五大連池新生代火山泥有機成分檢測及其指標相關性分析

潘虹 楊臣 方振興等

摘要[目的]探索五大連池火山泥生態，并為其演變規律提供數據支撐。[方法]以五大連池新生代火山泥為研究對象，利用改良熏蒸浸提法測定火山泥微生物碳、氮；利用化學滴定和比色法測定火山泥酶活性各指標，利用國標規定的土壤指標檢測方法測定火山泥養分各指標。[結果]微生物量碳、氮分別以藥泉山、火燒山火山泥帶最高，5條泥帶碳氮比均在10.00～13.00。過氧化氫酶、轉化酶、脲酶、蛋白酶、纖維素酶含量分別以莫拉布山、火燒山、龍門山、火燒山、藥泉山火山泥帶最高，在研究區內，纖維素酶所占比重最大，脲酶最小，總酶含量以藥泉山泥帶最高。5條泥帶全氮、全磷及全鉀含量相對較均衡，分別在1.00～2.50、0.20～0.70、19.20～23.50 mg/g，分別以火燒山、龍門山、火燒山最高，有機質以火燒山含量最高。各有機成分間均呈現不同程度的相關性。[結論]藥泉山和火燒山火山泥帶各有機成分積累能力較強，礦化度較高。相關性分析表明，轉化酶對環境變化的響應更為敏感。

關鍵詞五大連池；火山泥；有機成分；相關性

中圖分類號S153.6；Q938.1+3；X132文獻標識碼A文章編號0517-6611（2016）04-193-04

Organic Composition Detection and Correlation Analysis of Cenozoic Volcanic Mud at Wudalianchi World Geopark

PAN Hong， YANG Chen， FANG Zhenxing et al （Institute of Volcano and Spring， Heilongjiang Academy of Science， Harbin， Heilongjiang 150090）

Abstract[Objective] To provide data support for the ecology and evolution rule of cenozoic volcanic mud in Wudalianchi World Geopark. [Method] With cenozoic volcanic mud in Wudalianchi World Geopark as the research object， microbial biomass carbon and nitrogen in volcanic mud were detected by improved redistilled extraction method； indexes of enzymatic activity were detected by chemical titration and colorimetric method； indexes of nutrient in volcanic mud were detected by soil index detection method. [Result] The microbiomass carbon and nitrogen were the highest at Yaoquanshan， Huoshaoshan volcanic mud areas. The ratio between carbon and nitrogen was from 10.00 to 13.00 in the five areas. Hydrogen peroxidase， invertase， urease， protease and cellulase contents were the highest at Molabushan， Huoshaoshan， Longmenshan， Huoshaoshan， Yaoquanshan volcanic mud areas， respectively. In the research areas， cellulase had the greatest proportion， but urease showed the least. Total enzyme content was the highest at Yaoquanshan. In the five mud areas， total N， total P and total K were relatively balanced， which were within 1.0-2.5， 0.2-0.7 and 19.2-23.5 mg/g， respectively. They were the highest at Huoshaoshan， Longmenshan and Huoshaoshan volcanic mud areas. All the organic compositions showed different degrees of correlation. [Conclusion] Yaoquanshan and Huoshaoshan volcanic mud areas have relatively strong accumulation ability of organic composition， and high degree of mineralization. Correlation analysis shows that invertase is more sensitive to environmental changes.

Key wordsWudalianchi； Volcanic mud； Organic compositions； Correlation

五大連池世界生物圈保護區，暨五大連池世界地質公園，地處小興安嶺山地向松嫩平原的轉換地帶，位于126°07′17.81″～126°31′38.27″ E，48°38′21.25″～48°48′01.03″ N，屬于寒溫帶季風氣候，海拔250～300 m，年平均氣溫為0 ℃左右，年日照時數在2 100～2 850 h，年均降水量500 mm。主要植物種有小葉章Cinnamomum angustifolia、大葉章Deyeuxia langsdorffii、羊草Leymus chinensis、賴草Leymus secalinus、野笠苔草Carex drymophila、烏拉草Carex meyeriana等，伴生種有沼柳Salix rosmarinifolia 、草玉梅Anemone rivularia、小白花地榆Sanguisorba.tenuifolia等。五大連池火山泥因其蘊含多種礦物元素和具生物活性效應的稀土元素而廣泛應用于各領域。近年來，火山泥的研究在我國是一個較特殊的研究方向，各種版本的教材、專著、科研文獻對火山泥的生態研究匱乏。目前，人們對五大連池火山泥的研究仍處于初步階段，如田杰[1]利用原子吸收分光光度法對五大連池礦泉泥中無機微量元素進行了測定；1996年呂育齊等[2]利用平皿法從測定礦泥雜菌總數、大腸桿菌、金黃葡萄球菌等指標，進行了五大連池礦泥衛生學研究；2000年呂育齊等[3]系統地對五大連池火山泥水分、粒徑、密度、黏度、灰分、流變學、外觀等物理性質進行了測定；尤傳譽等[4]結合研究區鉆孔資料對五大連池地區礦泥的分布特征、分布范圍及儲量進行了分析和評價。可見，學者對五大連池火山泥的研究僅限于物理成分鑒定、儲量探究、特征性指標表述等方面。然而，對五大連池新生代火山泥有機成分的研究鮮見報道。五大連池世界生物圈保護區內火山眾多，均為第四紀火山群，筆者選取其中極具代表性的5條火山附屬泥帶作為研究區域，檢測微生物量碳氮、酶活性、養分等指標，并分析其指標間相關性，旨在為探索五大連池火山泥生態及其演變規律提供數據支撐。

