連接酶和異構(gòu)酶。此后，關(guān)于土壤酶研究的理論體系和檢測(cè)技術(shù)逐漸完善。20 世紀(jì)80年代中期以后，土壤酶學(xué)逐步與多領(lǐng)域、多種學(xué)科相互交叉、滲透38,39，土壤酶作為生態(tài)環(huán)境的指示指標(biāo)被逐漸重視，關(guān)于土壤酶與土壤碳、土壤生物生物量之間的關(guān)系，以及微生物酶技術(shù)的應(yīng)用的研究越來(lái)越多40,41，土壤中酶活性的研究逐漸成為陸地生態(tài)系統(tǒng)研究中的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)關(guān)于土壤酶的研究起步較晚，但發(fā)展迅速，尤其是近幾年，有關(guān)土壤酶的活性特征42、影響因素43等方面研究增長(zhǎng)迅速。國(guó)內(nèi)對(duì)土壤酶活性的研究主要集中在森林44-46、草地47-49、

27、濕地50-52和農(nóng)田53-55生態(tài)系統(tǒng)。森林生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性的研究集中在林分、海拔、林齡和氮沉降等方面對(duì)土壤酶活性的影響56-58。草地生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性的研究集中在類型、退化程度、草地年限等方面59-61；濕地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性研究集中在類型、氣候變化、人為干擾、耕作方式等對(duì)土壤酶活性的影響62-65。隨著研究的深入，學(xué)者們從土壤酶的過(guò)程研究逐漸向機(jī)理研究轉(zhuǎn)變。例如，對(duì)土壤酶進(jìn)行基因編碼，以了解復(fù)雜微生物群落中特定酶的產(chǎn)生和遺傳潛力66；通過(guò)控制土壤酶活性，來(lái)調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的生物修復(fù)、土壤固碳和植物生長(zhǎng)等，以提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛力67；或是對(duì)植物接種含有某種特定酶的真菌或細(xì)菌來(lái)提高植物

28、的生存、生長(zhǎng)68。關(guān)于土壤酶的研究還面臨許多新的挑戰(zhàn)，檢測(cè)方法的限制、土壤樣品的采集與儲(chǔ)存均會(huì)不同程度的影響土壤酶活性的測(cè)量。1.3.2 土壤酶活性影響因子研究土壤酶活性對(duì)環(huán)境變化反應(yīng)敏感，并受多種因素綜合作用的影響。目前，關(guān)于土壤酶活性的影響因子方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量研究，按照影響的直接性可以將其分為兩類：直接影響因子和間接影響因子。直接影響因子包括：土壤的溫度、濕度、養(yǎng)分含量、pH、CO2含量、微生群落等幾個(gè)方面。在山地森林土壤中，增溫可能會(huì)抑制土壤過(guò)氧化氫酶和脲酶的活性，而促進(jìn)多酚氧化酶活性；在土壤含水量較低情況下，土壤酶活性受土壤濕度影響較大69。增溫可能會(huì)導(dǎo)致土壤缺水，進(jìn)而限制酶反

29、應(yīng)物質(zhì)的擴(kuò)散；不同酶對(duì)溫度的變化響應(yīng)存在差異，適當(dāng)增溫可能會(huì)提高土壤微生物的活性，導(dǎo)致某些土壤酶活性增強(qiáng)，溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)均會(huì)抑制酶活性甚至導(dǎo)致酶失活70。有研究表明，酸雨對(duì)土壤酶活性和微生物群落代謝功能具有抑制作用71，CO2升高可以刺激植物根系分泌從而誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化酶和過(guò)氧化氫酶活性提高，并且CO2濃度適當(dāng)升高可以緩解干旱脅迫對(duì)植物酶活性造成的負(fù)面影響72。土壤pH通過(guò)影響土壤微生物來(lái)影響酶活性，CO2通過(guò)提高植物光合作用和水利用率來(lái)提高酶活性。土壤較高的養(yǎng)分含量可能會(huì)提高堿性磷酸酶活性，降低多酚氧化酶活性，氮添加、土壤呼吸強(qiáng)度、有機(jī)碳含量等措施也會(huì)影響土壤酶活性73。單貴蓮等74探討圍封年限對(duì)

