吉林西部盐碱水田区冻融期土壤水盐运移特征及酶活性变化

2014-12-25 06:29吴佳曦
关键词:含盐量脲酶水田

汤 洁,梁 爽,张 豪,吴佳曦,2,娄 云

1.吉林大学环境与资源学院,长春 130012

2.湖北天泰环保工程有限公司,武汉 430000

0 引言

土地盐碱化会对作物造成严重危害[1-2],进而影响粮食产量。水盐运移是研究土壤盐碱化的主要内容。东北寒冷地区的季节性冻融引起土壤中水盐运移,会导致土壤盐碱化[3]。pH是土壤重要的基本性质之一,其变化直接影响土壤营养元素的存在状态和有效性,改变土壤肥力形成和质量演变过程[4],对植物生长发育起很大作用。土壤酶参与土壤中各种生物化学过程,对土壤中有机质的分解和植物营养元素的循环有重要作用,土壤酶活性与土壤理化性质密切相关,其活性常用来表征土壤微生物活性、土壤肥力和质量[5]。但国内外学者对冻融作用下土壤pH和酶活性变化的研究报道较少。国外对冻融作用下水盐运移的研究主要集中在水分迁移的动力学机制[6-7]。国内已有的研究方法主要为模型模拟[8-9]、田间试验[10-13]和室内模拟试验等,其中:模型模拟不能全面反映土壤环境复杂的动态变化;田间试验虽能反映实际情况,但其结果易受蒸发和降水等自然因素影响;室内模拟试验一次冻融循环多设置为冻结48h、融化48h[14-16],无法模拟初冬和初春的实际自然条件。

吉林西部位于松嫩平原西南部,是吉林省主要粮食产区和国家商品粮基地[17]。该地区季节性冻融期长达六七个月[18],其中初冬与初春为冻融期,土地冻融交替显著。吉林西部为世界三大盐碱土集中分布区之一,是我国苏打盐渍土面积最大的地区[19-20],土地次生盐碱化对农业造成了巨大影响[21]。在2009年国务院通过的吉林省增产百亿斤商品粮规划中,吉林西部承担着增产25亿kg粮食的重担,近年已通过引嫩江水灌溉盐碱地开发出一定规模的水田,且范围在不断扩大。该地区大规模的水田开发将不可避免地改变土壤原有的水盐分布及酶活性,这些不仅关系到粮食产量,更关系到土壤次生盐渍化和土地荒漠化问题。长期以来,我国学者对该区盐渍化问题进行了较为广泛的研究[21-23],但鲜见针对盐碱水田区的报道。

本研究以吉林西部近年开发的大安市盐碱草地改水田土壤为研究对象(图1),选取-5℃冻结12 h、5℃融化12h为一个循环,开展室内冻融试验,模拟初冬和初春昼融夜冻引起的冻融循环状态下土壤中含水率、含盐量、pH、酶活性的变化,以期揭示盐碱水田土壤水盐运移特征及酶活性变化规律。

1 材料与方法

1.1 供试土壤的采集

图1 吉林西部盐碱水田区规划及采样点布设图Fig.1 Map of the plan of saline-alkaline paddy field area and the set of sampling point in western Jilin Province

2011年4月在吉林省大安市设置一个采样点,以10cm为一层,分层采集0~50cm土壤剖面样品。将各层土壤分别混合均匀后,垂直向下分层装入PVC管(高50cm,直径11cm),制作5个水田土柱,两端用塑料膜封好,带回实验室进行室内冻融模拟实验。同时,用环刀和铝盒取每层混合样品,每层样品取3份。另取0~50cm混合土样带回实验室测定土壤基本理化性质。由于水稻根系大部分分布在土壤耕作层(0~20cm),0~10cm土壤表层更分布有80%以上[24],所以50cm高土柱即可反映冻融作用下水田土壤的水盐变化和酶活性。

1.2 冻融模拟试验

将土柱垂直放入冰箱(有效容积:210L;温度范围:-18~10℃;外观尺寸:1 072mm×547mm×825mm),表层端向上,四周及底部垫置泡沫板保温。用棉被从侧面包裹土柱,模拟实际情况下土壤从表层至深层逐步冻融的情况。本次实验模拟初冬和初春的昼融夜冻过程,设置一次冻融循环(freezethaw cycle,FTC)为-5℃冻结12h,5℃消融12h;经0、1、2、3、4、5次FTC后,以10cm为一层分别测定土壤含水率、含盐量、pH和酶活性。土壤脲酶活性与土壤肥力指标有较好的相关性,是评价土壤肥力的重要指标,因此选取土壤脲酶作为典型酶进行测试。每份样品设置3个重复,取平均值。

