陳家法， 李志輝， 童方平， 李 貴， 李永進(jìn)

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410004； 2.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長沙 410004)

冷水江銻礦區(qū)重金屬污染林地土壤酶活性變化研究

陳家法1，2， 李志輝1， 童方平2， 李 貴2， 李永進(jìn)2

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410004； 2.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長沙 410004)

對(duì)冷水江銻礦區(qū)重金屬污染林地土壤酶的分布及其活性的研究表明：樣地土壤中的脲酶、蛋白酶和轉(zhuǎn)化酶活性之間均存在極顯著差異；不同樣地不同土層土壤酶的活性也存在差異。3個(gè)樣地各土層土壤中的蛋白酶活性均高于對(duì)照，除了聯(lián)盟樣地40～60cm土層的轉(zhuǎn)化酶活性高于對(duì)照外，其他3個(gè)樣地各土層轉(zhuǎn)化酶活性均低于對(duì)照。在所有4個(gè)樣地中，轉(zhuǎn)化酶活性均隨土壤深度的加大而降低。

重金屬污染; 土壤酶活性; 土壤肥力; 銻礦區(qū)

目前,土壤生態(tài)環(huán)境安全已成為我國可持續(xù)發(fā)展的制約因素，由于重金屬污染物在土壤中具有移動(dòng)性差、滯留時(shí)間長、不能被微生物降解的特點(diǎn)，對(duì)土壤理化性質(zhì)的負(fù)面作用較大。銻及銻化物在20世紀(jì)70年代就被美國國家環(huán)保局列為優(yōu)先控制污染物，同時(shí)也被歐盟巴塞爾公約列入危險(xiǎn)廢物，我國已有很多銻礦區(qū)銻和砷中毒的病例報(bào)道[1-3]。土壤資源是人類賴以生存的寶貴資源,土壤肥力是其本質(zhì)屬性，科學(xué)評(píng)價(jià)土壤肥力不僅能使我們更加了解土壤的本質(zhì)、更好地利用土壤資源,而且對(duì)于農(nóng)業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義[4-6]。銻對(duì)植物、土壤具有很強(qiáng)的危害作用，本文旨在對(duì)銻礦區(qū)受重金屬污染的林地土壤酶活性進(jìn)行綜合分析，探討銻礦區(qū)林地土壤肥力退化和恢復(fù)機(jī)制，為重金屬污染土壤生態(tài)修復(fù)、抗逆性植物篩選、生態(tài)重建與植被快速恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地為湖南省冷水江錫礦山。冷水江市地處湖南省中部，雪峰山北段南麓，資江中游，東與漣源市、南與新邵縣、西北與新化縣接壤。地理位置為北緯27°30′49″—27°50′38″，東經(jīng)111°18′57″—111°36′40″。屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,年平均氣溫16.8℃,一月平均氣溫4.9℃,七月平均氣溫28.2℃,極端最高溫度39.7℃,極端最低溫度-10.9℃,年平均有效積溫5118.5℃,年平均無霜期279d,年平均降水量為1457.0mm，年相對(duì)濕度53.1%。土地總面積4.39萬hm2，冷水江市屬湘中丘陵區(qū)，地形地貌特點(diǎn)為五山二丘二崗一平地，地勢呈南北高、中部低不對(duì)稱的馬鞍形。最高海拔1072m，最低海拔162m，地勢高差910m。洞庭湖水系的資江干流貫穿全市18km，資水一級(jí)支流10條，總流程135.18km?？?cè)丝?5萬，以盛產(chǎn)銻礦和原煤而聞名，是湖南省重要的能源原材料基地。銻礦山位于冷水江市東北15km處，是著名的“世界銻都”—銻儲(chǔ)量達(dá)200多萬t，經(jīng)過110年開采，仍保有儲(chǔ)量40萬t。

2 研究方法

2.1 樣品采集與分析方法

樣地選擇與樣品采集。在冷水江錫礦山選擇離礦渣堆集場、冶煉廠近且木本植物少、雜草多的聯(lián)盟、長龍界、七里鋪三林地作為污染區(qū)的采樣地，在離錫礦山50km外的三尖鎮(zhèn)馬尾松林作為無污染或輕污染區(qū)的采樣地，每個(gè)樣地沿斜對(duì)角線選擇8個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)垂直挖土壤剖面至60cm處，分別用土壤環(huán)刀按0～20cm(上層)、20～40cm(中層)、40～60cm(下層)取樣，測定土壤容重和含水量；每層均勻采集土壤樣品1000g作為土壤營養(yǎng)成份、重金屬元素含量測定的樣品。

土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、研碎，過100目篩備用。土壤容重用環(huán)刀法。土壤酶活性測定方法[7]：脲酶采用氨釋放量蒸餾滴定法測定；蛋白酶采用茚三酮比色法測定；轉(zhuǎn)化酶采用Na2S2O3滴定法測定。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用EXCEL、SPSS統(tǒng)計(jì)軟件處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 重金屬對(duì)各樣地土壤酶活性的影響