1材料與方法

1.1試驗區設置及樣品采集5條火山附屬泥帶分別為藥泉山火山泥帶、火燒山火山泥帶、莫拉布山火山泥帶、龍門山火山泥帶、焦得布山火山泥帶（圖1），將每條泥帶均勻地劃分為5個試驗區，每個試驗區面積約2 hm2，均勻選取3個樣點，每點去除0～0.5 m表層土壤，鉆取深度為20～130 cm泥層樣品，從剖面層選取一段火山泥樣，去除少量植物根系和石塊，分別封裝2個樣袋，標記后帶回實驗室。一部分經室內風干、研磨、過篩、混勻后，用于養分和酶活性的測定，另一部分置于4 ℃冰箱保存，供微生物及其他指標的測定[5]。注：U為5座火山分布；V為藥泉山火山泥帶試驗區；W為火燒山火山泥帶試驗區；X為莫拉布山火山泥帶試驗區；Y為龍門山火山泥帶試驗區；Z為焦得布山火山泥帶試驗區。

1.2.1土壤處理。將供試樣品置于有適量的水和NaOH溶液的恒溫培養箱內，于25 ℃培養7 d，消除水分、溫度的差異及新鮮有機物質的干擾，使各樣品具有可比性[6]。稱取火山泥樣品（相當于干土15 g）置于真空干燥器中，同時放置盛有無乙醇氯仿及0.1 mol/L NaOH溶液（約2/3）的25 mL燒杯各1只，密封干燥器抽真空至氯仿沸騰并持續5 min后關閉閥門，于25 ℃黑暗條件下培養24 h。培養結束后，反復抽真空15 min除盡樣品吸附的氯仿，另稱取等量樣品做不熏蒸處理，在所有樣品中加入0.5 mol/L K2SO4溶液60 mL，于300 r/min振蕩30 min，過濾。每樣品及空白均設3次平行[7-8]。

1.2.2微生物量碳的測定。吸取提取液2 mL于150 mL消化管中，加入0.8 mol/L 1/6 K2Cr2O7溶液2 mL，12 mol/L濃H2SO4溶液2 mL，混勻后置于190 ℃油浴鍋中煮沸5 min，冷卻后轉移到150 mL三角瓶中，加2滴鄰啡啰啉指示劑，用0.2 mol/L FeSO4標準溶液滴定，溶液顏色由橙黃至藍綠，再至棕紅色即為滴定終點，記錄FeSO4標準溶液用量。

1.2.3微生物量氮的測定。吸取提取液10 mL于消化管中，加入混合催化劑（K2SO4∶CuSO4∶Se=100∶10∶1） 2 g、 12 mol/L濃H2SO4溶液5 mL，混勻后置于340 ℃遠紅外消煮爐中持續消煮90 min，冷卻后置于凱氏定氮儀中蒸餾，完畢后用0.01 mol/L HCl標準溶液滴定，溶液顏色呈紫紅色即為滴定終點，記錄HCl標準溶液用量。

1.3酶活性的測定過氧化氫酶檢測采用高錳酸鉀滴定法；轉化酶檢測采用水楊酸比色法；脲酶檢測采用苯酚次氯酸鈉比色法；蛋白酶檢測采用FolinCiocalteu比色法；纖維素酶檢測采用水楊酸比色法[9-10]。

1.4養分的測定全氮量檢測采用重鉻酸鉀-硫酸消化法[11]；全磷量檢測采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法[12]；全鉀量檢測采用NaOH熔融-火焰光度法[13]；有機質檢測采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[14]。

1.5數據統計采用Excel軟件統計數據，相關性分析采用Spss 19.0軟件。

2結果與分析

2.1不同火山附屬泥帶下微生物量碳、氮比較從圖2可以看出，不同火山附屬泥帶下微生物量碳有所差別，除藥泉山、火燒山附屬泥帶下微生物量碳大于0.350 mg/g處，其余泥帶下微生物量碳均在0.280以下，且無顯著差異。較碳而言，微生物量氮的總體變化趨勢類似，火燒山泥帶微生物量氮相較藥泉山略高，但二者均在0.035 mg/g以上，其余泥帶均在0.020 mg/g左右，且無顯著差異。從微生物量碳氮比來看，所有泥帶均在10.00～13.00，與耕作土壤相比數值較小，由于微生物量碳氮是基質養分的儲存庫，這一數值與火山泥貧養狀態直接相關[15-18]。

