长春市土壤重金属化学形态与土壤微生物量、微生物商和代谢商之间的关系

陈薇薇,李悦铭,郭 平

(吉林大学环境与资源学院,吉林长春130012)

长春市土壤重金属化学形态与土壤微生物量、微生物商和代谢商之间的关系

陈薇薇,李悦铭,郭 平

(吉林大学环境与资源学院,吉林长春130012)

通过样品采集和室内分析相结合的方法研究了长春市城市土壤重金属化学形态与土壤微生物量、微生物商和代谢商之间的关系,以及土壤理化性质对重金属形态与土壤微生物量、微生物商和代谢商之间关系的影响.实验结果表明:城市土壤环境的空间异质性是引起城市土壤微生物参数的空间分异性的主要原因.长春市土壤重金属(Pb、Cd、Cu、Zn和Ni)不同的化学形态对土壤微生物量、微生物商和代谢商的影响明显不同,且土壤理化性质对它们之间关系的影响比较显著.采用重金属化学形态与微生物学指标相结合的方法评价长春市土壤重金属污染状况时,应该剔除土壤理化性质的影响.可以选择碳氮比与有机结合态Ni含量相结合的方法评价长春市土壤重金属污染状况或者确定重金属污染的临界浓度.

重金属化学形态;城市土壤;微生物量;微生物商;代谢商;碳氮比

城市土壤是城市生态系统的重要组成部分,是城市园林植物生长的介质和养分的供应者;是人们休息、娱乐的场所;是城市污染物的源和汇;它关系到城市生态环境质量和人类健康[1].城市化进程的加速发展导致大量的工业“三废”等有毒有害物质直接进入到城市土壤中,或通过大气和水体再进入到土壤中,造成城市土壤的重金属污染.重金属难降解、易积累、毒性大,它所造成的污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性等特点[2],这不仅破坏了城市土壤的生态环境而且还影响了城市居民的身体健康,制约了城市的可持续化发展.目前,国内外通常采用重金属全量及其与土壤微生物参数之间的关系来评价土壤重金属污染状况[3-5].研究表明,土壤微生物参数能够反映土壤类型、土壤理化性质和土壤污染状况等土壤综合状况[6].其中,微生物量、微生物商和代谢商对气候、人为活动、重金属污染等外界条件的反应比较敏感,是用来评价土壤重金属污染生态系统功能变化的重要微生物学参数[7].在土壤重金属污染胁迫下,这些微生物学参数的变化不仅受到重金属全量的影响,而且一定程度上取决于重金属的化学形态[8-10],因为重金属化学形态与重金属的生物有效性密切相关,能够直接反映重金属对土壤微生物的毒性效应和对土壤生态系统的潜在危害程度[11].因此,本论文以长春市土壤为对象,系统研究了长春市城市土壤微生物参数的特征及其空间异质性,利用偏相关分析方法研究了土壤重金属及其化学形态与土壤微生物参数之间的相关性,旨在揭示土壤重金属化学形态与土壤微生物量、微生物商和代谢商之间的本质关系,为土壤环境质量评价和生态风险评价及重金属污染下城市土壤的防治提供理论依据.

1 材料与方法

土壤样品采集、处理和土壤理化性质测定方法参见文献[12].

1.1 土壤微生物量碳、氮和磷的测定

土壤微生物量碳、氮和磷的含量均采用氯仿熏蒸法进行测定[13].采用岛津 TOC-Vcph型总有机碳分析仪测定提取液中碳的含量;采用分光光度法测定提取液中的氮和磷的含量.

1.2 土壤重金属化学形态提取及其含量测定

采用改进的Tessier连续萃取方法提取土壤中各重金属的交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化结合态、有机结合态和残渣态[14-15].采用 HNO3-HCl-HClO4消化法对残渣态中的重金属Pb、Cd、Cu、Zn和Ni进行消化,然后采用原子吸收分光光度法测定土壤中各种重金属及其各化学形态的含量.重金属各化学形态含量与分布情况见表1.

表1 土壤重金属化学形态含量与分布 mg/kg

1.3 数据统计与分析方法

实验数据主要采用Microsoft 2003和SPSS 11.5软件包中的相关分析、偏相关分析和逐步回归统计方法研究变量之间的关系.

