铁路运输扰动下边坡土壤酶含量的空间变异性研究

宋 婷，艾应伟，郭培俊，李传人，潘丹丹

(四川大学生命科学学院生物资源与生态环境教育部重点实验室，四川成都 610064)

铁路运输是我国国民经济、社会生活的重要组成部分，已成为主导地区经济发展的重要因素。随着铁路线路的增加、车次的增多，因铁路修建而产生的大量岩石边坡对铁路沿线环境的负面影响不容忽视。这些岩石边坡植被遭破坏，创面直接承受雨水冲刷、太阳暴晒，植被生长所需的表层土和营养物质严重匮乏，稳定性极差［1］。土壤的健康状况可直接反映边坡生态情况，因此对土壤质量的评价和预测越来越重要。随着相关研究的深入，传统的土壤理化指标已难以满足土壤质量研究的需要。土壤酶是一类具有特殊催化能力的蛋白质，主要来源于植物根系和微生物的活动。土壤酶参与土壤的许多重要生物化学过程和物质循环，包括枯落物的分解、腐殖质及各种有机化合物的分解与合成、土壤养分的固定与释放以及各种氧化还原反应，并直接参与土壤营养元素的有效化过程，可以客观地反映土壤肥力状况［2－4］。从20世纪50年代起，欧洲和前苏联的科学家已把土壤酶作为土壤肥力的评价指标。在我国，土壤酶活性也被广泛用于评价农田和森林土壤健康状况［5－6］，但是却鲜有研究将其应用于铁路边坡土壤污染及恢复的评价。以川中丘陵区3条运营时间较长的成昆铁路、成渝铁路和达成铁路沿线的土壤为研究对象，对成昆铁路的吴场段、成渝铁路的五凤段和达成铁路的白云段3个典型路段铁路沿线边坡土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶活性及其空间分布特征进行研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区海拔450～750 m，属亚热带湿润季风气候区，气候温和，无霜期长，雨热同季，雨量充沛，四季分明，年平均气温17.2℃，年均降水量在1 000 mm以上。

各典型路段的具体情况:①吴场段。该路段位于四川省夹江县吴场镇(E103°37'，N29°51')，属成昆铁路，于 1958 年开始使用，远离城市，周边无其他污染源。土壤类型为由河流冲积物母质发育而成的黄壤土，土地利用方式主要为菜地和茶园，植被覆盖率79.2%。②五凤段。该路段位于四川省金堂县的五凤镇(E104°29'，N 30°36')，属成渝铁路，于 1952 年开始使用，远离城市，周边无其他污染源。土壤类型为由紫色砂页岩发育而成的紫色土，土地利用方式主要为菜地和农田，植被覆盖率90.0%。③白云段。该路段位于四川省南充市白云庙镇(E104°37'，N30°44')，属达成铁路，于 1997 年开始使用，远离城市，周边无其他污染源。土壤类型为由紫色砂页岩发育而成的紫色土，土地利用方式为菜地和农田，植被覆盖率87.2%。

1.2 土壤样品的采集与分析

为研究铁路沿线土壤酶含量和分布特征，在吴场段、五凤段和白云段3个典型路段内，选取相同类型铁路边坡设置采样断面，采样断面垂直穿越铁轨。每种边坡设3个重复，各采样点用不锈钢铲取0—10 cm表层土样，多点样品混合成约500 g的混合样品。每个重复在距铁轨10、25、50、100、150 m处采样。样品用聚乙烯自封袋装封并带回试验室处理，经自然风干后，捡去砾石、动植物残体，用玛瑙棒碾碎，过20目和100目尼龙筛后供试验分析用。土壤理化性质按常规方法分析测定，结果见表1。土壤脲酶活性采用苯酚钠比色法测定;蔗糖酶活性采用3，5－二硝基水杨酸比色法测定;蛋白酶活性采用改良茚三酮比色法测定;过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定;多酚氧化酶采用碘滴定法测定。

