生物質炭對重金屬污染土壤酶活性的影響

何元友 全桂香

（鹽城工學院環境科學與工程學院，江蘇 鹽城224051）

隨著我國經濟的快速發展，土壤重金屬污染日益嚴重。生物質炭作為土壤改良劑，因其多孔的結構，能夠降低土壤容重，減小土壤緊實度，從而有利于對土壤營養釋放。近年來，有研究表明：生物質炭可以改善土壤重金屬污染的形態和遷移行為，降低鉛、鎘、銅等重金屬的移動性，吸收農藥殘留，并調節土壤中微量元素的含量[1]。土壤酶能夠反映土壤污染狀況，是研究土壤環境的重要指標。本研究旨在探討生物質炭對重金屬污染土壤酶活性的影響，從而為利用生物質炭改良重金屬污染土壤提供一定的依據。

1 研究區域概況

鹽城系江蘇省管轄地級市，轄區總面積16900km2。以蘇北灌溉總渠為界，其北屬于北亞熱帶氣候，其南屬于南暖溫帶氣候。氣候受海洋的影響較大，季風氣候明顯。作為沿海城市，鹽城工業相對發達，同時也面臨著較為嚴峻的重金屬污染，尤其是造紙、化工等企業重金屬污染十分嚴重，破壞了當地生態環境，急需采取有效的重金屬污染治理措施。

2 研究設計

2.1 試劑與儀器設備

2.1.1 主要試劑

氫氧化鉀、二氧化硅、鹽酸、氫氧化鈉、苯酚、檸檬酸、甲醇、乙醇、丙酮、次氯酸鈉、甲苯、尿素、硫酸銨、3,5- 二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、蔗糖、葡萄糖、TTC、低亞硫酸鈉（保險粉）、甲醇、硼砂、鐵氰化鉀等。所有試劑均為分析純。

2.1.2 主要儀器設備

ZHP-2102L 雙層恒溫振蕩培養箱、HH-8 數顯恒溫水浴鍋（常州普天儀器制造有限公司）、SPJ-300 生化培養箱（上海梅香儀器有限公司）、紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限公司）。

2.2 實驗方法

2.2.1 樣品采集

在鹽城某重金屬污染區域取3m×1m×1m 剖面坑，0m、0.2m、0.4m、0.6m、0.8m 處取土樣500g，放入樣品袋，貼上標簽。

2.2.2 處理方法

土樣研磨后，以添加0 t·hm-2生物質炭為對照，以添加20 t·hm-2、40 t·hm-2、80 t·hm-2生物質炭為處理1（C1）、處理2（C2）和處理3（C3），各處理均設置3 個重復。

2.2.3 土壤理化性質分析

土壤含水率采用烘干法，有機質采用重絡酸鉀容量法- 稀釋熱法，總氮采用半微量開氏法，總磷采用NaOH 熔融- 鉬銻抗比色法。

2.3 測定方法

2.3.1 脲酶測定方法

稱取鮮土0.5g，1mL 甲苯，15min 后加入20mL pH 為6.7 的檸檬酸鹽緩沖液和10mL 10%的尿素溶液，搖勻后37℃下培養24h，過濾后取3mL 濾液定容至50mL 比色管，578nm 下比色。

2.3.2 蔗糖酶測定方法

稱取0.5g 鮮土，15mL 8%蔗糖溶液，5mL pH=5.5 磷酸緩沖液和5 滴甲苯，37℃培養24h，過后過濾后取1mL 濾液加3mL 3,5- 二硝基水楊酸,并在沸騰的水浴鍋中加熱5min，隨即將容量瓶移至自來水流下冷卻3min，溶液因生成3- 氨基-5- 硝基水楊酸而呈橙黃色，最后用去離子水稀釋至50mL，508nm 下比色。

2.3.3 堿性磷酸酶測定方法

稱取鮮土1g，5 滴甲苯，20mL 0.5%磷酸苯二鈉，充分振蕩后37℃培養2h，過濾后取1mL 濾液于50mL 比色管，分別加20mL去離子水，再加入0.25mL pH=9.0 硼酸鹽緩沖液，0.5mL 4- 氨基安替吡啉液，0.5mL 鐵氰化鉀，最后定容，于578nm 下比色。

