旅游對張家界國家森林公園土壤酶活性的影響

旅游對張家界國家森林公園土壤酶活性的影響

微生物是土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要參與者，是生物多樣性和生態(tài)平衡的重要方面。土壤微生物的平衡發(fā)展也是防止植物疾病的基礎(chǔ)。土壤酶來自于植物、動物與微生物，是土壤中的生物催化劑，是土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝的一類重要?jiǎng)恿?，具有加速土壤生化反?yīng)速率功能。近年來，許多學(xué)者對土壤酶進(jìn)行了大量的研究，表明土壤酶活性是與土壤質(zhì)量的很多理化指標(biāo)相聯(lián)系的，因此土壤酶活性大小可表征生化反應(yīng)的方向和強(qiáng)度，在營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、有機(jī)質(zhì)分解、污染物降解及修復(fù)等方面起著重要的作用，此外，土壤中的幾丁質(zhì)酶、果膠酶、葡聚糖酶、蛋白酶、脂肪酶等多種酶都可以作為植物病蟲害防治的有用酶。由于有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化所需能量的90%以上來自微生物的分解作用，因此，土壤微生物活度是土壤-植物體系中有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的較好指標(biāo)。隨著旅游業(yè)成為世界第一大產(chǎn)業(yè)，與其伴生的諸如人為踩踏、放牧、餐飲業(yè)等對生態(tài)環(huán)境所造成的破壞就越來越嚴(yán)重，也引起了人們的高度重視，有關(guān)旅游對生態(tài)環(huán)境的影響研究已成為當(dāng)今環(huán)境與旅游的重點(diǎn)之一。國內(nèi)外研究表明，旅游活動對土壤有機(jī)質(zhì)、土壤水分、土壤物理性狀、植物多樣性、景觀、土壤流失及動物多樣性等方面都產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，旅游活動已經(jīng)對張家界國家森林公園的土壤及植被等造成了較為嚴(yán)重的影響。旅游伴生的放牧行為已經(jīng)對張家界索溪峪景區(qū)的土壤微生物區(qū)系及活度造成了較為明顯的影響，破壞了土壤微生物的多樣性，但是還沒有關(guān)于旅游踩踏對土壤生物性狀影響的報(bào)道。為了探明旅游對張家界國家森林公園土壤生態(tài)的影響程度，為盡快制定合理的措施保護(hù)國家森林公園生態(tài)平衡與生物多樣性提供有利的證據(jù)，筆者以土壤類型、海拔高度、經(jīng)緯度、主要植被等基本因素基本一致的地點(diǎn)為研究區(qū)，開展了旅游對張家界國家森林公園土壤生物性狀的影響研究，分析人為踩踏對土壤酶及微生物活性的影響。1材料和方法1.1武陵源區(qū)的管理張家界國家森林公園位于湖南省張家界市，1958年建立國營張家界林場，1982年建立國家森林公園，1982年接待游人83000人，1987年接待游人512389人，1989—1994年間一直徘徊在2×105～30×105人左右，以后每年約106人左右。1988年國務(wù)院批準(zhǔn)新建武陵源區(qū)，統(tǒng)一管理張家界、索溪峪、天子山三地。本研究地點(diǎn)黃石寨海拔1100m，頂部面積20hm2。1.2地表徑流人工草地區(qū)土壤采自張家界國家森林公園黃石寨景區(qū)，主要植被為松柏樹,海拔1092m。試驗(yàn)地為游人主要活動景點(diǎn)，設(shè)3個(gè)區(qū)：(1)活動區(qū)，離游道1.5～2.5m處，人踐踏特別厲害，地表無落葉雜草與其它灌木；(2)緩沖區(qū)，離游道邊50～80m處，人活動較少，地面覆蓋枯枝敗葉，有少量灌木及雜草；(3)背景區(qū)，人未踏及，地表深覆枯枝敗葉，布滿雜草，蕨類植物。