長春市土壤重金屬化學(xué)形態(tài)與土壤微生物量、微生物商和代謝商之間的關(guān)系

陳薇薇,李悅銘,郭 平

(吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,吉林長春130012)

長春市土壤重金屬化學(xué)形態(tài)與土壤微生物量、微生物商和代謝商之間的關(guān)系

陳薇薇,李悅銘,郭 平

(吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,吉林長春130012)

通過樣品采集和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法研究了長春市城市土壤重金屬化學(xué)形態(tài)與土壤微生物量、微生物商和代謝商之間的關(guān)系,以及土壤理化性質(zhì)對重金屬形態(tài)與土壤微生物量、微生物商和代謝商之間關(guān)系的影響.實驗結(jié)果表明:城市土壤環(huán)境的空間異質(zhì)性是引起城市土壤微生物參數(shù)的空間分異性的主要原因.長春市土壤重金屬(Pb、Cd、Cu、Zn和Ni)不同的化學(xué)形態(tài)對土壤微生物量、微生物商和代謝商的影響明顯不同,且土壤理化性質(zhì)對它們之間關(guān)系的影響比較顯著.采用重金屬化學(xué)形態(tài)與微生物學(xué)指標相結(jié)合的方法評價長春市土壤重金屬污染狀況時,應(yīng)該剔除土壤理化性質(zhì)的影響.可以選擇碳氮比與有機結(jié)合態(tài)Ni含量相結(jié)合的方法評價長春市土壤重金屬污染狀況或者確定重金屬污染的臨界濃度.

重金屬化學(xué)形態(tài);城市土壤;微生物量;微生物商;代謝商;碳氮比

城市土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是城市園林植物生長的介質(zhì)和養(yǎng)分的供應(yīng)者;是人們休息、娛樂的場所;是城市污染物的源和匯;它關(guān)系到城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和人類健康[1].城市化進程的加速發(fā)展導(dǎo)致大量的工業(yè)“三廢”等有毒有害物質(zhì)直接進入到城市土壤中,或通過大氣和水體再進入到土壤中,造成城市土壤的重金屬污染.重金屬難降解、易積累、毒性大,它所造成的污染具有隱蔽性、長期性和不可逆性等特點[2],這不僅破壞了城市土壤的生態(tài)環(huán)境而且還影響了城市居民的身體健康,制約了城市的可持續(xù)化發(fā)展.目前,國內(nèi)外通常采用重金屬全量及其與土壤微生物參數(shù)之間的關(guān)系來評價土壤重金屬污染狀況[3-5].研究表明,土壤微生物參數(shù)能夠反映土壤類型、土壤理化性質(zhì)和土壤污染狀況等土壤綜合狀況[6].其中,微生物量、微生物商和代謝商對氣候、人為活動、重金屬污染等外界條件的反應(yīng)比較敏感,是用來評價土壤重金屬污染生態(tài)系統(tǒng)功能變化的重要微生物學(xué)參數(shù)[7].在土壤重金屬污染脅迫下,這些微生物學(xué)參數(shù)的變化不僅受到重金屬全量的影響,而且一定程度上取決于重金屬的化學(xué)形態(tài)[8-10],因為重金屬化學(xué)形態(tài)與重金屬的生物有效性密切相關(guān),能夠直接反映重金屬對土壤微生物的毒性效應(yīng)和對土壤生態(tài)系統(tǒng)的潛在危害程度[11].因此,本論文以長春市土壤為對象,系統(tǒng)研究了長春市城市土壤微生物參數(shù)的特征及其空間異質(zhì)性,利用偏相關(guān)分析方法研究了土壤重金屬及其化學(xué)形態(tài)與土壤微生物參數(shù)之間的相關(guān)性,旨在揭示土壤重金屬化學(xué)形態(tài)與土壤微生物量、微生物商和代謝商之間的本質(zhì)關(guān)系,為土壤環(huán)境質(zhì)量評價和生態(tài)風(fēng)險評價及重金屬污染下城市土壤的防治提供理論依據(jù).

1 材料與方法

土壤樣品采集、處理和土壤理化性質(zhì)測定方法參見文獻[12].

1.1 土壤微生物量碳、氮和磷的測定

土壤微生物量碳、氮和磷的含量均采用氯仿熏蒸法進行測定[13].采用島津 TOC-Vcph型總有機碳分析儀測定提取液中碳的含量;采用分光光度法測定提取液中的氮和磷的含量.

