重金屬污染對冶煉廠附近農(nóng)田土壤微生物活性的影響

王涵

（武夷學(xué)院生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建武夷山354300）

重金屬污染對冶煉廠附近農(nóng)田土壤微生物活性的影響

王涵

（武夷學(xué)院生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建武夷山354300）

為考察重金屬污染對農(nóng)田土壤微生物活性的影響，調(diào)查了冶煉廠附近農(nóng)田土壤重金屬含量、微生物量碳（Cmic）和土壤酶活性。結(jié)果顯示：農(nóng)田土壤受Cu、Cd、Pb、Zn輕度或中度污染。重金屬污染降低了土壤Cmic，卻提高了脫氫酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶、蛋白酶、轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶和堿性磷酸酶的活性，過氧化物酶活性主要受土壤顆粒組成影響，而酸性磷酸酶主要受土壤pH值影響。

重金屬；污染；土壤酶；Cmic；農(nóng)田土壤

農(nóng)田重金屬污染不僅造成農(nóng)作物減產(chǎn)和食品安全問題，而且改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及其活性，影響農(nóng)田的可持續(xù)利用[1]。鑒于土壤微生物及其分泌的酶在土壤物質(zhì)循環(huán)中所起的關(guān)鍵作用，重金屬污染狀況下農(nóng)田土壤的健康狀況必須結(jié)合生物和非生物指標(biāo)進(jìn)行全面的評價[2]。大量的研究顯示，重金屬污染抑制了微生物及土壤酶的活性，微生物指標(biāo)對土壤重金屬污染有指示作用。然而農(nóng)田重金屬污染大多屬于復(fù)合污染，重金屬間的協(xié)同或拮抗作用以及土壤理化因子的變化，使得重金屬對農(nóng)田微生物的活性影響較為復(fù)雜[3]。因此，重金屬復(fù)合污染狀況下，農(nóng)田微生物功能變化及其作用機(jī)制值得深入探討。為此，本文針對冶煉廠附近農(nóng)田重金屬污染狀況和C、N、P循環(huán)相關(guān)酶活性進(jìn)行了調(diào)查，分析影響微生物量和土壤酶活性的主要因素，以期為重金屬污染農(nóng)田的土壤健康評價和治理提供參考。

1 材料和方法

1.1 土壤樣品的采集和處理

土壤樣品采集自福建省龍巖地區(qū)某冶煉廠附近農(nóng)田，農(nóng)田主要種植葉菜類，共采集11個表層土樣（≤20 cm）。土壤樣品采集后儲存于4℃冰箱，用于微生物活性分析。部分土壤樣品風(fēng)干后用于土壤理化性質(zhì)和重金屬含量分析。

1.2 土壤理化性質(zhì)測定

采用重鉻酸鉀容量外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量；采用電位法測定土壤pH值（水土比為1∶1）；采用沉降法測定土壤顆粒組成；采用醋酸銨法測定CEC。

1.3 土壤重金屬含量分析

土壤樣品采用HClO4-HNO3-HCl-HF法消解，原子吸收分光光度法（火焰或石墨爐）測定總Cu，Cd，Pb，Zn，Ni和Co總量。使用標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品作為質(zhì)量控制，每批次土壤樣品分析包括30%重復(fù)樣品。

1.4 土壤酶活性和Cmic分析

采用比色法分別測定脫氫酶、多酚氧化酶、過氧化物酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶纖維素酶、酸性磷酸酶和堿性磷酸酶的活性；采用滴定法測定過氧化氫酶的活性；采用氯仿熏蒸-重鉻酸鉀氧化法測定Cmic。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel和SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，單因素方差分析進(jìn)行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本理化特性和重金屬含量