2 结果与讨论

2.1 土壤微生物量、微生物商和代谢商及其空间分异性

城市土壤微生物量和活性状况如表2所示.由表2可知,城市土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物量磷的平均含量分别为82.89,13.33和2.87 mg/kg.其中微生物量碳含量约为微生物量磷含量的40倍;碳氮比的平均值为9.09,微生物商的平均值为0.49,前者约为后者的38倍;代谢商平均值为0.24 h-1.

表2 城市及各功能区土壤微生物量及其活性

同一微生物学指标在不同功能区明显不同.微生物量碳在广场土壤中含量最高,可达129.12 mg/ kg;其次是在公园土壤中,平均含量为118.89 mg/kg;农用耕地、开发区和工业区土壤中含量相近.微生物量氮在农业土壤中的平均含量最高(24.60 mg/kg),在其他各功能区大小顺序依次是广场、公园、开发区和工业区.微生物量磷在广场土壤中平均含量最高,为4.42 mg/kg,在工业区土壤中平均含量最低(0.55 mg/kg).通过比较各功能区土壤中微生物量碳、氮和磷的数值发现,工业区土壤中微生物量最低,这表明工业活动严重破坏了城市土壤微生物的生命活动,大大降低了其繁殖能力.碳氮比在各功能区的分布情况为:工业区>广场>公园>开发区>农用耕地,表明碳氮比随着城市化的不断发展呈增大趋势.微生物商在广场土壤中最大(0.55),其次为公园土壤(0.47),在农用耕地土壤中该数值最低(0.27).

工业区土壤中代谢商的数值均大于其他土壤功能区的代谢商值,平均值达到0.64 h-1,显示出城市中心地带土壤中代谢商数值高于城市边缘区土壤,说明城市环境胁迫导致其微生物代谢能力发生了明显改变,从而产生高水平、不稳定的微生物活动[16].

2.2 土壤微生物量、微生物商和代谢商与重金属化学形态之间的关系

土壤中的微生物对重金属污染具有极高的敏感性,重金属污染能明显影响土壤微生物生物量、微生物商和代谢商等微生物学参数,这与土壤中重金属的生物有效性密切相关.然而,重金属的生物有效性受重金属化学形态的影响,其中交换态重金属生物有效性最强,残渣态重金属性质稳定,不能被微生物利用.所以本论文分析了土壤微生物量、微生物商和代谢商与重金属化学形态之间的相关性,实验结果列于表3.

由表3可知,在本实验所获得的重金属各化学形态、浓度范围内,各重金属化学形态对土壤微生物量、微生物商和代谢商的影响方向和影响强度明显不同.碳酸盐结合态Pb含量与微生物量碳呈显著正相关.交换态的Cd与微生物量氮呈显著正相关,说明交换态Cd促进了微生物的生长和繁殖,这也是土壤阳离子交换量(CEC)[12]与微生物量氮呈显著正相关的原因(r=0.3424＊>R0.05).有机结合态Cd与土壤微生物量碳呈显著正相关.土壤Ni各化学形态对微生物生物量、微生物商和代谢商的影响比较大,交换态Ni与微生物量碳、微生物量氮均呈显著正相关,与微生物商呈显著正相关,与代谢商呈显著负相关;碳酸盐结合态Ni的含量与微生物量碳呈显著正相关;有机结合态Ni的含量与碳氮比呈显著负相关.非残渣态Ni含量与微生物量碳、微生物量氮呈显著正相关,与代谢商呈显著负相关.综合上述结果,初步推测可以采用本实验获得浓度范围内的交换态Ni含量(0～7.27 mg/kg)与代谢商、有机结合态Ni含量(0.66～8.00 mg/kg)与碳氮比、非残渣态Ni(1.18～21.87 mg/kg)含量与代谢商之间的相关性相结合的方法来评价城市土壤受重金属Ni污染的状况.

2.3 土壤理化性质对重金属形态与土壤微生物量、微生物商和代谢商之间关系的影响

土壤微生物量、微生物商和代谢商的变化能在一定程度上综合反映土壤整体状况的变化.土壤理化性质和重金属对土壤微生物量、微生物商和代谢商均产生重要影响,并且土壤理化性质对重金属与土壤微生物学参数之间的关系也会产生影响.土壤有机质含量、p H值及土壤含水率等通常是土壤微生物参数大小的主要控制因素[17-18],而且土壤黏粒、铁铝氧化物含量和氧化还原电位等性质也会改变重金属对土壤微生物参数的影响.为了揭示土壤理化性质对土壤重金属化学形态与土壤微生物量、微生物商及代谢商之间关系的影响,本论文采用偏相关分析的方法进行研究.此方法是通过比较在控制因素存在的条件下,重金属化学形态与微生物参数之间的相关程度获得的.因此,确定控制因素是偏相关方法的关键环节.