1.2 土壤重金屬化學(xué)形態(tài)提取及其含量測定

采用改進的Tessier連續(xù)萃取方法提取土壤中各重金屬的交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)[14-15].采用 HNO3-HCl-HClO4消化法對殘渣態(tài)中的重金屬Pb、Cd、Cu、Zn和Ni進行消化,然后采用原子吸收分光光度法測定土壤中各種重金屬及其各化學(xué)形態(tài)的含量.重金屬各化學(xué)形態(tài)含量與分布情況見表1.

表1 土壤重金屬化學(xué)形態(tài)含量與分布 mg/kg

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析方法

實驗數(shù)據(jù)主要采用Microsoft 2003和SPSS 11.5軟件包中的相關(guān)分析、偏相關(guān)分析和逐步回歸統(tǒng)計方法研究變量之間的關(guān)系.

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤微生物量、微生物商和代謝商及其空間分異性

城市土壤微生物量和活性狀況如表2所示.由表2可知,城市土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物量磷的平均含量分別為82.89,13.33和2.87 mg/kg.其中微生物量碳含量約為微生物量磷含量的40倍;碳氮比的平均值為9.09,微生物商的平均值為0.49,前者約為后者的38倍;代謝商平均值為0.24 h-1.

表2 城市及各功能區(qū)土壤微生物量及其活性

同一微生物學(xué)指標在不同功能區(qū)明顯不同.微生物量碳在廣場土壤中含量最高,可達129.12 mg/ kg;其次是在公園土壤中,平均含量為118.89 mg/kg;農(nóng)用耕地、開發(fā)區(qū)和工業(yè)區(qū)土壤中含量相近.微生物量氮在農(nóng)業(yè)土壤中的平均含量最高(24.60 mg/kg),在其他各功能區(qū)大小順序依次是廣場、公園、開發(fā)區(qū)和工業(yè)區(qū).微生物量磷在廣場土壤中平均含量最高,為4.42 mg/kg,在工業(yè)區(qū)土壤中平均含量最低(0.55 mg/kg).通過比較各功能區(qū)土壤中微生物量碳、氮和磷的數(shù)值發(fā)現(xiàn),工業(yè)區(qū)土壤中微生物量最低,這表明工業(yè)活動嚴重破壞了城市土壤微生物的生命活動,大大降低了其繁殖能力.碳氮比在各功能區(qū)的分布情況為:工業(yè)區(qū)>廣場>公園>開發(fā)區(qū)>農(nóng)用耕地,表明碳氮比隨著城市化的不斷發(fā)展呈增大趨勢.微生物商在廣場土壤中最大(0.55),其次為公園土壤(0.47),在農(nóng)用耕地土壤中該數(shù)值最低(0.27).

工業(yè)區(qū)土壤中代謝商的數(shù)值均大于其他土壤功能區(qū)的代謝商值,平均值達到0.64 h-1,顯示出城市中心地帶土壤中代謝商數(shù)值高于城市邊緣區(qū)土壤,說明城市環(huán)境脅迫導(dǎo)致其微生物代謝能力發(fā)生了明顯改變,從而產(chǎn)生高水平、不穩(wěn)定的微生物活動[16].

2.2 土壤微生物量、微生物商和代謝商與重金屬化學(xué)形態(tài)之間的關(guān)系

土壤中的微生物對重金屬污染具有極高的敏感性,重金屬污染能明顯影響土壤微生物生物量、微生物商和代謝商等微生物學(xué)參數(shù),這與土壤中重金屬的生物有效性密切相關(guān).然而,重金屬的生物有效性受重金屬化學(xué)形態(tài)的影響,其中交換態(tài)重金屬生物有效性最強,殘渣態(tài)重金屬性質(zhì)穩(wěn)定,不能被微生物利用.所以本論文分析了土壤微生物量、微生物商和代謝商與重金屬化學(xué)形態(tài)之間的相關(guān)性,實驗結(jié)果列于表3.