每個(gè)試驗(yàn)區(qū)分別取(1)表層土：0～5cm土壤；(2)表下層土:5～15cm土壤；(3)深層土:15～25cm土壤,分別采用5點(diǎn)取樣法,每隔50m左右為一個(gè)點(diǎn)取土進(jìn)行混勻,用自封袋當(dāng)日帶回放4℃冰箱備用，微生物活度測定用新鮮土壤，土壤酶及微生物強(qiáng)度測定用風(fēng)干土，土壤水分含量測定在105℃～110℃烘干至恒重進(jìn)行。1.3葡萄糖、哌酶活性測定蛋白酶活性測定用比色法,以1g土壤30℃恒溫培養(yǎng)24h水解生成1mg氨基酸定義為1個(gè)U；纖維素酶活性測定用比色法,以10g土壤33.5℃恒溫培養(yǎng)72h水解生成1mg葡萄糖定義為1個(gè)U；脲酶活性測定用比色法，以5g土壤37℃恒溫培養(yǎng)24h水解生成1mg氨態(tài)氮定義為1個(gè)U；木聚糖酶活性測定用比色法，以5g土壤37℃恒溫培養(yǎng)5d水解生成1mg還原糖定義為1個(gè)U；過氧化氫酶活性測定用滴定法，以1g土壤30℃20min水解1mH2O2定義為1個(gè)U。各設(shè)3次重復(fù)，并設(shè)無基質(zhì)對照和無土對照。1.4原始培養(yǎng)基的no2-量氨化作用強(qiáng)度：28℃恒溫培養(yǎng)7d后用奈氏試劑顯色在460nm比色測氨態(tài)氮量。以上述處理不培養(yǎng)的土壤做對照，各設(shè)3次重復(fù)，以1g土壤在28℃恒溫培養(yǎng)7d生成的氨態(tài)氮的微克數(shù)表示土壤氨化作用強(qiáng)度。硝化作用強(qiáng)度：28℃恒溫培養(yǎng)15d后取濾液顯色在520nm比色，各設(shè)3次重復(fù)。以同樣方法測出原始培養(yǎng)基中的NO2-量。以1g土壤在28℃恒溫培養(yǎng)15d轉(zhuǎn)化NO2-的百分率表示土壤硝化作用強(qiáng)度。1.5土壤丙酮用量的測定采用改進(jìn)的FDA法，在FDA磷酸緩沖液中加入風(fēng)干土壤，24℃振蕩培養(yǎng)90min，加等體積的丙酮終止反應(yīng)，490nm比色。各設(shè)3次重復(fù),以隔日2次高壓濕熱滅菌土壤為對照。2結(jié)果與分析2.1對土壤有機(jī)質(zhì)及土壤理化性狀的影響纖維素酶與半纖維素酶是土壤碳素轉(zhuǎn)化的主要酶類，蛋白酶在土壤氮素循環(huán)中起著非常重要的作用，而過氧化氫酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)及土壤理化性狀更為密切相關(guān)。旅游對張家界國家森林公園土壤酶活性的影響如表1。2.1.1土壤酶活性的比較由表1可知，背景區(qū)土壤的酶活性>緩沖區(qū)土壤的酶活性>活動區(qū)土壤的酶活性。但背景區(qū)土壤的木聚糖酶活性、纖維素酶活性、蛋白酶活性都要顯著高于緩沖區(qū)土壤的相應(yīng)酶活性，而過氧化氫酶活性的差異沒有達(dá)到顯著水平（P<0.01），所測緩沖區(qū)土壤4種酶的活性要顯著高于活動區(qū)的相應(yīng)酶的活性（P<0.01）。2.1.2土壤酶活性的比較由表1可知，背景區(qū)土壤的酶活性>緩沖區(qū)土壤的酶活性>活動區(qū)土壤的酶活性。但背景區(qū)土壤的木聚糖酶活性與纖維素酶活性要顯著高于緩沖區(qū)土壤的相應(yīng)酶活性，而這2個(gè)試驗(yàn)區(qū)的過氧化氫酶活性與蛋白酶活性的差異沒有達(dá)到顯著水平（P<0.01），緩沖區(qū)土壤的纖維素酶活性與蛋白酶活性要顯著高于活動區(qū)的相應(yīng)酶的活性（P<0.01）。背景區(qū)土壤的過氧化氫酶活性顯著高于活動區(qū)土壤的過氧化氫酶活性（P<0.01）。2.1.3土壤酶活性與土壤條件的關(guān)系由表1可知，背景區(qū)土壤的酶活性>緩沖區(qū)土壤的酶活性>活動區(qū)土壤的酶活性。