冷水江锑矿区重金属污染林地土壤酶活性变化研究

陈家法， 李志辉， 童方平， 李 贵， 李永进

(1.中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004； 2.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004)

冷水江锑矿区重金属污染林地土壤酶活性变化研究

陈家法1，2， 李志辉1， 童方平2， 李 贵2， 李永进2

(1.中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004； 2.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004)

对冷水江锑矿区重金属污染林地土壤酶的分布及其活性的研究表明：样地土壤中的脲酶、蛋白酶和转化酶活性之间均存在极显著差异；不同样地不同土层土壤酶的活性也存在差异。3个样地各土层土壤中的蛋白酶活性均高于对照，除了联盟样地40～60cm土层的转化酶活性高于对照外，其他3个样地各土层转化酶活性均低于对照。在所有4个样地中，转化酶活性均随土壤深度的加大而降低。

重金属污染; 土壤酶活性; 土壤肥力; 锑矿区

目前,土壤生态环境安全已成为我国可持续发展的制约因素，由于重金属污染物在土壤中具有移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点，对土壤理化性质的负面作用较大。锑及锑化物在20世纪70年代就被美国国家环保局列为优先控制污染物，同时也被欧盟巴塞尔公约列入危险废物，我国已有很多锑矿区锑和砷中毒的病例报道[1-3]。土壤资源是人类赖以生存的宝贵资源,土壤肥力是其本质属性，科学评价土壤肥力不仅能使我们更加了解土壤的本质、更好地利用土壤资源,而且对于农业、林业生产具有重要的指导意义[4-6]。锑对植物、土壤具有很强的危害作用，本文旨在对锑矿区受重金属污染的林地土壤酶活性进行综合分析，探讨锑矿区林地土壤肥力退化和恢复机制，为重金属污染土壤生态修复、抗逆性植物筛选、生态重建与植被快速恢复提供理论依据。

1 研究区概况

研究地为湖南省冷水江锡矿山。冷水江市地处湖南省中部，雪峰山北段南麓，资江中游，东与涟源市、南与新邵县、西北与新化县接壤。地理位置为北纬27°30′49″—27°50′38″，东经111°18′57″—111°36′40″。属亚热带季风性湿润气候,年平均气温16.8℃,一月平均气温4.9℃,七月平均气温28.2℃,极端最高温度39.7℃,极端最低温度-10.9℃,年平均有效积温5118.5℃,年平均无霜期279d,年平均降水量为1457.0mm，年相对湿度53.1%。土地总面积4.39万hm2，冷水江市属湘中丘陵区，地形地貌特点为五山二丘二岗一平地，地势呈南北高、中部低不对称的马鞍形。最高海拔1072m，最低海拔162m，地势高差910m。洞庭湖水系的资江干流贯穿全市18km，资水一级支流10条，总流程135.18km。总人口35万，以盛产锑矿和原煤而闻名，是湖南省重要的能源原材料基地。锑矿山位于冷水江市东北15km处，是著名的“世界锑都”—锑储量达200多万t，经过110年开采，仍保有储量40万t。

2 研究方法

2.1 样品采集与分析方法

样地选择与样品采集。在冷水江锡矿山选择离矿渣堆集场、冶炼厂近且木本植物少、杂草多的联盟、长龙界、七里铺三林地作为污染区的采样地，在离锡矿山50km外的三尖镇马尾松林作为无污染或轻污染区的采样地，每个样地沿斜对角线选择8个采样点，每个点垂直挖土壤剖面至60cm处，分别用土壤环刀按0～20cm(上层)、20～40cm(中层)、40～60cm(下层)取样，测定土壤容重和含水量；每层均匀采集土壤样品1000g作为土壤营养成份、重金属元素含量测定的样品。

土壤样品经风干、研碎，过100目筛备用。土壤容重用环刀法。土壤酶活性测定方法[7]：脲酶采用氨释放量蒸馏滴定法测定；蛋白酶采用茚三酮比色法测定；转化酶采用Na2S2O3滴定法测定。

