不同大气污染区林木根区土壤重金属和酶活性研究.doc

陈红跃等：不同大气污染区林木根区土壤重金属和酶活性研究 519不同大气污染区林木根区土壤重金属和酶活性研究陈红跃1，闫雪燕1，陈明洁2，刘 钱1，廖宇红11. 华南农业大学林学院，广东 广州 510642；2. 华南农业大学理学院，广东 广州 510642摘要：黄埔区是广州市污染较严重的地区，其中林木也受到了大气等污染物的危害。林木根区的土壤重金属和酶活性是探讨污染对林木影响机制和反映污染程度的重要指标。作者分别在该区的石化厂、硫酸厂附近林地和非污染的华南农业大学校园（对照）共3个区选择了台湾相思、马尾松、尾叶桉和荔枝4个树种、11个采样点，共采集了33个供试土壤样品，分析了林木根区土壤重金属（Cu、Zn、Pb、Cd）全量、有效量和土壤酶（脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶和蛋白酶）活性。结果表明，（1）石化厂重金属含量总体上与对照区差异不大，而硫酸厂区重金属含量则显著地高于对照区，污染严重。（2）不同调查区根区土壤酶活性存在显著差异，各调查区平均土壤酶活性大小顺序基本上表现为：对照区石化厂区硫酸厂区，尤其是硫酸厂区显著地低于对照区；而同一调查区不同树种之间的酶活性也存在差异，台湾相思根区土壤脲酶的活性均比其它树种高；从酶活性看，在硫酸厂严重污染胁迫下，台湾相思比尾叶桉更耐污染。（3）对土壤重金属含量和酶活性进行典型相关分析得出：根区土壤有效Zn含量对过氧化氢酶和酸性磷酸酶活性有明显的刺激作用，但抑制了蛋白酶活性；有效Cd则抑制了过氧化氢酶和酸性磷酸酶活性，但刺激了蛋白酶活性。关键词：大气污染；林木根区土壤；土壤重金属；土壤酶活性中图分类号：X503.235 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）03-0513-06近50年来，环境中污染物与生物有机体之间的相互作用规律与机理研究引起了国内外学者的广泛关注，无论是国内的污染生态学（pollution ecology）还是国外的环境保护生态学（ecology for environment protection），都把重金属作为环境中的一类优先污染物进行研究1。土壤酶是土壤生物化学过程的积极参与者，是生态系统中物质循环和能量流动过程的重要角色，土壤酶活性是土壤生产力和土壤质量评价的重要指标2-4。无论是土壤重金属还是土壤酶，近年来都受到了国内外污染生态研究上的重视。国内对污染胁迫下土壤重金属和酶活性进行了许多研究，如酸雨胁迫下的土壤重金属问题5-6，土壤酶问题7-8，污染环境中土壤重金属和酶的关系9-10等等。上述研究多集中在土壤与污染物间的关系机制上，而很少涉及到生物因子，如林木方面的问题。这方面的研究是目前的一个薄弱环节。为此，本文选择了两种污染区和清洁区（对照区）不同林木根区土壤为研究对象，对其在污染的胁迫、林木作用参与下，土壤重金属和土壤酶状况进行比较研究，以探讨污染物与生物体共同作用下土壤重金属和酶的变化机制，并为城市工业污染区抗性树种的选择提供参考。1 研究地区概况1.1 自然概况黄埔区地处广州市东部，珠江沿岸，西邻天河区，北靠白云区，东接增城市，南与番禺区隔江相望。区内地势北高南低，主要地貌为低丘、台地和平原。全区处于北回归线以南，面临南海，属南亚热带季风气候，年平均气温2122 ，最冷月（1月）平均气温13 左右，最热月（7月）平均气温29 左右。年平均降水量1670 mm，一般49月为多雨期，10月至翌年3月为旱季。区内林分多为人工桉树林、相思林或马尾松（Pinus massoniana）人工、次生林。土壤均为花岗岩赤红壤。1.2 调查地概况调查地分三个地段：广州市黄埔区石化厂北面山坡、黄埔区硫酸厂西南面山坡和华南农业大学校园长岗及其附近山坡地的对照区。三个地段立地条件基本一致，均为南亚热带低丘中上部、中部和及山脚。选择荔枝（Litchi chinensis）、台湾相思（Acacia confusa）、马尾松和尾叶桉（Eucalyptus urophylla）为研究树种。在林木的选择上，相同树种尽量选择胸径、树高或年龄接近的林木，具体的采样点基本情况见表1（下页）。广州石化厂是生产石油化工产品的大型企业，附近还包括广州乙烯厂。石化厂的采样地大田山位于厂区北面，受一定程度的大气污染，大部分林木生长基本正常，林地植物未见大量死亡。另外一处污染地龟山位于黄埔区硫酸厂（包括化工厂）南至西南面山坡，山体中心地段受污染严重，林地植被大量枯死，剩下少量潺槁树（Litsea glutinosa）、台湾相思及低洼地带的尾叶桉等。裸露地表土流失殆尽，石块裸露，表面呈黑焦状，当地人戏称该地为“戈壁滩”。华南农业大学校园的长岗山及其附近的山坡地离上述污染区在20 km左右，周围无工厂污染源，设为对照样品采集地。表1 供试土壤的采样点基本情况Table 1 Characteristics of the plots for collection of soil samples tested采样点及代号所属污染区树种坡度坡向坡位1SHT黄埔石化厂北面山坡，距离厂区500 m范围内的迎面山坡及山脚。台湾相思12南偏东20中部2SHM马尾松8南中下部3SHW尾叶桉10南中上部4SHL荔枝（平地）（平地）山脚5LST黄埔硫酸厂南至西南面山坡，距离厂区500 m范围内的迎面山坡。台湾相思10南偏东85中部6LSW尾叶桉10北中上部7LSL裸露地10南偏东25山脚8CKT华南农业大学长岗山及其附近山坡地，远离污染区，为清洁区，采样为对照样品。