由表3可知,在本實驗所獲得的重金屬各化學(xué)形態(tài)、濃度范圍內(nèi),各重金屬化學(xué)形態(tài)對土壤微生物量、微生物商和代謝商的影響方向和影響強度明顯不同.碳酸鹽結(jié)合態(tài)Pb含量與微生物量碳呈顯著正相關(guān).交換態(tài)的Cd與微生物量氮呈顯著正相關(guān),說明交換態(tài)Cd促進了微生物的生長和繁殖,這也是土壤陽離子交換量(CEC)[12]與微生物量氮呈顯著正相關(guān)的原因(r=0.3424＊>R0.05).有機結(jié)合態(tài)Cd與土壤微生物量碳呈顯著正相關(guān).土壤Ni各化學(xué)形態(tài)對微生物生物量、微生物商和代謝商的影響比較大,交換態(tài)Ni與微生物量碳、微生物量氮均呈顯著正相關(guān),與微生物商呈顯著正相關(guān),與代謝商呈顯著負相關(guān);碳酸鹽結(jié)合態(tài)Ni的含量與微生物量碳呈顯著正相關(guān);有機結(jié)合態(tài)Ni的含量與碳氮比呈顯著負相關(guān).非殘渣態(tài)Ni含量與微生物量碳、微生物量氮呈顯著正相關(guān),與代謝商呈顯著負相關(guān).綜合上述結(jié)果,初步推測可以采用本實驗獲得濃度范圍內(nèi)的交換態(tài)Ni含量(0～7.27 mg/kg)與代謝商、有機結(jié)合態(tài)Ni含量(0.66～8.00 mg/kg)與碳氮比、非殘渣態(tài)Ni(1.18～21.87 mg/kg)含量與代謝商之間的相關(guān)性相結(jié)合的方法來評價城市土壤受重金屬Ni污染的狀況.

2.3 土壤理化性質(zhì)對重金屬形態(tài)與土壤微生物量、微生物商和代謝商之間關(guān)系的影響

土壤微生物量、微生物商和代謝商的變化能在一定程度上綜合反映土壤整體狀況的變化.土壤理化性質(zhì)和重金屬對土壤微生物量、微生物商和代謝商均產(chǎn)生重要影響,并且土壤理化性質(zhì)對重金屬與土壤微生物學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系也會產(chǎn)生影響.土壤有機質(zhì)含量、p H值及土壤含水率等通常是土壤微生物參數(shù)大小的主要控制因素[17-18],而且土壤黏粒、鐵鋁氧化物含量和氧化還原電位等性質(zhì)也會改變重金屬對土壤微生物參數(shù)的影響.為了揭示土壤理化性質(zhì)對土壤重金屬化學(xué)形態(tài)與土壤微生物量、微生物商及代謝商之間關(guān)系的影響,本論文采用偏相關(guān)分析的方法進行研究.此方法是通過比較在控制因素存在的條件下,重金屬化學(xué)形態(tài)與微生物參數(shù)之間的相關(guān)程度獲得的.因此,確定控制因素是偏相關(guān)方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié).

通常控制因素是選擇對微生物學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響的主要土壤理化性質(zhì).采用逐步回歸統(tǒng)計方法建立方程來確定影響土壤微生物參數(shù)的主要理化性質(zhì),結(jié)果列于表4.由表4可知,有機質(zhì)含量是影響微生物量碳和代謝商的主要因素,但影響的方向和強度不同.土壤p H是影響微生物量氮的主要因素.

表3 土壤微生物參數(shù)與重金屬化學(xué)形態(tài)的相關(guān)性(r)與偏相關(guān)性(R)

表4 土壤微生物活性與土壤理化性質(zhì)逐步回歸方程

土壤微生物量、微生物商和代謝商與土壤重金屬各化學(xué)形態(tài)之間的偏相關(guān)分析結(jié)果見表3.由表3可知,與無控制因素相比,在控制因素作用下的土壤重金屬化學(xué)形態(tài)對土壤微生物量、微生物商和代謝商影響均發(fā)生了變化.除了碳酸鹽結(jié)合態(tài)Pb含量與代謝商相關(guān)系數(shù)以及有機結(jié)合態(tài)Ni含量與微生物商的相關(guān)系數(shù)(相關(guān)系數(shù)的絕對值)升高外,其他變量間的偏相關(guān)系數(shù)均下降.說明控制因素抑制或掩蓋了實驗所獲得的濃度范圍內(nèi)的碳酸鹽結(jié)合態(tài) Pb(1.58～55.44 mg/kg)和有機結(jié)合態(tài)Ni(0.66～8.00 mg/kg)對微生物代謝功能的抑制作用,而其他控制因素對重金屬各化學(xué)形態(tài)與微生物參數(shù)關(guān)系均有不同程度的協(xié)同放大作用.