30、典型草原土壤微生物及酶活性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤酶活性與土壤微生物和土壤養(yǎng)三者之間呈顯著的（P0.05）正相關(guān)關(guān)系。間接影響因子包括：土地耕作方式、施肥措施、土層深度、緯度、海拔和土壤質(zhì)地等。對(duì)農(nóng)田采取連續(xù)多年輪作方式，可以提高土壤有機(jī)碳和微生物量碳、氮，以及土壤某些酶活性，改善農(nóng)田土壤肥力和生產(chǎn)力75。長(zhǎng)期施肥可以顯著增加土壤全氮和活性有機(jī)氮含量，以及顯著提高土壤脲酶、堿性磷酸酶和脲酶的活性，但施肥對(duì)過(guò)氧化氫酶活性可能有抑制作用76。農(nóng)田土壤的土層深度和季節(jié)變化對(duì)植物根系生物量和土壤酶活性均有影響，表現(xiàn)隨土層厚度的增加而逐漸降低，有研究顯示土層深度在30-40 cm土壤酶活性之間的相關(guān)性最高77

31、。Ndossi等人78的研究結(jié)果也顯示隨土層深度增加，土壤酶活性逐漸降低，并且表示海拔會(huì)通過(guò)影響土壤溫度、濕度和微生物群落的變化來(lái)改變土壤酶活性。土壤粒徑的差異也會(huì)導(dǎo)致相同土壤酶活性存在差異，蔗糖酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶等通常表現(xiàn)為在適當(dāng)粒徑范圍內(nèi)酶活性隨土壤團(tuán)聚體粒徑的減小而增加79。土壤團(tuán)聚體粒徑大小通過(guò)影響土壤中水分和養(yǎng)分的擴(kuò)散間接影響土壤潛在酶活性。1.3.3 黃河下游土壤研究概況黃河下游是典型的地上懸河，近些年，學(xué)者們對(duì)下游沿黃土壤進(jìn)行了大量的科學(xué)研究，主要圍繞著背河洼地80、黃河灘區(qū)32、河岸帶33、黃灌區(qū)81和沿黃濕地82等幾個(gè)方面展開(kāi)。趙清賀等33對(duì)黃河下游鄭州開(kāi)封段河岸緩沖帶土壤

32、顆粒分形特征進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，研究區(qū)土壤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈非均勻分布,土壤質(zhì)地空間分布表現(xiàn)為同質(zhì)性，不同植被類型和河岸緩沖距離對(duì)土壤顆粒組成與土壤顆粒分形維數(shù)D值的影響差異不顯著，且土壤顆粒組成受土壤全碳、總有機(jī)碳和全氮不同程度的影響。Zhang等82分析了黃河濕地不同時(shí)間序列的表層土（0-20 cm）重金屬含量特征，土壤中Pb、Cu和Zn含量隨濕地形成的時(shí)間順序呈下降趨勢(shì)，As和Cd在濕地土壤中有明顯富集現(xiàn)象。趙廣帥等81對(duì)黃灌區(qū)土壤碳密度和碳儲(chǔ)量進(jìn)行研究，結(jié)果表明土壤碳密度和儲(chǔ)量高于全國(guó)和全球平均水平，土壤碳密度垂直變異低。伍艷等83對(duì)原陽(yáng)段黃河灘區(qū)土壤硒元素分布進(jìn)行研究，研究區(qū)屬于中等及高

