潘丹丹，艾應(yīng)偉，張志卿，郭培俊

（四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610064）

近幾十年來，隨著鐵路運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展，鐵路工程修建時(shí)對(duì)山體的切挖造成大量高陡巖質(zhì)邊坡，這不僅破壞了原地貌的生態(tài)平衡，導(dǎo)致地表裸露，土壤抗侵蝕能力和生物多樣性下降，還嚴(yán)重威脅著鐵路運(yùn)輸安全。巖質(zhì)邊坡立地條件差，不具備植被賴以生長的土壤、養(yǎng)分條件，使自然恢復(fù)極為困難。巖質(zhì)邊坡恢復(fù)的關(guān)鍵是坡面土壤的恢復(fù)，而土壤酶是常用的土壤質(zhì)量指標(biāo)，能夠在短期內(nèi)對(duì)環(huán)境變化做出響應(yīng)，它還與植物生產(chǎn)力、土壤質(zhì)量參數(shù)以及生物地球化學(xué)循環(huán)有關(guān)，其活性的強(qiáng)弱可以直接反映土壤物質(zhì)的轉(zhuǎn)化狀況和肥力水平［1－3］。

目前，有關(guān)土壤酶的研究主要集中在土壤酶活性狀況、土壤酶活性與營養(yǎng)元素、微生物相互關(guān)系以及土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)關(guān)系等方面，并且多集中于森林和草地等生態(tài)系統(tǒng)，而對(duì)鐵路邊坡這種特殊生境恢復(fù)過程中土壤酶活性的探討和報(bào)道甚少［4－7］。針對(duì)成渝鐵路五鳳段鐵路邊坡及其臨近自然邊坡和農(nóng)田邊坡，在野外考察和室內(nèi)分析的基礎(chǔ)上，研究了3種邊坡的土壤脲酶和蔗糖酶活性的季節(jié)變化規(guī)律，為鐵路邊坡土壤恢復(fù)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 自然概況

研究地點(diǎn)位于四川丘陵區(qū)成渝鐵路沿線的五鳳鎮(zhèn)，地 理 坐 標(biāo) 為 30°36′N，104°29′E，海 拔 450～750m，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雨量充沛，年平均降雨量920mm，主要集中在7—8月。光熱資源豐富，年平均日照1 295.5h，年均溫16.6℃左右，累計(jì)年平均無霜期285d。土壤類型屬于典型的四川盆地濕潤亞熱帶紫色土。樣地土壤基本性質(zhì)如表1所示。

表1 樣地土壤基本性質(zhì)

1.2 研究方法

1.2.1 研究樣地的選取 選擇典型邊坡為研究對(duì)象，鐵路邊坡原為鐵路建設(shè)時(shí)山體開挖形成的裸露高陡巖石邊坡。成渝鐵路建成于1958年，由于當(dāng)時(shí)條件的限制，對(duì)開挖面未多做過處理，主要采用自然恢復(fù)。在長期的自然恢復(fù)下，鐵路邊坡表面已有成土積累，土壤厚度10—20cm。試驗(yàn)地坡向向東，鐵路邊坡、自然邊坡和農(nóng)田邊坡坡高分別為8.5，8.0和7.8m，鐵路邊坡和自然邊坡坡度約為45°，農(nóng)田邊坡坡度約為40°。自然邊坡和鐵路邊坡植被以草本為主，灌木層高2～3m，主要為黃荊（VitexnegundoLinn.）和水麻（DebregeasiaorientalisC.J.Chen）。自然邊坡坡面上形成了明顯的蜈蚣草〔Eremochloa ciliaris（L.）Merr〕和叢毛羊胡子〔Eriophorumcomosum（Wall.）Palla〕為優(yōu)勢種的共建種群；鐵路邊坡植物群落優(yōu)勢種為叢毛羊胡子〔Eriophorumcomosum（Wall.）Palla〕和牛鞭草〔Hemarthriaaltissima（Poir.）Srapf et C.E.Hubb〕；農(nóng)田邊坡為小麥—玉米輪作，常規(guī)耕作。

