基于土壤酶总体活性评价铅锌尾矿砂坍塌区土壤重金属污染

2014-02-27李强胡清菁张超兰靳振江曹建华

生态环境学报 2014年11期

李强，胡清菁,，张超兰，靳振江，曹建华

1. 国土资源部广西岩溶动力学重点实验室，中国地质科学院岩溶地质研究所，广西桂林 541004；2. 广西大学环境学院，广西南宁 530004；3. 桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林 541004

李强1，胡清菁1,2，张超兰2，靳振江3，曹建华1

为探讨利用土壤酶总体活性表征铅锌尾矿砂造成的土壤重金属污染程度，本文对阳朔思的村水稻田、柑橘园和玉米地土壤中铅、锌、铜、镉的有效态质量分数以及参与土壤碳、氮、磷循环的纤维素酶、蔗糖酶、脲酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性进行了测定。结果表明：供试土壤中镉、铅、锌的有效态质量分数(分别为2.39～4.42、173.71～221.66、140.11～244.10 mg·kg-1)均高于其全量在GB15618-1995《土壤环境质量标准》中的Ⅱ级标准，分别是Ⅱ级标准值的9.56～14.73、2.18～2.77、0.77～1.22倍，并且土壤中有效态镉带来的潜在生态风险最高。为进一步评价铅锌尾矿砂给不同土地利用类型土壤带来的生态环境风险，在对土壤重金属有效态质量分数进行归一化处理后，发现土壤重金属污染程度从高到低依次为水稻田、柑橘园、玉米地。由于土壤中的重金属复合污染物铅、锌、铜、镉对土壤酶活性的影响既有抑制作用，又有激活作用，因此不同土地利用类型下的单一土壤酶活性状态与土壤所遭受的重金属污染程度呈现出不一致的变化规律。而以土壤总体酶活性指数对各样本进行分类，发现水稻田、柑橘园、玉米地的土壤总体酶活性指数分别为4.345、5.153、5.502，其结果与以重金属有效态归一化处理之后获得的综合污染指数划分结果呈反比，从而说明利用土壤总体酶活性指数来表征不同土地利用类型下的土壤重金属综合污染状况是切实有效的。

铅锌尾矿砂；归一化的重金属有效态；土地利用方式；总体酶活性指数

尾砂坝坍塌是一种较常见的事故，但由于尾矿砂的大量迁移和扩散，因而其对下游造成的生态环境问题逐渐成为人们关注的焦点（Li等，2005；周振民和李香园，2012）。翟丽梅等（2008）研究了广西环江铅锌矿尾砂坝坍区农田土壤不同层位的重金属分布特征，李强等（2014a，b）在研究阳朔思的村土壤中的重金属铅、锌、铜全量与土壤性质之间的关系时，发现铅锌尾矿砂坝坍塌造成该区重金属面源污染时空分异显著，并对土壤酶产生不同的作用效果，然而以上研究均未利用土壤酶评价铅锌尾矿砂在不同土地利用类型下产生的环境风险。

土壤酶是土壤的组成成分之一，由土壤微生物生命活动和植物根系产生，不但在土壤物质循环和能量转化过程中起主要的催化作用，而且通过它对进入土壤的多种无机或有机物质产生的生命化学转化，进而保持土壤生物化学的相对稳衡状态（Salam等，1998；Badiane等，2001；周礼恺，1987），因此土壤酶活性成为土壤肥力以及自净能力的重要评价指标。土壤作为一个复杂的多相体系，土壤重金属离子对土壤酶活性产生抑制或激活作用不同，尽管单一酶活性可提供一些重要信息，但也仅能反映其中部分信息，无法涵盖全部或整体酶活性信息。因此，本文在获取阳朔思的村不同土地利用类型农田土壤铅（Pb）、锌（Zn）、铜（Cu）、镉（Cd）有效态质量分数数据的基础上，利用土壤总体酶活性指数评价铅锌尾矿砂对不同类型农田造成的污染差异，以期为土壤污染控制和污染土地修复提供科学依据。