表1 供试土壤样品的基本化学性质

1.3 数据处理

所有数据采用Excel 2007和SPSS Statistics 17.0进行统计分析。显著水平设为0.05。

2 结果与讨论

2.1 土壤脲酶活性的空间分布

土壤脲酶是一种酰胺酶，能促进有机质分子中肽键的水解，其活性与土壤的微生物数量、有机质含量、全氮和速效磷呈正相关关系，同时与土壤类型有关。因此，土壤脲酶活性可反映土壤的氮素状况［7］。如表2所示，3个路段土壤脲酶活性的空间分布呈现相似的变化趋势，在距铁轨5—10 m范围内活性较高，10—50 m逐渐降低，50—100 m有一定的上升，100—150 m又降低;各路段土壤脲酶活性均在距铁轨10 m处达最高值，在距铁轨50 m处最低;土壤脲酶活性的最大值出现在五凤段距铁轨10 m处，最小值出现在吴场段距铁轨50 m处。在距铁轨不同距离处不同路段土壤脲酶活性有一定差异:距铁轨10 m处土壤脲酶活性表现为五凤段＞白云段＞吴场段(P＜0.01);距铁轨50、100、150 m处五凤段与白云段土壤脲酶活性无显著差异，二者均显著高于吴场段(P＜0.05);在距铁轨5、25 m处3个路段土壤脲酶活性均无显著差异。

表2 距铁轨不同距离处土壤脲酶的含量 μg/(g·h)

靠近铁路处(距铁轨5—10 m)土壤脲酶活性较高，可能是由于边坡对雨水和尘土的物理阻挡作用使碳氮等营养物质在紧邻铁路处的土壤中发生沉降和富集，这与焦晓光等的研究结果相似［8］。3个路段土壤脲酶活性随距铁轨距离的变化均较为显著，表明土壤脲酶对铁路运营带来的环境胁迫较为敏感。吴场段铁路由于运营时间较长，且成昆铁路客货运流量较大，铁路边坡受到铁路运输影响较大，土壤受到较为严重的各类污染，抑制了土壤微生物的生长繁殖，造成其脲酶活性相对较低。

2.2 土壤蔗糖酶活性的空间分布

土壤蔗糖酶作为一种水解酶，能把高分子化合物分解成能被植物和土壤微生物利用的葡萄糖和果糖，对土壤中有机质形态的转化有重要作用。因此，土壤蔗糖酶活性作为评价土壤熟化程度和土壤肥力的一个重要指标，其活性越强，土壤肥力越高［9］。由表3可知，3个路段土壤蔗糖酶活性的空间分布有一定差异:吴场段表现为距铁轨5—25 m范围内逐渐上升，25—150 m范围内逐渐下降，且整个变化过程较为平缓;五凤段表现为距铁轨5—50 m范围内逐渐上升，50—150 m范围内基本不再变化;白云段表现为5—25 m范围内平缓上升，到50 m处有较大下降，50—150 m范围内又缓慢上升，最大值出现在距铁轨25 m处。在距铁轨不同距离处不同路段的土壤蔗糖酶活性差异极显著(P＜0.01)，距铁轨5、10、25 m处均表现为白云段＞五凤段＞吴场段，距铁轨50、100、150 m处均表现为五凤段＞白云段＞吴场段。

表3 距铁轨不同距离处土壤蔗糖酶的含量 mg/(g·h)

从土壤蔗糖酶活性随距铁轨距离的变化趋势来看，吴场段和白云段铁路的运营对土壤蔗糖酶活性影响较小;五凤段表现出距铁轨越远土壤蔗糖酶活性越高的趋势，50 m以后趋于稳定，可见铁路运营对其影响较显著。3个路段土壤蔗糖酶活性随距铁轨距离的变化均较为平缓，说明其对铁路运营污染表现出较强的耐受性。有研究表明，土壤蔗糖酶活性与土壤有机质、氮、磷、钾等的含量均表现出显著的正相关关系［10］，由表1可知，五凤段和白云段各项化学指标均显著高于吴场段，吴场段各个距离处土壤蔗糖酶活性均为显著的最低水平。

2.3 土壤蛋白酶的空间分布

土壤蛋白酶参与土壤中氨基酸、蛋白质、无机氮之间的转换，能促进蛋白质中肽键的水解，其水解产物是高等植物的氮源之一。由表4可知，各路段土壤蛋白酶随距铁轨距离的变化有一定差异:吴场段表现为5—10 m范围内急剧下降，25—150 m范围内趋于平缓，没有显著变化;五凤段表现为整体稳定，只在距铁轨10 m处活性略低;白云段有较大的起伏，最大值出现在距铁轨100 m处，最小值出现在距铁轨150 m处。不同距离处3个路段间土壤蛋白酶活性差异显著，具体表现为:距铁轨5 m处五凤段和白云段间无显著差异，两者均显著高于吴场段;距铁轨10、25、50、100 m处均为五凤段＞白云段＞吴场段;距铁轨150 m处白云段和吴场段间无显著差异，二者均显著低于五凤段。

