铅锌矿冶区土壤酶活性特征研究

1、董 军等：铅锌矿冶区土壤酶活性特征研究 671铅锌矿冶区土壤酶活性特征研究董 军1，2，栾天罡1，蓝崇钰1，杨清伟11. 中山大学生命科学学院，广东 广州 510275；2. 电子科技大学中山学院，广东 中山 528403摘要：分析测试了铅锌矿冶区Pb、Zn、Cu、Cd复合污染条件下的土壤酶活性，分析了土壤重金属污染状况与土壤酶活性的相关关系。结果表明，随着采样点偏离废气排放口主导风向程度增大，Pb、Zn、Cu、Cd综合污染指数PI逐渐降低，土壤蛋白酶、脲酶、过氧化氢酶的活性逐渐增高且差异显著，变化程度由大到小的顺序为蛋白酶脲酶过氧化氢酶。剖面分布上，综合污染指数PI5的样地，基本呈现随土壤深

2、度增加而土壤酶活性降低的趋势。蛋白酶、脲酶、过氧化氢酶的活性间呈极显著正相关，3种土壤酶活性与全磷呈极显著正相关，与有机质相关性较低。蛋白酶、脲酶、过氧化氢酶等土壤酶活性分布特征对矿冶区污染程度和土壤生态系统特性具有一定的指示作用。关键词：土壤酶活性；铅锌矿冶区；分布特性中图分类号：S154.2，X171.5 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）05-0668-04矿业冶炼废气中的重金属会经过大气沉降对周边生态与环境造成污染，危害植物生长，对人畜健康产生影响。矿冶区土壤环境质量及其生态恢复已逐渐引起人们关注1。土壤酶活性与土壤理化性质密切相关，一直以来被作为评价土壤生产力及

3、污染状况的指标2, 3。本文对广东省韶关冶炼厂附近土壤酶活性进行了研究，探讨了废气排放口不同方向上土壤酶活性空间分布特征，以寻求利用土壤酶活性指示矿冶区环境质量的方法。1 研究地区与研究方法1.1 自然地理概况 韶关市位于广东省北部，北江南岸，属中亚热带季风气候，年平均气温19.6 ，1月均温11 ，7月均温28 ，无霜期305 d，年均降水量1619.6 mm，地带性土壤以红壤为主，土壤pH为3.793.99，主导风向为东南（夏）、西北（冬）。铅锌冶炼厂地处韶关市南郊，1970年投产运行，1990年以前的冶炼废气基本没有采取净化措施而直接排放，造成了在主导风向上一系列的生态退化。1.2 样品

4、采集与处理以通过废气排放口的南北方向为中心线，在东南、南、西南方向设置3条样线，在样线上距排放口300 m设DN、N、XN 3个样地。DN样地位于主导风向上，受废气影响严重，地表植被几乎丧失殆尽；N样地受废气污染相对较轻，有一定的植被残留；西南方向样地，废气污染甚微，植被群落基本完整。每个样地分为5个小区，每个小区采用剖面及梅花样点取样。去除地表腐殖质，采集植物根际010 cm (A层)、1020 cm（B层）、2040 cm（C层）土壤。土样置室内自然风干，用玛瑙研钵碾碎，过2 mm筛，然后过180 m筛后装瓶备用。1.3 测定方法（1）土壤酶测定4, 5。脲酶活性采用碱皿扩散法测定，以24

5、 h内1 g土壤中NH3-N的毫克数表示；过氧化氢酶的测定采用高锰酸钾滴定法，活性以0.1 mol·L-1 KMnO4毫升数表示；蔗糖酶为0.1 mol·L-1 Na2S2O3滴定法，以1 g土壤培养24 h后消耗0.1 mol·L-1 Na2S2O3毫升数表示。蛋白酶采用比色法测定，以100 g土壤24 h内消耗的甘氨酸毫克数表示。（2）重金属分析。Pb、Zn、Cu、Cd全量用王水-高氯酸消化，原子吸收光谱法测定6。2 结果与分析2.1 铅锌矿冶区重金属污染及与土壤酶活性的关系研究表明，韶关矿冶区受到Pb、Zn、Cu、Cd等多种重金属污染。对于多金属复合污染的土

6、壤，通常采用综合污染指数（PI）来反映总的污染程度7，公式为：PI=（Ci / Si）/4式中：PI为综合污染指数（Pollution Index）；Ci为土壤中某一重金属的实测质量分数的统计平均值（mg·kg-1）；Si为土壤中某一重金属的评价标准（mg·kg-1）。参照土壤环境质量二级标准，1.0PI2.0为轻污染，2.0PI10为中度污染，PI10为重污染。DN样地表层（A层）Pb、Zn、Cu、Cd等4种重金属的综合污染指数PI为11.27，表明该区域土壤受到严重污染，N样点的PI为5.09，XN样点的PI为4.81，土壤受中度污染。土壤受污染程度由高到低的顺序为DN