台湾相思5南偏东50中部9CKM马尾松6南偏东20中下部10CKW尾叶桉5北偏东20中上部11CKL荔枝（平地）（平地）山脚2 材料与方法2.1 采样点布设与样品采集在石化厂污染区的大田山山坡中部分别选择马尾松、台湾相思和尾叶桉，山脚厂区旁选择荔枝作为调查对象；在硫酸厂污染区的龟山山坡中部分别选择台湾相思、尾叶桉和无植被的裸露地作为调查对象（本地段无马尾松和荔枝）；在华南农业大学校园长岗山及其附近山坡立地条件相似的地点分别选择与大田山一致的4个树种（硫酸厂2个树种一致）作为对照。表2 供试土壤的重金属含量（mgkg-1）Table 2 Heavy metal contents of soil sample tested（mgkg-1）供试样品重金属全量有效态重金属含量CuZnPbCdCuZnPbCdSHT11.0533F58.047F36.557G(H)0.08017D(E)0.67000I2.2267H(G)2.0800H0.009267HSHM8.4700H88.817D36.323G(H)0.05383E1.14333G4.6433F5.0900F0.020600HSHW18.9067D62.160F49.940E0.06207E0.28667J1.7033H1.7233I0.009267HSHL11.7233E58.390F39.667G0.08607D(E)2.54000D6.7367E2.4033G0.031633FLST25.9300B308.667C184.333B3.66333C5.81333B19.6067C59.5033B0.284000CLSW35.9033A653.033A198.133A7.16227A7.42000A133.5667A81.5667A1.964667ALSL21.9333C505.633B126.333C6.15000B3.71000C123.3333B33.2033C1.533667BCKT8.6200H58.823F45.400F0.14800D(E)0.78667H3.3200F(G)8.8067D0.053367ECKM8.3700H41.583G38.713G0.11267D(E)0.77333H2.8200H(G)6.6500E0.033500FCKW10.9367F78.743E34.013H0.18067D1.81000E16.7233D8.8733D0.088267DCKL9.5867G62.017F55.657D0.08233C(E)1.62333F6.5867E6.5900E0.034833F*表中数据后字母为Duncan Grouping检验结果，字母不同的数据表示它们之间差异显著（P FF石化厂区硫酸厂区；马尾松根区除蛋白酶活性外，均为对照区石化厂区硫酸厂区。尾叶桉根区过氧化氢酶和酸性磷酸酶的活性顺序是对照区石化厂区硫酸厂区；而脲酶和蛋白酶的活性顺序是石化厂区对照区硫酸厂区；有关的研究表明8, 14，土壤重金属污染的加剧，导致酶活性的降低。由上述的酶活性比较顺序可得知，硫酸厂污染已最严重，石化厂有轻度污染。无论在对照区还是污染区，台湾相思基本上表现为根区土壤酶活性比尾叶桉和荔枝高，部分比马尾松高。特别是，台湾相思土壤脲酶的活性在各区均比其它树种高得多，这可能与其具有固氮的特性有关。在对照区，台湾相思的酸性磷酸酶活性尾叶桉。说明在污染地区台湾相思根系更有利于土壤酸性磷酸酶活性的提高；在对照区和轻度污染的石化厂污染区台湾相思的蛋白酶活性尾叶桉，而在污染严重的硫酸厂污染区台湾相思的过氧化酶活性F（P值）78.93980.88980.88980.9937260.9874910.00017.89070.08890.97870.9420840.8875230.0001一般来说，酶的活性与重金属污染有很大的关系，多数情况下是随污染加大而降低15。当然，其中的关系也复杂多样16。为深入探讨林木根区重金属复合污染与酶活性之间的相关关系，我们把两者视为不同的两组变量，采用典型相关分析（Canonical correlation analysis）方法，分析这两组变量之间的关系。SAS8.1运算结果表明（表4），两组变量的第1对和第2对典型变量V1与W1和V2与W2均有极显著的相关（r0.9875，r0.8875，P石化厂区硫酸厂区。污染对土壤酶活性的影响以硫酸厂区为最严重，石化厂区相对较轻。酶活性与污染程度关系密切。（3）台湾相思根区土壤的重金属全量、有效量普遍比尾叶桉和裸露地要低，说明在严重胁迫条件下，其对环境污染物含量的降低有明显作用；台湾相思土壤脲酶的活性在各区均比其它树种高，这可能与其具有固氮的特性有关。同时，在污染胁迫下，其酸性磷酸酶活性、蛋白酶的活性比尾叶桉有所提高。在污染较为严重的地方，除过氧化氢酶外，台湾相思比尾叶桉更有利于酶活性的提高，从一定意义上说台湾相思比尾叶桉更耐污染。因此，在抗污染树种的选择上，台湾相思是一个值得考虑的良好树种。（4）从土壤重金属变量与酶活性变量之间的相关关系看，在复合污染条件下，有效Zn含量的增加，对过氧化氢酶和酸性磷酸酶活性有明显的刺激作用，但抑制了蛋白酶活性；而有效Cd的增加，则抑制了过氧化氢酶和酸性磷酸酶活性的活性，但刺激了蛋白酶活性。（5）对重金属的全量和有效态含量进行的主成分分析得出，不同调查点土壤在4种重金属的全量和有效态含量组成的主成分坐标体系中存在明显的空间分异，即不同污染区重金属含量存在明显差异。石化厂和对照区归为一类，该区重金属含量低；硫酸厂归为一类，该区重金属含量高。参考文献：1 王宏镔, 束文圣, 蓝崇钰. 重金属污染生态学研究现状与展望J. 