1 研究区概况

思的村位于广西阳朔县东北峰林平原上（E 110°33′，N 24°58′），平均海拔150 m，年平均温度28.5 ℃，年均降雨量1000～2000 mm。坐落于思的村东北方向的老厂铅锌矿自20世纪50年代进行开采，并于1958年在采矿坑口建立小型浮选厂进行选矿生产（覃朝科等，2005）。20世纪70年代的一次强降雨导致尾矿砂坝坍塌，尾矿砂沿河谷泻入思的村，造成大面积农田污染，随后当地农民陆续将淤积的尾矿砂深翻、平整，种植水稻、玉米、柑橘等作物。

2 样品采集与分析

2.1 土壤样品的采集

本研究将受到污染的农田划分为33个1 m×1 m样方，样品采自0～20 cm的表层土，每个样方随机采集3个相邻的等量样本，田间均匀混合为1个土样，其中玉米地12个，水稻田12个，柑橘园9个。

2.2 样品分析

土样带回实验室，一部分经风干、混匀后，过100目筛，供土壤重金属有效态和pH分析，一部分土样放入-4 ℃冰箱中保存用于土壤酶分析。

土壤pH值的测定采用无CO2蒸馏水作为浸提剂，按照土水1∶0.5的比例混匀后用METTLER TOLEDO S220 pH计测定（毕桂英和马新民，1998）。

土壤重金属有效态采用DTPA浸提-火焰原子吸收光谱法测定（国家环境保护局和国家技术监督局，1997a，b；国家环境保护总局，2004）。

土壤酶活性的测定参考关松荫（1986）的方法，其中蔗糖酶采用3,5−二硝基水杨酸比色法，活性用24 h后每克干土中葡萄糖的毫克数表示；纤维素酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法，活性用72 h后每克干土中葡萄糖的毫克数表示；脲酶采用苯酚−次氯酸钠比色法，活性用24 h后每克干土中铵态氮的毫克数表示；土壤蛋白酶活性采用茚三酮比色法测定，活性以培养24 h后每克干土中氨基酸的毫克数表示；酸性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法，活性用2 h后每克干土中苯酚的毫克数表示。

2.3 数据处理与分析

为消除重金属有效态含量在样本之间的差异，用多属性决策法对4种重金属有效态的质量分数分别进行归一化处理（靳振江等，2013）。具体方法是：首先将所有样本的3个重复值分别进行归一化，得到单个样本归一化值，计算公式为：

为全面揭示不同土地利用方式下土壤酶活性的变化规律，本文在所测定土壤酶活性的基础上，采用加权和法计算土壤酶活性指数Et（Total enzyme activity index）（Li等，2014）。整个供试土样酶活性的平均值为参比，分别计算各土样酶活性的相对值，然后累加即为各土样的酶活性指标：

其中，Xi为供试样品第i种酶活性实测值，X为同种酶活性平均值。

采用SPSS 18.0统计软件对重金属有效态与土壤酶活性进行相关分析，相关检验为spearman相关。

3 结果与讨论

3.1 土地利用类型对重金属有效态的影响

重金属在土壤中的形态分为水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残留态等，其中水溶态、离子交换态统称为有效态（雷鸣等，2005）。土壤中有效态的重金属元素易于转化和迁移，最容易被农作物吸收利用而进入食物链，从而其带来的生物有效性及环境风险程度最高（滕曼和付强，2009）。任丽敏等（2013）曾利用湖底沉积物中的重金属有效态评价其带来的生态风险。季辉等（2013）对高速公路沿线农田土壤重金属总量和有效态含量的空间分布特征开展了初步研究，然而由于重金属有效态的测定没有统一的国标方法，加之尾矿砂分布不均、土地利用存在差异，造成土壤中有效重金属含量存在较大差异（李强等，2014），因而仅用有统一国标方法的重金属全量来评价土壤质量不能为农业生产提供全面的参考。由于土壤中重金属有效态质量分数与土壤类型、pH、土壤质地和土地利用类型密切相关，因此为消除因铅锌尾矿砂在土壤分布不均而造成的样本差异，本文利用重金属有效态的归一化结果来探讨其在不同土地利用类型中的变化规律。