33、硒土壤，表層和深層硒元素分布具有一致性，該區(qū)域砷、汞、鉛等重金屬含量較低，土壤環(huán)境質(zhì)量整體良好。李顏顏80對(duì)開(kāi)封地區(qū)背河洼地土壤重金屬污染進(jìn)行研究，結(jié)果表明研究區(qū)土壤只有Cd元素超標(biāo)，整體污染程度不高。通過(guò)上述綜述，目前對(duì)于黃河下游懸河段開(kāi)展的土壤方面的研究區(qū)域較為單一，多研究單一區(qū)域（背河洼地、灘區(qū)或黃灌區(qū)），指標(biāo)主要是土壤理化性質(zhì)、重金屬含量及碳儲(chǔ)量方面，關(guān)于灘區(qū)和背河洼地綜合對(duì)比的研究較少，尤其是對(duì)土壤酶活性的研究，鮮有報(bào)道。本文對(duì)黃河下游典型懸河段灘區(qū)和背河洼地不同土地利用類型土壤酶活性進(jìn)行研究，探討土壤酶活性的剖面特征和動(dòng)態(tài)變化，分析影響酶活性變化的主要因素，揭示黃河灘區(qū)和背河洼地土

34、壤性質(zhì)的差異，以期為黃河下游土地資源合理開(kāi)發(fā)和可持續(xù)利用提供一定的理論支撐。1.4 研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線1.4.1 研究?jī)?nèi)容以黃河下游典型懸河段黃河灘區(qū)和背河洼地不同土地利用類型土壤為研究對(duì)象，選取土壤酶中有代表性的過(guò)氧化氫酶、堿性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)測(cè)定土壤理化性質(zhì)，具體研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：(1) 黃河灘區(qū)和背河洼地不同土地利用類型土壤酶活性特征及動(dòng)態(tài)變化。(2) 黃河灘區(qū)和背河洼地不同土地利用類型土壤理化性質(zhì)特征及動(dòng)態(tài)變化。(3) 土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系。1.4.2 技術(shù)路線2 材料與方法2.1 研究區(qū)概況2.1.1 自然環(huán)境概況試驗(yàn)樣地位于黃河下游河南省開(kāi)封市祥

35、符區(qū)杜良鄉(xiāng)和袁坊鄉(xiāng)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)緯度坐標(biāo)在344642345451N和11423371143653E之間，總面積180.41平方千米，最高海拔87m，最低海拔64m。研究區(qū)大致以黃河大堤為分界線，大堤內(nèi)是黃河灘區(qū)，海拔較高，大堤外是背河洼地，海拔較低，黃河灘區(qū)和背河洼地最大高差為23m，其中袁坊鄉(xiāng)地處黃河灘區(qū)，杜良鄉(xiāng)主要在背河洼地。該地區(qū)四季分明，雨熱同期，多年平均降水量628mm，多年平均氣溫14，無(wú)霜期214天，屬于溫帶季風(fēng)氣候。主要土壤類型是粉壤土，同時(shí)分布部分粉質(zhì)黏壤土、砂質(zhì)黏土和粉土。植被類型屬于溫帶落葉闊葉林，主要樹(shù)種有楊樹(shù)、泡桐、洋槐、柳樹(shù)等，均為人工種植，樹(shù)齡在5-30年，沿公路和村

36、莊呈帶狀分布。黃河灘區(qū)和背河洼地生產(chǎn)生活水源存在差異，灘區(qū)主要水源是地下水，背河洼地主要水源是地下水和引黃灌溉水。 2.1.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況樣地所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)總?cè)丝跀?shù)115516人（第五次人口普查），農(nóng)業(yè)是鄉(xiāng)鎮(zhèn)支柱產(chǎn)業(yè)，共有耕地12.338萬(wàn)畝，黃河灘區(qū)主要耕地類型是水澆地，背河洼地主要耕地類型是水田。黃河灘區(qū)和背河洼地主要農(nóng)作物存在一定差異，黃河灘區(qū)主要農(nóng)作物有小麥、紅薯、大豆、玉米等，背河洼地主要農(nóng)作物有小麥、水稻、棉花等。目前黃河灘區(qū)的主要土地類型有水澆地、水田、天然濕地、河漫灘、人工林，其中水田為水澆地改造，種植藕或者水稻，零星分布，種植水稻的水田實(shí)行水稻-小麥種植制度，水稻產(chǎn)量在6700k

