Cd污染对3种类型土壤酶活性及Cd形态分布的影响

王巧红 ，董金霞 ，张 君 ，杨万勤 ，张 健 ，陈良华 *

（1.四川水利职业技术学院，四川都江堰 611231；2.四川农业大学生态林业研究所，成都 611130；3.长江上游生态安全协同创新中心，成都 611130；4.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 611130；）

Cd污染对3种类型土壤酶活性及Cd形态分布的影响

王巧红1，董金霞2，3，张 君4，杨万勤2，3，张 健2，3，陈良华2，3*

（1.四川水利职业技术学院，四川都江堰 611231；2.四川农业大学生态林业研究所，成都 611130；3.长江上游生态安全协同创新中心，成都 611130；4.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 611130；）

【目的】认识3种类型土壤酶活性对Cd污染的响应特征，以及Cd形态分布受土壤类型的影响。【方法】采用室内培养的方法，向紫色土、冲积土和黄壤中添加1、20、50 mg/kg外源Cd模拟不同程度镉污染，测定土壤关键酶活性及Cd的形态分布特征；【结果】Cd污染均抑制了3种土壤的蔗糖酶活性，伴随污染的加剧，抑制作用更显著，尤其是冲积土；Cd污染对冲积土脲酶活性有显著的激活作用；3种土壤的酸性磷酸酶对Cd污染的响应表现出“低促高抑的效应”；随土壤中Cd2+浓度的增大，冲积土的碱性磷酸酶活性降低，其余两种土壤的碱性磷酸酶没有显著变化。Cd污染处理下，紫色土中Cd的形态分布均表现为：可还原态＞残渣态＞可氧化态＞弱酸提取态。黄壤和冲积土在1 mg/kg时，Cd的各形态分布为：弱酸提取态＞残渣态＞可氧化态＞可还原态；随着Cd含量的增加，冲积土和黄壤中弱酸提取态Cd和可还原态Cd的比例有较大幅度的增加，残渣态Cd的比例下降。【结论】紫色土和黄壤中的土壤酶活性受到Cd污染影响较小，冲积土的酶活性受到的影响较大；冲积土和黄壤在受污染后土壤中的Cd容易被植物吸收，生态安全存在更大的隐患。

土壤类型；Cd污染；土壤酶；重金属形态分布

伴随我国工农业和城市化的快速发展，重金属污染日益严重，对人类的健康带来了极大威胁。重金属污染元素中，Cd以移动性大、毒性高、污染面积大，被称为“五毒之首”。我国环境保护部和国土资源部于2014年4月公布的《全国土壤污染状况调查公报》显示[1]，全国土壤总的重金属超标率达到16.1%，耕地污染超标率达19.4%，Cd的点位超标率最大，达到7.0%。近年来的“镉米”事件已经让人意识到Cd污染已对食品安全和人类健康产生重要威胁。

各类生态系统中迁移或释放出的大部分重金属污染物最终都会进入到土壤中，影响土壤生态系统的结构和功能[2]。土壤镉污染会对土壤生物区系组成、种群数量、土壤酶活性、微生物生物量和活性等土壤生物学特性产生负面影响[3-4]。另一方面，重金属的生物毒性不仅与其总量有关，更大程度上取决于其在土壤中的形态分布，重金属的形态分布决定着它的生物有效性、迁移转化和化学循环，从而表现出不同的环境效应。土壤pH、有机质含量、黏度、氧化还原电位等都会影响重金属的赋存形态和生物有效性[5]。

