千渭湿地典型植被土壤及水质分析

魏 华 杨 金 李 涛 苏少峰 王 璐 成军锋

（1.宝鸡职业技术学院，陕西 宝鸡 721013；2.中铁水务集团有限公司， 陕西 西安 710061；3.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100；4.宝鸡千渭之会湿地公园管理处，陕西 宝鸡 721004 ）

城市湿地公园集城市、湿地、公园为一体，是一个十分完整的生态系统。土壤酶活性是反映土壤微生物群落生态功能的重要指标。陕西省宝鸡市千渭之会国家湿地（以下简称“千渭湿地”）公园于2017 年竣工，其对保护、恢复渭河、千河湿地环境，促进生态环境的良性发展，维持生物多样性具有重要意义。因千渭湿地刚建成不久，国内外学者对此区域的土壤酶活性、总碳、总有机碳及水质的研究鲜见报道。开展湿地土壤及水质理化研究对于深入理解千渭湿地土壤能量流动、土壤团粒结构形成等过程具有重要意义。本研究选取千渭湿地中的香蒲（Typha ovientalis）、白茅（Imperata cylindrica）两种典型植物底泥样品，以及污水口的底泥样品、农田土壤样品，采用土壤及水质常规分析方法检测四个样本之间的酶活性、总碳、总有机碳及水质差异，为人工湿地中植物选择优化及评价提供理论依据和技术指导。

1.材料与方法

1.1 研究区概况

千渭湿地地理坐标为107o13′-107o20′E，34o19′-34o28′N，位于陕西省宝鸡市东部千河与渭河交汇处，属大陆性季风气候类型，四季分明。公园总面积1864.0 公顷，湿地面积1716.3公顷，占总面积的92.1%。海拔540-615米，年平均气温为7.6℃-12.9℃。年平均相对湿度为68%-72%，气候偏干旱。区域内以芦苇、香蒲、白茅、水葱、荷花等组成优势水生及湿生植物。

1.2 样品采集

于2020 年7 月夏季（植物生长旺季），选取千渭湿地内香蒲、白茅两种典型植物底泥样品，以及污水口的底泥样品、农田土壤样品作为研究对象。每个地区选取3 块底泥或土壤作为重复样本，各样本混合均匀。将各样品去杂风干过筛后，用于理化性质的测定。在香蒲湿地和白茅湿地的下游也进行同步取样，采集3 份表层水样，及时对水样进行水质分析。

1.3 样品理化分析

对4 份样品进行理化性质测定，每个样品重复6 次，取平均值。土壤蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，土壤过氧化氢酶活性采用容量法测定，土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，土壤总碳、有机碳均采用土壤常规分析方法。水质采用哈希多参数水质分析仪检测；化学需氧量、氨氮、总氮分别采用重铬酸钾法（GB11914-89）、蒸馏-中和滴定法（HJ7479-87）、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB11894-89）进行检测。

1.4 土壤或底泥真菌基因组DNA 提取、PCR 扩增

采用CTAB 方法提取土壤或样品的基因组DNA[4],使用琼脂糖凝胶电泳检测DNA 的纯度和浓度后，使用无菌水将DNA 稀释至1 ng/μl。使用带Barcode 的ITS5-1737F（GGAAGTAAAAGTCGTAAC AAGG） 和ITS2-2043R（GCTGCGTTCTTCATCGA TGC）引物扩增真菌ITS1 区。扩增程序为：98℃预变性1 min；30 个循环包括（98℃变性10s，50℃退火30 s，72℃延伸30 s）；循环结束后72℃延伸5 min。扩增体系为30 μl: 2× Phusion Master Mix 15μl,3μl Prime（2μmol/L），DNA 10μl，超纯水2μl。

1.5 文库构建与上机测序

使用TruSeq DNA PCR-Free Sample Preparation Kit 建库试剂盒进行文库构建后，采用Qubit 和qPCR 定量，检测合格后利用Illumina NovaSeq 平台进行测序。

1.6 数据处理

利用FLASH、QIIME、MOTHUR 等软件获得高质量序列，用Uparse 软件以97%相似度划分OTU,同时对OTUs 代表序列进行物种注释。应用EXCEL 2016、SPSS 23.0 软件及Mothur、QIIME 软件计算土壤及底泥样品真菌Alpha 多样性指数。

2.结果与分析

2.1 底泥或土壤理化分析

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通过对千渭湿地不同底泥及土壤样品的理化性质分析，蔗糖酶活性农田＞香蒲＞白茅＞污水口，且这四者存在显著差异（P ＜ 0.05）；过氧化氢酶活性污水口＞香蒲＞农田＞白茅，四者也存在显著差异（P ＜ 0.05）；磷酸酶活性香蒲＞农田＞污水口＞白茅，污水口与白茅之间没有显著差异（P ＞ 0.05）；总碳含量香蒲＞农田＞污水口＞白茅，污水口与白茅之间没有显著差异（P ＞ 0.05）；总有机碳含量香蒲＞农田＞白茅＞污水口，污水口与白茅之间没有显著差异（P ＞ 0.05）。磷酸酶活性的大小顺序与总碳含量的大小顺序相一致。

香蒲、污水口底泥及农田土壤样本之间，蔗糖酶、过氧化氢酶、磷酸酶、总碳、总有机碳均存在显著差异，且香蒲与白茅的底泥样本之间蔗糖酶、过氧化氢酶、磷酸酶、总碳、总有机碳也均存在显著差异（P ＜ 0.05）。农田土壤中的蔗糖酶活性及磷酸酶活性分别是污水口底泥的10倍和4 倍多；相反，污水口底泥的过氧化氢酶活性是农田土壤的1.7 倍。在白茅和香蒲湿地中，两者的蔗糖酶活性均比农田低，而比污水口高。香蒲湿地的磷酸酶活性、总碳含量、总有机碳含量也均高于白茅湿地、污水口和农田。