根据国家环境保护总局GB15618-1995（1995）土壤环境质量标准，旱地和水稻田土壤属于Ⅱ类土壤，应该执行二级标准。通过表1和表2可以看出，有效态Pb的质量分数最高值为221.66 mg·kg-1，是土壤环境质量标准值的2.77倍，有效态Pb的质量分数由高到低依次为水稻田＞玉米地＞柑橘园；土壤重金属有效态Zn的质量分数最大值高达244.10 mg·kg-1，是土壤环境质量标准值的1.22倍，有效态Zn的质量分数由高到低依次为水稻田＞柑橘园＞玉米地；土壤重金属有效态Cu的质量分数最大值高达27.19 mg·kg-1，是土壤环境质量标准值的0.54倍，有效态Cu的质量分数由高到低依次为玉米地＞水稻田＞柑橘园；土壤重金属有效态Cd的质量分数最大值高达4.42 mg·kg-1，是土壤环境质量标准值的14.73倍，有效态Cd的质量分数由高到低依次为水稻田＞柑橘园＞玉米地。重金属有效量严重影响农产品中重金属的积累，并通过食物链严重危害人体健康，因此根据土壤中Pb、Zn、Cu、Cd有效态质量分数可以看出铅锌尾矿砂对农田土壤造成严重的生态危害。此外，由于Cd2+半径（0.97Å）和Ca2+半径（0.99Å）相近，Cd2+易替换碳酸盐矿物中的Ca2+、Mg2+（Wu等，2011），导致Cd具有较强的地球化学活性和潜在生态风险，因而Cd在该区造成的环境风险最高。

表1 土壤重金属有效态及其归一化结果Table 1 The contents for soil available heavy metals of Pb、Zn、Cu、Cd and their normalized results

表2 土壤环境质量二级标准Table 2 Secondary standard of soil environmental quality

土壤pH值是直接影响土壤中重金属元素存在形态、有效性及迁移转化情况的重要因子（Elzahabi和Yong，2001）。通过表1可以看出，土壤pH均值由高到低依次为水稻田＞柑橘园＞玉米地，并与归一化的铅锌铜镉结果在上述3种土地利用类型中的变化规律一致。土壤中的铅锌尾矿砂具有一定的酸化潜力，其酸化物质源于废弃物中硫化物（主要是黄铁矿）暴露于空气中，硫化物被水和氧气在细菌的催化下氧化，产生大量的酸（Ehrlich，1996），造成pH值通常低于2.3。然而，由于思的村坐落在峰林平原上，土壤富含碳酸盐岩。碳酸盐岩除了对酸具有缓冲作用能力，提高土壤pH值外，还能在一定程度上抑制尾矿砂释放重金属的速率。水稻田土壤在淹水状态下，由于氧的供给被切断，土壤中原有的氧气因微生物呼吸而很快被消耗殆尽，至使土壤从氧化状态转变为还原状态，土壤的氧化还原电位（Eh）值下降，pH升高，造成土壤中高价位的Cu2+，Zn3+，Pb4+等离子作为电子受体而被还原为低价位的Cu+，Zn2+，Pb2+等物质（Samanta和Jena，2012)，因而在3种土地利用类型中，水稻田的pH最高，受重金属污染程度最高。考虑到柑橘园和玉米地均属旱地类型，尽管其pH存在一定的差异，但对其重金属有效态质量分数归一化处理后发现这2种土地利用类型所遭受的重金属污染程度相差不大。研究结果表明：耕作过程中的水分管理可改变土壤微环境（Ehrlich，1996），土壤pH值产生一定的差异，进而改变重金属由难溶态向有效态转化的速率，并在不同土地利用类型的土壤产生相应的化学活性和生态环境风险。