但背景區(qū)與緩沖區(qū)土壤的4種酶活性差異均沒有達(dá)到顯著水平（P<0.01），緩沖區(qū)土壤的木聚糖酶活性、纖維素酶活性與蛋白酶活性要顯著高于活動區(qū)的相應(yīng)酶的活性（P<0.01），而緩沖區(qū)與活動區(qū)土壤的過氧化氫酶活性的差異沒有達(dá)到顯著水平，背景區(qū)土壤的過氧化氫酶活性顯著高于活動區(qū)土壤的過氧化氫酶活性（P<0.01）。從對3個(gè)土壤層酶活性的影響程度來看，0～5cm土壤層的酶活性受到的影響最為顯著，5～15cm土壤層的酶活性受到的影響較為顯著，而15～25cm土壤層的酶活性受到的影響最小。從3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的土壤酶活性來看，背景區(qū)是處于沒有受到人為影響的狀態(tài)，土壤酶活性最高，緩沖區(qū)由于人為的干擾較小，土壤酶活性受到了一定的影響，活動區(qū)由于受到人為因素的嚴(yán)重干擾，土壤酶活性明顯降低，一方面說明土壤有機(jī)質(zhì)的投入減少，導(dǎo)致了土壤生物活性明顯下降，另一方面說明土壤結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到了人為踩踏的嚴(yán)重破壞。3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的土壤酶活性都表現(xiàn)為隨土壤層的加深而減少的趨勢，與其它土壤的酶活性變化規(guī)律是一致的。土壤酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)，研究的結(jié)果也就反映了旅游使土壤有機(jī)質(zhì)的投入大為減少。當(dāng)然，這些結(jié)果也可以反映人為踩踏導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的變化，引起由此而造成的一系列土壤生態(tài)和環(huán)境的問題。從表1還可以看出，與有機(jī)質(zhì)分解密切相關(guān)的木聚糖酶、纖維素酶及蛋白酶的活性受到的影響最為嚴(yán)重，說明旅游導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的減少可能是引起土壤退化的最主要因素。2.2強(qiáng)度與氨化作用強(qiáng)度微生物活度反映的是土壤水解酶總活性的強(qiáng)弱，硝化作用強(qiáng)度與氨化作用強(qiáng)度反映的是微生物在土壤氮素轉(zhuǎn)化中的活性，都是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化快慢的重要體現(xiàn)。旅游對張家界國家森林公園土壤微生物作用強(qiáng)度及活度的影響如表2。2.2.1氨化作用強(qiáng)度由表2可知，背景區(qū)土壤的氨化作用強(qiáng)度與微生物活度>緩沖區(qū)土壤的氨化作用強(qiáng)度與微生物活度>活動區(qū)土壤的氨化作用強(qiáng)度與微生物活度，而硝化作用強(qiáng)度則正相反。但背景區(qū)土壤的硝化作用強(qiáng)度和氨化作用強(qiáng)度與緩沖區(qū)土壤的相應(yīng)微生物作用強(qiáng)度的差異均達(dá)到了顯著水平，而微生物活度的差異沒有達(dá)到顯著水平（P<0.01），緩沖區(qū)土壤的微生物作用強(qiáng)度和活度與活動區(qū)的相應(yīng)指標(biāo)的差異均達(dá)到了顯著水平（P<0.01）。2.2.2硝化作用強(qiáng)度由表2可知，背景區(qū)土壤的氨化作用強(qiáng)度與微生物活度>緩沖區(qū)土壤的氨化作用強(qiáng)度與微生物活度>活動區(qū)土壤的氨化作用強(qiáng)度與微生物活度，而硝化作用強(qiáng)度則正相反。