通常控制因素是选择对微生物学参数产生影响的主要土壤理化性质.采用逐步回归统计方法建立方程来确定影响土壤微生物参数的主要理化性质,结果列于表4.由表4可知,有机质含量是影响微生物量碳和代谢商的主要因素,但影响的方向和强度不同.土壤p H是影响微生物量氮的主要因素.

表3 土壤微生物参数与重金属化学形态的相关性(r)与偏相关性(R)

表4 土壤微生物活性与土壤理化性质逐步回归方程

土壤微生物量、微生物商和代谢商与土壤重金属各化学形态之间的偏相关分析结果见表3.由表3可知,与无控制因素相比,在控制因素作用下的土壤重金属化学形态对土壤微生物量、微生物商和代谢商影响均发生了变化.除了碳酸盐结合态Pb含量与代谢商相关系数以及有机结合态Ni含量与微生物商的相关系数(相关系数的绝对值)升高外,其他变量间的偏相关系数均下降.说明控制因素抑制或掩盖了实验所获得的浓度范围内的碳酸盐结合态 Pb(1.58～55.44 mg/kg)和有机结合态Ni(0.66～8.00 mg/kg)对微生物代谢功能的抑制作用,而其他控制因素对重金属各化学形态与微生物参数关系均有不同程度的协同放大作用.

从表3可见,与无控制因素相比,交换态Cd对微生物量氮的偏相关系数下降了0.1381,达到不显著水平.有机结合态Cd与微生物量碳的偏相关系数下降了0.0388,且偏相关系数达到显著水平,可见土壤有机物对有机结合态Cd刺激微生物生长繁殖的协同放大作用并不大,主要是有机结合态Cd刺激了土壤微生物的生长繁殖.

与相关系数相比,交换态Ni与微生物量碳、微生物量氮、碳氮比和代谢商的偏相关系数均有所减少,分别减少了0.0742,0.0699,0.0275,0.0923,且与碳氮比和代谢商的偏相关系数达到不显著水平.与相关系数相比,碳酸盐结合态Ni与微生物量碳偏相关系数减少了0.0126;有机结合态Ni与碳氮比的偏相关系数减少了0.0733;非残渣态Ni的含量与微生物量碳、代谢商的偏相关系数变化较大,分别减少了0.1625,0.1332,但均不显著,其与微生物量氮的偏相关系数减少了0.0734.可见控制因素掩盖了重金属化学形态对微生物量、微生物商及代谢商的影响,所以采用微生物学指标评价土壤重金属污染状况时,剔除掉土壤理化性质对微生物指标的影响是十分必要的.综合上述结果,可以采用碳氮比与有机结合态Ni(0.66～8.00 mg/kg)含量相结合的方法来评价土壤重金属污染状况或者确定重金属污染的临界浓度.由此可见,利用重金属化学形态与微生物学指标相结合评价土壤重金属污染程度和状况比利用重金属含量与微生物学指标结合更加合理.

3 结论

(1)长春市土壤环境的空间异质性是引起城市土壤微生物参数的空间分异性的主要因素.

(2)城市土壤的各理化性质对土壤微生物学参数产生的影响程度和方向均不同,而且对城市土壤微生物学和重金属之间的关系具有协同放大或者抑制掩盖作用,因此,在评价土壤重金属污染状况和受重金属污染程度时需要剔除土壤理化性质对土壤微生物参数的影响.

(3)可以采用碳氮比与有机结合态Ni含量相结合的方法来评价长春市土壤重金属Ni污染状况.

[1] 卢瑛,龚子同,张甘霖.南京城市土壤特性及其分类的初步研究[J].土壤,2001,33(1):47-51.

[2] 史宇,何玉科.重金属污染环境的植物修复及其分子机制[J].植物生理与分子生物学学报,2003,29(4):267-274.

[3] 程东祥,张玉川,马晓凡,等.长春市土壤重金属化学形态与土壤微生物群落结构的关系[J].生态环境学报,2009,18(4): 1279-1285.

[4] 蒋先军,骆永明,赵其国,等.重金属污染土壤的微生物学评价[J].土壤,2000,32(3):130-134.