土壤类型是根据土壤的属性、成土过程和成土因素之间相关性而对土壤的系统划分，不同类型土壤的物理性质、养分特征和微生物群落结构等方面存在差异[4-6]，这些差异引起了土壤类型间重金属敏感性的差异，进而对不同类型土壤的物质循环和能量流动产生不同程度的影响。但是，目前对土壤类型间重金属赋存形态差异的研究较少，对土壤中重金属的形态分布与土壤生化特征的相关研究也比较缺乏。因此，本研究以四川省主要的土壤类型（紫色土、冲积土、黄壤）为研究对象，认识不同Cd污染条件下土壤关键酶活性特征和土壤中镉的形态组分结构，研究结果可为不同类型土壤的管理和环境保护、污染控制修复提供科学依据，同时可以为不同类型土壤的Cd污染的生态风险评价提供基础数据。

1 材料和方法

1.1 实验材料

本次实验所用的土壤为紫色土、冲积土和黄壤。紫色土和黄壤采自四川农业大学雅安校区的老板山，冲积土取自雅安大兴镇。土样采集前先清除有机层和腐殖质层，采集20～60cm的淀积层和母质层混合土样，每种类型土壤采集5个样点进行混合。3种土壤的基本理化性质如表1所示。

表1 3种土壤的基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties in the tested soils

1.2 实验设计

采回的土壤样品经碾碎风干后，将重金属Cd以分析纯CdC12·2.5H2O与去离子水配制成母液，以50μmol/L的浓度施入土壤中充分混匀，达到预定的处理浓度。将各处理土壤装入上口径30cm、下口径25cm、高27cm的塑料盆，每盆装土5 kg。处理期间，每隔1周对供试土壤进行统一浇水，保持土壤含水量约为最大田间持水量的60%。实验处理时间为3个月。

根据中国土壤环境质量标准（GB15618-2008）中Cd污染物的第二级标准值以及四川地区Cd污染状况[7-8]，设置4个Cd处理水平，分别为对照CK，处理Ⅰ（1 mg/kg），处理Ⅱ（20 mg/kg），处理Ⅲ（50 mg/kg）。即3种土壤，每种土壤4个梯度，共12个处理，每个处理重复3次。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤酶活性测定

参照关松荫[9]的方法测定各种土壤酶活性：蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法进行测定[9]274-277，酶活用1 g土在37℃培养24 h释放出的葡萄糖的毫克数表示；脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定[9]294-297，脲酶活性用1 g土在37℃培养24 h释放出的NH3-N毫克数表示；磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法[9]309-312，酸性磷酸酶用pH 6.5缓冲液，碱性磷酸酶用pH 11.0缓冲液，酶活性用1 g土壤在37℃条件下，24 h内水解产生酚的毫克数表示。

1.3.2 土壤中Cd的形态分布

Cd的形态分布特征采用BCR连续提取法[10]。

①弱酸提取态：称取1 g样品，加入40mL 0.10 mol/L HOAc提取液，（22±5）℃下振荡 16 h；再离心分离（3000 r/min，20min）。

②可还原态：向经上一步提取后的固态中加入40mL 0.50 mol/L NH2OH·HCL 溶液，（22±5）℃下振荡 16 h，离心分离（3000 r/min，20min）。

③可氧化态：向经上一步提取后的固态中加入10mL H2O2（pH=2.0～3.0），室温下浸提 1 h；再在（85±2）℃水浴中浸提 l h；加入 10mL H2O2，（85±2）℃水浴下浸提 l h。加入 1 mol/L NH4OAc（pH=2.0）溶液 50mL，在（22±5）℃条件下震荡 16 h，离心分离（3000 r/min，20min）。

④残渣态：将上一步提取后的固体中加入HCl-HNO3-HF（2∶5∶2）消解液，进行微波消解，离心后分离并保存上清液，定容待测。

采用火焰原子吸收法测定（岛津AA-7000火焰原子吸收光谱仪）测定各组分的Cd含量，各种组分所占比例采用占总镉含量的百分率表示。

1.4 数据计算及分析

实验数据采用Microsoft Exce12010处理，方差分析和作图采用软件SPSS 20.0及Origin 9.0处理，处理间的差异显著性用Tukey法检验（P＜0.05），利用二元方差分析（Two-way univariate analysis）检验土壤类型、Cd污染及其交互作用对各参数的显著性效应。