3.2 重金属有效态与土壤酶活性关系

土壤酶参与了土壤中发生的所有生化反应，推动了营养物质碳、氮、磷和其他元素循环转化、能量代谢和污染物质净化等，并成为土壤生态系统的核心（Angle等，2003；Caldwell，2005；Tabatabai等，2002）。纤维素酶和蔗糖酶是参与土壤有机碳循环的酶，其活性反映了土壤有机碳累积与分解转化的规律。脲酶和蛋白酶活性的提高有利于土壤有机态氮向有效氮的转化，提高土壤氮素供应水平。磷酸酶是土壤有机磷转化为无机磷的作用酶类，可提高土壤中有效磷的含量。由于重金属参与土壤中生物化学反应，因而对土壤酶有一定的激活或抑制效应。重金属对酶的作用，主要表现重金属与构成酶的蛋白质分子的作用，分为3种类型：（1）重金属离子以酶的辅基形式参与反应，促进酶活性部位与底物进行配位结合，提高酶的活性；（2）重金属离子占据酶的活性中心，与土壤酶分子的巯基、胺基和羧基等基团结合，破坏酶的结构，阻碍酶参与化学反应，抑制酶的活性；（3）重金属与土壤酶不存在专一性对应关系，酶活性不发生改变（聂静茹等，2013）。土壤中的Pb、Zn、Cu、Cd有效态质量分数与土壤酶活性的相关分析结果表明：酸性磷酸酶活性与复合污染物中的Cd、Zn之间均呈显著的负相关关系；蔗糖酶活性与复合污染物中的Pb呈显著的负相关关系；蛋白酶与复合污染物中的Zn呈显著的正相关关系（表3），因而复合污染物中的Pb、Zn、Cu、Cd对土壤酶活性的影响既有抑制作用，又有激活作用。由于不同种类的酶活性在土壤中参与的生化反应作用不同，造成土壤酶活性与重金属污染物之间的相关性存在着一定的差异，该研究结果与杨志新等（2001）通过模拟实验获取的Cd、Zn、Pb复合污染对土壤酶活性的影响情况相一致。

表3 土壤因子之间的相关系数Table 3 Correlation coefficients for soil factors in Sidi village

3.3 土地利用类型对土壤酶活性的影响

国内外众多学者曾采用土壤酶活性评价土壤重金属污染。譬如：前苏联学者提出蔗糖酶活性可作为土壤重金属污染的评价指标（Grigoryan和Galstyan，1979）；磷酸酶活性可用作褐色森林生草土壤重金属污染的评价指标（Grigoryan和Galstyan，1986）；脲酶和转化酶活性可作为土壤重金属污染的预测指标（Alkorta等，2003）。然而由于土壤中可测定的酶种类约有60种（Nannipieri等，1992），单一酶活性尽管可提供一些重要信息，但也仅能反映其中部分信息，而无法涵盖全部或整体酶活性信息。为此，一些学者采用主成分、聚类等分析来寻找这么一个总体酶活性指标，获得了土壤酶信息系统，效果较好，但计算繁杂抽象，难以广泛应用（李博文等，2006），因而在对土壤酶研究的基础上，我们利用土壤总体酶活性指标Et来表征不同土地利用类型所遭受的重金属污染情况（Li等，2014）。

参与土壤有机碳循环的纤维素酶和蔗糖酶的活性指数在遭受重金属污染程度最高的水稻田最低，这是因为在重金属复合污染物的抑制作用下，纤维素酶和蔗糖酶的活性降低，水稻田中的碳循环过程严重受阻，在表观上产生水稻田促进土壤有机碳积累的假象（水稻田、柑橘园、玉米地有机碳质量分数分别为18.14、14.43和13.72 g·kg-1）（胡清菁等，2014）；参与磷循环的酸性磷酸酶活性指数在土壤重金属复合污染物的抑制作用下表现出水稻田最低、玉米地最高的现象；参与土壤氮循环的脲酶和蛋白酶的活性指数在3种土地利用类型中表现出截然相反的变化趋势（表4）。通过表4可以看出利用单一酶的活性指数难以表征不同类型土壤所遭受的铅锌尾矿砂污染状况。而通过计算土壤总体酶活性指数，可以看出在3种土地利用类型中，总体酶活性指数表现为：玉米地＞柑橘园＞水稻田，并且与其遭受的重金属污染程度呈反比（图1）。由于柑橘园和玉米地中的土壤重金属有效态质量分数归一化结果相差不大，因而其土壤总体酶活性指数也呈现出差别性不大的结果。水稻田中总体酶活性指数最低是因为重金属污染较为严重，酶活性受高浓度重金属污染抑制有关。因此，利用参与土壤碳、氮、磷循环的蔗糖酶、纤维素酶、脲酶、蛋白酶与酸性磷酸酶构成一个综合的评价体系，可以定量评价铅锌尾矿砂对不同土地利用类型土壤产生的污染差异。