1.2.2 土壤樣品的采集 在成渝鐵路沿線五鳳鎮(zhèn)選擇典型鐵路邊坡為研究樣地，以臨近自然邊坡和農(nóng)田邊坡為對(duì)照，2006年1，4，7和10月（冬、春、夏和秋四季）分別采集土壤樣品。采樣點(diǎn)基本在同一海拔高度，每組設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)按S型取樣法隨機(jī)確定20個(gè)取樣點(diǎn)，用不銹鋼鏟鏟取每個(gè)取樣點(diǎn)的0—10cm表層土壤，然后將采集到的各個(gè)重復(fù)的土壤樣本混合均勻，用裝口袋密封裝好帶回實(shí)驗(yàn)室處理。土壤在陰涼通風(fēng)室內(nèi)自然風(fēng)干后，除去植物根系、動(dòng)植物殘?bào)w和石塊后，過1mm篩待用。

1.2.3 測定方法 脲酶活性的測定用Hoffmann與Teicher法，蔗糖酶活性測定用Hoffmann與Seegerer法［8］。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2007和SPSS Statistics 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同邊坡土壤脲酶活性的季節(jié)動(dòng)態(tài)

土壤脲酶屬于水解酶類，能夠使尿素中肽鍵水解，其產(chǎn)物是植物生長需要的速效氮［9］。和文祥等［10］對(duì)陜西7種主要土壤的脲酶活性及理化性質(zhì)的研究結(jié)果表明，土壤脲酶活性能夠反映土壤肥力水平，其活性大小受到土壤理化性質(zhì)的影響，可作為評(píng)價(jià)土壤肥力水平的重要依據(jù)。

不同邊坡土壤脲酶活性有一定差異（圖1）。1月自然邊坡脲酶活性最高，農(nóng)田邊坡次之，鐵路邊坡最低；4月和7月脲酶活性均表現(xiàn)為農(nóng)田邊坡＞鐵路邊坡＞自然邊坡，且3種邊坡7月脲酶活性差異顯著（p＜0.05）。3種邊坡土壤脲酶差異較大，表明不同邊坡有效養(yǎng)分含量相差較大，這可能與不同邊坡土壤對(duì)植物生長所需養(yǎng)分的供應(yīng)能力不同有關(guān)。10月脲酶活性最大值出現(xiàn)在自然邊坡，而鐵路邊坡脲酶活性最低。總的來說，農(nóng)田邊坡土壤脲酶活性最高，鐵路邊坡次之，自然邊坡最低，原因可能是無機(jī)肥料的施用明顯提高了農(nóng)田土壤脲酶活性。

圖1 不同邊坡土壤脲酶活性季節(jié)動(dòng)態(tài)

由圖1可知，不同邊坡土壤脲酶活性表現(xiàn)出不同的季節(jié)變化規(guī)律。1—4月，自然邊坡脲酶活性無顯著變化，4—7月顯著下降，7—10月顯著回升，且在10月達(dá)到最大值。農(nóng)田邊坡脲酶活性1—4月增加，4—10月小幅下降。鐵路邊坡1—4月脲酶活性增加幅度與農(nóng)田邊坡相當(dāng)，4—7月脲酶活性明顯下降，7—10月酶活性緩慢上升。