7、NXN，随着样地方位偏离主导风向，土壤受重金属污染的程度逐步降低。对表层土壤酶活性与重金属复合污染指数的相关性进行分析，结果显示重金属综合污染指数与蛋白酶、脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性均表现负相关，表明Pb、Zn、Cu、Cd复合污染对土壤酶活性表现抑制作用，其中蛋白酶、脲酶、过氧化氢酶呈显著相关（p<0.05，n=15）。相关性显著程度的顺序分别为脲酶（-0.671）、过氧化氢酶、（-0.567）、蛋白酶（-0.533）、蔗糖酶（-0.432）。重金属会通过与酶分子活性部位结合或抑制土壤微生物的生长和繁殖导致土壤酶活性下降8，铅锌矿冶区废气排放口附近土壤酶活性的变化，应该与废气中重金属沉

8、降对酶活性的抑制有关。2.2 土壤酶活性水平分布特征 图1 4种土壤酶在DN、N、XN样点的活性比较Figure 1 Soil enzymes activities in the sites of DN, N, XN废气污染造成的不同生境条件必然对土壤酶的活性产生一定的影响。铅锌矿冶区土壤酶活性的测定结果，基本上可以反映出土壤酶活性的变化与样地方位的关系（图1）。从土壤酶活性变化趋势看，不同样地蛋白酶、脲酶和过氧化氢酶活性变化明显，随样地方位偏离主导风向呈现有规律的增强。蛋白酶、脲酶和过氧化氢酶活性在靠近废气排放主导风向的DN样地都低，在最偏离主导风向的XN样地最高，样地间差异明显。蛋白酶活性

9、仅在XN样地检测到，脲酶和过氧化氢酶活性在A、B、C三个层次也都显著高于N和DN（P0.01，A层的脲酶活性更是DN样地A层的20倍，过氧化氢酶活性也高出DN样地4倍。可知，土壤蛋白酶、脲酶和过氧化氢酶活性随样地方位偏离主导风向变化显著，变化明显程度由高到低的顺序为蛋白酶脲酶过氧化氢酶。2.3 土壤酶活性的剖面分布特征如图1所示，在PI5的DN和N样地，脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性在A层（010 cm）最高，B层（1020 cm）次之，C层（2040 cm）最低（脲酶在B样地活性除外），基本呈现随土壤深度增加土壤酶活性降低的规律，同国内外其他人的研究结果相近9, 10。在XN样地，脲酶、蛋白酶

10、和过氧化氢酶活性以B层最高，A、C层较低，这可能与该区域植被完好，污染相对较轻，重金属主要分布在浅层土壤等因素有关。显著性检验得知，4种土壤酶活性在层间差异均不显著，与宁波人工湿地系统10及川西亚高山森林系统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扰的程度10，韶关铅锌矿冶区土壤酶活性层间差异不显著的分布特征，应该是该区域土壤生态系统受到冶炼废气持续污染干扰的基本反映。2.4 土壤酶活性间的相关性相关分析（表1）表明，蛋白酶、脲酶、过氧化氢酶活性相互间呈极显著的正相关（p<0.01），说明三种酶对铅锌矿冶区污染物干扰等环境条件具有相似的适应性。表1 土壤酶活性间的

11、相关性Table 1 Correlation analyses between soil enzymes activities蛋白酶脲酶过氧化氢酶蔗糖酶蛋白酶10.981*0.974*-0.401脲酶10.990*-0.306过氧化氢酶1-0.375蔗糖酶12.5 土壤酶活性与土壤养分的关系表2 土壤酶活性与土壤养分相关性Table 2 correlation between soil enzymes activities and soil nutrients全量P全量N全量K有机质蛋白酶0.945*0.7960.2030.161脲酶0.985*0.829*0.110.341过氧化氢酶0.98

12、7*0.7460.0880.329蔗糖酶-0.3480.1170.2760.320土壤酶活性与土壤养分关系密切2，本文对污染条件下土壤酶活性与主要土壤养分的关联性进行了分析。表2结果表明，Pb、Zn、Cu、Cd复合污染土壤中蛋白酶、脲酶、过氧化氢酶与全量磷呈极显著正相关。除脲酶外，各土壤酶与全量N、全量K的相关性不显著。蛋白酶、脲酶、过氧化氢酶与全量磷呈极显著正相关可能与全磷中的活性磷有关，活性磷可以非常有效地将土壤中活性Pb(Zn)转化为活性极低的P/Pb(Zn)矿等物质，大大降低土壤中Pb(Zn)的环境毒性12，减少重金属毒性对酶活性的抑制。污染条件下4种酶活性与有机质的相关性偏低，与Ta

13、ylor9等国内外学者在其他环境中研究的结果不相同。一般认为，有机质可以通过与土壤中重金属元素形成络合物来影响土壤中重金属的移动性及其生物有效性。祖群艳13等研究表明，土壤有机质含量较低时，随着有机质含量增加，在一定范围内可使蔬菜中重金属含量降低；而有机质含量过高时，可能会导致重金属有效性的提高。另有相关资料表明，有机质加入土壤中对植物吸收重金属没有影响，研究结果不一致14。对于有机质在重金属复合污染条件下的作用及其与土壤酶活性的关系有待进一步研究。4种土壤酶中脲酶与土壤养分之间的相关性最好，它与全N含量存在显著相关（p<0.05），与全P极显著相关（p<0.01），其次是蛋白酶和

