四川丘陵區(qū)典型邊坡土壤酶活性的季節(jié)動態(tài)

潘丹丹，艾應(yīng)偉，張志卿，郭培俊

（四川大學 生命科學學院 生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，四川 成都610064）

近幾十年來，隨著鐵路運輸業(yè)的飛速發(fā)展，鐵路工程修建時對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，導致地表裸露，土壤抗侵蝕能力和生物多樣性下降，還嚴重威脅著鐵路運輸安全。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，使自然恢復極為困難。巖質(zhì)邊坡恢復的關(guān)鍵是坡面土壤的恢復，而土壤酶是常用的土壤質(zhì)量指標，能夠在短期內(nèi)對環(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)以及生物地球化學循環(huán)有關(guān)，其活性的強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)，而對鐵路邊坡這種特殊生境恢復過程中土壤酶活性的探討和報道甚少［4－7］。針對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提供了科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 自然概況

研究地點位于四川丘陵區(qū)成渝鐵路沿線的五鳳鎮(zhèn)，地 理 坐 標 為 30°36′N，104°29′E，海 拔 450～750m，屬亞熱帶濕潤季風氣候，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象，鐵路邊坡原為鐵路建設(shè)時山體開挖形成的裸露高陡巖石邊坡。成渝鐵路建成于1958年，由于當時條件的限制，對開挖面未多做過處理，主要采用自然恢復。在長期的自然恢復下，鐵路邊坡表面已有成土積累，土壤厚度10—20cm。試驗地坡向向東，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。采樣點基本在同一海拔高度，每組設(shè)置3個重復，每個重復按S型取樣法隨機確定20個取樣點，用不銹鋼鏟鏟取每個取樣點的0—10cm表層土壤，然后將采集到的各個重復的土壤樣本混合均勻，用裝口袋密封裝好帶回實驗室處理。土壤在陰涼通風室內(nèi)自然風干后，除去植物根系、動植物殘體和石塊后，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進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

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，可作為評價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，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，對植物殘體的分解強度增加，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增強，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致植物更新快，對養(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，這可能是因為夏季植物處于生殖生長期，對土壤養(yǎng)分需求增加，而養(yǎng)分供應(yīng)不能滿足植物生長需求，導致酶活性下降。10月植物結(jié)實后繼續(xù)生長，對養(yǎng)分的需求量相對減少，養(yǎng)分相對充足，植物根系、土壤動物和微生物活動增強，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，可能是因為玉米收割后，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碳轉(zhuǎn)化相關(guān)，是一種重要的土壤質(zhì)量指標，其活性可以反映土壤生物活性和土壤有機殘體的分解強度，可以評價土壤生物活性強度、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，導致土壤中大團聚體比例降低和土壤中植物殘體減少，影響土壤有機物質(zhì)積累，進一步改變土壤肥力［16］。農(nóng)田邊坡土壤有機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)過半個世紀的恢復，土壤質(zhì)量有一定改善，但土層較薄，微生物活動還未恢復到自然狀態(tài)，有機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，對土壤養(yǎng)分的需求增加，加上土壤養(yǎng)分儲量不足，導致土壤蔗糖酶活性下降。同時，夏季頻繁的干濕交替提高了土壤有機質(zhì)礦化率［17］。這將在一定程度上影響夏季土壤有機碳積累，進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了小麥根系的生長發(fā)育，增強了小麥根系的分泌活動，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)和有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化，對土壤質(zhì)量的改善和土壤養(yǎng)分有效性的提高有重要意義。因此，在邊坡植被恢復研究中，應(yīng)充分考慮土壤微生物活動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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