鐵路運輸擾動下邊坡土壤酶含量的空間變異性研究

宋 婷，艾應偉，郭培俊，李傳人，潘丹丹

(四川大學生命科學學院生物資源與生態環境教育部重點實驗室，四川成都 610064)

鐵路運輸是我國國民經濟、社會生活的重要組成部分，已成為主導地區經濟發展的重要因素。隨著鐵路線路的增加、車次的增多，因鐵路修建而產生的大量巖石邊坡對鐵路沿線環境的負面影響不容忽視。這些巖石邊坡植被遭破壞，創面直接承受雨水沖刷、太陽暴曬，植被生長所需的表層土和營養物質嚴重匱乏，穩定性極差［1］。土壤的健康狀況可直接反映邊坡生態情況，因此對土壤質量的評價和預測越來越重要。隨著相關研究的深入，傳統的土壤理化指標已難以滿足土壤質量研究的需要。土壤酶是一類具有特殊催化能力的蛋白質，主要來源于植物根系和微生物的活動。土壤酶參與土壤的許多重要生物化學過程和物質循環，包括枯落物的分解、腐殖質及各種有機化合物的分解與合成、土壤養分的固定與釋放以及各種氧化還原反應，并直接參與土壤營養元素的有效化過程，可以客觀地反映土壤肥力狀況［2－4］。從20世紀50年代起，歐洲和前蘇聯的科學家已把土壤酶作為土壤肥力的評價指標。在我國，土壤酶活性也被廣泛用于評價農田和森林土壤健康狀況［5－6］，但是卻鮮有研究將其應用于鐵路邊坡土壤污染及恢復的評價。以川中丘陵區3條運營時間較長的成昆鐵路、成渝鐵路和達成鐵路沿線的土壤為研究對象，對成昆鐵路的吳場段、成渝鐵路的五鳳段和達成鐵路的白云段3個典型路段鐵路沿線邊坡土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、過氧化氫酶和多酚氧化酶活性及其空間分布特征進行研究。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區海拔450～750 m，屬亞熱帶濕潤季風氣候區，氣候溫和，無霜期長，雨熱同季，雨量充沛，四季分明，年平均氣溫17.2℃，年均降水量在1 000 mm以上。

各典型路段的具體情況:①吳場段。該路段位于四川省夾江縣吳場鎮(E103°37'，N29°51')，屬成昆鐵路，于 1958 年開始使用，遠離城市，周邊無其他污染源。土壤類型為由河流沖積物母質發育而成的黃壤土，土地利用方式主要為菜地和茶園，植被覆蓋率79.2%。②五鳳段。該路段位于四川省金堂縣的五鳳鎮(E104°29'，N 30°36')，屬成渝鐵路，于 1952 年開始使用，遠離城市，周邊無其他污染源。土壤類型為由紫色砂頁巖發育而成的紫色土，土地利用方式主要為菜地和農田，植被覆蓋率90.0%。③白云段。該路段位于四川省南充市白云廟鎮(E104°37'，N30°44')，屬達成鐵路，于 1997 年開始使用，遠離城市，周邊無其他污染源。土壤類型為由紫色砂頁巖發育而成的紫色土，土地利用方式為菜地和農田，植被覆蓋率87.2%。

1.2 土壤樣品的采集與分析

為研究鐵路沿線土壤酶含量和分布特征，在吳場段、五鳳段和白云段3個典型路段內，選取相同類型鐵路邊坡設置采樣斷面，采樣斷面垂直穿越鐵軌。每種邊坡設3個重復，各采樣點用不銹鋼鏟取0—10 cm表層土樣，多點樣品混合成約500 g的混合樣品。每個重復在距鐵軌10、25、50、100、150 m處采樣。樣品用聚乙烯自封袋裝封并帶回試驗室處理，經自然風干后，撿去礫石、動植物殘體，用瑪瑙棒碾碎，過20目和100目尼龍篩后供試驗分析用。土壤理化性質按常規方法分析測定，結果見表1。土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定;蔗糖酶活性采用3，5－二硝基水楊酸比色法測定;蛋白酶活性采用改良茚三酮比色法測定;過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定;多酚氧化酶采用碘滴定法測定。

表1 供試土壤樣品的基本化學性質

1.3 數據處理

所有數據采用Excel 2007和SPSS Statistics 17.0進行統計分析。顯著水平設為0.05。

2 結果與討論

2.1 土壤脲酶活性的空間分布

土壤脲酶是一種酰胺酶，能促進有機質分子中肽鍵的水解，其活性與土壤的微生物數量、有機質含量、全氮和速效磷呈正相關關系，同時與土壤類型有關。因此，土壤脲酶活性可反映土壤的氮素狀況［7］。如表2所示，3個路段土壤脲酶活性的空間分布呈現相似的變化趨勢，在距鐵軌5—10 m范圍內活性較高，10—50 m逐漸降低，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鐵軌10 m處達最高值，在距鐵軌50 m處最低;土壤脲酶活性的最大值出現在五鳳段距鐵軌10 m處，最小值出現在吳場段距鐵軌50 m處。在距鐵軌不同距離處不同路段土壤脲酶活性有一定差異:距鐵軌10 m處土壤脲酶活性表現為五鳳段＞白云段＞吳場段(P＜0.01);距鐵軌50、100、150 m處五鳳段與白云段土壤脲酶活性無顯著差異，二者均顯著高于吳場段(P＜0.05);在距鐵軌5、25 m處3個路段土壤脲酶活性均無顯著差異。

