鉛鋅礦冶區(qū)土壤酶活性特征研究

1、董 軍等：鉛鋅礦冶區(qū)土壤酶活性特征研究 671鉛鋅礦冶區(qū)土壤酶活性特征研究董 軍1，2，欒天罡1，藍崇鈺1，楊清偉11. 中山大學生命科學學院，廣東 廣州 510275；2. 電子科技大學中山學院，廣東 中山 528403摘要：分析測試了鉛鋅礦冶區(qū)Pb、Zn、Cu、Cd復合污染條件下的土壤酶活性，分析了土壤重金屬污染狀況與土壤酶活性的相關關系。結果表明，隨著采樣點偏離廢氣排放口主導風向程度增大，Pb、Zn、Cu、Cd綜合污染指數(shù)PI逐漸降低，土壤蛋白酶、脲酶、過氧化氫酶的活性逐漸增高且差異顯著，變化程度由大到小的順序為蛋白酶脲酶過氧化氫酶。剖面分布上，綜合污染指數(shù)PI5的樣地，基本呈現(xiàn)隨土壤深

2、度增加而土壤酶活性降低的趨勢。蛋白酶、脲酶、過氧化氫酶的活性間呈極顯著正相關，3種土壤酶活性與全磷呈極顯著正相關，與有機質(zhì)相關性較低。蛋白酶、脲酶、過氧化氫酶等土壤酶活性分布特征對礦冶區(qū)污染程度和土壤生態(tài)系統(tǒng)特性具有一定的指示作用。關鍵詞：土壤酶活性；鉛鋅礦冶區(qū)；分布特性中圖分類號：S154.2，X171.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-2175（2005）05-0668-04礦業(yè)冶煉廢氣中的重金屬會經(jīng)過大氣沉降對周邊生態(tài)與環(huán)境造成污染，危害植物生長，對人畜健康產(chǎn)生影響。礦冶區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量及其生態(tài)恢復已逐漸引起人們關注1。土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)密切相關，一直以來被作為評價土壤生產(chǎn)力及

3、污染狀況的指標2, 3。本文對廣東省韶關冶煉廠附近土壤酶活性進行了研究，探討了廢氣排放口不同方向上土壤酶活性空間分布特征，以尋求利用土壤酶活性指示礦冶區(qū)環(huán)境質(zhì)量的方法。1 研究地區(qū)與研究方法1.1 自然地理概況 韶關市位于廣東省北部，北江南岸，屬中亞熱帶季風氣候，年平均氣溫19.6 ，1月均溫11 ，7月均溫28 ，無霜期305 d，年均降水量1619.6 mm，地帶性土壤以紅壤為主，土壤pH為3.793.99，主導風向為東南（夏）、西北（冬）。鉛鋅冶煉廠地處韶關市南郊，1970年投產(chǎn)運行，1990年以前的冶煉廢氣基本沒有采取凈化措施而直接排放，造成了在主導風向上一系列的生態(tài)退化。1.2 樣品

4、采集與處理以通過廢氣排放口的南北方向為中心線，在東南、南、西南方向設置3條樣線，在樣線上距排放口300 m設DN、N、XN 3個樣地。DN樣地位于主導風向上，受廢氣影響嚴重，地表植被幾乎喪失殆盡；N樣地受廢氣污染相對較輕，有一定的植被殘留；西南方向樣地，廢氣污染甚微，植被群落基本完整。每個樣地分為5個小區(qū)，每個小區(qū)采用剖面及梅花樣點取樣。去除地表腐殖質(zhì)，采集植物根際010 cm (A層)、1020 cm（B層）、2040 cm（C層）土壤。土樣置室內(nèi)自然風干，用瑪瑙研缽碾碎，過2 mm篩，然后過180 m篩后裝瓶備用。1.3 測定方法（1）土壤酶測定4, 5。脲酶活性采用堿皿擴散法測定，以24