2.2 数据处理方法

实验数据采用EXCEL、SPSS统计软件处理。

3 结果与分析

3.1 重金属对各样地土壤酶活性的影响

土壤酶是由微生物、动植物活体分泌及由动植物残体、遗骸分解释放于土壤中的一类具有催化能力的生物活性物质。土壤酶在土壤碳、氮、磷循环过程中具有重要的作用,它们参与土壤系统中许多重要代谢过程。因此，研究土壤中酶活性变化对研究土壤生态系统质量状况有重要的指示性意义。污染物对土壤酶活性的影响集中体现在酶活性与污染物之间关系方面,土壤酶的活性反映了土壤中进行的各种生物化学过程的强度和方向，它的活性易受环境中物理、化学和生物等诸因素的影响。由表1可知，位于无污染区三尖镇的样地中脲酶活性最高，达到0.6245mg/g，土壤脲酶活性按样地所在污染区域比较，为七里铺>联盟>长龙界，七里铺最接近三尖镇，达到0.5552mg/g；土壤蛋白酶活性按样地所在区域比较，无污染区三尖镇最低，只有1.1407mg/g，污染区联盟>七里铺>长龙界，长龙界点最接近于三尖镇点，为1.2076mg/g；土壤转化酶活性无污染区三尖镇最高，达到2.2066mg/g，按样地所在污染区域比较，联盟>七里铺>长龙界，长龙界最低，只有1.2280mg/g。

表1 各样地土壤酶活性表Tab.1 Soilenzymeactivitiesineachsampleplot(mg/g)地点Site脲酶Urease蛋白酶Protease转化酶Invertase联盟0.48491.34861.5712长龙界0.33251.20761.2280七里铺0.55521.25711.4207三尖镇0.62451.14072.2066

对各样地间的土壤酶活性进行方差分析(见表2)。结果表明：在四个样地土壤中的脲酶、蛋白酶和转化酶活性之间均存在极显著性差异，表明重金属对锑矿区林地土壤酶的活性产生了巨大的影响，土壤中上述三种酶的活性指标已明确反映出重金属致使当地土壤恶化。

表2 各样地土壤酶活性方差分析Tab.2 Varianceanalysisofsoilenzymeactivitiesineachsampleplot土壤酶Soilenzyme差异源OrigindifferenceSSdfMSF脲酶组间0.131230.043734.2096※※组内0.010280.0013总计0.141511蛋白酶组间0.057230.019112.4534※※组内0.012280.0015总计0.069411转化酶组间1.098530.366234.3805※※组内0.085280.0107总计1.183711 注:※※表示在0.01水平下呈极显著差异。F0.01=7.5910

3.2 不同样地不同土层土壤酶活性的变化规律

土壤酶活性对于土壤中有机物质转化、释放植物能利用的碳、氮和磷等养分有直接作用。大多数酶除了具有主要的专一性酶促反应,对土壤中物质转化有多种作用,可以综合反映出土壤性质和肥力水平。由表3可知，不同土层土壤酶的活性也不同。在联盟样地中， 0～20cm土层中的脲酶活性最高，20～40cm土层中的蛋白酶活性最高，而40～60cm土层中的转化酶活性最高；在长龙界、七里铺样地土壤中，在0～20cm土层中的脲酶、转化酶活性最高，而蛋白酶活性在40～60cm土层最高。另外，3个样地各土层土壤中的蛋白酶活性均高于对照，但3个样地中，除了联盟样地40～60cm土层的转化酶活性高于对照外，其他各土层转化酶活性均低于对照，且在4个样地中，转

表3 各样地各土层土壤酶活性Tab.3 Soilenzymeactivitiesofthedifferentsoillayersineachsampleplot(mg/g)地点Site脲酶Urease蛋白酶Protease转化酶Invertase0～20cm20～40cm40～60cm0～20cm20～40cm40～60cm0～20cm20～40cm40～60cm联盟0.5200.4290.5061.3241.4361.2851.7781.1061.831长龙界0.3730.3320.2931.1851.2001.2381.3801.1721.133七里铺0.7080.5900.3681.2111.1781.3821.8491.4400.973三尖镇0.8170.4030.6541.0491.1661.2082.7742.1731.673