1月環(huán)境溫度低，脲酶酶促反應(yīng)從外界獲得的能量較少，嚴(yán)重阻礙酶促反應(yīng)的發(fā)生。4月植物生長迅速，植物根系活力旺盛以及根系密度較高可能使脲酶活性大幅提高［11］。此外，隨著環(huán)境條件的改善，對(duì)植物殘?bào)w的分解強(qiáng)度增加，土壤酶活性增加。與1月相比，自然邊坡4月土壤脲酶活性變化很小。隨著氣溫上升，自然邊坡植物返青，植物根系和微生物活動(dòng)增強(qiáng)，但是自然邊坡脲酶活性并未出現(xiàn)顯著上升，可見溫度不是影響自然邊坡4月脲酶活性較低的最主要因子。3種邊坡7月土壤脲酶活性均有不同程度的下降，自然邊坡下降幅度最大。一般認(rèn)為，30～50℃是測定土壤酶活性的適宜溫度范圍，所以自然狀況下溫度越高，脲酶酶促反應(yīng)越容易進(jìn)行［12］?？梢?，土壤脲酶活性受到多種環(huán)境因素的共同影響。自然邊坡脲酶活性下降可能是由于人為干擾導(dǎo)致植物更新快，對(duì)養(yǎng)分的需求大，而土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力有限，植物根系分泌物減少以及微生物活性降低，酶活性下降。鐵路邊坡和農(nóng)田邊坡脲酶活性也有不同程度的下降，這可能是因?yàn)橄募局参锾幱谏成L期，對(duì)土壤養(yǎng)分需求增加，而養(yǎng)分供應(yīng)不能滿足植物生長需求，導(dǎo)致酶活性下降。10月植物結(jié)實(shí)后繼續(xù)生長，對(duì)養(yǎng)分的需求量相對(duì)減少，養(yǎng)分相對(duì)充足，植物根系、土壤動(dòng)物和微生物活動(dòng)增強(qiáng)，分泌到土壤中的酶量增加，造成自然邊坡和鐵路邊坡脲酶活性表現(xiàn)出不同程度的上升。另外，自然邊坡脲酶活性的顯著增加可能還與相對(duì)較少的人為干擾有關(guān)。農(nóng)田邊坡7—10月脲酶活性緩慢下降，可能是因?yàn)橛衩资崭詈?，植物根系分泌物減少。鐵路邊坡和農(nóng)田邊坡土壤脲酶活性最大值出現(xiàn)在4月，自然邊坡出現(xiàn)在10月。土壤脲酶活性高峰并未出現(xiàn)在溫度最高的季節(jié)，這說明在復(fù)雜的土壤生態(tài)系統(tǒng)中，影響土壤脲酶活性的因素眾多，不同條件下影響酶活性的關(guān)鍵因子存在差異［13］。

2.2 不同邊坡土壤蔗糖酶活性的季節(jié)動(dòng)態(tài)

土壤蔗糖酶參與蔗糖水解，生成葡萄糖和果糖，其產(chǎn)物是植物和微生物的營養(yǎng)源。土壤蔗糖酶與土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化相關(guān)，是一種重要的土壤質(zhì)量指標(biāo)，其活性可以反映土壤生物活性和土壤有機(jī)殘?bào)w的分解強(qiáng)度，可以評(píng)價(jià)土壤生物活性強(qiáng)度、土壤熟化程度和土壤肥力水平［14－15］。

1月，3種邊坡土壤蔗糖酶活性無顯著差異。除1月外，其他3個(gè)月不同邊坡土壤蔗糖酶活性差異較大（圖2）。4，7和10月，土壤蔗糖酶活性均表現(xiàn)為自然邊坡＞鐵路邊坡＞農(nóng)田邊坡。農(nóng)田邊坡傳統(tǒng)耕作措施，如耕作和秸稈移除，導(dǎo)致土壤中大團(tuán)聚體比例降低和土壤中植物殘?bào)w減少，影響土壤有機(jī)物質(zhì)積累，進(jìn)一步改變土壤肥力［16］。農(nóng)田邊坡土壤有機(jī)碳的積累較少可能是蔗糖酶活性低的主要原因。鐵路邊坡直接利用施工地的巖石碎屑作為植生土，本身沒有經(jīng)過完整的成土過程，雖然經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的恢復(fù)，土壤質(zhì)量有一定改善，但土層較薄，微生物活動(dòng)還未恢復(fù)到自然狀態(tài)，有機(jī)碳的累積明顯低于自然邊坡。

圖2 不同邊坡土壤蔗糖酶活性季節(jié)動(dòng)態(tài)

