典型邊坡對(duì)土壤酶活性的影響

李 偉，潘丹丹，艾應(yīng)偉，張志卿，郭培俊，徐建忠，曹 洋

（1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610041；2.四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，成都 610064）

在山區(qū)修建鐵路常會(huì)產(chǎn)生大量的鐵路邊坡，造成眾多山體的裸露，破壞了原有植被覆蓋和原有土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致自然生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重退化。山區(qū)鐵路工程建設(shè)造成的鐵路巖石邊坡的生境十分特殊，其坡面土壤是在人為活動(dòng)擾動(dòng)下形成的一類(lèi)結(jié)構(gòu)混亂、外來(lái)物質(zhì)多、養(yǎng)分匱乏的獨(dú)特土壤。由于鐵路邊坡初始土壤質(zhì)量低，不利于植被的恢復(fù)。鐵路邊坡生態(tài)恢復(fù)的核心是土壤的恢復(fù)。土壤酶雖在土壤中的含量很少，但它卻能敏感地反映土壤肥力的變化［1］。Caravaca指出土壤酶活性常被認(rèn)為是土壤恢復(fù)過(guò)程中反映土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，與土壤質(zhì)量很多理化指標(biāo)相聯(lián)系［2］。土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量密切相關(guān)，可將土壤脲酶和蔗糖酶作為評(píng)價(jià)土壤肥力的指標(biāo)［3］。各類(lèi)物質(zhì)的水解與轉(zhuǎn)化、土壤腐殖物質(zhì)的合成與分解以及某些無(wú)機(jī)物質(zhì)的氧化與還原都與土壤酶活性直接相關(guān)。土壤脲酶和蔗糖酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量均有顯著相關(guān)關(guān)系，能較好地反映土壤肥力水平［4］。已有的研究多集中于草地、耕地、林地等土壤酶活性的研究，而在鐵路邊坡這種脆弱生態(tài)環(huán)境下土壤酶的特性及季節(jié)變化等方面的報(bào)道還不多見(jiàn)。對(duì)此，本文就典型邊坡對(duì)土壤酶活性及其積季節(jié)動(dòng)態(tài)的影響進(jìn)行探討。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于成渝鐵路沿線(xiàn)的金堂縣三溪鎮(zhèn)，三溪鎮(zhèn)位于縣城東南的淺丘地段，其土壤屬于四川盆地濕潤(rùn)亞熱帶紫色土。研究區(qū)域位于成都平原東部，東經(jīng)104°29′、北緯30°36′，屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候，氣候溫和，光溫條件較好，年平均日照1 295.5 h，年平均氣溫16.6℃，年有效積溫為5 450℃。一年四季分明，無(wú)酷暑嚴(yán)寒，年平均無(wú)霜期累計(jì)285 d。常年雨量充沛，平均年降水量920.5 mm。

1.2 樣品采集

在實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇有代表性的地段作為樣地，共設(shè)3個(gè)樣地，分別為鐵路邊坡、自然邊坡、農(nóng)田。采樣時(shí)間是2006年1月、4月、7月、10月（分別代表冬、春、夏、秋四季），每一樣地設(shè)3個(gè)重復(fù)，采樣表層0－20 cm土壤。樣地內(nèi)樣點(diǎn)隨機(jī)設(shè)置，同一樣地采10～20個(gè)樣品，混合為一個(gè)樣品，將各組土樣充分混勻后帶回實(shí)驗(yàn)室。用四分法從每個(gè)土樣中取1 kg土壤作為實(shí)驗(yàn)分析樣品。土樣在陰涼的通風(fēng)室內(nèi)自然風(fēng)干，然后除去植物根系、可見(jiàn)植物殘?bào)w和石塊后研磨，過(guò)1 mm篩，裝袋備用。

1.3 研究方法

土壤蔗糖酶活性測(cè)定采用硫代硫酸鈉滴定法，結(jié)果以24 h后1 g干土消耗的0.1 mol／L Na2S2O3的毫升數(shù)表示。土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法，結(jié)果以24 h后1 g干土中NH3－N的毫克數(shù)表示。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