5、 h內(nèi)1 g土壤中NH3-N的毫克數(shù)表示；過氧化氫酶的測定采用高錳酸鉀滴定法，活性以0.1 mol·L-1 KMnO4毫升數(shù)表示；蔗糖酶為0.1 mol·L-1 Na2S2O3滴定法，以1 g土壤培養(yǎng)24 h后消耗0.1 mol·L-1 Na2S2O3毫升數(shù)表示。蛋白酶采用比色法測定，以100 g土壤24 h內(nèi)消耗的甘氨酸毫克數(shù)表示。（2）重金屬分析。Pb、Zn、Cu、Cd全量用王水-高氯酸消化，原子吸收光譜法測定6。2 結果與分析2.1 鉛鋅礦冶區(qū)重金屬污染及與土壤酶活性的關系研究表明，韶關礦冶區(qū)受到Pb、Zn、Cu、Cd等多種重金屬污染。對于多金屬復合污染的土

6、壤，通常采用綜合污染指數(shù)（PI）來反映總的污染程度7，公式為：PI=（Ci / Si）/4式中：PI為綜合污染指數(shù)（Pollution Index）；Ci為土壤中某一重金屬的實測質(zhì)量分數(shù)的統(tǒng)計平均值（mg·kg-1）；Si為土壤中某一重金屬的評價標準（mg·kg-1）。參照土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準，1.0PI2.0為輕污染，2.0PI10為中度污染，PI10為重污染。DN樣地表層（A層）Pb、Zn、Cu、Cd等4種重金屬的綜合污染指數(shù)PI為11.27，表明該區(qū)域土壤受到嚴重污染，N樣點的PI為5.09，XN樣點的PI為4.81，土壤受中度污染。土壤受污染程度由高到低的順序為DN

7、NXN，隨著樣地方位偏離主導風向，土壤受重金屬污染的程度逐步降低。對表層土壤酶活性與重金屬復合污染指數(shù)的相關性進行分析，結果顯示重金屬綜合污染指數(shù)與蛋白酶、脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性均表現(xiàn)負相關，表明Pb、Zn、Cu、Cd復合污染對土壤酶活性表現(xiàn)抑制作用，其中蛋白酶、脲酶、過氧化氫酶呈顯著相關（p<0.05，n=15）。相關性顯著程度的順序分別為脲酶（-0.671）、過氧化氫酶、（-0.567）、蛋白酶（-0.533）、蔗糖酶（-0.432）。重金屬會通過與酶分子活性部位結合或抑制土壤微生物的生長和繁殖導致土壤酶活性下降8，鉛鋅礦冶區(qū)廢氣排放口附近土壤酶活性的變化，應該與廢氣中重金屬沉

8、降對酶活性的抑制有關。2.2 土壤酶活性水平分布特征 圖1 4種土壤酶在DN、N、XN樣點的活性比較Figure 1 Soil enzymes activities in the sites of DN, N, XN廢氣污染造成的不同生境條件必然對土壤酶的活性產(chǎn)生一定的影響。鉛鋅礦冶區(qū)土壤酶活性的測定結果，基本上可以反映出土壤酶活性的變化與樣地方位的關系（圖1）。從土壤酶活性變化趨勢看，不同樣地蛋白酶、脲酶和過氧化氫酶活性變化明顯，隨樣地方位偏離主導風向呈現(xiàn)有規(guī)律的增強。蛋白酶、脲酶和過氧化氫酶活性在靠近廢氣排放主導風向的DN樣地都低，在最偏離主導風向的XN樣地最高，樣地間差異明顯。蛋白酶活性