土壤Cu含量在29.07～203.67 mg/kg之間變化，平均值為79.18 mg/kg（表1）。大部分土壤樣品的Cu含量低于我國酸性農(nóng)田土壤的污染限定（GB 15618—1995），表明土壤僅受Cu輕微污染。Cd濃度于0.05～ 4.55 mg/kg之間變化，平均值為1.64 mg/kg。7個土壤樣品Cd含量大于0.3 mg/kg，超過農(nóng)田酸性土壤的上限，說明冶煉廠附近農(nóng)田土壤被Cd嚴(yán)重污染。Pb濃度在68.46～767.43 mg/kg之間變化，平均值為319.64 mg/kg。4個樣品的Pb濃度超過酸性農(nóng)田土壤的上限。總Zn濃度在44.01～704.97 mg/kg之間，平均值為309.79 mg/kg。5個土壤樣品的Zn含量均高于酸性農(nóng)業(yè)土壤的極限。樣品Ni含量介于1.39～22.53 mg/kg之間，平均值為11.75 mg/kg，均低于中國土壤Ⅱ類環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。Co含量位于4.77～18.29 mg/kg之間，平均值為11.81 mg/kg。CEC值在5.44～17.65 cmol/kg之間變化，平均值為11.57 cmol/kg。土壤有機(jī)質(zhì)含量范圍在32.10～72.50 g/kg之間，平均值為51.36 g/kg。土壤pH值范圍為4.61～7.53，平均值為6.47，大都屬于砂質(zhì)粘壤土。

2.2 土壤Cmic含量的變化

Cmic反映土壤微生物含量，是土壤肥力參數(shù)之一。土壤樣品的Cmic值介于168.00～573.82 mg/kg之間，平均值為321.53 mg/kg，不同地塊之間Cmic具有統(tǒng)計學(xué)意義（表2）。土壤Cmic與Cu含量呈顯著正相關(guān)，與Cd，Pb，Zn，Ni和Co含量顯著負(fù)相關(guān)，與CEC顯著正相關(guān)，與其他因子無顯著相關(guān)性（表3）。總體上，重金屬污染抑制了農(nóng)田土壤微生物生物量。

表1 土壤樣品的重金屬全量、有效態(tài)和土壤基本性質(zhì)Table 1 Total and available heavy metals and basic properties of soil samples

表2 不同樣品的土壤微生物生物量Table 2 Soils Cmic of different samples

表3 土壤Cmic和土壤因子之間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between Cmic and soil factors

2.3 相對土壤酶活性的變化

土壤酶與微生物代謝密切相關(guān)，反映土壤微生物群落功能。由于土壤樣品間Cmic差異較大，為消除微生物量引起的酶活性偏差，采用相對土壤酶活性[4]計算，見公式（1）。

土壤酶相對活性=土壤酶活性/Cmic（1）

表3 相對土壤酶活性和土壤因子之間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between soils enzyme comparative activities and soil factors

結(jié)果顯示，脫氫酶相對活性與Ni的含量顯著正相關(guān)（表3）；過氧化氫酶相對活性與Cd、Pb、Zn、Ni、Co的含量顯著正相關(guān)；多酚氧化酶相對活性與Cd、Pb、 Zn、Ni、Co的含量顯著正相關(guān)；過氧化物酶相對活性與土壤砂粒呈顯著正相關(guān)，但與粉粒和黏粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)；蛋白酶相對活性與Cd、Zn、Ni、Co含量顯著正相關(guān)；轉(zhuǎn)化酶相對活性與Cd、Pb、Zn、Ni，Co含量顯著正相關(guān)；纖維素酶相對活性與Cd、Zn、Ni、Co含量顯著正相關(guān)；酸性磷酸酶相對活性與有機(jī)質(zhì)含量和pH顯著負(fù)相關(guān)；堿性磷酸酶相對活性與Cd、Pb、Zn、Ni、Co含量顯著正相關(guān)。可見，大部分土壤酶活性變化與重金屬含量密切相關(guān)。重金屬刺激了大多數(shù)農(nóng)田土壤酶活性，而對過氧化物酶、脲酶和酸性磷酸酶活性則影響不大。土壤通透性決定農(nóng)田過氧化化物酶活性，而pH值則對酸性磷酸酶活性起關(guān)鍵作用。