1.3 样品的处理与测试

测定所采集土壤样品0~50cm混合土样的理化性质,代表土壤的基本状况(表1)。测定各层土壤含水率、含盐量、pH和脲酶活性作为0次冻融循环数据,即背景值(表2)。

每次FTC后不破坏土壤柱,将PVC管割开,以10cm为一层将土样分层取出,用质量法测定含水率,风干、研磨后,分别过1mm和2mm筛,制成待测样品。

表1 0~50cm混合土样理化性质Table 1 Physical and chemical properties of mixed soil samples of 0~50cm

表2 土壤各层初始含水率、含盐量、pH和脲酶活性Table 2 Initial moisture content,salt content,pH and urease activity at each soil layer

测试分4个步骤进行。

1)质量法测定含水率:将土壤放入事先称量过的铝盒中,称量铝盒和湿土的总质量,在105℃烘干6h后,称量铝盒和干土的总质量,同时做2组平行样。含水率计算公式为

式中:m1为铝盒质量(g);m2为铝盒+湿土质量(g);m3为铝盒+干土质量(g)。

2)残渣烘干法测定土壤水溶性盐总量:称取过2mm筛待测土样50.000g(精确至0.001g)置于干燥的500mL具塞锥形瓶中,加入250.00mL无CO2蒸馏水,振荡3min;取得清亮的待测浸出溶液50mL置于已知烘干质量的瓷蒸发皿中,在水浴上蒸干;然后置于恒温干燥箱中于105℃烘干3h;再置于干燥器中冷却30min后称量,继续烘干1h,冷却称量,直至恒重。同时做2组平行样。含盐量计算公式为

式中:n为称取风干试样质量(g);n1为蒸发皿+盐的烘干质量(g);n0为蒸发皿烘干质量(g)。

3)电位法测定pH:称取待测样品10.00g(精确至0.01g)于50mL高型烧杯中,加入25mL无CO2蒸馏水,用玻璃棒搅动2min,静置30min。同时做2组平行样。使用PHS-3C型pH计测定pH。

4)靛酚蓝比色法测定土壤脲酶:称取10.00g(精确至0.01g)过1mm筛的风干土样,置于50mL三角瓶中,先加2mL甲苯处理15min,再注入10 mL 10%尿素溶液和20mL柠檬酸盐缓冲液(pH=6.7),放在38℃恒温箱中培养3h;转移至100mL容量瓶中,用38℃的蒸馏水稀释至刻度,摇荡,过滤;取1mL滤液置于50mL容量瓶中,加入9mL蒸馏水稀释,再加入4mL苯酚钠溶液,混匀,之后立即加入3mL次氯酸钠溶液,混匀,静置20min后将混合物体积稀释至刻度;用1cm的比色槽,在比色计上于波长578nm处测定脲酶活性。脲酶活性以培养3h后100g土中NH+4-N的毫克数表示。同时做2组平行样。

2 结果分析

2.1 不同冻融循环条件下土壤含水率、含盐量、pH和脲酶活性变化

2.1.1 土壤水分变化

土壤水分变化见图2。经过冻融作用,0~10 cm、10~20cm土层含水率随FTC次数的增加呈递增趋势,最终值比背景值分别增加了29.55%和10.63%;20~30cm、30~40cm和40~50cm土层含水率均有明显下降,并随FTC次数的增加呈现递减趋势,3层含水率最终分别降低了10.71%、16.00%和30.94%。说明在冻融作用下,20~50 cm土层水分向0~20cm土层迁移。这与盐沼湿地经过冻结和融化作用后土壤下层水分向表层迁移的研究结果相似[13]。

2.1.2 土壤含盐量变化

由土壤含盐量变化(图3)可知:0~10cm、10~20cm土层含盐量随FTC次数增加而递增,与背景值相比,最终分别增加了30.21%、15.58%;20~30 cm、30~40cm和40~50cm土层含盐量随FTC次数增加而递减,比背景值最终分别降低了15.31%、17.44%和23.46%,说明经过冻融循环,20~50cm土层盐分向0~20cm土层迁移并聚集。姜世成等[25]和张立新等[26]对盐碱化草地和灌区草窝滩盆地土壤进行研究时也发现,在冻结和融化过程中,土壤下层水分携带大量易溶盐分向上迁移,且融化时蒸发作用使盐分聚集在土壤表层,导致或加重土壤盐碱化[22]。

