重金属污染对冶炼厂附近农田土壤微生物活性的影响

王涵

（武夷学院生态与资源工程学院，福建武夷山354300）

重金属污染对冶炼厂附近农田土壤微生物活性的影响

王涵

（武夷学院生态与资源工程学院，福建武夷山354300）

为考察重金属污染对农田土壤微生物活性的影响，调查了冶炼厂附近农田土壤重金属含量、微生物量碳（Cmic）和土壤酶活性。结果显示：农田土壤受Cu、Cd、Pb、Zn轻度或中度污染。重金属污染降低了土壤Cmic，却提高了脱氢酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶、蛋白酶、转化酶、纤维素酶和碱性磷酸酶的活性，过氧化物酶活性主要受土壤颗粒组成影响，而酸性磷酸酶主要受土壤pH值影响。

重金属；污染；土壤酶；Cmic；农田土壤

农田重金属污染不仅造成农作物减产和食品安全问题，而且改变土壤微生物群落结构及其活性，影响农田的可持续利用[1]。鉴于土壤微生物及其分泌的酶在土壤物质循环中所起的关键作用，重金属污染状况下农田土壤的健康状况必须结合生物和非生物指标进行全面的评价[2]。大量的研究显示，重金属污染抑制了微生物及土壤酶的活性，微生物指标对土壤重金属污染有指示作用。然而农田重金属污染大多属于复合污染，重金属间的协同或拮抗作用以及土壤理化因子的变化，使得重金属对农田微生物的活性影响较为复杂[3]。因此，重金属复合污染状况下，农田微生物功能变化及其作用机制值得深入探讨。为此，本文针对冶炼厂附近农田重金属污染状况和C、N、P循环相关酶活性进行了调查，分析影响微生物量和土壤酶活性的主要因素，以期为重金属污染农田的土壤健康评价和治理提供参考。

1 材料和方法

1.1 土壤样品的采集和处理

土壤样品采集自福建省龙岩地区某冶炼厂附近农田，农田主要种植叶菜类，共采集11个表层土样（≤20 cm）。土壤样品采集后储存于4℃冰箱，用于微生物活性分析。部分土壤样品风干后用于土壤理化性质和重金属含量分析。

1.2 土壤理化性质测定

采用重铬酸钾容量外加热法测定土壤有机质含量；采用电位法测定土壤pH值（水土比为1∶1）；采用沉降法测定土壤颗粒组成；采用醋酸铵法测定CEC。

1.3 土壤重金属含量分析

土壤样品采用HClO4-HNO3-HCl-HF法消解，原子吸收分光光度法（火焰或石墨炉）测定总Cu，Cd，Pb，Zn，Ni和Co总量。使用标准土壤样品作为质量控制，每批次土壤样品分析包括30%重复样品。

1.4 土壤酶活性和Cmic分析

采用比色法分别测定脱氢酶、多酚氧化酶、过氧化物酶、脲酶、转化酶纤维素酶、酸性磷酸酶和碱性磷酸酶的活性；采用滴定法测定过氧化氢酶的活性；采用氯仿熏蒸-重铬酸钾氧化法测定Cmic。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel和SPSS进行数据处理和分析，单因素方差分析进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 土壤基本理化特性和重金属含量

土壤Cu含量在29.07～203.67 mg/kg之间变化，平均值为79.18 mg/kg（表1）。大部分土壤样品的Cu含量低于我国酸性农田土壤的污染限定（GB 15618—1995），表明土壤仅受Cu轻微污染。Cd浓度于0.05～ 4.55 mg/kg之间变化，平均值为1.64 mg/kg。7个土壤样品Cd含量大于0.3 mg/kg，超过农田酸性土壤的上限，说明冶炼厂附近农田土壤被Cd严重污染。Pb浓度在68.46～767.43 mg/kg之间变化，平均值为319.64 mg/kg。4个样品的Pb浓度超过酸性农田土壤的上限。总Zn浓度在44.01～704.97 mg/kg之间，平均值为309.79 mg/kg。5个土壤样品的Zn含量均高于酸性农业土壤的极限。样品Ni含量介于1.39～22.53 mg/kg之间，平均值为11.75 mg/kg，均低于中国土壤Ⅱ类环境质量标准。Co含量位于4.77～18.29 mg/kg之间，平均值为11.81 mg/kg。CEC值在5.44～17.65 cmol/kg之间变化，平均值为11.57 cmol/kg。土壤有机质含量范围在32.10～72.50 g/kg之间，平均值为51.36 g/kg。土壤pH值范围为4.61～7.53，平均值为6.47，大都属于砂质粘壤土。