14、过氧化氢酶。结合三种酶在样地间显著差异的共同特性及其相互间极高的相关性，可以认为，蛋白酶、脲酶、过氧化氢酶对铅锌矿冶区污染程度和土壤生态系统的化学特性具有一定的指示作用。3 结论（1）韶关矿冶区受到Pb、Zn、Cu、Cd等重金属污染。随着样地相对废气排放口的方位偏离主导风向，重金属污染程度逐步降低，土壤酶活性趋向增强。重金属复合污染对蛋白酶、脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性表现抑制作用。（2）土壤酶活性分布特征在水平方向表现为，随样地方位偏离主导风向，蛋白酶、脲酶和过氧化氢酶活性变化显著，变化明显程度由高到低的顺序为蛋白酶脲酶过氧化氢酶。在垂直方向，PI5的样地，1020 cm层的土壤酶活性高于表

15、层；PI5的样地，基本呈现随土壤深度增加而土壤酶活性降低的规律。铅锌矿冶区废气排放对土壤污染的程度及区域与主导风向有密切关系。（3）蛋白酶、脲酶、过氧化氢酶活性相互间呈极显著的正相关，三种酶对铅锌矿冶区污染程度和土壤生态系统的养分特性具有一定的指示作用。参考文献：1 王广林, 王立龙, 沈章军, 等冶炼厂附近水稻田土壤重金属污染与土壤酶活性的相关性研究J. 安徽师范大学学报(自然科学版), 2004, 27(3): 310-313.WANG G L, WANG L L, SHEN Z J, et al. Study on relation of heavy metal pollution in

16、 soils of rice lands near smeltery and enzyme activitiesJJournal of Anhui Normal University, 2004, 27(3): 310-3132 孟立君, 吴凤芝土壤酶研究进展J. 东北农业大学学报, 2004, 35(5): 622-626.MENG L J, WU F ZAdvances on soil enzymesJJournal of Northeast of Agricultural University, 2004, 35(5): 622-626.3 腾应, 黄昌勇, 龙健, 等铅锌银尾矿污染区土

17、壤酶活性研究J. 中国环境科学, 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 关松荫土壤酶及其研究方法M北京: 农业出版社, 1986.GUAN S YSoil Enzymes and Its MethodologyMBeijing: Agricultura

18、l Press, 1986.5 周礼恺土壤酶学M北京: 科学出版社, 1989.ZHOU L KSoil EnzymologyMBeijing: Science Press, 1989.6 鲁如坤土壤农业化学分析法M北京: 中国农业科技出版社, 2000.LU R KSoil Agri-chemical assay methodologyMBeijing: Chinese Agricultural Press, 2000.7 周建民, 党志, 司徒粤, 等大宝山矿区周围土壤重金属污染分布特征研究J农业环境科学学报, 2004, 23(6): 1172-1176.ZHOU J M, DANG Z

19、, SITU YDistribution and Characteristicof Heavy Metals Contaminations in Soils from Dabaoshan Mine AreaJJournal of Agro-Enviroment Sciense, 2004, 23(6): 1172-1176.8 腾应, 黄昌勇, 龙健, 等铜尾矿污染区土壤酶活性研究J. 应用生态学报, 2003, 14(11): 1976-1980.TENG Y, HUANG C Y, LONG J, et al. Enzyme Activities in Soils Contaminated

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, 葛滢, 等. 人工湿地基质中土壤酶空

21、间分布及其与水质净化效果之间的相关性J科技通报, 2004, 20(2): 112-115.YUE C L, CHANG J, GE Y, et al. Spatial Distribution of Enzymatic Activities in Substrate of Constructed Wetland and Its Correlation with Purification of WastewaterJ. Bulletin of Science and Technology, 2004, 20(2): 112-115.11 熊浩仲, 王开运, 杨万勤川西亚高山冷杉林和白桦林土壤酶

22、活性季节动态J应用与环境生物学报, 2004, 10(4): 416-420.XIONG H Z, WANG K Y, YANG W Q. Seasonal Variations of Soil Enzyme Activities in Fir and Birch Forests in Subalpine Area of Western SiChuanJChinese Jorunal of Applied Enviroment and Biology, 2004, 10(4): 416-420.12 朱广伟, 陈英旭, 周根娣, 等运河(杭州段)沉积物中重金属分布特征及变化J中国环境科学, 2

23、001, 21(1): 65-69.ZHU G W, CHEN Y X, ZHOU G T, et al. Distibution of heavy metals in the sediments from Grand canal (Hangzhou section)J. China Eviromental Science, 2001, 21(1): 65-69.Characterization of soil enzyme activities in soils from lead-zine smelteryDONG Jun1, 2, LUAN Tian-gang1, LAN Chong-y

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