化酶活性随土壤深度的加大而降低；而3个样地各土层中的脲酶活性无以上规律。

4 结论与讨论

土壤是植物生长的载体,供给植物生长所需的水分和养分。土壤的各种酶活性直接影响土壤的理化性质，从而影响到土壤质量的高低。在重金属复合污染的锑矿区，对各样地的土壤酶活性分析比较发现，土壤各种酶活性都与对照地有显著差异。

矿区3个样地的脲酶活性均低于无污染或轻度污染的对照地，而蛋白酶和转化酶却均高于对照地。脲酶活性越低，催化脲素水解释放出氨和二氧化碳的能力越弱，使得矿区林地土壤碳的矿化和氮的硝化明显受到抑制，降低了土壤中养分的含量，导致土壤的理化特性变差，严重影响植物的生长。这与童方平关于冷水江锑矿区重金属污染林地土壤肥力综合评价[8-9]中的结论相吻合。

另外，不同样地不同土层土壤酶的活性也不同。3个样地各土层土壤中的蛋白酶活性均高于对照，除了联盟样地40～60cm土层的转化酶活性高于对照外，其他3个样地各土层转化酶活性均低于对照；3个样地各土层中的脲酶活性变化无明显规律，这种现象与李志辉等[10]对其他地区林地土壤酶分布规律研究结果不同，其原因可能与成土母质、土壤理化性质、植被、污染程度等因素有关，具体原因有待于进一步探索研究。

[1] Fowler B A ,Goering P L. Antimony[M].New York :VCH Weinheim,1991:89-112.

[2] Crommentujin T, Polder M D , Van de Plasche E J.Maximum permissible concentrations and negligible concentrations of metals,taking background concentrations into account[M].The Netherlands: Bilthoven,1997:32-89.

[3] 吴丰昌,郑建,潘响亮，等.锑的环境生物地球化学循环与效应研究展望[J].地球科学进展,2008,23(4):350-356.

[4] 张华,张甘霖.土壤质量指标和评价方法[J].土壤,2001，33(6):326-330.

[5] 骆伯胜,钟继洪,陈俊坚.土壤肥力数值化综合评价研究[J].土壤,2004,36(1):104-106.

[6] 马强,宇万太,赵少华,等.黑土农田土壤肥力质量综合评价[J].应用生态学报,2004,15(10):1916-1920.

[7] 周礼恺.土壤酶活性的测定[M].北京:科学出版社,1987.

[8] 童方平.冷水江锑矿区重金属污染林地土壤肥力的综合评价[J].中国农学通报, 2009,25(16):120-122.

[9] 童方平.冷水江锑矿区重金属污染林地土壤理化特性研究[J].中国农学通报, 2009,25(10):246-250.

[10] 李志辉，李跃林，杨民胜,等.桉树林地土壤酶分布特点及其活性变化研究[J].中南林学院学报，2000,20(3)：29-33.

(责任编辑：谭著明)

EnzymeactivitiesofforestsoilpollutedbyheavymetalsinantimonymineofLeng-shuijiangCity

CHEN Jiafa1，2, LI Zhihui1, TONG Fangping2, LI Gui2， LI Yongjin2

(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China;2.Hunan Forestry Academy, Changsha 410004, China)

The distribution of soil enzyme and its activities in forest soil polluted by heavy metals in antimony mine of Leng-shuijiang City was studied. The results showed that the activities of urease, protease and invertase in the sample plots were significantly different from each other, and the soil enzymatic activities were also different among the different soil layers in each sample plots. The activities of protease in the different soil layers in each of the three sample plots were higher than CK, but the activities of invertase were all lower than CK, while that of invertase from the soil layer of 40～60cm in the Lian Meng plot was higher than CK. Moreover, the activities of invertase in all the 4 sample plots declined with the increase of soil depth.

heavy metals contamination; soil enzymatic activities; soil fertility; antimony mine

2010 — 12 — 15

2010 — 12 — 24

A

1003 — 5710(2010)06 — 0015 — 02

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2010. 06. 004