2.3.4 脫氫酶測定方法

稱取鮮土5g，2mL1%TTC 溶液，2mL 蒸餾水，充分混勻，37℃下避光培養6h，之后加5mL 甲醇，劇烈振蕩1min，靜置5min，再振蕩20s，靜置5min，后群補過濾到比色管，并用少了甲醇洗滌三角瓶2-3 次，洗滌液也過濾到比色管，定容至25mL，485nm 下比色測定。以每g 干土生成的TPF 為脫氫酶的一個活性單位。

2.4 數據處理分析方法

錄入到SPSS 23.0，采用雙因素方差分析進行處理。α 取0.05。

3 結果與討論

3.1 生物質炭施加量對重金屬污染土壤脲酶活性的影響

對照、處理C1、C2 活性均隨土壤剖面深度的增加呈先升高后降低的趨勢，處理C3 活性則呈先下降再升高趨勢（見圖1）。方差分析表明：生物質炭能夠增加重金屬污染土壤脲酶活性（本研究以處理C1 最優）；重金屬污染土壤脲酶活性隨土壤深度下降而降低；生物質炭添加量能夠拮抗土壤深度對重金屬污染土壤脲酶活性的抑制作用（P＜0.05）。張莉[2]等認為：生物質炭為脲酶酶促反應提供了基質，因此添加生物質炭能夠提高土壤脲酶活性。

圖1 生物質炭對重金屬污染土壤脲酶活性的影響

3.2 生物質炭對重金屬污染土壤蔗糖酶活性的影響

處理C0 在各土壤剖面酶活性最高。處理C2 和C3 活性隨取土深度下降而不斷上升。處理C1 活性則隨取土深度下降先降低后上升（見圖2）。方差分析表明：生物質炭會抑制重金屬污染土壤蔗糖酶活性（本研究以處理C2 抑制效果最明顯）；重金屬污染土壤蔗糖酶活性隨土壤深度下降而增加；土壤深度能拮抗生物質炭對重金屬污染土壤蔗糖酶活性的抑制作用（P＜0.05）。本研究與現有研究結果[3]相反，可能與生物質炭添加量超過最優范圍有關。

圖2 生物質炭對重金屬污染土壤蔗糖酶活性的影響

3.3 生物質炭對重金屬污染土壤磷酸酶活性的影響

處理C0 活性隨土壤剖面深度下降而下降。處理C1 活性隨土壤剖面深度下降先下降再略有升高。處理C2 和處理C3 則隨土壤剖面深度下降先升高再下降（見圖3）。方差分析結果表明：添加生物質炭能夠提高重金屬污染土壤磷酸酶活性（本研究以處理C1 最優）（P＜0.05）；土壤深度下降對重金屬污染土壤磷酸酶活性影響不明顯（P＞0.05）。侯建偉[4]等人也表明生物質炭可增加土壤磷酸酶活性。

圖3 生物質炭對重金屬污染土壤磷酸酶活性的影響

3.4 生物質炭對重金屬污染土壤脫氫酶活性的影響

處理C1 活性隨土壤剖面深度變化下降再上升。處理C2 活性則隨土壤剖面深度變化快速上升后保持相對穩定。處理C3活性隨土壤剖面深度變化出現較大變化（見圖4）。雙因素方程分析結果表明：添加生物質炭能夠提高重金屬污染土壤脫氫酶活性（本研究以C3 處理最優）；重金屬污染土壤脫氫酶活性隨土壤深度下降而提高（P＜0.05）。韓召強[5]等認為添加生物質炭增加了土壤有機質，改善了土壤團粒結構和透氣透水性，從而為脫氫酶提供了更適宜的場所。同時，過量的生物質炭會抑制土壤脫氫酶活性。

圖4 生物質炭對重金屬污染土壤脫氫酶活性的影響

4 結論

經過本研究，得出如下結論：添加生物質炭能夠提高重金屬污染土壤脲酶、磷酸酶和脫氫酶活性，抑制蔗糖酶活性。本研究中，處理1（20 t·hm-2）對脲酶活性和磷酸酶活性的提升效應最明顯，處理3（80 t·hm-2）對脫氫酶活性的提升效應最明顯，處理2（40 t·hm-2）對蔗糖酶活性的抑制效應最明顯。同時，不同土壤深度酶活性存在差異，隨著土壤深度下降，脲酶活性有所下降，蔗糖酶和脫氫酶活性有所升高，磷酸酶活性隨土壤深度下降變化不明顯。