2 结果与分析

2.1 Cd对土壤酶活性的影响

不同土壤类型下Cd污染对土壤酶活性的影响如图1所示。由图1（a）所示，与对照相比，3种土壤的蔗糖酶活性在所有Cd污染条件下均有一定程度下降，伴随着Cd污染程度的增加，蔗糖酶活性下降更明显。冲积土的蔗糖酶活性对Cd污染最敏感，1 mg/kg条件下其活性就显著下降，50 mg/kg污染条件下下降幅度最大；黄壤的蔗糖酶活性在各处理条件下下降未达显著水平；紫色土的蔗糖酶活性仅在50 mg/kg污染条件下显著下降。

由图1（b）所示，3种土壤的脲酶活性对Cd污染表现出不同的敏感性。与对照相比，紫色土和黄壤的脲酶活性均没有显著变化，冲积土的脲酶活性在所有Cd污染条件下均显著增加，在20 mg/kg条件下达最大值。

由图1（c）所示，与对照相比，Cd污染条件下冲积土的酸性磷酸酶活性有一定程度下降，但未达显著水平。紫色土和黄壤的酸性磷酸酶活性在1和20 mg/kg的污染条件下没有显著变化，但在50 mg/kg的条件下均显著下降。

由图1（d）所示，与对照相比，各种Cd污染处理均没有显著影响紫色土和黄壤的碱性磷酸酶活性，冲积土的碱性磷酸酶在Cd污染条件下逐渐下降，20和50 mg/kg条件下达显著水平。

由表2可知，土壤中的蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、碱性磷酸酶均受到土壤类型、Cd污染及其交互作用的极显著影响（P＜0.05）。

2.2 土壤Cd的形态分布

从表3可以看出，在不同处理水平下，冲积土和黄壤中的Cd形态分布基本一致，紫色土差异较大。对照组中，3种土壤中Cd的形态分布比例一致，表现为残渣态为主，其次为可氧化态，酸可提取态和可还原态没有检测到。各污染条件下，紫色土中Cd形态分布为：可还原态＞残渣态＞可氧化态＞弱酸提取态。黄壤和冲积土在低浓度Cd（1 mg/kg）污染条件下，土壤中Cd的各形态分布为：弱酸提取态＞残渣态＞可氧化态＞可还原态；20 mg/kg条件下，土壤中Cd的各形态分布为：弱酸提取态＞可还原态＞残渣态＞可氧化态；50 mg/kg条件下，土壤中Cd的各形态分布为：弱酸提取态＞可还原态＞可氧化态＞残渣态。

由此可见，随Cd浓度的增大，Cd在3种土壤中的弱酸提取态和可还原态在增大，残渣态在减少。随着Cd浓度的增大，Cd在土壤中的弱酸提取态的比例大小顺序如下：黄壤＞冲积土＞紫色土。

由表4可知，土壤中Cd的弱酸可提取组分、可还原态组分、可氧化态组分及残渣态组分均受到土壤类型、Cd污染的极显著影响（P＜0.05）。除可氧化态组分外，其余组分还受到土壤类型与Cd污染交互作用的极显著影响（P＜0.05）。

图1 不同土壤类型下Cd污染对土壤酶活性的影响（平均值±标准误）Figure 1 The effects of Cd pollution on activities of soil enzymes in different soil types（mean±SE）

表2 土壤类型、Cd污染及其二者交互作用对各土壤酶活性的影响Table 2 The effects of soil types，Cd pollution and their interaction on activities of soil enzymes