3 討論

重金屬污染對土壤微生物群落影響較為深遠(yuǎn)，其效應(yīng)包括微生物的數(shù)量減少、多樣性降低、群落結(jié)構(gòu)改變或代謝功能的變化[5]。本研究表明，冶煉廠附近農(nóng)田土壤Cu、Cd、Pb、Zn大都屬于輕度至中度污染狀況。重金屬污染雖然降低了農(nóng)田微生物總量，卻刺激了大部分土壤C、N、P循環(huán)相關(guān)酶的活性，少數(shù)土壤酶對重金屬污染不敏感。前人的研究顯示，中等程度重金屬污染有增加了土壤微生物功能和遺傳多樣性的趨勢。為應(yīng)對重金屬脅迫，微生物藉由生理生化過程進(jìn)行解毒，由此提高了相關(guān)代謝過程的酶活性。重金屬Cu、Cd、Pb或Zn間存在拮抗作用，從而減輕了毒性。農(nóng)業(yè)用地一般有機(jī)質(zhì)含量較高，重金屬與土壤有機(jī)質(zhì)或顆粒組分相結(jié)合后降低了生物有效性，進(jìn)一步緩解了其毒副作用。從本研究結(jié)果來看，短期內(nèi)重金屬污染并未阻礙農(nóng)田C、N、P等關(guān)鍵元素的生物地球化學(xué)循環(huán)。但長遠(yuǎn)來看，重金屬污染引起的農(nóng)田微生物群落結(jié)構(gòu)和功能改變將影響農(nóng)田的可持續(xù)利用，值得深入研究與探討。

[1]樊霆,葉文玲,陳海燕,等.農(nóng)田土壤重金屬污染狀況及修復(fù)技術(shù)研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2013,22(10):1727-1736.

[2]劉紅俠,韓寶平,郝達(dá)平,等.徐州市北郊農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染評價[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2006,14(1):159-161.

[3]謝學(xué)輝,范鳳霞,袁學(xué)武,等.德興銅礦尾礦重金屬污染對土壤中微生物多樣性的影響[J].微生物學(xué)通報,2012,39 (5):624-637.

[4]程曼.黃土丘陵區(qū)典型植物枯落物分解對土壤有機(jī)碳、氮轉(zhuǎn)化及微生物多樣性的影響[D].咸陽:西北農(nóng)林科技大學(xué), 2015:39-55.

[5]郭星亮,谷潔,陳智學(xué),等.銅川煤礦區(qū)重金屬污染對土壤微生物群落代謝和酶活性的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2012, 23(3):798-806.

（責(zé)任編輯：葉麗娜）

Effects of Heavy Metal Pollution on Soil Microbial Activities in the Vicinity of Smeltery

WANG Han
（School of Ecology and Resource Engineering，Wuyi University，Wuyishan，F(xiàn)ujian 354300）

Heavy metal concentration,Cmic and soil enzyme activity had been investigated in farmlands nearby a smelter for evaluating the effects of heavy metals on soil microbial community activities.The results showed farmland soils contaminated by Cu,Cd,Pb and Zn slightly or intermediately.Although heavy metal contamination reduced soil Cmic but increased dehydrogenase,catalase,polyphenol oxidase,protease,invertase,cellulase,and alkaline phosphomonoesterase activities.However,peroxidase and acid phosphomonoesterase activities were dominated by granulometric composition and pH value respectively.It is necessary to pay attention to heavy metal contamination in agricultural soils for the change of microbial community function.

heavy metal；contamination;soil enzyme;Cmic;agricultural soil

Q89

A

1674-2109（2016）12-0035-04

2016-11-06

王涵（1970-），男，漢族，講師，主要研究方向為環(huán)境微生物。