2.2 水质分析

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由表2 可以看出，千渭湿地水质的pH 值为7.66 、化学需氧量为13mg/L、氨氮的检测值为1.395mg/L、总氮检测值为8.35mg/L，均符合标准限值。表明千渭湿地的水体中，化学需氧量、氨氮、总氮的含量都达到国家标准。

2.3 底泥或土壤真菌ACE 指数分析

4 个样品真菌群落的ACE 指数值，如图1 所示。白茅湿地、香蒲湿地、农田土壤的ACE 指数分别为：2146.55、2188.59、1285.08，排污口的ACE 指数值最低为1174.83。真菌群落ACE 指数值在白茅湿地与香蒲湿地之间没有显著差异（P ＞ 0.05）；农田土壤与排污口底泥ACE 指数值也没有显著差异（P ＞ 0.05）；两个湿地ACE指数值均与农田土壤、排污口底泥之间存在显著差异（P＜ 0.05）。

图1 ACE指数的组间差异

3.讨论

3.1 底泥理化分析

过氧化氢酶广泛存在于土壤和生物体内，能有效防止土壤代谢过程中产生的过氧化氢对生物体造成的毒害。蔗糖酶可以把土壤中的高分子量的蔗糖分解成能够被植物和土壤微生物吸收利用的葡萄糖、果糖。蔗糖酶能为土壤生物体提供充分能源，其活性反映了土壤有机碳累积与分解转化的规律。

本研究，排污口没有植物生长，过氧化氢酶活性高，可有效防止底泥中过氧化氢对下游植物体造成的毒害。过氧化酶活性过高也不适合微生物生长和繁殖，这也就能够解释在湿地公园中栽种植物的重要性和必要性。土壤中的磷酸酶参与土壤有机磷转化为无机磷，积累的磷酸酶对土壤磷素的有效性具有重要意义。本文研究发现，因香蒲湿地、白茅湿地及污水口，三处采样点的底泥样品常年处于淹水和厌氧环境，而农田未处于此状态，所检测的蔗糖酶活性农田中最高。可以说明，蔗糖酶活性大小，与样品所处的环境有关。

本研究中，香蒲湿地底泥中不仅过氧化氢酶及磷酸酶活性显著高于其他样品，且总碳、总有机碳含量也明显高于其他样品。有研究表明，芦苇湿地底泥过氧化氢酶活性与底泥中有机质呈极显著正相关，说明土壤有机质不仅是其他养分的重要来源和储藏场所，也是过氧化氢酶的来源和储藏地，这与我们的研究结果相一致。

有机碳既可以作为土壤酶的底物，又可以为微生物的生长和繁殖提供碳源，因此，土壤有机碳的含量对微生物多样性和酶活性的高低均有影响。有机碳可以有效改善土壤理化性质及调节土壤养分循环，是评价土壤肥力的关键指标，土壤有机质与土壤结构的稳定有很大关系，有机质含量高土壤，其土壤较为疏松多孔，渗透性能好抗蚀性会增高。本研究中，香蒲底泥的有机碳含量最高，其底泥的肥力及抗蚀性也也较其他样品高。

不同植物种类土壤渗透性存在较大差异，这主要是受植物根系分布和结构特征的影响。植物根系能有效改善土壤结构，增加土壤的非毛管孔隙度，减小土壤容重，提高土壤入渗性能。白茅和香蒲两种植物，它们的根系通过数量庞大的分支在底泥中穿插串联土壤，改善土壤结构，增加土壤孔隙度和有机碳含量。白茅为多年生根茎禾草，繁殖能力强，对贫瘠、干旱及中轻度盐渍化土壤均有较强的适应性，是C4 植物。白茅主根和侧根都极其发达，地下根系较长且细根发达，地上部分也较发达，因此，白茅在土壤中的渗透性都较高。

3.2 水质理化分析

千渭湿地选用目前较为广泛的沙粒、沙土、石块等透水性基质，为微生物的生长提供稳定的附着表面，也为水生植物提供载体和营养物质。本研究，因在夏季采样，气温较高，植物生长旺盛，可以更好地截留、过滤颗粒物质，湿地植物光合作用产生的氧气输送至根部，也会促进微生物进一步对有机物进行降解。我们所测的COD 值为13，达到地表V 类标准要求（40mg/L）。

人工湿地对氨氮的去除机理主要是微生物的硝化作用，吸附的氮元素通过反硝化作用将其去除。反硝化作用将硝酸盐和亚硝酸盐转化为气态氮，氮元素最终以气态形式从湿地中去除。人工湿地对总氮的去除机理同氨氮，即微生物将硝酸盐和烟硝酸盐氮还原成氮气。夏季植物生长较为茂盛，硝化细菌较为活跃，协同作用有利于氮的去除。

千渭湿地的水体中，化学需氧量、氨氮、总氮的含量都达到国家标准，实现了对污染物稳定、高效的去除效果，有效改善了景观湖河道水质，发挥了湿地的净化功能，充分发挥其美化环境，增加水源、改善生态环境的作用，实现了区域水系的可持续发展。

综上所述，本课题研究了千渭湿地不同采样点土壤酶、有机碳及总碳，对比了不同底泥或土壤样品间土壤酶、有机碳、总碳及有机碳差异，主要探究土壤及水质理化性质与碳、氮循环相关的变化特征，着力揭示千渭湿地不同植被对水质净化的响应机制。以期为筛选人工湿地植物和生态修复提供重要理论依据。今后，我们还将会从底泥植物根系分泌物、物质代谢、微生物群落等多种角度认识不同植物根区之间的差异，从而更全方面地了解千渭湿地的微环境系统。