图2 土壤各层含水率变化图Fig.2 Changes of moisture content at each layer

图3 土壤各层含盐量变化Fig.3 Changes of conductivity at each layer

2.1.3 土壤pH 变化

土壤pH与含盐量变化规律相似,见图4。

由图4可以看出:0~10cm、10~20cm土层pH随FTC次数增加呈现递增趋势;20~30cm土层pH随FTC次数增加而波动上升;30~40cm、40~50cm土层pH总体呈现降低趋势。经过冻融循环,0~10cm土层pH 由8.49上升到8.53;10~20 cm土层pH由8.48上升到8.51;20~30cm土层pH 由8.47上升到8.48,30~40cm、40~50cm土层pH均有所降低。经过冻融循环,土壤表层pH升高。

图4 土壤各层pH变化Fig.4 Changes of pH at each layer

2.1.4 土壤脲酶活性变化

脲酶是土壤中最活跃的水解酶之一,其对尿素在土壤中转化分解起关键催化作用[27],可释放出供作物直接吸收利用的氮素。研究盐碱水田区冻融作用下脲酶的变化与水盐运移关系,对于揭示土壤水盐变化对土壤酶活性和肥力影响有重要意义。

研究表明,水田土壤脲酶活性随深度增加而递减,见图5。经过冻融循环,0~10cm、10~20cm、20~30cm土层脲酶活性随FTC增加均出现先增加后降低的趋势,在第3次FTC之后出现峰值;30~40cm、40~50cm土层脲酶活性较前面3个土层明显降低。5次FTC后,与背景值相比,0~10cm土层w(脲酶)降低了2.88%;10~20cm土层增加了1.26%;20~30cm土层降低了10.38%;30~40 cm土层降低了15.69%;40~50cm土层降低了25.97%。

图5 土壤各层脲酶活性变化Fig.5 Changes of soil urease at each layer

2.2 冻融次数和土壤深度对含水率、含盐量、pH、脲酶变化的方差分析(ANOVA)

运用Excel对测试数据进行方差分析(ANOVA)和显著性检验(P<0.05),见表3。

方差分析表明:冻融次数对含水率、含盐量、pH的影响不显著(P>0.05),而对脲酶活性的影响显著(P<0.05),是影响脲酶活性的主要影响因素之一;土壤深度对含水率、含盐量、pH、脲酶活性的影响显著(P<0.05),说明土壤深度是影响含水率、含盐量、pH、脲酶活性的主要因素之一。冻融过程中伴随着温度变化,冻融温度引起土壤温度尤其深层土壤温度改变是一个缓慢过程,不可避免地产生温度梯度,因此对不同深度土壤影响不一致。

2.3 各因子之间的相关分析

不同FTC下,水田土壤水、盐、pH和脲酶活性呈现明显的变化规律,揭示各因子之间的关系是研究其变化机理的关键,为此,本文利用SPSS19.0软件在各因子之间进行了相关分析,见表4。

2.3.1 水-盐、盐-pH 相关性分析

由表4可以看出:0~50cm土层含水率与含盐量之间R为0.913(P<0.01),二者呈显著正相关。由图2、3可知,土壤各层含盐量与含水率的变化趋势相似。土壤中的水分不仅是盐分的溶剂,也是盐分运移的载体,冻融过程中水分运移的方向和数量,在很大程度上决定了盐分运移的方向和数量[14]。

土壤含盐量与pH之间的R为0.893(P<0.01),二者呈显著的正相关;盐分尤其是碳酸盐的迁移,容易引起pH的变化。罗金明等[10]研究盐化草甸土和白盖苏打碱土时发现,冻融结束后,盐化草甸土和苏打盐渍土表层pH均有所上升,且表层盐分增加主要表现为碳酸钠和碳酸氢钠的迁移,碳酸钠和碳酸氢钠均是强碱弱酸盐,水解均会产生OH-,使pH升高。如表1所示,研究区水田土壤含有大量和,二者的向上迁移必然会对水田土壤的pH产生影响。同时,土壤溶液中的OH-也会随着水分向上迁移,使表层土壤pH升高。

2.3.2 土壤水-脲酶、盐-脲酶、pH-脲酶相关性分析

由表4可以看出:土壤含水率、含盐量和pH与土壤脲酶活性之间均呈现显著的正相关关系,相关系数分别为:0.764(P<0.01)、0.913(P<0.01)和0.912(P<0.01),其中,含盐量与脲酶活性相关性最大,含水率与脲酶活性相关性最小。这说明土壤中水分、盐分和酸碱度均对脲酶活性产生重要影响,进而影响土壤养分状况。

表3 冻融次数和土壤深度对含水率、含盐量、pH、脲酶活性影响的方差分析(ANOVA)Table 3 ANOVA of the effect of number of freeze-thaw cycles and depth on moisture content,salt content,pH,urease activity

表4 0~50cm土层含水率、含盐量、pH、脲酶活性之间的相关性Table 4 Correlation between moisture content,salt content,pH and soil urease at layer of 0~50cm