表2 距鐵軌不同距離處土壤脲酶的含量 μg/(g·h)

靠近鐵路處(距鐵軌5—10 m)土壤脲酶活性較高，可能是由于邊坡對雨水和塵土的物理阻擋作用使碳氮等營養物質在緊鄰鐵路處的土壤中發生沉降和富集，這與焦曉光等的研究結果相似［8］。3個路段土壤脲酶活性隨距鐵軌距離的變化均較為顯著，表明土壤脲酶對鐵路運營帶來的環境脅迫較為敏感。吳場段鐵路由于運營時間較長，且成昆鐵路客貨運流量較大，鐵路邊坡受到鐵路運輸影響較大，土壤受到較為嚴重的各類污染，抑制了土壤微生物的生長繁殖，造成其脲酶活性相對較低。

2.2 土壤蔗糖酶活性的空間分布

土壤蔗糖酶作為一種水解酶，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，對土壤中有機質形態的轉化有重要作用。因此，土壤蔗糖酶活性作為評價土壤熟化程度和土壤肥力的一個重要指標，其活性越強，土壤肥力越高［9］。由表3可知，3個路段土壤蔗糖酶活性的空間分布有一定差異:吳場段表現為距鐵軌5—25 m范圍內逐漸上升，25—150 m范圍內逐漸下降，且整個變化過程較為平緩;五鳳段表現為距鐵軌5—50 m范圍內逐漸上升，50—150 m范圍內基本不再變化;白云段表現為5—25 m范圍內平緩上升，到50 m處有較大下降，50—150 m范圍內又緩慢上升，最大值出現在距鐵軌25 m處。在距鐵軌不同距離處不同路段的土壤蔗糖酶活性差異極顯著(P＜0.01)，距鐵軌5、10、25 m處均表現為白云段＞五鳳段＞吳場段，距鐵軌50、100、150 m處均表現為五鳳段＞白云段＞吳場段。

表3 距鐵軌不同距離處土壤蔗糖酶的含量 mg/(g·h)

從土壤蔗糖酶活性隨距鐵軌距離的變化趨勢來看，吳場段和白云段鐵路的運營對土壤蔗糖酶活性影響較小;五鳳段表現出距鐵軌越遠土壤蔗糖酶活性越高的趨勢，50 m以后趨于穩定，可見鐵路運營對其影響較顯著。3個路段土壤蔗糖酶活性隨距鐵軌距離的變化均較為平緩，說明其對鐵路運營污染表現出較強的耐受性。有研究表明，土壤蔗糖酶活性與土壤有機質、氮、磷、鉀等的含量均表現出顯著的正相關關系［10］，由表1可知，五鳳段和白云段各項化學指標均顯著高于吳場段，吳場段各個距離處土壤蔗糖酶活性均為顯著的最低水平。

2.3 土壤蛋白酶的空間分布

土壤蛋白酶參與土壤中氨基酸、蛋白質、無機氮之間的轉換，能促進蛋白質中肽鍵的水解，其水解產物是高等植物的氮源之一。由表4可知，各路段土壤蛋白酶隨距鐵軌距離的變化有一定差異:吳場段表現為5—10 m范圍內急劇下降，25—150 m范圍內趨于平緩，沒有顯著變化;五鳳段表現為整體穩定，只在距鐵軌10 m處活性略低;白云段有較大的起伏，最大值出現在距鐵軌100 m處，最小值出現在距鐵軌150 m處。不同距離處3個路段間土壤蛋白酶活性差異顯著，具體表現為:距鐵軌5 m處五鳳段和白云段間無顯著差異，兩者均顯著高于吳場段;距鐵軌10、25、50、100 m處均為五鳳段＞白云段＞吳場段;距鐵軌150 m處白云段和吳場段間無顯著差異，二者均顯著低于五鳳段。

吳場段和五鳳段土壤蛋白酶活性隨距鐵軌距離變化并無明顯的改變，說明鐵路運營帶來的各種污染對土壤蛋白酶的影響不顯著。白云段土壤蛋白酶活性在不同距離處無規律急劇變化可能是水分等其他干擾因素作用的結果，有研究表明，土壤水分對土壤蛋白酶活性有較大影響［11］，土壤蛋白酶活性與土壤碳氮的轉化密切相關［12］。表1中土壤有機質、全氮和有效氮含量均表現為五鳳段最高，白云段次之，吳場段最低，3個路段間土壤蛋白酶活性的差異與這一趨勢相一致。

表4 距鐵軌不同距離處土壤蛋白酶的含量 mg/(g·h)