[5] 施晓东,常学秀.重金属污染土壤的微生物相应[J].生态环境,2003,12(4):498-500.

[6] BROOKES P C.The use of microbial parameters in monitoring soil pollution by heavy metals[J].Biology and Fertility of Soils, 1995,19:269-279.

[7] 龙健,黄昌勇,滕应,等.矿区重金属对土壤环境质量微生物学指标的影响[J].农业环境科学学报,2003,22(1):60-63.

[8] MORTON-BERMEA O,HERNANDEZ-ALVREZE E,GONZALEZ-HERNANDEZ G,et al.Assessment of heavy metal pollution in urban top soils from the metropolitan area of Mexico City[J].Journal of Geochemical Exploration,2009,10(3): 218-224.

[9] 李鱼,郭霖,黎娜,等.表层沉积物中重金属形态与酶活性的相关性[J].吉林大学学报:理学版,2009,47(3):628-633.

[10] 俞慎,何振立,黄昌勇,等.重金属胁迫下土壤微生物和微生物过程研究进展[J].应用生态学报,2003,14(4):618-622.

[11] 雷鸣,廖柏寒,秦普丰,等.土壤重金属化学形态的生物可利用性评价[J].生态环境,2007,16(5):1551-1556.

[12] 程东详,王婷婷,包国章,等.长春市土壤酶活性及其影响因素[J].东北师大学报:自然科学版,2010,42(2):137-142.

[13] 中国科学院南京土壤研究所.土壤微生物研究法[M].北京:科学出版社,1985.

[14] TESSIER A.CAMPBELL P G C,BLSSON M.Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals [J].Analytical Chemistry,1979,51:844-851.

[15] 李鱼,王晓丽,张正,等.表层沉积物(生物膜)非残渣态组分的选择性萃取分离及其吸附铜/锌的特性[J].高等学校化学学报, 2006,27(12):2285-2290.

[16] BEYER L,SIELING K,PINGPANK K.The impact of a low humus level in arable soils on microbial properties,soil organic matter quality and crop yield[J].Biology and Fertility of Soils,1999,28(2):156-161.

[17] 杨元根,PATERSON E,CAMPBELL C,等.苏格兰阿伯丁城市土壤的微生物特性研究[J].矿物学报,2000,20(4):342-348.

[18] 段学军,盛清涛.土壤重金属污染的微生物生态效应[J].中原工学院学报,2005,16(1):1-4.

(责任编辑:方 林)

Relationships between the chemical forms of heavy metals and the microbial biomass,microbial quotient,metabolic quotient of soils in Changchun City

CHEN Wei-wei,LI Yue-ming,GUO Ping
(College of Environment and Resource,Jilin University,Changchun 130012,China)

The relationships between chemical forms of heavy metals and the microbial biomass, microbial quotient,metabolic quotient of Changchun urban soils,as well as the effects of the physicochemical properties of soils on their relationships were investigated by the methods of sample collection and laboratory analysis in this work.The experimental results indicated that the spatial heterogeneities ofthesoilmicrobiologicalparametersweremainlyresulted fromthespatial heterogeneities of the urban soil environment.The different chemical forms of heavy metals(Pb,Cd, Cu,Zn and Ni)had different impacts on the microbial biomass,microbial quotient,metabolic quotient of soils.The relationships between chemical forms of heavy metals and the microbial biomass, microbial quotient,metabolic quotient of soils were influenced by the physicochemical properties of soils obviously,and the effects of chemical forms ofheavy metals on the soil microbiological parameters were amplified or concealed by the soil organic matter content and p H,etc..It will be more suitable for assessing the contamination of heavy metals by combining the chemical forms of heavy metals with the microbiological parameters.Besides,the effects of soil physicochemical properties should be eliminated when establishing the evaluation indexes for heavy metals in Changchun urban soils.The combination of the microbial quotient and the content of organic-bond Ni can be adopted to assess the contamination of heavy metals in soils and determine the critical concentration of heavy metals pollution.

chemical forms of heavy metals;urban soil;microbial biomass;microbial quotient;metabolic quotient;carbon nitrogen ratio

X 833[学科代码]610·2030

A

1000-1832(2010)04-0144-06

2010-07-12

博士后专项基金资助项目(20060490900);国家自然科学基金资助项目(30570269).

陈薇薇(1982—),女,博士研究生,主要从事环境污染控制和治理研究;通讯作者:郭平(1972—),女,博士,副教授,主要从事污染生态、污染环境修复研究.