3 讨论和结论

土壤酶是土壤中一切生物化学过程的重要扮演者，土壤酶活性的变化能够较敏感地反映土壤中生化反应的方向与反应程度，土壤酶是衡量重金属污染生态效应的有效指标之一[11]。有研究表明，重金属污染的程度不同对土壤酶活性的影响也不同，不同的土壤酶对重金属污染的敏感性存在差异。例如，许炼峰等[12]发现，在0～l mg/kg的Cd污染条件下土壤蔗糖酶比脲酶更敏感；邱莉萍等[13]发现，Cd污染对土壤的脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶的活性均有抑制作用，尤其是碱性磷酸酶；史长青[14]的研究结果表明，随着Cd浓度的增大，土壤脲酶活性不断降低；A.Karaca等[15-16]等发现，50 mg/kg的Cd污染对土壤中的碱性磷酸酶和酸性磷酸酶均有抑制作用。本研究发现，3种土壤的蔗糖酶对Cd污染最敏感，Cd污染对蔗糖酶的抑制作用表现出明显的浓度效应。其次，低Cd污染对3种土壤的酸性磷酸酶活性没有发生显著的抑制作用，在1 mg/kg的污染条件下略微促进了紫色土的酸性磷酸酶活性，但在50 mg/kg的污染条件下，3种土壤的酸性磷酸酶均显著下降。3种土壤中，冲积土的蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶在各种污染水平均表现出显著的变化，表明这种土壤的酶活性容易受到土壤Cd污染的影响，对土壤Cd污染最敏感。Cd污染条件下，冲积土中因土壤酶活性发生显著变化，尤其蔗糖酶和碱性磷酸酶受到显著抑制作用，将影响冲积土中正常的C、P矿化及养分循环，影响作物的生长和产量形成。因此，本研究的结果表明，Cd污染条件下，土壤酶活性受到的影响程度取决于土壤类型、重金属浓度以及酶的生化属性，冲积土的各种酶对Cd污染最敏感，蔗糖酶和碱性磷酸酶受到的负面影响最显著，尤其是在高浓度污染条件下。

表3 不同处理下Cd的形态分布(平均值±标准误)Table 3 The ratio of Cd speciation in different soil types under different Cd concentrations（mean±SE）

表4 土壤类型、Cd污染及其二者交互作用对Cd形态分布的影响Table 4 The effects of soil types，Cd pollution and their interaction on the ratio of Cd speciation

重金属进入土壤后，经过络合、吸附、凝聚、溶解、沉淀等各种反应会形成不同的化学形态，从而对土壤产生不同影响[17]。很多研究表明[18]，重金属在土壤中的不同形态分布会对土壤微生物及动植物产生不同的生物毒性，进而产生不同的环境毒理效应。重金属形态中被称作生物潜在可利用态的包括弱酸提取态、可还原态和可氧化态，而被称为惰性态的残渣态，在自然界中是不易被释放出来的[19]。这4种形态中，最容易被植物吸收的形态是弱酸提取态，较易被植物利用的形态是可还原态，较难被植物利用的形态是可氧化态，残渣态是植物几乎不能利用的形态。有研究表明[20]，在未污染条件下，土壤中的Cd以残渣态为主，随着Cd污染的加剧，弱酸可提取态、可还原态和可氧化态等生物潜在利用形态的比例会显著增加[21-22]，引起较大的生态风险。本研究发现，在土壤未受Cd污染的情况下，即对照组中，紫色土、冲积土和黄壤3种土壤Cd的残渣态所占的比例最大，分别为69.35%、68.23%和70.42%；酸可提取态和可还原态均没有检测到，说明对照组土壤中本底Cd水平并不会对生态安全产生威胁。Cd污染条件下，紫色土、冲积土和黄壤中的残渣态所占比例均小于弱酸提取态、可还原态和可氧化态三者之和，即受Cd污染的土壤中Cd的形态以生物潜在可利用态为主，且随着Cd污染的加剧，3种土壤中Cd的生物潜在可利用态均增加。说明3种土壤受Cd污染后，土壤中的Cd均有一定的潜在生态风险性，且随着Cd浓度的增大，这种潜在生态风险也在增大。20 mg/kg的污染条件下，紫色土、冲积土和黄壤中Cd的生物潜在可利用态所占的比例分别为85.94%、93.32%、94.15%；Cd浓度为 50 mg/kg时，紫色土、冲积土和黄壤中Cd的生物潜在可利用态所占的比例分别为93.4%、96.85%、99.4%。由此可见，黄壤发生Cd污染时潜在生态风险性最大，紫色土的潜在生态风险性最小。