吴场段和五凤段土壤蛋白酶活性随距铁轨距离变化并无明显的改变，说明铁路运营带来的各种污染对土壤蛋白酶的影响不显著。白云段土壤蛋白酶活性在不同距离处无规律急剧变化可能是水分等其他干扰因素作用的结果，有研究表明，土壤水分对土壤蛋白酶活性有较大影响［11］，土壤蛋白酶活性与土壤碳氮的转化密切相关［12］。表1中土壤有机质、全氮和有效氮含量均表现为五凤段最高，白云段次之，吴场段最低，3个路段间土壤蛋白酶活性的差异与这一趋势相一致。

表4 距铁轨不同距离处土壤蛋白酶的含量 mg/(g·h)

2.4 土壤过氧化氢酶的空间分布

土壤过氧化氢酶是表征土壤氧化还原能力的一种酶，能促进过氧化氢分解成分子氧和水，与土壤呼吸强度和土壤微生物活动有关，在一定程度上反映了土壤微生物学过程的强度［13］。从表5可知，不同路段土壤过氧化氢酶活性随距铁轨距离的不同有所变化，表现为:吴场段5—10 m有一定上升，10—25 m有所下降，25—150 m逐渐上升，最小值出现在距铁轨25 m处;五凤段5—10 m有一定上升，10—25 m没有变化，25—100 m缓慢下降，100—150 m趋于平稳;白云段5—25 m基本没有变化，25—50 m缓慢上升并达到最大值，之后出现较大幅度的下降，在150 m处降至最小值。不同距离处3个路段间土壤过氧化氢酶活性差异显著:距铁轨5、10、25、50 m处五凤段与白云段无显著差异，二者均显著高于吴场段;距铁轨100 m处表现为白云段＞五凤段＞吴场段;距铁轨150 m处表现为五凤段＞白云段＞吴场段。

整体看来，随着距铁轨距离的增加，吴场段土壤过氧化氢酶活性逐渐上升，而五凤段和白云段则呈先上升后下降趋势。吴场段土壤类型是黄壤土，五凤段和白云段土壤类型是紫色土，不同的土壤类型造成土壤物理结构如紧密程度、孔隙分布等的不同，影响土壤微生物的活动和分布［14］，这可能是造成土壤过氧化氢酶活性随距铁轨距离变化分布差异的原因。吴场段土壤过氧化氢酶活性在各个距离处均显著低于五凤段和白云段，说明其受铁路运营的影响最为严重。唐海滨等的研究也观察到土壤过氧化氢酶活性与土壤中全氮、全磷、速效磷以及速效钾含量之间的密切联系［15］。

表5 距铁轨不同距离处土壤过氧化氢酶的含量 mL/(g·h)

2.5 土壤多酚氧化酶的空间分布

土壤多酚氧化酶是一种复合酶，能把土壤中芳香族化合物合成醌，完成土壤的芳香族化合物循环，是高速率氧化过程的指标，在芳香族有机化合物转化为腐殖质的过程中起着重要的作用。从表6可以看出，五凤段和白云段土壤多酚氧化酶活性随距铁轨距离变化具有相同的趋势，表现为5—25 m范围内有较大上升，均在25 m处达到最大值，25—100 m范围内有较大程度的下降，100—150 m范围内趋于平缓;吴场段表现为5—10 m范围内有一定的下降，在10 m处降到最小值，10—150 m范围内平缓上升。距铁轨不同距离处3个路段间土壤多酚氧化酶活性差异显著:5、10、25 m处均表现为五凤段＞白云段＞吴场段;50、100、150 m处五凤段和白云段无显著差异，二者均显著高于吴场段。

土壤多酚氧化酶活性可以反映土壤的腐殖化程度［16］。五凤段和白云段土壤均为紫色土，而吴场段为黄壤土，不同土壤类型其有机质贮存形态和分布比例有很大的差异，与铁路运营造成的污染物如重金属等之间的相互作用方式和强度各异，可能是造成五凤段和白云段多酚氧化酶随距铁路距离分布模式相似而与吴场段不同的原因。吴场段相对较低的土壤有机质含量造成其土壤多酚氧化酶活性最低，与其他研究中显示的山地生态系统中土壤多酚氧化酶活性和土壤碳流失呈正相关的结论相似［17］。

表6 距铁轨不同距离处土壤多酚氧化酶的含量 mL/(g·h)