3 讨论

温度降低导致表层与下层土壤水势梯度增大,牵引下层水分上移[26]。融化期间,冻结带以上水分形成“滞水”,蒸发作用使其继续上移[14];冻结带以下水盐在土壤水势梯度作用下上移,冻结带融化之后继续上移,最终导致土壤表层盐分聚集。盐随水走是盐分在土壤中迁移的主要方式[28]。

当温度下降较慢时,土壤中的水盐有足够的时间进行迁移,水盐会产生显著的再分配现象[28]。冻融过程中,0~10cm、10~20cm土层含水率持续上升,说明20cm土层以下水分持续向上迁移。20~30cm、30~40cm土层水分呈现波动趋势,40~50 cm土层含水率持续降低,表明下一层水分持续补给其上一层水分,但补给量不等。与以往冻融循环模拟实验中-15[15]、-20[16]、-25 ℃[23]的冻结温度相比,-5℃冻结温度下冻结带形成相对较慢,冻结作用的影响相对较弱,冻结带的“阻隔”作用[13,25]不强烈,水的迁移是连续的。水分的持续迁移带动了盐分的持续迁移,加剧了水、盐在表层积累,一旦温度回暖,强烈的蒸发极易加重表层土壤的盐碱化。同时,水分带动OH-、、的迁移,使各层pH发生动态变化。

冻融过程主要引起各层土壤水、盐的纵向迁移——即水、盐由下层向上层迁移,引起不同深度含水率、含盐量改变;pH的改变主要受二者迁移的影响,因此就各层而言,冻融周期并不是影响含水率、含盐量、pH的主要因素。不同土层脲酶活性不同,且各层脲酶并不迁移,其活性的改变受冻融温度影响,因此冻融周期和土层深度均是影响其活性的主要因素。

土壤酶主要来源于微生物[29],冻融过程中土壤温度不仅可以通过影响微生物的活性而间接改变酶活性,还可以通过影响酶的动力学特征而直接改变酶活性[30]。土壤有机质是土壤微生物主要的C源和N源。测试数据显示,经过冻融作用,0~50cm土层有机碳质量分数出现不同程度(1.01~2.17g/kg)的降低,与其他研究结论相符[18]。刘建新[31]的研究表明,土壤脲酶与土壤养分之间的相关性最好,与土壤有机质之间存在显著相关性。因此,有机质质量分数的降低抑制了微生物活动,降低了脲酶活性。水稻根系主要生长在0~20cm土层,腐殖化会增加土壤有机质含量,因此耕作层土壤脲酶活性高于其他土层。有研究发现:水分增加[32]或减少[29]对脲酶影响不大;土壤脲酶的2个最适pH为6.50~7.00和8.80~9.00[33],因此,pH 在8.39~8.54范围内,越接近最适pH(8.80~9.00),脲酶活性越大,即脲酶活性与pH呈正相关。周德平等[34]研究发现,室温下土壤盐胁迫强度与土壤脲酶呈高度线性负相关,其外加含盐量分别相当于0.10%、0.50%、1.00%、2.00%,本文含盐量范围为0.14%~0.32%,0~20cm土层脲酶活性在前3次FTC时递增说明盐分(0.25%~0.31%)对脲酶活性的抑制作用弱于pH对脲酶活性的增强作用,第3次FTC后活性降低,表明盐分增加产生的抑制作用超过了pH的促进作用。因此,含盐量与脲酶活性呈正相关是水分及pH等因素共同作用的结果,盐分实际上会抑制脲酶活性;冻融过程中土壤脲酶活性的变化是温度、盐分、pH等因素共同作用的结果。

4 结论与建议

1)土壤深度是影响土壤含水率、含盐量、pH和脲酶活性的主要因素之一。经过冻融循环,水、盐出现显著的再分布。下层土壤中水、盐迁移至土壤耕作层使其水、盐含量升高。在迁移过程中,水分是盐分运移的主要影响因素,盐随水而迁移,水、盐之间呈现显著的正相关。

2)水分及盐分的迁移使水田表层土壤pH升高、盐分积累,表明冻融作用在引起或加重水田表层土壤盐碱化方面起到至关重要的作用。

3)在冻融过程中,土壤脲酶活性的变化是冻融周期、温度、含盐量、pH、有机质等多种因素共同作用的结果,在一定范围内,含水率、含盐量、pH与脲酶之间均呈现显著的正相关。冻融作用降低了土壤脲酶的活性,进而影响土壤肥力。

4)在吉林省土地开发整理工程中,应结合该区的气候和土壤条件合理灌溉、灌排结合,合理施肥,提高土壤酶活性,通过防治水田的盐碱化、提高土壤肥力来保障粮食安全。

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