2.2 土壤Cmic含量的变化

Cmic反映土壤微生物含量，是土壤肥力参数之一。土壤样品的Cmic值介于168.00～573.82 mg/kg之间，平均值为321.53 mg/kg，不同地块之间Cmic具有统计学意义（表2）。土壤Cmic与Cu含量呈显著正相关，与Cd，Pb，Zn，Ni和Co含量显著负相关，与CEC显著正相关，与其他因子无显著相关性（表3）。总体上，重金属污染抑制了农田土壤微生物生物量。

表1 土壤样品的重金属全量、有效态和土壤基本性质Table 1 Total and available heavy metals and basic properties of soil samples

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

表3 土壤Cmic和土壤因子之间的相关系数Table 3 Correlation coefficients between Cmic and soil factors

2.3 相对土壤酶活性的变化

土壤酶与微生物代谢密切相关，反映土壤微生物群落功能。由于土壤样品间Cmic差异较大，为消除微生物量引起的酶活性偏差，采用相对土壤酶活性[4]计算，见公式（1）。

土壤酶相对活性=土壤酶活性/Cmic（1）

表3 相对土壤酶活性和土壤因子之间的相关系数Table 3 Correlation coefficients between soils enzyme comparative activities and soil factors

结果显示，脱氢酶相对活性与Ni的含量显著正相关（表3）；过氧化氢酶相对活性与Cd、Pb、Zn、Ni、Co的含量显著正相关；多酚氧化酶相对活性与Cd、Pb、 Zn、Ni、Co的含量显著正相关；过氧化物酶相对活性与土壤砂粒呈显著正相关，但与粉粒和黏粒含量呈显著负相关；蛋白酶相对活性与Cd、Zn、Ni、Co含量显著正相关；转化酶相对活性与Cd、Pb、Zn、Ni，Co含量显著正相关；纤维素酶相对活性与Cd、Zn、Ni、Co含量显著正相关；酸性磷酸酶相对活性与有机质含量和pH显著负相关；碱性磷酸酶相对活性与Cd、Pb、Zn、Ni、Co含量显著正相关。可见，大部分土壤酶活性变化与重金属含量密切相关。重金属刺激了大多数农田土壤酶活性，而对过氧化物酶、脲酶和酸性磷酸酶活性则影响不大。土壤通透性决定农田过氧化化物酶活性，而pH值则对酸性磷酸酶活性起关键作用。

3 讨论

重金属污染对土壤微生物群落影响较为深远，其效应包括微生物的数量减少、多样性降低、群落结构改变或代谢功能的变化[5]。本研究表明，冶炼厂附近农田土壤Cu、Cd、Pb、Zn大都属于轻度至中度污染状况。重金属污染虽然降低了农田微生物总量，却刺激了大部分土壤C、N、P循环相关酶的活性，少数土壤酶对重金属污染不敏感。前人的研究显示，中等程度重金属污染有增加了土壤微生物功能和遗传多样性的趋势。为应对重金属胁迫，微生物藉由生理生化过程进行解毒，由此提高了相关代谢过程的酶活性。重金属Cu、Cd、Pb或Zn间存在拮抗作用，从而减轻了毒性。农业用地一般有机质含量较高，重金属与土壤有机质或颗粒组分相结合后降低了生物有效性，进一步缓解了其毒副作用。从本研究结果来看，短期内重金属污染并未阻碍农田C、N、P等关键元素的生物地球化学循环。但长远来看，重金属污染引起的农田微生物群落结构和功能改变将影响农田的可持续利用，值得深入研究与探讨。

[1]樊霆,叶文玲,陈海燕,等.农田土壤重金属污染状况及修复技术研究[J].生态环境学报,2013,22(10):1727-1736.

[2]刘红侠,韩宝平,郝达平,等.徐州市北郊农业土壤重金属污染评价[J].中国生态农业学报,2006,14(1):159-161.

[3]谢学辉,范凤霞,袁学武,等.德兴铜矿尾矿重金属污染对土壤中微生物多样性的影响[J].微生物学通报,2012,39 (5):624-637.

[4]程曼.黄土丘陵区典型植物枯落物分解对土壤有机碳、氮转化及微生物多样性的影响[D].咸阳:西北农林科技大学, 2015:39-55.

[5]郭星亮,谷洁,陈智学,等.铜川煤矿区重金属污染对土壤微生物群落代谢和酶活性的影响[J].应用生态学报,2012, 23(3):798-806.

（责任编辑：叶丽娜）

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，Fujian 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，汉族，讲师，主要研究方向为环境微生物。