雖然不同邊坡土壤蔗糖酶活性有一定的差異，但3種邊坡土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)出相似的季節(jié)變化規(guī)律，整體呈上升趨勢（圖2）。自然邊坡和鐵路邊坡蔗糖酶活性季節(jié)動(dòng)態(tài)呈雙峰曲線，農(nóng)田邊坡為單峰曲線且酶活性變化小。自然邊坡和鐵路邊坡1月蔗糖酶活性最低，4月酶活性顯著增加，7月緩慢下降，10月到達(dá)最高峰。1月土壤溫度低，土壤蔗糖酶活性受到抑制，隨著環(huán)境溫度的升高，酶活性迅速增加。7月，植物由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)為生殖生長，對(duì)土壤養(yǎng)分的需求增加，加上土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量不足，導(dǎo)致土壤蔗糖酶活性下降。同時(shí)，夏季頻繁的干濕交替提高了土壤有機(jī)質(zhì)礦化率［17］。這將在一定程度上影響夏季土壤有機(jī)碳積累，進(jìn)一步影響土壤蔗糖酶活性。鐵路邊坡蔗糖酶活性下降速度快于自然邊坡，但趨勢不明顯。7月土壤蔗糖酶活性為自然邊坡＞鐵路邊坡＞農(nóng)田邊坡，且自然邊坡與農(nóng)田邊坡差異顯著（p＜0.05）。10月，自然邊坡和鐵路邊坡土壤蔗糖酶活性明顯增加，且達(dá)到最大值，這可能與秋季碳累積的增加有關(guān)。土壤蔗糖酶活性峰值出現(xiàn)在植物生長季后期，可能還與秋季水溫條件適宜、植物枯落物增多以及土壤微生物活性回升等有關(guān)［18－19］。1—4月，農(nóng)田邊坡土壤蔗糖酶活性沒有明顯變化。肥料的施用可能促進(jìn)了小麥根系的生長發(fā)育，增強(qiáng)了小麥根系的分泌活動(dòng)，使1月蔗糖酶活性較高。冬小麥生長前期隨著溫度的增加，根系迅速生長，根系分泌物逐漸增加，而4月冬小麥處于生長后期，根系活力下降，分泌物減少，酶活性可能先上升后下降［20］。7月，土壤蔗糖酶活性緩慢上升，這可能是由于玉米處于生長旺盛的拔節(jié)期，土壤酶量增加。10月，植物凋落物的增加為土壤微生物提供了豐富的物質(zhì)和能量來源，可能導(dǎo)致蔗糖酶活性的顯著提高，另一方面，冬小麥播種前的施肥可能促進(jìn)了酶活性的增加。

3 結(jié)論

（1）3種邊坡土壤酶活性有一定差異，總體來看，農(nóng)田邊坡土壤脲酶活性最高，而鐵路邊坡與自然邊坡脲酶無明顯差異。自然邊坡蔗糖酶活性最高，依次是鐵路邊坡和農(nóng)田邊坡。蔗糖酶活性在自然邊坡最高，而脲酶活性為最低，脲酶活性在農(nóng)田邊坡表現(xiàn)最佳，而蔗糖酶活性卻為最低，鐵路邊坡2種酶活性介于自然邊坡和農(nóng)田邊坡。

（2）3種邊坡土壤酶活性表現(xiàn)出一定的季節(jié)變化規(guī)律。雖然土壤脲酶活性變化復(fù)雜，但是農(nóng)田邊坡和自然邊坡土壤脲酶活性表現(xiàn)基本一致，最大值均出現(xiàn)在4月，而自然邊坡脲酶活性在10月時(shí)最高。農(nóng)田邊坡和鐵路邊坡脲酶活性最小值均出現(xiàn)在1月，而自然邊坡出現(xiàn)在7月。此外，不同邊坡土壤脲酶對(duì)季節(jié)變化的響應(yīng)不同。從7—10月，鐵路邊坡和自然邊坡脲酶活性增加，而農(nóng)田邊坡脲酶活性下降。鐵路邊坡和自然邊坡蔗糖酶均在4和10月出現(xiàn)2個(gè)波峰值，且10月3種邊坡蔗糖酶活性均最高。除農(nóng)田邊坡外，其他2種邊坡7月蔗糖酶活性明顯低于4月和10月。土壤脲酶和蔗糖酶活性的提高，有利于土壤中碳氮的循環(huán)和有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，對(duì)土壤質(zhì)量的改善和土壤養(yǎng)分有效性的提高有重要意義。因此，在邊坡植被恢復(fù)研究中，應(yīng)充分考慮土壤微生物活動(dòng)以及土壤酶活性狀況，以利于土壤養(yǎng)分的持續(xù)可利用性和坡面植被群落的演替。

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