利用Excel 2003和SPSS 14.0對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 三種典型邊坡對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響

土壤蔗糖酶可以把蔗糖分解為供植物和微生物直接吸收利用的葡萄糖和果糖，為土壤生物體提供能源，它的活性反映了土壤中有機(jī)碳的積累與分解轉(zhuǎn)化的規(guī)律［5］。一般情況下，土壤肥力越高，蔗糖酶活性越高［4］。蔗糖酶活性在很大程度上反映土壤的營(yíng)養(yǎng)水平，可以非常明顯地表征土壤的熟化程度［6］。不同典型邊坡中土壤蔗糖酶活性有顯著性差異，結(jié)果見(jiàn)圖1。鐵路邊坡、自然邊坡和農(nóng)田土壤蔗糖酶活性變化范圍分別為1.04～4.20，1.36～4.80，0.14～1.52 ml／g。自然邊坡、鐵路邊坡和農(nóng)田年平均土壤蔗糖酶活性分別為3.73，2.92，0.87 ml／g，前者分別約為后兩者的1.28倍和4.29倍。土壤蔗糖酶活性的變化幅度以農(nóng)田最大，鐵路邊坡次之，自然邊坡最小。這可能與土壤受到的干擾程度有關(guān)，農(nóng)田因頻繁的耕作管理等影響土壤有機(jī)碳的積累，從而影響土壤酶活性；與自然邊坡相比，鐵路邊坡要受到火車(chē)尾氣、重金屬等人為影響。土壤蔗糖酶的活性隨四季氣候的不同而發(fā)生變化。一般情況下，夏季蔗糖酶活性較高，而冬季較低。

從圖1可以看出，不同典型邊坡中土壤蔗糖酶活性的季節(jié)變化基本呈單峰曲線(xiàn)。三種典型邊坡中蔗糖酶活性均呈顯著的季節(jié)變化。本實(shí)驗(yàn)的農(nóng)田土壤蔗糖酶的季節(jié)變化與王平等人的研究結(jié)果基本一致［7］。除農(nóng)田土壤蔗糖酶活性最大值出現(xiàn)在春季外，其他2個(gè)樣地均以秋季最高。土壤蔗糖酶活性的最小值除農(nóng)田出現(xiàn)在秋季，其他均出現(xiàn)在冬季。在夏、秋兩季，自然邊坡和鐵路邊坡的蔗糖酶活性最為活躍，從結(jié)果上看溫度是影響兩地土壤酶活性的主要因子。夏季和秋季植物生長(zhǎng)旺盛，凋落物較多，土壤溫度和水分也有利于微生物的生長(zhǎng)繁殖，這些都會(huì)增加土壤酶的活性。冬季土溫度低，植物和微生物活動(dòng)微弱，土壤酶活性會(huì)降低。與自然邊坡和鐵路邊坡不同，農(nóng)田土壤在冬季的蔗糖酶活性比秋季卻有所增加，這可能與農(nóng)田的農(nóng)作物在秋季收獲后，土壤植物凋落物在土壤中不斷分解，使冬季土壤有機(jī)質(zhì)增加有關(guān)。

圖1 三種典型邊坡中土壤蔗糖酶活性季節(jié)動(dòng)態(tài)

2.2 三種典型邊坡對(duì)土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶主要參與土壤中的氮素轉(zhuǎn)化，專(zhuān)門(mén)水解有機(jī)氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的中間產(chǎn)物尿素，并且是唯一一種對(duì)尿素的轉(zhuǎn)化作用具有重大影響的酶［8］。在某些方面脲酶活性反映土壤有機(jī)態(tài)氮向無(wú)機(jī)效態(tài)氮的轉(zhuǎn)化能力和土壤無(wú)機(jī)氮的供應(yīng)能力［9］。從圖2可知，鐵路邊坡、自然邊坡和農(nóng)田土壤脲酶活性變化范圍分別為0.43～0.59，0.36～0.86，0.14～0.46 mg／g，土壤脲酶活性的變化幅度以農(nóng)田最大，自然邊坡次之，鐵路邊坡最小。自然邊坡、鐵路邊坡和農(nóng)田年平均土壤脲酶活性分別為0.56，0.52，0.29 mg／g，前者約為后兩者的1.08倍和1.93倍。鐵路邊坡和自然邊坡土壤脲酶活性最大值出現(xiàn)在春季，最小值出現(xiàn)在冬季，而農(nóng)田卻以冬季最高，秋季最低。這是因?yàn)樵诙?，即在新一季作物播種前，會(huì)使用大量氮肥，底物的增加刺激了脲酶活性，而秋天對(duì)農(nóng)田的施肥量很少，但是自然生態(tài)恢復(fù)比化肥更有利于土壤脲酶的活性的增加［10］。