37、g/hm2左右,小麥產(chǎn)量在6000kg/hm2左右。水澆地主要采用地下水灌溉，實(shí)行花生（玉米）-小麥種植制度，花生產(chǎn)量5000kg/hm2左右，玉米產(chǎn)量在7500 kg/hm2左右。天然濕地多分布在黃河主河道附近，呈帶狀分布，水源主要受黃河汛期和天然降水的影響，濕地內(nèi)植被豐富，是黃河灘區(qū)主要的放牧場(chǎng)所。背河洼地糧食產(chǎn)量高于黃河灘區(qū)，背河洼地水澆地多選擇地勢(shì)較高地塊，多為引黃灌渠清理堆積的淤沙，高于地面1m左右，種植制度與黃河灘區(qū)相似，采用花生（玉米）-小麥種植制度，花生產(chǎn)量5500kg/hm2左右，玉米產(chǎn)量在8000 kg/hm2左右，小麥產(chǎn)量在7500kg/hm2左右；水田有兩種種植模式，一

38、種是一年一季，種植完水稻以后，不再進(jìn)行耕種，作為下一季水稻育苗地，另一種是水稻-小麥種植制度，水稻產(chǎn)量在9000 kg/hm2左右，小麥產(chǎn)量在8000 kg/hm2左右。2.1.3 采樣點(diǎn)概況黃河灘區(qū)五種土地利用類型基本情況：人工林選擇楊樹(shù)林，樹(shù)齡在10年左右，樹(shù)下植被稀疏，主要是中華小苦荬、播娘蒿、葎草，樹(shù)下凋落物都被清理掉做燃料或者肥料，沒(méi)有枯枝落葉層；天然濕地地表植被覆蓋率超過(guò)90%，主要植被有蘆葦、香蒲、狗牙根；水田選擇水稻田，改造時(shí)間在3-5年，實(shí)行水稻-小麥種植制度；水澆地選擇距黃河主河道距離在1km內(nèi)，種植方式為玉米-小麥輪種；河漫灘地表無(wú)植物覆蓋，為近幾年黃河泥沙沉積物。野外采

39、樣發(fā)現(xiàn)，河漫灘土壤剖面各層都存在細(xì)砂和粗砂；天然濕地表層（0-20cm）有大量植物根系，存在1-2cm的腐殖質(zhì)層，土壤顏色泛黑，表層以下各層土壤顏色與其他類型土壤顏色一致；水田表層土壤存在大量的作物秸稈，土壤顏色呈暗黃色，表層以下各層土壤顏色與其他類型土壤顏色一致；水澆地表層土壤疏松，整個(gè)剖面土壤顏色無(wú)明顯變化；人工林自表層到底層根系逐漸減少，60cm以下，基本不存在植物根系，各土層顏色無(wú)明顯變化。黃河灘區(qū)各類型樣地土壤質(zhì)地相似，多為細(xì)砂。背河洼地四種土地利用類型樣地基本狀況：人工林主要樹(shù)種是楊樹(shù)，樹(shù)齡大多在20a以上，樹(shù)下植被豐富，大多為狗牙根和茅草。天然濕地主要植被有蘆葦、狗牙根、茅草。采

40、樣過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，林地土壤較為緊實(shí)，在各土層都存在膠泥；水田在整個(gè)剖面土壤顏色呈黑色；天然濕地和水田在20-40cm以下土層存在積水；水澆地原為水田或天然濕地，后河道清理淤沙，將部分水田和天然濕地改造為水澆地，耕作歷史在10年左右，土壤疏松，各土層顏色無(wú)明顯變化。2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)在黃河灘區(qū)選擇河漫灘、水田、水澆地、人工林、天然濕地五種土地利用類型，每種類型選擇四塊樣地，每塊樣地基本條件一致，同種類型樣地間隔在200-500米；背河洼地選擇水田、水澆地、人工林、天然濕地四種土地利用類型，每種類型選擇四塊樣地，樣地條件相似，同種類型樣地間隔在200-500米。2.3 樣品采集分別于2018年10月

