东平湖酶活性与温室气体通量及其影响因素

刘涛 曹起孟 张菊 杨丽伟 张智博 邓焕广

摘 要：為研究东平湖沉积物酶活性与水体温室气体排放通量特征及其影响因素，2018年9月布设23个采样点，采集表层沉积物和表层水样品，分析沉积物中脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性，采用顶空法和双层扩散模型估算水气界面N2O、CO2排放通量;采用相关分析、多元线性回归法探讨影响酶活性与温室气体排放通量的主要因子。结果表明：沉积物脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性平均值分别为1.379 mg/（g·d）、22.633 μg/（g·d）和0.307 mg/（g·d），N2O、CO2排放通量分别为1.18 μmol/（m2·h）、19.91 mmol/（m2·h）;酶活性在湖区东部（老湖码头）较高、在大汶河入湖口和湖心区较低，而N2O、CO2排放通量在大汶河入湖口较高、出湖口较低;沉积物总有机碳与3种酶活性均极显著正相关，是影响酶活性的主要因子之一;酶活性与影响因子的回归模型可分别解释脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性变异程度的43.6%、73.4%和88.8%;温室气体排放通量仅与表层水体部分理化指标显著相关，表层水体无机氮浓度、pH值和DO是影响N2O排放通量的主要因子，而CO2排放通量主要受水深的影响。

关键词：酶活性;温室气体;排放通量;影响因素;东平湖

中图分类号：X524;TV211 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.021

引用格式：刘涛，曹起孟，张菊，等.东平湖酶活性与温室气体通量及其影响因素[J].人民黄河，2022，44（2）：106-111.

Abstract： In order to study the characteristics and influencing factors of sediment enzyme activity and greenhouse gas emission flux in Dongping Lake， surface sediment and water samples were collected simultaneously at 23 sampling sites around the lake in September 2018. The activities of urease， sucrase and alkaline phosphatase in sediments were analyzed， and the N2O and CO2 emission fluxes at the water-air interface were analyzed and estimated by the headspace method and double-layered diffusion model. The main influencing factors were explored by conducting Pearson correlation analysis and multiple linear regression. The results show that the activities of urease， sucrase and alkaline phosphatase are 1.379 mg/（g·d）， 22.633 μg/（g·d） and 0.307 mg/（g·d） respectively. The fluxes of N2O and CO2 are 1.18 μmol/（m2·h） and 19.91 mmol/（m2·h） respectively. The sediment enzyme activity is significantly higher in the east of the lake （near Laohu Wharf）， and lower in the inlet of Dawen River and central area of the lake;while the N2O and CO2 emission fluxes are higher in the inlet of Dawen River and lower in the outlet of the lake. TOC concentrations in the sediments are significantly positively correlated with the enzyme activities， indicating that sediment TOC is one of the main influencing factors. The regression models of enzyme activity and the main influencing factors can explain 43.6%， 73.4% and 88.8% of the variation degree of urease， sucrase and alkaline phosphatase activity respectively. N2O and CO2 emission fluxes are only significantly correlated with part of physicochemical indexes of the surface water;and specifically， inorganic nitrogen concentrations， water pH and DO are the main factors that affecting N2O emission fluxes， while CO2 emission fluxes are mainly affected by water depth.

Key words： enzyme activity;greenhouse gas;emission flux;influencing factor;Dongping Lake

湖泊湿地分布广泛、水文条件特殊，在陆地生态系统碳氮循环中具有重要作用，是温室气体的“源”与“汇”[1]。沉积物酶主要来自微生物细胞，在调节沉积物碳、氮、磷等元素生物地球化学循环中发挥着关键作用，酶活性可直接表征沉积物微生物活性，也可以作为人类活动影响下沉积物营养物质含量的敏感指示因子[2-3]。目前，有关沉积物酶活性时空分布特征及其与营养盐和水体富营养化关系的研究较多[2，4-5]，但对沉积物酶活性和温室气体排放及其影响因素的研究较少[6]。

东平湖位于山东省西南部，常年水面面积为124 km2，是山东省第二大淡水湖泊[7]，也是南水北调东线工程的主要调蓄湖和山东省西水东送工程的水源地。目前东平湖整体呈中营养至富营养状态，随着对东平湖外源污染的控制和调水工程的实施，内源污染物释放成为影响东平湖水质的主要因素[8-9]。已有研究多关注东平湖水质、沉积物分布等[8，10-14]，对于影响水体碳、氮、磷等元素循环的因子如微生物活性，以及反映其环境效应的指标如温室气体排放通量等的研究相对较少[15-16]。研究通过对东平湖沉积物酶活性和水气界面温室气体排放通量的测定，分析其空间分布特征，并根据二者与水体理化性质的统计学分析，探讨影响东平湖沉积物酶活性和温室气体排放通量的主要环境因子，以期为进一步研究微生物活性在湖泊湿地生物地球化学循环中的作用和东平湖水生态环境保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集和预处理