從表3可見,與無控制因素相比,交換態(tài)Cd對微生物量氮的偏相關(guān)系數(shù)下降了0.1381,達到不顯著水平.有機結(jié)合態(tài)Cd與微生物量碳的偏相關(guān)系數(shù)下降了0.0388,且偏相關(guān)系數(shù)達到顯著水平,可見土壤有機物對有機結(jié)合態(tài)Cd刺激微生物生長繁殖的協(xié)同放大作用并不大,主要是有機結(jié)合態(tài)Cd刺激了土壤微生物的生長繁殖.

與相關(guān)系數(shù)相比,交換態(tài)Ni與微生物量碳、微生物量氮、碳氮比和代謝商的偏相關(guān)系數(shù)均有所減少,分別減少了0.0742,0.0699,0.0275,0.0923,且與碳氮比和代謝商的偏相關(guān)系數(shù)達到不顯著水平.與相關(guān)系數(shù)相比,碳酸鹽結(jié)合態(tài)Ni與微生物量碳偏相關(guān)系數(shù)減少了0.0126;有機結(jié)合態(tài)Ni與碳氮比的偏相關(guān)系數(shù)減少了0.0733;非殘渣態(tài)Ni的含量與微生物量碳、代謝商的偏相關(guān)系數(shù)變化較大,分別減少了0.1625,0.1332,但均不顯著,其與微生物量氮的偏相關(guān)系數(shù)減少了0.0734.可見控制因素掩蓋了重金屬化學(xué)形態(tài)對微生物量、微生物商及代謝商的影響,所以采用微生物學(xué)指標評價土壤重金屬污染狀況時,剔除掉土壤理化性質(zhì)對微生物指標的影響是十分必要的.綜合上述結(jié)果,可以采用碳氮比與有機結(jié)合態(tài)Ni(0.66～8.00 mg/kg)含量相結(jié)合的方法來評價土壤重金屬污染狀況或者確定重金屬污染的臨界濃度.由此可見,利用重金屬化學(xué)形態(tài)與微生物學(xué)指標相結(jié)合評價土壤重金屬污染程度和狀況比利用重金屬含量與微生物學(xué)指標結(jié)合更加合理.

3 結(jié)論

(1)長春市土壤環(huán)境的空間異質(zhì)性是引起城市土壤微生物參數(shù)的空間分異性的主要因素.

(2)城市土壤的各理化性質(zhì)對土壤微生物學(xué)參數(shù)產(chǎn)生的影響程度和方向均不同,而且對城市土壤微生物學(xué)和重金屬之間的關(guān)系具有協(xié)同放大或者抑制掩蓋作用,因此,在評價土壤重金屬污染狀況和受重金屬污染程度時需要剔除土壤理化性質(zhì)對土壤微生物參數(shù)的影響.

(3)可以采用碳氮比與有機結(jié)合態(tài)Ni含量相結(jié)合的方法來評價長春市土壤重金屬Ni污染狀況.

[1] 盧瑛,龔子同,張甘霖.南京城市土壤特性及其分類的初步研究[J].土壤,2001,33(1):47-51.

[2] 史宇,何玉科.重金屬污染環(huán)境的植物修復(fù)及其分子機制[J].植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報,2003,29(4):267-274.

[3] 程東祥,張玉川,馬曉凡,等.長春市土壤重金屬化學(xué)形態(tài)與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)系[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2009,18(4): 1279-1285.

[4] 蔣先軍,駱永明,趙其國,等.重金屬污染土壤的微生物學(xué)評價[J].土壤,2000,32(3):130-134.

[5] 施曉東,常學(xué)秀.重金屬污染土壤的微生物相應(yīng)[J].生態(tài)環(huán)境,2003,12(4):498-500.

[6] BROOKES P C.The use of microbial parameters in monitoring soil pollution by heavy metals[J].Biology and Fertility of Soils, 1995,19:269-279.

[7] 龍健,黃昌勇,滕應(yīng),等.礦區(qū)重金屬對土壤環(huán)境質(zhì)量微生物學(xué)指標的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2003,22(1):60-63.