2.2不同火山附屬泥帶下酶活性比較從圖3可以看出，從單種類酶來看，纖維素酶以藥泉山含量較高，為50.00 mg/g左右，而火燒山、龍門山、莫拉布山次之，焦得布山最低，僅10.00 mg/g左右。在5種酶中，纖維素酶所占比重最大，這與表層豐滿的苔草類植被生長及其根系分泌物直接相關，與耕作土壤一致。轉化酶含量以火燒山最高，達到1.10 mg/g以上，其余含量相對較低。各附屬泥帶中，過氧化氫酶、蛋白酶含量相差不大，分別在4.00、0.40 mg/g左右。與其他種類酶相比，脲酶整體含量過低，各泥帶無顯著差異，均在0.02 mg/g左右，導致該現象的原因一方面是火山衍生環境中尿素含量極少，另一方面，表層植被及微生物代謝物中存在少量尿素，而脲酶將其水解為CO和NH3，NH3反過來對脲酶的活性又有抑制作用[19]。

從5條附屬泥帶來看，藥泉山總酶含量相對較高，原因可能是其內部流經礦泉水帶，致使泥層表面植被生長豐茂，泥層中微生物數量較多所致，另外，礦泉水中豐富的礦物元素（如Mg2+、Zn+、Mn2+、Sr2+等）與酶活性呈正相關；火燒山、龍門山、莫拉布山總酶含量次之；焦得布山總酶含量最低，這可能與其疑似常年凍土層相關。

2.3不同火山附屬泥帶下養分含量比較從圖4可以看出，5條附屬泥帶下全氮、全磷及全鉀的含量主要受泥質類型的影響，含量相對均衡，分別在1.00～2.50、0.20～0.70、19.20～23.50 mg/g，并以藥泉山、龍門山、火燒山最高。有機質含量略有差別，以火燒山最高，達54.72 mg/g，以莫拉布山最低，為25.06 mg/g。相較前3項指標，有機質來源廣泛，主要為土壤微生物的活動、植物根系分泌物和動植物殘體腐解過程[20]，因此含量相對較高。總體來說，由于火山泥來源特殊性，其養分含量較耕作土壤略低，這與其基質貧養狀況相關。

2.4有機成分相關性分析由表1可知，微生物量碳、氮間存在極顯著相關性，微生物量碳含量與有機質、脲酶、纖維素酶含量呈極顯著相關，微生物量氮含量與全氮量、轉化酶、脲酶、蛋白酶和纖維素酶含量呈顯著或極顯著相關，轉化酶含量與全氮量、全磷量、有機質含量顯著相關，脲酶與全氮量顯著相關，纖維素酶與蛋白酶顯著相關，與脲酶含量極顯著相關。可見，微生物量碳氮與酶之間，酶與養分之間，多種酶之間均呈現不同程度的正相關性。究其原因，酶類是由火山泥微生物代謝和植物的根部分泌所得，直接參與物質和能量轉化，其活性一定程度上反映火山泥微生物活動的強度。

的轉化一方面依賴于泥質中微生物的活動以及酶對底物的轉化和生成，另一方面可促進微生物生長繁殖，增加酶活性[21-28]。

另外，火山泥過氧化氫酶與各因子之間均呈現不同程度的負相關，可能與火山泥高黏性高密度有關[28]，因為酶類主要以酶–礦物粘粒復合體形式存在于泥質中，且處于被保護的物理狀態[29]，與其他酶類相比，過氧化氫酶的這種被保護狀態可能更強。

3結論與討論

目前，有關五大連池火山泥的研究僅局限于物理成分鑒定、儲量探究等方面，筆者從有機成分的角度探索并解析五大連池火山泥尚屬首次。由于微生物直接參與火山泥腐殖質的形成以及無機元素的轉化循環過程，故今后筆者將從微生物角度，系統、全面地研究火山泥成分的微變化和營養形成過程，為后續發現火山極端微生物和有利用價值的菌種資源奠定基礎。

該研究通過對五大連池新生代火山泥附屬泥帶微生物量碳氮、酶活性、養分等指標的檢測及相關性分析，得出以下結論：

（1）微生物量碳、氮分別以藥泉山、火燒山火山泥帶最高，碳氮比符合微生物基質碳氮營養需求率；過氧化氫酶、轉化酶、脲酶、蛋白酶、纖維素酶含量分別以莫拉布山、火燒山、龍門山、火燒山、藥泉山火山泥帶最高，總酶含量以藥泉山泥帶最高；5條泥帶全氮、全鉀及有機質含量均以火燒山最高，全磷以龍門山最高。總體來看，藥泉山與火燒山火山泥帶各有機成分積累能力較強，礦化度高。

（2）從檢測數據來看，與壤土相比，火山泥微生物量、酶活性、養分含量普遍偏低，可見，研究區內泥質各有機成分與火山貧養環境密切相關。相關性分析表明， 與其他有機成分相比，轉化酶活性表現為顯著或極顯著的正相關，說明轉化酶對環境變化的響應更為敏感。

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