依据《湖泊沉积物调查规范》[17]，按照均匀性和可达性原则在东平湖设置23个采样点，见图1。2018年9月在各采样点使用卡盖式采水器采集表层水样，一部分置于500 mL聚乙烯塑料瓶内放入便携式冷藏箱中保存，另一部分置于有机玻璃管密封后用于温室气体质量浓度的测定[18]。使用溶解氧仪现场测定水温和溶解氧（DO）含量，采用便携式氧化还原电位仪测定水体氧化还原电位（Eh），采用塞氏盘测定水体透明度，采用自制水深测定装置测定水深。使用一次性注射器采集空氣样品，储存于气体采样袋;采用抓斗式采泥器采集表层（0～10 cm）沉积物置于自封袋中放入冷藏箱保存。采集样品的同时记录各采样点周围环境信息，并用GPS定位。

实验室采用顶空法预处理有机玻璃管水样后测定CO2和N2O的质量浓度[18]。取部分水样过0.45 μm滤膜置于聚乙烯塑料瓶内，用于氨氮（NH3-N）、硝态氮（NO-3-N）、亚硝态氮（NO-2-N）和溶解性有机碳的测定，滤膜用于叶绿素a的测定。沉积物于阴凉通风处自然风干后研磨过60目筛备用。

1.2 样品的分析和测定

取适量过筛后沉积物样品测定酶活性[19]，蔗糖酶（sucrase）、脲酶（urease）、碱性磷酸酶（alkaline phosphatase）活性分别采用3，5-二硝基水杨酸比色法、苯酚钠-次氯酸钠比色法、磷酸苯二钠比色法测定。气体中CO2、N2O质量浓度采用气相色谱仪测定。水体中NH3-N、NO-3-N、NO-2-N、叶绿素a质量浓度分别采用纳氏试剂分光光度法、紫外分光光度法、N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法和丙酮分光光度法测定[20]，水中总有机碳采用总有机碳分析仪测定。沉积物中总磷（TP）和总有机碳分别采用酸溶-钼锑抗比色法[21]和重铬酸钾氧化外加热法测定。

1.3 数据处理与统计

东平湖水面宽阔，流速缓慢，满足双层扩散模型的假设条件，因此采用双层模型计算水气界面CO2和N2O的排放通量[22]。数据的统计分析采用Excel 2019和SPSS 25.0，并利用ArcGIS10.6进行克里金插值分析和绘图。

2 结 果

2.1 东平湖水体基本理化性质

东平湖表层水体DO、NH3-N质量浓度均能达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类水标准（见表1），但总无机氮平均质量浓度为1.174 mg/L，有73.9%的点位总无机氮质量浓度超过Ⅲ类水标准。变异系数（CV）是反映变异程度的一个统计量，根据Wilding[23]对变异程度的分类，表层水体pH值、氧化还原电位、溶解性有机碳和沉积物pH值、TP为小变异（CV<15%），表层水体DO、透明度、NH3-N、沉积物氧化还原电位和水深为中等变异（15%≤CV≤36%），而表层水体叶绿素a、NO-3-N、NO-2-N和沉积物总有机碳为高度变异（CV>36%）。水体无机氮质量浓度与田翠翠等[24]2016年10月的调查结果基本一致，沉积物总磷质量浓度低于田忠志等[10]的研究结果（平均值为0.795 mg/g），一定程度上反映了近10 a来东平湖水体磷负荷降低，而沉积物总有机碳的含量和范围则与张智博等[11-12]的研究结果较为一致。

2.2 东平湖沉积物酶活性与温室气体排放通量特征

东平湖沉积物脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性的平均值分别为1.379 mg/（g·d）、22.633 μg/（g·d）和0.307 mg/（g·d），其空间差异均较为显著（CV>36%），且以蔗糖酶的变异系数最大，见表2。东平湖水气界面N2O和CO2排放通量的平均值分别为1.18 μmol/（m2·h）和19.91 mmol/（m2·h），N2O排放通量空间变异大（CV>36%），而CO2排放通量空间变异小（CV<15%）。