9、僅在XN樣地檢測到，脲酶和過氧化氫酶活性在A、B、C三個層次也都顯著高于N和DN（P0.01，A層的脲酶活性更是DN樣地A層的20倍，過氧化氫酶活性也高出DN樣地4倍?？芍?，土壤蛋白酶、脲酶和過氧化氫酶活性隨樣地方位偏離主導風向變化顯著，變化明顯程度由高到低的順序為蛋白酶脲酶過氧化氫酶。2.3 土壤酶活性的剖面分布特征如圖1所示，在PI5的DN和N樣地，脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性在A層（010 cm）最高，B層（1020 cm）次之，C層（2040 cm）最低（脲酶在B樣地活性除外），基本呈現(xiàn)隨土壤深度增加土壤酶活性降低的規(guī)律，同國內(nèi)外其他人的研究結果相近9, 10。在XN樣地，脲酶、蛋白酶

10、和過氧化氫酶活性以B層最高，A、C層較低，這可能與該區(qū)域植被完好，污染相對較輕，重金屬主要分布在淺層土壤等因素有關。顯著性檢驗得知，4種土壤酶活性在層間差異均不顯著，與寧波人工濕地系統(tǒng)10及川西亞高山森林系統(tǒng)11的土壤酶活性特征不同。土壤酶活性的剖面分布特征反映了土壤受干擾的程度10，韶關鉛鋅礦冶區(qū)土壤酶活性層間差異不顯著的分布特征，應該是該區(qū)域土壤生態(tài)系統(tǒng)受到冶煉廢氣持續(xù)污染干擾的基本反映。2.4 土壤酶活性間的相關性相關分析（表1）表明，蛋白酶、脲酶、過氧化氫酶活性相互間呈極顯著的正相關（p<0.01），說明三種酶對鉛鋅礦冶區(qū)污染物干擾等環(huán)境條件具有相似的適應性。表1 土壤酶活性間的

11、相關性Table 1 Correlation analyses between soil enzymes activities蛋白酶脲酶過氧化氫酶蔗糖酶蛋白酶10.981*0.974*-0.401脲酶10.990*-0.306過氧化氫酶1-0.375蔗糖酶12.5 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分的關系表2 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分相關性Table 2 correlation between soil enzymes activities and soil nutrients全量P全量N全量K有機質(zhì)蛋白酶0.945*0.7960.2030.161脲酶0.985*0.829*0.110.341過氧化氫酶0.98

12、7*0.7460.0880.329蔗糖酶-0.3480.1170.2760.320土壤酶活性與土壤養(yǎng)分關系密切2，本文對污染條件下土壤酶活性與主要土壤養(yǎng)分的關聯(lián)性進行了分析。表2結果表明，Pb、Zn、Cu、Cd復合污染土壤中蛋白酶、脲酶、過氧化氫酶與全量磷呈極顯著正相關。除脲酶外，各土壤酶與全量N、全量K的相關性不顯著。蛋白酶、脲酶、過氧化氫酶與全量磷呈極顯著正相關可能與全磷中的活性磷有關，活性磷可以非常有效地將土壤中活性Pb(Zn)轉化為活性極低的P/Pb(Zn)礦等物質(zhì)，大大降低土壤中Pb(Zn)的環(huán)境毒性12，減少重金屬毒性對酶活性的抑制。污染條件下4種酶活性與有機質(zhì)的相關性偏低，與Ta

13、ylor9等國內(nèi)外學者在其他環(huán)境中研究的結果不相同。一般認為，有機質(zhì)可以通過與土壤中重金屬元素形成絡合物來影響土壤中重金屬的移動性及其生物有效性。祖群艷13等研究表明，土壤有機質(zhì)含量較低時，隨著有機質(zhì)含量增加，在一定范圍內(nèi)可使蔬菜中重金屬含量降低；而有機質(zhì)含量過高時，可能會導致重金屬有效性的提高。另有相關資料表明，有機質(zhì)加入土壤中對植物吸收重金屬沒有影響，研究結果不一致14。對于有機質(zhì)在重金屬復合污染條件下的作用及其與土壤酶活性的關系有待進一步研究。4種土壤酶中脲酶與土壤養(yǎng)分之間的相關性最好，它與全N含量存在顯著相關（p<0.05），與全P極顯著相關（p<0.01），其次是蛋白酶和