圖2 三種典型邊坡中土壤脲酶活性季節(jié)動(dòng)態(tài)

3 討論

自然邊坡和鐵路邊坡中土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)明顯的季節(jié)波動(dòng)，夏秋兩季酶活性最高，冬季最低。自然邊坡無(wú)人為干擾，凋落物較多，土層累積有較多的有機(jī)物質(zhì)、養(yǎng)分和水分，溫度和通氣狀況適宜，為土壤酶活性創(chuàng)造了有利的條件。每年有機(jī)物的改善引起積累效應(yīng)和增加土壤微生物活性［11］。鐵路邊坡直接利用施工地的巖石碎屑作為植生土，本身沒(méi)有經(jīng)過(guò)完整的成土的過(guò)程，不利于植物生長(zhǎng)。但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的恢復(fù)，鐵路邊坡的土壤肥力已經(jīng)接近于自然邊坡。Bandick等研究表明不同植被覆蓋影響土壤酶活性的變化［12］。例如，黑松可以提高蔗糖酶活性，增加土壤中易溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在一定程度上提高土壤肥力水平［3］。徐佩等研究發(fā)現(xiàn)，在多種土地利用方式中，農(nóng)田有機(jī)碳總量最低，農(nóng)田的人為干擾較多，土壤有機(jī)物質(zhì)的積累比較困難，以至于土壤養(yǎng)分含量低［13］。由于農(nóng)田土壤頻繁翻耕和植物秸稈的移除，殘留在土壤中的植物根系和殘茬減少，導(dǎo)致土壤中碳儲(chǔ)量大幅度減少。農(nóng)田土壤酶活性最低，還與耕作措施有關(guān)。與傳統(tǒng)耕作方式比，免耕土壤容重和硬度增大，總孔隙度、非毛管孔隙度和有效P、K降低，土壤細(xì)菌數(shù)量增加，酶活性增強(qiáng)［14］。農(nóng)田樣地采用的傳統(tǒng)耕作以及施用氮磷肥都會(huì)抑制土壤脲酶活性［15］。

4 結(jié)論

（1）自然邊坡土壤酶活性高于鐵路邊坡，是因?yàn)殍F路邊坡立地條件差，雖然經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期恢復(fù)，但還沒(méi)有恢復(fù)到原初狀態(tài)。三種典型邊坡土壤中，農(nóng)田土壤酶活性最低，這主要是由于傳統(tǒng)的耕作模式造成的。農(nóng)田耕翻、秸稈移除和單施無(wú)機(jī)肥都不利于有機(jī)物質(zhì)的積累。因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)該理論聯(lián)系實(shí)際，可以采取少耕、秸稈粉碎還田、有機(jī)肥－無(wú)機(jī)肥混施等措施來(lái)增加土壤有機(jī)質(zhì)量。

（2）自然邊坡和鐵路邊坡土壤酶活性在春秋兩季較高，冬季最低，可能與溫度和土壤中有機(jī)物質(zhì)含量有關(guān)。農(nóng)田中兩種土壤酶活性在春季最高，秋季最低，主要是由耕作和施肥造成的。因此應(yīng)注意理論與實(shí)踐結(jié)合以提高土壤有機(jī)碳、氮的積累。在實(shí)踐中，應(yīng)該根據(jù)土壤酶的季節(jié)變化采取合理的管理措施。

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