土壤酶是由微生物、動(dòng)植物活體分泌及由動(dòng)植物殘?bào)w、遺骸分解釋放于土壤中的一類具有催化能力的生物活性物質(zhì)。土壤酶在土壤碳、氮、磷循環(huán)過程中具有重要的作用,它們參與土壤系統(tǒng)中許多重要代謝過程。因此，研究土壤中酶活性變化對(duì)研究土壤生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況有重要的指示性意義。污染物對(duì)土壤酶活性的影響集中體現(xiàn)在酶活性與污染物之間關(guān)系方面,土壤酶的活性反映了土壤中進(jìn)行的各種生物化學(xué)過程的強(qiáng)度和方向，它的活性易受環(huán)境中物理、化學(xué)和生物等諸因素的影響。由表1可知，位于無污染區(qū)三尖鎮(zhèn)的樣地中脲酶活性最高，達(dá)到0.6245mg/g，土壤脲酶活性按樣地所在污染區(qū)域比較，為七里鋪>聯(lián)盟>長龍界，七里鋪?zhàn)罱咏怄?zhèn)，達(dá)到0.5552mg/g；土壤蛋白酶活性按樣地所在區(qū)域比較，無污染區(qū)三尖鎮(zhèn)最低，只有1.1407mg/g，污染區(qū)聯(lián)盟>七里鋪>長龍界，長龍界點(diǎn)最接近于三尖鎮(zhèn)點(diǎn)，為1.2076mg/g；土壤轉(zhuǎn)化酶活性無污染區(qū)三尖鎮(zhèn)最高，達(dá)到2.2066mg/g，按樣地所在污染區(qū)域比較，聯(lián)盟>七里鋪>長龍界，長龍界最低，只有1.2280mg/g。

表1 各樣地土壤酶活性表Tab.1 Soilenzymeactivitiesineachsampleplot(mg/g)地點(diǎn)Site脲酶Urease蛋白酶Protease轉(zhuǎn)化酶Invertase聯(lián)盟0.48491.34861.5712長龍界0.33251.20761.2280七里鋪0.55521.25711.4207三尖鎮(zhèn)0.62451.14072.2066

對(duì)各樣地間的土壤酶活性進(jìn)行方差分析(見表2)。結(jié)果表明：在四個(gè)樣地土壤中的脲酶、蛋白酶和轉(zhuǎn)化酶活性之間均存在極顯著性差異，表明重金屬對(duì)銻礦區(qū)林地土壤酶的活性產(chǎn)生了巨大的影響，土壤中上述三種酶的活性指標(biāo)已明確反映出重金屬致使當(dāng)?shù)赝寥缾夯?/p>

表2 各樣地土壤酶活性方差分析Tab.2 Varianceanalysisofsoilenzymeactivitiesineachsampleplot土壤酶Soilenzyme差異源OrigindifferenceSSdfMSF脲酶組間0.131230.043734.2096※※組內(nèi)0.010280.0013總計(jì)0.141511蛋白酶組間0.057230.019112.4534※※組內(nèi)0.012280.0015總計(jì)0.069411轉(zhuǎn)化酶組間1.098530.366234.3805※※組內(nèi)0.085280.0107總計(jì)1.183711 注:※※表示在0.01水平下呈極顯著差異。F0.01=7.5910

3.2 不同樣地不同土層土壤酶活性的變化規(guī)律

土壤酶活性對(duì)于土壤中有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、釋放植物能利用的碳、氮和磷等養(yǎng)分有直接作用。大多數(shù)酶除了具有主要的專一性酶促反應(yīng),對(duì)土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化有多種作用,可以綜合反映出土壤性質(zhì)和肥力水平。由表3可知，不同土層土壤酶的活性也不同。在聯(lián)盟樣地中， 0～20cm土層中的脲酶活性最高，20～40cm土層中的蛋白酶活性最高，而40～60cm土層中的轉(zhuǎn)化酶活性最高；在長龍界、七里鋪樣地土壤中，在0～20cm土層中的脲酶、轉(zhuǎn)化酶活性最高，而蛋白酶活性在40～60cm土層最高。另外，3個(gè)樣地各土層土壤中的蛋白酶活性均高于對(duì)照，但3個(gè)樣地中，除了聯(lián)盟樣地40～60cm土層的轉(zhuǎn)化酶活性高于對(duì)照外，其他各土層轉(zhuǎn)化酶活性均低于對(duì)照，且在4個(gè)樣地中，轉(zhuǎn)

表3 各樣地各土層土壤酶活性Tab.3 Soilenzymeactivitiesofthedifferentsoillayersineachsampleplot(mg/g)地點(diǎn)Site脲酶Urease蛋白酶Protease轉(zhuǎn)化酶Invertase0～20cm20～40cm40～60cm0～20cm20～40cm40～60cm0～20cm20～40cm40～60cm聯(lián)盟0.5200.4290.5061.3241.4361.2851.7781.1061.831長龍界0.3730.3320.2931.1851.2001.2381.3801.1721.133七里鋪0.7080.5900.3681.2111.1781.3821.8491.4400.973三尖鎮(zhèn)0.8170.4030.6541.0491.1661.2082.7742.1731.673