41、、2019年4月和2019年7月共計(jì)進(jìn)行三次采樣，在每個(gè)樣地采用五點(diǎn)取樣法分層采樣。2018年10月采樣深度為100cm，分為5層，分別采集0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm、80-100cm土壤樣品，2019年4月和2019年7月采樣深度均為40cm，分為2層，分別采集0-20、20-40cm土壤樣品。采集的樣品分為兩部分，一部分新鮮土樣4保存，用來(lái)測(cè)定微生物碳，另一部分土樣室內(nèi)風(fēng)干，用來(lái)測(cè)定土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性。在黃河灘區(qū)和背河洼地的水澆地和天然濕地中各選取一個(gè)樣地，進(jìn)行野外土壤溫度、濕度和電導(dǎo)率定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)儀器是土壤剖面溫濕鹽測(cè)量?jī)xYM-GSE05，監(jiān)測(cè)深

42、度為100cm，分為5層，分別監(jiān)測(cè)0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm、80-100cm土壤溫度、濕度和電導(dǎo)率，信息采集時(shí)間間隔為1h。2.4 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)及測(cè)定方法土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法參照土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法84（魯如坤主編），土壤酶活性測(cè)定方法參照土壤酶及其研究法85（關(guān)松蔭編），具體方法如下（表2-1）：2.5 數(shù)據(jù)處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)在Excel2010中記錄整理；采用單因素方差分析對(duì)土壤理化性質(zhì)和酶活性進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)不同土地利用類型和不同土層土壤理化性質(zhì)和酶活性差異顯著性，采用雙因素方差分析，探究土地利用和土層對(duì)土壤理化性質(zhì)和酶活性的影響；采用相關(guān)分析比較土壤環(huán)

43、境因子和酶活性的相關(guān)性，采用通徑分析，定量闡釋土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤酶活性影響程度。上述方法通過(guò)R語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，方差分析采用LSD法進(jìn)行多重比較，相關(guān)分析采用Spearman法。 3 黃河下游典型懸河段土壤酶活性特征土壤酶是土壤生物化學(xué)過(guò)程的主要調(diào)節(jié)者7,8，不同的種類的酶發(fā)揮的功能各不相同。過(guò)氧化氫酶可以分解土壤過(guò)氧化氫，降低過(guò)氧化氫過(guò)度積累對(duì)土壤微生物和植物根部的毒害，并能夠促進(jìn)過(guò)氧化氫和多種化合物的氧化，表示土壤氧化過(guò)程的強(qiáng)度, 與有機(jī)質(zhì)的分解密切相關(guān)86。蔗糖酶可將蔗糖分子水解成容易被植物和土壤微生物吸收利用的葡萄糖和果糖, 提高土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化87。堿性磷酸酶水解土壤有機(jī)磷，屬胞內(nèi)酶 ,能提

44、高土壤磷元素的有效性,是土壤磷循環(huán)的重要組成部分88。脲酶是土壤中最為活躍的水解酶類之一，對(duì)尿素的水解具有專屬性，能催化土壤中的尿素水解生成氨和CO289, 其活性可以反映土壤的供氮能力, 在土壤氮素循環(huán)中具有重要的作用90。3.1不同土地利用類型土壤酶活性特征3.1.1 黃河灘區(qū)土壤酶活性特征黃河灘區(qū)不同土地利用類型土壤酶活性存在差異（圖3-1）。0-20 cm土層，人工林過(guò)氧化氫酶活性最高（4.77 ml 0.1N KMnO4g-120min-1），水澆地次之，河漫灘最低（3.25 ml 0.1N KMnO4g-120min-1）；水澆地蔗糖酶活性最高（6.17 mgg-124h-1），顯