图1 归一化的土壤重金属有效态与土壤酶总体活性指数的关系Fig. 1 The relationship between normalized soil available heavy metals and total enzyme activity index

表4 不同土地利用类型下总体酶活性指数Table 4 The total enzyme activity index in different land use types

4 结论

（1）铅锌尾矿砂向环境释放重金属是一个持续而缓慢的动态过程，因此根据其重金属有效态结果，认为阳朔思的村土壤受到不同程度的Cu、Cd、Zn、Pb污染，其中Cd带来的环境风险最为严重。因此应加强铅锌尾矿砂污染区重金属释放迁移状况的监测，降低其生态危害。

（2）不同种类的土壤酶所参与的生化反应作用不同，受复合污染物中Pb、Zn、Cu、Cd既有抑制作用，又有激活作用的影响，该区土壤酶活性与重金属污染物之间的相关性存在着一定的差异。

（3）土壤总体酶活性指数能较好地反映不同土地利用类型下土壤遭受的铅锌尾矿砂污染状况，从而证明将土壤总体酶活性指数作为判别矿区重金属复合污染程度的主要生化指标是切实可行的。

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Assessment on Heavy Metals in the Pb-Zn Mine Tailing Dam Collapse Area Based on Total Enzyme Activity Index

LI Qiang1, HU Qiangjing1,2, ZHANG Chaolan2, JIN Zhenjiang3, CAO Jianhua1

1. Key Laboratory of Karst Dynamics, MLR & Guangxi, Institute of Karst Geology, CAGS, Guilin 541004, China; 2. School of Environment, Guangxi University, Nanning 530004, China; 3. Environmental Science and Engineering College, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China

To understand the influence from the compound pollution of Pb, Zn, Cu and Cd on soil enzyme activities (soil invertase, cellulose, urease, protease and acid phosphatase) in the Pb-Zn tailing dam collapse area, soil samples from different land-use types (paddy field, orange field and corn field) were collected in Sidi village, Guangxi Zhuang Autonomous Region, SW China. Based on the analysis of soil available heavy metals of Pb, Zn, Cu, Cd, the results show that in the top soil, the contents from soil available heavy metals of Cd, Pb and Zn are 2.39～4.42 mg·kg-1, 173.71～221.66 mg·kg-1and 140.11～244.10 mg·kg-1, which are 9.56～14.73, 2.18～2.77 and 0.77～1.22 times higher than those stipulated in the State Environmental Quality Standard for Soils (GB 15618-1995), respectively. Moreover, the above extraction experimental results prove the fact that Cd is the main ecology factor in this area. According to the normalized overall soil available heavy metals, the potential environmental risk caused by the compound pollution of Pb, Zn, Cu and Cd on soil indicated that the potential ecology risk of surface soil from Pb-Zn tailing sand was paddy field ＞orange field ＞corn field. Due to the complex relationship between the compound pollution of Pb, Zn, Cu, Cd and the soil enzyme activities, signal enzyme activity index can not reflect the pollution condition. When the total enzyme activity index is calculated, it is found the total enzyme activity indices in corn field, orange field and paddy field are 4.345, 5.153 and 5.502, respectively and there is a negative sequence between the total enzyme activity indices and the heavy metal combined pollution indices in the tested soils. Therefore, the research proves that the simple total enzyme activity index can be as a biochemical indicator in the heavy metal pollution soil.

land-use type; normalized soil available heavy metals; Pb-Zn mine tailing sand; total enzyme activity index

X53；S718

1674-5906（2014）11-1839-06

李强，胡清菁，张超兰，靳振江，曹建华. 基于土壤酶总体活性评价铅锌尾矿砂坍塌区土壤重金属污染[J]. 生态环境学报, 2014, 23(11): 1839-1844.

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国家自然科学基金项目（41003038；41361054）；广西自然科学基金项目（2014GXNSFCA118012；桂科合14123001-13；2011GXNSFD018002；2011GXNSFA018006；2010GXNSFB013004）；桂林科学研究与技术开发计划（20140122-1）；国土资源部公益性行业科研专项项目（201211086-05）

李强(1978年生)，男，副研究员，博士，主要从事岩溶生物地球化学研究。E-mail:glqiangli@163.com

2014-09-18