进一步对东平湖沉积物酶活性和温室气体排放通量的空间分布特征进行分析，结果见图2。3种酶活性的空间分布相似，均表现为湖区东部（老湖码头附近水域）酶活性显著高于其他水域，此外脲酶和碱性磷酸酶活性在出湖口较高。然而各酶活性低值的分布有明显差异，脲酶活性在大汶河入湖口附近最低，而蔗糖酶活性在湖区西部和湖心区处于较低水平，湖心区碱性磷酸酶活性明显较低，此外，3种酶活性的最低值均出现在大汶河入湖口附近。N2O和CO2排放通量的空间分布亦表现出一定的相似性和规律性，其最大值均位于大汶河入湖口，而最小值均位于出湖口附近。N2O排放通量在大汶河入湖口和湖区东部较大，自东向西显著减小，且出湖口水域N2O排放通量亦明显减小。CO2排放通量表现为自大汶河入湖口向湖心至出湖口逐渐降低。

2.3 环境因子对沉积物酶活性的影响

碱性磷酸酶与脲酶和蔗糖酶活性均极显著正相关，但脲酶和蔗糖酶活性无显著相关性，见表3。3种酶活性均与沉积物总有机碳极显著正相关，与水深、表层水体pH值和DO负相关，与沉积物TP正相关。碱性磷酸酶与水深显著负相关;蔗糖酶与表层水体pH值、DO显著负相关;脲酶与沉积物TP显著正相关，与沉积物氧化还原电位显著负相关。

采用多元线性回归模型进一步分析影响沉积物酶活性的环境因子，结果见表4。脲酶活性主要受沉积物总有机碳TOC影响;蔗糖酶活性受沉积物总有机碳TOC、水体pH值pHw和水深H影响，其影响程度表现为pHw>H>TOC;碱性磷酸酶活性受沉积物总有机碳TOC、水体透明度SD、水体pH值pHw和NH3-N（公式中用ρ（NH3-N）表示）的影响，且其影响程度表现为SD>TOC>pHw>ρ（NH3-N）。各回归方程可分别解释脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性变异程度的43.6%、73.4%和88.8%。

2.4 酶活性和环境因子对温室气体排放通量的影响

由表5可知：东平湖N2O排放通量与表层水体pH值极显著负相关，与DO显著负相关，与表层水体NO-2-N质量浓度显著正相关;CO2排放通量与水深显著正相关。N2O、CO2排放通量与沉积物理化性质和酶活性均无显著相关性。

3 讨 论

3.1 东平湖沉积物酶活性影响因素

湖泊沉积物酶活性的空间异质性与湖泊富营养化水平、沉积物的污染程度和沉积环境有关，富营养化水平高、沉积物污染严重、水动力条件差、水体交换能力弱的点位酶活性高[25]。由此分析，东平湖沉积物酶活性在湖区东部较高与该水域受到湖岸（老湖码头）人类活动的影响有关，外源性污染物被沉积物吸附[26]，酶活性增强;脲酶和碱性磷酸酶活性在出湖口较高与出湖口水域狭窄且受水闸控制水体流动缓慢、水体自净能力弱有关;大汶河入湖口水动力作用强，湖心区远离湖岸，受湖岸带人类活动影响小，水质较好，因此沉积物酶活性较低。

脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶均属于水解酶类，它们通过水解机制将大分子有机物转化为寡聚或单分子物质，寡聚和单分子物质再被微生物同化，因此沉积物酶活性常与有机物含量具有显著正相关性[27]。本研究中，3种酶活性均与沉积物总有机碳具有极显著正相关关系，可表征沉积物中有机物的累积状况。碱性磷酸酶能将有机磷化合物催化分解为无机磷化合物，并为微生物提供维持其生物活性的磷，从而影响脲酶和蔗糖酶活性[25，27]，本研究中沉积物碱性磷酸酶活性与脲酶、蔗糖酶活性均极显著正相关，与黎杨等[27]的研究结果一致。蔗糖酶可以表征碳循环，其活性反映碳代谢强度与规律，而脲酶是氮素转化的关键酶，其活性反映沉积物有机氮向有效氮的转化能力。本研究中，脲酶活性除与沉积物总有机碳极显著正相关外，还与沉积物TP显著正相关，与沉积物氧化还原电位显著负相关，表明脲酶可在一定程度上表征沉积物质量。同时，3种酶活性还与表层水体pH值、透明度、NH3-N相关，说明酶活性与湖泊水质有一定关系，可作为分析湖泊水质的指标。