45、著高于其他四種用地類型（P0.05），河漫灘蔗糖酶活性最低（0.30 mgg-124h-1）；人工林和水澆地脲酶活性較高（均為0.29 mgg-124h-1），顯著高其他四種用地類型（P0.05），河漫灘脲酶活性最低（0.07 mgg-124h-1）；水澆地和河漫灘堿性磷酸酶活性較高（0.51 mgg-124h-1、0.50 mgg-124h-1），人工林最低（0.27 mgg-124h-1）。20-40 cm土層，人工林過(guò)氧化氫酶活性最高（3.41 ml 0.1N KMnO4g-120min-1），水澆地最低（2.73 ml 0.1N KMnO4g-120min-1），不同土地利用類型之間差

46、異不顯著；水澆地蔗糖酶活性最高（2.49 mgg-124h-1），河漫灘最低（0.26 mgg-124h-1）；水澆地脲酶活性最高（0.18 mgg-124h-1），顯著高于天然濕地（0.07 mgg-124h-1）、水田和河漫灘（均為0.06 mgg-124h-1）（P0.05）；河漫灘堿性磷酸酶活性最高（0.38 mgg-124h-1），顯著高于其他四種土地利用類型（P0.05）。在40-100 cm各土層，五種土地利用類型土壤過(guò)氧化氫酶活性均無(wú)顯著差別；土壤蔗糖酶活性均是水澆地最高，顯著高于人工林和河漫灘（P0.05）；土壤堿性磷酸酶活性均是河漫灘最高，顯著高于人工林、水田和水澆地（P0

47、.05）；人工林、天然濕地和河漫灘脲酶活性均顯著高于水田和水澆地（P0.05）。隨著土層深度的增加，各用地類型（人工林、天然濕地、水田、水澆地和河漫灘）四種土壤酶活性均呈不同幅度的降低趨勢(shì)（圖3-1）。河漫灘過(guò)氧化氫酶活性隨著土層深度的增加小幅降低（25.2%），人工林和水澆地降幅較大（54.3%、 56.7%）；河漫灘土壤的脲酶活性在整個(gè)剖面也變化不大（0.050.07 mgg-124h-1），人工林和水澆地降幅較大（分別降低86.6%和95.1%）；河漫灘蔗糖酶活性剖面變化最?。?.23-0.35 mgg-124h-1），各土層差異不顯著，人工林降幅最大（97.4%）；水澆地的堿性磷酸酶活

48、性隨著土層深度增加而快速降低，而河漫灘和天然濕地變化較為穩(wěn)定。就不同酶活性而言，四種酶活性均是表層最高，其中過(guò)氧化氫酶活性不同土地利用類型之間差異較小。蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶活性在不同土地利用類型表現(xiàn)較大差異，0-20cm土層和20-40cm土層變化較大，40cm以下各土層變化較小。雙因素方差分析表明，土層對(duì)過(guò)土壤過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶四種酶活性均有顯著影響（P0.001），土地利用類型對(duì)土壤蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶三種酶活性均有顯著影響（P0.001），對(duì)過(guò)氧化氫酶影響不顯著（P=0.267）。土層和土地利用類型交互作用對(duì)土壤蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶三種酶活性均有顯著影響（P

49、0.001），對(duì)過(guò)氧化氫酶影響不顯著（P=0.908）。 3.1.2 背河洼地土壤酶活性特征背河洼地不同土地利用類型土壤酶活性存在差異（圖3-2）。0-20 cm土層，水田過(guò)氧化氫酶活性最高（4.96 ml 0.1N KMnO4g-120min-1），人工林次之，水澆地最低（4.18 ml 0.1N KMnO4g-120min-1），水田過(guò)氧化氫酶活性顯著高于天然濕地和水澆地（P0.05）；天然濕地蔗糖酶活性最高（12.13 mgg-124h-1），水田次之，人工林蔗糖酶活性最低（3.95 mgg-124h-1），天然濕地和水田蔗糖酶活性顯著高于人工林和水澆地（P0.05）；水田脲酶活性最高（