生态学报, 2005, 25(3): 596-605.WANG Hongbin, SHU Wenbheng, LAN Chongbu. Ecology for heavy metal pollution: recent advances and future prospectsJ. Acta Ecologica Sinica, 2005,25(3):596-605.2 BURNS R G, DICK R P. Enzymes in the Environment: Ecology, Activity and ApplicationsM. New York: Marcel Dekker, Inc., 2001. 3 KISS S, PASCA D, DRAGAN B M. Enzymology of Disturbed SoilsM. Amsterdam: Elsevier, 1998: 1-34.4 孟立君, 吴凤芝. 土壤酶研究进展J. 东北农业大学学报, 2004, 35(5): 622-626.MENG Lijun, WU Fengzhi. Advances on soil enzymesJ. Journal of Northeast Agricultural University, 2004, 35(5): 622-626.5 刘广深, 许中坚, 周根娣, 等. 模拟酸雨作用下红壤镉释放的研究J. 中国环境科学, 2004, 24(4): 419-423.LIU Guangshen, XU Zhongjian, ZHOU Gendi, et al. Studies on the character and rule of cadmium release from red soils under the action of acid rainJ. China Environmental Science, 2004, 24(4): 419-423.6 郭朝晖, 黄昌勇, 廖柏寒. 模拟酸雨对污染土壤中Cd、Cu和Zn释放及其形态转化的影响J. 应用生态学报, 2003, 14(9): 1547-1550.GUO Zhaohui1, HUANG Changyong, LIAO Bohan. Effects of simulated acid rains on Cd, Cu and Zn release and their form transformation in polluted soilsJ. Chinese Journal of Plant Ecology, 2003, 14(9): 1547-1550.7 张萍华, 申秀英, 许晓路, 等. 酸雨对白术土壤微生物及酶活性的影响J. 土壤通报, 2005, 36(2): 227-229.ZHANG Pinghua, SHEN Xiuying, XU Xiaolu, et al. Effects of simulated acid rain on the microbes and enzyme activity in soil of Atractylodes Macrocephala J. Chinese Journal of Soil Science, 2005, 36(2): 227-229.8 董军, 栾天罡, 蓝崇钰, 等. 铅锌矿冶区土壤酶活性特征研究J. 生态环境, 2005, 14(15): 668-671.DONG Jun, LUAN Tiangang, LAN Chongyu, et al. Characterization of soil enzyme activities in soils from lead-zine smelteryJ. Ecology and Environment, 2005, 14(15): 668-671.9 滕应, 黄昌勇, 龙 健, 等. 铅锌银尾矿污染区土壤酶活性研究J.中国环境科学, 2002, 22(6): 551-555.TENG Ying, HUANG Changyong, LONG Jian, et al. Studies on soil enzymatic activities in areas contaminated by tailings from Pb, Zn, Ag mineJ. China Environmental Science, 2002, 22(6): 551-555.10 王广林, 王立龙, 沈章军, 等. 冶炼厂附近水稻田土壤重金属污染与土壤酶活性的相关性研究J. 安徽师范大学学报: 自然科学版, 2004, 27(3): 310-313.WANG Guanglin, WANG Lilong, SHEN Zhangjun, et al. Studies on relation of heavy metal pollution in soils of rice lands near smeltery and enzymes activitiesJ. Journal of Anhui Normal University: natural science edition, 2004, 27(3): 310-313.11 鲁如坤. 土壤农业化学分析法M. 北京: 北京农业科技出版社, 1999: 106-336.LU Rukun. The Soil Agriculture Chemistry Analysis MethodM. Beijing: Agriculture Science and Technology Publisher, 1999: 106-336.12 关松荫. 