[8] MORTON-BERMEA O,HERNANDEZ-ALVREZE E,GONZALEZ-HERNANDEZ G,et al.Assessment of heavy metal pollution in urban top soils from the metropolitan area of Mexico City[J].Journal of Geochemical Exploration,2009,10(3): 218-224.

[9] 李魚,郭霖,黎娜,等.表層沉積物中重金屬形態(tài)與酶活性的相關(guān)性[J].吉林大學(xué)學(xué)報:理學(xué)版,2009,47(3):628-633.

[10] 俞慎,何振立,黃昌勇,等.重金屬脅迫下土壤微生物和微生物過程研究進展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003,14(4):618-622.

[11] 雷鳴,廖柏寒,秦普豐,等.土壤重金屬化學(xué)形態(tài)的生物可利用性評價[J].生態(tài)環(huán)境,2007,16(5):1551-1556.

[12] 程東詳,王婷婷,包國章,等.長春市土壤酶活性及其影響因素[J].東北師大學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,42(2):137-142.

[13] 中國科學(xué)院南京土壤研究所.土壤微生物研究法[M].北京:科學(xué)出版社,1985.

[14] TESSIER A.CAMPBELL P G C,BLSSON M.Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals [J].Analytical Chemistry,1979,51:844-851.

[15] 李魚,王曉麗,張正,等.表層沉積物(生物膜)非殘渣態(tài)組分的選擇性萃取分離及其吸附銅/鋅的特性[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報, 2006,27(12):2285-2290.

[16] BEYER L,SIELING K,PINGPANK K.The impact of a low humus level in arable soils on microbial properties,soil organic matter quality and crop yield[J].Biology and Fertility of Soils,1999,28(2):156-161.

[17] 楊元根,PATERSON E,CAMPBELL C,等.蘇格蘭阿伯丁城市土壤的微生物特性研究[J].礦物學(xué)報,2000,20(4):342-348.

[18] 段學(xué)軍,盛清濤.土壤重金屬污染的微生物生態(tài)效應(yīng)[J].中原工學(xué)院學(xué)報,2005,16(1):1-4.

(責(zé)任編輯:方 林)

Relationships between the chemical forms of heavy metals and the microbial biomass,microbial quotient,metabolic quotient of soils in Changchun City

CHEN Wei-wei,LI Yue-ming,GUO Ping
(College of Environment and Resource,Jilin University,Changchun 130012,China)

The relationships between chemical forms of heavy metals and the microbial biomass, microbial quotient,metabolic quotient of Changchun urban soils,as well as the effects of the physicochemical properties of soils on their relationships were investigated by the methods of sample collection and laboratory analysis in this work.The experimental results indicated that the spatial heterogeneities ofthesoilmicrobiologicalparametersweremainlyresulted fromthespatial heterogeneities of the urban soil environment.The different chemical forms of heavy metals(Pb,Cd, Cu,Zn and Ni)had different impacts on the microbial biomass,microbial quotient,metabolic quotient of soils.The relationships between chemical forms of heavy metals and the microbial biomass, microbial quotient,metabolic quotient of soils were influenced by the physicochemical properties of soils obviously,and the effects of chemical forms ofheavy metals on the soil microbiological parameters were amplified or concealed by the soil organic matter content and p H,etc..It will be more suitable for assessing the contamination of heavy metals by combining the chemical forms of heavy metals with the microbiological parameters.Besides,the effects of soil physicochemical properties should be eliminated when establishing the evaluation indexes for heavy metals in Changchun urban soils.The combination of the microbial quotient and the content of organic-bond Ni can be adopted to assess the contamination of heavy metals in soils and determine the critical concentration of heavy metals pollution.

chemical forms of heavy metals;urban soil;microbial biomass;microbial quotient;metabolic quotient;carbon nitrogen ratio

X 833[學(xué)科代碼]610·2030

A

1000-1832(2010)04-0144-06

2010-07-12

博士后專項基金資助項目(20060490900);國家自然科學(xué)基金資助項目(30570269).

陳薇薇(1982—),女,博士研究生,主要從事環(huán)境污染控制和治理研究;通訊作者:郭平(1972—),女,博士,副教授,主要從事污染生態(tài)、污染環(huán)境修復(fù)研究.