Cd污染对紫色土、冲积土和黄壤的酶活性影响程度因土壤酶种类和污染水平而不同。各水平的Cd污染对3种土壤的蔗糖酶活性均有抑制作用，这种酶对Cd污染最敏感。酸性磷酸酶的活性在3种土壤中表现为“低促高抑”的效应，尤其是紫色土和黄壤。Cd污染条件下冲积土的酶活最容易受到影响，对Cd污染最敏感。随着Cd浓度的增大，土壤中Cd的弱酸提取态及可被生物利用形态所占比例的大小均为：黄壤＞冲积土＞紫色土，Cd污染对黄壤的生态安全威胁最大，对紫色土威胁最小。

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Effects of Cd Pollution on Soil Enzyme Activities and Cd Forms in Three Soil Types

WANGQiao-hong1，DONGJin-xia2，3，ZHANGJun4，YANGWan-qin2，3，ZHANGJian2，3，CHENLiang-hua2，3*
（1.Sichuan Water Conservancy Vocational College，Dujiangyan 611231，Sichuan，China；2.Institute of Ecology&Forestry，Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，China；3.Collaborative Innovation Center of Ecological Security in the Upper Reaches of Yangtze River，Chengdu 611130，China；4.Power China Chengdu Engineering Corporation Limited，Chengdu 611130，China）

【Objective】The objective of the study was to understand effects of Cd pollution on soil enzyme activitiesand Cd forms in 3 soil types.【Method】A controlled-culture experiment was conducted to study the effects of different Cd concentrations(1，20 and 50 mg/kg)on soil enzyme activities and Cd forms in 3 typical soil types(purple soil，alluvial soil and yellow soil)of Sichuan province.【Results】(1)Cd pollution inhibited invertase activities in all soil types.Cd-caused negative effect increased with increasing Cd concentration，especiallyinalluvialsoil.However，Cdpollutionhadapositiveinfluence on urease activities in alluvial soil.Acid phosphatase activities increased under the lower Cd level but decreased under the higher Cd level in each soil type.Alkaline phosphatase activities in alluvial soil gradually declined with increasing Cd2+concentration while they were unaffected in other two soil types.Under Cd pollution，Cd distribution in purple soil exhibited a similar pattern of reducible state＞residual state＞oxidizable state＞weak acid extractable state.Under 1 mg/kg Cd，Cd distribution showed trend of weak acid extractable state＞residual state＞oxidizable state＞reducible state for both yellow and alluvial soils.With the increase of Cd pollution，the proportion of weak acid extraction and reducible states was enhanced in both yellow and alluvial soils，but the proportion of residual Cd state was decreased substantially in both soil types.【Conclusion】Our results indicated that the effect of Cd pollution on enzyme activities in both purple and yellow soils were was relatively small as compared to alluvial soil.Cd was easy to be absorbed by plants in both alluvial and yellow soils，which may have a potential ecological risk.

soil type；Cd pollution;soil enzyme activity；heavy metal speciation

S155；X131.3；X53

A

1000-2650（2017）03-0339-06

10.16036/j.issn.1000-2650.2017.03.009

2017-03-23

国家自然科学基金（31300513）；长江上游生态安全协同创新中心开放基金。

王巧红，硕士研究生，讲师，主要从事水土保持与荒漠化防治等方面的研究，E-mail：251949640@qq.com。*责任作者：陈良华，副研究员，主要从事生态环境修复的研究，E-mail：chenlh@sicau.edu.cn。

（本文审稿：刘 洋；责任编辑：巩艳红；英文编辑：徐振锋）