土壤酶及其研究法M. 北京: 农业出版社,1986，294-297,303-304,309-313，320-323.GUAN Songyin. The Soil enzyme and Its research Method M. Beijing: Agriculture Publisher,1986，294-297,303-304,309-313，320-323.13 许中坚, 刘广深. 模拟酸雨对红壤重金属元素释放的影响研究J. 水土保持学报, 2005, 19(5): 89-93.XU Zhongjian, LIU Guangshen. Release of heavy metal elements from red soils under influence by simulated acid rainJ. Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 19(5): 89-93.14 曹裕松, 李志安, 邹碧 根际环境的调节与重金属污染土壤的修复J. 生态环境, 2003, 12(4): 493-497.CAO Yusong, LI Zhian, ZOU Bi. Regulation of rhizosphere and remediation of polluted soil by heavy metal J. Ecology and Environment, 2003, 12(4): 493-497. 15 KUPERMAN R G, CARREIRO M M. Soil heavy metal concentrations, microbial biomass and enzyme activities in a contaminated grassland ecosystem J. Soil Biology & Biochemistry, 1997, 29 (2): 179-190.16 和文祥, 朱铭莪, 张一平. 土壤酶与重金属关系的研究现状J. 土壤与环境, 2000, 9(2): 139-142.HE Wenxiang, ZHU Minge, ZHANG Yiping. Recent Advance in Relationship between Soil Enzymes and Heavy MetalsJ. Soil and Environmental Sciences, 2000, 9(2): 139-142.Heavy metal contents and enzymatic activities of soil in tree root zone at different air-polluted areasCHEN Hongyue1, YAN Xueyan1, CHEN Mingjie2, LIU Qian1, LIAO Yuhong11. College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China. 2. College of Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, ChinaAbstract: The Huangpu District is a serious polluted area in Guangzhou city, where the trees were imperiled by the pollution especially by the air contaminations. The heavy metal contents and enzymatic activities of soil in tree root zone are the important indices for describing and discussing the process and pollution effect. In the study, 4 tree species (Acacia confusa, Pinus massoniana, Eucalyptus urophylla and Litchi chinensis), 11 points for sample collection were selected and 33 samples of tree root zone soil were collected at the polluted area of the petrochemical, the vitriol factory and the unpolluted one of South China Agricultural University (as control area, CK). The heavy metal contents (total and available Cu, Zn, Pb and Cd) and enzymatic activities (urease, catalase, acid phosphatase and protease) were analyzed and the results showed: (1) For the soil heavy metal contents, there were no significantly differences between that of the petrochemical factor