但背景區(qū)土壤的微生物活度與氨化作用強(qiáng)度要顯著高于緩沖區(qū)土壤的相應(yīng)微生物作用強(qiáng)度，而硝化作用強(qiáng)度的差異沒有達(dá)到顯著水平（P<0.01），緩沖區(qū)土壤的硝化作用強(qiáng)度和微生物活度與活動區(qū)的相應(yīng)指標(biāo)的差異達(dá)到了顯著水平，而氨化作用強(qiáng)度的差異沒有達(dá)到顯著水平（P<0.01）。2.2.3土壤層微生物活度由表2可知，背景區(qū)土壤的氨化作用強(qiáng)度與微生物活度>緩沖區(qū)土壤的氨化作用強(qiáng)度與微生物活度>活動區(qū)土壤的氨化作用強(qiáng)度與微生物活度，而硝化作用強(qiáng)度則正相反。但3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的氨化作用強(qiáng)度的差異均沒有達(dá)到顯著水平（P<0.01），背景區(qū)土壤的微生物活度和硝化作用強(qiáng)度與緩沖區(qū)土壤的相應(yīng)微生物指標(biāo)差異沒有達(dá)到顯著水平，而緩沖區(qū)土壤的硝化作用強(qiáng)度和微生物活度與活動區(qū)的相應(yīng)指標(biāo)的差異達(dá)到了顯著水平(P<0.01)。從對3個(gè)土壤層的微生物強(qiáng)度與活度影響程度來看，0～5cm土壤層的微生物作用強(qiáng)度與活度受到的影響最為顯著，5～15cm土壤層的微生物作用強(qiáng)度與活度受到的影響較為顯著，而15～25cm土壤層的微生物作用強(qiáng)度與活度受到的影響最小。從3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的土壤氨化作用強(qiáng)度與微生物活度來看，背景區(qū)沒有受到人為因素的干擾，土壤氨化作用強(qiáng)度與微生物活度都高，緩沖區(qū)由于人為的干擾，土壤氨化作用強(qiáng)度與微生物活度減弱，活動區(qū)由于受到人為因素的長期干擾，土壤氨化作用強(qiáng)度與微生物活度明顯減少，而土壤硝化作用強(qiáng)度卻隨人為干擾的增大而降低。氨化作用反映的主要是含氮有機(jī)質(zhì)的分解情況，微生物活度反映的主要是物質(zhì)的水解，而硝化作用是無機(jī)亞硝態(tài)氮的氧化作用。這一方面說明土壤中有機(jī)質(zhì)投入的減少，導(dǎo)致了土壤有機(jī)質(zhì)分解生物活性降低，另一方面由于人為踩踏導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的破壞，土壤生物活性受到了破壞，而人為踩踏導(dǎo)致的土壤通氣量降低使土壤硝化作用底物———亞硝酸鹽得以積累，反而促進(jìn)了土壤的硝化作用。3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的土壤微生物強(qiáng)度與活度都表現(xiàn)為隨土壤層的加深而減少的趨勢，與土壤的其它微生物指標(biāo)變化規(guī)律是一致的。3土壤生物性狀變化研究結(jié)果表明，旅游人為踩踏已經(jīng)對張家界國家森林公園土壤酶及微生物活性造成了嚴(yán)重的影響。一方面可能是旅游人為踩踏造成植被的改變引起的，另一方面是由于人為踩踏造成了土壤結(jié)構(gòu)的破壞，使土壤的理化性狀發(fā)生了改變，從而導(dǎo)致了土壤生物性狀的改變。反過來，土壤生物性狀的變化將對與之相關(guān)的土壤理化性狀變化起指示作用。土壤生物性狀的變化勢將影響著當(dāng)?shù)刂参锏亩鄻有浴⑸鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及其生產(chǎn)力。這提醒相關(guān)部門在建索道等諸多設(shè)施的過程中，除了要考慮方便游客，增加地方財(cái)政收入，同時(shí)還要考慮如何能夠有效防止這種大規(guī)模的旅游開發(fā)以及隨之而來的高強(qiáng)度的游人活動，造成景區(qū)生態(tài)的破壞。人為踩踏導(dǎo)致的土壤有機(jī)質(zhì)投入的減少和土壤結(jié)構(gòu)的破壞所引起的土壤微生物強(qiáng)度及酶活