化酶活性隨土壤深度的加大而降低；而3個(gè)樣地各土層中的脲酶活性無以上規(guī)律。

4 結(jié)論與討論

土壤是植物生長的載體,供給植物生長所需的水分和養(yǎng)分。土壤的各種酶活性直接影響土壤的理化性質(zhì)，從而影響到土壤質(zhì)量的高低。在重金屬復(fù)合污染的銻礦區(qū)，對(duì)各樣地的土壤酶活性分析比較發(fā)現(xiàn)，土壤各種酶活性都與對(duì)照地有顯著差異。

礦區(qū)3個(gè)樣地的脲酶活性均低于無污染或輕度污染的對(duì)照地，而蛋白酶和轉(zhuǎn)化酶卻均高于對(duì)照地。脲酶活性越低，催化脲素水解釋放出氨和二氧化碳的能力越弱，使得礦區(qū)林地土壤碳的礦化和氮的硝化明顯受到抑制，降低了土壤中養(yǎng)分的含量，導(dǎo)致土壤的理化特性變差，嚴(yán)重影響植物的生長。這與童方平關(guān)于冷水江銻礦區(qū)重金屬污染林地土壤肥力綜合評(píng)價(jià)[8-9]中的結(jié)論相吻合。

另外，不同樣地不同土層土壤酶的活性也不同。3個(gè)樣地各土層土壤中的蛋白酶活性均高于對(duì)照，除了聯(lián)盟樣地40～60cm土層的轉(zhuǎn)化酶活性高于對(duì)照外，其他3個(gè)樣地各土層轉(zhuǎn)化酶活性均低于對(duì)照；3個(gè)樣地各土層中的脲酶活性變化無明顯規(guī)律，這種現(xiàn)象與李志輝等[10]對(duì)其他地區(qū)林地土壤酶分布規(guī)律研究結(jié)果不同，其原因可能與成土母質(zhì)、土壤理化性質(zhì)、植被、污染程度等因素有關(guān)，具體原因有待于進(jìn)一步探索研究。

[1] Fowler B A ,Goering P L. Antimony[M].New York :VCH Weinheim,1991:89-112.

[2] Crommentujin T, Polder M D , Van de Plasche E J.Maximum permissible concentrations and negligible concentrations of metals,taking background concentrations into account[M].The Netherlands: Bilthoven,1997:32-89.

[3] 吳豐昌,鄭建,潘響亮，等.銻的環(huán)境生物地球化學(xué)循環(huán)與效應(yīng)研究展望[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2008,23(4):350-356.

[4] 張華,張甘霖.土壤質(zhì)量指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法[J].土壤,2001，33(6):326-330.

[5] 駱伯勝,鐘繼洪,陳俊堅(jiān).土壤肥力數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)研究[J].土壤,2004,36(1):104-106.

[6] 馬強(qiáng),宇萬太,趙少華,等.黑土農(nóng)田土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2004,15(10):1916-1920.

[7] 周禮愷.土壤酶活性的測定[M].北京:科學(xué)出版社,1987.

[8] 童方平.冷水江銻礦區(qū)重金屬污染林地土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2009,25(16):120-122.

[9] 童方平.冷水江銻礦區(qū)重金屬污染林地土壤理化特性研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2009,25(10):246-250.

[10] 李志輝，李躍林，楊民勝,等.桉樹林地土壤酶分布特點(diǎn)及其活性變化研究[J].中南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2000,20(3)：29-33.

(責(zé)任編輯：譚著明)

EnzymeactivitiesofforestsoilpollutedbyheavymetalsinantimonymineofLeng-shuijiangCity

CHEN Jiafa1，2, LI Zhihui1, TONG Fangping2, LI Gui2， LI Yongjin2

(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China;2.Hunan Forestry Academy, Changsha 410004, China)

The distribution of soil enzyme and its activities in forest soil polluted by heavy metals in antimony mine of Leng-shuijiang City was studied. The results showed that the activities of urease, protease and invertase in the sample plots were significantly different from each other, and the soil enzymatic activities were also different among the different soil layers in each sample plots. The activities of protease in the different soil layers in each of the three sample plots were higher than CK, but the activities of invertase were all lower than CK, while that of invertase from the soil layer of 40～60cm in the Lian Meng plot was higher than CK. Moreover, the activities of invertase in all the 4 sample plots declined with the increase of soil depth.

heavy metals contamination; soil enzymatic activities; soil fertility; antimony mine

2010 — 12 — 15

2010 — 12 — 24

A

1003 — 5710(2010)06 — 0015 — 02

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2010. 06. 004