3.2 东平湖水气界面温室气体排放影响因素

与沉积物酶活性的空间分布特征不同，东平湖N2O和CO2排放通量在大汶河入湖口较大，而在出湖口较小。由于大汶河流域内社会经济发展和人口增长速度快，因此大量污染物质（特别是营养物质）经大汶河汇入东平湖，对东平湖水质尤其是入湖口水质造成较大影响[28]，大量营养物质的输入促进了水体温室气体的产生和排放[29]。

水体N2O主要来源于硝化和反硝化微生物的脱氮反应过程，其产生取决于水体N的转化速率及环境条件[30]，而NO-2-N是硝化和反硝化过程的中间产物，所以东平湖表层水体N2O的排放通量与水体NO-2-N质量浓度具有显著正相关关系。同时，东平湖表层水体DO含量较高，使NO-3-N和NO-2-N还原受阻，水体反硝化作用受到抑制[31]。水体硝化作用反应底物NH3-N质量浓度较低，N2O排放通量与NH3-N质量浓度正相关，但相关性不显著，也说明水体中N2O除了来源于水体硝化作用外，还来源于沉积物的反硝化作用[32]。东平湖N2O排放通量与表层沉积物脲酶活性正相关，在一定程度上反映了表层沉积物中耦合硝化—反硝化作用的存在。

表层水体pH值直接影响水体CO2的质量浓度，并通过影响微生物活性间接影响N2O的产生和排放[1，23]。东平湖湖水偏碱性，游离的CO2会转变为碳酸盐，由此导致CO2排放通量降低;较高的pH值可抑制微生物的活性，导致有机质分解速率减小，N2O产生量因细菌所需底物供应不足而减少，因此CO2和N2O的排放通量均与表层水体pH值负相关。N2O和CO2均与水深正相关，而水深与表层水体pH值负相关，与透明度、叶绿素a、溶解性有机碳均显著负相关，与NO-3-N极显著正相关，因此水深可间接反映表层水体的理化性质对温室气体排放的影响。

东平湖水气界面温室气体排放通量与沉积物酶活性无显著相关性，可能原因是，沉积物酶活性对沉积物中温室气体产生和排放的影响大于其对表层水体中温室气体的影响，同时研究测定的酶种类较少，缺少对影响沉积物中氮素转化的关键酶如硝酸还原酶、亚硝酸还原酶的分析，需在今后的研究中补充完善。另外，不同酶的活性具有较为显著的时空变异性[2]，本研究仅分析了沉积物酶活性的空间分布特征，今后还需要进一步对酶活性的季节性变化进行分析，并结合微生物的组成和温度等因素深入研究酶活性变化的关键影响因子及其对温室气体产生和排放的影响。

4 结 语

东平湖沉积物酶活性空间变异大，均表现为湖区东部（老湖码头附近）酶活性较高，而大汶河入湖口和湖心区酶活性较低，反映了湖岸区人类活动和水动力条件对沉积物酶活性的影响;N2O和CO2排放通量表现为大汶河入湖口较大，而出湖口较小，反映了大汶河营养物质输入对东平湖温室气体排放的影响。沉积物总有机碳是影响东平湖沉积物酶活性的主要因子之一，此外蔗糖酶活性还受表层水体pH值和水深的影响，碱性磷酸酶还受到透明度、水体pH值和NH3-N的影响;酶活性与影响因子的回归方程可分别解释脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性变异程度的43.6%、73.4%和88.8%。东平湖N2O和CO2排放通量主要受表层水体理化性质的影响，N2O排放通量的主要影响因子为表层水体无机氮浓度、pH值和DO，而CO2排放通量主要受水深的影響。

参考文献：

[1] 杨平，仝川.淡水水生生态系统温室气体排放的主要途径及影响因素研究进展[J].生态学报，2015，35（20）：6868-6880.

[2] 曲静怡，杨统一，陈芳艳，等.古运河（镇江段）沉积物酶活性及其与氮磷阴离子的相关性[J].环境工程学报，2014，8（3）：1057-1061.

[3] HILL B H，ELONEN C M，JICHA T M，et al.Sediment Microbial Enzyme Activity as an Indicator of Nutrient Limitation in the Great Rivers of the Upper Mississippi River Basin[J].Biogeochemistry，2010，97（2-3）：195-209.

[4] 甘茂林，张景平，江志坚，等.大亚湾沉积物中可溶性有机氮与蛋白酶和脲酶活性特征及其影响因素[J].海洋环境科学，2016，35（6）：806-813.

[5] 趙振华，曹晶晶，刘月利.秦淮河沉积物中营养盐及相关酶活性时空变异特征及其响应关系研究[J].南京大学学报（自然科学），2016，52（1）：36-45.