50、0.37 mgg-124h-1），天然濕地脲酶活性最低（0.25 mgg-124h-1）；水田堿性磷酸酶活性最高（0.75 mgg-124h-1），水澆地次之（0.67 mgg-124h-1），人工林最低（0.37 mgg-124h-1），水田和水澆地堿性磷酸酶活性顯著高于天然濕地和人工林（P0.05）。20-40 cm土層，人工林過(guò)氧化氫酶活性最高（4.21 ml 0.1N KMnO4g-120min-1），天然濕地最低（3.25 ml 0.1N KMnO4g-120min-1），不同土地利用類型之間差異不顯著；水澆地蔗糖酶活性最高（5.11 mgg-124h-1），人工林最低（0.68 m

51、gg-124h-1），水澆地土壤蔗糖酶活性顯著高于其他三種用地類型（P0.05）；人工林脲酶活性最高（0.18 mgg-124h-1），天然濕地最低（0.07 mgg-124h-1）；水田堿性磷酸酶活性最高（0.42 mgg-124h-1），顯著高于其他三種土地利用類型（P0.05）。在40-100 cm各土層，四種土地利用類型土壤過(guò)氧化氫酶活性均無(wú)顯著差別；土壤蔗糖酶活性均是水澆地最高，顯著高于人工林（P0.05）；土壤堿性磷酸酶活性水田和天然濕地較高，顯著高于人工林和水澆地（P0.05）；土壤脲酶活性均是水澆地最高，四種土地利用類型脲酶活性無(wú)顯著差別。隨著土層深度的增加，各用地類型（人工林

52、、天然濕地、水田和水澆地）四種土壤酶活性均呈不同幅度的降低趨勢(shì)（圖3-2）。人工林過(guò)氧化氫酶活性隨著土層深度的增加小幅降低（14.0%），天然濕地和水田降幅較大（30.0%、 30.9%）；水田脲酶活性在整個(gè)剖面也變化最大（0.040.37 mgg-124h-1），天然濕地變化范圍最?。?.030.25 mgg-124h-1）；天然濕地蔗糖酶活性剖面變化范圍最大（2.02-12.12 mgg-124h-1），人工林降幅最大（95.4%），均是表層顯著高于其他各層（P0.05），水澆地變幅最?。?3.5%）；人工林和水澆地土壤堿性磷酸酶活性變幅較大（88.6%，75.1%），天然濕地和水田變幅較

53、?。?3.9%，66.6%）。就不同酶活性而言，四種酶活性均是表層最高，其中過(guò)氧化氫酶活性剖面變化小；蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶活性在不同土地利用類型表現(xiàn)差異較大，0-20cm土層和20-40cm土層變化較大，40cm以下各土層變化較小。雙因素方差分析表明，土層和土地利用類型對(duì)過(guò)土壤過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶四種酶活性均有顯著影響（P0.001）。土層和土地利用類型交互作用對(duì)土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶兩種酶活性均有顯著影響（P0.001和P0.01），對(duì)過(guò)氧化氫酶和脲酶影響不顯著（P=0.294和 P=0.053）。3.1.3 黃河灘區(qū)和背河洼地土壤酶活性差異分析三因素方差分析表明（表3-

54、1），位置（黃河灘區(qū)和背河洼地）對(duì)四種酶活性都有極顯著影響（P=0.000）。土地利用類型對(duì)蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶活性均有極顯著影響（P=0.000），對(duì)過(guò)氧化氫酶活性有顯著影響（P=0.002）。土層對(duì)四種酶活性均有極顯著影響（P=0.000）。位置和土地利用類型交互作用對(duì)過(guò)氧化氫酶活性影響不顯著（P=0.123），對(duì)蔗糖酶和堿性磷酸酶有極顯著影響（P=0.000），對(duì)脲酶活性有顯著影響（P=0.011）。位置和土層的交互作用對(duì)蔗糖酶和脲酶活性有極顯著影響（P=0.000），對(duì)過(guò)氧化氫酶和堿性磷酸酶有顯著影響（P=0.004，P=0.001）。土地利用類型和土層的交互作用對(duì)過(guò)氧化氫酶影響不