14、過氧化氫酶。結合三種酶在樣地間顯著差異的共同特性及其相互間極高的相關性，可以認為，蛋白酶、脲酶、過氧化氫酶對鉛鋅礦冶區(qū)污染程度和土壤生態(tài)系統(tǒng)的化學特性具有一定的指示作用。3 結論（1）韶關礦冶區(qū)受到Pb、Zn、Cu、Cd等重金屬污染。隨著樣地相對廢氣排放口的方位偏離主導風向，重金屬污染程度逐步降低，土壤酶活性趨向增強。重金屬復合污染對蛋白酶、脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性表現(xiàn)抑制作用。（2）土壤酶活性分布特征在水平方向表現(xiàn)為，隨樣地方位偏離主導風向，蛋白酶、脲酶和過氧化氫酶活性變化顯著，變化明顯程度由高到低的順序為蛋白酶脲酶過氧化氫酶。在垂直方向，PI5的樣地，1020 cm層的土壤酶活性高于表

15、層；PI5的樣地，基本呈現(xiàn)隨土壤深度增加而土壤酶活性降低的規(guī)律。鉛鋅礦冶區(qū)廢氣排放對土壤污染的程度及區(qū)域與主導風向有密切關系。（3）蛋白酶、脲酶、過氧化氫酶活性相互間呈極顯著的正相關，三種酶對鉛鋅礦冶區(qū)污染程度和土壤生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分特性具有一定的指示作用。參考文獻：1 王廣林, 王立龍, 沈章軍, 等冶煉廠附近水稻田土壤重金屬污染與土壤酶活性的相關性研究J. 安徽師范大學學報(自然科學版), 2004, 27(3): 310-313.WANG G L, WANG L L, SHEN Z J, et al. Study on relation of heavy metal pollution in

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17、壤酶活性研究J. 中國環(huán)境科學, 2002, 22(6): 551-555TENG Y, HUANG C Y, LONG J, et alStudies on soil enzymatic activities in areas contaminated by tailings from Pb,Zn,Ag mineJChina Enviromental Science, 2002, 22(6): 551-555.4 關松蔭土壤酶及其研究方法M北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1986.GUAN S YSoil Enzymes and Its MethodologyMBeijing: Agricultura

18、l Press, 1986.5 周禮愷土壤酶學M北京: 科學出版社, 1989.ZHOU L KSoil EnzymologyMBeijing: Science Press, 1989.6 魯如坤土壤農(nóng)業(yè)化學分析法M北京: 中國農(nóng)業(yè)科技出版社, 2000.LU R KSoil Agri-chemical assay methodologyMBeijing: Chinese Agricultural Press, 2000.7 周建民, 黨志, 司徒粵, 等大寶山礦區(qū)周圍土壤重金屬污染分布特征研究J農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2004, 23(6): 1172-1176.ZHOU J M, DANG Z

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20、 by Abandoned Copper TailingsJ. Chinese Journal of Applied Ecology, 2003, 14(11): 1976-1980.9 TAYLOR J P, WILSON B, MILLS M S, et al. Comparison of numbers and enzymatic activities in surface soils and subsoil using various techniquesJ. Soil Bioche M, 2002, 34: 387-401.10 岳春雷, 常杰, 葛瀅, 等. 人工濕地基質(zhì)中土壤酶空

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24、u1, YANG Qing-wei11. School of Life Science, Sun Yatsen University, Guangzhou 510275, China;2. Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan 528403, ChinaAbstract: Activities of selected soil enzymes including urease, proteinae, catalase, sucrase were determined in the area of the lead-zine smeltery and the relationship between the activities of soil enzymes and the index of heavy metal pollution were analyzed. Results showed that the prevailing wind played a key role in the distribution of soil po