[6] 李小飞，林贤彪，程吕，等.崇明东滩沉积物胞外酶活性与温室气体排放潜力及其影响因素[J].水土保持学报，2015，29（3）：202-207.

[7] 东平湖志编纂委员会.东平湖志[M].济南：山东大学出版社，1993：8-13.

[8] 胡尊芳，宋印胜，孙建峰，等.东平湖枯丰水期水质健康风险评价[J].水电能源科学，2016，34（9）：31-34.

[9] 刘学利，姚昕，董杰，等.东平湖水环境研究进展与展望[J].中国农学通报，2016，32（11）：82-87.

[10] 田忠志，邢友华，姜瑞雪，等.东平湖表层沉积物中磷的形态分布特征研究[J].长江流域资源与环境，2010，19（6）：719-723.

[11] 张智博，刘涛，伍青山，等.东平湖湿地土壤有机碳分布特征及其影响因素[J].人民黄河，2019，41（7）：92-96，147.

[12] 张菊，何振芳，董杰，等.东平湖表层沉积物重金属的空间分布及污染评价[J].生态环境学报，2016，25（10）：1699-1706.

[13] 陈丽，刘衍君，曹建荣，等.东平湖表层沉积物中多氯联苯来源初探[J].人民黄河，2020，42（5）：81-86.

[14] 张菊，邓焕广，陈诗越.东平湖湖心区沉积物组成及重金属污染评价[J].人民黄河，2010，32（7）：47-48.

[15] 邓焕广，刘涛，鲁长娟，等.山东省东平湖菹草（Potamogeton crispus）腐烂过程中水体温室气体溶存浓度及扩散通量变化[J].湖泊科学，2020，32（5）：1484-1495.

[16] DENG HG，ZHANG J，WU J J，et al.Biological Denitrification in a Macrophytic Lake：Implications for Macrophytes-Dominated Lake Management in the North of China[J].Environmental Science and Pollution Research，2020，27（34）：1-12.

[17] 范成新.湖泊沉积物调查规范[M].北京：科学出版社，2018：16-20.

[18] 邓焕广，张智博，张菊，等.东鱼河春季沉积物反硝化脱氮作用与N2O排放研究[J].水土保持学报，2019，33（1）：283-287.

[19] 关松荫.土壤酶及其研究法[M].北京：农业出版社，1986：274-312.

[20] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002：266-280.

[21] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科技出版社，2000：56-57.

[22] 邓焕广，张智博，刘涛，等.城市湖泊不同水生植被区水体温室气体溶存浓度及其影响因素[J].湖泊科学，2019，31（4）：1055-1063.

[23] WILDING L P.Spatial Variability：Its Documentation，Accommodation and Implication to Soil Surveys[C]//NIELSEN D R，BOUMA J.Soil Spatial Variability.Wageningen：Proceedings of a Workshop of the ISSS and the SSSA，1985：166-194.

[24] 田翠翠，吴幸强，冯闪闪，等.东平湖沉水植物分布格局及其与环境因子的关系[J].环境科学与技术，2018，41（11）：15-20.

[25] 袁轶君，毕永红，朱孔贤，等.三峡水库沉积物中碱性磷酸酶的活性[J].环境科学与技术，2014，37（1）：60-64.

[26] 邓焕广，张菊，张智博，等.河岸渗滤系统对城市降雨径流中氮磷去除效率的中试研究[J].聊城大学学报（自然科学版），2019，32（3）：89-98.

[27] 黎杨，夏品华，葛皓，等.高原湖泊湿地草海沉积物胞外酶与有机碳的时空动态[J].中国环境科学，2017，37（7）：2723-2730.

[28] 师吉华，李秀启，董贯仓，等.东平湖水环境质量综合评价[J].大连海洋大学学报，2015，30（4）：391-397.

[29] 邓焕广，张智博，刘涛，等.城市河岸带绿地N2O和CH4排放对硝态氮输入的短期响应研究[J].聊城大学学报（自然科学版），2020，33（2）：97-104.

[30] 邢涛，李俊雄，李彬彬，等.水生植物对草型富营养化湖泊气态氮排放及沉积物氮去除的影响[J].生态学杂志，2018，37（3）：771-778.

[31] DENG H G，WANG D Q，CHEN Z L，et al.Vertical Dissolved Inorganic Nitrogen Fluxes in Marsh and Mudflat Areas of the Yangtze Estuary[J].Journal of Environmental Quality，2014，43（2）：745-752.

[32] 徐会显，姜星宇，姚晓龙，等.鄱阳湖水体氧化亚氮排放特征及影响因素[J].湖泊科学，2016，28（5）：972-981.

【责任编辑 吕艳梅】