55、顯著（P=0.859），對(duì)其他三種酶活性影響極顯著（P=0.000）。位置、土層和土地利用類型對(duì)蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性影響極顯著（P=0.000），對(duì)堿性磷酸酶活性有顯著影響（P=0.001），對(duì)過(guò)氧化氫酶影響不顯著（P=0.726）。單因素方差分析表明黃河灘區(qū)和背河洼地同一土地利用類型酶活性存在一定差異（表3-2）。在各土層，相同土地利用類型，背河洼地四種土壤酶活性基本都高于黃河灘。0-20cm土層，背河洼地土壤蔗糖酶活性均顯著高于黃河灘區(qū)（P0.05）；背河洼地水田過(guò)氧化氫酶活性（4.96 ml 0.1N KMnO4g-120min-1）顯著高于黃河灘區(qū)（3.82 ml 0.1N KMnO

56、4g-120min-1）（P0.05），其他三種土地利用類型過(guò)氧化氫酶活性差異不顯著。背河洼地天然濕地和水田脲酶活性顯著高于黃河灘區(qū)（P0.05），人工林和水澆地差異不顯著。背河洼地人工林、水田、水澆地堿性磷酸酶活性均顯著高于黃河灘區(qū)（P0.05），天然濕地差異不顯著。20-40 cm土層，背河洼地水田過(guò)氧化氫酶和堿性磷酸酶活性顯著高于黃河灘區(qū)（P0.05），人工林和水澆地蔗糖酶顯著高于黃河灘區(qū)（P0.05），其他土地利用類型酶活性差異不顯著。40-60 cm土層，背河洼地水田過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶均顯著高于黃河灘區(qū)（P0.05），天然濕地蔗糖酶和水澆地過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶均顯著高于黃河

57、灘區(qū)（P0.05），其他土地利用類型酶活性差異不顯著。60-80 cm土層，背河洼地水澆地脲酶、天然濕地過(guò)氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶和人工林脲酶、堿性磷酸酶與黃河灘區(qū)差異不顯著，背河洼地其他土地利用類型各種酶活性均顯著高于黃河灘區(qū)（P0.05）。80-100 cm土層，背河洼地水田四種酶活性，人工林過(guò)氧化氫酶，水澆地過(guò)氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性均顯著高于黃河灘區(qū)（P0.05），其他土地利用類型酶活性差異不顯著。3.2 黃河下游典型懸河段土壤酶活性動(dòng)態(tài)變化3.2.1 黃河灘區(qū)土壤酶活性動(dòng)態(tài)變化黃河灘區(qū)不同土地利用類型土壤酶活性季節(jié)響應(yīng)不同（圖3-3）。0-20cm土層，人工林過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、

58、脲酶和堿性磷酸酶活性均是4月最高，分別是4.96 ml 0.1N KMnO4g-120min-1、4.70 mgg-124h-1、0.52 mgg-124h-1、0.67 mgg-124h-1，過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性均7月最低，分別是4.27 ml 0.1N KMnO4g-120min-1、1.55 mg/g mgg-124h-1、0.25 mgg-124h-1，脲酶活性10月最低，是0.29 mgg-124h-1。天然濕地過(guò)氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶活性均是,4月最高，分別是3.96 ml 0.1N KMnO4g-120min-1、0.11 mgg-124h-1、1.00 mgg-124h-1，7月份最低，分別為3.21 ml 0.1N KMnO4g-120min-1、0.08 mgg-124h-1、0.29 mgg-1