2.4 土壤過氧化氫酶的空間分布

土壤過氧化氫酶是表征土壤氧化還原能力的一種酶，能促進過氧化氫分解成分子氧和水，與土壤呼吸強度和土壤微生物活動有關，在一定程度上反映了土壤微生物學過程的強度［13］。從表5可知，不同路段土壤過氧化氫酶活性隨距鐵軌距離的不同有所變化，表現為:吳場段5—10 m有一定上升，10—25 m有所下降，25—150 m逐漸上升，最小值出現在距鐵軌25 m處;五鳳段5—10 m有一定上升，10—25 m沒有變化，25—100 m緩慢下降，100—150 m趨于平穩;白云段5—25 m基本沒有變化，25—50 m緩慢上升并達到最大值，之后出現較大幅度的下降，在150 m處降至最小值。不同距離處3個路段間土壤過氧化氫酶活性差異顯著:距鐵軌5、10、25、50 m處五鳳段與白云段無顯著差異，二者均顯著高于吳場段;距鐵軌100 m處表現為白云段＞五鳳段＞吳場段;距鐵軌150 m處表現為五鳳段＞白云段＞吳場段。

整體看來，隨著距鐵軌距離的增加，吳場段土壤過氧化氫酶活性逐漸上升，而五鳳段和白云段則呈先上升后下降趨勢。吳場段土壤類型是黃壤土，五鳳段和白云段土壤類型是紫色土，不同的土壤類型造成土壤物理結構如緊密程度、孔隙分布等的不同，影響土壤微生物的活動和分布［14］，這可能是造成土壤過氧化氫酶活性隨距鐵軌距離變化分布差異的原因。吳場段土壤過氧化氫酶活性在各個距離處均顯著低于五鳳段和白云段，說明其受鐵路運營的影響最為嚴重。唐海濱等的研究也觀察到土壤過氧化氫酶活性與土壤中全氮、全磷、速效磷以及速效鉀含量之間的密切聯系［15］。

表5 距鐵軌不同距離處土壤過氧化氫酶的含量 mL/(g·h)

2.5 土壤多酚氧化酶的空間分布

土壤多酚氧化酶是一種復合酶，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環，是高速率氧化過程的指標，在芳香族有機化合物轉化為腐殖質的過程中起著重要的作用。從表6可以看出，五鳳段和白云段土壤多酚氧化酶活性隨距鐵軌距離變化具有相同的趨勢，表現為5—25 m范圍內有較大上升，均在25 m處達到最大值，25—100 m范圍內有較大程度的下降，100—150 m范圍內趨于平緩;吳場段表現為5—10 m范圍內有一定的下降，在10 m處降到最小值，10—150 m范圍內平緩上升。距鐵軌不同距離處3個路段間土壤多酚氧化酶活性差異顯著:5、10、25 m處均表現為五鳳段＞白云段＞吳場段;50、100、150 m處五鳳段和白云段無顯著差異，二者均顯著高于吳場段。

土壤多酚氧化酶活性可以反映土壤的腐殖化程度［16］。五鳳段和白云段土壤均為紫色土，而吳場段為黃壤土，不同土壤類型其有機質貯存形態和分布比例有很大的差異，與鐵路運營造成的污染物如重金屬等之間的相互作用方式和強度各異，可能是造成五鳳段和白云段多酚氧化酶隨距鐵路距離分布模式相似而與吳場段不同的原因。吳場段相對較低的土壤有機質含量造成其土壤多酚氧化酶活性最低，與其他研究中顯示的山地生態系統中土壤多酚氧化酶活性和土壤碳流失呈正相關的結論相似［17］。

表6 距鐵軌不同距離處土壤多酚氧化酶的含量 mL/(g·h)

3 結語

從鐵路工程開工建設到運營，沿線邊坡長期遭受著不可避免的人為擾動和水土流失的威脅。對于處于動態變化并且沒有完全恢復的邊坡土壤來說，土壤酶活性對土壤狀況的反映需要對多種酶進行綜合分析后才能明確。在成昆鐵路吳場段、成渝鐵路五鳳段、達成鐵路白云段3個典型鐵路路段，5種土壤酶活性隨距鐵路距離的變化有不同的分布特征。成昆鐵路吳場段承擔著大量煤炭、鋼材等的運輸任務，沿線生態系統受到長期、持續的干擾，坡面土壤微生物活動受到較為嚴重的環境脅迫，可能是其土壤酶活性最低的重要原因。鐵路運營時間的長短、坡面土壤類型的不同以及不同種類的酶對特定環境脅迫因素敏感程度的差異，共同影響著鐵路周邊坡面土壤微生物及土壤酶的活性，進而作用于坡面土壤的理化性質。

土壤酶作為評價土壤健康狀況的重要指標，可以很好地反映土壤肥力狀況和結構特征。同時，在鐵路工程建設及運營中，為了更好地預防邊坡土壤退化、水土流失及由此帶來的各種安全隱患，將鐵路運營對周邊生態環境的影響降至最低，在今后的研究中應綜合考慮局部小氣候、植被狀況、土壤結構和性質以及重金屬污染等多種影響因素對土壤酶作進一步研究。

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