3 结语

从铁路工程开工建设到运营，沿线边坡长期遭受着不可避免的人为扰动和水土流失的威胁。对于处于动态变化并且没有完全恢复的边坡土壤来说，土壤酶活性对土壤状况的反映需要对多种酶进行综合分析后才能明确。在成昆铁路吴场段、成渝铁路五凤段、达成铁路白云段3个典型铁路路段，5种土壤酶活性随距铁路距离的变化有不同的分布特征。成昆铁路吴场段承担着大量煤炭、钢材等的运输任务，沿线生态系统受到长期、持续的干扰，坡面土壤微生物活动受到较为严重的环境胁迫，可能是其土壤酶活性最低的重要原因。铁路运营时间的长短、坡面土壤类型的不同以及不同种类的酶对特定环境胁迫因素敏感程度的差异，共同影响着铁路周边坡面土壤微生物及土壤酶的活性，进而作用于坡面土壤的理化性质。

土壤酶作为评价土壤健康状况的重要指标，可以很好地反映土壤肥力状况和结构特征。同时，在铁路工程建设及运营中，为了更好地预防边坡土壤退化、水土流失及由此带来的各种安全隐患，将铁路运营对周边生态环境的影响降至最低，在今后的研究中应综合考虑局部小气候、植被状况、土壤结构和性质以及重金属污染等多种影响因素对土壤酶作进一步研究。

［1］Snelder D J，Byran R B.The use of rainfall simulation tests to assess the influence of vegetation density on soil loss on degraded rangelands in the Baringo，District，Kenya［J］.Catena，1995，25(1 －4):105 －116.

［2］刘建新.不同农田土壤酶活性与土壤养分相关关系研究［J］.土壤通报，2004，35(4):523 －525.

［3］Vance N C，Entry J A.Soil properties important to the restoration of Shasta red fir barrens in the Siskiyou Mountains［J］.Forest Ecology and Management，2000，138(1 － 3):427 －434.

［4］隋跃宇，焦晓光，高崇生，等.土壤有机质含量与土壤微生物量及土壤酶活性关系的研究［J］.土壤通报，2009，40(5):1 036－1 039.

［5］林娜，刘勇，李国雷，等.森林土壤酶研究进展［J］.世界林业研究，2010，23(4):21 －25.

［6］张仕艳，原海红，陆梅，等.滇西北不同利用类型土壤酶活性及其与理化性质与微生物的关系［J］.亚热带水土保持，2010，22(2):13 －16.

［7］Mulvaney R L，Bremer J M.Use of p-benzoquinone and hydroquinone for retardation of urea hydrolysis in soils［J］.Soil Biology and Biochemistry，1978，10(4):297 －302.

［8］焦晓光，隋跃宇，张兴义.土壤有机质含量与土壤脲酶活性关系的研究［J］.农业系统科学与综合研究，2008，24(4):494－496.

［9］Bandick A K，Dick R P.Field management effects on soil enzyme activities ［J］.Soil Biology and Biochemistry，1999，31(11):1 471－1 479.

［10］王平，马忠明，包兴国，等.长期不同施肥方式对小麦/玉米间作土壤蔗糖酶活性的影响［J］.农业现代化研究，2009，30(5):611 －614.

［11］ Sierra J，Brisson N，Ripoche D，et al.Application of the STICS crop model to predict nitrogen availability and nitrate transport in a tropical soil cropped with maize［J］.Plant and Soil，2003，256(2):333 －345.

［12］徐雁，向成华，李贤伟.土壤酶的研究概况［J］.四川林业科技，2010，31(2):14 －20.

［13］L E Casida Jr.Microbial metabolic activity in soil as measured by dehydrogenase determinations［J］.Applied and Environmental Microbiology，1977，34(6):630 －636.

［14］杨思忠，金会军，魏智，等.微生物对冻土生境的适应以及对全球变化和寒区工程扰动的响应:进展与展望［J］.冰川冻土，2007，29(2):279 －285.

［15］唐海滨，廖超英，刘莉丽，等.蔬菜大棚土壤脲酶、过氧化氢酶活性与土壤养分的关系［J］.干旱地区农业研究，2011，29(3):165 －168.

［16］Waldrop M P.Nitrogen deposition modifies soil carbon storage through changes in microbial enzymatic activity［J］.Ecological Applications，2004，14(4):1 172 －1 177.

［17］谷洁，李生秀，秦清军，等.氧化还原类酶活性在农业废弃物静态高温堆腐过程中变化的研究［J］.农业工程学报，2006，22(2):138 －141.